和什托洛盖煤田西山窑组层序地层特征及聚煤控制因素

2022-07-15马小平雷国民

西部探矿工程 2022年7期

马小平,雷国民,肖鸿

(1.吐鲁番金源矿冶有限责任公司,新疆吐鲁番 838200;2.新疆地矿局第一地质大队,新疆昌吉 831100;3.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室,湖北武汉 430074;4.新疆地质矿产勘查开发局,新疆乌鲁木齐 830000)

和什托洛盖煤田位于准噶尔盆地的西北缘,是一个独立的小型山间断陷式盆地[1-2]。东西长约200km,南北宽10～40km,总面积6388km2(图1)。近年来开展了大规模的煤炭勘查工作,探获煤炭资源总量达1100×108t。盆内大部区域构造简单,地层倾角平缓,多发育宽缓的背斜和向斜,断裂构造不甚发育。目前主要勘探层位为中侏罗统西山窑组,其次为下侏罗统八道湾组。近年来,国内学者逐步将在近海相煤系层序地层学研究中取得的成果引入到了内陆湖相聚煤盆地。顾家裕[3]首次提出陆相盆地层序地层格架概念及模式,李思田和林畅松等[4]将层序地层学理论应用于鄂尔多斯盆地下侏罗统煤系地层延安组。王双明和张玉平[5]从构造演化角度对鄂尔多斯侏罗系煤系地层聚煤规律进行了研究。庄新国和周继兵等[6-7]对伊犁盆地和准噶尔盆地聚煤作用的层序地层学研究也表明构造沉降、湖平面变化、古气候条件、沉积物供给以及古地貌等因素共同控制陆相聚煤盆地煤系地层的发育和煤岩层的层序地层分布。

本文综合利用区内大量的钻井岩芯和测井曲线资料,应用层序地层学与沉积学理论和方法,对和什托洛盖煤田中侏罗统西山窑组层序地层特征、沉积体系类型及聚煤作用控制因素进行研究，以期为区域煤田勘查开发提供指导。

1 层序地层特征

1.1 层序界面特征

根据层序界面的识别特征[8-9],通过钻井岩芯标定和测井曲线分析,和什托洛盖煤田中侏罗统西山窑组共识别出1 个二级层序界面(SB3),2 个三级层序界面(SB1 和SB2)(图2)。SB1 作为西山窑组与三工河组的分界面,钻井岩芯显示该界面为整合接触,界面之上多发育辫状河砂砾岩和中粗砂岩,多见对三工河组浅湖相泥岩冲刷侵蚀。在测井曲线上地层的分界也有规律,一般在西山窑组底部发育1～2 层砂岩,厚度在1～3m之间,密度达到2.7g/cm3,电阻率曲线峰值常为全孔最大,均呈尖峰异常显示,界限两侧电阻率曲线呈明显台阶状,具突变面。SB2是西山窑组上、下段的整合分界面,在钻井岩芯上分界面处岩性表现截然不同,上部辫状河道厚层中粗砂岩直接覆盖于下部三角洲平原粉砂岩、泥岩或煤层之上,为西山窑组内部的沉积相转换面。测井曲线在地层的分界处规律也比较明显,电阻率曲线与自然伽马曲线均呈明显的台阶,表现突变特征。SB3是西山窑组和上覆地层头屯河组的构造运动区域不整合面,对应燕山运动I 幕。在钻井岩芯上,该界面上下岩性、地层颜色表现出极大不同,界面之上地层多表现为风化壳和古土壤层,颜色显示偏氧化环境的黄褐色、杂色等,接近层序界面处多发育砂砾岩,界面之下多发育偏还原环境的灰色、灰黑色泥岩、炭质泥岩和煤层,界面处多见砂砾岩对下部泥岩或煤层的侵蚀冲刷。测井曲线上头屯河组岩层平均电阻率和自然伽马值稍低于西山窑组含煤段地层,电阻率平均值差20～30Ω·m,自然伽马平均值差10API左右。头屯河组底部砂砾岩的电阻率曲线有明显的高异常,与上部岩层电阻率平均差50～60Ω·m,形成一明显的台阶。

