布尔台矿区煤系沉积环境和有机质富集的关系

信延儒，巫肇锦，杨帅，肖志伟，王宇恒

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

0 引言

煤系气是指赋存在含煤岩系中的煤层气、页岩气和砂岩气，是煤系矿产资源和非常规气的重要组成部分，随着人们对清洁能源需求的增加，煤系气日益受到重视[1-2]。有机质丰度和类型是决定源岩产气能力的基本条件，含煤岩系的特点是有机质含量高、沉积相类型丰富，不同沉积环境的有机质含量和类型不同，从而影响到煤系气的产气能力和资源潜力，因此研究煤系沉积环境和有机质富集特征的关系是煤系气资源评价的基础性工作。

鄂尔多斯盆地是我国重要的能源盆地，含煤岩系广泛分布，具有良好的煤系气资源前景。前人对鄂尔多斯盆地烃源岩的沉积环境与有机质开展了不同程度的研究工作，腾格尔通过对盆地海相地层元素、碳氧同位素分布与沉积环境和烃源岩发育关系的研究，建立了判识海相有效烃源岩及其分布规律的环境分析基本模式[3]。苗建宇等以二叠系岩心地化分析资料，经分析得出还原程度强、具一定深度水体的沉积相带是原始有机质沉积的良好场所，而较长时间处于氧化环境条件下沉积的泥质碳酸盐岩类岩石，有机质丰度明显偏差[4]。许化政等对中奥陶统平凉组烃源岩的有机质丰度进行了分析，建立的岩石沉积序列[5]。相对而言，对鄂尔多斯盆地煤系沉积环境与有机质的关系研究较薄弱。本文通过对鄂尔多斯盆地东部东胜煤田布尔台矿区BK193钻孔岩心样品系统的岩石学和地球化学测试分析，研究沉积环境与有机质丰度和类型的关系，揭示有机质富集机制及其原生控制条件。

1 地质背景

布尔台矿区地处内蒙古自治区东胜煤田南部(图1),构造位置处于华北地台鄂尔多斯台拗伊盟隆起的东南部(图1)[6]。根据矿区内所见含煤地层与各煤层的情况，矿区内受到过区域构造作用。燕山运动初期，由于东胜隆起区出现隆起，导致了含煤地层的沉积基底不平；又因燕山早期“填平补齐”的作用，造就了矿区内6煤层各煤层的加厚、变薄和尖灭；此后盆地稳定发育， 6煤组以上的地层被沉积了下来。燕山期末，盆地内出现整体抬升，地层遭受了强烈的剥蚀作用，故而造就了现在矿区内地层的赋存规律。

图1 鄂尔多斯盆地布尔台矿区位置图Figure 1 Location map of Burtai mine area, Ordos Basin

矿区主要发育中侏罗统(J2)含煤岩系，钻探过程中主要钻遇地层为中侏罗统延安组(J2y)，它的总体构造形态由波状弯曲状的次级短轴平缓背、向斜所构成，垂向上具体可划分为延一段(J2y1)、延二段(J2y2)、延三段(J2y3)等三个段。本文将以中侏罗统延安组为研究目标层，展开研究工作。

2 样品的采集与测试

为研究布尔台矿区煤系沉积环境和有机质富集的关系，取BK193钻孔岩心样品进行测试。综合岩性特征及深度分布，共采集样品101块，选取21块样品进行有机碳含量测试，21块样品进行岩石热解测试，9块样品进行全岩X射线衍射分析。

表1 测试方法Table 1 Testing methods

3 测试结果

3.1 岩矿特征

对岩矿特征进行分析是划分沉积相的前提，也是本文研究沉积环境与有机质富集关系的重要理论依据。

BK193钻孔主要钻遇地层为中侏罗统延安组，深度为311.8～534.4m。钻探发现：岩性以砂岩、泥岩为主；垂向上岩石粒度多次出现渐变的趋势，正反韵律均可见；层理明显且多样；矿物除石英、钾长石和黏土矿物外还有菱铁矿等伴生矿物存在。通过全岩X射线衍射分析、岩心样品的观察描述和偏光显微镜下对岩心样品薄片的鉴定，选取有代表性的岩心样品进行特征分析。

3.1.1 全岩X射线衍射

取钻孔9个岩心样品进行全岩定量分析，结果如表2所示。分析发现，样品主要以石英和黏土矿物为主，石英含量在29%～40.1%，平均值为33.76%；黏土矿物含量29.1%～60.7%，平均值为47.94%；碳酸盐矿物中以白云石为主，部分样品中含量较高(B43)；菱铁矿平均含量2.22%。菱铁矿的出现对垂向上的还原环境具有指示作用。

