信延儒，巫肇錦，楊帥，肖志偉，王宇恒

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

煤系氣是指賦存在含煤巖系中的煤層氣、頁巖氣和砂巖氣，是煤系礦產(chǎn)資源和非常規(guī)氣的重要組成部分，隨著人們對清潔能源需求的增加，煤系氣日益受到重視[1-2]。有機(jī)質(zhì)豐度和類型是決定源巖產(chǎn)氣能力的基本條件，含煤巖系的特點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)含量高、沉積相類型豐富，不同沉積環(huán)境的有機(jī)質(zhì)含量和類型不同，從而影響到煤系氣的產(chǎn)氣能力和資源潛力，因此研究煤系沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)富集特征的關(guān)系是煤系氣資源評價(jià)的基礎(chǔ)性工作。

鄂爾多斯盆地是我國重要的能源盆地，含煤巖系廣泛分布，具有良好的煤系氣資源前景。前人對鄂爾多斯盆地?zé)N源巖的沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)開展了不同程度的研究工作，騰格爾通過對盆地海相地層元素、碳氧同位素分布與沉積環(huán)境和烴源巖發(fā)育關(guān)系的研究，建立了判識海相有效烴源巖及其分布規(guī)律的環(huán)境分析基本模式[3]。苗建宇等以二疊系巖心地化分析資料，經(jīng)分析得出還原程度強(qiáng)、具一定深度水體的沉積相帶是原始有機(jī)質(zhì)沉積的良好場所，而較長時(shí)間處于氧化環(huán)境條件下沉積的泥質(zhì)碳酸鹽巖類巖石，有機(jī)質(zhì)豐度明顯偏差[4]。許化政等對中奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行了分析，建立的巖石沉積序列[5]。相對而言，對鄂爾多斯盆地煤系沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系研究較薄弱。本文通過對鄂爾多斯盆地東部東勝煤田布爾臺礦區(qū)BK193鉆孔巖心樣品系統(tǒng)的巖石學(xué)和地球化學(xué)測試分析，研究沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)豐度和類型的關(guān)系，揭示有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制及其原生控制條件。

1 地質(zhì)背景

布爾臺礦區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田南部(圖1),構(gòu)造位置處于華北地臺鄂爾多斯臺拗伊盟隆起的東南部(圖1)[6]。根據(jù)礦區(qū)內(nèi)所見含煤地層與各煤層的情況，礦區(qū)內(nèi)受到過區(qū)域構(gòu)造作用。燕山運(yùn)動(dòng)初期，由于東勝隆起區(qū)出現(xiàn)隆起，導(dǎo)致了含煤地層的沉積基底不平；又因燕山早期“填平補(bǔ)齊”的作用，造就了礦區(qū)內(nèi)6煤層各煤層的加厚、變薄和尖滅；此后盆地穩(wěn)定發(fā)育， 6煤組以上的地層被沉積了下來。燕山期末，盆地內(nèi)出現(xiàn)整體抬升，地層遭受了強(qiáng)烈的剝蝕作用，故而造就了現(xiàn)在礦區(qū)內(nèi)地層的賦存規(guī)律。

圖1 鄂爾多斯盆地布爾臺礦區(qū)位置圖Figure 1 Location map of Burtai mine area, Ordos Basin

礦區(qū)主要發(fā)育中侏羅統(tǒng)(J2)含煤巖系，鉆探過程中主要鉆遇地層為中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)，它的總體構(gòu)造形態(tài)由波狀彎曲狀的次級短軸平緩背、向斜所構(gòu)成，垂向上具體可劃分為延一段(J2y1)、延二段(J2y2)、延三段(J2y3)等三個(gè)段。本文將以中侏羅統(tǒng)延安組為研究目標(biāo)層，展開研究工作。

2 樣品的采集與測試

為研究布爾臺礦區(qū)煤系沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)系，取BK193鉆孔巖心樣品進(jìn)行測試。綜合巖性特征及深度分布，共采集樣品101塊，選取21塊樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量測試，21塊樣品進(jìn)行巖石熱解測試，9塊樣品進(jìn)行全巖X射線衍射分析。

表1 測試方法Table 1 Testing methods

3 測試結(jié)果

3.1 巖礦特征

對巖礦特征進(jìn)行分析是劃分沉積相的前提，也是本文研究沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)富集關(guān)系的重要理論依據(jù)。

