准东煤田西山窑组层序地层对煤相演化规律的控制_潘松圻.pdf

第41卷第6期 2013年12月 文章编号l001-19862013 06-000 1-06 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.中国石油勘探开发研究院，北京100083; 3.中国地质大学资源学院，湖北武汉430074;4.郑州裕中煤业有限公司大磨岭煤矿， 河南郑州452383;5.陕西煤田地质油气钻采有限公司，陕西西安710054 摘要运用层序地层原理，通过岩心和测井资料的综合分析，对新疆准东煤田面黑山勘查区西山 窑组进行了层序地层研究，识别出3个体系域一）一批位、湖扩和高位体系域，并进一步进行了 高频层序单元的划分。在层序地层格架的约束下，分析了西山窑纽沉积体系的配直关系，识别出 辫状河三角洲和湖泊沉积体系，进而细分为4个亚相和8个微相类型。同时，对煤岩样品进行了 煤质分析和显微组分定量统计，确定了研究区煤相类型主要为潮湿森林沼泽相和干燥森林沼泽相。 该区煤相的垂向演化规律受湖平面升降变化所控制，而湖平面的升降受层序地层格架的约束，在 不同体系域中湖平面的变化控制泥炭沼泽的发育，从而决定了煤质煤相的演化规律． 关键词准东煤田；西黑山勘查区；层序地层；沉积相；显微组分；煤相 中图分类号P618.ll文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.06.001 Coal facies evolution law controlled by sequence stra“graphy of Xishanyao ation, eastern Junggar coal field PAN Songqi123, ZHUANG Xinguo3, WANG Xiaomin矿，ZHANGJie4, TANG Hui5 l. School of Earth and Space Sciences, Peking Universi秽，Beijing100871, China; 2. Petro China Research Institute of Petroleum Exploration 3. Facul，纱ofEarth Resources, China University of Geo- sciences, Wuhan 430074, China; 4. Damoling Coal Mine, Zhengzhou Yuzhong Coal Mining Co., Ltd., Zhengzhou 452383, China; 5. Shaanxi Coal Geological Oil Xiheishan缸ea;sequence stratigraphy; sedimentary facies; maceral; coal facies 新疆准东煤田西黑山勘查区位于准噶尔盆地东 北缘的前缘蝴陷－隆起过渡区，东西长约17恼，宽 10～14恤，面积约200kni2。勘查区内地势东北高西 南低，呈南西向缓坡倾斜；其大地构造位置在准噶尔 地台东缘的槽台过渡带内；受沉积基底构造的控制， 准噶尔大型中、新生代聚煤盆地在其东北边缘形成一 系列鼻状背斜和簸冀状向斜相间的裙边构造形态；研 收稿日期2012-10-23 究区受白砾滩向斜和西黑山背斜控制［I]（图1）。 勘查区内含煤地层为保罗系中统西山窑组， 含B6、B4-5、B3和Bl煤层，控制地层厚44.3～ 94.1 m，平均63.8m。该地层总体呈南厚北薄、 西厚东薄变化趋势，与下伏地层三工河组为整合 接触，与上覆地层石树沟群成平行不整合或微角 度不整合接触。 