鄂尔多斯盆地煤系矿产资源赋存规律研究进展

魏迎春，曹代勇，宁树正，吴国强

(1.中国矿业大学(北京)，北京 10008； 2.中国煤炭地质总局，北京 100038)

煤、油气、砂岩型铀矿等多种沉积矿产同盆共存的事实，日益受到地质学家的关注[1-6], 沉积盆地多种矿产富集机理和耦合成矿效应已成为当前矿产资源和盆地动力学领域的研究热点之一[7]。含煤岩系(简称煤系)是一套含有煤层并有成因联系的沉积岩系，作为多种矿产资源的载体，除煤层发育之外，还共伴生丰富的能源矿产、金属矿产和非金属矿产。这些煤系矿产资源构成一个资源丰富、类型多样、相对独立、又具有成因联系与耦合关系的成矿环境和矿产赋存系统[6-15]。早在二十世纪初，人们便已关注煤和煤系中共伴生矿产种类及其利用技术等问题[16-17]，近年来，随着矿产资源综合评价的深入和煤系综合矿产资源概念的提出，涉及煤盆地和煤系矿产资源的研究成果日趋增加[1,12-13，18-20]。

鄂尔多斯盆地是世界级特大型多种能源盆地，矿产资源十分丰富，煤、石油、天然气、油页岩、沉积型铀矿俱全，素有“半盆油、满盆气，遍地是煤”的美誉。鄂尔多斯盆地含煤岩系广泛分布[21-22]，晚古生代克拉通坳陷与中生代陆内坳陷继承性发育，盆地构造-热演化史规律性明显[23-24]，为含煤岩系多种矿产共生耦合成矿提供了良好的地质条件。近年来，鄂尔多斯盆地与含煤岩系有关的煤层气、致密砂岩气、页岩气、煤中金属元素矿产、砂岩型铀矿等调查研究取得众多成果[25-34]，推动了含煤岩系矿产资源综合评价和勘查理论与技术的发展。

在中国地质调查局地质调查项目“鄂尔多斯盆地煤系矿产资源赋存规律与资源评价”和国家自然科学基金等相关项目的支持下，中国矿业大学(北京)和中国煤炭地质总局有关单位对鄂尔多斯盆地煤系矿产资源开展了全面深入的综合研究工作，在鄂尔多斯盆地煤系矿产资源类型、赋存规律和资源潜力等方面取得重要进展，为鄂尔多斯盆地煤及共伴生矿产勘查工作部署提供了科学依据，对于促进煤系矿产综合开发利用、尤其煤系气的共探共采具有重要的现实意义和推动作用。

1 鄂尔多斯盆地煤系矿产资源种类及其组合特征

受晚古生代至中生代不同的构造和沉积环境的控制，鄂尔多斯盆地自下而上发育石炭-二叠系和侏罗系2套含煤岩系。不同含煤岩系赋存着不同的煤系矿产资源种类。鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪煤系主要含煤层段为太原组和山西组，主要分布在西缘桌子山、贺兰山煤田大部以及宁东煤田北部及韦州、萌城矿区，东北部准格尔煤田、河东煤田，盆地南部渭北石炭-二叠纪煤田，煤系矿产资源种类主要有能源矿产煤层气、煤系页岩气、煤系致密砂岩气以及金属矿产铝土矿/Al2O3、稀散元素镓、锂等。鄂尔多斯盆地侏罗纪煤系主要含煤层段为延安组，分布于盆地西缘宁东、宁南、陇东煤田，以及贺兰山煤田汝箕沟矿区，盆地东北部东胜煤田以及盆地南部黄陇煤田，煤系矿产资源种类主要有能源矿产煤层气、煤系页岩气、油页岩、砂岩型铀矿等。

