丁 戀

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

沁水盆地是我國(guó)大型的煤炭富集盆地，蘊(yùn)含了大量的煤炭及煤層氣資源[1-4]。前人關(guān)于該區(qū)煤炭的分布規(guī)律及控制因素進(jìn)行了大量的研究，以往研究認(rèn)為該區(qū)成煤作用的優(yōu)勢(shì)沉積環(huán)境為河流-三角洲及澙湖-潮坪沉積體系[5-7]。邵龍義等建立了包括沁水盆地在內(nèi)的華北地臺(tái)石炭-二疊紀(jì)近海型含煤巖系層序地層格架，將華北石炭-二疊系劃分為7個(gè)三級(jí)層序，認(rèn)為最有利成煤環(huán)境為三角洲沉積體系，其次為河流、潮坪-潟湖沉積體系[8]。徐振永等分析認(rèn)為山西沁水盆地煤系主要存在碳酸鹽巖臺(tái)地、碎屑巖淺海和三角洲等沉積相類(lèi)型，將沁水盆地煤系劃分為兩個(gè)層序，每個(gè)層序又分為海侵體系域和高位體系域[9]。

但針對(duì)沁水盆地局部地區(qū)的層序地層及聚煤古地理的研究則比較少見(jiàn)。筆者在開(kāi)展沁水盆地西南緣安澤地區(qū)煤炭及煤層氣研究期間，利用鉆孔巖心資料，分析了研究區(qū)石炭-二疊系沉積相和聚煤特征，建立了含煤地層層序地層格架，并進(jìn)一步分析其聚煤規(guī)律，以其更深入指導(dǎo)該區(qū)煤炭及煤層氣勘探開(kāi)發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

沁水盆地為一NNE向展布的復(fù)式向斜構(gòu)造，介于太行和呂梁隆起帶之間，在古構(gòu)造上屬于華北地臺(tái)中部。燕山期，華北地區(qū)剪切擠壓應(yīng)力作用不斷增強(qiáng)，燕山運(yùn)動(dòng)早期，大華北盆地逐漸向鄂爾多斯地區(qū)退縮，至燕山運(yùn)動(dòng)中期山西地區(qū)已成為隆起區(qū)，位于其上規(guī)模最大的復(fù)式向斜型沁水盆地最終定型[10]。

根據(jù)盆地整體構(gòu)造演化特征以及各區(qū)構(gòu)造演化，可劃分為古縣一澆底斷裂構(gòu)造帶、安澤一西坪背斜隆起帶等12個(gè)構(gòu)造區(qū)帶(圖1)，盆內(nèi)次級(jí)背、向斜相間發(fā)育，并發(fā)育斷層，整體構(gòu)造較為簡(jiǎn)單[11]。安澤地區(qū)位于沁水盆地西南緣，向西緊鄰霍山隆起，整體為一系列緊閉背斜和寬緩向斜相間排列的構(gòu)造組合形態(tài)。

沁水盆地安澤地區(qū)石炭-二疊紀(jì)沉積地層包括本溪組、太原組及山西組等，其中太原組和山西組為含煤巖系。太原組以細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及灰?guī)r為主，灰?guī)r包括廟溝灰?guī)r、毛兒溝灰?guī)r、 斜道灰?guī)r，含多層可采煤層，主要形成于障壁-澙湖與碳酸鹽巖臺(tái)地復(fù)合相。 山西組以砂巖、 粉砂巖、 泥巖為主，含2～3層可采煤層，主要形成于淺水三角洲沉積相。

圖1 沁水盆地南部區(qū)域構(gòu)造圖Figure 1 Regional tectonic map of southern Qinshui Basin

2 沉積特征

通過(guò)對(duì)本區(qū)鉆孔巖心觀察，識(shí)別出粗砂巖、中細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r和可燃有機(jī)巖共6種巖石類(lèi)型(圖2)，并進(jìn)一步識(shí)別出三角洲平原、三角洲前緣、障壁-濱外陸棚等沉積體系。

a.灰色粗砂巖，山西組；b.淺灰色中細(xì)砂巖，太原組；c.灰白色粉砂巖，夾泥質(zhì)條帶，山西組；d.灰黑色泥巖，含炭化植物碎屑，太原組；e.灰色石灰?guī)r，發(fā)育垂直裂縫，太原組；f.9煤，太原組圖2 沁水盆地西緣含煤巖系主要巖相類(lèi)型Figure 2 Main lithofacies types of coal measures in western Qinshui Basin

