东胜煤田延安组层序地层学特征及煤相演化主控因素分析

2023-02-27沈阳阳吕大炜张之辉

中国煤炭地质 2023年1期

关键词：镜质显微组分泥炭

沈阳阳，吕大炜，张之辉

(山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590)

0 引言

东胜煤田位于陕西省西北部和内蒙古自治区南部，是我国已探明的最大煤田，世界大型煤炭。本文以东胜煤田东北部开采区为研究区，对区内延安组层序地层学及岩相主控因素进行研究分析。

1 研究区地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东北缘铜匠川地区，总面积约700km2，出露地层主要为中生代地层(图1)[1]。地层近乎平缓，发育一个向西南倾斜1° ～ 3°的简单单斜，地层厚度133～279m。

区内含煤地层为下—中侏罗统延安组，与上下地层呈不整合接触。煤层总厚度由西南向东北逐渐变薄，西南部煤层厚度较大[2]。延安组是主要含煤单元，岩性为砂岩/泥岩和煤，煤层分为6个主要单元，从上到下分别编号为2-2、3-1、4-1、5-1、6-1和6-2z。

2 层序地层划分与沉积相识别

2.1 层序地层

根据钻孔资料(图1.B)，以地层不整合面以及岩性转换面为识别标志，对延安组地层进行层序划分，结合沉积特征进行沉积相识别[3-4]。综合分析得出东胜地区延安组可分为两个三级层序：层序Ⅰ、层序Ⅱ。根据关键面以及地层叠加模式识别层序中的体系域：低位体系域(LST)，湖侵体系域(EST)、高位体系域(HST)(图2)。

序Ⅰ对应延安组下部。LST以厚层粗砂岩、砾岩为主，岩石的分选磨圆一般，表现出进积的堆积模式，一般为曲流河沉积环境。在EST中细粒沉积物发育，泥砂互层较多，整体表现为退积特征，代表湖侵，为三角洲沉积环境。EST厚煤层发育，是延安组主要的成煤阶段。HST以厚层砂岩为主，表现为砂、泥、煤互层，煤层较厚，呈现出进积特征，代表湖退，沉积环境以湖泊三角洲为主。

层序Ⅱ对应延安组上部。LST以砂岩为主，相比于层序Ⅰ砂岩的厚度减少，砾岩沉积较少，表现出进积特征，为三角洲沉积环境，与层序Ⅰ相比三角洲的范围明显减少。EST以细粒沉积物为主，岩性多为细砂岩、粉砂岩，煤层和泥岩互层，煤层沉积厚度较大，显示退积特征，表现为三角洲沉积环境。在HST中可以看出沉积物粒度向上变粗，整体显示出进积特征，沉积环境为曲流河、湖泊三角洲。

图1 东胜地区区域概况(据参考文献[1]修改)a.研究区位置；b.区域地质简图Figure 1 Regional overview of Dongsheng district (modified from reference [1])a.Location of the study area; b.Regional geological diagram

2.2 沉积相类型及特征

根据钻孔资料以及野外实际观测，在延安组识别出曲流河和湖泊三角洲两种沉积相(图2)。

曲流河沉积相多位于低位体系域以及高位体系域的顶部。岩性特征以砂岩为主，具有向上变细的沉积演替和发育良好的侧向加积的宏观形态。底部的砾岩相5～6m厚，砾岩相中发育板状交错层理、水平层理，水动力条件较强，常代表河床滞留沉积环境；粗砂岩相与中砂岩、细砂岩互层，交错层理、槽状层理发育，砂岩中可见砾石颗粒，河流冲刷，判断为点砂坝沉积环境；点砂坝环境和河床滞留沉积微相代表了曲流河河床亚相。粉砂岩、泥岩发育，以水平层理为主，泥岩厚度大，大量植物化石发育，可以认为是天然堤沉积环境；顶部粉砂岩、泥岩以及薄煤层(0.3～0.4m)发育，伴随水平层理、植物化石，厚度小，显示为一种泛滥平原环境。曲流河沉积体系中下部的可容空间大，所以垂向沉积厚度大，侧向迁移较弱；随着补偿性沉积，可容空间减少，垂向上沉积厚度变小，较易发生侧向迁移[6]。

