大南湖矿区中侏罗统西山窑组沉积体系及成煤环境

梁开华，王平丽，黄兴龙，罗怡鑫，李增学

（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.宜宾学院国际应用技术学部，四川宜宾 644000）

0 引言

吐哈盆地是新疆三大沉积盆地之一，其内蕴藏着丰富的煤炭资源［1］。位于盆地东南部的大南湖矿区含煤区域面积超过1 500km2，研究其煤系沉积特征、聚煤规律，沉积相与沉积体系等，对当地煤炭资源的开发具有理论和实际指导意义。

许多学者和专家对吐哈盆地中侏罗统西山窑组的层序地层做了大量研究工作，研究了沉积环境，划分了盆地层序［2-4］，其特殊的沉积特征，为该区提供良好的聚煤环境。对于沉积体系和沉积相的划分离不开对岩性的研究，对于沉积环境变化来说，它的主要标志为岩相组合，同样岩相组合也可以作为预测含煤地层中煤层发育和成煤环境变化的主要依据，很多学者利用岩相及岩相组合特征划分沉积相及沉积体系［5-7］。此外，煤岩煤质对成煤环境也具有指示作用，不同煤层的煤矿物组成、煤岩类型组成存在一定差异，煤的沉积环境对煤岩煤质的特点有着很大影响，已有学者利用岩相古地理学的分析和验证表明了煤岩煤质反演含煤岩系沉积相是可行的［8-16］。越来越多的国内外研究者根据煤质特征对成煤环境的影响进行分析研究［8，17-21］。

上述关于吐哈盆地油气地质、沉积地质等方面的研究成果已非常深入，成为开展成煤环境和聚煤规律的重要基础。沉积体系与层序划分对当地煤炭资源的开发具有理论和实际指导意义，可更好的促进我国煤炭资源的开发利用。

1 地质概况

1.1 地层特征

哈密市大南湖矿区隶属于天山-兴安岭地层分区，地层分布见表1。

表1 大南湖矿区地层分布Table 1 Distribution of strata in Dananhu mining area

1.2 矿区构造

研究区内地层倾角一般3°～13°，地层产状平缓，局部地区偏高（图1）。区内发育两个背斜和一个向斜构造，且发育一个落差较大的断层，构成井田西北部边界。

图1 大南湖矿区构造纲要及钻孔分布Figure 1 Structural outline and borehole distribution of Dananhu mining area

1.2.1 褶皱

（1）南湖背斜（M1）

南湖背斜（M1）是大南湖矿区的主要构造，出露于本区西北部，轴向为近东西向，出露长度大于16km，两翼地层对称出露，呈条带状、环状，矿区东部、西部背斜两翼出露西山窑组中段地层，中部两翼出露西山窑组上段地层，背斜北翼地层倾角3°～10°，背斜南翼即南湖向斜（W1）北翼地层倾角一般3°～13°，为宽缓背斜，西山窑组上段、中段地层构成背斜的主体。

（2）南湖向斜（W1）

该向斜位于矿区中部，北接M1 背斜，南邻M2背斜，轴向近东西向，出露长度l28km，呈弓背向北略凸的弧形，为本区主要构造。南湖向斜（W1）的北翼也就是南湖背斜（M1）的南翼地层平缓，主要由西山窑组上段、中段地层组成，南湖向斜（Wl）南翼倾角相对较大，局部地层倾角14°～26°，主要由西山窑组上段、中段地层组成。南湖向斜（W1）总体为南翼较陡，北翼平缓的宽缓褶曲。

（3）南湖南背斜（M2）

为研究区内主要构造，位于矿区南部，北邻W1向斜，出露长度119km，整体呈向北突出的弧形；两翼地层对称断续出露，主要由西山窑组上段、中段地层组成，背斜南翼地层平缓，地层倾角几乎近水平产出。该背斜总体为北翼陡，南翼平缓的宽缓褶曲。

1.2.2 断层

研究区中部及矿区一号井田、三号井田南部，发育有区域断裂F1，位于两个井田的西北部边界，为正断层，走向NE，倾向NW，倾角70°，落差60～400m，本区及南部延展长度28km。该断层上、下盘煤层差异明显：断层以北，由北向南，含煤岩系厚度逐渐变大，煤层间距变大，各煤厚度变小，可采性变差；断层以南，由南向北，含煤岩系厚度逐步变大，煤层间距逐渐变大，同时煤层厚度逐渐变大。