BK193鉆孔主要鉆遇地層為中侏羅統(tǒng)延安組，深度為311.8～534.4m。鉆探發(fā)現(xiàn)：巖性以砂巖、泥巖為主；垂向上巖石粒度多次出現(xiàn)漸變的趨勢，正反韻律均可見；層理明顯且多樣；礦物除石英、鉀長石和黏土礦物外還有菱鐵礦等伴生礦物存在。通過全巖X射線衍射分析、巖心樣品的觀察描述和偏光顯微鏡下對巖心樣品薄片的鑒定，選取有代表性的巖心樣品進(jìn)行特征分析。

3.1.1 全巖X射線衍射

取鉆孔9個(gè)巖心樣品進(jìn)行全巖定量分析，結(jié)果如表2所示。分析發(fā)現(xiàn)，樣品主要以石英和黏土礦物為主，石英含量在29%～40.1%，平均值為33.76%；黏土礦物含量29.1%～60.7%，平均值為47.94%；碳酸鹽礦物中以白云石為主，部分樣品中含量較高(B43)；菱鐵礦平均含量2.22%。菱鐵礦的出現(xiàn)對垂向上的還原環(huán)境具有指示作用。

3.1.2 巖心樣品形態(tài)

巖心樣品所反映出的層理以及垂向上巖性和粒度的變化是判斷沉積環(huán)境以及有機(jī)質(zhì)富集程度的重要依據(jù)。結(jié)合對巖心樣品的觀察描述以及巖心樣品薄片的鏡下鑒定，分析發(fā)現(xiàn)：層理明顯且多樣(圖2)，巖石粒度垂向上變化明顯，且存在粒度旋回(圖3)，選取對沉積環(huán)境有明顯指示作用的形態(tài)加以解釋如表3。

3.2 有機(jī)質(zhì)富集特征

分析巖心樣品垂向上有機(jī)質(zhì)豐度的變化，進(jìn)而結(jié)合巖石熱解測試結(jié)果得出有機(jī)質(zhì)類型，以便將巖性特征與有機(jī)質(zhì)類型緊密地結(jié)合起來，為研究沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)系提供依據(jù)。

表2 全巖X射線衍射結(jié)果Table 2 Whole rock X-ray diffraction results /%

表3 典型形態(tài)特征Table 3 Typical morphological features

圖2 典型層理Figure 2 Typical stratifications

圖3 典型垂向粒度變化Figure 3 Typical vertical grain size variations

3.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

通過有機(jī)碳含量測試得出TOC含量(表4)，發(fā)現(xiàn)巖心樣品有機(jī)質(zhì)豐度總體上呈規(guī)律性變化(圖5)。延三段深度313m處TOC含量為12.87%，S1+S2為15.14 mg/g；深度325.66～340.12m處有機(jī)質(zhì)豐度相對最高，TOC含量為3.49%～34.24%，平均值為10.41%，S1+S2為3.03～89.07mg/g，平均值為21.45mg/g。延二段深度380.8～394.7m處有機(jī)質(zhì)豐度較低，TOC含量為4.41%～8.66%，平均值為5.7%，S1+S2為5.97～10.43mg/g，平均值為7.5mg/g。延二段與延一段過渡，深度468.74～488.7m處有機(jī)質(zhì)豐度較低，TOC含量為3.48%～15.68%，平均值為5.92%，S1+S2為3.36～24.97mg/g，平均為7.64mg/g。延一段深度504.06～506.9m處有機(jī)質(zhì)豐度相對較高，TOC含量為7.23%～8.80%，平均值為8.03%，S1+S2為13.97～15.86mg/g，平均值為15.16mg/g。

3.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

巖石熱解可用氫指數(shù)(IH)與最大峰溫(Tmax)值圖版劃分有機(jī)質(zhì)類型[7]。其中氫指數(shù)(IH)等于100*熱解烴(S2)/有機(jī)碳含量(TOC)。測試結(jié)果(表4)表明，除最高值86.57mg/g和較高值24.79mg/g外，熱解烴(S2)主要在2.97～15.21mg/g。最大峰溫(Tmax)為420～442℃。熱解最大峰溫溫度變化較均衡，表明有機(jī)質(zhì)的熱演化程度較低，有機(jī)碳在熱演化過程中損失不大。氫指數(shù)(IH)在70.71～252.83mg/g變化。

