陶和礦區西山窯組層序地層學與聚煤規律研究

劉洪勝，陳志強

（山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南250100）

陶和礦區位于新疆和什托洛蓋盆地東端，面積約48 km2，煤炭資源量13.4億t，含煤地層主要為中侏羅統西山窯組。西山窯組指整合于頭屯河組之下，三工河組之上的一套含煤碎屑巖沉積，為新疆最主要的含煤地層，俗稱“上含煤層”。西山窯組選層型剖面位于新疆瑪納斯河紅溝[1]，厚度972 m。前人對和什托洛蓋盆地成生發展、構造演化、地層特征進行了一定的研究工作[2-4]，認為盆地自西向東沉積物粒度變小，湖相地層比例加大,盆地的東北部是沉降最大的地區[3]。還保存有扇三角洲環境的沉積記錄，故也是距離盆地邊緣較近的地區[3]。一般把盆地中部-西部西山窯組劃分為2個三級層序[5-8]，可采煤層最多達41層[6]。但對和什托洛蓋盆地東部（陶和礦區及周圍）沉積環境、煤系特征的研究明顯不足，缺少物源方向依據，對盆地橫向變化缺少對比依據；盆地東部三級層序發育特征缺少研究，尤其是整個盆地高分辨率層序地層學研究不足[9]，在一定程度上影響了油氣田勘探開發各階段的要求。本文依據勘查資料對陶和礦區西山窯組沉積相進行了厘定劃分，應用高分辨率層序地層學理論方法構建了礦區層序地層格架，研究了物源方向及準層序中煤層聚集的規律。

1 礦區地質概況

1.1 礦區構造位置與盆地演化

新疆和什托洛蓋盆地為一山間小盆地，位于西伯利亞板塊、準噶爾微板塊與哈薩克斯坦微板塊交界部位[10]。東西長約230 km，南北寬14～46 km，面積約5600 km2[11]。盆地于印支期形成雛形。由于燕山早期區域性伸展作用影響，盆地沉積范圍迅速擴大，水體也隨之不斷加深，整個盆地中沉積了厚度巨大、較為均勻的下—中侏羅統。其中，西山窯組在盆地中部最厚，向兩端稍有減薄，東部陶和礦區地層厚度一般在480～570 m之間。

1.2 煤層特征

陶和礦區大部位于庫侖鐵布克背斜南翼，地層傾角10°～41°，北部煤層可出露地表，南部控制埋深1200 m。西山窯組共含煤35層，其中可采煤層為19層，煤層平均總厚度為43.45 m[12]。主要可采煤層有7層（編號自上而下為B132、B131上、B12、B10上、B9上、B5、B3下），結構簡單，均為穩定—較穩定的中厚—厚煤層（表1）。主采煤層厚度呈規律性變化，B132、B10上、B9上煤層厚度由SW向NE逐漸變薄；B131上、B12、B5、B3下煤層厚度由SW向NE逐漸變厚（圖1）。主采煤層自身特征、層間距、測井曲線[13]、地震物性特征基本一致，煤層對比可靠。

圖1 陶和礦區主采煤層厚度等值線圖

表1 煤層特征一覽表

2 層序地層特征

2.1 單井層序界面識別及層序劃分

ZK1105孔中西山窯組短期旋回明顯，主要巖性包括細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、煤層、炭質泥巖等。以其為例利用鉆探巖芯、測井資料等進行單井層序地層分析（圖2）。層序界面識別標志主要為沉積相旋回組合、下切侵蝕界面、相轉換面等[14-20]。西山窯組頂部與頭屯河組底礫巖呈假整合接觸[3，11]，為典型層序界面（SB3）；底部與下侏羅統三工河組界面為區域沉積相轉換面（SB1）；中部識別出1個沉積相轉換面（SB2）。依據3個層序界面劃分三級層序2個，分別命名為SQI、SQⅡ。

圖2 陶和礦區ZK1105孔西山窯組層序地層及沉積相

初始湖泛面（fs）是位于低位體系域與湖擴體系域之間的標志界面，SQI層序、SQⅡ層序初始湖泛面分別對應西山窯組下部、中部相對連續薄煤層底界面。最大湖泛面（mfs）主要特征為發育廣泛分布的泥巖，是指一個湖平面變化周期中的最高湖平面。最大湖泛面之下以退積沉積組合樣式為主；最大湖泛面之上以進積沉積組合樣式為主。本次依據識別出的初始湖泛面、最大湖泛面來確定三級層序的低位體系域、湖擴體系域和高位體系域。

SQI中識別出9個準層序；SQⅡ中識別出11個準層序。所謂準層序（短期旋回），是由于地球偏心率短周期導致氣候變化而形成的沉積充填序列組成，其時限基本一致[9]。初始湖泛面以灰色—灰黑色粉砂質泥巖出現為代表；最大湖泛面以自下而上沉積組合樣式由進積向退積轉變進行判別。

