补连塔煤矿中生界高分辨率层序地层与沉积环境演化*

李 斌 任玺宁 崔春兰 董振国罗 群 胡博文 李宝生

（1.韩山师范学院 广东潮州 521041；2.国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室神东基地 陕西神木 719315；3.神华地质勘查有限责任公司 北京 102249；4.中国石油大学（北京）北京 100049）

补连塔煤矿是神东煤炭集团开发建设的特大型现代化矿井之一，是世界上单井生产能力最大的井工煤矿（中国煤炭工业协会，2011）。补连塔煤矿在大地构造上位于鄂尔多斯盆地东北部的陕北斜坡上。其基底为前震旦系结晶岩系，经多期次的构造运动，在印支运动后定型，形成了大型的内陆坳陷盆地，沉积了巨厚的陆相湖盆碎屑岩地层，盆地内地层平缓，构造简单，偶然发育小型断层（刘兆祥，2018）。在侏罗系延安组中沉积了多套煤系地层，单层煤层厚度大（如2-2 煤层厚度6 m），煤炭产量巨大。多年来，神东集团先后在补连塔煤矿实施了多期次地质勘探（刘兆祥，2018），但主要研究集中于揭示煤田钻孔中煤层厚度、煤质特征、煤层顶底板厚度、煤层顶板岩石地层特征及其力学性质，在煤层稳定的地区实用尚好，但难以解释特殊地区煤矿开采中的地质问题，如难以满足大采高煤层地区的生产需求。为了进一步拓展煤层开采范围，持续向煤矿核心区周边的复杂地区掘进，神东煤炭集团于2020 年在补连塔矿区补充施工了23个钻孔，经钻孔横向对比研究，发现巨厚煤层以及煤层顶板岩性组合特征空间变化较大，地层不稳定，煤层在空间上出现了合并、分叉现象，使煤层组合命名、煤层空间对比、煤层顶板伸展性对比难度增加，严重影响了生产进度，增加了安全隐患，迫切需要从地质理论上分析煤层、煤层顶板以及其岩性组合时空变化特征，进行煤层以及顶板的准确对比，预测煤层、煤层顶板空间变化趋势，指导煤矿安全生产，并丰富煤田地质勘探开发理论。

近年来，随着化石能源勘探理论研究深入，层序地层学理论在石油地质、煤田地质研究中得到广泛推广及深入应用，特别在陆相含油气盆地地层对比中具有极高的应用价值，不但科学地指导了石油地质勘探及开发，而且丰富了石油地质学理论知识（Vail et al.，1977；Vail，1987；Galloway，1989；Vakarcsab et al.，1994；贾承造等，2002；徐强等，2003；杜威等，2020；文舰等，2020），并在煤系地层对比及聚煤规律分析、研究中取得了重要进展（邵龙义等，2008；崔春兰等，2020；黄献好等，2020），但层序地层学在研究区的理论研究以及应用匮乏，成果较少（史鸣剑等，2019）。本文应用高分辨率层序地层学原理对补连塔煤矿进行高分辨率层序地层基准面旋回划分，确定地层序列间可靠的对比时间单位；在基准面旋回内开展沉积微相研究，分析地层组合时空变化特征及空间展布规律，进而揭示决定地层组合的古沉积盆地在构造演化阶段所发生的沉积环境变迁模式，为煤层顶板空间对比及特征分析提供理论依据，为一线生产单位的安全防护提供科学指导。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地北起阴山，南抵秦岭，东迄吕梁山，西临贺兰山、六盘山，是中国重要的油气、煤、铀等多种能源共存产出的大型中、新生代陆相盆地之一（付锁堂等，2020；张天福等，2020），先后经历了古元古代的基底演化阶段、早古生代的被动陆缘阶段和晚古生代以来的前陆盆地阶段。三叠纪末期受印支运动的影响，整个盆地抬升并遭受剥蚀，形成凹凸不平的古风化剥蚀面（匡立春等，2020；赵虹等，2020）。早、中侏罗世，盆地周缘构造运动松弛，内部形成了大型中生代陆相坳陷型盆地，在凹凸不平的不整合面上沉积了厚层侏罗系碎屑岩（李元昊等，2020；刘永涛等，2020）。鄂尔多斯盆地侏罗系十分发育，分布广泛，但厚度差别较大，特别是延安组中发育多组煤系碎屑岩地层组合序列，单个煤层厚度较大，是神东煤田集团开采的主力煤层。鄂尔多斯盆地下侏罗统富县组在本区缺失，在榆林、延安、富县以西地区分布，为沉积在印支运动形成的沟壑纵横的古地貌上的深切下蚀河流沉积粗碎屑岩；中晚侏罗世燕山运动发生，全区大面积抬升，导致中侏罗统安定组发育不完整，在本区保留了大部分地层，南部地区剥蚀较多；而上侏罗统芬芳河组全区大部分地区缺失，仅在盆地西南缘陕西千阳一带呈带状分布（邓秀芹等，2020）。早白垩世时，燕山运动再度加剧，鄂尔多斯盆地周缘受到构造改造作用大幅度抬升，而在原侏罗系盆地内因不均匀沉陷发育了空间上相对分割的陆相凹陷盆地，沉积了白垩系志丹群大套粗粒碎屑岩。中、晚白垩世，燕山运动加剧，盆地内构造翻转，盆地全部抬升至地表，结束了沉积历史，最终奠定了现今的盆地构造格局（邓秀芹等，2020）。

受印支运动和燕山运动的控制，鄂尔多斯盆地中生代的沉积中心和沉降中心发生了多次迁移：三叠纪沉积中心在盆地南部铜川东西一线，而沉降中心则在沉积中心的南部；侏罗纪盆地沉积中心转移到东部的延安地区，而沉降中心在吴旗县以西地区；白垩纪时沉降中心运移至天池—环县一带，而沉积中心则发生在多个凹陷的内部。沉积中心的变化受控于地球内部的构造运动，决定了地层序列的时空演化。根据现今盆地构造形态及地质演化历史，鄂尔多斯盆地划分出西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、伊盟隆起及渭北隆起6 个二级构造单元（李元昊等，2020）。研究区位于伊陕斜坡的东北部（图1），构造简单，地层平缓，产状不足1°，地层整体单斜西倾，出露地层由东向西逐渐由老变新，仅有差异压实的低幅度鼻状隆起构造（邓秀芹等，2020；李元昊等，2020）。

