新疆巴里坤县条湖矿区4号煤层聚煤作用控制分析

李书海

摘要：本文在研究他人成果基础上，通过大量钻孔岩心观察描述、测井曲线对比研究和钻孔柱状图分析，认为条湖矿区4号主力煤层形成于构造运动处在缓慢沉降，碎屑物质供给较少，气候温暖潮湿的环境中，此时湖进速度大致等于或小于泥炭的堆积速度，处在湖进退积一加积的旋回中。

条湖矿区位于三塘湖盆地中东部，距巴里坤县85km。三塘湖盆地以汗井断裂带和白衣山断裂带为界，可分为东北逆冲推覆隆起带、中央拗陷带和西南逆冲推覆隆起带三部分（图1）。

条湖矿区含煤地层主要为侏罗系西山窑组，煤层层数最多处达7层，自上而下编号依次为2、3、4、5、6、7、8，其中4号煤层为主力煤层，见于西山窑组上段，并根据成因，自下而上分为旋回Ⅰ和旋回Ⅱ，为三角洲退积旋回。Ⅰ和Ⅱ旋回又可分别分出两个亚旋回Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1、Ⅱ2。相旋回为三角洲平原亚相一三角洲前缘亚相（图2）。4号煤层厚度为16.69m～39.06m，平均厚度为23.15m，在28个钻孔中，有26个钻孔见主力4号煤层，分布稳定。

1.含煤地层特征

1.1岩性特征

条湖矿区侏罗系西山窑组为主要含煤地层，以一套内陆湖相碎屑岩沉积建造，以辫状河相三角洲相为主的含煤建造，主要岩性为黄褐色、灰白色长石岩屑砂岩、钙质砂岩、长石石英砂岩及泥质粉砂岩夹煤层及菱铁矿薄层，含动植物化石。

1.2地球物理特征

自然伽马-视电阻率曲线、自然电位-视电阻率曲线等，能很清楚地反映地层岩相组成和旋回特征，本文采用自然伽马-视电阻率曲线组合进行分析，视电阻率，它反映沉积岩导电性的强弱。沉积岩的导电性强弱与组成岩石的颗粒粒度、成分胶结程度、胶结物成分以及地层水的含盐度等许多因素有关。然而，在同一地区，尤其是对同一种环境来说，除粒度以外的其他因素一般可视为常量，即可忽略它们对规电阻率的影响。因此，岩石的视电阻率主要决定于岩石的粒度，而岩石的粒度又直接与沉积时的水动力条件有关。一般规律是从砾岩-粗、中砂岩-细砂岩-粉砂岩-泥岩的视电阻率递减。因此，人们不仅可以根据视电阻率值的大小“解释”岩性，而且可以根据其变化规律来推断岩性组合情况，分析水动力条件的变化。

自然伽马，它反映了沉积岩的自然放射性强弱。一般来说，沉积岩的自然放射性强度随粘土含量的增加而增大。这是因为粘土有较大的表面，在沉积过程中吸附了较多的放射性元素或其化合物。因此，人们可以根据沉积岩自然伽马的强弱来推断岩石的含泥量，进一步分析水体的动荡程度。一般来说，水体越动荡，沉积物被淘洗得越干净；水体越宁静，泥质含量就越高，甚至成层沉积。

4号煤层底部（Ⅰ1旋回），在测井曲线响应总体上是：视电阻率由高到低，箱形-齿化；自然伽马由低到高，漏斗形一齿化。岩性组合为灰色砂岩，灰黑色炭质泥岩，灰色泥岩，因泥岩中含有炭质泥岩及煤线则视电阻率曲线多呈指状的中高幅，自然伽马曲线则在炭质泥岩及煤线处呈指状突降低（图3a）。则说明煤层形成时，水动力逐渐降低，由于缓慢的构造沉降作用，湖平面缓慢上升，从而形成水进退积。水进可以引起区域性水位抬升，造成三角洲平原地区大面积沼泽化。此时气候温暖潮湿，湖盆水体为淡水，大量的植物得以生长，从而形成辫状河三角洲平原广泛的高位沼泽沉积。加上三叠纪末期乃至侏罗纪早期，造山过程停止，卡拉麦里造山带逐渐被夷平，古地貌呈准平原化。应力松弛引起地壳大面积下沉，形成侏罗纪开阔湖盆。故在中侏罗统西山窑组有宽阔的沉积物堆积空间，使得泥炭层不会受到沉积物的干扰。同时，植物的堆积速度大于或等于构造沉降速度时，泥炭的堆积得以长期稳定的进行，是煤层发育的主要时期，形成厚度较大的煤层。

煤层的测井曲线特征为光滑-微齿箱形，视电阻率较高，自然伽马较低（图3b），说明煤层形成时环境比较稳定。

4号煤层顶部（Ⅰ2旋回）的视电阻率测井曲线的总体特征为由高到低，齿化箱形；自然伽马曲线为齿化箱形一钟形，值由低到高。岩性为灰色砾岩，粗一中砂岩及薄层泥岩，视电阻率测井曲线从砾岩到砂岩，砂岩到泥岩的测井曲线都是呈退积式，则说明煤层形成后发生了水进退积，对煤层起到了掩埋保存作用（图3c）。在砾岩，粗砂岩处自然伽马测井曲线值变化不大，很有可能是含泥量过多的结果及视电阻率测井曲线齿化箱形的特征，反映了当时快速堆积的特点。从钻井岩心结果看出，砾岩，粗-中砂岩直接覆盖在煤层之上，没有过渡岩性。则是由于当时气候仍温暖潮湿，降雨量很大且过分集中，导致了特大水流，它的流量、流速超强，携带了大量的砾砂泥等直接注入到泥炭沼泽及湖泊中，中断了泥炭沼泽的堆积作用，湖平面也因大量的水流注入而上升，出现湖进退积。沉积相由三角洲平原演化为三角洲前缘，沉积了厚层泥岩。