3.1.2 岩心样品形态

岩心样品所反映出的层理以及垂向上岩性和粒度的变化是判断沉积环境以及有机质富集程度的重要依据。结合对岩心样品的观察描述以及岩心样品薄片的镜下鉴定，分析发现：层理明显且多样(图2)，岩石粒度垂向上变化明显，且存在粒度旋回(图3)，选取对沉积环境有明显指示作用的形态加以解释如表3。

3.2 有机质富集特征

分析岩心样品垂向上有机质丰度的变化，进而结合岩石热解测试结果得出有机质类型，以便将岩性特征与有机质类型紧密地结合起来，为研究沉积环境与有机质富集的关系提供依据。

表2 全岩X射线衍射结果Table 2 Whole rock X-ray diffraction results /%

表3 典型形态特征Table 3 Typical morphological features

图2 典型层理Figure 2 Typical stratifications

图3 典型垂向粒度变化Figure 3 Typical vertical grain size variations

3.2.1 有机质丰度

通过有机碳含量测试得出TOC含量(表4)，发现岩心样品有机质丰度总体上呈规律性变化(图5)。延三段深度313m处TOC含量为12.87%，S1+S2为15.14 mg/g；深度325.66～340.12m处有机质丰度相对最高，TOC含量为3.49%～34.24%，平均值为10.41%，S1+S2为3.03～89.07mg/g，平均值为21.45mg/g。延二段深度380.8～394.7m处有机质丰度较低，TOC含量为4.41%～8.66%，平均值为5.7%，S1+S2为5.97～10.43mg/g，平均值为7.5mg/g。延二段与延一段过渡，深度468.74～488.7m处有机质丰度较低，TOC含量为3.48%～15.68%，平均值为5.92%，S1+S2为3.36～24.97mg/g，平均为7.64mg/g。延一段深度504.06～506.9m处有机质丰度相对较高，TOC含量为7.23%～8.80%，平均值为8.03%，S1+S2为13.97～15.86mg/g，平均值为15.16mg/g。

3.2.2 有机质类型

岩石热解可用氢指数(IH)与最大峰温(Tmax)值图版划分有机质类型[7]。其中氢指数(IH)等于100*热解烃(S2)/有机碳含量(TOC)。测试结果(表4)表明，除最高值86.57mg/g和较高值24.79mg/g外，热解烃(S2)主要在2.97～15.21mg/g。最大峰温(Tmax)为420～442℃。热解最大峰温温度变化较均衡，表明有机质的热演化程度较低，有机碳在热演化过程中损失不大。氢指数(IH)在70.71～252.83mg/g变化。

经氢指数(IH)与最大峰温(Tmax)值图版(图4)划分有机质类型得出，有机质类型以Ⅲ型(腐植型)和Ⅱ2型(腐泥-腐植型)为主。其中，延三段深度325.66～340.12m处(IH平均值为150.19mg/g)主要为Ⅱ2型；延二段深度380.8～394.7m处(IH平均值131.97mg/g)为Ⅱ2型和Ⅲ型； 延一段深度468～491.4m处(IH平均值为202mg/g)为Ⅲ型和Ⅱ2型，深度504.06～506.9m处(IH平均值为188.28mg/g)为Ⅱ2型。

图4 有机质类型的划分Figure 4 Organic matter type classifications

3.2.3 有机质类型与岩性的对应关系

通过分析有机质类型与岩性之间的关系，可为研究沉积环境与有机质富集的关系提供依据，由此建立岩心样品有机岩石学分析(表4)。分析表明，Ⅱ2型主要分布在暗色泥岩中，少数分布在灰黑色粉砂质泥岩和炭质泥岩中；Ⅲ型大部分分布在泥岩中，少数分布在灰白色粉砂岩中。

表4 岩心样品有机岩石学分析Table 4 Core rock analysis of organic samples

4 沉积环境及其与有机质富集的关系

4.1 沉积相的划分

按延安组由老到新，垂向上可分为3个沉积相：湖泊相、辫状河三角洲相和辫状河相。湖泊相位于延一段底部和中部，深度为481.5～534.4m；辫状河三角洲相位于延一段顶部以及延二段底部和中部，深度为424.11～481.5m；辫状河相位于延安组延二段顶部和延三段，深度为311.8～424.11m。下面结合岩心样品的岩矿特征和有机质富集特征对沉积相进行详细划分(图5)。

