榆横北区巴拉素井田沉积特征分析

徐圣集，刘 洋，方 刚,5

（1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116；2.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林719000；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077；4.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安710077；5.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安710054）

鄂尔多斯盆地内的陕北侏罗纪煤田赋存有大量优质煤炭资源，但各矿井在其进行采掘过程中，大部分都受到不同程度的顶板水害影响[1-2]。随着煤炭资源的不断开发利用，位于煤田中部的榆横北区各煤矿逐渐开始建设生产，而其煤层埋深在区内相对较大，自东向西埋深逐渐增加（有深部区域约400～500 m 埋深），其面临的顶板水害问题也显得日益严重[3-4]。但该矿区内大多数矿井尚未进行大规模生产，区域及各矿井的水文地质工作稍显滞后，由此带来的水害隐患或问题则亟需解决。

侏罗纪煤田顶板水害多为砂岩含水层充水所致[5-6]，区内煤层顶板富水性不均一，与成岩（煤）地质历史时期沉积条件、沉积环境等有一定的关系[7-8]。因此，在矿井采掘前期，通过开展煤层覆岩沉积规律等研究，掌握顶板直接充水含水层沉积特征，可为后续开展的水文地质工作提供依据和基础[9-10]。

多年以来，相关从业、研究人员及学者们对煤田地质沉积及沉积控水领域的多项问题开展有大量的分析研究工作。王妍妍[11]等应用有机碳同位素、铁价态、DOM 光谱等指标对浅层含水层第四纪沉积环境演化进行概化分析。刘基[12]等基于沉积学原理对地层沉积相和砂体展布规律进行分析研究，并运用AHP 和GIS 方法划分侏罗系煤层顶板含水层富水性。欧阳征健[13]等利用野外剖面考察、薄片鉴定、粒度分析等手段研究鄂尔多斯地区中元古界长城系沉积区的沉积环境、沉积构造和沉积相等特征。王永国[14]等通过分析侏罗纪矿井直接充水含水层沉积条件和环境、覆岩结构、顶板水化学特征等，研究了多相变条件下煤层顶板含水层富水性，发现含水层砂体呈条带状分布，富水性受沉积影响分布不均等特征。成沁梓[15]等通过对样品进行磁学和碳、硫地球化学分析，研究了沉积物的磁性空间差异及冲淤指示影响，以此研究长江三角洲的水下淤积和侵蚀特征。田飞翔[16]等通过地球化学分析第四系沉积物样品，研究砷的垂向分布规律及其对地下水的影响。王海军[17]通过煤层覆岩进行精细划分对比、岩心描述、岩样测试、地球物理测井、抽水试验等手段对其沉积环境进行研究，以此评价煤层顶板的稳定性；并发现沉积环境不仅控制煤层顶板岩性分布，而且控制岩石力学参数及其含水层富水性分布，提出湖泊、沼泽相泥岩顶板区是顶板支护的重点部位，多期分流河道砂岩叠置顶板区是矿井未来防治水重点区域[18]。杨建[19]等从地形地貌和地质沉积方面开展研究，对鄂尔多斯盆地北部深埋煤田不同条件影响矿井涌水量的差异进行分析，获取含水层富水性的相关影响因素。张鑫[20]等利用Fisher 基本原理得到河湖相判别模型，利用模型对研究区沉积环境演化进行分析，检验了模型对河流相、河湖过渡相、湖相的区分效果和实用性。

以上所述的关于地质沉积及煤层顶板富水沉积方面的研究观点、内容、成果等对煤矿水害防治做出了一定的帮助和贡献，但目前对于陕北侏罗纪煤田榆横北区内矿井煤层顶板充水含水层的地质沉积条件和环境、沉积相等方面的实际研究与应用成果尚为不足，还需继续进行更为深入的研究和探索。为此，主要以榆横北区巴拉素井田先期开采地段为例，通过对其覆岩直接充水含水层开展沉积相、沉积环境等分析研究工作，掌握各主要充水含水层沉积规律和特征，以此为煤矿建设、生产工作中水文地质和防治水问题的有效解决提供理论支撑，同时也可为榆横北区内其他条件类似矿井提供参考依据。

