陶和矿区西山窑组层序地层学与聚煤规律研究

刘洪胜，陈志强

（山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南250100）

陶和矿区位于新疆和什托洛盖盆地东端，面积约48 km2，煤炭资源量13.4亿t，含煤地层主要为中侏罗统西山窑组。西山窑组指整合于头屯河组之下，三工河组之上的一套含煤碎屑岩沉积，为新疆最主要的含煤地层，俗称“上含煤层”。西山窑组选层型剖面位于新疆玛纳斯河红沟[1]，厚度972 m。前人对和什托洛盖盆地成生发展、构造演化、地层特征进行了一定的研究工作[2-4]，认为盆地自西向东沉积物粒度变小，湖相地层比例加大,盆地的东北部是沉降最大的地区[3]。还保存有扇三角洲环境的沉积记录，故也是距离盆地边缘较近的地区[3]。一般把盆地中部-西部西山窑组划分为2个三级层序[5-8]，可采煤层最多达41层[6]。但对和什托洛盖盆地东部（陶和矿区及周围）沉积环境、煤系特征的研究明显不足，缺少物源方向依据，对盆地横向变化缺少对比依据；盆地东部三级层序发育特征缺少研究，尤其是整个盆地高分辨率层序地层学研究不足[9]，在一定程度上影响了油气田勘探开发各阶段的要求。本文依据勘查资料对陶和矿区西山窑组沉积相进行了厘定划分，应用高分辨率层序地层学理论方法构建了矿区层序地层格架，研究了物源方向及准层序中煤层聚集的规律。

1 矿区地质概况

1.1 矿区构造位置与盆地演化

新疆和什托洛盖盆地为一山间小盆地，位于西伯利亚板块、准噶尔微板块与哈萨克斯坦微板块交界部位[10]。东西长约230 km，南北宽14～46 km，面积约5600 km2[11]。盆地于印支期形成雏形。由于燕山早期区域性伸展作用影响，盆地沉积范围迅速扩大，水体也随之不断加深，整个盆地中沉积了厚度巨大、较为均匀的下—中侏罗统。其中，西山窑组在盆地中部最厚，向两端稍有减薄，东部陶和矿区地层厚度一般在480～570 m之间。

1.2 煤层特征

陶和矿区大部位于库仑铁布克背斜南翼，地层倾角10°～41°，北部煤层可出露地表，南部控制埋深1200 m。西山窑组共含煤35层，其中可采煤层为19层，煤层平均总厚度为43.45 m[12]。主要可采煤层有7层（编号自上而下为B132、B131上、B12、B10上、B9上、B5、B3下），结构简单，均为稳定—较稳定的中厚—厚煤层（表1）。主采煤层厚度呈规律性变化，B132、B10上、B9上煤层厚度由SW向NE逐渐变薄；B131上、B12、B5、B3下煤层厚度由SW向NE逐渐变厚（图1）。主采煤层自身特征、层间距、测井曲线[13]、地震物性特征基本一致，煤层对比可靠。

图1 陶和矿区主采煤层厚度等值线图

表1 煤层特征一览表

2 层序地层特征

2.1 单井层序界面识别及层序划分

ZK1105孔中西山窑组短期旋回明显，主要岩性包括细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、煤层、炭质泥岩等。以其为例利用钻探岩芯、测井资料等进行单井层序地层分析（图2）。层序界面识别标志主要为沉积相旋回组合、下切侵蚀界面、相转换面等[14-20]。西山窑组顶部与头屯河组底砾岩呈假整合接触[3，11]，为典型层序界面（SB3）；底部与下侏罗统三工河组界面为区域沉积相转换面（SB1）；中部识别出1个沉积相转换面（SB2）。依据3个层序界面划分三级层序2个，分别命名为SQI、SQⅡ。

图2 陶和矿区ZK1105孔西山窑组层序地层及沉积相

初始湖泛面（fs）是位于低位体系域与湖扩体系域之间的标志界面，SQI层序、SQⅡ层序初始湖泛面分别对应西山窑组下部、中部相对连续薄煤层底界面。最大湖泛面（mfs）主要特征为发育广泛分布的泥岩，是指一个湖平面变化周期中的最高湖平面。最大湖泛面之下以退积沉积组合样式为主；最大湖泛面之上以进积沉积组合样式为主。本次依据识别出的初始湖泛面、最大湖泛面来确定三级层序的低位体系域、湖扩体系域和高位体系域。

SQI中识别出9个准层序；SQⅡ中识别出11个准层序。所谓准层序（短期旋回），是由于地球偏心率短周期导致气候变化而形成的沉积充填序列组成，其时限基本一致[9]。初始湖泛面以灰色—灰黑色粉砂质泥岩出现为代表；最大湖泛面以自下而上沉积组合样式由进积向退积转变进行判别。