1)三角洲平原亞相，主要由分流河道、分流間灣等沉積微相組成，分流河道巖性以粗砂巖、中細(xì)砂巖及薄層粉砂巖組成，發(fā)育交錯(cuò)層理及沖刷構(gòu)造。分流間灣巖性主要為粉砂巖、泥巖及煤層為主。

2)三角洲前緣亞相，主要由水下分流河道、水下分流間灣、席狀砂等沉積微相組成，巖性以中細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖組成，砂體中可見(jiàn)平行層理和斜層理。

3)障壁-濱外陸棚沉積，主要由分流河道、濱外陸棚、沼澤、澙湖、障壁島等沉積微相組成，巖性主要以穩(wěn)定展布的灰?guī)r為主，見(jiàn)海百合莖、瓣殼等化石，并發(fā)育中細(xì)砂巖、泥巖、煤層等。

3 含煤巖系層序地層格架

前人關(guān)于沁水盆地層序地層的劃分開(kāi)展了很多有益的研究[7-9,13-15]。邵龍義等以與下切谷砂巖共生的間斷面、不整合面、海侵方向轉(zhuǎn)換面、下切谷砂巖底面、沉積相轉(zhuǎn)換面以及共生的古土壤層為界，將沁水盆地含煤巖系劃分為3個(gè)三級(jí)復(fù)合層序和9個(gè)四級(jí)層序[7]。黃晶晶等以?shī)W陶系頂部區(qū)域不整合面或太原組底部砂巖、太原組中部9號(hào)煤層頂面、山西組底部北岔溝砂巖以及下石盒子組底部駱駝脖子砂巖為層序界面，將沁水盆地南部劃分為3個(gè)三級(jí)層序[13]。張海濤等以沁水盆地東北部太原組為研究對(duì)象，共識(shí)別出障壁島、潮坪、沼澤、潟湖等沉積相，將太原組分成四個(gè)三級(jí)層序，其中各層序包含海侵和高位兩個(gè)體系域[14]。

本文以煤田鉆孔和測(cè)井資料為基礎(chǔ)，以沉積學(xué)和層序地層學(xué)等理論為指導(dǎo)，在研究區(qū)石炭-二疊系含煤巖系中識(shí)別出3個(gè)三級(jí)層序，并進(jìn)一步劃分為低位體系域、湖侵體系域(海侵體系域)及高位體系域，其中層序I相當(dāng)于石炭系下統(tǒng)的本溪組和石炭-二疊系下統(tǒng)太原組下段，層序II相當(dāng)于石炭-二疊系下統(tǒng)太原組上段，層序III相當(dāng)二疊系山西組(圖3)。

圖3 沁水盆地西緣石炭-二疊紀(jì)含煤層系三個(gè)層序劃分Figure 3 Permo-Carboniferous coal measures three sequencespartitioning in western Qinshui Basin

3.1 層序界面識(shí)別

層序界面識(shí)別是層序地層劃分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，層序界面包括初始海(湖)泛面、不整合面及最大海(湖)泛面等，本區(qū)共識(shí)別的層序界面主要有3種：

(1)區(qū)域不整合面。研究區(qū)中奧陶世石灰?guī)r與石炭-二疊紀(jì)含煤巖系之間的界面作為一區(qū)域不整合面在全區(qū)普遍發(fā)育，代表沉積間斷或遭受剝蝕，易于識(shí)別對(duì)比。

鉆具組合：CK306B定向隨鉆擴(kuò)孔鉆頭×0.48 m+120 mm(1.75°)單彎螺桿+(331 mm×310 mm)接頭+88.9 mm無(wú)磁鉆桿(1根)+120 mm MWD短節(jié)+(311×310)接頭+擋板+88.9 mm無(wú)磁鉆桿(1根)+88.9 mm斜坡鉆桿(20根)+旁通閥+88.9 mm加重鉆桿(45根)+88.9 mm斜坡鉆桿+127 mm鉆桿。

(2)下切谷沖刷面。下切谷充填沉積一般以疊置的厚層及透鏡狀砂礫巖體為特征[16]。研究區(qū)山西組底部的北岔溝砂巖(k7)、太原組中部發(fā)育的七里溝砂巖(K6)及晉祠砂巖(K1)等都經(jīng)歷了河道強(qiáng)烈的下切作用，其上下沉積環(huán)境具有明顯變化。