图2 和什托洛盖煤田100ZK1井层序地层及沉积体系划分

1.2 体系域特征

层序内部体系域的划分是在识别初始洪泛面(fs)和最大洪泛面(mfs)的基础上进行的[10-11](图3)。SQ1层序各体系域由盆内向边缘逐步缺失。初始湖泛面上下岩性变化较大,界面之下为辫状河粗粒沉积物,之上为滨浅湖细粒沉积物。最大湖泛面界面下发育浅湖相厚层泥岩,界面之上发育河道粗砂岩。低位体系域位于初始湖泛面之下,盆地基底隆升,湖平面较低,岩性主要为灰色块状层理砂砾岩、含砾粗砂岩和交错层理中细砂岩,属于河道滞留和河道砂坝侧向迁移沉积,以进积方式为主。湖侵体系域形成于湖平面的迅速扩张和盆地基底沉降加快期,以退积式沉积方式为主。下部岩性以薄层状细砂岩和粉砂岩为主,粒度向上变细,顶部发育浅湖相泥岩和煤层。高位体系域形成于沉积物供给速率略大于湖平面上升速率时的相对高位湖退期,主要发育了反映湖盆萎缩的进积或加积沉积组合样式。底部以灰色交错层理中粗砂岩为主,夹大量炭屑,粒度向上变细,中上部往往发育薄—中厚煤层,夹炭质泥岩和泥岩。

SQ2 初始湖泛面之下为辫状河厚层中粗砂岩,之上为滨浅湖相粉砂岩、粉砂质泥岩或煤层。最大湖泛面之下发育滨浅湖厚层泥岩或煤层,界面之上可见河道中粗砂岩沉积。低位体系域岩性主要为灰色交错层理中砂岩,局部为细砂岩,含大量炭屑及煤岩透镜体,以进积的河道滞留沉积为主,顶部为河道边缘细粒沉积。湖侵体系域下部以薄层状粉砂岩、粉砂质泥岩为主,向上总体变细,顶部发育浅湖相泥岩、炭质泥岩及薄—中厚煤层。高位体系域底部主要为灰色交错层理中细砂岩夹粉砂岩,中上部往往发育巨厚煤层,夹大段发育水平纹理的浅湖相泥质粉砂岩和泥岩。

1.3 沉积相类型及特征

通过对西山窑组沉积特征分析,识别出辫状河沉积体系、辫状河三角洲沉积体系和湖泊沉积体系（表1）。

表1 和什托洛盖煤田西山窑组沉积体系一览表

2 聚煤控制因素分析

2.1 构造沉降对煤炭聚集的控制

构造沉降为盆地沉积充填提供了有利条件,构造沉降使可容纳空间增加,沉积物在堆积过程中免受后期剥蚀破坏,可以完整的保存下来。稳定的构造沉降对泥炭沼泽的堆积和保存来说非常关键。若地下水位不变,泥炭堆积大于构造沉降速率时,暴露在空气中的泥炭层表面将被氧化,富营养沼泽逐渐向凸起的贫营养沼泽转化,沼泽发育终止不利于成煤；反之过快的构造沉降速率将导致可容空间增长速率远远大于泥炭堆积速率,泥炭沼泽区被水体淹没转化为湖泊环境[8]。由此可见稳定的构造沉降为成煤提供了必要条件。和什托洛盖盆地为典型的走滑伸展型盆地,盆地南缘左行走滑的达尔布特断裂对盆地的构造演化起着重要的作用[2]。该断裂的活动具有幕式性,在经历了三工河期的弱活动期后,西山窑期活动突然加剧。研究区西部不仅沉降幅度加大,物源供给也明显增多,使其在西山窑期成为沉积中心,而东部地层则相应较薄。为探讨构造沉降与煤炭聚集的规律,将SQ1 和SQ2 期总煤层厚与总煤层数分别对地层厚度做散点图进行分析。

由图4 可明显看出SQ1 期和SQ2 期,无论总煤层厚还是总煤层数皆与地层厚度呈明显的正比关系,即地层厚度高的区域总煤层厚与总煤层数也高,地层厚度小的区域总煤层厚与总煤层数也小,盆地沉积中心也是成煤中心。可容纳空间和沉积物供给速率变化密切相关。在陆相盆地中可容纳空间增长速率与沉积物供给速率若皆快,且两者的比值接近,则是成煤的最好条件,反之若两者之间速率不平衡则不利于成煤。研究区SQ1和SQ2时期,盆地两侧断层活动加剧,导致盆地西部物源供给迅速增加以及盆心沉降速率加快。同时由于盆缘地区可容纳空间较小,很容易就被粗粒碎屑物填满,不仅地层发育较薄,粗质碎屑沉积的浅水环境也不利于煤层的发育,所以盆地南、北缘地区地层厚度普遍较薄且煤层发育不佳。但随着物源往盆地内部不断进积,盆内可容纳空间逐渐增大,而物源依然较强烈,地层厚度相应变厚,碎屑物颗粒明显变细,适宜的水深环境,造就了良好的成煤环境,发育了多套厚煤层。

