河东煤田北部典型砂岩体沉积演化特征

李 勇 汤达祯 许 浩 孟艳军 曲英杰

1.中国地质大学（北京）能源学院 2.中国石化国际石油勘探开发有限公司

河东煤田北部位于鄂尔多斯盆地东北缘，晋西挠褶带北端，主要含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组。针对其沉积环境和层序地层划分的论述颇多[1－7]，总体认为太原组沉积环境是陆表海背景下的潮坪和澙湖环境，山西组为河流三角洲沉积。近年来该区天然气的勘探开发取得突破，保德区块是我国第一个已探明的大型中低阶煤层气田，临兴区块兔坂地区的致密砂岩气开发取得成功。系统研究河东煤田区域内煤层与砂岩的沉积空间配置，探讨宏观陆表海环境下河流沉积的变迁和影响，对该区非常规天然气的规模、系统开发具有积极意义。

1 区域地层

该区地层产状平稳，构造简单（基本上为单斜构造），呈近南北走向、西或西偏北方向倾斜，倾角5°～10°，区内发育一些产状平缓、规模不大的褶皱构造[1，4]。地层由东向西，由老到新出露，在府谷地区以北，由于后期构造和黄河下切作用，出露中奥陶统。上石炭统和下二叠统为区内含煤地层，除偏关、河曲局部地段，从南到北均有分布。桥头镇地区以北，有几组较大规模的断裂构造，使保德贾家峁一带抬起，山西组及其以上地层缺失。

太原组和山西组是主要含煤地层，也是煤层气勘探开发的主要层段。太原组是一套海陆交互相沉积，根据岩性和沉积环境的变化分为3段：①下段为层位稳定的灰白色石英砂岩，局部含砾，即晋祠砂岩（图1），向上为灰白色、灰色泥岩，粉砂岩，发育一层灰、灰黑色石灰岩或生物碎屑灰岩，含大量化石；②中段下部为1m左右的黑色泥岩与碳质泥岩，过渡为13号厚煤层和灰黑色的碳质泥岩及煤线；其上发育一层石灰岩与生物碎屑灰岩（保德石灰岩），含有大量动物化石，在巡镇以北尖灭；在桥头镇、魏家滩地区，13号煤层之上发育厚层砂岩，即桥头砂岩（图1）；③上段主要为灰白、灰、灰黑色泥岩，夹数层薄煤层。

山西组以河流三角洲沉积体系为主，底界北岔沟砂岩，是一套灰白色的粗粒砂岩，与下伏地层呈整合接触，厚度变化大，局部底部含砾，在桥头镇一带过渡为细砾岩。可见由砂岩、粉砂岩、碳质泥岩及煤层组成2～4个正粒序的沉积旋回。主采煤层为8号煤层，发育在第一旋回的上部，大部分地区稳定可采（图1）。

2 典型砂岩体沉积环境及沉积模式

2.1 典型砂岩体

图1 研究区综合柱状图

该区地层由下往上，依次发育晋祠砂岩、桥头砂岩、北岔沟砂岩3套大型砂岩体，与煤层相间分布。晋祠砂岩位于太原组底部，向上过渡为全区稳定展布的13号煤层，下伏浅海澙湖相沉积为主的本溪组。桥头砂岩发育在13号煤层之上，在一定程度上冲刷下部煤层，成为煤层的直接顶板。北岔沟砂岩是太原组海退之后的河流相沉积，对下伏太原组形成一定的冲刷作用，上覆山西组8号煤层。

