李 勇 湯達(dá)禎 許 浩 孟艷軍 曲英杰

1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院 2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司

河?xùn)|煤田北部位于鄂爾多斯盆地東北緣，晉西撓褶帶北端，主要含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組。針對其沉積環(huán)境和層序地層劃分的論述頗多[1－7]，總體認(rèn)為太原組沉積環(huán)境是陸表海背景下的潮坪和澙湖環(huán)境，山西組為河流三角洲沉積。近年來該區(qū)天然氣的勘探開發(fā)取得突破，保德區(qū)塊是我國第一個(gè)已探明的大型中低階煤層氣田，臨興區(qū)塊兔坂地區(qū)的致密砂巖氣開發(fā)取得成功。系統(tǒng)研究河?xùn)|煤田區(qū)域內(nèi)煤層與砂巖的沉積空間配置，探討宏觀陸表海環(huán)境下河流沉積的變遷和影響，對該區(qū)非常規(guī)天然氣的規(guī)模、系統(tǒng)開發(fā)具有積極意義。

1 區(qū)域地層

該區(qū)地層產(chǎn)狀平穩(wěn)，構(gòu)造簡單（基本上為單斜構(gòu)造），呈近南北走向、西或西偏北方向傾斜，傾角5°～10°，區(qū)內(nèi)發(fā)育一些產(chǎn)狀平緩、規(guī)模不大的褶皺構(gòu)造[1，4]。地層由東向西，由老到新出露，在府谷地區(qū)以北，由于后期構(gòu)造和黃河下切作用，出露中奧陶統(tǒng)。上石炭統(tǒng)和下二疊統(tǒng)為區(qū)內(nèi)含煤地層，除偏關(guān)、河曲局部地段，從南到北均有分布。橋頭鎮(zhèn)地區(qū)以北，有幾組較大規(guī)模的斷裂構(gòu)造，使保德賈家峁一帶抬起，山西組及其以上地層缺失。

太原組和山西組是主要含煤地層，也是煤層氣勘探開發(fā)的主要層段。太原組是一套海陸交互相沉積，根據(jù)巖性和沉積環(huán)境的變化分為3段：①下段為層位穩(wěn)定的灰白色石英砂巖，局部含礫，即晉祠砂巖（圖1），向上為灰白色、灰色泥巖，粉砂巖，發(fā)育一層灰、灰黑色石灰?guī)r或生物碎屑灰?guī)r，含大量化石；②中段下部為1m左右的黑色泥巖與碳質(zhì)泥巖，過渡為13號厚煤層和灰黑色的碳質(zhì)泥巖及煤線；其上發(fā)育一層石灰?guī)r與生物碎屑灰?guī)r（保德石灰?guī)r），含有大量動物化石，在巡鎮(zhèn)以北尖滅；在橋頭鎮(zhèn)、魏家灘地區(qū)，13號煤層之上發(fā)育厚層砂巖，即橋頭砂巖（圖1）；③上段主要為灰白、灰、灰黑色泥巖，夾數(shù)層薄煤層。

山西組以河流三角洲沉積體系為主，底界北岔溝砂巖，是一套灰白色的粗粒砂巖，與下伏地層呈整合接觸，厚度變化大，局部底部含礫，在橋頭鎮(zhèn)一帶過渡為細(xì)礫巖?？梢娪缮皫r、粉砂巖、碳質(zhì)泥巖及煤層組成2～4個(gè)正粒序的沉積旋回。主采煤層為8號煤層，發(fā)育在第一旋回的上部，大部分地區(qū)穩(wěn)定可采（圖1）。

2 典型砂巖體沉積環(huán)境及沉積模式

2.1 典型砂巖體

圖1 研究區(qū)綜合柱狀圖

該區(qū)地層由下往上，依次發(fā)育晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖3套大型砂巖體，與煤層相間分布。晉祠砂巖位于太原組底部，向上過渡為全區(qū)穩(wěn)定展布的13號煤層，下伏淺海澙湖相沉積為主的本溪組。橋頭砂巖發(fā)育在13號煤層之上，在一定程度上沖刷下部煤層，成為煤層的直接頂板。北岔溝砂巖是太原組海退之后的河流相沉積，對下伏太原組形成一定的沖刷作用，上覆山西組8號煤層。

