沈陽陽，呂大煒，張之輝

(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590)

0 引言

東勝煤田位于陜西省西北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)南部，是我國已探明的最大煤田，世界大型煤炭。本文以東勝煤田東北部開采區(qū)為研究區(qū)，對區(qū)內(nèi)延安組層序地層學(xué)及巖相主控因素進(jìn)行研究分析。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣銅匠川地區(qū)，總面積約700km2，出露地層主要為中生代地層(圖1)[1]。地層近乎平緩，發(fā)育一個(gè)向西南傾斜1° ～ 3°的簡單單斜，地層厚度133～279m。

區(qū)內(nèi)含煤地層為下—中侏羅統(tǒng)延安組，與上下地層呈不整合接觸。煤層總厚度由西南向東北逐漸變薄，西南部煤層厚度較大[2]。延安組是主要含煤單元，巖性為砂巖/泥巖和煤，煤層分為6個(gè)主要單元，從上到下分別編號(hào)為2-2、3-1、4-1、5-1、6-1和6-2z。

2 層序地層劃分與沉積相識(shí)別

2.1 層序地層

根據(jù)鉆孔資料(圖1.B)，以地層不整合面以及巖性轉(zhuǎn)換面為識(shí)別標(biāo)志，對延安組地層進(jìn)行層序劃分，結(jié)合沉積特征進(jìn)行沉積相識(shí)別[3-4]。綜合分析得出東勝地區(qū)延安組可分為兩個(gè)三級(jí)層序：層序Ⅰ、層序Ⅱ。根據(jù)關(guān)鍵面以及地層疊加模式識(shí)別層序中的體系域：低位體系域(LST)，湖侵體系域(EST)、高位體系域(HST)(圖2)。

序Ⅰ對應(yīng)延安組下部。LST以厚層粗砂巖、礫巖為主，巖石的分選磨圓一般，表現(xiàn)出進(jìn)積的堆積模式，一般為曲流河沉積環(huán)境。在EST中細(xì)粒沉積物發(fā)育，泥砂互層較多，整體表現(xiàn)為退積特征，代表湖侵，為三角洲沉積環(huán)境。EST厚煤層發(fā)育，是延安組主要的成煤階段。HST以厚層砂巖為主，表現(xiàn)為砂、泥、煤互層，煤層較厚，呈現(xiàn)出進(jìn)積特征，代表湖退，沉積環(huán)境以湖泊三角洲為主。

層序Ⅱ?qū)?yīng)延安組上部。LST以砂巖為主，相比于層序Ⅰ砂巖的厚度減少，礫巖沉積較少，表現(xiàn)出進(jìn)積特征，為三角洲沉積環(huán)境，與層序Ⅰ相比三角洲的范圍明顯減少。EST以細(xì)粒沉積物為主，巖性多為細(xì)砂巖、粉砂巖，煤層和泥巖互層，煤層沉積厚度較大，顯示退積特征，表現(xiàn)為三角洲沉積環(huán)境。在HST中可以看出沉積物粒度向上變粗，整體顯示出進(jìn)積特征，沉積環(huán)境為曲流河、湖泊三角洲。

圖1 東勝地區(qū)區(qū)域概況(據(jù)參考文獻(xiàn)[1]修改)a.研究區(qū)位置；b.區(qū)域地質(zhì)簡圖Figure 1 Regional overview of Dongsheng district (modified from reference [1])a.Location of the study area; b.Regional geological diagram