2.2 连井层序对比

依据钻孔的分布，选择近EW向连井剖面线进行分析研究（图3）。根据单井划分及连井分析，东西两侧砂岩含量高，为物源方向。SQI为单一的三角洲平原环境；SQⅡ以三角洲平原环境为主，最大湖侵期发展为三角洲前缘环境。SQⅡ的厚度、厚煤层数、最大湖侵范围均明显超过SQI。

图3 陶和矿区西山窑组层序地层及沉积体系格架图（剖面位置见图4）

SQI层序：主要岩性为粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩，泥岩、煤层次之，中粒砂岩偶见。低位体系域由1个上升半旋回（IPs1）构成；湖扩体系域由5个上升半旋回（Ips2、3、4、5、6）组成；高位体系域由1个上升半旋回（Ips7）、1个加积旋回（Ips8）和1个下降半旋回（Ips9）组成。B3下煤层位于湖扩体系域中部，B5煤层位于高位体系域中上部。

SQⅡ层序：岩性组成与SQI层序大体一致。低位体系域由1个下降半旋回（ⅡPs1）组成；湖扩体系域由4个下降半旋回（Ⅱps2、3、4、5）和1个上升半旋回（Ⅱps6）组成；高位体系域由2个下降半旋回（Ⅱps7、8）和3个上升半旋回（Ⅱps9、10、11）组成。B10上、B9上煤层位于湖扩体系域中部，B132、B131上、B12煤层位于高位体系域中部。

3 岩相古地理及聚煤规律分析

3.1 沉积相分析

渠洪杰等[3]认为，和什托洛盖盆地沉积物物源方向为盆地北部和西南部山区，西山窑组以曲流河沉积体系为主；胡杨等[10]依据和参1井、和参2井孔隙度与渗透率特征，认为西山窑组自西向东沉积环境存在横向变化。本次研究认为：陶和矿区西山窑组以发育三角洲相为主。依据沉积物特征、沉积韵律、岩性组合及测井曲线特征[13]，可区分出三角洲平原亚相、三角洲前缘亚相（表2）。三角洲平原以分支流河道砂沉积与沼泽的煤层沉积为主，另有天然堤、分支间湾、湖泊等；三角洲前缘包括分支流河口砂坝、远砂坝。

表2 沉积相划分表

3.2 沉积相演化特征

本区西山窑组沉积特征总体为三角洲相，是盆地由湖泊相向河流相转变的中间过程，盆地基底活动小[4]，沉积较为均匀。前期西部为主要的物源方向，砂岩厚度大；后期东部砂质汇入增强。全区砂/泥比值均大于0.6，砂/泥比值为0.6～1.5，区域上应属于三角洲前缘，砂/泥比值大于1.5基本属于三角洲平原。物源汇入区砂/泥比值比中部大，大于2.0的区域呈朵叶状平面展布特征（图4），应为分支流河道及其摆动范围。

图4 西山窑组砂泥比平面展布图

3.3 煤层聚集特点

煤层发育的主要控制因素包括泥炭聚集期古构造、古地理、古气候、沉积环境以及古植被发育条件等[21]。西山窑组2个三级层序中，低位域可容纳空间的增长有限，其小于沉积物的堆积速率，泥炭沼泽不发育，仅在局部形成不连续的炭质泥岩；最大湖侵面垂向临近区（即湖扩体系域上部及高位体系域下部），由于可容纳空间的增长远大于沉积物的堆积速率，也不利于煤炭堆积。湖扩体系域中部及高位体系域中部，陆源碎屑供给不断减少，泥炭堆积速度与可容纳空间的增长速率形成一定时期的动态平衡，有利于厚煤层的形成。在本区总体水浅环境下，厚煤层主要发育于下降半旋回底部（B9上、B12）、上升半旋回顶部（B131上、B132）（表1）。

煤层厚度变化在横向上表现出一定的规律性。B3下、B5煤层自西向东变厚，主要归因于西部砂泥质汇入形成了煤分层；B9上、B10上煤层自西向东变薄，归因于煤层形成于沼泽持续发育的晚期，东部由于大量泥质汇入造成煤层间歇式发育；B12煤层在本区厚度大且东部最厚，首先是由于这一时期泥炭堆积速度与可容纳空间增长速率长期保持动态，其次是西部物源供给略强于东部；B131上煤层表现出中部厚而东、西两侧变薄特点，归因于东、西两个方向物源供给水平相当，中部区域更有利于煤层聚集；B132煤层表现为自西向东变薄特点，推测为东部随湖侵进一步扩大，植物被淹之故。

4 结论

本文在和什托洛盖盆地陶和矿区西山窑组中识别出1个不整合面、2个沉积相转换面，进一步划分出2个三级层序、20个准层序。

厚煤层主要形成于湖扩体系域中部及高位体系域中部，其与准层序的对应关系表现为多样性，短期旋回之下降半旋回底部及上升半旋回顶部易于形成厚煤层；各主采煤层厚度由SW向NE呈规律性变化。

通过进行岩相古地理分析，本区主要为三角洲相沉积；物源为东、西两个方向，以西部为主，后期东部增强；主采煤层顶、底板岩性随距物源的远近呈规律性变化。