彬长矿区延安组煤层发育特征及其控制因素分析

陈晓智，汤达祯，许 浩，邓春苗，何 伟，田 冲

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.教育部海相储层演化与油气富集机理重点实验室，北京 100083)

我国煤炭资源量巨大，煤层气产业也已经进入快速发展阶段[1-3]。煤层气在煤田中普遍存在，但要成功地对其进行大规模的商业化开发，需具备并认清煤层气地质条件。作为煤层气的生气与储气载体，煤层的地质特征制约着煤层气的形成、运移与富集成藏[4-5]。对于地质条件复杂、经历多期构造运动的含煤地层，准确地对其进行划分与对比，是煤层气开发的理论依据。因此，认清煤层发育特征，确定煤层对比的准确性以及分析煤层发育特征的控制因素，是今后采煤与采气综合勘探开发的一项非常重要的基础工作。

1 区域地质概况

彬长矿区是国家规划的十三个煤炭基地——黄陇基地的主力矿区之一，矿区位于陕西省黄陇侏罗纪煤田中部的彬县-长武县境内，面积3011.788km2。构造位置处于鄂尔多斯盆地西南缘，分属陕北斜坡旬邑坳陷西部，渭北隆起带北缘，西部褶皱带东侧。矿区地质构造简单，总体形态为一个NW向缓倾的单斜构造[6]，其上发育少量的短轴背斜与宽缓向斜组成的褶皱构造，轴向近NEE-SWW，地层倾角一般小于10°，区内断裂构造较不发育。

2 彬长矿区煤层发育特征

2.1 含煤地层

彬长矿区区域范围波及到彬县全境和长武县南部的主要含煤区域。区域地质调查和钻孔深部地质揭露表明，矿区西南外缘出露古生界地层，向内依次为三叠系、侏罗系、白垩系、新近系和第四系地层。

彬长矿区主要的含煤地层为侏罗系中统延安组。根据岩性、岩相及含煤性，可将其自下而上分为延一段、延二段和延三段三个含煤段，含煤系数为17.4%[7]。

2.2 煤层对比

彬长矿区由高家堡、杨家坪、大佛寺等近20个勘查区或煤矿组成，由于勘探时间及勘查队伍的不同，各个勘查区或煤矿发育煤层编号不尽相同，这为煤层的开采及煤层气的勘探开发带来了极大的困难。利用基准面旋回与沉积相、岩性组合、测井曲线组合及煤层自身特征多种方法，综合分析4号煤层发育规律，得出了彬长矿区发育煤层对比结果，即延一段发育4#煤层；延二段发育4上、4上-1和4上-2煤层；延三段发育3#、2#和1#煤层。其中，延一段的4#煤层单层厚度大，为研究区的主采煤层。

(1)基准面旋回与沉积相

经典层序地层学原理认为，海平面的升降变化是层序演化的主要机制，而基准面旋回是海平面升降变化的反映[8]。受多期构造运动的影响，延安组地层与下伏富县组和上覆直罗组均为局部平行不整合接触，岩性剖面上表现为上覆地层底部的粗粒沉积(粗砂岩或细砂岩)对下伏地层发育的煤层或泥岩层的强烈切割作用，测井曲线上为幅值突变现象，可划分为三级层序界面。与整个鄂尔多斯盆地延安组发育特征相比，彬长矿区缺失上部第四段和第五段沉积[9]，三级层序旋回表现为基准面上升半旋回，并划分为两个四级上升半旋回，分别对应初始充填体系域和超覆充填体系域。

煤是在潮湿的沼泽环境由植物腐烂变质演变而来[10]，延一段4#煤层和延三段3#煤层均发育在四级上升半旋回的顶部，沉积环境处于有利于煤层发育的河漫沼泽相、三角洲平原的沼泽相和湖相的泥炭沼泽相中，煤层沉积稳定，可全区对比。

(2)岩性组合

岩性组合特征是沉积环境的物质反映。煤属于一种特殊的岩石类型，煤层的发育必然与煤层顶底板发育的岩石类型有着较为密切的关系，而煤层气的富集程度，更受其顶底板岩性的致密程度及厚度的严格控制[11]。彬长矿区延一段发育4#主力煤层，其底板岩性多为铝土质泥岩、泥质粉砂岩等细粒碎屑岩，顶板表现为碳质泥岩薄层(图1)。通过识别这两个岩性标志层，可有效地指导4#煤层的发掘开采。

