彬長礦區延安組煤層發育特征及其控制因素分析

陳曉智，湯達禎，許 浩，鄧春苗，何 偉，田 沖

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083；2.教育部海相儲層演化與油氣富集機理重點實驗室，北京 100083)

我國煤炭資源量巨大，煤層氣產業也已經進入快速發展階段[1-3]。煤層氣在煤田中普遍存在，但要成功地對其進行大規模的商業化開發，需具備并認清煤層氣地質條件。作為煤層氣的生氣與儲氣載體，煤層的地質特征制約著煤層氣的形成、運移與富集成藏[4-5]。對于地質條件復雜、經歷多期構造運動的含煤地層，準確地對其進行劃分與對比，是煤層氣開發的理論依據。因此，認清煤層發育特征，確定煤層對比的準確性以及分析煤層發育特征的控制因素，是今后采煤與采氣綜合勘探開發的一項非常重要的基礎工作。

1 區域地質概況

彬長礦區是國家規劃的十三個煤炭基地——黃隴基地的主力礦區之一，礦區位于陜西省黃隴侏羅紀煤田中部的彬縣-長武縣境內，面積3011.788km2。構造位置處于鄂爾多斯盆地西南緣，分屬陜北斜坡旬邑坳陷西部，渭北隆起帶北緣，西部褶皺帶東側。礦區地質構造簡單，總體形態為一個NW向緩傾的單斜構造[6]，其上發育少量的短軸背斜與寬緩向斜組成的褶皺構造，軸向近NEE-SWW，地層傾角一般小于10°，區內斷裂構造較不發育。

2 彬長礦區煤層發育特征

2.1 含煤地層

彬長礦區區域范圍波及到彬縣全境和長武縣南部的主要含煤區域。區域地質調查和鉆孔深部地質揭露表明，礦區西南外緣出露古生界地層，向內依次為三疊系、侏羅系、白堊系、新近系和第四系地層。

彬長礦區主要的含煤地層為侏羅系中統延安組。根據巖性、巖相及含煤性，可將其自下而上分為延一段、延二段和延三段三個含煤段，含煤系數為17.4%[7]。

2.2 煤層對比

彬長礦區由高家堡、楊家坪、大佛寺等近20個勘查區或煤礦組成，由于勘探時間及勘查隊伍的不同，各個勘查區或煤礦發育煤層編號不盡相同，這為煤層的開采及煤層氣的勘探開發帶來了極大的困難。利用基準面旋回與沉積相、巖性組合、測井曲線組合及煤層自身特征多種方法，綜合分析4號煤層發育規律，得出了彬長礦區發育煤層對比結果，即延一段發育4#煤層；延二段發育4上、4上-1和4上-2煤層；延三段發育3#、2#和1#煤層。其中，延一段的4#煤層單層厚度大，為研究區的主采煤層。

(1)基準面旋回與沉積相

經典層序地層學原理認為，海平面的升降變化是層序演化的主要機制，而基準面旋回是海平面升降變化的反映[8]。受多期構造運動的影響，延安組地層與下伏富縣組和上覆直羅組均為局部平行不整合接觸，巖性剖面上表現為上覆地層底部的粗粒沉積(粗砂巖或細砂巖)對下伏地層發育的煤層或泥巖層的強烈切割作用，測井曲線上為幅值突變現象，可劃分為三級層序界面。與整個鄂爾多斯盆地延安組發育特征相比，彬長礦區缺失上部第四段和第五段沉積[9]，三級層序旋回表現為基準面上升半旋回，并劃分為兩個四級上升半旋回，分別對應初始充填體系域和超覆充填體系域。

煤是在潮濕的沼澤環境由植物腐爛變質演變而來[10]，延一段4#煤層和延三段3#煤層均發育在四級上升半旋回的頂部，沉積環境處于有利于煤層發育的河漫沼澤相、三角洲平原的沼澤相和湖相的泥炭沼澤相中，煤層沉積穩定，可全區對比。

(2)巖性組合

巖性組合特征是沉積環境的物質反映。煤屬于一種特殊的巖石類型，煤層的發育必然與煤層頂底板發育的巖石類型有著較為密切的關系，而煤層氣的富集程度，更受其頂底板巖性的致密程度及厚度的嚴格控制[11]。彬長礦區延一段發育4#主力煤層，其底板巖性多為鋁土質泥巖、泥質粉砂巖等細粒碎屑巖，頂板表現為碳質泥巖薄層(圖1)。通過識別這兩個巖性標志層，可有效地指導4#煤層的發掘開采。

