东胜煤田西北缘延安组沉积特征及成煤沉积环境

黄兴龙，梁圣建，王平丽，刘佳敏，李增学，冯 凯，李旭超

（1.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东济南 250104；2.山东科技大学，山东青岛 266590；3.中国石油化工股份有限公司华北油气分公司，河南郑州 450006）

0 引言

中国的能源资源特征是富煤、贫油和少气，研究推测预计到2025 年中国的能源消费总需求将达到55 亿t 至56 亿t 标准煤。其中，煤炭的能源消费需求预计达到28 亿t 至29 亿t 标准煤，将占能源消费总需求的50%～52%，这种状况决定了未来相当长一个时期内煤炭资源依然是国家能源生产与消费的主体［1-2］。

含煤岩系沉积学的研究由来已久，在一代又一代学者坚持不懈的努力下，其理论体系与方法的研究越来越成熟，大致经历了旋回层、沉积模式和层序地层学三个研究时期。在层序地层学理论的影响下，我国学者对近海型含煤岩系层序地层的理论方法作了大量研究，提出了幕式聚煤作用、海侵事件成煤、海侵过程成煤、海相层滞后阶段聚煤等理论［3-7］。现如今，作为一种年代地层格架分析方法，层序地层学在含煤岩系岩相古地理、聚煤规律、聚煤模式、超厚煤层成因机制、煤相、煤层气资源评价等方面均得到了广泛应用［5，8-13］。由于不同煤层的煤岩类型、矿物组成及化学元素组成存在差异，因而可以通过对煤岩煤质的研究，分析区内物源、沉积环境、气候和水动力条件，从而确定成煤环境［14-15］。煤的显微组分通常可以分为三大组，分别是镜质组、壳质组和惰质组，常用于划分煤相类型［16-19］。GI 指数（凝胶化指数）和TPI 指数（结构保存指数），可用GI-TPI 图解来反映泥炭沼泽的沉积环境［20］。

研究区位于东胜煤田的西北部，主要包括新胜勘查区和油房壕井田两部分，本文在沉积相分析和层序地层界面识别的基础上，建立起区内的等时层序地层格架，以三级层序体系域为作图单元，恢复了区内等时界面的岩相古地理格局，分析了层序地层格架下的沉积相发育特征，从煤层累计厚度的角度，揭示了富煤带分布规律。由于研究区地处盆地边缘，煤系冲积沉积比较发育，导致聚煤规律比较复杂，本研究通过分析研究区的煤层赋存特征及煤岩煤质变化特征，揭示了延安组的成煤沉积环境及聚煤规律，为以研究区为代表的东胜煤田的进一步勘探提供一定指导。

1 地质概况

1.1 研究区位置

研究区地处内蒙古自治区鄂尔多斯市西部，主要包括新胜勘查区和油房壕井田两部分，区为一不规则多边形（图1）。

图1 研究区位置Figure 1 Location of the research area

1.2 区域地层特征

研究区地处东胜煤田的西北缘，由于受到新生代地质营力的强烈作用，区内上部地层遭受剥蚀。地层自下而上依次发育有三叠系（T）、侏罗系（J）、白垩系（K）和第四系（Q）（表1）。

表1 研究区中新生代地层特征Table 1 Meso-Cenozoic stratigraphic characteristics in the study area

1.2.1 上三叠统（T3）

主要是上三叠统延长组（T3y），该地层位于煤系地层的沉积底界，顶部主要以灰绿色中粒砂岩、粗粒砂岩为主，南部及个别地段发育一层灰紫色、灰黄色等杂色砂质泥岩或泥岩。中下部为灰色中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩，局部发育薄煤层。砂岩主要以石英、长石为主。发育槽状交错层理、板状交错层理。

