神府南区中侏罗统直罗组古河道冲刷带的空间定位预测

荣 辉，焦养泉，高 彬，范立民，张 帆，吴立群，乐 亮，王建英，郭亮亮

(1.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；2. 陕煤集团神木张家峁矿业公司，陕西 神木 719300；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；4.陕西省地质环境监测总站 自然资源部矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054)

古河道冲刷带是含煤岩系中常见的一种地质现象，不仅可以造成可采煤层几何形态的变化，而且影响煤矿安全、高效生产[1-2]。因此，准确预测古河道冲刷带的空间分布一直是煤矿地质领域关心的重要问题。对古河道冲刷带的预测主要采用沉积分析、地球物理及地质统计等方法[3-12]。由于地下地球物理探测干扰因素多、影响地质统计数学模型的地质条件复杂，导致物探方法和地质统计方法对古河道冲刷带的预测结果存在多解性和不确定性，而沉积学分析是目前解决古河道冲刷带分布预测问题最直接、最有效的方法[2-3,13-14]。

陕北侏罗纪煤田位于鄂尔多斯盆地东北部，其煤炭资源量约占全国保有储量的14%，已经成为我国重要的煤炭生产基地[15-16]。神府南区是陕北侏罗纪煤田的主要矿区之一，区内与侏罗纪含煤岩系相关的区域性地下水储层主要有3套，自下而上分别为直罗组底部含水层、下白垩统洛河组含水层和罗汉洞组含水层[17-21]。延安组含煤岩系顶部古风化壳之上发育的直罗组底部砂体(含水层)具有辫状河-辫状河三角洲的成因，直罗组底部砂体的河道化作用明显[22-23]。河道下蚀作用在一些地区可以切穿下伏延安组顶部的1～2个可采煤层，下切深度可达10～20 m，对可采煤层可以形成明显的冲刷带[24-25]。可见，以古河道含水层为水源的煤矿突水危险性较大，古河道顶板水害成为威胁矿区安全高效生产的重要致灾因素之一。然而，目前对直罗组下段古河道冲刷带的分布规律仍然不清楚，给该区域矿井防治水工作带来了极大的挑战。

鉴于此，笔者将以神府南区含煤岩系顶板直罗组古河道为研究对象，通过砂分散体系、煤层厚度及古河道砂体与下伏地层的接触关系等分析和编图，实现对含煤岩系顶板古河道冲刷带的空间定位预测，为该区煤矿安全、高效生产提供指导。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是中国西部大型的含能源沉积盆地，以赋存多种沉积矿产而著称[22,26-30]。盆地划分为伊盟隆起、西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带和渭北隆起6个二级构造单元，其中，神府南区位于盆地东北缘，构造上处于伊陕斜坡(图1(a),(b))。侏罗纪地层主要包括富县组、延安组、直罗组和安定组(图2)。延安组是重要的含煤岩系[22,31]，而直罗组是重要的含铀岩系[21,32]。延安组含有5层重要工业煤层，分别位于其内部5个成因地层单元：Ⅰ～Ⅴ。延安组的上、下界面均为不整合面，其内部可进一步划分为3个体系域，其中低位体系域(LST)对应于第Ⅰ单元，以河流沉积作用为特色，湖泊扩展体系域(EST)对应于第Ⅱ～Ⅳ单元，以湖泊三角洲为主，而高位体系域(HST)对应于第Ⅴ单元，以河流沉积和三角洲沉积为主[24,30]。直罗组也由3个体系域(LST,EST和HST)组成，分别对应于直罗组下、中、上3段，直罗组下段以辫状河-辫状河三角洲沉积体系发育为主(图2)[23]。神府南区主要生产煤矿包括柠条塔煤矿、红柳林煤矿、张家峁煤矿等(图1(b))，区内构造简单，地层总体趋势为倾角1°左右、向北西倾斜的单斜构造。研究区直罗组与延安组之间呈平行不整合接触，该界面是燕山运动早期的产物，表现为直罗组底部砂体与含煤岩系广泛直接接触，为古河道冲刷带的形成创造了条件[21-25]。