1 研究区概况

巴拉素井田位于陕西省榆林市榆阳区，地处陕北侏罗纪煤田榆横北区中西部。井田先期开采地段面积近61 km2，为主要研究区域。区内首采的侏罗系延安组2 号煤，平均埋深近500 m、平均煤厚约3.81 m，设计产能10 Mt/a。区内地表大部分被第四系松散层覆盖，地形主要为沙漠滩地，地势东北高、西南低，地表无水系发育[3-4，21]。

区内2 号煤上覆有侏罗系延安组第四段（78 m）、直罗组（125 m）、安定组（97 m），白垩系洛河组（195 m）和第四系（41 m）等地层[21]，各地层中不同层位发育有若干含水层组（上述地层厚度为平均数值）。通过顶板导水断裂带高度预计[6，21]，区内首采的2 号煤导水断裂带发育高度约107 m（裂采比28 倍计算）。由此可知，煤层顶板的延安组第四段和直罗组含水层均将受到导水断裂带的波及，该2 层含水层水为后期煤矿生产阶段的主要充水来源。故主要对以上2 层直接影响矿井采掘活动的含水层进行沉积相特征分析研究。

2 地层划分与对比

标志层对比法是地层划分过程中行之有效的手段之一[21-23]。区内侏罗系延安组含煤岩系中，可采煤层由新到老具体为2、3、4-1、4-2、5、7、8 号煤层，在空间上具有良好的可对比性；河流冲刷作用最明显的表现是河道砂体底部对下部堆积物的影响，区内侏罗系延安组一段底的“宝塔山”、延安组四段中上的“真武洞”、直罗组一段底的“七里镇”、直罗组二段的“高桥”等段的砂岩层，沉积层厚度较大、粒度较粗，被作为地层划分的辅助标志层对待[21-24]，研究区侏罗系直罗组、延安组地层对比划分见表1。

表1 研究区侏罗系直罗组、延安组地层对比划分Table 1 The stratigraphic correlation of Jurassic Zhiluo Formation and Yan’an Formation in the study area

1）侏罗系直罗组。侏罗系直罗组地层在区内分布广泛，无地表露头区，地层由黄-灰绿色砂岩，蓝-紫灰色等杂色泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩等组成，层厚在83.6～194.4 m。该组是本区煤层顶板的主要含水层，从下到上构成2 个完整的沉积旋迴，对应2个段，每个旋迴底段都有含砾粗砂岩或细砾岩等。

2）侏罗系延安组。侏罗系延安组作为全区分布的主要含煤地层，且地表未出露，由1 套灰白-浅灰色各粒级的砂岩，灰-深灰色砂质泥岩、泥岩和煤层所共同组成，发育有平行层理及波状层理，含煤10余层（包括煤线），产植物茎、叶等化石碎片。根据岩石组合、含煤特征、旋迴结构等进一步划分为4 个段，以可采煤层、砂岩标志层为地层划分对比的特殊指示，验证了区域内各级沉积旋迴发育及赋存的规律性。

3 沉积特征

鄂尔多斯盆地所处的我国大陆中部，是以古生代华北克拉通盆地为基础而逐渐发育演化的中生代沉积盆地。在中侏罗世早期，该盆地内受印支运动末期华北板块整体的抬升作用，风化剥蚀和冲刷侵蚀使得在三叠系上统延长组顶面河谷纵横、残丘广布的古地貌背景下开始沉积延安组，而后随着地壳的持续稳步下降，连续沉积了复陆屑碎屑岩建造的直罗组等地层，由此，主要对形成于侏罗世早期的研究对象进行沉积构造演化分析[21-22]。

巴拉素井田地处鄂尔多斯盆地陕北斜坡的南缘，其沉积演化受区内的构造和沉积活动影响强烈。对于研究区侏罗系四段的2 号煤层沉积演化史而言，根据区域内的沉积特征，其受曲流河的侧蚀作用影响较大，表现为沉积过程中所处环境的持续和稳定性相对较差；在其地质历史后期，由于地壳垂向活动变弱，沉积环境逐渐平稳，泥炭沼泽的环境较为发育，最终沉积形成了结构简单、厚度和层位稳定的全井田可采煤层[21-22]。