图1 补连塔煤矿五盘区构造位置（a）与井位分布（b）Fig.1 Tectonic setting（a）and location（b）of wells of Wupan area in Bulianta coal mine

2 高分辨率层序地层划分

高分辨率层序地层学于20 世纪80 年代由美国科罗拉多矿业学院Cross 教授提出，继承和发展了经典地层学理论（Cross，1994；邓宏文，1995；梅冥相，2011；赵红梅等，2019）。其理论核心为：在沉积基准面旋回变化过程中，由于可容纳空间和沉积物补给通量比值（A/S）的变化，导致沉积物的沉积厚度、岩性特征、沉积构造、地层堆积样式、相序等发生变化（许效松，1994；刘宝珺等，2006；Shao et al.，2020；Xie et al.，2020）。

高分辨率层序地层学利用基准面旋回为时间地层单元进行地层旋回的划分与对比，进而揭示地层序列在时空方向的演化规律及其成因特征（吴和源，2011；熊林芳等，2015）。高分辨率层序地层学理论引入我国后，首先在油气田勘探开发中得到应用，并迅速在各大油田推广，在地层对比、储层预测和油藏开发等方面起到重要作用，并取得重大进展（姜在兴，2012；Melo et al.，2021）。近年来随着地质勘探工作的突飞猛进，其应用范围扩大至煤炭领域，成为煤田地质学研究的热点，尤其在煤系地层对比、聚煤规律研究方面提出了创新性的思路，解决了煤田地质研究长期存在的问题，其应用前景十分广阔（邵龙义等，2008；史勇等，2012；崔春兰等，2020）。

沉积盆地不同构造阶段的基准面旋回所控制的等时地层单元内，特定地理位置中可容纳空间所控制的沉积地层序列演化呈规律性变化，形成基准面下降半旋回与基准面上升半旋回两个部分（Cross，1994；梅冥相，2011；马良，2020）。在一个高级别的基准面旋回的上升半旋回内地层总体上往往表现为几个次级别旋回组成的退积序列，由下向上岩石粒度减小，各低级别旋回中基准面上升半旋回厚度逐渐增加，而基准面下降半旋回中地层厚度逐渐减小，低级别旋回的总厚度有减小的趋势；而在一个高级别基准面下降半旋回内，地层总体上往往表现为几个次级别旋回组成的进积序列，由下向上岩石粒度呈增加的趋势，各低级别旋回中基准面上升半旋回厚度逐渐减小，而基准面下降半旋回的厚度逐渐增加，低级别旋回的总厚度有增加的趋势。在低级别的基准面旋回内，其上升半旋回为不明显的退积序列，而下降半旋回为进积或加积序列（王成善等，2003）。深刻理解陆相盆地内高分辨率层序地层的旋回性特征，分析地层序列的时空演化规律，结合沉积微相特征变化，为地层对比提供理论依据，就可以准确预测煤层及顶底板砂体的空间展布趋势，预测煤炭掘进中地层安全隐患，为煤田开采设计、安全防护提供信息服务。

补连塔煤矿发育中侏罗统延安组、直罗组、安定组以及白垩系志丹群，煤系地层主要集中在延安组。侏罗系与白垩系之间为重大不整合面，缺失上侏罗统，且白垩系志丹群底部可见一层底砾岩，分选、磨圆好，是良好的抬升、暴露、再次沉积的标志。延安组中发育6 套煤层组合，10～12 层煤层，单层煤层厚度1.14～6 m；煤层之间以灰色、灰白色砂岩、粉砂岩为主，砂岩中发育平行层理、脉状层理、槽状交错层理等，粉砂岩中发育波状层理、水平层理，夹深灰色泥岩、粉砂质泥岩，粉砂质泥岩中可见水平层理。在煤层的顶底板中出现多个向上变浅的砂岩—粉砂岩—泥岩序列，煤层顶部砂岩中可见煤岩撕裂屑和煤岩粉末条带。中侏罗统直罗组中以深灰色、灰绿色、杂色泥岩为主，夹粉砂岩，砂岩，发育1～2 层5～10 cm 厚的煤线，底部出现一层厚度约3～22 m 灰白色块状粗砂岩，与下伏延安组深灰色细碎屑岩突变接触。中侏罗统安定组主要岩性为紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩夹泥岩，中间发育3 层紫红色、杂色细砂岩，细砂岩中发育平行层理或低角度斜层理。白垩系志丹群岩性主要为紫红色角砾岩、砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩，夹粉砂岩、粉砂质泥岩，含砾砂岩及砂岩中发育典型的块状层理、平行层理、槽状交错层理，岩层中砾石从下向上具有分选、磨圆变好的趋势。白垩系总体发育3 个砾岩—含砾砂岩—砂岩沉积旋回，向上粒度减小。

根据研究区23 个钻孔岩心及测井资料对比分析，在补连塔煤矿中生界划分出7 个（图 2，图 3，图 4）长周期基准面旋回（LSQ1、LSQ2、LSQ3、LSQ4、LSQ5、LSQ6、LSQ7），在整个鄂尔多斯盆地内可以对比；13 个中周期基准面旋回（MSQ1、MSQ2、MSQ3、 MSQ4、 MSQ5、 MSQ6、 MSQ7、 MSQ8、 MSQ9、 MSQ10、 MSQ11、 MSQ12、MSQ13），可以在研究区较大的范围内进行地层对比。沉积地层的旋回性变化是沉积盆地阶段性构造演化的物质记录，从下向上地层序列有序性变化反映了一个大型陆相坳陷盆地的形成、扩张、萎缩到消亡的全过程以及全区域构造抬升后叠合了另一个凹陷盆地的形成、发展与萎缩的过程。

图2 补连塔矿区北部地层综合对比图Fig.2 Comprehensive stratigraphic correlation map in the north of Bulianta mining area

图3 补连塔矿区南部地层综合对比图Fig.3 Comprehensive stratigraphic correlation map in the south of Bulianta mining area

图4 补连塔矿区南北地层综合对比图Fig.4 Comprehensive stratigraphic correlation map in the south and north of Bulianta mining area