1.2.2 中—下侏罗统（J1-2）

主要发育延安组（J1-2y），该地层是主要的含煤地层，在全区广泛发育。岩性主要以粒度粗细不同的一套灰白色、浅灰色砂岩、深灰色和灰色砂质泥岩以及泥岩和煤层组成，交错层理和水平层理较发育，煤层主要发育2、3、4、5、6煤组，受古沉积基底起伏控制，部分地区由于古沉积基底抬高缺失6 煤组及以下地层，又因为沉积后期剥蚀作用，缺失2 煤组，出现了“下缺上剥”现象，因此延安组地层在区内的大部地区沉积不完整，该组含较丰富的植物化石，地层产状平缓3°～5°，与下部延长组（T3y）呈不整合接触。

1.2.3 中侏罗统（J2）

直罗组（J2z）以灰绿色为主、青灰色次之、上部夹紫红色，岩性以中、粗粒砂岩为主，局部夹粉砂岩、砂质泥岩及薄煤层，底部砂岩含炭屑及煤包裹体，与下伏地层延安组（J1-2y）呈平行不整合接触。安定组（J2a）在研究区内地表无出露，以浅紫红色为主，灰绿色次之，多呈斑点状或斑块状，主要是砂质泥岩、泥岩，其次为粉砂岩—细粒砂岩，有少部分中粒砂岩。

1.2.4 下白垩统（K1）

志丹群宜君组（K1y）在研究区内地表无出露，颜色以紫红色为主，灰绿色次之，夹灰黄色、黄绿色等色砾岩、砂砾夹砂岩透镜体及少量泥岩薄层。上部以细、中粒砾岩为主，中部以中、粗砾岩为主，下部以粗、巨粒砾岩为主。胶结疏松、易碎，充填物以粉砂质为主。志丹群洛河组（K1l）也在研究区内无出露，岩性主要以中粒砂岩、细粒砂岩为主，含少量含砾砂岩、粗粒砂岩、粉砂岩等，夹不稳定的泥岩、砂质泥岩。成分主要是长石石英砂岩，颜色以红色，棕红色为主。志丹群环河组（K1h）在研究区内广泛出露，颜色为黄色、黄绿色、灰绿色、青灰色等，该组岩性主要是长石砂岩、岩屑长石砂岩及含砾砂岩，中间夹泥岩和泥质粉砂岩。

1.2.5 第四系（Q）

该地层为残积、坡积黄褐色沙土，局部含砾石，较密实，壁立性好，具垂直节理、吸水性较强。沙砾层主要为环河组风蚀残积砾石，沙质孔隙式充填，略具钙质胶结，夹沙土层，较密实，稳定性较好。第四系与下伏地层呈角度不整合接触。

2 沉积体系

东胜煤田延安组的沉积主要是陆相沉积，研究区内沉积体系较单一，主要发育河流沉积体系。河流沉积体系中可进一步识别出曲流河沉积体系以及辫状河沉积体系，曲流河主要发育在延安组沉积中后期，辫状河主要发育在延安组沉积早期，不同河流沉积体系的亚相和微相见表2。

表2 研究区延安组沉积相类型Table 2 Sedimentary facies types of Yan’an Formation in the study area

2.1 辫状河沉积

辫状河是一种河流弯曲度小于1.5 的多河道河流，其河道分岔参数大于1。辫状河的特点是河床流速急、对河岸侵蚀快，河道宽而浅，一般较直但不稳定，河道侧向迁移迅速，激荡不定，所以辫状河又被称为激荡性河流。辫状河一般出现在山区或河流上游地区及冲积扇上。辫状河流的负载大，主要是粗底负载，悬移负载相对较少，其水流不断分叉汇合，发育心滩，不发育边滩，沉积物一般较粗，以砾石和砂质沉积为主，自然伽马曲线表现为顶底突变的箱状（图2）。在横向上，辫状河砂体分布范围较宽，垂向上呈现出正粒序，但由于沉积物整体较粗，粒序变化不明显，粒序的变化反映了洪泛事件能量大小的波动以及发生洪泛事件所携带沉积物的粗细［20-21］。在研究区内辫状河沉积体系主要发育在延安组的下部，可识别出两个沉积亚相：河道和河漫。