图4 总煤层厚、总煤层数与地层厚度关系图

2.2 沉积体系对煤炭聚集的控制

研究区西山窑组煤层底板岩相特征表明,沼泽煤层不仅可以发育在辫状河流、辫状河三角洲冲积平原区,也可以发育于滨浅湖区,煤层底板可以是河道粗碎屑岩,也可以是浅湖相泥岩,说明下伏沉积体系对泥炭沼泽发育没有直接联系,只是沼泽发育的基础,而与泥炭沼泽同期发育的沉积体系才对聚煤作用有较大影响。研究区西山窑时期沉积环境主要为辫状河、辫状河三角洲和湖泊。河流河道的大量发育对泥炭沼泽发育不利,泥炭沼泽往往发育在远离河流河道的洪泛平原或滨浅湖区,这在研究区表现很明显。为探讨沉积环境与煤的聚集关系,用SQ1 和SQ2 期总煤层厚和总煤层数分别对含砂率做散点图进行分析。

由图5 可看出,SQ1 和SQ2 期总煤层厚、总煤层数与含砂率对应关系特征相似,即在含砂率大于0.6和小于0.1的区间,总煤层厚和总煤层数数值较小。在含砂率大于0.1、小于0.6的区间,总煤层厚和总煤层数数值较高,并在含砂率为0.55左右时出现最高值,只有SQ1期总煤层厚有一最高值出现在含砂率0.7 左右。以上特征反映沉积体系对聚煤影响很大,含砂率值大于0.6普遍被认为是辫状河道环境,水动力过强,对与煤层的保存和富集起着破坏性的作用,所以在含砂率大于0.6后,总煤层厚和总煤层数数值皆变小。但局部含砂率高于0.6 的地区,同时出现总煤层厚最高值,则可能为辫状河道之间的洪泛平原区域,故而煤层也较厚。含砂率值小于0.1主要归为深湖—半深湖环境,水体深度过大,不利于煤层的发育。含砂率值从0.1 到0.6 之间主要为滨浅湖—三角洲平原相环境,水动力条件和水体深度适宜,极有利于煤炭的富集和保存,总煤层厚和总煤层数的数值主要出现在这一区间内,可见处于盆缘和盆心之间的滨浅湖—三角洲平原环境是煤炭发育的最佳场所。

图5 总煤层厚、总煤层数与含砂率关系图

2.3 体系域对煤炭聚集的控制

陆相盆地的三级层序通常可以划分出三个体系域:低位体系域、湖扩体系域和高位体系域。各个体系域沉积过程和特征不相一致,对煤层的发育也有着不同的影响。在基准面旋回理论基础上,可开展体系域与和什托洛盖煤田西山窑组煤炭聚集规律之间关系的讨论。低位体系域阶段,由于基准面下降,盆地北缘处于基准面之上,受到风化剥蚀,只在盆地较中心处接受沉积,总体以辫状河道沉积为主。由于可容纳空间较小,物质来源丰富,导致盆地处于过饱和状态,水体太浅,不利于泥炭沼泽的发育,煤炭发育极少。研究区SQ1和SQ2层序的低位体系域内皆未出现可采煤层。湖扩体系域阶段,湖平面扩大,基准面上升,湖盆边缘卸载较粗粒的碎屑物,滨湖和浅湖地带沉积细粒沉积物。若可容纳空间的增长速率与泥炭的堆积速率增长皆较快且比值相近,在滨浅湖地带就会形成泥炭沼泽并发育煤层。研究区SQ2 层序湖扩时期,可容纳空间增长迅速,物质来源也丰富,其湖扩体系域内发育了多套煤层。高位体系域时期,湖平面变化相对稳定,时升时降,但总的趋势是从最大湖泛面开始逐渐下降。湖平面的回落影响基准面使其与之共同下降,暴露在基准面以上的区域越来越多,物源供给也逐渐增加。由于盆内可容纳空间增大,且大量丰富的物源随水流向前迁移,随着流速降低而发生沉积,三角洲平原向湖盆中央方向不断扩大,随着基底的持续稳定沉降,泥炭的堆积速率和可容空间增加速率处于持续平衡状态,萎缩的湖盆开始淤浅,形成了广泛发育的厚煤层。而在盆地北部距物源较近区域,局部煤层被后期的河道砂体侵蚀冲刷,如研究区SQ2层序的高位体系域,发育巨厚煤层,与顶部砂体冲刷接触。