經(jīng)氫指數(shù)(IH)與最大峰溫(Tmax)值圖版(圖4)劃分有機(jī)質(zhì)類型得出，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型(腐植型)和Ⅱ2型(腐泥-腐植型)為主。其中，延三段深度325.66～340.12m處(IH平均值為150.19mg/g)主要為Ⅱ2型；延二段深度380.8～394.7m處(IH平均值131.97mg/g)為Ⅱ2型和Ⅲ型； 延一段深度468～491.4m處(IH平均值為202mg/g)為Ⅲ型和Ⅱ2型，深度504.06～506.9m處(IH平均值為188.28mg/g)為Ⅱ2型。

圖4 有機(jī)質(zhì)類型的劃分Figure 4 Organic matter type classifications

3.2.3 有機(jī)質(zhì)類型與巖性的對應(yīng)關(guān)系

通過分析有機(jī)質(zhì)類型與巖性之間的關(guān)系，可為研究沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)系提供依據(jù)，由此建立巖心樣品有機(jī)巖石學(xué)分析(表4)。分析表明，Ⅱ2型主要分布在暗色泥巖中，少數(shù)分布在灰黑色粉砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖中；Ⅲ型大部分分布在泥巖中，少數(shù)分布在灰白色粉砂巖中。

表4 巖心樣品有機(jī)巖石學(xué)分析Table 4 Core rock analysis of organic samples

4 沉積環(huán)境及其與有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)系

4.1 沉積相的劃分

按延安組由老到新，垂向上可分為3個(gè)沉積相：湖泊相、辮狀河三角洲相和辮狀河相。湖泊相位于延一段底部和中部，深度為481.5～534.4m；辮狀河三角洲相位于延一段頂部以及延二段底部和中部，深度為424.11～481.5m；辮狀河相位于延安組延二段頂部和延三段，深度為311.8～424.11m。下面結(jié)合巖心樣品的巖礦特征和有機(jī)質(zhì)富集特征對沉積相進(jìn)行詳細(xì)劃分(圖5)。

4.1.1 湖泊相

隨著深度逐漸變淺，巖性由細(xì)砂巖中砂巖到粉砂巖過渡，多處夾炭質(zhì)泥巖層；層理由平行層理到小型波狀層理過渡。根據(jù)以上變化趨勢，結(jié)合測井曲線，由深到淺分劃分兩個(gè)亞相，分別為淺湖亞相(深度499.44～528.72m)和濱湖亞相(深度481.5～499.44m)。

淺湖亞相在枯水時(shí)湖面以下，波浪作用很強(qiáng)，能觸及湖底，但不同地點(diǎn)波浪強(qiáng)度不同，淺水區(qū)上部近岸的波浪帶，波浪作用最強(qiáng)，向下部逐漸減弱[8]。在底部深度516.08～518m處，主要為細(xì)砂巖，可見大量植物碎屑化石，反映出較弱的水動(dòng)力條件和較強(qiáng)的還原環(huán)境。對水動(dòng)力條件指示最明顯的地方在深度504.9～511.52m處，此處淺部以粉砂質(zhì)泥巖為主，見平行層理，深部為灰白色細(xì)砂巖與灰黑色細(xì)砂巖互層，由下往上灰白色細(xì)砂巖的比例越來越小，反映出水動(dòng)力條件由深到淺逐漸變強(qiáng)。測井曲線整體上呈中幅齒狀的鐘形，反映了正粒序的結(jié)構(gòu)，也反映了物源供應(yīng)的不斷減少[9]。

濱湖亞相位于湖岸線附近，經(jīng)常受湖水進(jìn)退影響，沉積環(huán)境變化復(fù)雜，沉積類型多[8]。在底部深度491.4～496.4m處，主要為灰白色細(xì)砂巖夾灰黑色細(xì)砂巖條帶，可見小型波狀層理，反映出淺水區(qū)的沉積環(huán)境。因?yàn)榇颂幬挥诳菟畷r(shí)湖面以上，所以水動(dòng)力條件變?nèi)?。隨著深度逐漸變淺，在深度485.6～490.6m處，中下部為灰黑色細(xì)砂巖與灰白色細(xì)砂巖互層，491m處夾5cm厚黑色炭質(zhì)泥巖，中上部為灰黑色粉砂巖夾薄煤線，頂部為灰白色與灰黑色細(xì)砂巖互層，復(fù)雜的巖性組合反映了濱湖亞相淺部因離湖岸線近而經(jīng)常受湖水進(jìn)退影響。測井曲線出現(xiàn)了巨大的起伏，顯示出砂、泥巖頻繁互層和分布穩(wěn)定的砂泥混合灘的沉積特征[9]。有機(jī)質(zhì)豐度較低，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型和Ⅲ型，其類型存在變化，反映出濱湖沉積環(huán)境對有機(jī)質(zhì)的富集作用較淺湖亞相差。