2.1 LSQ1

LSQ1 的底界面为下侏罗统富县组与中侏罗统延安组之间的重大不整合面，在鄂尔多斯南部有明显出露，表现为高低起伏的地形特征，在研究区探井未揭露到LSQ1 底界面，推测底界面是一个较大的冲刷构造面，界面之上为粗砂岩，局部发育含砾砂岩。LSQ1 总体上以砂岩、粉砂岩为主，粒度较粗，夹部分粉砂岩和粉砂质泥岩，其中5-2煤层与4-2 煤层位于该基准面旋回内。测井曲线上基准面上升半旋回表现为3 个钟形组合，岩性为退积序列，向上粒度变小（图5a）；基准面下降半旋回表现为1 个漏斗形组合，岩性上为进积序列（图5b）；MFS（最大水进面）位于两者之间。

图5 基准面旋回界线及内部结构Fig.5 Base level cycle boundary and internal structure

LSQ1 整体上为不对称旋回，基准面上升半旋回的厚度明显大于基准面下降半旋回的厚度。LSQ1 形成于坳陷盆地的初始形成时期，此时构造沉降较大，湖盆扩张迅速，早期湖平面上升速度较快，物源区抬升高度较低，物源区距离较远，物源供给不充分，形成了以退积序列为主的上升半旋回岩性序列，岩石粒度较细，岩性以粉砂岩、泥岩为主；晚期湖盆扩张速度减缓，湖平面相对下降较快，沉积了以进积序列为主的下降半旋回岩性序列，以粉砂岩、细砂岩为主，夹多层煤线。因下降半旋回形成时构造沉降减缓，沉积物供给不充分，沉积作用缓慢，沉积物总体厚度较小。此时研究区所在的盆地周缘形成了三角洲平原沉积环境，在上升半旋回的早期和下降半旋回的晚期，形成了平原沼泽环境，沉积了煤层，但在上升半旋回持续时间较长，煤层厚度较大；而在下降半旋回持续时间较短，煤层厚度较小。而在下降半旋回受气候影响较大，早期湖水波动频繁，形成了多层薄煤层，晚期湖水平静，薄煤层不发育。

LSQ1 可以划分出两个中周期旋回（MSQ1 和MSQ2）。MSQ1 测井曲线上由两个钟形组合组成，基准面上升半旋回为高幅齿钟形，基准面下降半旋回为低幅齿状钟形。从岩性上看，上、下半旋回均为退积性序列。MSQ2 测井曲线上由一个钟形组合与一个漏斗形组合组成，基准面上升半旋回为高幅齿状钟形，基准面下降半旋回为高幅齿状漏斗形。从岩性上看，下降半旋回为退积性序列，上升半旋回为进积性序列。MSQ1 位于坳陷盆地初始形成期的早期，构造沉降剧烈，基准面上升半旋回沉积时，沉积物供给较少，沉积了明显的退积序列；基准面下降半旋回沉积时，沉积物供给增加，沉积了弱退积—加积地层序列；MSQ2 则位于坳陷盆地初始形成期的晚期，构造沉降平缓，但气候变化较大，湖平面波动频繁，沉积物供给不均匀，基准面上升半旋回沉积时，沉积了明显的退积序列，而在基准面下降半旋回沉积时，沉积了明显的进积序列。

2.2 LSQ2

LSQ2 的底界面为延安组内部岩性、岩相的转换界面（图5c），也是沉积环境的转化界面。LSQ2 总体上以砂岩、粉砂岩为主，夹少量泥质粉砂岩，其中3-1 煤层与2-2 煤层位于该基准面旋回内。测井曲线上基准面上升半旋回表现为两个箱形组合，岩性上为弱退积序列，向上粒度变小；基准面下降半旋回表现为1 个钟形和1 个漏斗形组合，岩性上为进积序列；MFS 位于两者之间。LSQ2 整体上为不对称旋回，基准面下升半旋回的厚度略大于基准面上升半旋回的厚度。LSQ2 形成于坳陷盆地的发展期，此时构造运动活跃，物源区构造抬升加大，盆地内构造沉降加大，湖盆扩张迅速，早期湖平面上升速度较快，物源供给稳定，形成了以弱退积序列为主的上升半旋回岩性序列，以粉砂岩、细砂岩为主；晚期湖盆扩张速度减慢，湖平面缓慢下降，且物源供给减少，沉积了以进积序列为主的下降半旋回岩性序列，以粉砂岩、含泥粉砂岩为主，顶部发育一层较厚的煤层。因下降半旋回沉积时构造沉降减缓，持续时间较长，沉积物总体厚度较大。研究区位于盆地周缘，形成了三角洲平原沉积环境，在上升半旋回的晚期和下降半旋回的晚期，形成了平原沼泽环境，沉积了煤层，但在下降半旋回受气候影响较大，湖水波动频繁，但水位较低，持续时间长，煤层厚度较大；而在上升半旋回持续时间较短，且水位较高，煤层厚度较小。

LSQ2 中可以划分出两个中周期旋回（MSQ3 和MSQ4）。MSQ3 测井曲线上由两个箱形组合组成，基准面上升半旋回为低幅齿状钟形，基准面下降半旋回为高幅齿状钟形。从岩性上看，上下半旋回均为加积性或弱退积序列。MSQ4 测井曲线上由一个钟形组合与一个漏斗形组合组成，基准面上升半旋回为高幅齿状钟形，基准面下降半旋回为低幅齿状漏斗形。从岩性上看，上升半旋回为退积性序列，下降半旋回为进积性序列。MSQ3 位于坳陷盆地发展期的早期，构造沉降剧烈，基准面上升半旋回沉积时，沉积物供给稳定，沉积了明显的退积序列；基准面下降半旋回沉积时，沉积物供给减少，沉积了弱退积—加积地层序列；MSQ4 则位于坳陷盆地初始形成期的晚期，构造沉降平缓，但气候变化较大，湖平面波动频繁，沉积物供给不均匀，基准面上升半旋回沉积时，沉积了明显的退积序列，而在基准面上升半旋回沉积时，沉积了明显的进积序列。

