神府南区直罗组下段古河道冲刷带水动力条件的定量表征

郭亮亮，胡 俭，张 池，荣 辉，任智智，王建英，郑宇航，王宏科，孙 魁

(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有限公司，陕西 神木 719300；3 .陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西 榆林 719000；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)

古河道冲刷带是造成煤炭开采过程中水害的关键地质因素，因此，对含煤岩系中古河道冲刷带的研究引起了广泛的关注[1-4]。目前对含煤岩系中古河道冲刷带的研究主要集中在古河道沉积环境及空间分布预测等方面，主要采用研究方法包括沉积地质分析、地球物理及地质统计等[5-9]。然而，对古河道带冲刷带的古水动力条件量化表征方面的研究却很少，限制了对含煤岩系中河道冲刷带形成过程的深入理解和精准预测。

20世纪80年代勘探表明，鄂尔多斯盆地内具有世界级超大型煤矿，煤层气、天然气资源储量居全国首位，盆地内还产有铀矿、铅锌矿、石油和水资源等丰富的矿产资源[10-14]。神府南部矿区位于鄂尔多斯盆地东北部，延安组是该地区煤炭开发的主要目的层，但上覆直罗组具有稳定的砂体，具备良好的含水条件，其古河道冲刷延安组煤层顶板造成突水问题，在陕西省柠条塔煤矿和红柳林煤矿的矿井涌水量很大，可达到1 000 m3/h左右[15]，所以对直罗组古河道冲刷带水害防治成为当务之急。鉴于此，笔者以鄂尔多斯盆地东北部神府南区直罗组下段古河道冲刷带为例，利用粒度分析方法获取古河道砂体粒度分布直方图、概率累积曲线、粒度参数，综合判断古河道砂体的沉积环境，在此基础上，通过比较沉积学原理和方法量化表征古河道冲刷带形成的古水动力条件。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地属于克拉通盆地，是我国第二大沉积盆地，位于华北板块西部，处于我国三大构造的中部构造域的中段[16]，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[17]。神府南部矿区低灰、低硫、高热值的低阶煤，一直是我国主要的工业原料的来源[18-19]。神府南部矿区位于鄂尔多斯盆地东北缘，构造上处于陕北斜坡[19](图1(a))。地表出露和钻探、井巷工程揭露的地层由老至新主要有三叠系上统永坪组、侏罗系中统延安组、直罗组、安定组及新近系、第四系地层。神府南部矿区直罗组下段古河道对延安组煤层的冲刷作用极为明显[20](图1(b),(c))。

2 样品采集与实验方法

2.1 样品采集

样品选择鄂尔多斯盆地东北部神府南部矿区直罗组下段SJ04，SJ06，SJ10和SJ11四口井(图1(b))。根据钻孔资料、岩性的分布规律及特点，将直罗组下段划分为4个旋回：即a旋回(J2z1-a)、b旋回(J2z1-b)、c旋回(J2z1-c)和d旋回(J2z1-d)。采样39个，每口井的旋回及样品的垂向分布位置如图1(d)所示。

将所选样品在偏光显微镜观察发现，颗粒磨圆性表现为次棱角状-次圆状，颗粒主要是点接触与面接触，a,b,c旋回分选性较差，d旋分选性中等(图2)。

图2 神府南区直罗组古河道砂体镜下特征Fig.2 Microscopic characteristics of paleo-channel sandbodies of Zhiluo Formation in Shenfu south area

2.2 实验方法

(1)观察样品薄片并拍照。将样品逐个放置在显微镜下，对于中砂和粗砂使用单倍镜观察、拍照，对于细砂和粉砂则采用5倍镜。在拍照时不仅要保证照片的清晰度，还应注意照片应当具有代表性，可以代表整个薄片的粒度特征，进而保证后期的统计工作的意义。

(2)颗粒粒径统计。使用Ipp软件进行粒径测量，每个样品统计碎屑颗粒300～500个。具体操作方法为：首先设定标尺，1X,5X各设定1个，然后逐个测量碎屑颗粒的粒径，统计数目达到要求后，将数据导出。

(3)统计结果数据处理。将得到的数据进行处理，计算出频率以及累积频率。同时，通过这些数据也可进行各种粒度参数的计算。

3 直罗组下段砂体粒度特征

3.1 直方图

直方图中特征：a,b,c旋回的直方图较d旋回分布相对靠左，粒径相对较粗；a旋回到c旋回直方图粒径主要分布于1φ～5φ(φ为粒度分析时常用的粒径单位[21]，φ=-log2D，D为颗粒直径，mm)，粒径分布相对离散，而d旋回粒径分布于1.5φ～3.5φ，粒径分布相对集中(图3)。