4.1.2 辮狀河三角洲相

隨著深度逐漸變淺，巖性由粉砂巖到細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖再向中砂巖和細(xì)砂巖過渡，在深度464m處出現(xiàn)了細(xì)砂巖與泥巖互層的現(xiàn)象；層理由深變淺從復(fù)合層理到平行層理到脈狀層理再到交錯(cuò)層理變化。根據(jù)以上變化趨勢，結(jié)合測井曲線，由深到淺劃分兩個(gè)亞相，分別為辮狀河三角洲前緣亞相(深度472.05～481.5m)和辮狀河三角洲平原亞相 (深度424.11～472.05m)。

辮狀河三角洲前緣是辮狀河三角洲沉積最活躍的場所， 其沉積物是辮狀河三角洲的主體[10]。底部深度476.04～479.52m為灰白色粉砂巖與灰黑色粉砂巖互層，由下往上灰白色細(xì)砂巖比例逐漸減少，存在復(fù)合層理，頂部472.05～476.04m巖性逐漸變?yōu)橹猩皫r和粗砂巖，存在平行層理，巖性垂向上呈現(xiàn)下細(xì)上粗的反韻律，反映出水動(dòng)力條件逐漸增強(qiáng)的趨勢。測井曲線呈現(xiàn)漏斗形，進(jìn)一步說明了巖性下細(xì)上粗的變化趨勢。有機(jī)質(zhì)豐度下部高上部低，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，其類型存在變化。

辮狀河三角洲平原亞相是辮狀河三角洲沉積的水上部分，位于辮狀河三角洲沉積層序的上部位[11-12]。巖性大體上呈現(xiàn)下粗上細(xì)的特征，但也存在旋回。其中兩期旋回發(fā)生在底部深度468.74～472.05m處，此處沉積模式較為復(fù)雜，筆者將其劃為上下部兩個(gè)部分：下部為灰白色細(xì)砂巖到中砂巖，粒度由下往上逐漸變粗；上部為正粒序，存在平行層理，灰白色粉砂巖比例由下往上逐漸減少，兩期旋回與下部砂巖呈沖刷接觸，有灰白色中砂巖包裹灰黑色粉砂巖的現(xiàn)象(圖3(b))。另外兩期旋回發(fā)生在中部深度454.54m處，為灰白色細(xì)砂巖，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，含兩期超短期旋回，均為由下往上粒度變粗，顏色由深變淺的反粒序，脈狀層理發(fā)育，反映出較強(qiáng)的水動(dòng)力條件。旋回是沉積過程中河道砂壩的頻繁側(cè)向遷移加積造成的。在此亞相頂部424.11～428.03m處，巖性為灰白色細(xì)砂巖，存在交錯(cuò)層理。測井曲線在深度447～454.54m呈現(xiàn)明顯的箱形，表征此處分布厚層砂巖，表示主河道沉積環(huán)境。有機(jī)質(zhì)豐度低，未見明顯豐度變化趨勢，反映出辮狀河三角洲平原沉積環(huán)境不利于有機(jī)質(zhì)的富集。

4.1.3 辮狀河相

隨著深度變淺，巖性垂向上出現(xiàn)兩個(gè)從粗砂巖到砂質(zhì)泥巖到細(xì)砂巖的序列，其中夾有煤層。結(jié)合巖礦特征和測井曲線分析劃分亞相為：辮狀河道亞相(深度399.12～414.88m)、辮狀砂壩亞相(深度396.1～399.12m)、泛濫平原亞相(383.78～396.1m)、辮狀河道亞相(深度354.16～383.78m)、辮狀砂壩亞相(深度333.46～354.16m)、泛濫平原亞相(311.8～333.46m)。

圖5 BK193鉆孔煤系沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)綜合柱狀圖Figure 5 Comprehensive column of coal measures sedimentary environment and organic matter in borehole BK193