基金项目国家自然科学基金项目（40972104）；国家自然科学基金青年科学基金项目（41102098 作者简介潘松析（1986一），男，新疆奎屯人，博士研究生，从事非常规油气地质、沉积学及盆地分析研究． ChaoXing 2 煤田地质与勘探第41卷 0 2km L一一」 a E雪医虽区J[BJ 地名山脉断层及编号研究区 图l西黑山勘查区区域概况图 Fig. I Sketch map of Xiheishan area showing geological and structural characteristics. a一研究区地质简图；b---区域构造纲要简图，c一区域位置图 1 单井层序地层划分与沉积相识别 根据录井和测井资料，以不整合面和沉积旋回 为依据，结合岩性、沉积物颜色、沉积序列叠置样 式等对ZK0709孔西山窑组进行了单井层序地层划 分，并以新疆地矿局第九地质大队提供的区域钻孔 资料和勘探剖面线为基础，进行了沉积相识别和层 序划分的区域横向对比（图2）。 1.1 层序地层划分 通过综合分析，本区共识别出低位域（LST）、湖 扩域（EST）和高位域HST3个体系域。以钻孔 ZK0709为例，622m处粉砂岩和粗砂岩的岩性突变 面为层序界面划分出低位域和湖扩域，586m处的 泥岩段顶部为层序界面划分出湖扩域和高位域。其 中，低位体系域发育较薄，其内部为辫状河三角洲 沉积，岩性主要为粒度较粗的砂岩；湖扩体系域内 湖泊沉积体系发育，岩性主要为厚约20m的连续煤 层，其次为致密的深灰色泥岩和深色碳质泥岩；高 位体系域在西山窑组中最为发育，其内部由辫状河 三角洲构成，中部发育两套煤层，岩性主要有粗砂 岩、细砂岩、粉砂岩以及灰色泥岩。 1.2 沉积相类型及特征 根据钻井资料，在ZK0709钻孔西山窑组中识 别出辫状河三角洲和湖泊两种相类型，并细分为4 种亚相和8种微相类型。 在本区低位体系域中，两期辫状河三角洲平原 分流河道叠置发育，形成两个正粒序旋回。向上进 入湖扩体系域，内部由滨浅湖亚相构成，滨浅湖沼 泽煤层发育在浅湖泥岩之上，顶部为另一套浅湖泥 所覆盖，夹研为泥岩和碳质泥岩，以此区别于三角 洲平原沼泽的煤层；浅湖泥微相由灰色、深灰色泥 岩和粉砂质泥岩组成，测井曲线以自然伽玛高值、 电阻率低值、低幅起伏为特征。 本区高位体系域由两期辫状河三角洲前缘亚 相和两期辫状河三角洲平原亚相叠置而成，从下 至上整体呈倒粒序一正粒序、倒粒序一正粒序旋 回特征。 a.辫状河三角洲前缘亚相又可分为水下分流 间湾、河口坝和远沙坝3种微相类型水下分流间 湾微相主要为灰色粉砂岩和泥质粉砂岩，厚约4m 左右，发育较薄煤线；河口坝微相具有明显的倒粒 序特征，厚度在Sm左右，岩性以灰色粉砂岩为主， 其自然伽玛和电阻率测井曲线均表现为漏斗状，且 齿化强烈；远沙坝微相整体呈倒粒序沉积，岩性为 灰色粉砂岩、泥质粉砂岩和深色碳质泥岩，伽玛曲 线呈波状漏斗型，齿化特征明显。 b.辫状河三角洲平原亚相内部可识别出平原 湖泊、沼泽和分流河道3种沉积微相平原湖泊 微相覆水浅，沉积物主要为暗色碳质泥岩和泥质 粉砂岩，具有明显的正粒序特征；沼泽微相发育， 厚度大，形成两套厚约18m和12m的连续煤层， 其自然伽玛曲线表现为极低值，电阻率为高值； 分流河道微相以灰色粗砂岩、含砾粗砂岩为主， 偶夹泥岩或碳质泥岩薄层，垂向上单个分流河道 砂体呈典型的正粒序，多个分流河道砂体相五叠 置时形成复合砂体，其自然伽玛值变现为中低值 锯齿状箱型或复合钟型，电阻率高值、微齿复合 钟型或箱型。 2 样品和分析方法 本次研究样品采自新疆准东煤田西黑山勘查 区ZK0709钻孔，共采集煤层样品19个，其中Bl煤 层6个、B3煤层6个、B4-5煤层6个、B6煤层1个， 取样位置和编号见图3。