桌子山煤田含煤地层沉积特征与聚煤模式探讨

2014-11-20朱炎铭姚能旺谢康珍

中国矿业 2014年8期

王毅，朱炎铭，姚能旺，谢康珍，宋昱

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221008；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221008）

桌子山煤田地处内蒙古自治区西南部，主体位于乌海市境内，蕴藏着丰富的焦煤、肥煤等优质煤炭资源，是乌海市主要的煤矿生产基地。近年来随着煤炭开发的深入，煤田中北部区域煤炭资源已濒临枯竭，严重制约了乌海市经济的发展，开展煤田南部区域煤炭资源预测与评价非常迫切。

煤层沉积环境与聚煤规律研究是开展煤炭资源预测的基础。关于桌子山煤田沉积环境与聚煤规律的研究，前人工作主要侧重于对区域及临区贺兰山北段煤田的分析，而对于桌子山煤田范围内沉积环境、聚煤规律的研究较少[1－4]。有鉴于此，文章以桌子山煤田及其临区现有生产资料为依托，结合野外地质调查及区域地质情况，对桌子山煤田沉积环境变化与聚煤规律进行了分析，并对其主要含煤层段的聚煤模式进行了探讨，以期对煤田今后地质勘探工作带来一定指导意义。

1 地质背景

桌子山煤田位于鄂尔多斯盆地西缘北区[5]。煤田西以岗德尔－西来峰逆断层为界，东至桌子山，北侧为千里山，向南为第四系覆盖区，延伸至宁夏境内（图1）。受秦岭－祁连山构造带和西侧阿拉善地块长期活动的影响，煤田地质构造相对复杂，形成了南北向逆断层为主，东西向正断层为辅的构造格局[6－7]。煤田主要含煤地层为石炭—二叠系太原组、山西组地层，共含煤18层，自上而下依次编号为1～18号煤层，煤层总厚15～22m，其中主要可采煤层为山西组9号煤层与太原组16号煤层。区内煤层主要赋存于岗德尔－西来峰断层东侧，向东至煤层露头线。煤层主体形态为走向南北，倾向西的单斜构造。

图1 桌子山煤田区域地质略图

2 含煤地层沉积特征

2.1 沉积序列与沉积相特征

研究区主要含煤地层为石炭—二叠系太原组、山西组地层。其中太原组厚60～110m，自下而上分为太原组下段和太原组上段。太原组下段下部以细粒石英砂岩为主，向上为黑色泥岩、粉砂岩，含煤层，向南至羊路井地区逐渐变为中砂岩沉积；太原组上段以细粒石英砂岩及泥质粉砂岩为主，夹薄层黑灰色泥岩、粉砂岩，煤层发育较差，煤田中部发育有薄层灰岩条带，羊路井南部地区为厚层泥岩沉积。山西组厚90～170m，自下而上分为山2段、山12段、山11段。山2段主要以黑色泥岩、粉砂岩、煤层为主，夹薄层细粒砂岩，页岩中植物化石丰富，含黄铁矿结核；山12－11段由下向上发育至少了两段粗砂岩至泥岩的正粒序组合，夹煤线，砂岩矿物成分以石英为主，含云母片，由下向上由灰黑色逐渐变为灰白色。

通过单井岩性、沉积构造、连井剖面分析，结合区域地质认识，煤田范围内太原、山西组地层，可识别出潮坪、三角洲、曲流河3种沉积相，潮下坪、潮间坪、三角洲平原等8沉积亚相及多种沉积微相。

2.1.1 潮坪

主要发育于太原组沉积期间，其又可细分为潮下坪、潮间坪及潮上坪。潮间至潮下坪区域，受潮汐作用影响，能量较高，以砂质沉积为主，潮上坪为低能环境，以泥质沉积为主，发育有泥炭沼泽。区内太原组下段底部为厚5～15m细砂岩沉积，石英成分较高，向上变为泥岩、粉砂岩与煤层沉积，可见水平层理，分析即为潮下坪至潮上泥炭沼泽沉积产物（图2（a））。平面上向海方向，潮上泥坪逐渐消失，至羊路井区域发育有厚约50m的中砂岩沉积，可能为受潮汐影响形成的水下沙滩。