(3)測井曲線組合特征

測井曲線具有連續性好、可比性強、不受巖心采樣率的影響、人為干擾因素小的特點[12]。

利用測井曲線可以較真實地再現地下地層巖性組合特征，進一步提高煤巖層對比的可靠程度。

彬長礦區4#煤層物性特征明顯，由于煤層厚度與結構不同，各種測井曲線的形態與圍巖物性差異明顯。測井曲線組合，一般表現為“三高一低一負”的形態特征。電阻率曲線呈“箱形”或“鐘形”，與上下圍巖表現為突變特征，為陡值高異常；聲波時差為異常高值的“箱形”特征；伽馬伽馬曲線顯示為陡值高異常，呈多峰齒的“箱形”；自然伽馬為低值異常，呈“低凹箱形”，與電阻率曲線形成“巨箱形”組合；自然電位曲線一般為負異常。

(4)煤層自身特征

彬長礦區延安組各煤層的厚度差異性、沉積穩定性及煤層自身結構的不同，給煤層對比提供了良好依據[13]。4#主采煤層由于聚煤環境相對穩定，整體來講，具有單層厚度大、夾矸少的特點。煤層厚度有規律變化，南部較厚，北部較薄，由西向東煤層減薄并發生分岔現象，厚度0.78～22.34m，平均厚度9.91m。煤層均呈現黑色，具褐黑色條痕，以瀝青光澤為主，斷口為階梯狀、參差狀，少量平坦狀，煤巖類型多為暗淡型、半暗型和半亮型。

3 煤層發育的控制因素

3.1 構造作用

煤系的現代展布及賦存狀態，主要受聚煤期后地質構造的控制。鄂爾多斯盆地屬于發育在克拉通之上，經印支運動不同程度改造而形成的前陸盆地，為沉積和聚煤作用提供了良好場所[14]。彬長地區煤系地層沉積后，主要經歷燕山期擠壓逆沖、抬升剝蝕，以及喜山早期逆沖擠壓和晚期伸展斷陷作用。延安組煤系沉積后，地殼仍然處于穩定狀態，該區在煤系沉積基礎上，接受連續沉積。在侏羅紀末期，燕山運動強烈作用，延安組煤系經歷了第一次強烈的構造運動，同時產生了許多褶皺和斷裂，煤系上覆地層遭受嚴重剝蝕，煤的演化及生氣停止。早白堊世時期，地殼相對穩定，研究區以持續沉降為主，延安組煤層幾乎均發生變質演化及生氣作用；到早白堊世末期，燕山運動使地殼全面隆升，晚白堊世和古近紀幾乎沒有接受沉積，煤的演化、生氣處于終止狀態。

彬長礦區侏羅系地層整體以持續沉降和抬升剝蝕為主，斷層很少發育，礦區內部自北向南發育七里鋪-西坡背斜、雅店背斜和孟村向斜等褶皺構造[15]。這些褶皺均形成于印支期，且在燕山期構造層具有一定的繼承性。4#主采煤層表現為向斜區厚，背斜區薄，其含氣量則呈向斜或兩背斜之間區域高、背斜區偏低的特征。

3.2 沉積古地理

彬長礦區延安組沉積時期，古地形地貌發育特征明顯，受三疊系末期的剝蝕作用控制。研究區整體地勢平坦，局部地區發育的古隆起形成了無煤區。

延一段地層是在富縣組地形填平補齊的基礎上沉積的。中下侏羅統地層沉積早期，地殼因長期夷平，在低洼地區形成廣闊的濕地沼澤，為4#煤沉積提供了良好的聚煤場所。整體來看，在南部大佛寺礦區與北部雅店礦區煤層厚度較大，在由東南至東北方向，由于古河道的下切沖刷作用或沉降幅度發生變化引起成煤條件變差，煤層發生分岔、變薄或尖滅。

延二段沉積時期，由于地形起伏差異逐漸變小，巖相古地形環境以河沼相為主，河床相、河漫相及沼澤相交替出現，形成了該段地層以沉積河流體系的河道、河漫灘沉積為主的中粗粒砂巖。零星分布的薄煤層形成于短暫而不穩定的泥炭沼澤相，煤層薄，且厚度極不穩定。

延三段沉積時，區域地形趨于平坦，主干河流已經遠離成煤區，從而形成了湖沼化沖積平原，巖相古地理環境以湖沼相為主。煤層形成于濱湖泥炭沼澤。隨后，地殼整體抬升，成煤作用結束。