煤岩光片制备按照GB/T 16773-2008煤岩分析样品制备方法进行；煤的 工业分析测定依照GB/T212-2001煤的工业分析 ChaoXing 3 潘松析等准东煤田西山窑组层序地层对煤相演化规律的控制第6期 水位 低高 VII I 2 灰分A/ I 357911 TPI I 2 3 镜质组VI 10 305070 高频层序单元l二级｜沉在只体系 ;1］分及叠加方式｜层序｜沉积微相｜亚相｜相 辫 状 河 角 洲 前 缘 平 尿 分流河遥 分流1可湾 河口坝 远沙坝 沼泽 mQU吕立 HST 111 保 罗 前 水下 分流间湾 缘 远沙坝 滨 浅 湖 浅湖泥 浅湖泥 滨浅湖 沼泽 EST 组 统 系 E 巾中 粗砂岩 E二3粉砂质泥岩 湖扩域 平 ｝泉 分流河迫 砾岩 仁三3碳质泥岩 -0＆域 LST E习何时 亡三1泥岩 CY]倒粒序 阁例 E三3粉砂岩 iEtil序 图2ZK0709井各煤层层序地层划分及煤质煤相参数垂向变化特征对比图 Sequence stratigraphic division and comparison diagram of coal parameters showing coal seam characteristics vertically in well ZK0709 煤层水分含量差异不明显；干燥基灰分产率为 1.8～11.6，平均为5.4，大部分煤样灰分产率在 10以下，只有3个煤样灰分产率超过10（图2; 干燥无灰基挥发分产率为30.0～38.9，平均为 33.0，各煤层干燥无灰基挥发分产率差异也不明显。 该钻孔煤样以高水分、低－特低灰分产率、高挥发分 产率为特征。 Fig. 2 方法进行；煤的显微组分观察和定量统计根据GB/T 8899-1998煤的显微组分组和矿物测定方法进行， 有效测点数大于500个。 结果和分析 煤的工业分析 根据煤的工业分析，ZK0709孔煤样的空气干燥 基水分质量分数为12.4～17.1，平均为14.4，各 3 3.1 ChaoXing 4 煤田地质与勘探第41卷 3.2 煤的显微组分及煤相参数确定 煤的显微组分定量分析结果表明（图坷，由下部 煤层到上部煤层，显微组分组含量具有规律性的变 化。镜质组质量分数具有不断降低的趋势Bl、B3 和B4-5煤层分别为33.1～69.7、29.0～63.8和 39.5～53.0，平均分别为50.1、48.1和48.7; B6煤层为38.8。惰质组质量分数具有不断增高的 趋势Bl、B3和B4-5煤层分别为30.3～66.9、 36.2～71.0和47.1～59.8，平均分别为49.3、 51.8和51.2;B6煤层为61.2。壳质组质量分数 很低，一般小于1。 常用的煤相参数有结构保存指数（TP巧和凝胶化 指数（GI。结构保存指数（TPI主要表明泥炭沼泽的埋 藏速度和沼泽基底的构造沉降速度；凝胶化指数（GI 主要表明泥炭沼泽的氧化还原性［2-4）。这两个指数用 以下显微组分的比值来表示［5lTPI＝（结构镜质体＋均 质镜质体＋丝质体＋半丝质体）／（基质镜质体＋碎屑镜 质体＋粗粒体＋碎屑惰质体）；GI＝（镜质组＋粗粒体）／（丝 质体＋半丝质体＋碎屑惰质体）。从图4中可以看出， 研究区西山窑组各煤层的GI大约都在0.5-2.5之间， 下部煤层的GI比其他煤层高。研究区煤相类型以干 燥森林沼泽相为主，底部煤层为潮湿森林沼泽相，成 煤古气候以相对干燥环境为主。由于TPI是镜质组和 惰性组组分中结构显微组分和无结构显微组分的比 值，它反映了泥炭沼泽中植物体遭受搬运及氧化作用 的程度，TPI值高表明其含有大量保存较好的植物组 织，因此研究区成煤先存物质为木本植物，在陆相 沼泽潮湿的还原环境下形成。 