4.1.1 湖泊相

随着深度逐渐变浅，岩性由细砂岩中砂岩到粉砂岩过渡，多处夹炭质泥岩层；层理由平行层理到小型波状层理过渡。根据以上变化趋势，结合测井曲线，由深到浅分划分两个亚相，分别为浅湖亚相(深度499.44～528.72m)和滨湖亚相(深度481.5～499.44m)。

浅湖亚相在枯水时湖面以下，波浪作用很强，能触及湖底，但不同地点波浪强度不同，浅水区上部近岸的波浪带，波浪作用最强，向下部逐渐减弱[8]。在底部深度516.08～518m处，主要为细砂岩，可见大量植物碎屑化石，反映出较弱的水动力条件和较强的还原环境。对水动力条件指示最明显的地方在深度504.9～511.52m处，此处浅部以粉砂质泥岩为主，见平行层理，深部为灰白色细砂岩与灰黑色细砂岩互层，由下往上灰白色细砂岩的比例越来越小，反映出水动力条件由深到浅逐渐变强。测井曲线整体上呈中幅齿状的钟形，反映了正粒序的结构，也反映了物源供应的不断减少[9]。

滨湖亚相位于湖岸线附近，经常受湖水进退影响，沉积环境变化复杂，沉积类型多[8]。在底部深度491.4～496.4m处，主要为灰白色细砂岩夹灰黑色细砂岩条带，可见小型波状层理，反映出浅水区的沉积环境。因为此处位于枯水时湖面以上，所以水动力条件变弱。随着深度逐渐变浅，在深度485.6～490.6m处，中下部为灰黑色细砂岩与灰白色细砂岩互层，491m处夹5cm厚黑色炭质泥岩，中上部为灰黑色粉砂岩夹薄煤线，顶部为灰白色与灰黑色细砂岩互层，复杂的岩性组合反映了滨湖亚相浅部因离湖岸线近而经常受湖水进退影响。测井曲线出现了巨大的起伏，显示出砂、泥岩频繁互层和分布稳定的砂泥混合滩的沉积特征[9]。有机质丰度较低，有机质类型为Ⅱ2型和Ⅲ型，其类型存在变化，反映出滨湖沉积环境对有机质的富集作用较浅湖亚相差。

4.1.2 辫状河三角洲相

随着深度逐渐变浅，岩性由粉砂岩到细砂岩、中砂岩、粗砂岩再向中砂岩和细砂岩过渡，在深度464m处出现了细砂岩与泥岩互层的现象；层理由深变浅从复合层理到平行层理到脉状层理再到交错层理变化。根据以上变化趋势，结合测井曲线，由深到浅划分两个亚相，分别为辫状河三角洲前缘亚相(深度472.05～481.5m)和辫状河三角洲平原亚相 (深度424.11～472.05m)。

辫状河三角洲前缘是辫状河三角洲沉积最活跃的场所， 其沉积物是辫状河三角洲的主体[10]。底部深度476.04～479.52m为灰白色粉砂岩与灰黑色粉砂岩互层，由下往上灰白色细砂岩比例逐渐减少，存在复合层理，顶部472.05～476.04m岩性逐渐变为中砂岩和粗砂岩，存在平行层理，岩性垂向上呈现下细上粗的反韵律，反映出水动力条件逐渐增强的趋势。测井曲线呈现漏斗形，进一步说明了岩性下细上粗的变化趋势。有机质丰度下部高上部低，有机质类型以Ⅲ型为主，其类型存在变化。

辫状河三角洲平原亚相是辫状河三角洲沉积的水上部分，位于辫状河三角洲沉积层序的上部位[11-12]。岩性大体上呈现下粗上细的特征，但也存在旋回。其中两期旋回发生在底部深度468.74～472.05m处，此处沉积模式较为复杂，笔者将其划为上下部两个部分：下部为灰白色细砂岩到中砂岩，粒度由下往上逐渐变粗；上部为正粒序，存在平行层理，灰白色粉砂岩比例由下往上逐渐减少，两期旋回与下部砂岩呈冲刷接触，有灰白色中砂岩包裹灰黑色粉砂岩的现象(图3(b))。另外两期旋回发生在中部深度454.54m处，为灰白色细砂岩，细粒砂状结构，含两期超短期旋回，均为由下往上粒度变粗，颜色由深变浅的反粒序，脉状层理发育，反映出较强的水动力条件。旋回是沉积过程中河道砂坝的频繁侧向迁移加积造成的。在此亚相顶部424.11～428.03m处，岩性为灰白色细砂岩，存在交错层理。测井曲线在深度447～454.54m呈现明显的箱形，表征此处分布厚层砂岩，表示主河道沉积环境。有机质丰度低，未见明显丰度变化趋势，反映出辫状河三角洲平原沉积环境不利于有机质的富集。