2.3 LSQ3

LSQ3 的底界面为延安组内部岩性、岩相的转换界面，也是沉积环境的转化界面。LSQ3 总体上以粗砂岩夹粉砂岩为主，基本不发育泥岩，其中1-2 煤层与1-2 上煤层位于该基准面旋回内。测井曲线上基准面上升半旋回表现为3 个箱形与一个钟形组合，岩性上为加积—弱退积序列，向上粒度变小；基准面下降半旋回表现为1 个钟形与1 个漏斗形组合，岩性上为弱退积—进积序列；MFS 位于两者之间。LSQ3 整体上为对称旋回，基准面下升半旋回的厚度与基准面上升半旋回的厚度相等。LSQ3 形成于坳陷盆地的萎缩期，此时构造运动再次活跃，盆地边缘构造抬升加大，湖平面上升，物源区距离缩短，物源供给充分。早期湖平面上升速度较快，物源供给稳定，形成了以加积—弱退积序列为主的上升半旋回岩性序列，以粗砂岩、细砂岩为主；晚期抬升速度放缓，湖平面缓慢下降，且物源供给减少，沉积了以弱退积—进积序列为主的下降半旋回岩性序列，以细砂岩、粉砂岩为主。因上升半旋回形成时构造抬升大，物源供给充分，时间较短，而下降半旋回形成时构造抬升减缓，持续时间较长，两者沉积物总体厚度接近，形成了对称性基准面旋回。研究区位于盆地周缘形成了三角洲平原沉积环境，在上升半旋回的晚期以及下降半旋回形成的晚期，研究区形成了平原沼泽环境，沉积了煤层。但整体湖平面较浅，在下降半旋回沼泽环境持续时间较短，煤层厚度较小，而在上升半旋回晚期沼泽环境持续时间较长，沉积了厚层的煤层。

LSQ3 中可以划分出两个中周期旋回（MSQ5 和MSQ6）。MSQ5 测井曲线上由3 个箱形与一个钟形组合组成，基准面上升半旋回为低幅齿状箱形，基准面下降半旋回为高幅齿状钟形。从岩性上看，上下半旋回均为加积性或弱退积序列。MSQ6 测井曲线上由1 个钟形与1 个漏斗形组合组成，基准面上升半旋回为高幅齿状钟形，基准面下降半旋回为低幅齿状漏斗形。从岩性上看，上升半旋回为退积性序列，下降半旋回为进积性序列。MSQ5 位于坳陷盆地萎缩期的早期，构造抬升剧烈，湖平面上升较快，基准面上升半旋回沉积时，沉积物供给稳定，沉积了加积序列；基准面下降半旋回沉积时，沉积物供给减少，沉积了加积—弱退积地层序列；MSQ6 则位于坳陷盆地萎缩期的晚期，构造抬升放缓，但盆地受控于气候变化较大，湖平面波动频繁，沉积物供给不均匀，基准面上升半旋回沉积时，湖平面相对上升，积了明显的退积序列，而在基准面下升半旋回沉积时，湖平面相对下降，沉积了明显的进积序列。

2.4 LSQ4

LSQ4 的底界面为延安组顶部与直罗组底部的岩性、岩相的转换界面（图5d），也是沉积环境的转化界面，界面之下为深灰色泥岩夹薄层粉砂岩、细砂岩，界面之上突然变化为灰白色粗砂岩，可见大量黑色煤岩碎屑纹层，发育煤岩撕裂屑，撕裂屑杂乱排列，分选、磨圆很差，且粗砂岩底部可见较大冲刷面，部分钻孔中直接覆盖于煤层之上，使煤层厚度减薄或呈条带状消失。LSQ4 岩性总体上以杂色、灰绿色粉砂岩为主，夹部分细砂岩，该旋回内煤层消失。测井曲线上基准面上升半旋回表现为1 个钟形组合，岩性上为退积序列，向上粒度变小；基准面下降半旋回表现为2 个箱形组合，岩性上为弱退积—加积序列；MFS 位于两者之间。LSQ4 整体上为不对称旋回，基准面下升半旋回的厚度大于基准面上升半旋回的厚度。LSQ4 形成于坳陷盆地消亡时期，构造运动进入末期，盆地边缘大部分抬升，湖平面萎缩到很小的范围，原来的坳陷盆地的沉积区转变为物源区，原来的物源高地几乎夷平，且气候进入干旱时期沉积的地层序列。早期河流发育，物源供给相对稳定，形成了以退积序列为主的上升半旋回岩性序列，以细砂岩、粉砂岩为主；晚期构造抬升速度放缓，河道运载能力下降，河道迁移或消失，形成了广阔的河漫滩，且物源供给减少，沉积了以弱退积—进积序列为主的下降半旋回岩性序列，以粉砂岩、粉砂质泥岩为主。因上升半旋回形成时构造抬升大，物源供给充分，时间较短，而下降半旋回形成时构造抬升减缓，但持续时间较长，形成了对称性基准面旋回。

LSQ4 中可以划分出两个中周期旋回（MSQ7 和MSQ8）。MSQ7 测井曲线上由1 个钟形和1 个箱形组合组成，基准面上升半旋回为高幅齿状钟形，基准面下降半旋回为低幅齿状箱形。从岩性上看，上升半旋回为加积性序列，下降半旋回均退积性序列。MSQ8测井曲线上由1 个钟形与1 个箱形组合组成，基准面上升半旋回为高幅齿状箱形，基准面下降半旋回为低幅齿状指形。从岩性上看，上升半旋回为加积性序列，下降半旋回为加积—弱进积性序列。MSQ7 位于坳陷盆地消亡期的早期，构造抬升剧烈，坳陷盆地向南消亡，大部分地区发育季节性河流，河道搬运能力较强，在基准面上升半旋回沉积时，沉积物供给充分，沉积了加积序列；基准面下降半旋回沉积时，沉积物供给减少，沉积了加积—弱进积地层序列；MSQ8 则位于坳陷盆地消亡期的晚期，构造抬升减缓，河道搬运能力不足，研究区形成了河漫滩沉积环境，沉积物供仅随季节性变化，所以基准面上升半旋回沉积与基准面下降半旋回时沉积环境变化极小，沉积了加积性地层序列。

