柴北缘东部北大滩地区中侏罗统石门沟组控煤因素

彭明鸿，田景春，张 翔，陈 磊，曾建强，王素英

柴北缘东部北大滩地区中侏罗统石门沟组控煤因素

彭明鸿1，田景春1，张 翔1，陈 磊2，曾建强1，王素英1

(1. 成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059；2. 青海省煤炭地质勘查院，青海 西宁 810001)

青海省北大滩地区煤炭勘查工作的关键是沉积期的聚煤环境和沉积前后构造作用对煤层赋存的控制作用。为明确柴北缘东部北大滩地区石门沟组的控煤因素，有效指导该含煤区的煤炭勘查工作，基于野外露头、钻孔、地球物理勘探等地质资料，在分析北大滩地区石门沟组聚煤环境和构造作用的基础上，从聚煤环境、古隆起和断裂、向斜等方面深入探讨了石门沟组的控煤因素。其中，扇三角洲平原分流河道间的泥炭沼泽和滨湖环境的滨湖沼泽是有利的成煤环境，控制着煤层横向发育、分布特征；古隆起控制着有利聚煤区和煤层分布区；北大滩向斜内部次级背斜和逆断层的上盘控制着煤层埋藏深度，煤层埋藏浅降低了后期煤炭勘查的难度。

柴北缘东部；北大滩地区；石门沟组；聚煤环境；构造控煤

煤炭是我国基础能源之一，充足、可靠的煤炭资源是煤炭工业可持续发展的基础和前提[1]，而研究控制煤层赋存的因素是重中之重。前人对控煤因素的研究做了大量的工作，一般认为，控煤因素主要包括聚煤环境和沉积期前后的构造作用，这两个因素不同程度地控制和影响煤的形成[2-5]。柴北缘东部北大滩地区以往完成的地质工作大部分以调查和普查工作为主，且仅在一些地质条件相对较好的地段以及各煤矿点进行了勘查工作。近年来，青海省煤炭地质勘查院对该区块进行了地质勘探、电法、地震、钻探等工作，对工作区构造、地层、煤层发育、覆盖层的基本地质特征均做过研究，但对含煤地层的构造控煤、沉积环境、聚煤规律的研究工作相对较少，特别是区块内主要含煤地层大煤沟组、小煤沟组的煤层赋存情况尚不明确。区块内钻孔见煤情况差异较大，对该地区聚煤规律等研究还需进一步深化。针对研究区构造特征、聚煤规律及煤层分布规律等方面研究的薄弱性问题，笔者通过对研究区野外剖面及钻孔岩心的精细观察、描述及编录工作，开展含煤地层特征、聚煤环境、构造特征及控煤因素研究，明确了北大滩地区沉积期的聚煤环境和沉积前后构造作用对煤层赋存的控制作用，为进一步开展煤炭勘探提供技术指导。

1 区域地质概况

柴达木盆地位于青海省西北部，是我国主要的含煤盆地之一。盆地略呈三角形，南临东昆仑山，西北以阿尔金山为界，东北以祁连山为界，盆地面积辽阔，边界被断裂控制[2,6-11]。北大滩地区位于柴达木盆地东部，东起于牦牛山煤矿东部，西至北大滩。东西长约68 km，南北宽约22 km，面积约1 492 km2[2](图1)。

图1 柴达木盆地构造略图(据文献[7]，修改)

大地构造上，柴北缘位于祁连山褶皱带与柴达木地块之间的一条凹陷带内[12]，走向北西，大体上由鱼卡—大柴旦—全吉—德令哈诸盆地以及柴达木地块绿梁山—锡铁山—埃姆尼克—扎布萨尕秀山形成的隆起带组成[2]。德令哈盆地的南缘就是北大滩地区侏罗纪含煤盆地，其侏罗纪地层向东延伸至乌兰，又位于乌兰煤田的西南部。北大滩地区的大地构造应力主要为北东—南西向的挤压力，在长期挤压作用下，研究区内主要构造为北西向的断裂、隆起和凹陷。北大滩及邻区构造较发育，向斜主要为北大滩向斜、东大沟向斜以及牦牛山向斜，背斜主要为陶力山背斜和巴音山背斜，其中北大滩向斜和牦牛山向斜为侏罗纪含煤凹陷区，巴音山背斜南部为石炭纪含煤裸露区。