2 沉积相与沉积体系

2.1 沉积体系划分方案

在钻孔岩心资料观察描述以及室内岩石宏观与微观显微结构特征研究的基础上，根据大南湖矿区西山窑组的岩相类型的结构特征和岩相组合类型以及它们在平面上的分布，在大南湖矿区中侏罗统西山窑组识别出三种沉积体系，六种沉积相以及多种沉积类型（表2）。其中，曲流河-三角洲体系中的三角洲平原相是研究区内西山窑组主要发育的沉积相类型。

表2 大南湖矿区中侏罗统西山窑组沉积体系与沉积相Table 2 System and sedimentary facies of Middle Jurassic Xishanyao Formation in Dananhu mining area

2.2 各沉积相基本特征

研究区内西山窑组中段主要发育的沉积体系类型为辫状河，曲流河-三角洲体系和湖泊沉积体系。

2.2.1 辫状河沉积体系

辫状河是位于冲积扇与曲流河-三角洲之间的过度河流，其岩石类型多为砂砾岩，特征为中等磨圆度，分选性差，砂质胶结，局部夹薄层细粒砂岩，具有交错层理，如板状交错层理，呈叠瓦状排列，具有十分明显的垂直向上旋回性。在大南湖矿区辫状河体系中识别出河床滞留、泥炭沼泽和心滩三种微相，其岩性特征为底部可见块状砾岩，具有交错层理，向上逐渐变细，形成含砾粗粒砂岩、粗粒砂岩和中粒砂岩（图2）。

图2 典型的辫状河沉积体系Figure 2 Typical braided river sedimentary system

（1）河床滞留

主要为辫状河道底部的块状砾岩，有着一定的冲刷面，局部见植物类化石，在辫状河体系中是粒度最粗的沉积段，岩性大多为含砾粗粒砂岩和砾岩，具有交错层理的粗粒砂岩以及平行层理中粒砂岩。

（2）泥炭沼泽

西山窑组辫状河体系中的泥炭沼泽发育较少，煤层不稳定，岩石类型以粉砂质泥岩、炭质泥岩为和薄煤层为主，局部夹杂菱铁矿薄层。

（3）心滩

由于辫状河道砂体互相叠置切割，导致曲流河道砂体叠置程度相对较低，由此形成了心滩，心滩沉积的上部主要为薄层粉砂岩、泥岩与煤层，发育沙纹层理和交错层理砂岩。

2.2.2 曲流河-三角洲体系

大南湖矿区的主要沉积类型为曲流河-三角洲，几乎全区覆盖，其中以三角洲平原沉积为主，三角洲前缘沉积发育较少，前三角洲沉积则基本不发育（图3）。

图3 典型的曲流河-三角洲沉积体系Figure 3 Typical meandering river-delta depositional system

2.2.2.1 三角洲平原

（1）分流河道

分流河道岩性特征主要为底部具有交错层理的砂岩。

（2）分流间湾

三角洲平原分流间湾发育于分流河道之上，岩性主要为具有交错层理的砂岩、水平层理的粉砂岩及泥岩互层。

（3）泥炭沼泽

三角洲平原泥炭沼泽在西山窑组中段发育较好，泥炭沼泽主要由厚煤层和碳质泥岩夹层组成，岩石类型以粉砂质泥岩、炭质泥岩为主，局部见植物化石和菱铁矿薄层。

（4）水下分流河道

水下分流河道的岩性特征为底部具有交错层理的砂岩。

2.2.2.2 三角洲前缘

（1）远砂坝与河口坝

三角洲前缘远砂坝沉积为三角洲的水下部分，位于河流和湖水的交汇区域，因此岩性粒度整体比较细。河口坝沉积于三角洲前缘上部，岩性主要为具块状层理、沙纹层理的浅灰色粉砂岩和砂质泥岩。