图1 区域地质背景Fig.1 Regional geological background

图2 鄂尔多斯盆地东北部中生界地层结构及地下水关键要素(据文献[21]修改)Fig.2 Mesozoic stratigraphic column and key elements of groundwater in the northeastern Ordos Basin (Modified from References [21])

2 古河道冲刷带的识别

古河道冲刷带的发育不仅取决于古河道砂体展布与规模，而且还受其对下伏地层的侵蚀程度的制约，因此对古河道冲刷带的识别必须要考虑以上两方面的因素。从钻孔岩心和野外露头观察发现，神府南区直罗组下段以大套厚层砂体发育为主，厚度多在30～70 m，由多个正韵律旋回构成，每个旋回下部岩性多以砾岩、含砾砂岩为主，局部含大量的碳质碎屑，上部逐渐变细，以中砂岩及细砂岩发育为主(图3)；直罗组下段砂体下伏地层为延安组，其可与延安组第Ⅳ单元煤层或第Ⅴ单元风化煤层接触(图3)。从钻孔连井剖面上看，沿着垂直古河道展布方向上，直罗组下段古河道砂体呈透镜状，在中心位置厚度最大，向两侧逐渐减薄；在古河道发育的中心位置，延安组第Ⅴ单元地层完全缺失、第Ⅳ单元地层部分为缺失，向两侧地层缺失程度逐渐减弱(图4(a))。沿着平行古河道展布方向上，直罗组下段古河道砂体呈席状展布，延安组第Ⅴ单元地层完全缺失、第Ⅳ单元地层部分缺失(图4(b))。综上所述，直罗组下段古河道砂体规模大，连续性好，其对下伏延安组地层产生了明显的冲刷作用，造成延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元地层缺失。

注：(a)直罗组下段古河道砂体与延安组第Ⅳ单元煤层接触，SJ02井，钻孔位置如图5(a)所示；(b)直罗组下段底部砾岩，位置如图3(a)所示； (c) 延安组第Ⅳ单元煤层，位置如图3(a)所示；(d) 直罗组下段古河道砂体与延安组第Ⅳ单元煤层接触，SJ03井，钻孔位置如图5(a)所示； (e)直罗组下段底部砾岩，位置如图3(d)所示；(f) 延安组第Ⅳ单元煤层，位置如图3(d)所示；(g),(h) 神木考考乌素沟延安组与直罗组之间的 不整合界面，直罗组下段砂体与延安组第Ⅴ单元顶部风化煤层接触，底部见砾石。图3 神府南区直罗组下段古河道砂体与延安组煤层的接触关系Fig.3 Contact relationship between ancient channel sandbodies in the lower part of Zhiluo Formation and coal seam of the Yan’an Formation in the southern Shenfu mining area

3 与古河道冲刷作用相关参数的空间分布规律

笔者将精细刻画古河道砂体几何形态、下伏地层中煤层分布、下伏地层及岩性展布，为实现对古河道冲刷带的空间定位预测奠定基础。该研究是建立在对神府南区2 308口钻孔资料进行地层划分、岩性统计工作基础上的。

3.1 古河道砂体的空间分布规律

通过编制神府南区直罗组下段砂体厚度、含砂率等值线图来表征神府南区古河道砂体的空间展布规律。神府南区直罗组下段砂体厚度多数分布在20～80 m，最显著的特征是高值区以红碱淖—尔林兔—锦界为轴线，呈北西—南东向带状展布(图5(a))。红碱淖—尔林兔—锦界一带的砂体厚度普遍在70 m以上，在其两侧出现指状分叉，向东、西南方向砂体厚度逐渐减小(图5(a))。研究区直罗组下段含砂率多在50%～100%，尤其在红碱淖—尔林兔—锦界一带直罗组下段含砂率达到100%，其展布规律与砂体厚度的展布规律相近，高值区亦呈北西-南东向的带状展布，低值区位于高值区两侧(图5(b))。综上所述，神府南区直罗组下段砂分散体系总体上展现以红碱淖—尔林兔—锦界一线为轴线，从西北向东南方向呈带状展布，与轴线斜交方向出现明显分岔。