2 含煤地层及含煤性

通过研究区周边野外露头观察及区内钻孔含煤地层对比分析，研究区主要含煤地层为中侏罗统石门沟组(图2)，石门沟组含煤地层超覆沉积于石炭系不整合面之上，缺失下侏罗统及中侏罗统大煤沟组，与上覆上侏罗统采石岭组呈整合接触。受凹凸不平的古隆起控制，石门沟组沉积厚度不一，具体表现为在相对隆起区沉积厚度小；在相对洼陷区，沉积厚度大。石门沟组岩性主要为油页岩、灰黑色的泥岩夹煤以及灰绿色砂岩，其特征是煤层薄且厚度不稳定，顶底板常见植物化石，该组地层平均厚度约190 m。

图2 北大滩地区地层分布图

石门沟组在北大滩和牦牛山一带出露，从上至下发育了3套煤层(M3、M4、M5)。据北大滩旺尕秀TC10探槽显示，M3煤层厚1.50~2.00 m、M4煤层厚5.40~7.80 m、M5煤层厚8.00~11.20 m；其中，M3煤层不稳定，厚度变化较大，M4、M5煤层较稳定，厚度一般在2 m左右。在北大滩向斜北翼地区施工的ZK1号钻孔M3煤层厚0.42 m、M4煤层厚6.84 m、M5煤层厚10.21 m，M4、M5煤层可采。另外研究区ZK0-3、ZK0-4号钻孔、TC01探槽均钻遇煤层，表明研究区煤层发育良好。

3 聚煤环境

研究区发育的M3、M4和M5煤层主要是在扇三角洲平原分流河道间的泥炭沼泽与滨湖沼泽中形成的。煤层横向发育特征表明，除受沉积前构造格局和后期构造改造影响之外，还受沉积相带的分布规律和不同相带的聚煤规律控制[13]。

3.1 扇三角洲平原泥炭沼泽

通过野外剖面观察、钻孔资料分析，扇三角洲可划分为扇三角洲平原以及扇三角洲前缘两个部分[14]。扇三角洲平原可以进一步划分为辫状河道、河道间及泛滥平原3个微相；扇三角洲前缘又可进一步划分为前缘席状砂、河口坝、水下分流河道、分流间湾等微相[15]，其中，河口坝、辫状河道和水下分流河道因沉积时水动力条件强，碎屑物质含量高，极大地影响了植物生长和成煤物质富集[16]，为不利的聚煤环境。

在扇三角洲平原中，最重要的聚煤环境为河道间和河道外侧的泛滥平原，其垂向上可聚集形成厚度较大的煤层。研究区ZK1钻孔即为该类聚煤环境(图3)。

ZK1钻孔石门沟组垂向上发育3套煤层，煤层具有向上变薄的特征。第一套煤层M5最厚(10.21 m)，煤层上下顶底板均为厚度较大的泥岩，为两次规模较大的洪泛沉积。煤层沉积前的洪泛泥岩沉积层为成煤植物的生长、发育带来了丰富的营养物质及成煤物质。洪泛间歇期气候湿润，植物大量生长，成煤物质广泛聚集；此后，洪水再次泛滥，在平原成煤植物之上沉积了一套厚层泥岩，成煤植物被上覆厚层泥岩覆盖，得以很好保存，进入成煤期。第二套煤层M4厚度6.84 m，其上下分别与泥质粉砂岩和泥岩接触，煤层之下的洪泛平原以灰黑色泥岩沉积为特征，有利于成煤植物生长，此后洪水泛滥，在成煤植物之上沉积决口扇微相的泥质粉砂岩，该时期较第一成煤期可容纳空间变小，成煤物质相对较少，M4煤层厚度小于M5。第三套煤层M3的厚度最小，仅0.42 m，其上下分别与薄层泥岩和泥质粉砂岩接触，该期成煤植物主要发育在决口扇的泥质粉砂岩之上，成煤植物的营养物质相对变差，成煤植物生长时间短，且受决口扇的冲刷作用，成煤物质保存较差。由以上分析可知，ZK1钻孔石门沟组中发育的3套煤层虽然均为扇三角洲平原的泛滥平原泥炭沼泽聚煤环境，但由于煤层顶底板岩层沉积环境、成煤时间、可容纳空间的差异，造成在垂向上3个煤层厚度差异大。