2.2 沉積相類型及特征

根據(jù)鉆孔資料以及野外實(shí)際觀測，在延安組識(shí)別出曲流河和湖泊三角洲兩種沉積相(圖2)。

曲流河沉積相多位于低位體系域以及高位體系域的頂部。巖性特征以砂巖為主，具有向上變細(xì)的沉積演替和發(fā)育良好的側(cè)向加積的宏觀形態(tài)。底部的礫巖相5～6m厚，礫巖相中發(fā)育板狀交錯(cuò)層理、水平層理，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，常代表河床滯留沉積環(huán)境；粗砂巖相與中砂巖、細(xì)砂巖互層，交錯(cuò)層理、槽狀層理發(fā)育，砂巖中可見礫石顆粒，河流沖刷，判斷為點(diǎn)砂壩沉積環(huán)境；點(diǎn)砂壩環(huán)境和河床滯留沉積微相代表了曲流河河床亞相。粉砂巖、泥巖發(fā)育，以水平層理為主，泥巖厚度大，大量植物化石發(fā)育，可以認(rèn)為是天然堤沉積環(huán)境；頂部粉砂巖、泥巖以及薄煤層(0.3～0.4m)發(fā)育，伴隨水平層理、植物化石，厚度小，顯示為一種泛濫平原環(huán)境。曲流河沉積體系中下部的可容空間大，所以垂向沉積厚度大，側(cè)向遷移較弱；隨著補(bǔ)償性沉積，可容空間減少，垂向上沉積厚度變小，較易發(fā)生側(cè)向遷移[6]。

湖泊三角洲沉積以細(xì)粒沉積物為主，沉積物主要是中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層。泥巖、煤層及大量的植物化石表明沉積環(huán)境能量較低，與前三角洲、深?；蚝喘h(huán)境非常相似。MIALL(1996)將具有水平層理的粉砂巖相解釋為分流間灣的特征[7]；具有板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理的細(xì)砂巖相解釋為河口壩沉積[8]；分流河道以中砂巖細(xì)砂巖為主，具有明顯的交錯(cuò)層理沖刷面[9]；煤層和泥巖相組合指示泥炭-沼澤環(huán)境[10]。

3 樣品與分析方法

為了解東勝地區(qū)煤層的顯微組分特征、煤層形成環(huán)境、煤相類型等，對煤層進(jìn)行了煤巖學(xué)分析。選取延安組納源和高西溝煤礦的煤樣：采集高西溝煤礦2-2、3-1、4-1、5-1煤層煤樣，采集納源煤礦6-1、6-2z煤層煤樣。此外，在所有煤層中以10 cm為采樣間隔，共采集176個(gè)樣品進(jìn)行顯微組分分析。

煤樣風(fēng)干，壓碎至最大晶粒尺寸2mm，制備拋光環(huán)氧結(jié)合顆粒用于巖相分析。采用Zeiss Axio Scope A1反射光顯微鏡和MSP UV-VIS2000分光光度計(jì)[11-12]，在山東省沉積成礦作用與沉積礦物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對各樣品的顯微組分含量和惰質(zhì)組反射率進(jìn)行測定。每個(gè)樣品的巖石學(xué)成分都通過計(jì)算至少500個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，最后將顯微組分和礦物組成結(jié)果轉(zhuǎn)化為各顯微組分和礦物的百分比。煤的顯微組分觀察和定量統(tǒng)計(jì)根據(jù) GB/T8899—2013 《煤的顯微組分組和礦物測定方法》進(jìn)行。

常用的煤相參數(shù)有結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)和凝膠化指數(shù)(GI)[13-14]。凝膠化指數(shù)(GI)=(鏡質(zhì)體+粗粒體)/(半絲質(zhì)體+絲質(zhì)體+惰屑體)：指煤中凝膠化組分與非凝膠化組分的比值，反映泥炭沼澤的覆水程度和植物殘?bào)w的凝膠化程度[15-16]。結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)=(結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+均質(zhì)鏡質(zhì)體+半絲質(zhì)體+絲質(zhì)體)/(基質(zhì)鏡質(zhì)體+粗粒體+惰屑體)：可用于指示泥炭的降解程度和埋藏速度，反映植物組織降解強(qiáng)度以及植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存程度[13,17]。

4 結(jié)果分析

4.1 煤的顯微組分及煤相參數(shù)分析

煤的顯微組分分析結(jié)果表明，煤層自下而上顯微組分含量呈現(xiàn)規(guī)律性的變化：鏡質(zhì)組含量呈先增加后減少的趨勢，惰質(zhì)組含量則相反(圖3)。鏡質(zhì)組含量變化范圍在20.06% ～64.29%，6-2z煤層鏡質(zhì)組含量最低，4-1煤層鏡質(zhì)組含量最高；惰質(zhì)組的含量變化范圍在29.85% ～73.22%，6-2z煤層惰質(zhì)組含量最高，4-1煤層惰質(zhì)組含量最高。殼質(zhì)組含量在2.74% ～ 9.45%。煤中礦物質(zhì)含量為1.45% ～ 4.05%。與殼質(zhì)組一樣，礦物質(zhì)含量較低且相對穩(wěn)定(表1)。