湖泊三角洲沉积以细粒沉积物为主，沉积物主要是中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层。泥岩、煤层及大量的植物化石表明沉积环境能量较低，与前三角洲、深海或湖泊环境非常相似。MIALL(1996)将具有水平层理的粉砂岩相解释为分流间湾的特征[7]；具有板状交错层理、槽状交错层理的细砂岩相解释为河口坝沉积[8]；分流河道以中砂岩细砂岩为主，具有明显的交错层理冲刷面[9]；煤层和泥岩相组合指示泥炭-沼泽环境[10]。

3 样品与分析方法

为了解东胜地区煤层的显微组分特征、煤层形成环境、煤相类型等，对煤层进行了煤岩学分析。选取延安组纳源和高西沟煤矿的煤样：采集高西沟煤矿2-2、3-1、4-1、5-1煤层煤样，采集纳源煤矿6-1、6-2z煤层煤样。此外，在所有煤层中以10 cm为采样间隔，共采集176个样品进行显微组分分析。

煤样风干，压碎至最大晶粒尺寸2mm，制备抛光环氧结合颗粒用于岩相分析。采用Zeiss Axio Scope A1反射光显微镜和MSP UV-VIS2000分光光度计[11-12]，在山东省沉积成矿作用与沉积矿物重点实验室对各样品的显微组分含量和惰质组反射率进行测定。每个样品的岩石学成分都通过计算至少500个点进行测量，最后将显微组分和矿物组成结果转化为各显微组分和矿物的百分比。煤的显微组分观察和定量统计根据 GB/T8899—2013 《煤的显微组分组和矿物测定方法》进行。

常用的煤相参数有结构保存指数(TPI)和凝胶化指数(GI)[13-14]。凝胶化指数(GI)=(镜质体+粗粒体)/(半丝质体+丝质体+惰屑体)：指煤中凝胶化组分与非凝胶化组分的比值，反映泥炭沼泽的覆水程度和植物残体的凝胶化程度[15-16]。结构保存指数(TPI)=(结构镜质体+均质镜质体+半丝质体+丝质体)/(基质镜质体+粗粒体+惰屑体)：可用于指示泥炭的降解程度和埋藏速度，反映植物组织降解强度以及植物细胞结构保存程度[13,17]。

4 结果分析

4.1 煤的显微组分及煤相参数分析

煤的显微组分分析结果表明，煤层自下而上显微组分含量呈现规律性的变化：镜质组含量呈先增加后减少的趋势，惰质组含量则相反(图3)。镜质组含量变化范围在20.06% ～64.29%，6-2z煤层镜质组含量最低，4-1煤层镜质组含量最高；惰质组的含量变化范围在29.85% ～73.22%，6-2z煤层惰质组含量最高，4-1煤层惰质组含量最高。壳质组含量在2.74% ～ 9.45%。煤中矿物质含量为1.45% ～ 4.05%。与壳质组一样，矿物质含量较低且相对稳定(表1)。

表1 东胜煤田延安组煤层显微组分及矿物平均含量Table 1 Average content of macerals and minerals in coal seams of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield %

凝胶化指数(GI)临界值为1，凝胶化指数>1，表明气候相对湿润，泥炭沼泽覆水较深[18]，反之则代表成煤环境较干燥且泥炭沼泽覆水浅[15,19-20]。结构保存指数(TPI)临界值为1，TPI>1，表明成煤植物以木本植物为主，植物细胞结构保存完好，遭受降解的强度低[21-22]；TPI≤1则表明成煤植物以草本植物为主，植物细胞结构保存程度差，遭受降解的强度高[22]。从图4可以看出，东胜地区延安组各煤层的GI指数在0.25～4.5变化。中部煤层(6-1、5-1、4-1和3-1煤层)的GI指数均>1，比顶底煤层的高，表示相对潮湿的环境。研究区煤相类型以潮湿森林沼泽相为主，顶底部以干燥森林沼泽相为主，成煤环境相对潮湿。TPI指数0.32～ 4.83，且大多>1，说明植物组织保存完好，木本植物为主要组成部分。

图2 钻孔145沉积相剖面及层序地层划分对比图Figure 2 Sequence stratigraphic division and comparison diagram of Sedimentary facies of borehole 145