图4 神府南区直罗组下段古河道砂体及其与下伏地层的接触关系(剖面位置如图5(a)所示)Fig.4 Ancient channel sandbodies in the lower part of the Zhiluo Formation and their contact relationship with underlying strata in the southern Shenfu mining area(Location is shown inFig.5(a))

3.2 下伏地层中煤层的空间分布规律

神府南区直罗组下段古河道砂体下伏地层主要以延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元为主。因此，笔者主要研究该区延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元中煤层厚度的分布规律。神府南区延安组第Ⅴ单元中煤层厚度在0～13.8 m，平均厚度3.58 m，煤层厚度高值区呈半岛状、岛状分布于红碱淖的西南方向及工区东北部，而低值区主要分布于红碱淖—尔林兔—锦界一线附近(图6(a))。延安组第Ⅳ单元中煤层多数分布在2～10 m，煤层厚度高值区主要分布在研究区西南部和东北部，而低值区主要分布于红碱淖—尔林兔—锦界一线附近，从西北—东南呈带状展布(图6(b))。总体来看，研究神府南区延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元中煤层厚度的低值区主要分布于红碱淖—尔林兔—锦界一线附近，而高值区分布于该轴线两侧。

3.3 下伏地层单元及岩性空间分布规律

笔者利用与直罗组下段古河道砂体接触的下伏地层单元及岩性的平面分布表征古河道砂体与下伏地层的接触关系。

从与直罗组下段古河道砂体接触的下伏地层平面分布特征来看，神府南区直罗组下段直接接触的地层有延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元、第Ⅲ单元，其中延安组第Ⅲ单元、第Ⅳ单元分布于第Ⅴ单元中，呈北西—东南方向展布(图7(a))。延安组第Ⅲ单元在尔林兔东部，区域相对较小，表明该区域直罗组下段古河道的冲刷作用最为强烈，延安组第Ⅳ单元在红碱淖—尔林兔—锦界一线呈带状展布，宽度为17～28 km(图7(a))。延安组第Ⅴ单元主要分布于在研究区西南与东北部(图7(a))。从与直罗组下段古河道砂体接触的下伏地层岩性平面分布特征来看，神府南区直罗组下段古河道下伏地层的岩性多为粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩和煤，其中粉砂岩和泥岩分布范围最广，其次为粗砂岩、中砂岩和细砂岩(图7(b))。与古河道接触的煤层主要为1号煤和2号煤，其中，与古河道接触的1号煤主要分布在尔林兔西南部、锦界镇南部、柠条塔煤矿及其以北地区，而与古河道接触的2号煤主要分布在红柳林煤矿西部以及锦界镇一带(图7(b))。

图5 神府南区直罗组下段古河道砂体的几何形态及空间分布规律Fig.5 Geometric shape and spatial distribution of ancient channel sandbodies in the lower part of the Zhiluo Formation in the southern Shenfu mining area

图6 神府南区延安组关键煤层的厚度分布规律Fig.6 Thickness of the key coal seams in the Yan’an Formation in southern Shenfu mining area

4 古河道冲刷带的空间定位预测

目前，许多学者主要通过煤层顶板砂体厚度及煤层厚度等沉积学编图研究，对古河道冲刷带进行预测[1,3,13,33]。然而，煤层顶板砂体厚度大并不一定代表其对下伏煤层有冲刷作用，煤层厚度减薄也不一定是由于河道冲刷作用造成的。可见，仅通过煤层顶板砂体厚度及煤层厚度2个参数沉积学编图对古河道冲刷带进行空间定位预测是存在不确定性的。由于古河道冲刷带发育的本质在于古河道砂体对下伏煤系地层的侵蚀作用，所以要实现古河道冲刷带的准确预测必须考虑古河道砂体展布与规模及其对下伏地层的侵蚀程度及接触关系。因此，笔者综合直罗组下段古河道的空间展布、下伏地层中的煤层空间展布、下伏地层单元及岩性空间展布，对神府南区直罗组下段古河道冲刷带进行了预测。