辮狀河道亞相巖性上以灰白色粗砂巖為主，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，分選較好，磨圓較好；在深度358.36m處出現(xiàn)了脈狀層理。測井曲線特征上，均呈低值平滑箱形，表征此處分布厚層砂巖，表示主河道沉積環(huán)境。有機(jī)質(zhì)豐度較低，無法劃分有機(jī)質(zhì)類型，反映出辮狀河道沉積環(huán)境不利于有機(jī)質(zhì)的富集。

辮狀砂壩亞相深度較辮狀河道亞相淺，形成年代較晚。巖性上以暗色粉砂質(zhì)泥巖為主；層理類型較復(fù)復(fù)雜，可見平行層理、交錯(cuò)層理、脈狀層理等。測井曲線呈現(xiàn)較高幅度，下部齒狀的箱形，可反映出水動(dòng)力條件較強(qiáng)，底部含沖刷面，是河道側(cè)向遷移形成的由辮狀河道向泛濫平原過渡的亞相。有機(jī)質(zhì)豐度高，其中333.46～340.12m處有機(jī)質(zhì)豐度相對最高，可見大量植物碎屑化石，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型，且未見其類型變化。

泛濫平原亞相為洪水期河水溢出河道，將懸浮于水流中的細(xì)粒物質(zhì)沉積于河道外形成[13]。巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖和暗色泥巖為主，粒度由下至上逐漸變細(xì)；層理垂向上由深到淺從波狀層理向水平層理過渡。測井曲線底部突變形，頂部鐘形，有時(shí)夾有低幅齒形曲線，進(jìn)而反映泛濫平原底部與河道砂壩密切共生，由下至上粒度變細(xì)，其中存在泥質(zhì)沉積。有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型和Ⅱ2型，其類型存在變化，反映出泛濫平原沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的富集。

4.2 沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)系

從沉積環(huán)境對有機(jī)質(zhì)富集的控制作用看，由全巖X射線衍射分析結(jié)果得出延安組巖心樣品均含有菱鐵礦，進(jìn)而反映鉆遇地層垂向上為還原環(huán)境，此套地層較有利于有機(jī)質(zhì)的保存；相反，從有機(jī)質(zhì)的富集規(guī)律分析其所處的沉積環(huán)境，地層垂向上有機(jī)質(zhì)豐度的變化主要與不同源巖沉積時(shí)期水動(dòng)力條件等因素有關(guān)[14]。

經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，延安組中泛濫平原為高有機(jī)質(zhì)豐度煤系氣源巖發(fā)育的有利沉積環(huán)境。延二段晚期泛濫平原底部與辮狀砂壩密切共生，巖性垂向上呈現(xiàn)正粒序，水動(dòng)力條件逐漸變?nèi)醯某练e環(huán)境使得被破壞的還原環(huán)境逐漸得以恢復(fù)，有機(jī)質(zhì)富集程度變高，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型和Ⅲ型。延三段晚期與延二段晚期的沉積環(huán)境變化趨勢大體一致，同樣發(fā)育有泛濫平原，有利于有機(jī)質(zhì)富集，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型和Ⅲ型。

分析得出，由于地形等因素影響，適宜的水動(dòng)力條件可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)向更容易聚集的地方的遷移，進(jìn)而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的富集。比如延三段泛濫平原處水淺流急，此時(shí)氧化還原條件便不再是影響有機(jī)質(zhì)富集的主要因素，適宜的地形條件和水動(dòng)力對有機(jī)質(zhì)的側(cè)向遷移作用共同促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的富集。

5 結(jié)論

(1)布爾臺礦區(qū)鉆遇有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型和Ⅲ型的含煤巖系。

(2)泛濫平原沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的富集，進(jìn)而為煤系氣的發(fā)育提供了良好條件。

(3)水動(dòng)力是有機(jī)質(zhì)富集的重要原生控制條件，在泛濫平原處，水動(dòng)力條件強(qiáng)且有機(jī)質(zhì)富集程度也較高，這說明氧化還原條件不再是影響有機(jī)質(zhì)富集的主要因素，而是適宜的地形條件和水動(dòng)力對有機(jī)質(zhì)的側(cè)向遷移作用共同促進(jìn)著有機(jī)質(zhì)的富集。

致謝感謝曹代勇教授對本文選題和成文過程中的悉心指導(dǎo)，感謝劉金城博士研究生、牛鑫磊和張巖碩士研究生在研究工作中給予的具體幫助。

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