深度／m 5 } 媒层编号煤厚Im -i.86 { 86-1 1.05 10 2仍430 40 50 6”也7仍也8仍也佣100 84-5-6 0.65 84-5-5 2.59 84-5-4 3.64 「－S\t . I 84-5-2 4.42 ；阳5I 3.09 1111 l /“-6 ,,, 1111 I 83-5 3.22 11111111111111111111111切移乡乡乡乡乡r组窍绞刽阳蚓n11阻H丑I捆rlfflii1盹田，，｝同 83 I Dt1 1.88 111111111 IV／／／／／／，，切伪组伪仍仍仍仍仍佣.ILHll l-1.tlli.J.I Ii Ii阳Jl;j,ll阳HJ-LII tJ 832 留l11111111111lfnimf11111111／／／／／ff/ll0叨叨剧也专制阳IHliJ-QliHKU H 83-1 1.65 11111111111院万乡歹乡乡仍受纺织乡级勿乡级刃步步织生＝＝＝＝＝＝卧凉石投安安安安兔Hli-1“1-旧_.,. i缸ζ且 Bl-6 5.24 Bl-5 1.55 Bl-4 4.29 JBI j Bl-3 3.75 Bl-2 3.63 Bl-I 1.86 回结构镜质体基质镜质体目均质镜质体囹碎屑镜质体圄团块镜质体囚胶质镜质体 图例 园丝质体囚半丝质体曰碎屑惰性体口粗粒体圄徽救体因壳质组 图3ZK0709井各煤层显微组分含量条形图 Fig. 3 Bar diagram of maceral content of the studied coal samples企omwell ZK0709 3.3 单一煤层中煤相特征的垂向演化 镜／惰比（VII和灰分产率（Ad）常用来解释泥炭沼 泽的形成环境［6-12）。扔7这一参数可以较为直观地反 映沼泽的水位变化及气候的干湿情况，指示成煤泥炭 遭受的氧化程度，当附＜1时，成煤泥炭曾暴露于氧 化环境中［13］。Ad在一定程度上可以反应泥炭沼泽的 水位情况，当泥炭层的水动力条件流动性增大时，其 覆水的低位泥炭形成的煤的灰分产率要高于高位泥 炭形成的煤［2）。另外，可容纳空间增加速率与泥炭堆 积速率的比值是评价煤层形成规模的重要指标［14）。 由取样钻孔各煤层的扔＇，Ad以及相关煤相指数的变 化趋势可以看出（图2 a. ZK0709钻孔的底部煤层、B3层上部、B4-5 层上部以及B6煤层的Vil小于l，指示成煤泥炭曾 暴露在氧化环境中，说明盆地基底沉降或湖平面上 升速率相对低于泥炭沼泽的堆积速率，导致泥炭沼 泽表面长期处于沼泽的潜水面之上，保存条件较差， 受物源水系影响小，具有相对强的氧化降解作用。 ChaoXing 第6期潘松析等准东煤田西山窑组层序地层对煤相演化规律的控制 5 树的密度 100.0 －＋一－－”＋ 湖沼斗量沼浅沼 50.0斗A 8-1 低位沼泽庐苇）栩较深覆水森林沼泽相 S I TPl5 TP/1.0, G/10 主10.0司卡一一一磁拟制精菊函 i 5.0l－－’一一斗一二一一＿.rn..l.OrS.I 1.0 L一＋，立－－－＇＝－，一一一 三引湿她草本沼泽相i 0.5斗TPlI.GlI, GlI 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 组织保存指数（TPI 图4各煤层TPI-Gl相图 Fig. 4 Coal facies deciphered from tissue preservation index TPI and gelification index GI in relation to depositional set- ting and type of mire A一湖沼相（低位泽（芦苇）相）；8-1一较深覆水森林沼泽相；8-2一较浅 覆水森林沼泽相；C一扭地草本沼泽相；D-1一潮湿森林沼泽相； D-2一干燥森林沼泽相； A-Bl煤；－83煤；－84-5煤；＋－86煤； 在这种环境中形成的煤GI值也相对较低，同VII的 变化趋势呈正相关性。