图3 北大滩地区ZK1钻孔石门沟组扇三角洲沉积相特征

平面上，扇三角洲平原分流河道主体以下切侵蚀作用为主，河道的侧向迁移不强，而且扇三角洲受控于物源区，因此，扇三角洲平原上的煤层厚度较大，但横向延伸不远。

3.2 滨湖聚煤环境

研究区石门沟组湖泊沉积相主要为滨湖、浅湖和半深–深湖沉积(图4)。其中浅湖和半深–深湖亚相所处位置水体较深，成煤植物不发育，为不利的原地成煤环境。但是在洪水泛滥期，河道中大量的植物树干冲入半深–深湖地区沉积下来，在还原环境下，逐渐腐烂成煤。形成的煤层较薄且横向延伸不远，不具开采价值。

在湖泊中，滨湖带为主要聚煤环境，其微相主要发育滨湖砂坝和滨湖泥，由于滨湖砂坝是砂质沉积且水动力条件较强，不利于植物生长。但是在湖泊发育的某个时期，由于淤泥大量沉积，滨湖地带形成极浅水区，在潮湿条件下木本植物大量生长，与此同时，河道中搬运来大量成煤物质，在还原条件下经腐烂、压实形成煤层。

研究区内旺尕秀地区TC10探槽M3煤层厚2.00 m、M4煤层厚1.40 m、M5煤层厚1.20 m，上述煤层均为滨湖沼泽聚煤环境，该类煤层由于受可容纳空间及湖平面频繁升降变化的控制，煤层厚度较扇三角洲平原泥炭沼泽的煤层薄[17-18]，但滨湖环境中发育的煤层往往可沿着滨湖带展布，横向分布稳定，延伸较远。研究区ZK0-3钻孔中煤层也为滨湖沼泽聚煤环境，该套煤层厚度为12.34 m，底板为滨湖砂坝的细砂岩和粉砂岩，顶板为滨湖相的深灰色泥岩(图5)。

图4 北大滩地区石门沟组沉积期沉积相图

综上所述，北大滩地区石门沟组主要聚煤环境为扇三角洲平原和滨湖两种：扇三角洲平原分流河道的低洼地带和分流河道外侧为扇三角洲主要的聚煤环境，大量成煤物质在河流的搬运作用下富集在洼地和岸后形成煤层；而滨湖聚煤环境往往呈带状沿湖岸线分布。

4 构造特征及其控煤作用

4.1 构造特征

北大滩及邻区构造调查区向斜和背斜发育，向斜主要为北大滩向斜、东大沟向斜及牦牛山向斜，背斜主要为陶力山背斜和巴音山背斜，其中北大滩向斜和牦牛山向斜为侏罗纪含煤凹陷区，巴音山背斜南部为石炭纪含煤裸露区。根据填图、电法综合解释成果及二维地震成果，调查区含煤地层主要受F1—F9断层控制，其中北大滩向斜南北两侧分别受5条逆冲断层控制[19](图6)。