2.1.1 晉祠砂巖

晉祠砂巖是太原組與本溪組的分界巖層，下伏本溪組平行不整合于奧陶系石灰?guī)r之上。晉祠砂巖源于太原西山剖面，在河曲劉家塔為中粗粒石英砂巖（5.3 m）；保德橋頭鎮(zhèn)為白色厚層含鐵質(zhì)石英砂巖（8.7m），扒樓溝為灰白色、褐黃色厚層狀中細(xì)粒砂巖，間夾粗粒砂巖（8.7m）[8]。區(qū)內(nèi)晉祠砂巖與下伏本溪組呈明顯的沖刷接觸，呈現(xiàn)多階性，在保德地區(qū)的鉆井中可見3個(gè)正粒度旋回。關(guān)于其沉積環(huán)境，前人進(jìn)行了大量研究[8－10]，晉祠砂巖沉積構(gòu)造組合完整且向上規(guī)模變小，具多階性、正粒序，縱向上呈條帶狀、橫向上呈透鏡狀分布，成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度中等、跳躍總體發(fā)育，垂向上泛濫平原、天然堤發(fā)育，是在海平面下降過程中形成的低彎度曲流河沉積。砂巖體北厚南薄，向東南方向延伸，10m厚以上的地區(qū)分布在該區(qū)北部和中東部，向西南方向砂巖體變薄。

2.1.2 橋頭砂巖

橋頭砂巖由陳忠惠命名于山西保德橋頭鎮(zhèn)，層位上位于關(guān)家崖海相層和保德石灰?guī)r之間，許多學(xué)者研究了其對下伏煤層和上覆煤層的控制作用[1，4]。橋頭砂巖自準(zhǔn)格爾旗煤田最北段，整體向南延伸近150 km，呈復(fù)雜帶狀形態(tài)[1]，剖面為雙凸型透鏡狀，中部厚度大，最大可超過50m，向兩側(cè)迅速變薄并演變?yōu)楹参锘槠募?xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖，對下伏煤層有不同程度的沖刷。

橋頭砂巖可分為兩條東西相間排列的厚砂帶，每個(gè)厚砂帶寬5～8km，砂帶間的距離為10～15km。第一條厚砂帶（東部）從最北端的準(zhǔn)格爾旗西哈拉往南，經(jīng)城坡到河?xùn)|煤田北部的巡鎮(zhèn)，而后向東南方向延伸出含煤地層的出露邊界；第二條厚砂帶從準(zhǔn)格爾旗煤田的大飯鋪向南，經(jīng)陜西府谷海則廟，山西保德縣橋頭鎮(zhèn)、腰莊鎮(zhèn)和興縣，而后往西南方向延伸至南部的臨縣的三交礦區(qū)[11－12]。

橋頭砂巖剖面具鮮明的“二元結(jié)構(gòu)”，底部為河道充填沉積由細(xì)礫巖、含礫粗砂巖河床滯留沉積以及含礫砂巖、中—粗粒砂巖邊灘沉積構(gòu)成，發(fā)育板狀、槽狀交錯(cuò)層理，具3個(gè)大型的正粒度旋回。橋頭砂巖由低位體系域期間的下切河谷沉積形成，砂巖體中微裂隙和溶蝕孔隙充分發(fā)育，具有良好的砂巖氣勘探開發(fā)前景[13－16]。

2.1.3 北岔溝砂巖

北岔溝砂巖主要由一套灰白色厚層粗—中粒巖屑石英砂巖、石英砂巖組成，見少量細(xì)礫巖，是太原組和山西組的分界巖層，其上發(fā)育山西組主力煤層8號煤。

北岔溝砂巖層位穩(wěn)定，厚度大（介于10～20m，最大可達(dá)30m）。北岔溝砂巖底部，垂向上可見疊加的大型槽狀交錯(cuò)層理，正粒序，由底部的粗礫向上過渡為含礫粗砂—粗砂—中砂。底部普遍見沖刷面，削蝕下伏地層，在山西臨縣招賢剖面實(shí)測中可見4期河道相疊置，砂巖體側(cè)向遷移明顯[5，12]。

2.2 砂巖體沉積環(huán)境

該區(qū)上石炭統(tǒng)本溪組平行不整合于奧陶系石灰?guī)r之上，兩套地層存在1.4億年左右的沉積間斷，本溪組以填平補(bǔ)齊為主要特征，是一套濱淺海相沉積。下部鐵鋁層段由淺海相的窩狀黃鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦、層狀—似層狀的鋁土礦及濱海相泥巖組成。上部石灰?guī)r段為正常淺海石灰?guī)r與濱海沼澤相煤線、泥巖交互沉積。總的趨勢為，石灰?guī)r層數(shù)北部多，南部少。北部石灰?guī)r層數(shù)為1～2層，扒樓溝、魏家灘一帶僅有一層石灰?guī)r陸續(xù)出現(xiàn)，再往南，從關(guān)家崖—固賢，未見本溪組石灰?guī)r。本溪組沉積時(shí)期，鄂爾多斯盆地東緣中部為相對坳陷地區(qū)，坳陷中段相對凸起的地帶（興縣、柳林），石灰?guī)r層數(shù)少而薄，甚至缺失，本溪組厚度也相應(yīng)減小，坳陷中相對凹陷的地帶（橋頭鎮(zhèn)，巡鎮(zhèn)）石灰?guī)r發(fā)育，煤線也相對較多（圖2）。