（2）前三角洲

前三角洲主要位于三角洲前缘之上，过渡滨湖沉积，岩性主要为灰色-灰黑色泥岩。在本研究区西山窑组发育较少。

2.2.3 湖泊沉积体系

湖泊沉积体系在研究区西部较发育，西山窑组的湖泊沉积主要发育于西山窑组中段上部及上段。湖泊沉积类型可分为滨湖沉积与浅湖沉积（图4）。

图4 典型的湖泊沉积体系Figure 4 Typical lacustrine sedimentary systems

（1）浅湖泥

浅湖泥以浅湖沉积为主，主要为厚层泥质沉积，单层厚度可超过10m，发育水平层理与生物扰动构造，含有植物叶片化石。

（2）泥炭沼泽

泥炭沼泽以滨、浅湖沉积为主，当地层抬升以及湖平面下降，加上温热潮湿的气候，淹没在水中的植物遗骸经过泥炭化作用形成了泥炭沼泽。在全区分布较少，主要位于研究区二井田西部地区。

（3）滨湖砂坝

滨湖沙坝沉积岩性特征大多由粉砂质沉积或泥质沉积与煤层互层，发育水平层理和波状层理，局部可见菱铁矿结核与植物叶片化石。

3 成煤环境及聚煤规律

3.1 成煤环境

（1）显微组分与成煤环境

各井田镜质组组分均较高（＞45%），其中一井田和二井田镜质组均高于惰质组含量，三井田镜质组含量略小于惰质组。依据许福美等镜惰比分类，参考灰分含量变化，可以得出大南湖矿区一井田和二井田为极潮湿-覆水环境，而三井田为潮湿-弱覆水环境。

西山窑组3、9、11、14、15、18、21、25、28 号煤层，镜质组含量较高（平均50%）、惰质组含量稍低（平均＜40%），各煤岩组分含量差异不大；西山窑组5、28 号煤层，显微组分分布趋于稳定，由于覆水较浅，镜质组含量降低（平均＜45%），惰质组含量增高（平均＞45%）（图5）。

图5 大南湖各矿区主采煤层煤岩显微组分对比Figure 5 Comparison of maceral in main coal seams of Dananhu mining area

由上述可知，大南湖矿区西山窑组沉积期为潮湿环境，这种湿润环境有利于较长时间聚煤，并且3、9、11、14、15、18、21、25号煤层镜质组含量较高，说明在大南湖矿区3～25煤这段沉积期气候最为湿润。

（2）灰分与成煤环境

由图6可知，惰质组与灰分成正相关，镜质组与灰分成负相关，惰质组与灰分增加，镜质组减少，说明此时水动力较小，形成了发育完整的三角洲沉积。

图6 大南湖矿区各煤层灰分与显微组分相关性分布Figure 6 Correlation distribution of ash and maceral in coal seams in Dananhu mining area

（3）硫分与成煤环境

经各主采煤层硫含量分布特征分析，其煤中硫分与灰分呈正相关性（图7a），而有机硫与镜质组呈负相关性（图7b），说明在成煤时期，覆水变浅，凝胶化程度较低，镜质组升高，有机硫也随之减少。

图7 大南湖矿区主采煤层煤岩煤质相关性Figure 7 Correlation of coal，rock and coal quality in main coal seam of Dananhu mining area

（4）煤灰成分与成煤环境

如图8 所示，主采煤层的煤灰成分氧化物在纵向的分布特征上具有十分明显的变化。各主采煤层从上至下SiO2和Al2O3的含量轨迹变化几乎一致，两者的关系为正相关，这两种元素氧化物与另外几种元素形成的氧化物的轨迹变化相反，为负相关，由此可以得出，SiO2与Al2O3主要来源于沉积环境中的陆源碎屑供给，而另外几种元素形成的氧化物主要来源于成煤原始物质所产生的矿物。

图8 大南湖矿区主采煤层煤灰成分分布Figure 8 Distribution of coal ash composition in main coal seam of Dananhu Mining area

3.2 聚煤规律分析

根据岩性特征，将西山窑组划分为3 个层序，Sq1在区域上相当于西山窑组下含煤岩段，Sq2在区域上相当于西山窑组中含煤岩段，Sq3 在区域上相当于西山窑组上含煤岩段。