3.2 概率累积曲线

概率累积曲线主要表现为两段式：跳跃总体与悬浮总体，a旋回的概率累积曲线中，跳跃总体比较发育，一般占比50%～60%，分选中等，悬浮总体斜率较小，分选差，截点S对应的粒径为2φ～4φ，截点没有明显的缓和过渡(S为悬浮总体和跳跃总体的交点，表示悬浮的最粗颗粒)；b，c旋回中还是以跳跃总体含量较高为特征，逐渐出现较多悬浮总体特征，截点S对应的粒径为2φ～5φ，d旋回跳跃总体的含量达到峰值，与悬浮总体的截点进一步变大(图4)。

3.3 直罗组下段粒度参数特征

粒度参数能指示一定的沉积环境其成因意义，为了提高参数对环境的判别能力，采用两两参数组合，做出粒度参数的散点图来区分环境，分别为标准偏差(σ)-平均粒度(Mz)、标准偏差(σ)-偏度(Sk)、标准偏差(σ)-峰度(Kg)、C-M图(C为累积概率曲线上颗粒含量1%处对应的粒径，M为累积概率累积曲线上50%处对应的粒径),如图(5(a)～(d))所示。

直罗组下段砂体粒度参数特征为：平均粒径(Mz)在1.13～3.43，其平均值为2.56，平均粒径表现为细砂，含有部分极细砂(表1);标准偏差(σ)在0.50～1.16，变化范围较大，据Folk分选划分，其中位于0.71～1.00为分选中等，占56.4%、小于0.71为分选好，占28.2%、大于1.00分选差，占15.4%，主要表现为中等-较好，少量分选差。

图4 直罗组下段砂岩粒度概率累积曲线Fig.4 Probability cumulative curves of sandstone grain size in the lower member of Zhiluo Formation

图5 直罗组下段粒度参数散点图Fig.5 Scatter diagram of grain size parameters in lower member of Zhiluo Formation

平均粒径主要位于标准偏差(σ)0.8～1.0，表现分选中等(图5(a))；偏度(Sk)为-0.23～0.26，主要为对称和正偏，还有部分负偏(图5(b));峰度(Kg)在0.73～1.09，变化范围小，整体为近正态，极少量表现平坦(图5(c))；C-M图表现为PQ段与QR段，主要集中于PQ段，与牵引流沉积的C-M图解模式的PQ和QR段相符且不与C=M基线平行(图5(d))。

4 讨 论

4.1 沉积环境分析

沉积物的粒度是碎屑颗粒沉积过程的最基本的特征，是定量表征搬运营力的度量尺度和判别沉积环境及水动力条件的良好标志之一[21-25]。前人对该地区直罗组下段沉积环境研究较多，如：焦养泉等[26-27]、易超等[28]认为，鄂尔多斯盆地东北部直罗组下段为三角洲沉积成因；程先钰等[29]、王善博等[30]、薛锐等[31]认为，该区直罗组下段为河流沉积成因。笔者根据粒度分析特征对该地区沉积环境进行判别：① 砂岩分选中等-好；以跳跃总体为主，滚动总体不发育，牵引流沉积特色明显。②C-M图对应牵引流的QR和PQ段—河流-三角洲沉积特色。③ 偏度除正偏外，一部分属于负偏——沉积物受波浪改造。通过粒度分析的以上3个特征，初步判断直罗组下段是三角洲沉积体系。从野外露头、钻孔岩心及砂体展布资料来看[20,26-27]，直罗组下段以砾岩、粗砂岩、中砂岩及细砂岩发育为主，细粒沉积物很少，说明其主要以三角洲平原分流河道发育为主；而对比旋回a,b,c,d，可以发现，a,b,c三个旋回粒度粗，分选相对差，而d旋回粒度细，分选好，因此综合判断a,b,c旋回为辫状河三角洲平原分流河道，而d旋回为曲流河三角洲平原分流河道。