表1 東勝煤田延安組煤層顯微組分及礦物平均含量Table 1 Average content of macerals and minerals in coal seams of Yan’an Formation in Dongsheng Coalfield %

凝膠化指數(shù)(GI)臨界值為1，凝膠化指數(shù)>1，表明氣候相對濕潤，泥炭沼澤覆水較深[18]，反之則代表成煤環(huán)境較干燥且泥炭沼澤覆水淺[15,19-20]。結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)臨界值為1，TPI>1，表明成煤植物以木本植物為主，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存完好，遭受降解的強(qiáng)度低[21-22]；TPI≤1則表明成煤植物以草本植物為主，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存程度差，遭受降解的強(qiáng)度高[22]。從圖4可以看出，東勝地區(qū)延安組各煤層的GI指數(shù)在0.25～4.5變化。中部煤層(6-1、5-1、4-1和3-1煤層)的GI指數(shù)均>1，比頂?shù)酌簩拥母撸硎鞠鄬Τ睗竦沫h(huán)境。研究區(qū)煤相類型以潮濕森林沼澤相為主，頂?shù)撞恳愿稍锷终訚上酁橹?，成煤環(huán)境相對潮濕。TPI指數(shù)0.32～ 4.83，且大多>1，說明植物組織保存完好，木本植物為主要組成部分。

圖2 鉆孔145沉積相剖面及層序地層劃分對比圖Figure 2 Sequence stratigraphic division and comparison diagram of Sedimentary facies of borehole 145

V—鏡質(zhì)組；I—惰質(zhì)組；L—?dú)べ|(zhì)組；M—礦物質(zhì)圖3 各煤層顯微組分含量Figure 3 Bar diagram of maceral content of each coal seams

圖4 各煤層TPI-GI相圖Figure 4 Coal facies deciphered from TPI and GI

4.2 煤層垂向演化特征

煤層的煤相是多個(gè)參數(shù)共同作用的結(jié)果。鏡質(zhì)組含量和惰質(zhì)組含量多用來指示煤層的形成環(huán)境[23]。鏡質(zhì)組含量增加指示氣候相對濕潤，可容空間增加；惰質(zhì)組含量增加，指示氣候相對干燥，可容空間減少。鏡/惰比值(V/I)常用來解釋泥炭沼澤的形成環(huán)境。V/I可較為直觀地反映沼澤的水位變化及氣候的干濕情況，V/I是泥炭暴露還原條件程度的代表。當(dāng)V/I<1時(shí)，成煤泥炭暴露于氧化環(huán)境[13,24]?？扇菘臻g的增長速率與泥炭沉積速率的比值(AR/PPR)也是評(píng)價(jià)煤層的形成環(huán)境的重要指標(biāo)[19,25]。根據(jù)AR/PPR的值變化，可以推斷出可容空間的變化范圍，以此推斷基準(zhǔn)面的變化情況：AR/PPR>1，可容空間增加，基準(zhǔn)面上升；AR/PPR<1，可容空間減小，基準(zhǔn)面下降[26]。各煤層的V/I值、GI和TPI指數(shù)以及鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的變化趨勢如圖5和表2所示。

表2 研究區(qū)煤層顯微組分特征Table 2 Maceral characteristics of coal seams in the study area

1) 6-2z煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值先減少再增加，惰質(zhì)組含量先增加再減少，反映煤層先暴露于干燥的氧化環(huán)境中，再趨于潮濕的還原環(huán)境。GI指數(shù)先減少再增加，下部GI指數(shù)小于1，上部GI指數(shù)大于1；TPI指數(shù)總體大于1，反映木本植物占優(yōu)勢，聚煤環(huán)境由干燥變?yōu)槌睗瘛R/PPR<1，顯示可容空間增長速率小于泥炭堆積速率，且AR/PPR先減少再增加，表明基準(zhǔn)面呈上升趨勢，與湖泊擴(kuò)張相一致。推斷6-2z煤層沉積環(huán)境由干燥變濕潤，湖泊擴(kuò)張。