4.1.1 北大滩向斜

北大滩向斜总体走向大致为NW向，东西长约20 km，南北宽约10 km。基底为石炭系上统克鲁克组(C2)及下统怀头他拉组(C1)灰岩，上覆地层为侏罗系、白垩系、新近系以及第四系。地表露头和ZK2井揭示的地层显示，该向斜内部缺失石炭系上统扎布萨尕秀组(C2)和中侏罗统大煤沟组(J2)。通过地表露头踏勘，向斜北翼发育两条逆冲断层(F1和F2)，在艾斯格勒山前发育F3断层，逆冲断层的上盘为上石炭统克鲁克组(C2)，逆冲向上成为高山，下盘为中侏罗统石门沟组(J2)，并且该下盘的位置为背斜构造，背斜北翼为石门沟组，地层北倾，核部为上石炭统克鲁克组(C2)，背斜南翼也为石门沟组(J2)，地层南倾。北大滩向斜的南翼受南部逆冲断层的控制，地表出露石炭纪地层。北大滩向斜两翼地层倾角一般约40°。以往物探资料显示，北大滩地区总体为向斜形态，煤系覆盖层等深线200~700 m，煤系底界深度为500~1 500 m。北大滩向斜北翼二维地震解释：研究区石门沟组煤的赋存状态总体呈北高南低、东高西低，地层走向呈NW向，地层倾角变化较大，倾角5°~25°。受两侧逆冲断层的双向控制，北大滩向斜是由多个小型背斜和向斜组成的复式向斜。

图5 北大滩地区ZK0-3钻孔石门沟组滨湖沉积相特征

图6 北大滩及邻区主要向、背斜剖面分布示意图

4.1.2 北大滩地区古隆起

地表露头、钻井和地震资料揭示，北大滩地区的沉积基底和侏罗纪地层的发育情况存在着明显差异，具体表现在红土山的ZK2揭示了侏罗纪地层保存着上石炭统克鲁克组(C2)，石门沟组不整合覆盖在克鲁克组上方；而在ZK1和ZK0-3井，石门沟组不整合覆盖在下石炭统怀头他拉组上方，中间缺少上石炭统克鲁克组(C2)。表明侏罗系沉积基底存在着石炭系的古地形高地，在该高地上，石炭系遭受风化剥蚀的程度较强，上石炭统克鲁克组遭受剥蚀，只剩石炭系下统怀头他拉组。中侏罗统沉积时期，石门沟组地层超覆在上石炭统克鲁克组(C2)地层和下统怀头他拉组(C1)地层之上，形成了现今的中侏罗统石门沟组(J2)与石炭系之间的接触关系(图7)。

依据钻井和地震资料及地表露头，刻画出上石炭统克鲁克组(C2)地层在北大滩向斜内部的尖灭界线，即为侏罗系沉积前基底的古隆起分布区。该古隆起出露的地层为下石炭统怀头他拉组(C1)，上石炭统克鲁克组(C2)地层在古隆起的顶部遭受侵蚀，在古隆起的低洼处得以保存下来。

4.2 构造对煤层的控制作用

4.2.1 沉积前古隆起构造

侏罗系沉积基底为石炭系地层，在ZK0-3— ZK1井一带形成了地形相对高的古隆起，隆起区上石炭统克鲁克组(C2)地层遭受侵蚀。中侏罗统石门沟组沉积随着湖盆的逐渐扩张，最先超覆在克鲁克组地层之上，随着湖盆的进一步扩张，逐渐漫过古地形高地，石门沟组超覆于下石炭统怀头他拉组(C1)地层之上，形成现今的北大滩普查区ZK0-3—ZK1井等一带的地层接触关系。而伴随着石门沟组湖平面的上升，湖平面淹没该古隆起，但其在湖平面以下仍然属于地形高点、水体较浅的滨湖区，利于植物的生长，也有利煤层的发育(图8)。

图8 北大滩地区侏罗系沉积前古隆起对煤层的控制作用示意图

4.2.2 沉积后的构造作用

北大滩地区在晚古生代沉积以后，经过了地层的抬升、风化剥蚀暴露[19]，再次沉积后发生在中侏罗统大煤沟组和石门沟组中。侏罗系刚开始为沉降期，其沉积湖盆速率缓慢，湖平面的变化缓慢，因此北大滩地区长期处于三角洲平原和滨湖的沉积环境，期间植物大量生长繁盛，随着长期、缓慢的构造作用，地层下降，植物埋藏形成厚度较大的煤层。