V—镜质组；I—惰质组；L—壳质组；M—矿物质图3 各煤层显微组分含量Figure 3 Bar diagram of maceral content of each coal seams

图4 各煤层TPI-GI相图Figure 4 Coal facies deciphered from TPI and GI

4.2 煤层垂向演化特征

煤层的煤相是多个参数共同作用的结果。镜质组含量和惰质组含量多用来指示煤层的形成环境[23]。镜质组含量增加指示气候相对湿润，可容空间增加；惰质组含量增加，指示气候相对干燥，可容空间减少。镜/惰比值(V/I)常用来解释泥炭沼泽的形成环境。V/I可较为直观地反映沼泽的水位变化及气候的干湿情况，V/I是泥炭暴露还原条件程度的代表。当V/I<1时，成煤泥炭暴露于氧化环境[13,24]。可容空间的增长速率与泥炭沉积速率的比值(AR/PPR)也是评价煤层的形成环境的重要指标[19,25]。根据AR/PPR的值变化，可以推断出可容空间的变化范围，以此推断基准面的变化情况：AR/PPR>1，可容空间增加，基准面上升；AR/PPR<1，可容空间减小，基准面下降[26]。各煤层的V/I值、GI和TPI指数以及镜质组和惰质组的变化趋势如图5和表2所示。

表2 研究区煤层显微组分特征Table 2 Maceral characteristics of coal seams in the study area

1) 6-2z煤层自下而上镜质组含量和V/I值先减少再增加，惰质组含量先增加再减少，反映煤层先暴露于干燥的氧化环境中，再趋于潮湿的还原环境。GI指数先减少再增加，下部GI指数小于1，上部GI指数大于1；TPI指数总体大于1，反映木本植物占优势，聚煤环境由干燥变为潮湿。AR/PPR<1，显示可容空间增长速率小于泥炭堆积速率，且AR/PPR先减少再增加，表明基准面呈上升趋势，与湖泊扩张相一致。推断6-2z煤层沉积环境由干燥变湿润，湖泊扩张。

2)6-1煤层自下而上镜质组含量和V/I值先减少后增加。惰质组含量相反，反映煤层早期处于相对干燥的环境，后期趋于潮湿环境。GI指数先减小后增大，GI和TPI指数均大于1，表明木本植物占优势，支持了环境由干向湿变化的观点。AR/PPR值在1附近波动，表明基准面的上升导致了湖泊的扩张。与6-2z煤层相比，6-1煤层的聚煤环境更为湿润，湖泊扩张。

3)5-1煤层中镜质组含量高，V/I值大于1，说明聚煤环境较为潮湿，但5-1煤层自下自上镜质组含量和V/I值呈两个减少的趋势，惰质组含量相反，反映了聚煤环境逐渐干燥。TPI和GI指数均大于1且GI指数呈减小的趋势，说明木本植物占优势，环境由湿润向干燥转变。AR/PPR值在1～1.18波动，呈上升趋势，反映了基准面上升，可容空间增加。与6-1煤层比较，可以判断出5-1煤层虽然处于相对湿润的聚煤环境，但湖泊收缩。

4)4-1煤层自下而上镜质组含量和V/I值先减少再增加，且V/I值大于1，说明该煤层的聚煤环境由干燥转为潮湿还原环境。TPI指数和GI指数大于1且GI指数呈上升趋势，说明木本植物占优势，聚煤环境更加湿润。AR/PPR由下部的小于1到上部的大于1，反映基准面先下降后上升，湖泊在扩张。4-1煤层聚煤环境比5-1煤层湿润，湖泊扩张。

图5 煤层显微组分以及煤相参数的垂向变化特征对比(长偏心率曲线据参考文献[1]修改)Figure 5 Comparison of vertical variation characteristics of coal macerals and coal facies parameters (long eccentricity curve modified from reference [1])

5)3-1煤层自下而上镜质组含量和V/I值逐渐减小，惰质组含量相反，下部V/I值大于1，上部V/I值小于1，说明聚煤环境由湿润变为干燥。TPI和GI指数从大于1变到小于1，显示木本植物占优势，气候由湿润向干燥变化。AR/PPR值变化较大，初期AR/PPR值大于1，后期AR/PPR值小于1，说明可容空间减小，基准面降低。3-1煤层较4-1煤层干燥，但与5-1煤层条件相似。3-1煤层处于逐渐干燥的聚煤环境，湖泊收缩。