2)6-1煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值先減少后增加。惰質(zhì)組含量相反，反映煤層早期處于相對干燥的環(huán)境，后期趨于潮濕環(huán)境。GI指數(shù)先減小后增大，GI和TPI指數(shù)均大于1，表明木本植物占優(yōu)勢，支持了環(huán)境由干向濕變化的觀點(diǎn)。AR/PPR值在1附近波動(dòng)，表明基準(zhǔn)面的上升導(dǎo)致了湖泊的擴(kuò)張。與6-2z煤層相比，6-1煤層的聚煤環(huán)境更為濕潤，湖泊擴(kuò)張。

3)5-1煤層中鏡質(zhì)組含量高，V/I值大于1，說明聚煤環(huán)境較為潮濕，但5-1煤層自下自上鏡質(zhì)組含量和V/I值呈兩個(gè)減少的趨勢，惰質(zhì)組含量相反，反映了聚煤環(huán)境逐漸干燥。TPI和GI指數(shù)均大于1且GI指數(shù)呈減小的趨勢，說明木本植物占優(yōu)勢，環(huán)境由濕潤向干燥轉(zhuǎn)變。AR/PPR值在1～1.18波動(dòng)，呈上升趨勢，反映了基準(zhǔn)面上升，可容空間增加。與6-1煤層比較，可以判斷出5-1煤層雖然處于相對濕潤的聚煤環(huán)境，但湖泊收縮。

4)4-1煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值先減少再增加，且V/I值大于1，說明該煤層的聚煤環(huán)境由干燥轉(zhuǎn)為潮濕還原環(huán)境。TPI指數(shù)和GI指數(shù)大于1且GI指數(shù)呈上升趨勢，說明木本植物占優(yōu)勢，聚煤環(huán)境更加濕潤。AR/PPR由下部的小于1到上部的大于1，反映基準(zhǔn)面先下降后上升，湖泊在擴(kuò)張。4-1煤層聚煤環(huán)境比5-1煤層濕潤，湖泊擴(kuò)張。

圖5 煤層顯微組分以及煤相參數(shù)的垂向變化特征對比(長偏心率曲線據(jù)參考文獻(xiàn)[1]修改)Figure 5 Comparison of vertical variation characteristics of coal macerals and coal facies parameters (long eccentricity curve modified from reference [1])

5)3-1煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值逐漸減小，惰質(zhì)組含量相反，下部V/I值大于1，上部V/I值小于1，說明聚煤環(huán)境由濕潤變?yōu)楦稍?。TPI和GI指數(shù)從大于1變到小于1，顯示木本植物占優(yōu)勢，氣候由濕潤向干燥變化。AR/PPR值變化較大，初期AR/PPR值大于1，后期AR/PPR值小于1，說明可容空間減小，基準(zhǔn)面降低。3-1煤層較4-1煤層干燥，但與5-1煤層條件相似。3-1煤層處于逐漸干燥的聚煤環(huán)境，湖泊收縮。

6)2-2煤層自下而上鏡質(zhì)組含量和V/I值減少，惰質(zhì)組含量相反，且V/I值小于1，說明該煤層的聚煤環(huán)境逐漸干燥。TPI和GI指數(shù)說明木本植物占優(yōu)勢，聚煤環(huán)境干燥。AP/PPR值小于1，說明可容空間減少，基準(zhǔn)面下降。與下部3-1煤層相比，2-2煤層處于逐漸干燥的聚煤環(huán)境，湖泊收縮。

5 成煤作用的控制因素

5.1 氣候控制聚煤作用

氣候、沉積輸入、構(gòu)造和湖平面升降是控制沉積基準(zhǔn)面變化的四個(gè)地質(zhì)變量[27]。與海相盆地的海平面變化和聚煤作用的關(guān)系所不同，陸相盆地煤層的垂向演化規(guī)律由湖平面波動(dòng)、沉積物供應(yīng)和氣候決定[28-30]。這些因素不是相互獨(dú)立的：氣候和構(gòu)造通過影響侵蝕風(fēng)化進(jìn)而影響沉積物供給，湖平面波動(dòng)受控于局部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其影響下的沉積物供給，以及氣候變化。

在低位體系域，湖水后退，湖平面下降，可容空間減少，河道發(fā)育，砂巖向湖盆進(jìn)積覆蓋湖相沉積。晚期，隨著湖平面緩慢上升，局部植被覆蓋率增加，河流流域擴(kuò)大，可容空間增加為泥炭的沉積提供條件。低位體系域基準(zhǔn)面低，無足夠的可容空間供泥炭堆積，低位體系域含煤巖系的煤層厚度較薄。

