王 毅，朱炎銘，姚能旺，謝康珍，宋 昱

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008）

桌子山煤田地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，主體位于烏海市境內(nèi)，蘊(yùn)藏著豐富的焦煤、肥煤等優(yōu)質(zhì)煤炭資源，是烏海市主要的煤礦生產(chǎn)基地。近年來隨著煤炭開發(fā)的深入，煤田中北部區(qū)域煤炭資源已瀕臨枯竭，嚴(yán)重制約了烏海市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，開展煤田南部區(qū)域煤炭資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)非常迫切。

煤層沉積環(huán)境與聚煤規(guī)律研究是開展煤炭資源預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。關(guān)于桌子山煤田沉積環(huán)境與聚煤規(guī)律的研究，前人工作主要側(cè)重于對(duì)區(qū)域及臨區(qū)賀蘭山北段煤田的分析，而對(duì)于桌子山煤田范圍內(nèi)沉積環(huán)境、聚煤規(guī)律的研究較少[1－4]。有鑒于此，文章以桌子山煤田及其臨區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)資料為依托，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查及區(qū)域地質(zhì)情況，對(duì)桌子山煤田沉積環(huán)境變化與聚煤規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)其主要含煤層段的聚煤模式進(jìn)行了探討，以期對(duì)煤田今后地質(zhì)勘探工作帶來一定指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景

桌子山煤田位于鄂爾多斯盆地西緣北區(qū)[5]。煤田西以崗德爾－西來峰逆斷層為界，東至桌子山，北側(cè)為千里山，向南為第四系覆蓋區(qū)，延伸至寧夏境內(nèi)（圖1）。受秦嶺－祁連山構(gòu)造帶和西側(cè)阿拉善地塊長(zhǎng)期活動(dòng)的影響，煤田地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，形成了南北向逆斷層為主，東西向正斷層為輔的構(gòu)造格局[6－7]。煤田主要含煤地層為石炭—二疊系太原組、山西組地層，共含煤18層，自上而下依次編號(hào)為1～18號(hào)煤層，煤層總厚15～22m，其中主要可采煤層為山西組9號(hào)煤層與太原組16號(hào)煤層。區(qū)內(nèi)煤層主要賦存于崗德爾－西來峰斷層?xùn)|側(cè)，向東至煤層露頭線。煤層主體形態(tài)為走向南北，傾向西的單斜構(gòu)造。

圖1 桌子山煤田區(qū)域地質(zhì)略圖

2 含煤地層沉積特征

2.1 沉積序列與沉積相特征

研究區(qū)主要含煤地層為石炭—二疊系太原組、山西組地層。其中太原組厚60～110m，自下而上分為太原組下段和太原組上段。太原組下段下部以細(xì)粒石英砂巖為主，向上為黑色泥巖、粉砂巖，含煤層，向南至羊路井地區(qū)逐漸變?yōu)橹猩皫r沉積；太原組上段以細(xì)粒石英砂巖及泥質(zhì)粉砂巖為主，夾薄層黑灰色泥巖、粉砂巖，煤層發(fā)育較差，煤田中部發(fā)育有薄層灰?guī)r條帶，羊路井南部地區(qū)為厚層泥巖沉積。山西組厚90～170m，自下而上分為山2段、山12段、山11段。山2段主要以黑色泥巖、粉砂巖、煤層為主，夾薄層細(xì)粒砂巖，頁巖中植物化石豐富，含黃鐵礦結(jié)核；山12－11段由下向上發(fā)育至少了兩段粗砂巖至泥巖的正粒序組合，夾煤線，砂巖礦物成分以石英為主，含云母片，由下向上由灰黑色逐漸變?yōu)榛野咨?/p>

通過單井巖性、沉積構(gòu)造、連井剖面分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識(shí)，煤田范圍內(nèi)太原、山西組地層，可識(shí)別出潮坪、三角洲、曲流河3種沉積相，潮下坪、潮間坪、三角洲平原等8沉積亞相及多種沉積微相。