在平面上，由于赋煤单元的控制，煤炭资源全区发育，煤系气资源在东缘最佳，砂岩型铀矿在盆地东北部最为发育，油页岩主要发育盆地西缘，在盆地东部地区略有分布，而煤中金属元素以盆地东北部以及南部相对较为富集，煤系非金属矿产主要分布于盆地东部。垂向上，煤分布于石炭-二叠系太原组、山西组和侏罗系延安组；煤层气主要产于石炭-二叠纪煤系，侏罗纪煤的含气量实测资料比较少，煤田地质勘探资料表明，鄂尔多斯盆地侏罗纪煤层含气量大多很低，在局部地区和煤层深部区，含气量将增高；煤系页岩气主要产于上古生界山西组；煤系致密砂岩气主要分布于上古生界山西组和下石盒子组；油页岩在早二叠世山西组、中侏罗世早期延安组均有分布；铀矿主要位于中侏罗统；煤中稀散金属元素和煤系非金属矿产主要在石炭-二叠纪煤系富集。

通过分析研究区煤系矿产资源在平面和垂向上的分布特征，结合原生沉积环境以及后期构造—热—流体等综合因素，采用煤系矿产资源工业分类方法，将鄂尔多斯盆地煤系矿产资源高度概括，查明了鄂尔多斯盆地煤系矿产资源的种类及其时空分布特征(表1)。

综合煤系矿产原生沉积环境以及后期构造—热—流体等因素，划分了煤—能源矿产—金属矿产、煤—非金属矿产、煤—能源矿产3种主要组合大类。在此基础上，以石炭-二叠纪与侏罗纪两大含煤岩系为主线，根据不同构造单元煤系矿产发育特点，进一步划分为8种组合类型，包括石炭-二叠纪煤系(太原组和山西组)矿产资源5种组合类型：鄂尔多斯盆地北部煤—煤系气—油页岩—有益金属元素组合类型、 鄂尔多斯盆地南部煤—煤层气—有益金属元素组合类型、 鄂尔多斯盆地西缘煤—煤系气—煤中有益金属元素组合类型、鄂尔多斯盆地东缘煤系气—煤中Al2O3组合类型、陕北石炭-二叠纪煤田高岭土—耐火黏土—铝土矿组合类型；中侏罗世煤系(延安组)矿产资源3种组合类型：鄂尔多斯盆地北部煤—煤层气—砂岩型铀矿组合类型、鄂尔多斯盆地南部煤-煤层气-煤系页岩气—油页岩—砂岩型铀矿—有益金属元素组合类型、鄂尔多斯盆地西缘煤系气—油页岩—砂岩型铀矿组合类型。

表1 鄂尔多斯盆地煤系矿产资源时空分布一览表

2 煤系矿产资源(煤系气)耦合成藏机制

煤系矿产资源形成的原生条件包括含煤地层沉积时的构造过程、海平面变化、沉积过程和气候条件。这四个地质因素相互作用形成具有特定属性的地层。其中，构造和海平面变化共同作用形成相对海平面变化，进而控制着可容纳空间的变化；构造和气候共同作用控制沉积物类型和供给量；沉积物供给又决定了被充填的可容纳空间；河流和海流分别与地表和海底作用又决定了填充在可容纳空间中的相类型。结合沉降和构造地层分析，层序地层分析可以用来理解记录在地层中的受各个地质因素控制的地层特征。由于各个地质因素作用的时间和空间范围是确定的，因此，通过分析地层特征在地层记录中的时空分布，并将其与构造、海平面变化和沉积作用的时间和空间范围进行比对，来分析研究鄂尔多斯盆地石炭二叠纪和侏罗纪含煤地层的层序地层格架、沉积充填演化、煤系(有机)能源矿产发育的原生控制因素、煤中无机矿产的原生成矿条件和煤系矿产资源共存富集的层序地层控制。