湖侵體系域形成于湖水面快速上升時(shí)期。該時(shí)期氣候濕潤，降雨量豐富，植被覆蓋率高，湖平面上升，可容空間增加達(dá)到泥炭地形成條件，湖相沉積不斷向陸地方向推進(jìn)，當(dāng)可容空間與沉積物堆積速率達(dá)到平衡，厚煤層發(fā)育。6-2z、6-1、4-1煤層形成于湖侵體系域時(shí)期，其垂向演化具有鏡質(zhì)組含量和V/I、TPI含量增加的特征，植物保存完好，可容空間增加速率與泥炭堆積速率相適應(yīng)，有利于成煤。晚期，湖平面持續(xù)上升，可容空間增加速率遠(yuǎn)大于沉積物堆積速率，基準(zhǔn)面變深，泥巖沉積，湖侵終止，聚煤過程結(jié)束。

高位體系域形成于湖平面下降初期，可容空間依舊很大，可滿足泥炭地的發(fā)育條件，煤層較厚。5-1、3-1、2-2煤層形成于高位體系域時(shí)期，垂向上顯示鏡質(zhì)組含量和V/I值減小，TPI大于1，表明該時(shí)期雖然湖平面下降，但是植物保存較好，可容空間與泥炭堆積相平衡，有利于厚煤層發(fā)育。后期，氣候逐漸干旱，湖平面下降，植被減少，煤層逐漸變薄，陸源碎屑物不斷向盆地內(nèi)部沉積，可容空間逐漸被河道沉積物充填，聚煤作用終止。

東勝地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，地勢兩邊高，中間低。鄂爾多斯盆地是典型的克拉通內(nèi)坳陷盆地，延安組時(shí)期東勝地區(qū)位于湖盆的東北邊緣，構(gòu)造沉降穩(wěn)定,無明顯的斷裂[31-32]?？拷镌磪^(qū)，沉積物豐富[33]，東勝地區(qū)湖平面變化的直接控制因素為氣候。通過對煤層的顯微組分分析，同樣發(fā)現(xiàn)聚煤環(huán)境不斷在潮濕和干燥之間轉(zhuǎn)換，可推斷氣候是控制煤相演化的主要因素。

5.2 長偏心率影響聚煤作用

根據(jù)延安組旋回地層學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)主要煤層的發(fā)育層位與天文軌道參數(shù)中的長偏心率405ka的最小值相對應(yīng)(圖5)，而在長偏心率405ka的最大值對應(yīng)的是碎屑巖發(fā)育[1]。在長偏心率的高值期間，氣候的季節(jié)性差異大，會(huì)造成河流流量和碎屑輸入增加，在長偏心率的低值期間，氣候的季節(jié)性差異小，提供了穩(wěn)定的氣候條件，植被的覆蓋率高，物源供應(yīng)減少。在侏羅紀(jì)時(shí)期，長偏心率最大值期間通常為常年干旱氣候并伴隨著短時(shí)期的密集降雨，季節(jié)性差異大；長偏心率最小值期間通常為溫暖濕潤的氣候，季節(jié)性差異適中，有利于植被生長，適合泥炭堆積。

綜上所述，氣候是控制延安組煤相變化的主要因素。

6 結(jié)論

1)東勝煤田延安組識(shí)別出兩種沉積相曲流河和湖泊三角洲。根據(jù)地層的疊加方式和沉積演替劃分出低位體系域、湖侵體系域、高位體系域。

2)延安組煤層的顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組的含量變化范圍在20.06% ～64.29%，惰質(zhì)組的含量變化范圍在29.85% ～73.22%，殼質(zhì)組和礦物質(zhì)的含量較少。煤相類型以潮濕森林相為主，成煤植物以木本植物為主。

3)延安組為典型的陸相湖盆沉積環(huán)境，東勝地區(qū)構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定，沉積物供給豐富。煤層的垂向演化特征主要受湖平面波動(dòng)的影響。通過V/I、GI指數(shù)、AR/PPR值分析得出煤層的垂向特征，成煤環(huán)境由早期的干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗裼众呌诟稍?。顯微組分以及長偏心率分析得出氣候是控制煤相演化的主要因素。