2.1.1 潮坪

主要發(fā)育于太原組沉積期間，其又可細(xì)分為潮下坪、潮間坪及潮上坪。潮間至潮下坪區(qū)域，受潮汐作用影響，能量較高，以砂質(zhì)沉積為主，潮上坪為低能環(huán)境，以泥質(zhì)沉積為主，發(fā)育有泥炭沼澤。區(qū)內(nèi)太原組下段底部為厚5～15m細(xì)砂巖沉積，石英成分較高，向上變?yōu)槟鄮r、粉砂巖與煤層沉積，可見水平層理，分析即為潮下坪至潮上泥炭沼澤沉積產(chǎn)物（圖2（a））。平面上向海方向，潮上泥坪逐漸消失，至羊路井區(qū)域發(fā)育有厚約50m的中砂巖沉積，可能為受潮汐影響形成的水下沙灘。

太原組上段沉積期間，三角洲環(huán)境受潮汐改造明顯，三角洲地區(qū)多被改造形成潮坪沉積。煤田北部太原組上段局部發(fā)育有粗砂巖－泥巖組合，含少量植物化石，分為可能陸源碎屑潮坪沉積產(chǎn)物。白云烏素及公務(wù)素區(qū)域太原組上段碳酸鹽巖條帶中現(xiàn)大量蜓殼類化石，粗砂巖中發(fā)育有斜層理及小型交錯(cuò)層理，分析可能為碳酸鹽巖－陸源碎屑混合潮坪沉積產(chǎn)物（圖2（b））。

2.1.2 三角洲

根據(jù)河流作用強(qiáng)弱又可分為受潮汐改造的三角洲及河控三角洲兩種類型。潮汐改造的三角洲主要發(fā)育于太原組上段。受潮汐作用影響，三角洲平原分流間地區(qū)泥炭坪及泥炭沼澤的不甚發(fā)育，羊路井地區(qū)泥巖中現(xiàn)小型波狀層理及斜層理，指示其受潮汐作用影響明顯，部分地區(qū)形成已變?yōu)槌逼撼练e，聚煤作用較弱（圖2（b））。河控三角洲主要發(fā)育于煤田南部區(qū)域山西組2段，主要為三角洲平原亞相，可識(shí)別出分支河道、天然堤、泥炭沼澤三種微相。分支河道以中砂巖到粗砂巖沉積為主，可見小型波狀層理，天然堤微相以細(xì)砂巖沉積為主，泥炭沼澤發(fā)育，以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及煤層沉積為主，富含植物化石，可見黃鐵礦結(jié)核（圖2（c））。

2.1.3 曲流河

主要發(fā)育于山西組沉積期間，根據(jù)其底層沉積以粗砂巖為主，礫巖不發(fā)育，頂層沉積較為發(fā)育，具有典型的“二元結(jié)構(gòu)”，判定其為曲流河沉積[3，8]?？勺R(shí)別出河床、堤岸及河漫三種亞相。山2段以河漫沉積為主，河流作用較弱，形成廣闊的岸后沼澤，巖石類型以煤層、泥巖、粉砂巖為主。山1段中河床、堤岸、河漫三種亞相皆有發(fā)育。河床以邊灘沉積為主，主要為粗砂巖至中砂巖沉積；堤岸亞相主要為天然堤沉積，巖性以細(xì)砂巖和粉砂巖為主；河漫亞相主要為河漫灘及岸后沼澤，以粉砂巖、泥巖沉積為主（圖2（d））。