2.1.1 晋祠砂岩

晋祠砂岩是太原组与本溪组的分界岩层，下伏本溪组平行不整合于奥陶系石灰岩之上。晋祠砂岩源于太原西山剖面，在河曲刘家塔为中粗粒石英砂岩（5.3 m）；保德桥头镇为白色厚层含铁质石英砂岩（8.7m），扒楼沟为灰白色、褐黄色厚层状中细粒砂岩，间夹粗粒砂岩（8.7m）[8]。区内晋祠砂岩与下伏本溪组呈明显的冲刷接触，呈现多阶性，在保德地区的钻井中可见3个正粒度旋回。关于其沉积环境，前人进行了大量研究[8－10]，晋祠砂岩沉积构造组合完整且向上规模变小，具多阶性、正粒序，纵向上呈条带状、横向上呈透镜状分布，成分成熟度、结构成熟度中等、跳跃总体发育，垂向上泛滥平原、天然堤发育，是在海平面下降过程中形成的低弯度曲流河沉积。砂岩体北厚南薄，向东南方向延伸，10m厚以上的地区分布在该区北部和中东部，向西南方向砂岩体变薄。

2.1.2 桥头砂岩

桥头砂岩由陈忠惠命名于山西保德桥头镇，层位上位于关家崖海相层和保德石灰岩之间，许多学者研究了其对下伏煤层和上覆煤层的控制作用[1，4]。桥头砂岩自准格尔旗煤田最北段，整体向南延伸近150 km，呈复杂带状形态[1]，剖面为双凸型透镜状，中部厚度大，最大可超过50m，向两侧迅速变薄并演变为含植物化石碎片的细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩，对下伏煤层有不同程度的冲刷。

桥头砂岩可分为两条东西相间排列的厚砂带，每个厚砂带宽5～8km，砂带间的距离为10～15km。第一条厚砂带（东部）从最北端的准格尔旗西哈拉往南，经城坡到河东煤田北部的巡镇，而后向东南方向延伸出含煤地层的出露边界；第二条厚砂带从准格尔旗煤田的大饭铺向南，经陕西府谷海则庙，山西保德县桥头镇、腰庄镇和兴县，而后往西南方向延伸至南部的临县的三交矿区[11－12]。

桥头砂岩剖面具鲜明的“二元结构”，底部为河道充填沉积由细砾岩、含砾粗砂岩河床滞留沉积以及含砾砂岩、中—粗粒砂岩边滩沉积构成，发育板状、槽状交错层理，具3个大型的正粒度旋回。桥头砂岩由低位体系域期间的下切河谷沉积形成，砂岩体中微裂隙和溶蚀孔隙充分发育，具有良好的砂岩气勘探开发前景[13－16]。

2.1.3 北岔沟砂岩

北岔沟砂岩主要由一套灰白色厚层粗—中粒岩屑石英砂岩、石英砂岩组成，见少量细砾岩，是太原组和山西组的分界岩层，其上发育山西组主力煤层8号煤。

北岔沟砂岩层位稳定，厚度大（介于10～20m，最大可达30m）。北岔沟砂岩底部，垂向上可见叠加的大型槽状交错层理，正粒序，由底部的粗砾向上过渡为含砾粗砂—粗砂—中砂。底部普遍见冲刷面，削蚀下伏地层，在山西临县招贤剖面实测中可见4期河道相叠置，砂岩体侧向迁移明显[5，12]。

2.2 砂岩体沉积环境

该区上石炭统本溪组平行不整合于奥陶系石灰岩之上，两套地层存在1.4亿年左右的沉积间断，本溪组以填平补齐为主要特征，是一套滨浅海相沉积。下部铁铝层段由浅海相的窝状黄铁矿、菱铁矿、褐铁矿、层状—似层状的铝土矿及滨海相泥岩组成。上部石灰岩段为正常浅海石灰岩与滨海沼泽相煤线、泥岩交互沉积。总的趋势为，石灰岩层数北部多，南部少。北部石灰岩层数为1～2层，扒楼沟、魏家滩一带仅有一层石灰岩陆续出现，再往南，从关家崖—固贤，未见本溪组石灰岩。本溪组沉积时期，鄂尔多斯盆地东缘中部为相对坳陷地区，坳陷中段相对凸起的地带（兴县、柳林），石灰岩层数少而薄，甚至缺失，本溪组厚度也相应减小，坳陷中相对凹陷的地带（桥头镇，巡镇）石灰岩发育，煤线也相对较多（图2）。