(3)测井曲线组合特征

测井曲线具有连续性好、可比性强、不受岩心采样率的影响、人为干扰因素小的特点[12]。

利用测井曲线可以较真实地再现地下地层岩性组合特征，进一步提高煤岩层对比的可靠程度。

彬长矿区4#煤层物性特征明显，由于煤层厚度与结构不同，各种测井曲线的形态与围岩物性差异明显。测井曲线组合，一般表现为“三高一低一负”的形态特征。电阻率曲线呈“箱形”或“钟形”，与上下围岩表现为突变特征，为陡值高异常；声波时差为异常高值的“箱形”特征；伽马伽马曲线显示为陡值高异常，呈多峰齿的“箱形”；自然伽马为低值异常，呈“低凹箱形”，与电阻率曲线形成“巨箱形”组合；自然电位曲线一般为负异常。

(4)煤层自身特征

彬长矿区延安组各煤层的厚度差异性、沉积稳定性及煤层自身结构的不同，给煤层对比提供了良好依据[13]。4#主采煤层由于聚煤环境相对稳定，整体来讲，具有单层厚度大、夹矸少的特点。煤层厚度有规律变化，南部较厚，北部较薄，由西向东煤层减薄并发生分岔现象，厚度0.78～22.34m，平均厚度9.91m。煤层均呈现黑色，具褐黑色条痕，以沥青光泽为主，断口为阶梯状、参差状，少量平坦状，煤岩类型多为暗淡型、半暗型和半亮型。

3 煤层发育的控制因素

3.1 构造作用

煤系的现代展布及赋存状态，主要受聚煤期后地质构造的控制。鄂尔多斯盆地属于发育在克拉通之上，经印支运动不同程度改造而形成的前陆盆地，为沉积和聚煤作用提供了良好场所[14]。彬长地区煤系地层沉积后，主要经历燕山期挤压逆冲、抬升剥蚀，以及喜山早期逆冲挤压和晚期伸展断陷作用。延安组煤系沉积后，地壳仍然处于稳定状态，该区在煤系沉积基础上，接受连续沉积。在侏罗纪末期，燕山运动强烈作用，延安组煤系经历了第一次强烈的构造运动，同时产生了许多褶皱和断裂，煤系上覆地层遭受严重剥蚀，煤的演化及生气停止。早白垩世时期，地壳相对稳定，研究区以持续沉降为主，延安组煤层几乎均发生变质演化及生气作用；到早白垩世末期，燕山运动使地壳全面隆升，晚白垩世和古近纪几乎没有接受沉积，煤的演化、生气处于终止状态。

彬长矿区侏罗系地层整体以持续沉降和抬升剥蚀为主，断层很少发育，矿区内部自北向南发育七里铺-西坡背斜、雅店背斜和孟村向斜等褶皱构造[15]。这些褶皱均形成于印支期，且在燕山期构造层具有一定的继承性。4#主采煤层表现为向斜区厚，背斜区薄，其含气量则呈向斜或两背斜之间区域高、背斜区偏低的特征。

3.2 沉积古地理

彬长矿区延安组沉积时期，古地形地貌发育特征明显，受三叠系末期的剥蚀作用控制。研究区整体地势平坦，局部地区发育的古隆起形成了无煤区。

延一段地层是在富县组地形填平补齐的基础上沉积的。中下侏罗统地层沉积早期，地壳因长期夷平，在低洼地区形成广阔的湿地沼泽，为4#煤沉积提供了良好的聚煤场所。整体来看，在南部大佛寺矿区与北部雅店矿区煤层厚度较大，在由东南至东北方向，由于古河道的下切冲刷作用或沉降幅度发生变化引起成煤条件变差，煤层发生分岔、变薄或尖灭。

延二段沉积时期，由于地形起伏差异逐渐变小，岩相古地形环境以河沼相为主，河床相、河漫相及沼泽相交替出现，形成了该段地层以沉积河流体系的河道、河漫滩沉积为主的中粗粒砂岩。零星分布的薄煤层形成于短暂而不稳定的泥炭沼泽相，煤层薄，且厚度极不稳定。

延三段沉积时，区域地形趋于平坦，主干河流已经远离成煤区，从而形成了湖沼化冲积平原，岩相古地理环境以湖沼相为主。煤层形成于滨湖泥炭沼泽。随后，地壳整体抬升，成煤作用结束。