2.2 沉積環(huán)境演化

晚石炭世早期賀蘭拗拉槽重新拉開，發(fā)生裂陷，祁連海自西南向東北方向侵入該區(qū)[9]。至太原組沉積時(shí)期，鄂爾多斯地殼繼續(xù)下沉，海侵的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，逐漸與盆地東部的海水連成一片，本區(qū)成為廣闊的華北濱淺海的一部分。太原期末或山西期初，華北地塊整體抬升，海水從鄂爾多斯盆地東西兩側(cè)迅速退出，沉積相由海相轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴?。古流向、古地貌，礦物成分分析表明，鄂爾多斯西緣地區(qū)石炭系和二疊系地層的物源主要來自盆地的北緣地區(qū)和西北緣地區(qū)，一直處于隆升狀態(tài)的伊盟隆起和阿拉善地塊可能是主要的物源區(qū)[4]?？紤]桌子山以北物源存在，推測(cè)煤田范圍以北地區(qū)還可能有沖積扇發(fā)育[3]。結(jié)合區(qū)域沉積演化認(rèn)識(shí)及煤田沉積特征討論，繪制了本區(qū)南北向巖相對(duì)比剖面圖（圖3）。通過巖相對(duì)比分析，本區(qū)聚煤期沉積環(huán)境演化可分為四個(gè)階段，分別與太原組下段、上段、山西組2段、山西組1段相對(duì)應(yīng)。煤田沉積環(huán)境的演化與區(qū)域海水進(jìn)退息息相關(guān)。

圖2 桌子山煤田含煤地層沉積環(huán)境柱狀圖

太原組沉積初期受區(qū)域海退影響，煤田中北部由濱海潮間坪－潮下坪沉積漸變?yōu)槌遍g坪－潮上坪沉積。向南至羊路井地區(qū)，潮上坪不發(fā)育，主要為潮下砂灘沉積，顯示此次海退并未完全退出該區(qū)。隨后本區(qū)經(jīng)歷了一次較為明顯的海侵，分析與華北地塊晚古生代第三次海侵相對(duì)應(yīng)，也是華北西緣晚古生代最大的一次海侵，鄂爾多斯中央隆起完全淹沒于水下，太平洋海域海水與祁連海域海水自東和西南兩個(gè)方向侵入該區(qū)[1，4，10]。區(qū)內(nèi)潮汐作用加強(qiáng)，三角洲沉積環(huán)境被潮汐作用明顯改造，在三角洲平原及三角洲前緣地區(qū)形成了多處陸源碎屑及碳酸鹽巖潮坪沉積。隨后該區(qū)又經(jīng)歷了一次小規(guī)模的海侵，形成了太原組上段的粗砂巖沉積。山西組沉積時(shí)期，華北地塊抬升，海水從東面及西南面兩個(gè)方向迅速退出該區(qū)，區(qū)內(nèi)沉積環(huán)境由海相逐漸轉(zhuǎn)化為陸相。山2段沉積初期，海水已退出本區(qū)但河流作用相對(duì)較弱，本區(qū)在太原期潮坪、三角洲基礎(chǔ)上廣泛發(fā)育了岸后沼澤。向南至羊路井地區(qū)，逐漸變?yōu)槿侵奁皆练e環(huán)境。山1段沉積期間，區(qū)內(nèi)河流作用加強(qiáng)，以砂巖沉積為主，由下向上發(fā)育了至少兩段粗砂巖至泥巖的正粒序組合，指示了河流沉積作用的多旋回性。

圖3 桌子山煤田巖相對(duì)比剖面圖

3 聚煤作用及其模式探討

均衡適速的構(gòu)造沉降與特定的古地理、地貌等沉積環(huán)境是煤層形成的兩個(gè)最基本的地質(zhì)條件[11]。在經(jīng)歷了晚石炭世早期賀蘭山坳拉槽再次裂開快速沉降之后，至太原組沉積時(shí)期鄂爾多斯盆地西緣進(jìn)入了裂后坳陷階段，構(gòu)造環(huán)境已趨于穩(wěn)定，形成了區(qū)域上利于聚煤構(gòu)造基礎(chǔ)。同時(shí)該期古氣候條件濕熱，利于成煤植物的生長(zhǎng)，沉積環(huán)境尤其是沉積相帶的時(shí)空變化成為了控制本區(qū)聚煤作用強(qiáng)弱的最主要因素。