从沉积充填和层序地层控制角度，划分了盆地层序地层格架，探讨了盆地充填演化对煤系矿产形成、赋存和分布的控制(图1)。“山西式”铁矿和“G层”铝土矿赋存在饥饿充填阶段早期SS1中，主要来源于华北克拉通北侧古内蒙古隆起火山喷发形成的火山灰。煤和煤层气主要赋存在饥饿充填阶段晚期SS2高位体系域、平衡充填阶段SS3滨岸平原和过饱和充填阶段早期SS4海侵体系域中，对应一级海平面上升的低位晚期—海侵—高位早期。煤系页岩气主要赋存在平衡充填阶段SS3海湾、泻湖体系中，对应一级海平面上升的海侵期。煤系致密砂岩气主要赋存在饥饿—平衡充填阶段沉积SS2-3低位体系域以及过饱和充填阶段早期SS4中，前者主要为下切河谷—海湾充填砂岩沉积，后者主要河道和三角洲前缘砂岩沉积。高岭岩主要赋存在SS1-4下降体系域中，该时期，二级相对海平面下降导致地表暴露遭受风化形成风化型高岭岩。

3 盆地构造-热演化历程及构造格局对煤系矿产资源赋存规律的控制

盆地的构造-热演化对煤系矿产资源的形成、运(迁)移和聚(富)集成藏具有重要的控制作用。构造演化历程影响含煤岩系的改造程度，在其产生的构造应力场作用下含煤地层发生变形、变位，形成断裂和褶皱等构造要素，且通常呈现构造格局分区分带特征，从而决定了煤系矿产资源的空间分布的规律性。构造演化过程中的构造隆升、沉降和构造热事件对煤系矿产资源的赋存具有重要的控制作用。鄂尔多斯盆地煤系矿产资源的最终定位受盆地现今构造格局的控制，盆地主体部分赋煤带煤系埋藏深度大，且构造变形微弱，有利于大面积连续型煤系气藏的形成和保存，盆地周缘构造变形强度较大，岩浆热液和地下水流活动性强，并靠近物源区，有利于煤系金属元素、铀元素的迁移和富集。构造运动所形成的不同形态的地质构造，其不同的部位、不同的力学性质和封闭情况对煤系矿产资源的赋存或逸散具有不同的作用，封闭性地质构造有利于煤系气的赋存，开放性的地质构造则有利于煤系金属矿产、砂岩型铀矿的形成。

4 鄂尔多斯盆地煤系气赋存特征及煤中“三稀”矿产分布规律

鄂尔多斯盆地煤系泥岩TOC太原组平均4.1%，山西组平均3.0%。有机质类型丰富，以Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根为主。石炭-二叠纪煤层煤级高，为气煤-无烟煤，Ro主要分布在0.5%～2.0%，局部受岩浆热变质作用的叠加，尤其是盆地西缘，Ro变化在1.0%～4.0%；侏罗纪煤层煤级低，以长焰煤为主，Ro主要分布在0.40%～0.75%。煤系泥岩太原组Ro平均1.5%，山西组平均1.46%。煤岩孔隙度集中分布于4%～7%。渗透率从0.007×10-3～4.84×10-3μm2均有分布。太原组泥页岩孔隙度略高，平均为4.7%，山西组为4%。泥页岩中微孔隙和裂缝发育；上古生界泥页岩渗透率相对较低，主要集中在0.02×10-3～0.2×10-3μm2。太原组砂岩孔隙度为0.5%～13.1%，渗透率为0.000 52～34.8 mD，山西组砂岩孔隙度为0.3%～19.1%，渗透率为0.000 52～71 mD。储集空间以粒间孔、溶蚀孔为主，次为晶间孔， 还有少量的微裂隙和压缩孔。

图1 鄂尔多斯盆地上古生界层序演化与煤系矿产分布Figure 1 Upper Paleozoic sequence evolution and coal measures mineral resources distribution in Ordos Basin

延安组砂岩主要分布在盆地中北部和西南缘，厚度较大，孔隙度主要分布在10.9%～15.1%，渗透率主要分布在0.84～5.67 mD，储集空间以粒间孔为主，其次为次生孔。