2.5 LSQ5

LSQ5 的底界面为侏罗系安定组与白垩纪志丹群的不整合面，界面之下为侏罗系安定组紫红色泥岩，界面之上为白垩系志丹群的紫红色、灰绿色、杂色角砾岩、底砾岩（图5e）。LSQ5 为凹陷盆地初始形成时期，盆地靠近山体一侧构造运动强烈，物源充分，气候进入干旱时期，受季节性洪水影响，搬运、沉积了粗碎屑岩地层序列。岩性总体上以杂色、灰绿色、紫红色砾岩、含砾粗砂岩为主，夹少量细砂岩。测井曲线上基准面上升半旋回表现为1 个规模较大的箱形组合，岩性上为退积—加积序列（图5f）；基准面下降半旋回表现为指形组合，岩性上为弱进积—加积序列（图5g）；MFS 位于两者之间。LSQ5 整体上为不对称旋回，基准面下降半旋回的厚度大于基准面上升半旋回的厚度。LSQ5 形成于凹陷盆地的初始形成期，此时盆地外围大部分地区构造抬升，早期凹陷盆地边缘抬升幅度较小，物源供给不充分，形成了以加积序列为主的上升半旋回岩性序列，以细砾岩与粗砂岩互层为主；晚期抬升速度增加，洪水运载能力迅速增加，且物源供给充分，沉积了以弱进积—加积序列为主的下降半旋回岩性序列，以粒度较大的砾岩、含砾砂岩主。因上升半旋回形成时构造抬升小，物源供给不充分，时间较短，沉积厚度小，而下降半旋回形成时构造抬升增加，但物源供给充分，沉积厚度较大，所以形成了不对称性基准面旋回。

LSQ5 中可以划分出两个中周期旋回（MSQ9 和MSQ10）。MSQ9 测井曲线上由1 个箱形组合组成，基准面上升半旋回为高幅齿状箱形，基准面下降半旋回为低幅齿状箱形。从岩性上看，下降半旋回为退积性序列，上升半旋回为进积性序列。MSQ10 测井曲线上为1 个箱形组合，基准面上升半旋回为高幅齿状箱形，基准面下降半旋回为低幅齿状指形。从岩性上看，上升半旋回为加积性序列，下降半旋回为加积—弱进积性序列。MSQ9 位于凹陷盆地初始形成期的早期，构造抬升缓慢，河道搬运能力弱，基准面上升半旋回沉积时，沉积物供给不充分，沉积了退积序列；基准面下降半旋回沉积时，沉积物供给稳定，积物沉积了进积序列；MSQ10 则位于坳陷盆初始形成期的晚期，构造抬升加大，沉积物供给均匀，基准面上升半旋回与基准面下升半旋回所处沉积环境变化极小，均沉积了加积性地层序列。

2.6 LSQ6

LSQ6 的底界面为白垩纪志丹群的内部的岩性、岩相转化面，界面之下为灰绿色、杂色砾岩，界面之上为紫红色砂岩或砾岩（图5h）。LSQ6 为凹陷盆地发展期，构造运动再次强烈，凹陷盆地扩张，盆地边缘物源区再次抬升，气候更加干旱，受季节性洪水影响，在物源供给充分条件下沉积的地层序列。岩性总体上以紫红色粗砂岩、含砾砂岩为主，夹少量砾岩及含砾砂岩。测井曲线上基准面上升半旋回表现为1 个箱形组合，岩性上为加积序列；基准面下降半旋回表现为1 个箱型与两个钟形组合，岩性上为弱进积—加积序列；MFS 位于两者之间。LSQ6 整体上为不对称旋回，基准面下降半旋回的厚度大于基准面上升半旋回的厚度。LSQ6 形成于凹陷盆地的发展期，此时盆地外围大部分地区构造抬升，盆地扩张，早期盆地边缘扩张较大，但因降水较少，物源供给不足，形成了以加积序列为主的上升半旋回岩性序列，以细砂岩为主；晚期抬升速度放缓，但降水增加，物源供给迅速增加，沉积了以弱进积—加积序列为主的下降半旋回岩性序列，以砂岩、粉砂岩主。因上升半旋回形成时盆地扩张较大，物源供给不充分，时间较短，沉积厚度小，而下降半旋回形成时盆地扩张停止，但物源供给充分，沉积厚度较大，形成了不对称性基准面旋回。

LSQ6 中可以划分出两个中周期旋回（MSQ11 和MSQ12）。MSQ11 测井曲线上由1 个箱形或1 个指形组合组成，基准面上升半旋回与基准面下降半旋回均为低幅齿状箱形。从岩性上看，下降半旋回为弱退积性序列，上升半旋回为加积性序列。MSQ12 测井曲线上由1 个箱形组合组成，基准面上升半旋回与基准面下降半旋回均为钟形组合。从岩性上看，上升半旋回为退积序列，下降半旋回为加积—弱退积性序列。MSQ11 位于凹陷盆地发展期的早期，凹陷盆地扩张规模大，降水较少，洪水搬运能力弱，基准面上升半旋回沉积时，沉积物供给不充分，沉积了弱退积序列；基准面下降半旋回沉积时，湖盆扩张减弱，降水增加，沉积物供给稳定，沉积了加性进积地层序列；MSQ12 则位于坳陷盆地发展期的晚期，湖盆扩张减弱，受气候影响较大，沉积物供给均匀，基准面上升半旋回与基准面下升半旋回所处沉积环境变化极小，沉积了弱退积—加积性地层序列。

2.7 LSQ7

LSQ7 的底界面为白垩纪志丹群的内部的岩性、岩相转化面，界面之下为紫红色泥岩，界面之上为紫红色砾岩，界面有冲刷现象，顶界面为白垩系与第四系的不整合接触面。LSQ7 仅在研究区北部地区发育，岩性总体上以紫红色砾岩、含砾砂岩、粗砂岩为主。测井曲线上基准面上升半旋回表现为1 个漏斗形与1 个箱形组合构成，岩性上为退积序列，基准面下降半旋回勘探区已被剥蚀。LSQ7 形成于凹陷盆地萎缩期，此时盆地萎缩，盆地边缘构造区基本夷平，早期物源供给不足，形成了以退积序列为主的上升半旋回岩性序列，以砾岩、含砾砂岩、粗砂岩为主；晚期因燕山期强烈构造运动，盆地全部抬升，基准面下降半旋回全部剥蚀。