3.3 古气候

气候条件不仅控制着大气降水，同时也控制着地表水的蒸发、陆表风化作用以及植被发育等情况，从而控制着沉积环境演化及煤层发育特征。彬长矿区生长多种古植物，其中，银杏类约占33.8%，松柏类约占18.5%[16]，结合古地磁资料[17]，总体反映了亚热带～暖温带气候条件。此外，研究区Classopollis花粉分布面积较大[18]，反映了在气候湿润的条件下，富含Classopollis花粉的母体植物生活在泥炭沼泽环境中，并参与了成煤作用，形成了延安组一段沉积时期的富煤带。延安组晚期，古湿气流减弱，气候向干燥化方向发展，成煤作用下降至结束。

4 结论

(1)依据基准面旋回与沉积相、岩性组合、测井曲线组合及煤层自身特征等多种煤层对比方法的综合运用，确定了4#煤层对比的准确性。煤层主要发育在四级层序上升半旋回的顶部，沉积于河漫沼泽、三角洲平原的沼泽或湖相的泥炭沼泽环境中。4#煤层顶底板以碳质泥岩、铝土质泥岩或泥质粉砂岩为主，煤层在组合测井曲线上表现为“三高一低一负”的特征，具有单层厚度大、横向变化有规律的特点，煤岩类型多为暗淡型、半暗型和半亮型。

(2)彬长矿区虽经历了印支、燕山及喜马拉雅多期构造运动，但侏罗系地层总体以持续沉降和抬升剥蚀为主，褶皱构造控制了煤层厚度变化规律，而晚期的喜马拉雅运动是造成矿区煤层含气量偏低的主要原因。

(3)煤层发育受古地形的控制，研究区4#煤层主要沉积于地势较低的泥炭沼泽环境中，古隆起和古河道的发育形成了无煤区。古气候条件分析表明，亚热带～暖温带的湿润气候，为富含Classopollis花粉的植物提供了生存条件，有利于成煤作用的形成。

[1] 翟光明, 何文渊. 抓住机遇, 加快中国煤层气产业的发展[J]. 天然气工业, 2008,28(3):1-5.

[2] 姜文利. 我国煤层气产业发展问题分析[J]. 天然气工业, 2009, 29(10): 114-117.

[3] 姚国欣, 王建明. 国外煤层气生产概况及对加速我国煤层气产业发展的思考[J]. 中外能源, 2010,15(4): 25-33.

[4] 张新民, 郑玉柱. 煤层气与煤炭资源协调开发浅析[J]. 煤田地质与勘探, 2009, 37(3): 19-22, 26.

[5] 张翔, 田景春, 李祥辉, 等. 陆相煤系聚煤环境及聚煤特征——以青海祁连山和柴北缘含煤区侏罗系为例[J]. 煤田地质与勘探, 2009, 37(6): 1-5.

[6] 王兴. 彬长矿区优质富煤带及环境因素[J]. 陕西煤炭， 2005(2): 7-9.

[7] 黄陇侏罗纪煤田-彬长(永陇)矿区[J].陕西煤炭技术，1994(21): 62-66.

[8] 徐怀大, 王世风, 陈开远. 地震地层学解释基础[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1990: 5-12.

[9] 林文姬, 汤达祯, 徐凤银, 等. 彬长地区延安组层序地层划分[J]. 中国煤炭地质, 2009, 21(10): 5-8.

[10] 李增学, 魏久传, 刘莹. 煤地质学[M]. 北京: 地质出版社, 2005: 1-2.

[11] 龙玲, 王兴. 陕西彬长矿区煤层气赋存特征及资源利用[J]. 中国煤田地质, 2005, 17(5): 44-46.

[12] 伍远学, 陆玉欢. 测井曲线在含煤岩系的划分及对比中的应用——以贵州省盘县北部某井田为例[J]. 中国煤炭地质, 2009, 21(5): 72-74.

[13] 王优良. 彬长矿区胡家河井田煤层特征及其对比[J]. 陕西煤炭, 2005(4): 22-23.

[14] 申小龙, 杨宏科, 韦文奎. 黄陇侏罗纪煤田西部构造机理及控煤规律[J]. 中国煤田地质, 2005, 17(5): 11-13.

[15] 王双明. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1996: 126-128.

[16] 王双明，主编. 煤田地质与可持续发展研究[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 2003:11-16.

[17] 黄克兴, 侯恩科. 鄂尔多斯盆地北部早、中侏罗世古气候[J]. 煤田地质与勘探, 1988, 16(3).

[18] 庄军, 吴景钧，等著. 鄂尔多斯盆地南部早中侏罗世聚煤特征与煤的综合利用[M]. 北京: 地质出版社, 1996: 119-121.