从下部煤层到上部煤层，机q 和Ad呈先增大，然后到中部煤层减小、再增大，最 后向上部减小的趋势，可能表明泥炭沼泽水位不断升 降，形成水进水退再水进，随后覆水深度逐渐变浅的 变化趋势。 b. Bl煤层从下往上，镜质组含量和民q先减少， 然后增加、再减少，惰性组含量呈反向变化，反映 环境先暴露于干燥的氧化环境中，然后再趋于潮湿 的还原环境；Ad先增加再减少，说明泥炭水动力条 件不稳定；TPI由多变少但均大于1,GI由少变多， 反映木本植物占优，聚煤环境由下至上从干燥森林 沼泽向潮湿森林沼泽变化；总体反映沼泽覆水程度 由浅变深再变浅的过程。据此，Bl煤层煤质和煤相 参数的垂向变化可以划分为两个水退型煤层，但总 体显示出水进特征。 c. B3煤层从下往上，镜质组和VII整体呈减小趋 势，而惰性组含量增多，反映成煤环境由湿润还原环 境向干燥氧化环境过夜；勾除了底部较高，整体上呈 向上增大趋势，说明泥炭层水动力条件增强；TPI增 大，GI减小且下部大于1上部小于1，反映木本植物 占优，煤层下部趋于潮湿森林沼泽，而上部呈干燥森 林沼泽环境；总体反映地下水位降低，覆水程度变浅。 由此可见，B3煤层煤质和煤相参数的垂向变化总体 显示水退的过程，并由两个水退型煤层构成。 d. B4-5煤层各项参数比较稳定，变化不大，B6 煤层与84-5煤层顶部各项指标类似。整体来看，镜 质组与惰性组含量相差不大，仍7较小，反映环境趋 向于干燥的氧化环境；而Ad增大，说明泥炭层水动 力条件增强；TPI较大，GI较小，反映木本植物占优， 趋于干燥森林沼泽；总体反映地下水位较高，覆水程 度较深。可能此时潜水面已接近稳定，故在此时形成 较厚而稳定的煤层。 3.4 煤相变化的控制因素 陆相盆地与近海相盆地地层层序的控制因素存 在差异”］。与近海相盆地海平面变化和聚煤作用的 关系所不同，陆相盆地层序的直接控制因素为湖平面 的变化，并且受控于局部构造运动及其影响下的沉积 物供给。然而，无论何种类型的沉积盆地，聚煤作用 均与层序界面以及可容纳空间变化有关，层序地层学 理论是普遍适用的（16-18］。 在低位体系域期，研究区湖平面大规模下降，辫 状河三角洲平原向湖中进积，可容纳空间减小，分流 河道在该区域发育；湖平面（潜水面）下降，较大的地 形坡度导致大规模的侵蚀和河道冲积对沉积物的改 造。在低位体系域晚期，随着湖平面（潜水面）的缓慢 上升，辫状河三角洲平原逐渐向后退积，沉积物岩性 变细，以细砂、粉砂岩为主。 湖扩体系域形成于湖平面快速上升、陆源碎屑 供给不断减少，且由于该区域盆缓水浅，泥炭的堆 积速率与可容纳空间的增长速率保持动态平衡，因 此在该地区形成了较厚的煤层。根据李鑫等（19］在研 究该地区巨厚煤层煤相时所提出的水进型、水退型 煤层的特点，Bl煤层形成于湖平面上升或基底沉降 大于泥炭生长速率的时期，其垂向演化具有镜质组 含量和M向上增高、单一煤分层TPI值增高的特 点，表明泥炭的埋藏速率向上增大，或由相对高位 的沼泽向相对低位的沼泽演化。然而Bl煤层总体 上TPI值向上降低，此时水位升高，表明上序列和 下序列的泥炭埋藏速率虽向上增大，但上序列的埋 藏速率明显要低于下序列的速率，从而导致上序列 中植物体遭受搬运及氧化作用的程度要大。到了湖 扩体系域晚期，湖平面继续上升，泥炭堆积速率明 显小于可容纳空间的增长，潜水面变深，沉积细粒 的粉砂质泥岩或碳质泥岩，在水面升降动荡时期形 成薄层的低位沼泽，持续发育泥岩的时期表明聚煤 作用终止，湖水面上升达到最大。 