从有机质丰度、类型、成熟度、储层物性、生储盖组合等方面论证了鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪煤系和侏罗纪煤系具有良好的煤系非常规气发育条件和资源潜力，受原生沉积条件、盆地热演化和构造格局的控制，煤系非常规气勘查目标具有明显的时空差异。盆地东缘石炭-二叠纪煤系发育煤层气与致密气组合，盆地中部以煤系致密气为主，盆地南部和西部中侏罗世煤系低煤阶煤层气有较好的资源前景、盆地北部深层石炭-二叠纪煤系具有煤层气—页岩气—致密气组合。

与世界煤中均值比较，鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪煤中Li、Ga、REY、Al2O3整体上属于轻度富集状态(CC>2)，侏罗纪煤中元素绝大部分处于正常或亏损状态。由于地下水等流体的淋滤作用，煤层顶底板中金属元素含量通常高于煤层中金属元素含量。受物源、沉积、构造-热演化等因素控制，煤中“三稀”矿产具有显著的时空分布差异，垂向上，石炭-二叠纪煤高于侏罗纪煤，山西组煤高于太原组煤；平面上Li、Ga、REY、Al2O3呈北高南低的总体趋势，且主要富集于盆地周缘地带。Ga和Li元素以物理吸附方式赋存在黏土矿物中。黄铁矿、石英与顶底板中Ga和Li表现出明显的负相关关系。REY与黏土矿物、方解石等表现出微弱的正相关关系， REY除了以无机态赋存外，还可能与有机质缔合。

5 煤系矿产资源耦合成矿模式

鄂尔多斯盆地蕴含丰富的煤系矿产资源，煤、煤系气、砂岩型铀矿、煤系金属矿产以及煤系非金属矿产，且每种矿产均具有独特的成矿机理，随着盆地的构造-热演化过程，逐步在盆地内富集成矿，经过后期构造运动的改造，最终在盆地不同的赋煤构造单元和不同的地质层位上定位成藏，构成了现今盆地多种煤系矿产资源组合类型。而煤系各矿产资源在形成、运移、改造、成藏的过程中，在时间结点和空间位置上表现出紧密的相关性，因此各矿产的成因和分布有机结合，彼此影响、耦合成矿[3，35]。

盆地的构造-热演化过程是煤系矿产资源耦合成矿的关键，主要体现在成矿时间和空间位置的耦合性。盆地稳定沉降阶段是煤系有机矿产形成的重要时期，无机矿产则主要形成于盆地的构造活动阶段，且二者在盆地构造-热演化的地质作用下，成矿母质、成矿环境、成矿期以及赋存层位等方面均表现出明显的相关性和耦合性，在盆地多旋回演化-改造过程中的关键变革时期表现的更为明显，是煤系矿产资源耦合成矿的关键时期。鄂尔多斯盆地煤系矿产的大规模耦合成矿发生在燕山运动中晚期(J3—K1)构造-热变革期(图2)，显著的构造热事件不仅可以提高煤系烃源岩的变质程度，促进生排烃，而且可以为煤系金属矿产的形成运移提供物源；构造应力、热应力和深源流体压力为煤系气和金属元素的运移提供了驱动力，促使岩石产生大量裂缝，构成煤系矿产资源有利的运移通道。

6 煤系矿产资源潜力及综合矿产有利区带划分

以鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪和侏罗纪煤系为对象，依据相关计算规范和标准，初步估算了2 000 m以浅煤系气和局部矿区煤系镓元素等主要煤系矿产资源量。2 000 m以浅煤层气资源量为86 276.44×108m3，煤系页岩气72 330.44×108m3，煤系砂岩气18 875.87×108m3，煤中镓元素44.97万t(只含准格尔和渭北石炭二叠纪煤田)。根据煤系气的资源量分级结果或煤中元素含量的分级结果，结合开采地质条件分类，以矿区为单元，采用煤系矿产有利区评价方法，最终优选出7个有利区，17个较有利区，29个次有利区。其中7个有利区分别为准格尔煤中Li-Al2O3-Ga-REY与煤层气有利区、河保偏煤系气与煤中Al2O3有利区、离柳煤系气与煤中Al2O3有利区、吴堡煤系气有利区、石隰煤系气有利区、乡宁煤系气有利区、韩城煤系气有利区(图3)。