图2 研究区延安组典型沉积相a.辫状河（孔号：25-3）；b曲流河（孔号：ZK9）Figure 2 Typical sedimentary facies of Yan’an Formation in the study area

2.2 曲流河沉积

曲流河弯曲度一般大于1.5，所以又称蛇曲河，是一种高弯度单河道河流。其通常出现在河流的中下游以及平原地区，辫状河则多分布在上游。比起辫状河，曲流河沉积物粒度更细，河道坡降缓，流速慢，水流变化小，迁移更稳定，更有规律，河道主要是侧向侵蚀，并在凸岸发育边滩，河道砂岩的自然伽马曲线形态表现为松塔形，向上曲线幅值逐渐减小（图2b）。研究区内的曲流河沉积体系主要发育在延安组二段到五段，可识别出河道、堤岸和河漫三个沉积亚相。

3 成煤环境分析

3.1 显微组分与成煤环境

显微煤岩组分是良好的成煤环境指标，成煤植物在偏还原环境下经凝胶化作用形成镜质组，在偏氧化环境下经丝炭化作用形成惰质组［22］。研究区煤层自下而上镜质组含量先增加再减少再增加，惰质组含量先减少再增加再减少，镜质组和惰质组总量变化不大，占煤层有机显微组分的大部分，它们之间呈负相关关系（图3）。

图3 东胜煤田延安组主采煤层显微煤岩组分含量对比Figure 3 Comparison of the content of microscopic coal and rock components in the main coal seam of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield

许福美等学者将镜惰比按大小不同划分为四种成因类型：I 类，当V/I＜0.25 时，为干燥-极干燥环境；Ⅱ类，当0.25＜V/I＜1 时，为潮湿—弱覆水环境；Ⅲ类，1＜V/I＜4，为极潮湿-覆水环境；Ⅳ类，当V/I＞4，为强覆水环境［23-24］。研究区各煤层平均镜惰比为1.25，指示整体气候温暖湿润。自下而上煤层镜惰比先增加再减少再增加，4-2煤层的平均镜惰比最高，5-1煤层的平均镜惰比最低（图4）。依据前面所提到的镜惰比分类，研究区5-1煤层属于潮湿-弱覆水环境，4-1、4-2和3-2、3-1煤层整体属于极潮湿-覆水环境。

图4 东胜煤田延安组主采煤层镜惰比分布Figure 4 Layout of the main coal seam of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield

镜惰比可以很好地反映成煤环境中泥炭沼泽的覆水程度和氧化还原程度［25］，层序一高位体系域5-1煤镜惰比较低，反应覆水环境较浅，演化到层序二湖侵体系域的4-2、4-1煤镜惰比均大于1，表明煤层覆水环境由浅到深，还原性由小变大的成煤环境趋势；之后从4-1煤到3-2、3-1煤镜惰比先降低到1 附近后又上升到大于1（图4），反应煤层覆水环境由深到浅再到深，还原性由大变小再变大的成煤环境趋势，河漫滩上的泥炭沼泽是研究区煤层的主要形成环境，成煤环境为淡水成煤环境，受河流作用影响，水面波动频繁，弱还原与弱氧化交替出现。

3.2 灰成分与成煤环境

煤的灰分主要以Si、Fe、Al、Ca、Mg 等元素的氧化物表示，可作为聚煤环境分析的成因标志之一［26］。煤灰成分与煤中矿物的种类和数量有一定的相关性，对恢复成煤环境具有重要的指导意义。根据测试结果，各煤层煤灰成分以SiO2、CaO 为主，其次SO3、Al2O3。SiO2平均含量在28.90%～36.02%之间，CaO 平均含量在22.79%～32.38%，SO3平均含量在9.62%～13.11%，Al2O3在11.38%～14.4%（图5、表3）。平均含量较少的Fe2O3在5.96%～8.78%，MgO在3.42%～3.96%。其他TiO2、Na2O、K2O 及P2O5平均含量均低于2%。由图5可以看出，不同煤层的煤灰成分含量的分布趋势几乎一致，SiO2和CaO 含量最高，这揭示了研究区各煤层的无机组分很有可能来自于相同的物源区。