LSQ7 中只保留下1 个中周期旋回（MSQ13）。MSQ13 从岩性上看，下降半旋回为退积性序列，上升半旋回为进积—加积性序列。MSQ13 测井曲线上基准面上升半旋回为漏斗形组合，基准面下降半旋回为箱形组合。MSQ13 位于凹陷盆地萎缩期，盆地外围接近夷平，季节性洪水搬运能力相对强，基准面上升半旋回沉积时，沉积物供给较充分，沉积了退积序列；基准面下降半旋回沉积时，全区抬升范围扩大，物源区与沉积区地势差别缩小，沉积物供给减少，洪水规模减小，沉积了进积—加积地层序列。

3 沉积微相划分

沉积微相是指在沉积相带、沉积亚相带范围内具有独特岩石结构、构造、厚度、韵律性等剖面上沉积特征及一定的平面配置规律的最小单元（郭艳琴等，2019；赵辉等，2020）。根据岩性组合特征、测井曲线变化特征在研究区识别出三角洲、河流、冲积扇3 种沉积相，三角洲相主要发育三角洲平原亚相；河流相主要发育河漫、岸堤及河床亚相；冲积扇相则发育扇中和扇端亚相（图6）。

3.1 三角洲

分流河道：主要分布在侏罗系延安组的下部和上部，岩性主要以灰白色、灰色块状细砂岩和中砂岩为主，岩石分选好、磨圆一般（图7a、图7b），发育块状层理、平行层理、脉状层理，块状砂岩中可见煤岩撕裂屑及煤岩纹层，并多处发育冲刷面构造。砂体在平面上呈条带状延伸，局部呈透镜状。在测井曲线上表现为多个钟形或箱形叠加组合，为多期分流河道沉积所致。

泛滥平原：泛滥平原发育在侏罗系延安组下部及中部，分布于分流河道砂坝间，岩性以深灰色粉砂岩与粉砂质泥岩互层为主夹细砂岩、泥岩，粉砂岩中发育沙纹交错层理、波状层理，泥岩中发育水平层理（图7c），局部夹煤线，可见生物扰动现象，发育植物碎屑、炭屑、植物根茎，自然伽马曲线呈高频低幅锯齿状指型。

沼泽：沼泽在侏罗系延安组中广泛分布，其岩性主要为煤层或含碳泥岩，见黄铁矿及植物化石，在自然伽玛曲线和电阻率曲线上表现为高幅单一指形。当时气候温暖、潮湿，三角洲平原分流河道之间、分流间湾或三角洲浅水湖泊中形成沼泽环境，植物丛生，之后形成了泥炭堆积。泥炭埋藏后煤化转变为煤，所以煤层成为地质历史时期沼泽相的标志性沉积。

决口扇：主要分布于侏罗系延安组顶部，其岩性主要为灰白色细砂岩或中砂岩，下部出现粉砂岩，形成逆粒序的反旋回（图7d），发育块状层理、低角度斜层理，常发育泥岩撕裂屑或泥岩斑团。测井曲线上表现为漏斗形或箱形组合。砂体在平面上通常呈席状或板状，顶底界面平整，底界面为砂岩突变接触于下伏的泥岩或粉砂岩，形成冲刷面。

3.2 河流

研究区河流相主要发育河床、河漫和岸堤亚相，进一步可以区分出河道、河漫滩、天然堤沉积微相。

河道：主要分布于侏罗系直罗组底部，主要为直罗组底部七里镇砂岩，岩性为灰白色中粒长石砂岩（图7e），底部为含砾砂岩，砾石粒径2～8 mm，次棱角状，砾石成分以长石、石英为主，向上颗粒变细。砂岩中以块状层理为主，下部发育板状交错层理，各钻孔中层厚度差别很大，从3～12 m，底部见树干化石，并见冲刷接触现象，发育泥质砾石及碳化碎块、煤岩纹层等，中上部含少量铁质结核，核径3～5 cm。测井曲线上为明显的低幅箱形或钟形。

经综合分析，结合国内外沙漠路面结构材料分析及路面状况研究，同时考虑沙漠地区自然气候特征及当地材料供需状况， 通过对以上三种路面结构方案的技术及经济比较，在满足使用要求的条件下，并结合本项目交通量分布，确定本项目采用方案一路面结构。

河漫滩：主要分布于侏罗系直罗组或安定组中。河漫滩一般分布在河流中下游地区，河流下蚀作用较弱，侧蚀作用较强。河流在凹岸侵蚀，在凸岸堆积形成水下堆积砂体。在洪水季节，水下砂体被河水淹没，继续接受沉积，水下砂体的面积逐步扩大，在枯水季节露出水面，形成河漫滩。如果河流改道，河漫滩被废弃。多个被废弃的河漫滩连接在一起，最终形成了宽广的河漫滩平原。因洪水季节性涨落，河漫滩沉积主要以泥岩、粉砂岩与细砂岩互层出现为特点，具有“泥包砂”的特点（图7f），发育水平层理、波状层理等。测井曲线上表现为低幅锯齿状指形夹多个短柱状箱形组合。

图7 沉积微相岩性特征Fig.7 Lithologic characteristics of sedimentary microfacies

天然堤：主要分布于侏罗系直罗组或安定组中。天然堤一般分布在曲流河中下游地区或辫状河的下游。当洪水漫溢河床时，在河床两侧，因河流流速骤减，有大量泥沙沉积，洪水退后，沿河床两侧则形成天然堤。从岩性上看，天然堤下伏地层为河道微相粗砂岩或含砾粗砂岩，上部沉积与河漫滩相似的细砂岩与粉砂岩互层，但一般为正粒序，发育爬升沙纹层理、水平层理及波痕，岩层顶部可见泥裂和虫迹。测井曲线上表现为长距离低幅锯齿状钟形组合。

3.3 冲积扇

主要发育于白垩系志丹群。从下向上，可以区分出扇中、扇端沉积亚相。扇中分为分支河道和漫流；扇端分为扇缘水道和洪积平原。从平面山看，冲积扇靠近山体的部分为扇根，在本区不发育，远离山体的最远部分为扇端（扇缘、外扇），这两个部分中间的为扇中。扇根是近源沉积，以较粗的沉积物为主，大小混杂，分选、磨圆一般比较差，从扇根向扇端，冲积物的粒度变细，分选性变好，磨圆度增加。