(3)沉積體系轉(zhuǎn)換面。在垂向上，沉積相的轉(zhuǎn)換會(huì)引起地層顏色、巖性及測(cè)井曲線等的變化，可作為層序界面[17]。層序Ⅰ底界的七里溝砂巖(k6)界面之上為三角洲沉積體系，界面之下為障壁-濱外陸棚沉積體系，所以K6為沉積體系轉(zhuǎn)換面，可作為很好的層序界面。

根據(jù)以上層序界面識(shí)別原則，將研究區(qū)劃分為3個(gè)三級(jí)層序(圖4)。

3.2 層序Ⅰ特征

層序Ⅰ發(fā)育海侵體系域和高位體系域，相當(dāng)于太原組中下部地層及本溪組，層序頂界面為層序Ⅱ底界面，層序底界面為本溪組底部。主要發(fā)育障壁-濱外陸棚沉積體系，層序Ⅰ最大海泛面位于太原組下部廟溝灰?guī)r底界面，廟溝灰?guī)r在全區(qū)穩(wěn)定展布，厚度2.0～15.0m，平均厚度8.4m，反映了大規(guī)模海侵沉積。海侵體系域沉積了全區(qū)穩(wěn)定分布的沼澤相煤層、澙湖相泥巖，巖性主要為中細(xì)砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層，其中，9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)煤層為全區(qū)主要可采煤層，主采煤層發(fā)育于最大海泛面的附近。高位體系域發(fā)育廟溝灰?guī)r、毛兒溝灰?guī)r、斜道灰?guī)r、東大窯灰?guī)r等4套穩(wěn)定展布的海相灰?guī)r，構(gòu)成多個(gè)海侵-海退旋回層[12],同時(shí)沉積了障壁-澙湖相煤層、泥巖，發(fā)育多層煤層及煤線。

3.3 層序Ⅱ特征

層序Ⅱ發(fā)育低位體系域、湖侵體系域，相當(dāng)于太原組上部地層， 層序頂界面為山西組北沙溝砂巖的底部地層，底界面為太原組七里溝砂巖底。初始湖泛面位于七里溝砂巖之上的泥巖、粉砂巖的底部。低位體系域巖性為灰色細(xì)砂巖、粉砂巖為主，主要為三角洲平原。低位體系域分布不穩(wěn)定，一般厚度1.3～6.3m，平均厚度2.8m，總體厚度趨勢(shì)表現(xiàn)為南北兩端薄，中部厚，最厚的地區(qū)分布在ZK5—5至ZK5—9之間。低位體系域不發(fā)育煤層。

圖4 研究區(qū)含煤巖系層序地層對(duì)比Figure 4 Study area coal-bearing strata sequence stratigraphic correlation

層序Ⅱ湖侵體系域巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖為主，沉積環(huán)境為三角洲前緣亞相，湖侵體系域厚度介于15.3～29.5m(圖4)，沉積中心位于ZK1-1附近，局部發(fā)育煤線。

3.4 層序Ⅲ特征

層序Ⅲ發(fā)育低位體系域、湖侵體系域和高位體系域，相當(dāng)于山西組,層序底為北岔溝砂巖底部，頂為駱駝脖子砂巖底部。初始湖泛面位于穩(wěn)定展布的北岔溝砂巖之上的泥巖、粉砂巖的底部。低位體系域巖性以中粗砂巖、細(xì)砂巖為主，含泥礫和植物化石，底部發(fā)育沖刷面，主要為三角洲平原亞相分流河道下切充填形成的下切谷沉積，低位體系域地層厚度2.0～15.0m，厚度從西北向東南減薄，低位體系域聚煤作用差，幾乎不發(fā)育煤層。

層序Ⅲ最大湖泛面位于2號(hào)煤層之上一套分流河道砂巖的底面，為湖侵向正常湖退的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。高位體系域巖性以粗砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層為主，泥巖中常含植物化石、黃鐵礦，主要為三角洲平原分流間灣、分流河道及天然堤沉積。高位體系域地層厚度介于3.9～32.8m，南北厚中間薄，最厚的區(qū)域位于ZK509附近(圖4)。高位體系域聚煤作用較差，僅在局部地區(qū)發(fā)育薄煤線。