燕山运动Ⅱ幕的构造应力作用是东部和南部强、北部和西部弱。这种构造应力环境势必造成鄂尔多斯陆块的差异性抬升与剥蚀改造，而直罗组就是在此背景下沉积形成的。该组地层在早期沉积时物源充分，主要以辫状河沉积为主，并在晚期向曲流河进行过渡。虽在局部有煤系发育，但大部分地段由多个大型砂岩复合体构成的河流沉积，河床亚相粗粒砂岩底冲刷侵蚀面发育，向上出现发育槽状和板状交错层理的边滩相细砂岩。漫滩相泥岩分布局限，侧向连续性差，未能构成区域稳定的隔水层。

直罗组沉积晚期，沉积环境气候干旱、物源不足，造成了其范围逐渐缩减。目前分析主要为湖泊和曲流河沉积，不具备聚煤沉积条件。三角洲平原亚相分流河道砂体不发育，边滩亚相中-细粒砂岩（高桥砂岩）和漫滩亚相粉砂岩和砂质泥岩组成典型的“二元结构”。同时，漫滩亚相也成为区内较稳定的隔水层[21-22]。

3.1 沉积相划分标志

相标志即为可反映沉积条件和特征的标志，其既是沉积相分析的基础，也是重建古地理环境主要研究方法。识别沉积相的标志主要包括：岩石学标志、测井相标志、生物标志等[21-23]。

3.1.1 沉积学标志

1）岩石类型及颜色。①区内直罗组的岩石基本色调为灰白色、灰色、灰绿色为主，反映其沉积过程中的一种弱还原-还原环境；②区内延安组主要由浅灰-灰白色各粒级砂岩，灰-深灰色砂质泥岩、泥岩和煤层组成，反映其形成于河流环境和湖泊三角洲泥炭沼泽环境；③直罗组下部由灰绿-青灰色（含砾）中-粗砂岩（俗称“七里镇砂岩”），局部夹粉砂岩、砂质泥岩组成；上部由灰绿色砂质泥岩、泥岩与灰-黄绿色粉砂岩、细粒长石砂岩组成。这种岩石组合特征预示其形成环境经历了曲流河向湖泊三角洲环境的转变。延安组、直罗组钻孔岩心照片如图1。

2）沉积构造。原生沉积构造可直接对沉积时水动力条件进行反映，它是沉积介质的性质和能量条件等方面的信息表征，是区分沉积环境以及划分沉积相、沉积亚相、沉积微相的重要标志之一[21-22,25]，本次区内的常见原生沉积构造有：①平行层理；②槽状交错层理；③过渡性层理；④冲刷面。研究区常见的沉积构造（平行层理、冲刷面）如图2。

图1 钻孔岩心照片Fig.1 Borehole core photograph

图2 研究区常见的沉积构造Fig.2 Common sedimentary structures in the study area

3.1.2 测井相标志

通过岩心归位和沉积微的相识别、解译，结合各测井系列响应的特征，在综合对比研究的基础上构建研究区目的层段沉积微相的测井相模式，并以此为基础进行具体的划分[22,25-26]。研究区河流相及三角洲平原亚相沉积测井相标志见表2。

表2 研究区河流相及三角洲平原亚相沉积测井相标志Table 2 Sedimentary logging facies markers of fluvial facies and delta plain subfacies in the study area

3.2 沉积相类型及特征

3.2.1 河流沉积体系

河流沉积是研究区内侏罗系地层中主要的沉积类型之一[27-28]。按照砂体的形态、相序和相变等特征，主要将区内的河流沉积分为辫状河沉积、曲流河沉积，研究区曲流河与辫状河特征对比表见表3。

表3 研究区曲流河与辫状河特征对比表Table 3 Comparison table of characteristics of meandering river and braided river in the study area