太原组上段沉积期间，三角洲环境受潮汐改造明显，三角洲地区多被改造形成潮坪沉积。煤田北部太原组上段局部发育有粗砂岩－泥岩组合，含少量植物化石，分为可能陆源碎屑潮坪沉积产物。白云乌素及公务素区域太原组上段碳酸盐岩条带中现大量蜓壳类化石，粗砂岩中发育有斜层理及小型交错层理，分析可能为碳酸盐岩－陆源碎屑混合潮坪沉积产物（图2（b））。

2.1.2 三角洲

根据河流作用强弱又可分为受潮汐改造的三角洲及河控三角洲两种类型。潮汐改造的三角洲主要发育于太原组上段。受潮汐作用影响，三角洲平原分流间地区泥炭坪及泥炭沼泽的不甚发育，羊路井地区泥岩中现小型波状层理及斜层理，指示其受潮汐作用影响明显，部分地区形成已变为潮坪沉积，聚煤作用较弱（图2（b））。河控三角洲主要发育于煤田南部区域山西组2段，主要为三角洲平原亚相，可识别出分支河道、天然堤、泥炭沼泽三种微相。分支河道以中砂岩到粗砂岩沉积为主，可见小型波状层理，天然堤微相以细砂岩沉积为主，泥炭沼泽发育，以泥岩、泥质粉砂岩及煤层沉积为主，富含植物化石，可见黄铁矿结核（图2（c））。

2.1.3 曲流河

主要发育于山西组沉积期间，根据其底层沉积以粗砂岩为主，砾岩不发育，顶层沉积较为发育，具有典型的“二元结构”，判定其为曲流河沉积[3，8]。可识别出河床、堤岸及河漫三种亚相。山2段以河漫沉积为主，河流作用较弱，形成广阔的岸后沼泽，岩石类型以煤层、泥岩、粉砂岩为主。山1段中河床、堤岸、河漫三种亚相皆有发育。河床以边滩沉积为主，主要为粗砂岩至中砂岩沉积；堤岸亚相主要为天然堤沉积，岩性以细砂岩和粉砂岩为主；河漫亚相主要为河漫滩及岸后沼泽，以粉砂岩、泥岩沉积为主（图2（d））。

2.2 沉积环境演化

晚石炭世早期贺兰拗拉槽重新拉开，发生裂陷，祁连海自西南向东北方向侵入该区[9]。至太原组沉积时期，鄂尔多斯地壳继续下沉，海侵的范围进一步扩大，逐渐与盆地东部的海水连成一片，本区成为广阔的华北滨浅海的一部分。太原期末或山西期初，华北地块整体抬升，海水从鄂尔多斯盆地东西两侧迅速退出，沉积相由海相转变为陆相。古流向、古地貌，矿物成分分析表明，鄂尔多斯西缘地区石炭系和二叠系地层的物源主要来自盆地的北缘地区和西北缘地区，一直处于隆升状态的伊盟隆起和阿拉善地块可能是主要的物源区[4]。考虑桌子山以北物源存在，推测煤田范围以北地区还可能有冲积扇发育[3]。结合区域沉积演化认识及煤田沉积特征讨论，绘制了本区南北向岩相对比剖面图（图3）。通过岩相对比分析，本区聚煤期沉积环境演化可分为四个阶段，分别与太原组下段、上段、山西组2段、山西组1段相对应。煤田沉积环境的演化与区域海水进退息息相关。