6)2-2煤层自下而上镜质组含量和V/I值减少，惰质组含量相反，且V/I值小于1，说明该煤层的聚煤环境逐渐干燥。TPI和GI指数说明木本植物占优势，聚煤环境干燥。AP/PPR值小于1，说明可容空间减少，基准面下降。与下部3-1煤层相比，2-2煤层处于逐渐干燥的聚煤环境，湖泊收缩。

5 成煤作用的控制因素

5.1 气候控制聚煤作用

气候、沉积输入、构造和湖平面升降是控制沉积基准面变化的四个地质变量[27]。与海相盆地的海平面变化和聚煤作用的关系所不同，陆相盆地煤层的垂向演化规律由湖平面波动、沉积物供应和气候决定[28-30]。这些因素不是相互独立的：气候和构造通过影响侵蚀风化进而影响沉积物供给，湖平面波动受控于局部构造运动及其影响下的沉积物供给，以及气候变化。

在低位体系域，湖水后退，湖平面下降，可容空间减少，河道发育，砂岩向湖盆进积覆盖湖相沉积。晚期，随着湖平面缓慢上升，局部植被覆盖率增加，河流流域扩大，可容空间增加为泥炭的沉积提供条件。低位体系域基准面低，无足够的可容空间供泥炭堆积，低位体系域含煤岩系的煤层厚度较薄。

湖侵体系域形成于湖水面快速上升时期。该时期气候湿润，降雨量丰富，植被覆盖率高，湖平面上升，可容空间增加达到泥炭地形成条件，湖相沉积不断向陆地方向推进，当可容空间与沉积物堆积速率达到平衡，厚煤层发育。6-2z、6-1、4-1煤层形成于湖侵体系域时期，其垂向演化具有镜质组含量和V/I、TPI含量增加的特征，植物保存完好，可容空间增加速率与泥炭堆积速率相适应，有利于成煤。晚期，湖平面持续上升，可容空间增加速率远大于沉积物堆积速率，基准面变深，泥岩沉积，湖侵终止，聚煤过程结束。

高位体系域形成于湖平面下降初期，可容空间依旧很大，可满足泥炭地的发育条件，煤层较厚。5-1、3-1、2-2煤层形成于高位体系域时期，垂向上显示镜质组含量和V/I值减小，TPI大于1，表明该时期虽然湖平面下降，但是植物保存较好，可容空间与泥炭堆积相平衡，有利于厚煤层发育。后期，气候逐渐干旱，湖平面下降，植被减少，煤层逐渐变薄，陆源碎屑物不断向盆地内部沉积，可容空间逐渐被河道沉积物充填，聚煤作用终止。

东胜地区位于鄂尔多斯盆地东北缘，地势两边高，中间低。鄂尔多斯盆地是典型的克拉通内坳陷盆地，延安组时期东胜地区位于湖盆的东北边缘，构造沉降稳定,无明显的断裂[31-32]。靠近物源区，沉积物丰富[33]，东胜地区湖平面变化的直接控制因素为气候。通过对煤层的显微组分分析，同样发现聚煤环境不断在潮湿和干燥之间转换，可推断气候是控制煤相演化的主要因素。

5.2 长偏心率影响聚煤作用

根据延安组旋回地层学研究，发现主要煤层的发育层位与天文轨道参数中的长偏心率405ka的最小值相对应(图5)，而在长偏心率405ka的最大值对应的是碎屑岩发育[1]。在长偏心率的高值期间，气候的季节性差异大，会造成河流流量和碎屑输入增加，在长偏心率的低值期间，气候的季节性差异小，提供了稳定的气候条件，植被的覆盖率高，物源供应减少。在侏罗纪时期，长偏心率最大值期间通常为常年干旱气候并伴随着短时期的密集降雨，季节性差异大；长偏心率最小值期间通常为温暖湿润的气候，季节性差异适中，有利于植被生长，适合泥炭堆积。

综上所述，气候是控制延安组煤相变化的主要因素。