4.1.3 辫状河相

随着深度变浅，岩性垂向上出现两个从粗砂岩到砂质泥岩到细砂岩的序列，其中夹有煤层。结合岩矿特征和测井曲线分析划分亚相为：辫状河道亚相(深度399.12～414.88m)、辫状砂坝亚相(深度396.1～399.12m)、泛滥平原亚相(383.78～396.1m)、辫状河道亚相(深度354.16～383.78m)、辫状砂坝亚相(深度333.46～354.16m)、泛滥平原亚相(311.8～333.46m)。

图5 BK193钻孔煤系沉积环境与有机质综合柱状图Figure 5 Comprehensive column of coal measures sedimentary environment and organic matter in borehole BK193

辫状河道亚相岩性上以灰白色粗砂岩为主，粗粒砂状结构，块状构造，分选较好，磨圆较好；在深度358.36m处出现了脉状层理。测井曲线特征上，均呈低值平滑箱形，表征此处分布厚层砂岩，表示主河道沉积环境。有机质丰度较低，无法划分有机质类型，反映出辫状河道沉积环境不利于有机质的富集。

辫状砂坝亚相深度较辫状河道亚相浅，形成年代较晚。岩性上以暗色粉砂质泥岩为主；层理类型较复复杂，可见平行层理、交错层理、脉状层理等。测井曲线呈现较高幅度，下部齿状的箱形，可反映出水动力条件较强，底部含冲刷面，是河道侧向迁移形成的由辫状河道向泛滥平原过渡的亚相。有机质丰度高，其中333.46～340.12m处有机质丰度相对最高，可见大量植物碎屑化石，有机质类型为Ⅱ2型，且未见其类型变化。

泛滥平原亚相为洪水期河水溢出河道，将悬浮于水流中的细粒物质沉积于河道外形成[13]。岩性以细砂岩、粉砂岩和暗色泥岩为主，粒度由下至上逐渐变细；层理垂向上由深到浅从波状层理向水平层理过渡。测井曲线底部突变形，顶部钟形，有时夹有低幅齿形曲线，进而反映泛滥平原底部与河道砂坝密切共生，由下至上粒度变细，其中存在泥质沉积。有机质丰度较高，有机质类型为Ⅲ型和Ⅱ2型，其类型存在变化，反映出泛滥平原沉积环境有利于有机质的富集。

4.2 沉积环境与有机质富集的关系

从沉积环境对有机质富集的控制作用看，由全岩X射线衍射分析结果得出延安组岩心样品均含有菱铁矿，进而反映钻遇地层垂向上为还原环境，此套地层较有利于有机质的保存；相反，从有机质的富集规律分析其所处的沉积环境，地层垂向上有机质丰度的变化主要与不同源岩沉积时期水动力条件等因素有关[14]。

经深入研究发现，延安组中泛滥平原为高有机质丰度煤系气源岩发育的有利沉积环境。延二段晚期泛滥平原底部与辫状砂坝密切共生，岩性垂向上呈现正粒序，水动力条件逐渐变弱的沉积环境使得被破坏的还原环境逐渐得以恢复，有机质富集程度变高，有机质类型为Ⅱ2型和Ⅲ型。延三段晚期与延二段晚期的沉积环境变化趋势大体一致，同样发育有泛滥平原，有利于有机质富集，有机质类型为Ⅱ2型和Ⅲ型。

分析得出，由于地形等因素影响，适宜的水动力条件可以促进有机质向更容易聚集的地方的迁移，进而促进有机质的富集。比如延三段泛滥平原处水浅流急，此时氧化还原条件便不再是影响有机质富集的主要因素，适宜的地形条件和水动力对有机质的侧向迁移作用共同促进有机质的富集。

5 结论

(1)布尔台矿区钻遇有机质类型为Ⅱ2型和Ⅲ型的含煤岩系。

(2)泛滥平原沉积环境有利于有机质的富集，进而为煤系气的发育提供了良好条件。

(3)水动力是有机质富集的重要原生控制条件，在泛滥平原处，水动力条件强且有机质富集程度也较高，这说明氧化还原条件不再是影响有机质富集的主要因素，而是适宜的地形条件和水动力对有机质的侧向迁移作用共同促进着有机质的富集。

致谢感谢曹代勇教授对本文选题和成文过程中的悉心指导，感谢刘金城博士研究生、牛鑫磊和张岩硕士研究生在研究工作中给予的具体帮助。

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