2.2 連井層序對比

依據鉆孔的分布，選擇近EW向連井剖面線進行分析研究（圖3）。根據單井劃分及連井分析，東西兩側砂巖含量高，為物源方向。SQI為單一的三角洲平原環境；SQⅡ以三角洲平原環境為主，最大湖侵期發展為三角洲前緣環境。SQⅡ的厚度、厚煤層數、最大湖侵范圍均明顯超過SQI。

圖3 陶和礦區西山窯組層序地層及沉積體系格架圖（剖面位置見圖4）

SQI層序：主要巖性為粉砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖，泥巖、煤層次之，中粒砂巖偶見。低位體系域由1個上升半旋回（IPs1）構成；湖擴體系域由5個上升半旋回（Ips2、3、4、5、6）組成；高位體系域由1個上升半旋回（Ips7）、1個加積旋回（Ips8）和1個下降半旋回（Ips9）組成。B3下煤層位于湖擴體系域中部，B5煤層位于高位體系域中上部。

SQⅡ層序：巖性組成與SQI層序大體一致。低位體系域由1個下降半旋回（ⅡPs1）組成；湖擴體系域由4個下降半旋回（Ⅱps2、3、4、5）和1個上升半旋回（Ⅱps6）組成；高位體系域由2個下降半旋回（Ⅱps7、8）和3個上升半旋回（Ⅱps9、10、11）組成。B10上、B9上煤層位于湖擴體系域中部，B132、B131上、B12煤層位于高位體系域中部。

3 巖相古地理及聚煤規律分析

3.1 沉積相分析

渠洪杰等[3]認為，和什托洛蓋盆地沉積物物源方向為盆地北部和西南部山區，西山窯組以曲流河沉積體系為主；胡楊等[10]依據和參1井、和參2井孔隙度與滲透率特征，認為西山窯組自西向東沉積環境存在橫向變化。本次研究認為：陶和礦區西山窯組以發育三角洲相為主。依據沉積物特征、沉積韻律、巖性組合及測井曲線特征[13]，可區分出三角洲平原亞相、三角洲前緣亞相（表2）。三角洲平原以分支流河道砂沉積與沼澤的煤層沉積為主，另有天然堤、分支間灣、湖泊等；三角洲前緣包括分支流河口砂壩、遠砂壩。

表2 沉積相劃分表

3.2 沉積相演化特征

本區西山窯組沉積特征總體為三角洲相，是盆地由湖泊相向河流相轉變的中間過程，盆地基底活動小[4]，沉積較為均勻。前期西部為主要的物源方向，砂巖厚度大；后期東部砂質匯入增強。全區砂/泥比值均大于0.6，砂/泥比值為0.6～1.5，區域上應屬于三角洲前緣，砂/泥比值大于1.5基本屬于三角洲平原。物源匯入區砂/泥比值比中部大，大于2.0的區域呈朵葉狀平面展布特征（圖4），應為分支流河道及其擺動范圍。

圖4 西山窯組砂泥比平面展布圖

3.3 煤層聚集特點

煤層發育的主要控制因素包括泥炭聚集期古構造、古地理、古氣候、沉積環境以及古植被發育條件等[21]。西山窯組2個三級層序中，低位域可容納空間的增長有限，其小于沉積物的堆積速率，泥炭沼澤不發育，僅在局部形成不連續的炭質泥巖；最大湖侵面垂向臨近區（即湖擴體系域上部及高位體系域下部），由于可容納空間的增長遠大于沉積物的堆積速率，也不利于煤炭堆積。湖擴體系域中部及高位體系域中部，陸源碎屑供給不斷減少，泥炭堆積速度與可容納空間的增長速率形成一定時期的動態平衡，有利于厚煤層的形成。在本區總體水淺環境下，厚煤層主要發育于下降半旋回底部（B9上、B12）、上升半旋回頂部（B131上、B132）（表1）。

煤層厚度變化在橫向上表現出一定的規律性。B3下、B5煤層自西向東變厚，主要歸因于西部砂泥質匯入形成了煤分層；B9上、B10上煤層自西向東變薄，歸因于煤層形成于沼澤持續發育的晚期，東部由于大量泥質匯入造成煤層間歇式發育；B12煤層在本區厚度大且東部最厚，首先是由于這一時期泥炭堆積速度與可容納空間增長速率長期保持動態，其次是西部物源供給略強于東部；B131上煤層表現出中部厚而東、西兩側變薄特點，歸因于東、西兩個方向物源供給水平相當，中部區域更有利于煤層聚集；B132煤層表現為自西向東變薄特點，推測為東部隨湖侵進一步擴大，植物被淹之故。

4 結論

本文在和什托洛蓋盆地陶和礦區西山窯組中識別出1個不整合面、2個沉積相轉換面，進一步劃分出2個三級層序、20個準層序。

厚煤層主要形成于湖擴體系域中部及高位體系域中部，其與準層序的對應關系表現為多樣性，短期旋回之下降半旋回底部及上升半旋回頂部易于形成厚煤層；各主采煤層厚度由SW向NE呈規律性變化。

通過進行巖相古地理分析，本區主要為三角洲相沉積；物源為東、西兩個方向，以西部為主，后期東部增強；主采煤層頂、底板巖性隨距物源的遠近呈規律性變化。