表3 东胜煤田延安组主采煤层灰分含量Table 3 Ash content of the main coal seams of Yan’an Formation，Dongsheng Coalfield %

图5 东胜煤田延安组主采煤层灰分分布Figure 5 Ash distribution of main coal seam of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield

煤中灰分成因主要以陆源碎屑成因为主，陆源碎屑成因的矿物质主要是以碎屑或胶体的形式由水流搬运到泥炭沼泽并和成煤植物堆积在一起，煤层灰分高低与基底沉降及沼泽环境密切相关。郝吉生等曾采用灰分端员分析法及灰分比值的相对大小来反映成煤环境，若SO3/Fe2O3比值偏低，则反映煤中铁质矿物以菱铁矿为主，黄铁矿含量低，指示淡水介质弱氧化-弱还原环境，常为冲积平原、三角洲平原和其它内陆浅水盆地泥炭沼泽环境的典型特征［27］。研究区各煤层SO3/Fe2O3比值均小于2，结合沉积相分析其成煤环境正是河流冲积平原形成的泥炭沼泽。另一方面，研究区灰分CaO/MgO 的比值均大于5，其高值则指示煤中矿物质以方解石及腐殖酸钙盐为主，反映温暖潮湿—半潮湿气候条件（图6）。

图6 东胜煤田延安组主采煤层灰分中CaO/MgO和SO3/Fe2O3分布Figure 6 Distribution of CaO/MgO and SO3/Fe2O3 in ash of main coal seam of Yan’an Formation，Dongsheng Coalfield

3.3 硫分与成煤环境

煤层中全硫可以分为有机硫和无机硫两部分，通常情况下有机硫主要来源于成煤植物，无机硫主要受沉积时的水环境控制［28］。陆相沉积的煤层硫分含量通常较低，研究区全硫含量普遍低于1%，全硫组成以硫化铁硫为主，其次为有机硫，硫酸盐硫少量。煤中各种硫分相对含量的高低与成煤物质在成煤时期的沉积环境及沼泽的覆水程度等也有十分密切的关系［29］，在煤层形成和演化过程中，泥炭沼泽微环境在垂直方向上的变化会导致煤中硫含量在垂直方向上的波动，反之我们也可以通过硫含量的相对大小来反映成煤时期环境［30］。通常煤层在水进时呈现无机硫含量高、有机硫含量低的特点，在水退时呈现无机硫含量低、有机硫含量高的特点，如图7所示，结合前文所划分的体系域，4-2煤正是形成于湖平面上升时期，具有无机硫含量高、有机硫含量低的特点，此时泥炭沼泽的覆水程度加深。

图7 东胜煤田延安组主采煤层有机硫和无机硫分布Figure 7 Distribution of organic sulfur and inorganic sulfur in main coal seam of Yan’an Formation，Dongsheng Coalfield

4 结论

利用“单因素分析多因素综合”的方法，通过对研究区延安组的地层厚度、砂岩厚度、泥岩厚度、煤层厚度、砂岩百分比等进行分析并绘制等值线图，综合分析恢复研究区岩相古地理面貌。其中，层序一的沉积相有辫状河沉积和曲流河沉积，层序二则以曲流河沉积为主。

通过对各种实验数据进行分析，揭示研究区的煤岩煤质特征。研究发现其主要可采煤层显微组分以镜质组为主，惰质组次之，壳质组及无机物含量最少，显微煤岩类型为微镜惰煤。参照相关标准对灰分、硫分进行分析，发现研究区煤质类型以低灰、低硫煤为主。由镜惰比分析出研究区延安组成煤环境为潮湿-弱覆水环境和极潮湿-覆水环境，通过建立TPI-GI 坐标图识别出研究区存在两种煤相类型即干燥森林沼泽相和潮湿森林沼泽相。