神府南區直羅組下段古河道沖刷帶水動力條件的定量表征

郭亮亮，胡 儉，張 池，榮 輝，任智智，王建英，鄭宇航，王宏科，孫 魁

(1. 中國地質大學 構造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074；2. 陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西 神木 719300；3 .陜西陜煤陜北礦業有限公司，陜西 榆林 719000；4. 陜西省地質環境監測總站 自然資源部礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

古河道沖刷帶是造成煤炭開采過程中水害的關鍵地質因素，因此，對含煤巖系中古河道沖刷帶的研究引起了廣泛的關注[1-4]。目前對含煤巖系中古河道沖刷帶的研究主要集中在古河道沉積環境及空間分布預測等方面，主要采用研究方法包括沉積地質分析、地球物理及地質統計等[5-9]。然而，對古河道帶沖刷帶的古水動力條件量化表征方面的研究卻很少，限制了對含煤巖系中河道沖刷帶形成過程的深入理解和精準預測。

20世紀80年代勘探表明，鄂爾多斯盆地內具有世界級超大型煤礦，煤層氣、天然氣資源儲量居全國首位，盆地內還產有鈾礦、鉛鋅礦、石油和水資源等豐富的礦產資源[10-14]。神府南部礦區位于鄂爾多斯盆地東北部，延安組是該地區煤炭開發的主要目的層，但上覆直羅組具有穩定的砂體，具備良好的含水條件，其古河道沖刷延安組煤層頂板造成突水問題，在陜西省檸條塔煤礦和紅柳林煤礦的礦井涌水量很大，可達到1 000 m3/h左右[15]，所以對直羅組古河道沖刷帶水害防治成為當務之急。鑒于此，筆者以鄂爾多斯盆地東北部神府南區直羅組下段古河道沖刷帶為例，利用粒度分析方法獲取古河道砂體粒度分布直方圖、概率累積曲線、粒度參數，綜合判斷古河道砂體的沉積環境，在此基礎上，通過比較沉積學原理和方法量化表征古河道沖刷帶形成的古水動力條件。

1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地屬于克拉通盆地，是我國第二大沉積盆地，位于華北板塊西部，處于我國三大構造的中部構造域的中段[16]，盆地劃分為伊盟隆起、西緣沖斷帶、天環坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起6個二級構造單元[17]。神府南部礦區低灰、低硫、高熱值的低階煤，一直是我國主要的工業原料的來源[18-19]。神府南部礦區位于鄂爾多斯盆地東北緣，構造上處于陜北斜坡[19](圖1(a))。地表出露和鉆探、井巷工程揭露的地層由老至新主要有三疊系上統永坪組、侏羅系中統延安組、直羅組、安定組及新近系、第四系地層。神府南部礦區直羅組下段古河道對延安組煤層的沖刷作用極為明顯[20](圖1(b),(c))。

2 樣品采集與實驗方法

2.1 樣品采集

樣品選擇鄂爾多斯盆地東北部神府南部礦區直羅組下段SJ04，SJ06，SJ10和SJ11四口井(圖1(b))。根據鉆孔資料、巖性的分布規律及特點，將直羅組下段劃分為4個旋回：即a旋回(J2z1-a)、b旋回(J2z1-b)、c旋回(J2z1-c)和d旋回(J2z1-d)。采樣39個，每口井的旋回及樣品的垂向分布位置如圖1(d)所示。

將所選樣品在偏光顯微鏡觀察發現，顆粒磨圓性表現為次棱角狀-次圓狀，顆粒主要是點接觸與面接觸，a,b,c旋回分選性較差，d旋分選性中等(圖2)。

圖2 神府南區直羅組古河道砂體鏡下特征Fig.2 Microscopic characteristics of paleo-channel sandbodies of Zhiluo Formation in Shenfu south area

2.2 實驗方法

(1)觀察樣品薄片并拍照。將樣品逐個放置在顯微鏡下，對于中砂和粗砂使用單倍鏡觀察、拍照，對于細砂和粉砂則采用5倍鏡。在拍照時不僅要保證照片的清晰度，還應注意照片應當具有代表性，可以代表整個薄片的粒度特征，進而保證后期的統計工作的意義。

(2)顆粒粒徑統計。使用Ipp軟件進行粒徑測量，每個樣品統計碎屑顆粒300～500個。具體操作方法為：首先設定標尺，1X,5X各設定1個，然后逐個測量碎屑顆粒的粒徑，統計數目達到要求后，將數據導出。