圖2 河曲—興縣地層剖面圖

2.2.1 晉祠砂巖沉積環(huán)境

太原組發(fā)育多期海侵，陸表海背景下的河流沉積一般發(fā)育在海退過程中的下切谷中[13]。晉祠砂巖沉積以多階性為特點(diǎn)，呈正粒度旋回，河道砂巖體厚度大，向東西兩側(cè)快速尖滅，沖刷作用由北往南逐漸減弱。陳鐘惠等對晉祠砂巖的古流向進(jìn)行了測定，在各地均呈南東或南西向，反映了水流總體由北向南的流動特征，并通過純砂圖進(jìn)一步論證河流為北南流向[1]。晉祠砂巖在梁家磧和海潮寺與下部石灰?guī)r直接接觸，向南粒度變細(xì)，與石灰?guī)r之間的泥巖逐漸增厚。到保德縣橋頭鎮(zhèn)，石灰?guī)r已經(jīng)消失，過渡為砂巖和泥巖沉積，沉積環(huán)境由河流相沉積向三角洲沉積過渡[16]。

晉祠砂巖之上在該區(qū)北部沉積了扒樓溝石灰?guī)r，往南尖滅變薄，乃至消失，過渡為三角洲沉積，地層厚度北部也明顯大于南部，北部沉降幅度較大，沉降被河流、三角洲相所補(bǔ)償，隨著河流、三角洲的消亡，補(bǔ)償能力變差，扒樓溝石灰?guī)r的沉積說明海域中心由南向北遷移的趨勢，在該區(qū)北段存在一定范圍的地勢較低，海水從東或東北方向侵入。

該區(qū)地勢在晉祠砂巖和扒樓溝石灰?guī)r沉積時(shí)期存在反轉(zhuǎn)和過渡，地勢大致由北高南低過渡為南高北低。也有部分學(xué)者推斷在東側(cè)存在一定的鼻狀構(gòu)造隆起，構(gòu)成晉祠砂巖的物源，這與晉祠砂巖的古流向測定不符合，與海水的入侵方向也存在不一致的地方[1]。

2.2.2 橋頭砂巖沉積環(huán)境

扒樓溝石灰?guī)r沉積時(shí)期的海侵之后，在濱海平原和潮坪環(huán)境的基礎(chǔ)上開始泥炭沼澤化沉積，聚煤場所隨著海水的后退而不斷拓展，形成厚層泥炭堆積，形成了太原組主力煤層13號煤層，是整個(gè)河?xùn)|煤田穩(wěn)定發(fā)育的煤層。橋頭砂巖的展布范圍較晉祠砂巖略廣，在北部以河道沉積為主，在魏家灘以南，過渡為向上變粗層序，屬三角洲前緣砂，部分地段見分流河道砂[1]。

橋頭砂巖呈復(fù)雜的帶狀形態(tài)，流向基本由北往南，對13號煤層造成不同程度的沖刷。自北向南沖刷程度有變?nèi)醯内厔?，在橋頭鎮(zhèn)以北，13號煤層的泥巖頂板和煤層均遭受侵蝕，至橋頭鎮(zhèn)以南，則厚層河流相砂巖體逐漸消失，煤層頂板和泥巖未見侵蝕（圖2）。橋頭砂巖在垂向上厚度大，在兩側(cè)迅速變薄尖滅，資料表明其為低彎度的曲流河沉積[1，11]。

橋頭砂巖的古流向測定表明，古流向?yàn)閱伪姅?shù)類型，基本上由北向南，與砂巖體的延伸方向一致，物源方向來自北方。這與扒樓溝石灰?guī)r沉積時(shí)期海水中心在該區(qū)北部的境況相反，表明北部地勢的隆起，沉降中心向南部轉(zhuǎn)移。

橋頭砂巖發(fā)育時(shí)期河流泛濫平原上泥炭沼澤不發(fā)育，在橋頭砂巖形成期末，河道逐漸廢棄，海水逐漸入侵，差異沉降和基底下沉速率變小，在橋頭砂巖頂面發(fā)生泥炭沼澤化成煤，形成了11號煤層。準(zhǔn)格爾旗地區(qū)發(fā)育的厚層煤層（與該區(qū)11號、12號煤層對應(yīng)）是與橋頭砂巖同期的泛濫盆地泥炭沼澤沉積物，更多受橋頭砂巖巨大厚度造成的差異壓實(shí)地形影響[1]。橋頭砂巖沉積之后，發(fā)生了2期相當(dāng)規(guī)模的海侵，沉積了保德石灰?guī)r和魏家灘海相層，2期海侵的范圍逐漸變小。