Sq1高水位体系域时期，由图9可以看到大南湖矿区主要以辫状河、曲流河三角洲沉积为主，砂泥比在研究区东北部和南部比较高，此时不利于成煤，聚煤作用较差，在二井田东缘砂泥比较低，煤层厚度最厚且厚度向南部和东部逐步递减。这进一步也说明了含煤性的发育程度受到古地理环境的控制。全区共形成一个聚煤中心，Sq1 高水位体系域的聚煤中心位于一井田东缘，此时河流作用减弱，形成了大范围曲流河-三角洲平原沉积环境，形成了稳定并且厚度巨大的煤层，可采煤层总厚度达65m 以上。Sq1高水位体系域沉积发育18～29号煤，煤层稳定，其中25 号煤层厚度最大可达18.52m，往研究区东部和南部方向，25 号煤层厚度变小，出现分叉现象，形成层数多而厚度小的煤层。

图9 西山窑组Sq1高水位体系域古地理与煤层总厚度Figure 9 Paleogeography and total thickness of coal seam in Sq1 highstand systems tract domain of Xishanyao Formation

Sq2 时期，大南湖矿区主要为三角洲平原、三角洲前缘沉积，少部分为湖泊沉积（图10）。砂泥比在研究区中部（一井田西南缘）比值较低，此时粗粒沉积物较少，有利于煤的形成，全区在Sq2沉积期形成一个聚煤中心。Sq2 沉积期的聚煤中心位于研究区中部（一井田西南缘），此时河流作用弱，形成了大范围曲流河-三角洲平原沉积环境，形成了稳定且较厚的煤层，可采煤层达15 层以上，煤层总厚度达70m以上。其它部分煤层厚度在20～60m，煤层3～15层，此时三角洲发育较好。在Sq2 末期主要发育三角洲前缘沉积和滨浅湖沉积，含煤0～3层，厚度薄并且不稳定。

图10 西山窑组Sq2高水位体系域古地理与煤层总厚度Figure 10 Paleogeography and total thickness of coal seam in Sq2 highstand systems tract domain of Xishanyao Formation

图11 大南湖矿区曲流河-三角洲成煤模式Figure 11 Coal formation modle of meandering river-delta in the Dananhu minning area

3.3 成煤模式

大南湖矿区中侏罗统西山窑组在三工河组中晚期差异升降明显，发育河漫湖泊沉积，但不利于泥炭沼泽的长期发育，难以形成厚煤层，因此全区只在河道间沼泽形成局部可采煤层。大南湖矿区西山窑组早中期主要为曲流河-三角洲体系，湖盆周缘的凹陷区主要充填方式为辫状河和曲流河-三角洲的进积，当三角洲的进积淤填湖泊时，使得湖泊水体变浅，从而导致泥炭沼泽大量发育，并且大南湖坳陷还处于一个相对比较封闭的孤立洼陷，与主体湖盆无广泛沟通，因此也没有大规模的水侵对泥炭沼泽的发育构成威胁，泥炭沼泽主要发育在三角洲间湾环境下，这种聚煤环境发育的煤层较好。因此，西山窑组中段发育的煤层厚度大、分布范围广稳且定性较好，并且在部分地区形成了巨厚煤层。由上述可知，大南湖矿区主的成煤模式为河流-三角洲聚煤模式（图12）。

4 结论

1）在大南湖矿区识别出3种沉积体系，6种沉积相以及多种沉积微相，中侏罗统西山窑组成煤的主要沉积环境为曲流河-三角洲体系的三角洲平原相沉积以及辫状河体系的泥炭沼泽沉积。

2）通过岩相古地理图分析研宄区的聚煤规律，Sq1 高水位体系域的聚煤中心位于一井田东缘，Sq2沉积期的聚煤中心位于一井田西南缘，富煤带主要发育在曲流河-三角洲平原沉积。其中，Sq1 高水位体系域发育于26～29煤，主要发育辫状河沉积体系，在19～25 煤发育完整的三角洲体系；在Sq2 低水位体系域发育较差的三角洲沉积，主要为粗粒沉积，在Sq2湖侵体系域和高水位体系域发育较好的的曲流河-三角洲沉积体系。

3）大南湖矿区成煤气候条件温暖潮湿，主要成煤环境为曲流河-三角洲沉积体系。