高位体系域形成于湖平面相对稳定和开始下降 的时期，初期的可容纳空间仍然很大，来自北部卡拉 美丽山的较丰富物源使辫状河三角洲平原向湖盆中 央扩大，在广阔的平原沼泽中可形成厚度较大、分布 较广的煤层。前人研究发现，在厚煤层发育时期，盆 ChaoXing 6 煤田地质与勘探第41卷 地基底沉降速率约为80mm/ka，与泥炭堆积速率大体 一致，故在高位体系域形成了稳定分布的厚煤层（15］。 B3、B4-5煤层形成于高位体系域时期，其垂向上具有 镜质组含量和机q向上降低、TPI值增高的特点，表明 该时期水位虽然呈下降趋势，但泥炭埋藏速率向上增 大，植物体保存较好，并且层序形成于湖水面下降， 表明泥炭沼泽由相对低位向相对高位演化。高位体系 域末期，湖平面推进、退却速度相对较快，可容纳空 间增长速率接近泥炭堆积速率，形成与早期成煤相对 略差的B6煤层。由于河道冲刷作用，B6煤层稳定性 差、厚度小。之后随着湖平面快速退去，辫状河三角 洲平原快速推进，河道沉积物迅速充填可容纳空间， 聚煤作用随之停止。 4结论 a.在西黑山勘查区西山窑组中，识别出低位体 系域、湖扩体系域和高位体系域3个体系域，并进一 步进行了层序地层划分和叠加方式分析。在层序地层 下，识别出了辫状河三角洲和湖泊沉积体系，并进一 步细分出4种亚相和8种微相类型。 b. ZK0709钻孔中保罗统西山窑组煤层以高水 分、低－特低灰分产率和高挥发分产率为特征；煤中 显微组分以镜质组和惰质组为主，镜质组为 9.0～69.7，惰质组为30.3～71.0，壳质组含量 很少。煤相类型主要为潮湿森林沼泽相和干燥森林沼 泽相，成煤植物以木本占绝对优势。 c.研究区煤层煤相垂向演化主要受湖平面升降 影响。根据煤层中镜质组含量、TPI、Ad以及附参 数的垂向变化，可以划分出水进型和水退型煤相演化 序列，水进型表现为镜质组含量和阿I向上增高、TPI 值降低的演化趋势，水退型则相反。 d. Bl煤层形成于湖扩体系域时期，湖平面（潜水 面）相对上升，泥炭堆积速率与可容纳空间增长速率 保持动态平衡。在滨浅湖沼泽环境中形成两个水退型 煤相演化序列，但上部序列的扔7明显高于下部序列， 表明该煤层成煤时期泥炭沼泽总体具有水体逐渐加 深的水进型特征；高位体系域时期湖平面下降，辫状 河三角洲在该区域广泛发育，在广泛的废弃三角洲朵 体上大规模发育沼泽，形成B3和B4-5连续厚煤层， 其镜质组含量和VII向上降低、TPAd增高，煤相煤 质参数具有水退型煤的演化特征。 致谢感谢中国地质大学（武汉）王华教授的悉心 指导，同时也感谢煤工系实验室李绍虎教授、潘思东 高工对样品测试的支持以及金思丁博士、李妓博士、 马丽娜硕士、任全锋硕士的帮助。 参考文献 [l］张东亮，周继兵，易贤银，等．新疆准东煤田西黑山勘查区中 保罗统西山窑组辫状河三角洲滨浅湖沉积体系问．内蒙古石 汹化工，20099105-108. [2］付黎明，应新国，李建伏，等．内蒙古早白歪世五间房含煤盆 地煤层煤相分析［月．煤田地质与勘探，2011,393 1-6. [3] SILVA M B, KALKREUηf W. Petrological and geochemical characterization of Candiota coal seams, Brazil - Implication for coal facies interpretations and coal rank[]]. International Journal of Coal Geology, 2005, 643/4 217-238. [4] MARCIIlONI D, KALKREUηf W. 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