2.2.3 北岔溝砂巖沉積環(huán)境

太原組沉積之后，伴隨海平面變化和構(gòu)造起伏，其沉積體系由海陸交互相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e，分界即為北岔溝砂巖底界。北岔溝砂巖的河道分布總體與橋頭砂巖、晉祠砂巖有所重合，但分布范圍顯著增加，往南延伸到三交、柳林地區(qū)地區(qū)，層位穩(wěn)定，為典型的河流相和三角洲相沉積[12]。

研究區(qū)北部，山西組主力煤層8號煤層不發(fā)育，古地勢在西伯利亞板塊的碰撞俯沖作用影響下，古蒙古洋由北西向南東方向逐漸關(guān)閉，該區(qū)北部隆起，北高南低的地勢已非常明顯[9]。在北部和準(zhǔn)格爾旗地區(qū)很難有規(guī)模性的泥炭聚集，南部有三角洲泛濫平原成煤作用和河漫灘沼澤成煤。在該區(qū)中南部以三角洲平原沼澤成煤為主，基準(zhǔn)面快速上升，煤層直接覆蓋在北岔溝砂巖之上，向南煤層呈加厚趨勢。

2.3 砂巖體的沉積模式

晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖3套砂巖體具良好的致密砂巖氣勘探潛力，北岔溝砂巖及其同等層位在榆林氣田取得了良好的勘探開發(fā)效果[6，14]，新民、孤山地區(qū)3套砂巖層均見氣顯。3套砂巖的沉積受區(qū)域地勢變化、海水進(jìn)退的影響，特別是晉祠砂巖和橋頭砂巖是在陸表海環(huán)境下的河流相沉積，探討其沉積模式對鄂爾多斯盆地東緣含煤地層沉積特征的探討和天然氣的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

普遍認(rèn)為太原組陸表海是快速海進(jìn)，緩慢海退的沉積環(huán)境，以廣泛的陸表海潮坪環(huán)境為主體，在部分地區(qū)存在三角洲沉積，大型的河流相沉積很少見。

3套典型砂巖體的沉積表明了北部地勢的坳隆和沉降幅度的反復(fù)變化，也表明陸表海環(huán)境下大型河流快速侵入并持續(xù)沉積的存在。晉祠砂巖沉積時(shí)期，地勢北高南低，河流由北向南快速侵入，主干河道發(fā)育在研究區(qū)北部和中東部；隨后北部地勢沉降幅度變大，沉積的扒樓溝石灰?guī)r表明了海域中心向北的遷移，地勢也相應(yīng)南高北低；之上發(fā)育了在該區(qū)和整個(gè)鄂爾多斯盆地東緣廣泛分布的13號煤層，在13號煤層的泥炭沼澤沉積之時(shí)，北部地勢仍略低，但受廣泛的泥炭沼澤堆積影響，地勢已經(jīng)接近平緩；橋頭砂巖沉積時(shí)期的河流再次由北向南沖積，大型的河流對下部的泥炭沼澤起沖刷作用，此時(shí)地勢轉(zhuǎn)變?yōu)楸备吣系停浑S后陸表海海水的再次侵入和11號、12號煤層成煤沼澤的堆積在一定程度上又減緩了北部隆起的趨勢；北岔溝砂巖河流沉積的影響范圍較前兩次進(jìn)一步擴(kuò)大，往南延伸到三交、柳林地區(qū)，北部地勢進(jìn)一步隆起，泥炭沼澤逐漸向南轉(zhuǎn)移（圖3）。

3 結(jié)論

1）河?xùn)|煤田北部發(fā)育的晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖是3套河流相沉積形成的砂巖體。晉祠砂巖、橋頭砂巖是陸表海背景下的低彎度曲流河沉積，受海侵海退、地勢隆起和沉降幅度的差異影響；北岔溝砂巖是陸相河流沉積，北部地勢隆起幅度加大，河流波及范圍更廣，形成的砂巖體分布區(qū)域更大。

圖3 晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖沉積演化模式圖

2）晉祠砂巖和橋頭砂巖沉積時(shí)期研究區(qū)地勢由北高南低，過渡為南高北低，又過渡為北高南低，構(gòu)造隆升和沉降幅度反復(fù)變化；海侵期間形成的泥炭沼澤在全區(qū)發(fā)育，形成覆蓋全區(qū)的煤層，具有一定的填平補(bǔ)齊作用。

3）3套砂巖體和與其同期沉積、廣泛分布的濱岸砂巖體或三角洲砂巖體形成良好的致密砂巖儲層，間隔分布的含煤地層保證足夠的烴類生成，并在一定程度上起封閉作用，具良好的天然氣勘探潛力。

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