根据神府南区直罗组下段砂分散体系展布特征来看，古河道砂体沿着红碱淖—尔林兔—锦界一线发育，从西北向东南方向呈现带状展布，在主河道方向还存在明显分岔现象。对连井剖面上钻孔进行统计发现，下伏地层产生明显冲刷作用的古河道砂体厚度多在30 m以上(图4)。因此，根据砂体厚度30 m以上的区域作为古河道冲刷带发育的潜在区域。从下伏地层延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元中煤层厚度的空间展布来看，在古河道发育区域存在煤层厚度明显减薄的现象，进一步证实了含煤岩系顶板古河道冲刷带的存在。从直罗组下段古河道与下伏地层侵蚀接触关系来看，直罗组下段古河道砂体与延安组第Ⅳ单元、第Ⅲ单元直接接触的区域沿红碱淖—尔林兔—锦界一线呈带状展布，预示该区域延安组第Ⅴ单元已经完全遭受河道冲刷。因此，直罗组下段古河道冲刷带主体上沿着沿红碱淖—尔林兔—锦界一线(图8)。除此之外，沿着古河道展布方向上，延安组第Ⅴ单元也存在部分冲刷区域，本文将古河道砂体厚度在30 m以上的区域作为延安组第Ⅴ单元的潜在冲刷区域。归纳起来，神府南区古河道冲刷带的分布主要沿着红碱淖—尔林兔—锦界一线发育：延安组第Ⅴ单元完全冲刷区域分布由古河道下伏地层延安组第Ⅳ单元、第Ⅲ单元地层分布区域可以限定，该区域宽度17～28 km，长度约76 km，而延安组组第Ⅴ单元潜在冲刷区域以古河道砂体厚度在30 m以上的区域来表征，该区域宽度37～46 km，长度约76 km。

从神府南区煤层冲刷带成因角度看，含煤岩系顶板直罗组下段辫状河-辫状分流河道对下伏煤层冲刷形成了区内古河道冲刷带，其典型特点是在平面上呈宽条带且延伸距离长，垂向上砂体厚度大(图4，8)。神府南区直罗组下段古河道砂体孔隙度多在20%以上，渗透率多在300×10-15m2，储层物性良好，是区域性含水层[21,24]。综合来看，直罗组下段古河道冲刷带对于矿区内煤矿开采的影响是区域性的。神府南区直罗组下段古河道冲刷带沿红碱淖—尔林兔—锦界一线成带状展布，宽度在17 km以上，在古河道砂体冲刷带附近进行煤炭开采时要做好煤层顶板水害防治工作。

图8 神府南区古河道冲刷带空间分布Fig.8 Spatial distribution of paleo-channel erosion zone in southern Shenfu mining area

5 结 论

(1)神府南区含煤岩系顶板发育直罗组下段古河道冲刷带，该古河道以大套厚层砂体发育为主，厚度多在30～70 m，由多个正韵律旋回构成；沿着垂直古河道展布方向上，其呈透镜状，沿着平行古河道展布方向上，其呈席状；古河道对下伏延安组地层产生了明显的冲刷作用，造成延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元地层缺。

(2)神府南区直罗组下段古河道砂体厚度、含砂率高值区总体上沿着红碱淖—尔林兔—锦界一线呈现带状展布，与轴线斜交方向出现明显分岔。延安组第Ⅴ单元和第Ⅳ单元煤层厚度低值区均沿红碱淖—尔林兔—锦界一线呈带状分布。延安组与古河道接触的岩性以粉砂岩、泥岩和煤(1号煤、2号煤)为主；与古河道接触的1号煤分布在尔林兔西南部、锦界镇南部、柠条塔煤矿及其以北地区，与古河道接触的2号煤分布在锦界镇及红柳林煤矿西部地区。

(3)神府南区古河道冲刷带主要沿着红碱淖—尔林兔—锦界一线发育，古河道对延安组第Ⅴ单元完全冲刷区域的宽度为17～28 km，而对延安组第Ⅴ单元冲刷区域的宽度却更大，达到37～46 km。直罗组下段古河道冲刷带对于神府南区煤矿开采的影响是区域性的，在古河道砂体冲刷带附近进行煤炭开采时要做好煤层顶板水害防治工作。