后期构造作用限制了煤层的分布和埋深。石门沟组成煤期后，北大滩地区在燕山运动III幕、喜马拉雅运动和新构造运动的叠加作用下[20-23]，发育大量褶皱和断层，并在其叠加作用下破坏了含煤地层的连续性[18]。但北大滩逆冲断层的发育，其上升盘整体抬升，煤层埋深变浅，降低了勘探难度。北大滩复式向斜内次级背斜的发育，也使得含煤地层埋深变浅，有利于煤炭勘查；同时在构造转折地方，由于煤层具有塑性，容易在该处聚集，形成局部厚煤层(图9)，如旺尕秀煤矿中向斜底部及背斜顶部煤层厚度相对较厚。

图9 北大滩地区向斜构造对煤层的控制作用示意图

总体上，北大滩地区属逆冲褶皱型的控煤构造样式[24]，断裂和褶皱的发育影响了煤系的赋存，使得煤系赋存变得复杂，增加了后期勘探风险。在进行本区煤炭勘查时，需正确认识北大滩地区构造发育类型与其相互关系。

5 结论

a. 北大滩地区中侏罗统石门沟组主要发育扇三角洲和湖泊沉积相。研究区露头和钻孔揭露的岩性特征表明，扇三角洲平原泥炭沼泽和滨湖泥炭沼泽为研究区有利聚煤环境。

b. 古隆起斜坡区和古隆起顶面为石门沟组有利的成煤区，也是煤层的有利分布区。

c. 北大滩向斜南北两翼受逆冲断层的控制，在边界逆冲断层的挤压或逆冲牵引作用下，发生褶皱变形，形成复杂的逆冲褶皱型的控煤构造样式。北大滩向斜内部次级背斜和逆断层的上盘上升，使得煤层的埋藏深度变浅，有利于后期煤炭勘查。

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Coal control factors of Middle Jurassic Shimengou Formation in Beidatan area,east part of the northern Qaidam basin

PENG Minghong1, TIAN Jingchun1, ZHANG Xiang1, CHEN Lei2, ZENG Jianqiang1, WANG Suying1

(1. Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration, Xining 810001, China)

The key of the coal exploration in Beidatan area of Qinghai Province is the coal accumulation environment in the sedimentary period and the control of coal seam occurrence by tectonic action before and after sedimentation. To identify Shimengou Formation coal controlling factors in Beidatan area, east part of the northern Qaidam basin, effectively guide the coal exploration of the coal bearing area, through field outcrops, drilling, geophysical prospecting and other geological information system, based on the analysis of coal accumulating environment and structural function of Shimengou Formation in Beidatan area, the control factors of coal were deeply discussed from coal accumulation environment, paleo-uplift, fault and syncline. Among them, the peat marshes and lakeside marshes between distributary channels in fan delta plain were favorable coal-forming environments, which controlled the transverse development and distribution of coal seams; the paleo-uplift controled the favorable coal-accumulating area and coalbed distribution area; the upper wall of the secondary anticline and reverse fault in the Beidatan syncline controlled the burial depth of coal seams. Shallow burial depth of coal seams reduced the difficulties in later coal exploration.

east part of the northern Qaidam basin; Beidatan area; Shimengou Formation; coal-accumulating environments; coal-controlling structure

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.009

1001-1986(2019)04-0054-09

2018-10-09

国家科技重大专项任务(2016ZX05046-005-001)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05046-005-001)

彭明鸿，1995年生，男，四川成都人，硕士研究生，研究方向为构造地质学. E-mail：6957968@qq.com

彭明鸿，田景春，张翔，等. 柴北缘东部北大滩地区中侏罗统石门沟组控煤因素[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(4)：54–62.

PENG Minghong，TIAN Jingchun，ZHANG Xiang，et al. Coal control factors of middle Jurassic Shimengou Formation in Beidatan area, east part of the northern Qaidam basin[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：54–62.

(责任编辑 范章群)