(3)統計結果數據處理。將得到的數據進行處理，計算出頻率以及累積頻率。同時，通過這些數據也可進行各種粒度參數的計算。

3 直羅組下段砂體粒度特征

3.1 直方圖

直方圖中特征：a,b,c旋回的直方圖較d旋回分布相對靠左，粒徑相對較粗；a旋回到c旋回直方圖粒徑主要分布于1φ～5φ(φ為粒度分析時常用的粒徑單位[21]，φ=-log2D，D為顆粒直徑，mm)，粒徑分布相對離散，而d旋回粒徑分布于1.5φ～3.5φ，粒徑分布相對集中(圖3)。

3.2 概率累積曲線

概率累積曲線主要表現為兩段式：跳躍總體與懸浮總體，a旋回的概率累積曲線中，跳躍總體比較發育，一般占比50%～60%，分選中等，懸浮總體斜率較小，分選差，截點S對應的粒徑為2φ～4φ，截點沒有明顯的緩和過渡(S為懸浮總體和跳躍總體的交點，表示懸浮的最粗顆粒)；b，c旋回中還是以跳躍總體含量較高為特征，逐漸出現較多懸浮總體特征，截點S對應的粒徑為2φ～5φ，d旋回跳躍總體的含量達到峰值，與懸浮總體的截點進一步變大(圖4)。

3.3 直羅組下段粒度參數特征

粒度參數能指示一定的沉積環境其成因意義，為了提高參數對環境的判別能力，采用兩兩參數組合，做出粒度參數的散點圖來區分環境，分別為標準偏差(σ)-平均粒度(Mz)、標準偏差(σ)-偏度(Sk)、標準偏差(σ)-峰度(Kg)、C-M圖(C為累積概率曲線上顆粒含量1%處對應的粒徑，M為累積概率累積曲線上50%處對應的粒徑),如圖(5(a)～(d))所示。

直羅組下段砂體粒度參數特征為：平均粒徑(Mz)在1.13～3.43，其平均值為2.56，平均粒徑表現為細砂，含有部分極細砂(表1);標準偏差(σ)在0.50～1.16，變化范圍較大，據Folk分選劃分，其中位于0.71～1.00為分選中等，占56.4%、小于0.71為分選好，占28.2%、大于1.00分選差，占15.4%，主要表現為中等-較好，少量分選差。

圖4 直羅組下段砂巖粒度概率累積曲線Fig.4 Probability cumulative curves of sandstone grain size in the lower member of Zhiluo Formation

圖5 直羅組下段粒度參數散點圖Fig.5 Scatter diagram of grain size parameters in lower member of Zhiluo Formation

平均粒徑主要位于標準偏差(σ)0.8～1.0，表現分選中等(圖5(a))；偏度(Sk)為-0.23～0.26，主要為對稱和正偏，還有部分負偏(圖5(b));峰度(Kg)在0.73～1.09，變化范圍小，整體為近正態，極少量表現平坦(圖5(c))；C-M圖表現為PQ段與QR段，主要集中于PQ段，與牽引流沉積的C-M圖解模式的PQ和QR段相符且不與C=M基線平行(圖5(d))。

4 討 論

4.1 沉積環境分析

沉積物的粒度是碎屑顆粒沉積過程的最基本的特征，是定量表征搬運營力的度量尺度和判別沉積環境及水動力條件的良好標志之一[21-25]。前人對該地區直羅組下段沉積環境研究較多，如：焦養泉等[26-27]、易超等[28]認為，鄂爾多斯盆地東北部直羅組下段為三角洲沉積成因；程先鈺等[29]、王善博等[30]、薛銳等[31]認為，該區直羅組下段為河流沉積成因。筆者根據粒度分析特征對該地區沉積環境進行判別：① 砂巖分選中等-好；以跳躍總體為主，滾動總體不發育，牽引流沉積特色明顯。②C-M圖對應牽引流的QR和PQ段—河流-三角洲沉積特色。③ 偏度除正偏外，一部分屬于負偏——沉積物受波浪改造。通過粒度分析的以上3個特征，初步判斷直羅組下段是三角洲沉積體系。從野外露頭、鉆孔巖心及砂體展布資料來看[20,26-27]，直羅組下段以礫巖、粗砂巖、中砂巖及細砂巖發育為主，細粒沉積物很少，說明其主要以三角洲平原分流河道發育為主；而對比旋回a,b,c,d，可以發現，a,b,c三個旋回粒度粗，分選相對差，而d旋回粒度細，分選好，因此綜合判斷a,b,c旋回為辮狀河三角洲平原分流河道，而d旋回為曲流河三角洲平原分流河道。