1）辫状河相。辫状河沉积主要发育于直罗组的底段，其河道砂坝主要由巨厚的块状砂岩构成，其粒度较粗，可见在其沉积过程中具有较强的水动力环境。砂/地值为65%～85%，局部可达90%以上。在剖面上具有明显的“砂包泥”特征；在平面上呈连片状分布，并互相反复叠置。河道沉积自上而下显示了由细到粗的正旋迴层序。该沉积顶部和底部呈突变形态，总体呈现为钟状和箱状的自然电位曲线。垂向上有多个旋迴相互叠置，各旋迴均呈正旋迴层序，发育有平行层理、槽状层理、板状层理、粒序层理及部分沙纹层理等。研究区河流沉积特征图（曲流河、辫状河）如图3。

2）曲流河相。直罗组中上部发育有曲流河相沉积，该沉积旋迴厚度基本在20 m 以内，部分区段可能存在2 个及以多个砂体叠置情况，导致其厚度可达15 m。从剖面上看，砂体基本呈下凸上平的形态发育，侧向延伸可达成百上千米，与其交织发育的主要为泥岩。河道砂坝与河道间的沉积在垂向上都较为发育，砂地比在0.3～0.5 范围左右，上部结构为以垂向加积为主的河道间沉积，下部结构为以侧向加积为主的河道砂坝沉积，其比例一般各占50%左右。

图3 研究区河流沉积特征Fig.3 Fluvial sedimentary characteristics in the study area

3.2.2 三角洲沉积体系

区内侏罗系延安组第四段为湖泊三角洲平原亚相沉积构成，其中，分流河道沉积为骨架支撑作用；分流河道之间散布有分流间洼，主要进行越岸沉积和决口沉积这2 种充填作用[27-28]。

1）分流河道。分流河道是三角洲平原主要微相组成之一，砂体呈现出主要由泥岩、泥质砂岩和粉砂岩等向下逐渐变粗为细砂岩所构成的正粒序状态，单体砂岩厚度不超过10 m，分布有泥砾的冲刷构造在其河道底部可见。分流河道的微相组合主要分2 类：①单一分流河道+其它微相的组合；②多期分流河道共同组合。研究区内分流河道砂体主要呈差异明显的箱状或钟状（中～高幅）自然电位曲线形态，具体表现为：箱状形态是在河道主体的巨厚砂体，而天然堤则发育不明显；钟状形态是在河道侧缘的沉积减薄，天然堤的沉积发育层较厚。研究区三角洲沉积特征图（分流河道、分流间洼）如图4。

2）分流间洼。分流间洼常分布于分流河道之间的低洼地段，主要由悬浮细粒垂向加积和洪泛决口时河道沉积共同作用形成的。其岩性主要为薄层的深灰～黑色的泥质粉砂岩和泥岩的交互层结构，厚度差异明显。以水平层理为主，波状层理、沙纹层理、变形层理为辅的沉积构造；沉积构造受沉积微相及其组合影响差异明显，在分流河道间的水道间微相岩性主要为粉砂岩（相对较粗），一般发育有波状层理和变形层理，自然电位曲线呈齿形（低幅），而位于各河口坝相互之间、河口坝与分流河道的水道微相主要为泥岩、粉砂质泥岩（相对较细），自然电位曲线呈微齿或平直形（低幅）。

图4 研究区三角洲沉积特征Fig.4 Delta sedimentary characteristics in the study area

3.3 沉积相平面展布

通过地层特征、物源分析，结合砂体厚度、砂地比值统计，绘制侏罗系直罗组及延安组第四段沉积相图，而后根据其展布特征，结合电测曲线特征，生成不同级次的砂地比等值线图，构建沉积微相分布图。沉积相图能够通过所统计各类数据的变化情况，对砂体发育的叠置或连续程度进行判别，由此可相对较为准确地预测井田含水层（砂体）的发育位置，提高含水层富水情况的预精度。

结合鄂尔多斯盆地内侏罗纪煤田开采经验和生产实际[4-6，21，27-28]，砂岩含水层以河流-三角洲沉积中的三角洲平原分流河道砂体和河道砂坝为主，其它类型的砂体占含水层的比重较小。