分支水道：主要发育于白垩系志丹群的中、下部。分支水道是扇中的主要沉积微相，是扇根主槽在相对地形平缓位置的横向延伸与扩展，从山体间出口向开阔地区呈放射状扇形展布，洪水时形成了暂时性河道，物源区碎屑物被洪水搬运，在分支河道沉积，洪水过后，分支河道干涸，暴露地表，长期形成了氧化环境，沉积了紫红色砾岩、含砾砂岩、粗砂岩夹少量粉砂岩、泥岩，其砾石磨圆、分选较其下扇根亚相中略好，厚度2～10 m，砾岩层一般大于70%（图7g、图7h）。该沉积微相也称“辫流线”，其宽度一般10～15 m，有时可达上百米，深度为1～5 m，最深可达10 m，发育洪积层理和交错层理，粒度具有向上变细的趋势，砾石呈20°左右倾向上游，岩层底部冲涮面不平整，且冲刷面之上发育泥岩角砾。测井曲线表现为多个韵律组成的锯齿状钟形正旋回形态。

漫流带：发育于白垩系志丹群的中、上部，为扇中亚相分支水道之间相对较高的部位发生的沉积，仅在洪水暴涨时沉积，而洪水降落时暴露地表。因漫流带距离物源区较远，沉积物搬运距离较长，沉积物颗粒较细，为砂岩、含泥砂岩、含泥粉砂岩、粉砂质泥岩（图7i），含有少量砾石，砾石分选磨圆中等，一般发育块状层理，层面中可见植物根系或植物碎片。测井曲线表现为低幅锯齿状指形。

扇缘水道：发育于白垩系志丹群的上部。扇缘水道是扇中分支水道向地形平坦区的延伸和扩展部分，与扇中分支水道相比，其流水运移距离较短，水道深度减小，且单位面积水道间数量增加，水道密度增加，洪水季节接受沉积，干旱时暴露地表。因物源搬运距离增加，固沉积物碎屑颗粒明显减小，且分选性、磨圆性增加，并发育平行层理、槽状层理、斜层理。主要岩性为紫红色砾岩、砂岩夹薄层粉砂岩，向上粒度变细。测井曲线表现为多个低幅度锯齿状钟形组合。

洪积平原：发育于白垩系志丹群的上部。在干旱地区因暂时性或季节性洪流在山谷出口处形成的，经过多次洪流过程形成堆积体不断扩大伸展组合而成的山前平原。洪流暴涨时，洪水一边侵蚀扇缘水道沟床，同时也将大量的碎屑物质搬运到沟口或山坡相对低平地带，因流速减小而迅速堆积形成扇状堆积体。洪水暴涨时沉积物被洪水淹没，洪水退却时沉积物长期暴露地表形成氧化环境沉积了紫红色细砂岩、粉砂岩、泥岩正旋回序列，砂岩、粉砂岩中见少量分选、磨圆较好的砾石，发育块状层理或水平层理，测井曲线表现为长钟形与低幅锯齿状指形组合。

4 盆地构造演化与沉积环境变迁

根据层序地层特征划分以及单因素、沉积微相分析特征（图8～图11），沉积结合区域地质背景，可以判断补连塔煤矿在中生代经历了大型坳陷盆地与凹陷盆地两个构造性质不同的盆地叠合演化过程（图12，图13），其中坳陷盆地演化发生在早、中侏罗世，而凹陷盆地的演化发生在白垩纪。

图8 SQ3 砂岩含量等值线图Fig.8 Isoline of SQ3 sandstone content

图9 SQ3 沉积微相平面图Fig.9 Sedimentary microfacies plan of SQ3

图10 SQ6 砂岩含量等值线图Fig.10 Isoline of SQ6 sandstone content

图11 SQ6 沉积微相平面图Fig.11 Sedimentary microfacies plan of SQ6

图12 补连塔煤矿坳陷盆地沉积模式图Fig.12 Sedimentary model map of depression basin in Bulianta coal mine

图13 补连塔煤矿凹陷盆地沉积模式图Fig.13 Sedimentary pattern map of depression basin in Bulianta coal mine

根据岩层组合序列沉积特征以及区域地质背景，沉积盆地构造演化具体可以区分出坳陷盆地的初始形成阶段、坳陷盆地的发展阶段、坳陷盆地萎缩阶段、坳陷盆地的消亡阶段以及凹陷盆地的初始形成阶段、凹陷盆地的发展阶段和凹陷盆地的萎缩阶段，每一个构造阶段对应一次完整的长周期基准面旋回。

在盆地演化发展的不同历史时期，构造运动与气候变化共同控制了沉积环境演化，沉积环境演化决定了沉积地层组合序列特征的变化，所以地层组合序列的特征以及其变化规律是揭示沉积环境变化的直接物质证据。从总体上看，控制补连塔煤矿沉积特征的沉积盆地经历了两次规模较大的水平面加深—变浅的旋回性变化，分别对应于一次坳陷盆地与一次凹陷盆地的叠加构造演化过程。其中坳陷盆地构造演化过程，补连塔煤矿以近湖盆的三角洲—河流沉积环境为主；在凹陷盆地构造演化过程，补连塔煤矿以洪积扇沉积环境为主。

坳陷盆地的初始形成阶段：发生在早侏罗世延安组沉积早期，主要沉积地层为LSQ1。三叠纪末期印支运动发生，盆地南部秦岭造山带隆升，鄂尔多斯盆地内部差异性沉降，形成了大型坳陷湖盆，研究区位于湖盆西北部边缘，北部东胜隆起成为物源区，经河流搬运携带沉积物向湖盆内沉积，途径研究区形成了三角洲沉积环境，此时物源区较远，物源供给不充分，而湖平面升高较快，形成了不对称的退积型长周期基准面旋回。

坳陷盆地的发展阶段：发生在早侏罗世延安组沉积中期，主要沉积地层为LSQ2。此时构造运动加剧，湖盆面积迅速扩张，湖平面升高，盆地进入发展阶段，研究区虽继承了早期的三角洲沉积环境，但沉积物供给增加，发展期晚期构造运动持续时期略长，形成了不对称或近对称的弱进积—加积型长周期基准面旋回。