图2 鄂尔多斯盆地煤系矿产成矿演化史Figure 2 Coal measures mineral resources mineralization evolution history in Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地煤系矿产资源综合评价有利区Figure 3 Coal measures mineral resources comprehensively assessed favorable areas in Ordos Basin

7 结论

(1)通过分析研究区煤系矿产资源在平面和垂向上的分布特征，结合原生沉积环境以及后期构造—热—流体等综合因素，查明了鄂尔多斯盆地煤系矿产资源的种类及其共生组合特征，划分了煤—能源矿产—金属矿产、煤—非金属矿产、煤—能源矿产3种主要组合大类和8种组合类型。

(2)恢复了盆地构造-热演化史和古地理环境，划分了盆地层序地层格架，探讨了各级层序旋回、盆地构造-热演化及构造格局对煤系矿产形成、赋存、分布的控制，从沉积原生条件和构造控矿角度，建立了鄂尔多斯盆地煤系矿产资源耦合成矿模式。

(3)以盆地石炭-二叠纪和侏罗纪煤系为对象，依据相关规范和标准，初步估算了2 000 m以浅煤系气和局部矿区煤系镓元素等主要煤系矿产资源量，采用煤系矿产有利区评价方法，从煤系矿产资源共生组合和综合评价角度，以矿区为单元，划分了盆地煤系矿产资源有利区带， 优选出7个有利区， 17个较有利区。

参考文献:

[1]Law B E, Curtis J B. Introduction to unconventional petroleum systems. AAPG Bulletion, 2002, 86(11):1851-1852.

[2]陈刚，李向平，周立发，等.鄂尔多斯盆地构造与多种矿产的耦合成矿特征[J].地学前缘，2005，12(4)：535-541.

[3]刘池洋,赵红格,谭成仟,等.多种能源矿产赋存与盆地成藏(矿)系统[J].石油与天然气地质，2006a，27(2)：131-141.

[4]邓军,王庆飞,高帮飞,等.鄂尔多斯盆地多种能源矿产分布及其构造背景[J].地球科学,2006,31(3):330-336.

[5]李增学，王佟，王怀洪，等.多能源矿产协同勘查理论与技术体系研究. 中国煤炭地质，2011，23(4)：68-72.

[6]Flores R M. Coal and coalbed gas: fueling the future (First edition). Oxford: Elsevier Inc. 2014.

[7]曹代勇，吴国强，宁树正，等.煤系综合矿产资源与盆地动力学过程[J]中国地球科学联合学术年会年刊，2014：2433-2434.

[8]任德贻,代世峰.煤和含煤岩系中潜在的共伴生矿产资源一个值得重视的问题.中国煤炭地质,2009,21(10):1-4.

[9]Dai S F, Ren D Y, Chou C L, et al. Geochemistry of trace elements in Chinese coals: A review of abundances, genetic types, impacts on human health, and industrial utilization[J].International Journal of Coal Geology，2012，94(1)：3-21.

[10]孙升林，吴国强，曹代勇，等.煤系矿产资源及其发展趋势[J].中国煤炭地质，2014，26(11)：1-11.

[11]曹代勇，姚征，李靖.煤系非常规天然气评价研究现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2014，42(1)：89-92.

[12]曹代勇,刘亢,刘金城,等.鄂尔多斯盆地西缘煤系非常规气共生组合特征[J].煤炭学报，2016，41(2)：277-285.

[13]曹代勇，秦国红，张岩，等.含煤岩系矿产资源类型划分及组合关系探讨[J].煤炭学报，2016，41(9)：2150-2155.