3.3.1 直罗组

区内侏罗系直罗组发育以河漫滩沉积、河道砂坝沉积为主。其中，河道砂坝以NW-SE 方向在井田的4 个区域进行展布：第1 个古河床位于井田西南部，沿ZK1601、ZK2805 一线斜穿井田，河道砂地比值大于0.25，河道规模中等，钻孔控制程度较低；第2 个古河床 位于ZK106、ZK1801、ZK0902、ZK1003、ZK1101、ZK1201 等钻孔一线斜穿井田，与第1 个古河床中心大致平行，在ZK0901、ZK1001 钻孔附近过度为漫滩沉积；该古河道中心直罗组一段砂地比为0.4～0.68，河床规模大；第3 个、第4 个古河床位于井田东北部，分别由ZK0009、ZK0409、ZK0411、ZK0812、ZK0013、ZK0415、ZK0615、ZK0816 等钻孔控制，在ZK1014、ZK1016、ZK1217 钻孔附近，2 条古河道相互拼接。

区内第1～第3 个古河床分布广泛，且互相衔接，主体位于中部和西南部区域，后又频繁分叉。

3.3.2 延安组第四段

与直罗组沉积相对应，区内侏罗系延安组第四段为三角洲平原向河流相演变时期，并沉积发育有4条古河道，其微相概括为以分流河道与分流间洼为主。

第1 条古河道位于井田西北角，由ZK0001 钻孔、ZK0403 钻孔控制，古流向向北东-南西，砂地比值在0.3～0.4 之间，周边为分流间洼沉积；第2 条古河道位于井田中部偏西，呈近南北向纵贯全区，由ZK0409、ZK0609、ZK0607、ZK0601 等钻孔控制，河床宽缓平坦，是区内古河道规模较大的1 个，古河道两侧为边滩沉积，河道内岩石组合中砂地比值为0.3～0.47，反映了碎屑物分选好，而堆积缓慢的特点；第3 条古河道位于井田东北部，由ZK0417、ZK0617、ZK0615、ZK0816 等钻孔等控制，是区内古河道规模最大的1 个，古河道以NNE-SSW 方向展布，河床边部或分流河道的砂地比值为0.3～0.4，古河道中部或分流河道部位的砂地比为0.4～0.5，古河道核部砂地比为0.5～0.6；第4 条古河道位于井田东部，由ZK1617、ZK2017、ZK2013 等 钻 孔 控 制，以NNE-SSW 方向展布，两侧分流间洼微相较为发育。

井田内分流河道沉积广布，复合砂体发育状态呈现为平面衔接、剖面叠置的特征，且其连通性在横向上表现较好。同时，各分流河道由于沉积条件差异而不断分叉、改道、拼,,接，最终形成的网状结构和现代河流的三角洲平原发育态势较为相似。从整体上看，区内分流河道以NE-WS 方向为主，次之为近SW 方向。巴拉素井田先期开采地段内，4 条古河道的分布范围较大，结合连续，主体位于中部及东-西北部区域。研究区直罗组、延安组第四段沉积微相平面展布图如图5。

图5 研究区直罗组和延安组第四段沉积微相平面展布图Fig.5 Planar layout of sedimentary microfacies in Zhiluo Formation and the fourth section of Yan’an Formation in the study area

4 结 论

1）根据巴拉素井田未来采掘2 号煤层覆岩破坏结果预计，确定矿井顶板直接充水含水层来源，具体以井田先期开采地段内侏罗系直罗组、延安组第四段地层为主要研究对象，从而对其开展沉积环境、沉积相等特征分析研究。

2）根据区域及井田资料、钻孔岩心、各沉积标志等判断研究对象主要形成于弱还原～还原沉积环境，常见有平行、槽状交错和过渡性层理，冲刷面等沉积构造。

3）通过对沉积旋迴地层进行对比划分，发现直罗组由河道砂坝和河漫滩构成，古河道NW-SE 向展布；延安组四段为三角洲平原向河流相演变时期，主要为三角洲平原亚相，微相以分流河道和分流间洼为主，分流河道分布呈NE-SW 方向。