4.2 古水动力条件分析

沉积物粒度分布是物质来源、沉积区水动力环境、输移能力和输移路线的综合反映[32]。根据泥沙起动速度公式，可计算沉积环境中沉积物开始运动的速度(即起动速度)，该方法虽不能精准计算古水流速度，但可粗略估计其大小，为定量表征古水动力条件提供一种思路[33-36]。根据霍中迁和李甲荣等[34]总结的泥沙起动流速(式(1))计算了直罗组下段各旋回中砂岩沉积的起动流速(表1)，(其中d为对应样品实测粒径；h，k在下文中公式说明)，可以看出，直罗组下段从a旋回到d旋回，起动速度依次减小，说明古水动力逐渐减弱。弗劳德数反映水流的惯性力与重力之比，其大小可反映水流的流态特征，根据式(2)计算弗劳德数(表2)可知，Fr都小于1，属于低流态(Fr>1为高流态，Fr=1为临界状态，Fr<1为低流态[37])。根据岱海步量河三角洲粒度分析特征与沉积环境对比[38-39]，其与直罗组下段沉积相似，所以平均水深取自岱海步量河三角洲平原分流河道水深。

表1 直罗组下段样品的粒度参数和起动速度

v=kd1/3h1/6

(1)

(2)

式中，v为起动流速；d为颗粒粒径；h为水深，取0.3 m；k为经验系数(文中系数k取霍中迁等[34]总结系数的平均值为5.18)；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

砾石主要在a旋回底部，由直罗组下段古河道中砾岩厚度展布(图6(a))可知，河道中心砾岩最厚，可达8 m左右。由于测量粒径数量有限，不便做粒度分析，测量野外露头及岩心中(图6(b)，(c))的砾石直径，测得钻孔SJ-06砾石平均粒径66.70 mm，SJ-11砾石平均粒径70 mm，露头砾石平均粒径88.3 mm(表2)，根据式(1)计算钻孔SJ-06，SJ-11和露头砾石的起动流速依次为1.72，1.75，1.86 m/s，平均起动流速为1.78 m/s。根据式(2)算得钻孔SJ-06,SJ-11和露头砾石的弗劳德数依次为1.00，1.02，1.08(表2)，弗劳德数的平均值为1.05>1，属于高流态。

图6 神府南区砾岩平面分布及钻孔砾岩特征Fig.6 Plane distribution of conglomerate and characteristics of drilling conglomerate in Shenfu south area

事实上，河道形成时期的水动力是比沉积物所反映的水动力更强，才能搬动最大沉积物，可见直罗组下段底部砾岩沉积时期的水动力条件最强，表现为古河道对延安组煤层的侵蚀作用(图1(b)，(c))，是形成河道冲刷带形态的关键时期，而a旋回到d旋回砂岩沉积时期的水动力条件均较弱，表现为对早期形成的古河谷的充填作用。

5 结 论

(1)直罗组下段从下到上分为a，b，c，d四个沉积旋回。从a旋回到d旋回，粒径逐渐分布集中；概率累积曲线以两段式为主，悬浮总体含量逐渐增多；颗粒粒径(Mz)表现为以细砂主要，含少量极细砂、粗砂；标准偏差(σ)集中在0.50～1.16，指示分选性呈中等-较好；偏度(Sk)以对称和正偏为主；峰度(Kg)主要表现为中等到尖锐；在C-M图上对应为PQ和QR段。

表2 泥沙起动流速公式计算值

(2)a旋回到c旋回为辫状河三角洲平原分流河道沉积，而d旋回为曲流河三角洲平原分流河道沉积。证据：①C-M图表现为牵引流；② 偏度(Sk)还有少量的负偏，少量受波浪改造；③ 概率累积曲线以跳跃总体与悬浮总体为主，跳跃总体含量50%，分选中等，属于三角洲沉积；④ a旋回底部沉积砾石，碎屑颗粒较粗，a旋回到d旋回平均粒径逐渐变小；a，b，c旋回分选差于d旋回。

(3)a旋回底部砾石的平均起动流速为1.78 m/s，弗劳德数平均值为1.05，属于高流态河道搬运；a旋回到d旋回砂岩平均起动流速依次减小，说明a旋回到d旋回水动力逐渐减弱，弗劳德数均小于1，属于低流态河道搬运，其中直罗组下段a旋回底部砾岩沉积时期的水动力条件最强，表现为古河道对下伏延安组煤层的侵蚀作用，是形成河道冲刷带形态的关键时期，而a旋回到d旋回砂岩沉积时期的水动力条件均较弱，表现为对早期形成的古河谷的充填作用。

致谢本文在撰写过程中，得到了陕西陕煤陕北矿业有限公司迟宝锁总工程师、陕煤集团神木张家峁矿业有限公司高彬副总经理、地测部杨帆主任，陕西省一八五煤田地质有限公司蒋泽泉教授级高级工程师、郭亮亮和曹虎生高级工程师等专家的热情帮助，在此深表谢意。