[14]曹代勇，魏迎春，李勇，等.鄂尔多斯盆地煤系矿产资源调查评价取得重要进展[J/OL].中国地质调查成果快讯，2018,4(1-2)：21-25.

[15]李增学,余继峰,李江涛,等.鄂尔多斯盆地多种能源共存富集的组合形式及上古生界沉积控制机制分析[J].地球学报,2007,01:32-38.

[16]Seredin V V. From coal science to metal production and environmental protection: A new story of success[J]. International Journal of Coal Geology, 2012, 90-91：1-3.

[17]孙玉壮，赵存良，李彦恒，等.煤中某些伴生金属元素的综合利用指标探讨[J].煤炭学报，2014，39(4)：744-748.

[18]宁树正，韩亮，朱士飞，等.基于AHP的灰色聚类法的煤中铝、镓资源评价体系[J].煤炭学报，2016，41(2)：316-323.

[19]朱华雄，陈寒勇，章伟，等.华北煤中金属矿产的种类和分布特征[J].煤炭学报，2016，41(2)：303-309.

[20]张建强，张恒利，杜金龙，等.内蒙古白音华煤田煤中微量元素分布特征[J].煤炭学报，2016，41(2)：310-315.

[21]王双明.鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M].北京：煤炭工业出版社，1996.

[22]程爱国，曹代勇，袁同星，等.中国煤炭资源赋存规律与资源评价[M]北京：科学出版社，2017.

[23]张泓,何宗莲,晋香兰,等.鄂尔多斯盆地构造演化与成煤作用[M].北京:地质出版社,2005.

[24]刘池洋,赵红格,桂小军,等.鄂尔多斯盆地演化-改造的时空坐标及其成藏(矿)响应[J].地质学报,2006b,80(5):617-638.

[25]赵军龙,谭成仟,刘池阳,等.鄂尔多斯盆地油、气、煤、铀富集特征分析[J].石油学报,2006,27(2):58-63.

[26]Dai S,Ren D,Chou C L,et al. Mineralogy and geochemistry of the No. 6 Coal (Pennsylvanian) in the Junger Coalfield, Ordos Basin, China[J].International Journal of Coal Geology, 2006, 66(4):253-270.

[27]接铭训.鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发前景[J].天然气工业, 2010, 30(6):1-6.

[28]杨华, 付金华, 刘新社,等.鄂尔多斯盆地上古生界致密气成藏条件与勘探开发[J].石油勘探与开发, 2012, 39(3):295-303.

[29]张培河,刘云亮,贾立龙.鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩气藏特征及勘探方向[J].煤田地质与勘探, 2016, 44(4):54-58.

[30]秦国红,邓丽君,刘亢,徐浩,马志凯,曹代勇.鄂尔多斯盆地西缘煤中稀土元素特征[J].煤田地质与勘探,2016,(06):8-14.

[31]Xu Hao, Cao Daiyong, Li Yong, et al. Geochemical and Preliminary Reservoir Characteristics of the Carboniferous?Permian Coal-Bearing Strata in the Junger Area, Northeastern Ordos Basin, China: Source Implications for Unconventional Gas[J].Energy & Fuels, 2016,30(9):6947-6957.

[32]张岩,刘金城,徐浩,等.陆相与过渡相煤系页岩孔隙结构及分形特征对比——以鄂尔多斯盆地东北缘延安组与太原组为例[J].石油学报, 2017, 38(9):1036-1046.

[33]Li Yong, Cao Daiyong, Wu Peng, et al. Variation in maceral composition and gas content with vitrinite reflectance in bituminous coal of the eastern Ordos basin, China[J].Journal of Petroleum Science & Engineering, 2017, 149:114-125.

[34]牛鑫磊,曹代勇,徐浩,等.海陆过渡相煤系致密砂岩储层特征及影响因素[J].煤炭科学技术, 2018, 46(4):188-195.

[35]刘池洋,毛光周,邱欣卫,等.有机-无机能源矿产相互作用及其共存成藏(矿)[J].自然杂志, 2013(01):47-55.