坳陷盆地萎缩阶段：发生在早侏罗世延安组沉积晚期，主要沉积地层为LSQ3。延安组末期，印支运动再次加剧，湖盆周缘抬升范围扩大，湖盆面积缩小，进入了坳陷盆地萎缩期，物源区供给充分，研究区还是三角洲沉积环境，但三角洲向盆地内快速进积，沉积了多层粒度较粗的厚层粗砂岩，因萎缩期早晚期构造活动频率稳定，形成了对称的加积型长周期基准面旋回。

坳陷盆地的消亡阶段：发生在中侏罗世直罗组和安定组沉积时期，主要沉积地层为LSQ4。延安组沉积末期，印支运动进入末期，构造运动导致盆地大幅度抬升，且气候干旱，坳陷盆地湖盆向南消失，全区进入坳陷盆地消亡期。此时，在研究区形成了河流泛滥平原沉积环境，河流由北向南流动，在洪水季节河流携带大量泥沙在此沉积，晚期构造活动更为剧烈，形成了进积型长周期基准面旋回。

凹陷盆地的初始形成阶段：发生在早白垩世志丹群沉积早期，沉积地层对应LSQ5。晚侏罗世时，燕山运动发生，研究区所在的鄂尔多斯盆地再次抬升，导致上侏罗统几乎剥蚀殆尽。在早白垩世早期，燕山运动加剧，在鄂尔多斯盆地内部形成了一系列凹陷盆地。此时气候干旱，构造运动活跃，且地形高差较大，洪水暴涨期流水搬运能力巨大，物源供给充分，在距离物源区较近的凹陷盆地形成了一系列洪积扇，研究区位于扇中的上部（靠近扇根），沉积了粗碎屑岩。凹陷盆地初期，构造活动剧烈，早晚期均匀变化，沉积了以砾岩为主的近对称型长周期基准面旋回。

凹陷盆地的发展阶段：发生在早白垩世志丹群沉积中期，沉积地层对应LSQ6。早白垩世中期，构造运动相对减缓，山体风化剥蚀进一步加大，靠近盆地剥蚀区岩体夷平，凹陷盆地面积扩大，进入凹陷盆地发展期，此时物源距离增加，且物源减少，洪山爆发时冲积扇向物源区索源侵蚀，并发生退积作用，研究区位于冲积扇扇中下部（远离扇根），沉积了粒度相对较小的含砾砂岩、砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩，此时早期构造活动微弱，而晚期构造活动相对强烈，风化剥蚀作用加大，形成了进积型长周期基准面旋回。

凹陷盆地的萎缩阶段：发生在早白垩世志丹群沉积晚期，沉积地层对应LSQ7。早白垩世晚期，此时大部分靠近凹陷位置山地均接近夷平，凹陷盆地被碎屑物反复充填，物源区与沉积区高差逐渐减小，物源区距离拉远，凹陷盆地进入萎缩阶段。此时燕山运动加剧，气候干旱，洪水期物源供给增加，流水运移、加载了距离较远的碎屑物在凹陷盆地低洼处堆积，形成洪积扇，单因索源侵蚀作用，洪积扇向山体处索源侵蚀，并发生退积作用，研究区位于冲积扇扇端，沉积了以含砾砂岩、砂岩与粉砂岩、泥岩互层的进积型长周期基准面旋回。

5 煤系地层沉积特征及煤矿安全防护

延安组煤层形成于三角洲泛滥平原沼泽环境，大部分煤层形成于长周期基准面下降半旋回的晚期或长周期基准面上升半旋回与下降半旋回转换处（最大水泛面处）。所有煤层均出现在中周期基准面旋回的晚期或中周期基准面上升半旋回与下降半旋回转换处（最大水泛面处），这是因为基准面下降半旋回晚期或基准面上升半旋回与下降半旋回转换处水体较为平静，陆源物质供给较少，适宜于成煤植物的繁殖生长。

长周期基准面下降半旋回晚期出现的煤层，如4-2 上、2-2、1-2 上，煤层厚度较大，煤层顶板发育大规模的三角洲平原分流河道，河道砂体厚度较大，相对稳定，砂岩硬度较大，呈条带状分布，定向排列，对下伏煤层有较大的冲刷、改造作用，使煤层出现条带状减薄、尖灭现象，平面上煤层上覆条带状河道砂体之间之间会出现河道间泛滥平原沉积的硬度较小的粉砂岩、泥岩互层的情况，在煤矿掘进时遇到煤层突然增厚现象，提前设计安全防护措施，以防煤层顶板呈层状剥落。而在长周期基准面上升半旋回与下降半旋回转换处（最大水泛面处）沉积煤层，分布不稳定，多出现煤层合并、分叉现象，煤层组内薄煤层会频繁出现，煤层顶底板一般均为三角洲泛滥平原沉积的粉砂岩、泥岩互层状结构，岩石较松软，硬度较小，中间偶夹砂岩，但厚度不大，支撑力度不够，在掘进中若遇到顶板由粉砂岩、泥岩突变为中、粗粒砂岩，需要重点预防顶板塌陷现象。

6 结 论

（1）补连塔煤矿中生界可以区分出7 个长周期基准面旋回，13 个中周期基准面旋回，在全矿区均可对比。

（2）补连塔煤矿中生代经历一个陆相坳陷盆地和一个凹陷盆地的叠加构造演化过程，可以划分出坳陷盆地的形成、发展、萎缩、消亡过程和凹陷盆地的初始形成、扩张、萎缩过程；盆地发展的每个阶段的沉积地层组合对应了一个长周期基准面旋回。

（3）通过高分率层序地层特征分析可知，研究区中生代从早到晚，其沉积环境由近坳陷湖盆三角洲沉积环境逐渐演化为远坳陷湖盆的河流沉积环境，最后转化为凹陷盆地洪积扇沉积环境，水平面具有两次加深—变浅的旋回性变化的特征。

（4）大部分煤层形成于长周期基准面下降半旋回的晚期或长周期基准面上升半旋回与下降半旋回转换处（最大水泛面处）。长周期基准面下降半旋回晚期出现的煤层总体稳定，煤层局部常有条带状冲刷减薄、尖灭现像，重点预防厚煤层顶板层状剥落；而在长周期基准面上升半旋回与下降半旋回转换处（最大水泛面处）沉积煤层分布不稳定，常出现分叉、合并现象，在掘进中需要重点预防顶板塌陷现象。