4.2 古水動力條件分析

沉積物粒度分布是物質來源、沉積區水動力環境、輸移能力和輸移路線的綜合反映[32]。根據泥沙起動速度公式，可計算沉積環境中沉積物開始運動的速度(即起動速度)，該方法雖不能精準計算古水流速度，但可粗略估計其大小，為定量表征古水動力條件提供一種思路[33-36]。根據霍中遷和李甲榮等[34]總結的泥沙起動流速(式(1))計算了直羅組下段各旋回中砂巖沉積的起動流速(表1)，(其中d為對應樣品實測粒徑；h，k在下文中公式說明)，可以看出，直羅組下段從a旋回到d旋回，起動速度依次減小，說明古水動力逐漸減弱。弗勞德數反映水流的慣性力與重力之比，其大小可反映水流的流態特征，根據式(2)計算弗勞德數(表2)可知，Fr都小于1，屬于低流態(Fr>1為高流態，Fr=1為臨界狀態，Fr<1為低流態[37])。根據岱海步量河三角洲粒度分析特征與沉積環境對比[38-39]，其與直羅組下段沉積相似，所以平均水深取自岱海步量河三角洲平原分流河道水深。

表1 直羅組下段樣品的粒度參數和起動速度

v=kd1/3h1/6

(1)

(2)

式中，v為起動流速；d為顆粒粒徑；h為水深，取0.3 m；k為經驗系數(文中系數k取霍中遷等[34]總結系數的平均值為5.18)；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

礫石主要在a旋回底部，由直羅組下段古河道中礫巖厚度展布(圖6(a))可知，河道中心礫巖最厚，可達8 m左右。由于測量粒徑數量有限，不便做粒度分析，測量野外露頭及巖心中(圖6(b)，(c))的礫石直徑，測得鉆孔SJ-06礫石平均粒徑66.70 mm，SJ-11礫石平均粒徑70 mm，露頭礫石平均粒徑88.3 mm(表2)，根據式(1)計算鉆孔SJ-06，SJ-11和露頭礫石的起動流速依次為1.72，1.75，1.86 m/s，平均起動流速為1.78 m/s。根據式(2)算得鉆孔SJ-06,SJ-11和露頭礫石的弗勞德數依次為1.00，1.02，1.08(表2)，弗勞德數的平均值為1.05>1，屬于高流態。

圖6 神府南區礫巖平面分布及鉆孔礫巖特征Fig.6 Plane distribution of conglomerate and characteristics of drilling conglomerate in Shenfu south area

事實上，河道形成時期的水動力是比沉積物所反映的水動力更強，才能搬動最大沉積物，可見直羅組下段底部礫巖沉積時期的水動力條件最強，表現為古河道對延安組煤層的侵蝕作用(圖1(b)，(c))，是形成河道沖刷帶形態的關鍵時期，而a旋回到d旋回砂巖沉積時期的水動力條件均較弱，表現為對早期形成的古河谷的充填作用。

5 結 論

(1)直羅組下段從下到上分為a，b，c，d四個沉積旋回。從a旋回到d旋回，粒徑逐漸分布集中；概率累積曲線以兩段式為主，懸浮總體含量逐漸增多；顆粒粒徑(Mz)表現為以細砂主要，含少量極細砂、粗砂；標準偏差(σ)集中在0.50～1.16，指示分選性呈中等-較好；偏度(Sk)以對稱和正偏為主；峰度(Kg)主要表現為中等到尖銳；在C-M圖上對應為PQ和QR段。

表2 泥沙起動流速公式計算值

(2)a旋回到c旋回為辮狀河三角洲平原分流河道沉積，而d旋回為曲流河三角洲平原分流河道沉積。證據：①C-M圖表現為牽引流；② 偏度(Sk)還有少量的負偏，少量受波浪改造；③ 概率累積曲線以跳躍總體與懸浮總體為主，跳躍總體含量50%，分選中等，屬于三角洲沉積；④ a旋回底部沉積礫石，碎屑顆粒較粗，a旋回到d旋回平均粒徑逐漸變小；a，b，c旋回分選差于d旋回。

(3)a旋回底部礫石的平均起動流速為1.78 m/s，弗勞德數平均值為1.05，屬于高流態河道搬運；a旋回到d旋回砂巖平均起動流速依次減小，說明a旋回到d旋回水動力逐漸減弱，弗勞德數均小于1，屬于低流態河道搬運，其中直羅組下段a旋回底部礫巖沉積時期的水動力條件最強，表現為古河道對下伏延安組煤層的侵蝕作用，是形成河道沖刷帶形態的關鍵時期，而a旋回到d旋回砂巖沉積時期的水動力條件均較弱，表現為對早期形成的古河谷的充填作用。

致謝本文在撰寫過程中，得到了陜西陜煤陜北礦業有限公司遲寶鎖總工程師、陜煤集團神木張家峁礦業有限公司高彬副總經理、地測部楊帆主任，陜西省一八五煤田地質有限公司蔣澤泉教授級高級工程師、郭亮亮和曹虎生高級工程師等專家的熱情幫助，在此深表謝意。