晚石炭世至早二疊世本區(qū)經(jīng)歷了陸表海－濱岸潮坪－淺水三角洲沉積體系到河流－三角洲沉積體系的演化過程。區(qū)內(nèi)煤層主要賦存于太原組下段和山2段，可識(shí)別出兩種以沉積環(huán)境為導(dǎo)向的聚煤模式。

3.1 潮坪聚煤模式

該模式主要發(fā)育于太原組下段上部層位，桌子山煤田中部及北部區(qū)域。太原組沉積時(shí)期受2級(jí)海退影響，該區(qū)由潮下逐漸變?yōu)槌鄙檄h(huán)境，河流不發(fā)育，地勢(shì)低平，氣候濕潤(rùn)。廣闊的潮上地區(qū)發(fā)育了大面積的泥炭沼澤，從而形成了本區(qū)第一個(gè)厚煤層段，即本區(qū)16號(hào)主采煤層（圖4）。隨著區(qū)域第3次2級(jí)海侵，該模式被太原組上段潮汐改造的三角洲沉積環(huán)境取代。

圖4 太原組下段潮坪聚煤模式

3.2 曲流河岸后沼澤、三角洲平原聚煤模式

該模式主要發(fā)育于山2段沉積期間。需要指出的是，目前關(guān)于區(qū)域上鄂爾多斯盆地晚石炭世－早二疊世早期（本溪期－太原期）的陸表海沉積背景經(jīng)長(zhǎng)期研究已達(dá)成廣泛共識(shí)，但是由于早二疊世晚期（山西期）處于海退背景下的海陸轉(zhuǎn)換關(guān)鍵時(shí)期，其沉積背景的歸屬問題至今存在較大爭(zhēng)議[12－13]。本區(qū)處于鄂爾多斯盆地西緣，這里將山2段與山1段沉積相一起劃歸為曲流河與三角洲沉積，但兩者之間存在明顯的不同。山1段存在具有典型的河流相“二元結(jié)構(gòu)”沉積特征，但山2段沉積則主要以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，偶見砂巖夾層。顯示本區(qū)山2段沉積期間海水已退出本區(qū)，但河流作用弱，并沒有完全轉(zhuǎn)化為河流相沉積，其沉積環(huán)境是繼承太原期陸表海沉積背景的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。這種背景之下，在海水退去后局部殘留的湖泊、小型河流的岸后沼澤與三角洲平原地區(qū)，發(fā)育了大量的泥炭沼澤，形成了本區(qū)第二個(gè)厚煤層段，即該區(qū)的9號(hào)主采煤層（圖5）。

圖5 山西組2段曲流河、三角洲平原聚煤模式

4 結(jié)論

1）研究區(qū)太原組、山西組地層沉積相類型主有潮坪、三角洲、曲流河3種，可進(jìn)一步識(shí)別出潮下坪、潮間坪、潮上坪、三角洲平原、三角洲前緣、河床、堤岸、河漫8種沉積亞相，水下沙灘、三角洲分流間灣、岸后沼澤等多種沉積微相。

2）受區(qū)域海水進(jìn)退影響，研究區(qū)聚煤期沉積環(huán)境演化可分為四個(gè)階段：太原組下段以潮坪沉積環(huán)境為主，太原組上段以潮汐改造的三角洲環(huán)境為主，山西組2段為海陸沉積的過渡時(shí)期，以岸后沼澤環(huán)境為主，山西組1段以曲流河沉積環(huán)境為主。

3）聚煤作用的強(qiáng)弱取決于沉積相帶的時(shí)空配置。從沉積環(huán)境角度建立了本區(qū)兩種主要的聚煤模式：太原組下段潮坪聚煤模式與山西組2段曲流河、三角洲平原聚煤模式。最有利的聚煤環(huán)境為太原組下段的潮上泥炭沼澤及山西組2段的岸后沼澤、三角洲平原。

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