3.3 古氣候

氣候條件不僅控制著大氣降水，同時也控制著地表水的蒸發、陸表風化作用以及植被發育等情況，從而控制著沉積環境演化及煤層發育特征。彬長礦區生長多種古植物，其中，銀杏類約占33.8%，松柏類約占18.5%[16]，結合古地磁資料[17]，總體反映了亞熱帶～暖溫帶氣候條件。此外，研究區Classopollis花粉分布面積較大[18]，反映了在氣候濕潤的條件下，富含Classopollis花粉的母體植物生活在泥炭沼澤環境中，并參與了成煤作用，形成了延安組一段沉積時期的富煤帶。延安組晚期，古濕氣流減弱，氣候向干燥化方向發展，成煤作用下降至結束。

4 結論

(1)依據基準面旋回與沉積相、巖性組合、測井曲線組合及煤層自身特征等多種煤層對比方法的綜合運用，確定了4#煤層對比的準確性。煤層主要發育在四級層序上升半旋回的頂部，沉積于河漫沼澤、三角洲平原的沼澤或湖相的泥炭沼澤環境中。4#煤層頂底板以碳質泥巖、鋁土質泥巖或泥質粉砂巖為主，煤層在組合測井曲線上表現為“三高一低一負”的特征，具有單層厚度大、橫向變化有規律的特點，煤巖類型多為暗淡型、半暗型和半亮型。

(2)彬長礦區雖經歷了印支、燕山及喜馬拉雅多期構造運動，但侏羅系地層總體以持續沉降和抬升剝蝕為主，褶皺構造控制了煤層厚度變化規律，而晚期的喜馬拉雅運動是造成礦區煤層含氣量偏低的主要原因。

(3)煤層發育受古地形的控制，研究區4#煤層主要沉積于地勢較低的泥炭沼澤環境中，古隆起和古河道的發育形成了無煤區。古氣候條件分析表明，亞熱帶～暖溫帶的濕潤氣候，為富含Classopollis花粉的植物提供了生存條件，有利于成煤作用的形成。

[1] 翟光明, 何文淵. 抓住機遇, 加快中國煤層氣產業的發展[J]. 天然氣工業, 2008,28(3):1-5.

[2] 姜文利. 我國煤層氣產業發展問題分析[J]. 天然氣工業, 2009, 29(10): 114-117.

[3] 姚國欣, 王建明. 國外煤層氣生產概況及對加速我國煤層氣產業發展的思考[J]. 中外能源, 2010,15(4): 25-33.

[4] 張新民, 鄭玉柱. 煤層氣與煤炭資源協調開發淺析[J]. 煤田地質與勘探, 2009, 37(3): 19-22, 26.

[5] 張翔, 田景春, 李祥輝, 等. 陸相煤系聚煤環境及聚煤特征——以青海祁連山和柴北緣含煤區侏羅系為例[J]. 煤田地質與勘探, 2009, 37(6): 1-5.

[6] 王興. 彬長礦區優質富煤帶及環境因素[J]. 陜西煤炭， 2005(2): 7-9.

[7] 黃隴侏羅紀煤田-彬長(永隴)礦區[J].陜西煤炭技術，1994(21): 62-66.

[8] 徐懷大, 王世風, 陳開遠. 地震地層學解釋基礎[M]. 武漢: 中國地質大學出版社, 1990: 5-12.

[9] 林文姬, 湯達禎, 徐鳳銀, 等. 彬長地區延安組層序地層劃分[J]. 中國煤炭地質, 2009, 21(10): 5-8.

[10] 李增學, 魏久傳, 劉瑩. 煤地質學[M]. 北京: 地質出版社, 2005: 1-2.

[11] 龍玲, 王興. 陜西彬長礦區煤層氣賦存特征及資源利用[J]. 中國煤田地質, 2005, 17(5): 44-46.

[12] 伍遠學, 陸玉歡. 測井曲線在含煤巖系的劃分及對比中的應用——以貴州省盤縣北部某井田為例[J]. 中國煤炭地質, 2009, 21(5): 72-74.

[13] 王優良. 彬長礦區胡家河井田煤層特征及其對比[J]. 陜西煤炭, 2005(4): 22-23.

[14] 申小龍, 楊宏科, 韋文奎. 黃隴侏羅紀煤田西部構造機理及控煤規律[J]. 中國煤田地質, 2005, 17(5): 11-13.

[15] 王雙明. 鄂爾多斯盆地聚煤規律及煤炭資源評價[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 1996: 126-128.

[16] 王雙明，主編. 煤田地質與可持續發展研究[M]. 西安: 陜西科學技術出版社, 2003:11-16.

[17] 黃克興, 侯恩科. 鄂爾多斯盆地北部早、中侏羅世古氣候[J]. 煤田地質與勘探, 1988, 16(3).

[18] 莊軍, 吳景鈞，等著. 鄂爾多斯盆地南部早中侏羅世聚煤特征與煤的綜合利用[M]. 北京: 地質出版社, 1996: 119-121.