图2 河曲—兴县地层剖面图

2.2.1 晋祠砂岩沉积环境

太原组发育多期海侵，陆表海背景下的河流沉积一般发育在海退过程中的下切谷中[13]。晋祠砂岩沉积以多阶性为特点，呈正粒度旋回，河道砂岩体厚度大，向东西两侧快速尖灭，冲刷作用由北往南逐渐减弱。陈钟惠等对晋祠砂岩的古流向进行了测定，在各地均呈南东或南西向，反映了水流总体由北向南的流动特征，并通过纯砂图进一步论证河流为北南流向[1]。晋祠砂岩在梁家碛和海潮寺与下部石灰岩直接接触，向南粒度变细，与石灰岩之间的泥岩逐渐增厚。到保德县桥头镇，石灰岩已经消失，过渡为砂岩和泥岩沉积，沉积环境由河流相沉积向三角洲沉积过渡[16]。

晋祠砂岩之上在该区北部沉积了扒楼沟石灰岩，往南尖灭变薄，乃至消失，过渡为三角洲沉积，地层厚度北部也明显大于南部，北部沉降幅度较大，沉降被河流、三角洲相所补偿，随着河流、三角洲的消亡，补偿能力变差，扒楼沟石灰岩的沉积说明海域中心由南向北迁移的趋势，在该区北段存在一定范围的地势较低，海水从东或东北方向侵入。

该区地势在晋祠砂岩和扒楼沟石灰岩沉积时期存在反转和过渡，地势大致由北高南低过渡为南高北低。也有部分学者推断在东侧存在一定的鼻状构造隆起，构成晋祠砂岩的物源，这与晋祠砂岩的古流向测定不符合，与海水的入侵方向也存在不一致的地方[1]。

2.2.2 桥头砂岩沉积环境

扒楼沟石灰岩沉积时期的海侵之后，在滨海平原和潮坪环境的基础上开始泥炭沼泽化沉积，聚煤场所随着海水的后退而不断拓展，形成厚层泥炭堆积，形成了太原组主力煤层13号煤层，是整个河东煤田稳定发育的煤层。桥头砂岩的展布范围较晋祠砂岩略广，在北部以河道沉积为主，在魏家滩以南，过渡为向上变粗层序，属三角洲前缘砂，部分地段见分流河道砂[1]。

桥头砂岩呈复杂的带状形态，流向基本由北往南，对13号煤层造成不同程度的冲刷。自北向南冲刷程度有变弱的趋势，在桥头镇以北，13号煤层的泥岩顶板和煤层均遭受侵蚀，至桥头镇以南，则厚层河流相砂岩体逐渐消失，煤层顶板和泥岩未见侵蚀（图2）。桥头砂岩在垂向上厚度大，在两侧迅速变薄尖灭，资料表明其为低弯度的曲流河沉积[1，11]。

桥头砂岩的古流向测定表明，古流向为单众数类型，基本上由北向南，与砂岩体的延伸方向一致，物源方向来自北方。这与扒楼沟石灰岩沉积时期海水中心在该区北部的境况相反，表明北部地势的隆起，沉降中心向南部转移。

桥头砂岩发育时期河流泛滥平原上泥炭沼泽不发育，在桥头砂岩形成期末，河道逐渐废弃，海水逐渐入侵，差异沉降和基底下沉速率变小，在桥头砂岩顶面发生泥炭沼泽化成煤，形成了11号煤层。准格尔旗地区发育的厚层煤层（与该区11号、12号煤层对应）是与桥头砂岩同期的泛滥盆地泥炭沼泽沉积物，更多受桥头砂岩巨大厚度造成的差异压实地形影响[1]。桥头砂岩沉积之后，发生了2期相当规模的海侵，沉积了保德石灰岩和魏家滩海相层，2期海侵的范围逐渐变小。