Ⅱ1旋回的视电阻率测井曲线为退积式，自然伽马曲线在砾岩处反比下部砂岩略有增大，可能是因泥质含量高的原因，说明当时沉积非常快，分选性很差。岩性由砂岩过渡为含泥砾岩（图3d）。此后，砾岩之上直接覆盖一层厚泥岩，视电阻率曲线为进积式，自然伽马值由低到高，说明发生了一次大的水进事件，且水进速度较快，有利于煤层的赋存。

2.聚煤作用的控制因素分析

对于陆源碎屑岩来说，沉积盆地内沉积形式是湖面的升降变化、陆源碎屑物质的供应和盆地基盘沉降速度共同影响的结果。聚煤作用的控制因素主要为构造运动、物源供给、气候和沉积环境。

2.1条湖凹陷的构造升降及湖面升降规律

早侏罗世，条湖凹陷为缓慢的沉降期。由于早燕山运动的影响，中侏罗世西山窑期条湖凹陷沉降接受沉积。中晚侏罗世头屯河期一齐古期，凹陷为稳定、缓慢的沉降，条湖凹陷的沉积速率为33.54m/Ma。三叠纪末期乃至侏罗纪早期，造山过程停止，卡拉麦里造山带逐渐被夷平，古地貌呈准平原化。应力松弛引起地壳大面积下沉，形成三塘湖侏罗纪开阔湖盆。

故由于构造沉降作用，使条湖区可容纳空间得以增加。当构造沉降速率小于或等于泥炭沉积速度时，有利于泥炭的堆积和保存。4号煤层底部岩性为砂岩、泥岩及炭质泥岩互层组成水进退积序列，可容纳空间增加。当可容纳空间增加相对缓慢，且与泥炭堆积速度在较长时间保持平衡或略小，才发育了4号特厚煤层。4号煤层形成之后，由于特大水流事件导致湖面快速上升，从而中断了泥炭的堆积。这是因为水位的上升导致大量的植物被水淹没而死亡，不能持续的提供植物遗体。且搬运的沉积物量大，干扰了泥炭的堆积。出现4号煤层顶部水进退积旋回，岩性粒级由粗到细，可容纳空间快速增加，4号煤层的堆积由此结束。

2.2气候及沉积环境

气候对煤的形成及岩石的风化程度和类型具有重要的控制作用，对沉积物供给速率具有重要影响。气候通过影响湖泊的蒸发量与注入量控制湖平面的升降，从而影响可容纳空间的变化。当气候温暖潮湿时，降雨量大，蒸发量小于注入量，植物茂盛，有利于煤的形成，基准面上升，风化作用较强且以化学风化为主，沉积物供给量大，沉积物粒度小。当气候干热时，降雨量小，蒸发量小于注入量，植物难以生长，不利于煤的形成，基准面下降，风化作用较弱且以物理风化为主，沉积物供给量小，沉积物粒度大。

西山窑期，气候温暖潮湿，植物生长繁茂，各类沼泽较好发育。含有丰富的植物化石和孢粉，西山窑期晚期，准噶尔盆地、三塘湖盆地皆发生了强烈的沼泽化，滨岸沼泽分布范围扩大，为新疆各盆地主要的成煤时期。

条湖矿区4号煤层形成时，气候温暖潮湿，降雨量较大，湖面上升，潜水面上升，在三角洲平原地区形成大面积的沼泽，为聚煤创造了理想的场所，主要发育湿地三角洲平原沼泽相（图2）。

2.3物源供给

当大量的碎屑物质经水道开始注入时，将会破坏聚煤的持续性，煤层则可能被碎屑物质切断，不易形成厚度较大的煤层，如果碎屑物质的供给减少乃至不供给时，煤层的分布具有相对的稳定性。

沉积物供给量本身主要受构造和气候的控制，抬升的构造运动和潮湿的气候有利于沉积物源的风化和剥蚀，从而增加了沉积物的供给量。条湖地区侏罗系是在准平原化的地貌背景上沉积的，侏罗纪的盆地是一个开阔湖盆，范围很大，表明侏罗系的沉积是在应力松弛背景下的宽缓坳陷型沉积。所以，尽管当时有潮湿的气候，但构造运动不是抬升为主，而是处在缓慢的沉降作用中，处在可容纳空间缓慢增大，碎屑物质供给较少的环境下。故有三角洲平原亚相砂岩一泥岩一煤的正粒序旋回。再加上植物繁茂，泥炭沼泽发育，才形成了较厚的4号煤层。

3.结论

条湖矿区4号主力煤层形成时，气候温暖潮湿，降雨量较大，湖面上升，潜水面上升在，三角洲平原地区形成大面积的沼泽，为聚煤创造了理想的场所，主要发育湿地三角洲平原沼泽相；构造运动处在缓慢的沉降过程中，碎屑物质供给较少，不会破坏聚煤的持续性，有利于厚煤层的形成。

且4号煤层形成时，正处在湖进退积一加积的正旋回中，此时湖进速度大致等于或小于泥炭的堆积速度，从而形成了4号特厚煤层。