图2 桌子山煤田含煤地层沉积环境柱状图

太原组沉积初期受区域海退影响，煤田中北部由滨海潮间坪－潮下坪沉积渐变为潮间坪－潮上坪沉积。向南至羊路井地区，潮上坪不发育，主要为潮下砂滩沉积，显示此次海退并未完全退出该区。随后本区经历了一次较为明显的海侵，分析与华北地块晚古生代第三次海侵相对应，也是华北西缘晚古生代最大的一次海侵，鄂尔多斯中央隆起完全淹没于水下，太平洋海域海水与祁连海域海水自东和西南两个方向侵入该区[1，4，10]。区内潮汐作用加强，三角洲沉积环境被潮汐作用明显改造，在三角洲平原及三角洲前缘地区形成了多处陆源碎屑及碳酸盐岩潮坪沉积。随后该区又经历了一次小规模的海侵，形成了太原组上段的粗砂岩沉积。山西组沉积时期，华北地块抬升，海水从东面及西南面两个方向迅速退出该区，区内沉积环境由海相逐渐转化为陆相。山2段沉积初期，海水已退出本区但河流作用相对较弱，本区在太原期潮坪、三角洲基础上广泛发育了岸后沼泽。向南至羊路井地区，逐渐变为三角洲平原沉积环境。山1段沉积期间，区内河流作用加强，以砂岩沉积为主，由下向上发育了至少两段粗砂岩至泥岩的正粒序组合，指示了河流沉积作用的多旋回性。

图3 桌子山煤田岩相对比剖面图

3 聚煤作用及其模式探讨

均衡适速的构造沉降与特定的古地理、地貌等沉积环境是煤层形成的两个最基本的地质条件[11]。在经历了晚石炭世早期贺兰山坳拉槽再次裂开快速沉降之后，至太原组沉积时期鄂尔多斯盆地西缘进入了裂后坳陷阶段，构造环境已趋于稳定，形成了区域上利于聚煤构造基础。同时该期古气候条件湿热，利于成煤植物的生长，沉积环境尤其是沉积相带的时空变化成为了控制本区聚煤作用强弱的最主要因素。

晚石炭世至早二叠世本区经历了陆表海－滨岸潮坪－浅水三角洲沉积体系到河流－三角洲沉积体系的演化过程。区内煤层主要赋存于太原组下段和山2段，可识别出两种以沉积环境为导向的聚煤模式。

3.1 潮坪聚煤模式

该模式主要发育于太原组下段上部层位，桌子山煤田中部及北部区域。太原组沉积时期受2级海退影响，该区由潮下逐渐变为潮上环境，河流不发育，地势低平，气候湿润。广阔的潮上地区发育了大面积的泥炭沼泽，从而形成了本区第一个厚煤层段，即本区16号主采煤层（图4）。随着区域第3次2级海侵，该模式被太原组上段潮汐改造的三角洲沉积环境取代。

图4 太原组下段潮坪聚煤模式

3.2 曲流河岸后沼泽、三角洲平原聚煤模式

该模式主要发育于山2段沉积期间。需要指出的是，目前关于区域上鄂尔多斯盆地晚石炭世－早二叠世早期（本溪期－太原期）的陆表海沉积背景经长期研究已达成广泛共识，但是由于早二叠世晚期（山西期）处于海退背景下的海陆转换关键时期，其沉积背景的归属问题至今存在较大争议[12－13]。本区处于鄂尔多斯盆地西缘，这里将山2段与山1段沉积相一起划归为曲流河与三角洲沉积，但两者之间存在明显的不同。山1段存在具有典型的河流相“二元结构”沉积特征，但山2段沉积则主要以泥岩、泥质粉砂岩为主，偶见砂岩夹层。显示本区山2段沉积期间海水已退出本区，但河流作用弱，并没有完全转化为河流相沉积，其沉积环境是继承太原期陆表海沉积背景的基础之上发展起来的。这种背景之下，在海水退去后局部残留的湖泊、小型河流的岸后沼泽与三角洲平原地区，发育了大量的泥炭沼泽，形成了本区第二个厚煤层段，即该区的9号主采煤层（图5）。