2.2.3 北岔沟砂岩沉积环境

太原组沉积之后，伴随海平面变化和构造起伏，其沉积体系由海陆交互相迅速转变为陆相沉积，分界即为北岔沟砂岩底界。北岔沟砂岩的河道分布总体与桥头砂岩、晋祠砂岩有所重合，但分布范围显著增加，往南延伸到三交、柳林地区地区，层位稳定，为典型的河流相和三角洲相沉积[12]。

研究区北部，山西组主力煤层8号煤层不发育，古地势在西伯利亚板块的碰撞俯冲作用影响下，古蒙古洋由北西向南东方向逐渐关闭，该区北部隆起，北高南低的地势已非常明显[9]。在北部和准格尔旗地区很难有规模性的泥炭聚集，南部有三角洲泛滥平原成煤作用和河漫滩沼泽成煤。在该区中南部以三角洲平原沼泽成煤为主，基准面快速上升，煤层直接覆盖在北岔沟砂岩之上，向南煤层呈加厚趋势。

2.3 砂岩体的沉积模式

晋祠砂岩、桥头砂岩、北岔沟砂岩3套砂岩体具良好的致密砂岩气勘探潜力，北岔沟砂岩及其同等层位在榆林气田取得了良好的勘探开发效果[6，14]，新民、孤山地区3套砂岩层均见气显。3套砂岩的沉积受区域地势变化、海水进退的影响，特别是晋祠砂岩和桥头砂岩是在陆表海环境下的河流相沉积，探讨其沉积模式对鄂尔多斯盆地东缘含煤地层沉积特征的探讨和天然气的开发具有指导意义。

普遍认为太原组陆表海是快速海进，缓慢海退的沉积环境，以广泛的陆表海潮坪环境为主体，在部分地区存在三角洲沉积，大型的河流相沉积很少见。

3套典型砂岩体的沉积表明了北部地势的坳隆和沉降幅度的反复变化，也表明陆表海环境下大型河流快速侵入并持续沉积的存在。晋祠砂岩沉积时期，地势北高南低，河流由北向南快速侵入，主干河道发育在研究区北部和中东部；随后北部地势沉降幅度变大，沉积的扒楼沟石灰岩表明了海域中心向北的迁移，地势也相应南高北低；之上发育了在该区和整个鄂尔多斯盆地东缘广泛分布的13号煤层，在13号煤层的泥炭沼泽沉积之时，北部地势仍略低，但受广泛的泥炭沼泽堆积影响，地势已经接近平缓；桥头砂岩沉积时期的河流再次由北向南冲积，大型的河流对下部的泥炭沼泽起冲刷作用，此时地势转变为北高南低；随后陆表海海水的再次侵入和11号、12号煤层成煤沼泽的堆积在一定程度上又减缓了北部隆起的趋势；北岔沟砂岩河流沉积的影响范围较前两次进一步扩大，往南延伸到三交、柳林地区，北部地势进一步隆起，泥炭沼泽逐渐向南转移（图3）。

3 结论

1）河东煤田北部发育的晋祠砂岩、桥头砂岩、北岔沟砂岩是3套河流相沉积形成的砂岩体。晋祠砂岩、桥头砂岩是陆表海背景下的低弯度曲流河沉积，受海侵海退、地势隆起和沉降幅度的差异影响；北岔沟砂岩是陆相河流沉积，北部地势隆起幅度加大，河流波及范围更广，形成的砂岩体分布区域更大。

图3 晋祠砂岩、桥头砂岩、北岔沟砂岩沉积演化模式图

2）晋祠砂岩和桥头砂岩沉积时期研究区地势由北高南低，过渡为南高北低，又过渡为北高南低，构造隆升和沉降幅度反复变化；海侵期间形成的泥炭沼泽在全区发育，形成覆盖全区的煤层，具有一定的填平补齐作用。

3）3套砂岩体和与其同期沉积、广泛分布的滨岸砂岩体或三角洲砂岩体形成良好的致密砂岩储层，间隔分布的含煤地层保证足够的烃类生成，并在一定程度上起封闭作用，具良好的天然气勘探潜力。

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