3.5 層序格架下煤層分布特征

通過(guò)統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)45口煤田鉆孔繪制了各層序主力煤層厚度等值線圖，層序Ⅰ發(fā)育的主采煤層為9+10+11號(hào)煤層， 煤層厚度介于0.6～9.1m， 平均厚度4.8m，研究區(qū)內(nèi)煤層厚度西南厚、北東薄，聚煤中心位于西南部(圖5)。層序Ⅲ中發(fā)育的主采煤層為2+3煤，厚度介于0～7m，平均厚度3.2m，煤層厚度由西北向東南方向逐漸增厚，煤厚最薄的區(qū)域位于研究區(qū)的西北部，煤層尖滅，煤層最厚的區(qū)域位于研究區(qū)的東南部ZK1-1附近(圖6)。

圖5 研究區(qū)層序Ⅰ主采煤層厚度等值線圖Figure 5 Study area sequence I main mineablecoal seam isopach map

圖6 研究區(qū)層序Ⅲ主采煤層厚度等值線圖Figure 6 Study area sequence III main mineablecoal seam isopach map

4 層序地層格架下煤層聚集規(guī)律

以往的研究表明河流—三角洲、障壁-濱外陸棚等沉積環(huán)境中都可以形成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的厚煤層“泥炭的堆積和保存需要足夠高的水位以覆蓋正在腐爛的植物并阻止其被氧化，同時(shí)水位又要足夠低以確?；钪闹参锊槐谎退馈盵12,18-19]。當(dāng)可容空間增加速率與泥炭堆積速率相平衡或稍微超過(guò)泥炭堆積速率，且維持時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，厚煤層才會(huì)形成[20]。聚煤作用是可容空間增長(zhǎng)速率和泥炭堆積速率雙重因素綜合作用的結(jié)果[21]。

研究區(qū)層序Ⅰ、層序Ⅱ， 煤層厚度大，聚煤作用強(qiáng)。從同一層序不同體系域煤層分布看，煤層主要發(fā)育于海(湖)侵體系域，在低位體系域發(fā)育較差。對(duì)于層序Ⅰ中的濱淺湖環(huán)境，凹陷沉降速率較大，可容空間增加較快，湖侵體系域的早期、中期可容空間的增加速率可能與泥炭堆積速率平衡，從而形成厚度較大的煤層，該地區(qū)煤層主要形成于湖侵體系域的初始湖泛面附近。

層序Ⅰ中發(fā)育的9+10+11號(hào)煤層成煤環(huán)境主要為濱外陸棚以及障壁-潟湖沉積體系,煤層形成于海侵體系域末期即最大海泛面附近。其厚度大小取決于最大海泛面形成時(shí)間的長(zhǎng)短，時(shí)間越長(zhǎng)煤層越厚[18]，研究區(qū)在這一時(shí)期，氣候適宜，有利于大量植物生長(zhǎng)，較高的泥炭堆積速率和較高的可容空間速率相平衡，從而形成厚煤層。

層序Ⅲ中3號(hào)煤層主要形成于以河流作用為主的下三角洲平原分流間灣環(huán)境,并形成于湖侵體系域中，湖侵體系域的早期、中期可容空間的增加速率與泥炭堆積速率平衡，從而形成厚度較大的煤層，該地區(qū)煤層主要形成于湖侵體系域的初始湖泛面附近。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)主要發(fā)育三角洲平原相、三角洲前緣相、障壁-濱外陸棚沉積體系，煤層主要為三角洲平原分流間灣、泥炭沼澤和障壁-濱外陸棚泥炭沼澤、澙湖相淤泥沼澤化而成。

(2)在沁水盆地石炭-二疊紀(jì)含煤巖系中識(shí)別出3種層序界面：不整合面、下切谷沖刷面和沉積體系轉(zhuǎn)換面，分出3個(gè)三級(jí)層序，進(jìn)一步劃分出低位、海(湖)侵及高位體系域。層序Ⅰ、層序Ⅲ中發(fā)育厚度穩(wěn)定的可采煤層。

(3)研究區(qū)障壁-濱外陸棚環(huán)境下煤層在層序地層格架中位于最大海泛面附近，較高的泥炭堆積速率與較高的可容空間增加速率相平衡，形成9+10+11號(hào)厚煤層。三角洲平原環(huán)境下煤層位于湖侵體系域早中期，尤其在初始湖泛面附近，泥炭堆積速率與可容空間增加速率相平衡，形成2+3號(hào)厚煤層。