陕北侏罗系沉积控水规律与沉积控水模式

冯 洁，侯恩科，王苏健，丁 湘，段会军,王 磊

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054; 2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054; 3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065; 4.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077; 5.三秦学者“矿山地质学”创新团队，陕西 西安 710065; 6.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

随着我国西部煤炭资源大规模开采，煤层顶板水害问题越来越突出，生产实际揭露的矿井涌水量远超出勘探阶段预计矿井涌水量，改变了勘探阶段对侏罗系含水层的认识，导致矿井排水系统重新布局，影响了矿井正常生产，造成巨大经济损失，而且破坏地下水动态平衡，阻碍当地可持续发展。探寻侏罗系砂岩含水层富水性不均一的原因是当前亟须攻关的重要课题。由于受沉积环境及构造运动等因素的影响，侏罗系砂岩含水层岩性、岩相、渗透性、富水性等特征在空间分布上存在差异，表征砂岩渗透性、富水性的水文地质参数评价含水层富水性准确顶较差，水文地质参数为数量有限的点状数据，难以反映含水层空间连续变化规律。赵宝峰[1]以沉积学、水文地质学为理论基础，以沉积含水层为研究对象，定义了沉积控水的概念，研究了沉积相与富水性的关系。代革联等[2]采用沉积学方法分析了柠条塔井田直罗组砂岩的沉积特征与富水规律，依据砂体展布规律对直罗组富水性进行了分区，认为砂质河道及砂坝发育的厚度较大的砂层富水性相对较强，砂岩厚度越大，富水性越强。王洋等[3]将沉积环境影响指数引入矿井涌(突)水危险分区评价体系中，提出了深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水危险性分区评价方法。侯恩科等[4]系统研究了神府矿区红柳林井田风化基岩富水性影响因素，指出粗粒砂岩、厚度大、强风化、裂隙孔隙发育的风化基岩富水性较好。武强[5]、李新凤[6-8]、赵宝峰[9]、石守桥[10-11]、代革联[12]等采用定性、定量的方法研究了岩性及其组合与富水性的关系。砂体微观孔隙结构能够反映岩石空隙大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，对水的储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响[13]，成果集中于油气系统致密砂岩孔喉特征研究，主要采用扫描电镜法[14]、压汞法[15-17]、核磁共振法[18-20]、微米/纳米CT法[21]、铸体薄片[22]、低温氮吸附法[23-25]等测试手段研究油气生产动态规律与储层特征的关系，煤炭系统相关研究较少，王苏健等[26]运用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试技术研究了陕北侏罗纪煤田柠条塔煤矿侏罗系砂岩微观孔隙结构与富水性的关系。目前，沉积控水机理尚不明确，也未系统、全面地研究沉积控水的影响因素，因此，笔者以榆神矿区中部侏罗系直罗组含水层、延安组含水层、风化基岩含水层为研究对象，通过研究砂岩岩性及其组合、微观孔隙结构、沉积相与富水性的关系，揭示沉积控水机理，总结沉积控水规律，划分沉积控水模式，为含水层富水性预测与矿井水害防治提供依据。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯高原毛乌素沙漠东南缘，陕西省榆林市西北部，隶属榆林市榆阳区和神木市管辖，面积约3 480 km2。研究区总地势西北高、东南低，标高950～1 385 m。区内地层由老至新有上三叠统永坪组(T3y)、下侏罗统富县组(J1f)、中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、白垩系下统洛河组(K1l)、新近系(N)及第四系(Q)，地质图如图1所示。延安组为含煤地层，主要可采煤层有7层，分别为1-2,2-2,3-1,4-2,4-3,4-4,5-2，构造简单。

图1 研究区地质情况Fig.1 Geological map of the research area

研究区属温带干旱半干旱大陆性季风气候，年极端最高气温38.9 ℃，年极端最低气温-28.1 ℃，2007—2019年降水量309.6～637.1 mm。研究区由秃尾河水流系统、窟野河水流系统和红碱淖水流系统组成。含水层自上而下有第四系萨拉乌苏组孔隙潜水含水层、白垩系洛河组裂隙孔隙承压含水层、侏罗系安定组-直罗组-延安组基岩裂隙含水层、风化基岩裂隙含水层及烧变岩含水层组成(表1)。隔水层主要有新近系上新统保德组红土隔水层，厚度10～40 m，岩性以棕红色、浅红色黏土及亚黏土为主，隔水性较强。

表1 研究区含水层划分及其参数Table 1 Aquifer division and its parameters in research area

2 沉积控水规律

如何实现沉积控水，如何建立沉积作用与地下水赋存规律的关系，必须首先理清沉积控水的关键要素，沉积控水具有丰富的内涵，在探寻沉积作用、含水层富水性影响因素的基础上，提出沉积控水的核心关键要素，研究以上关键要素对沉积控水的影响。

沉积作用是指被运动介质搬运的物质到达适宜的场所后，由于条件发生改变而发生沉淀、堆积的过程和作用。相是物理学名词，成分、结构相同的组织统称为相。沉积相(岩相)是指沉积物在一定沉积环境中历经沉积作用形成的岩石组合。与沉积物大体同时生成的古地下水被称为富水的沉积岩、含水层。

含水层“富水性”这一术语来自前苏联，我国水文地质界沿用已久，虽然没有人确切的定义过，但是含水层富水性的指标却是统一的，通常根据钻孔单位涌水量或天然泉流量进行分级。《煤矿防治水细则》附录1中列出了含水层富水性的等级标准，具体如下:按钻孔单位涌水量(q)，含水层富水性分为以下4级:① 弱富水性,q≤0.1 L/(s·m);② 中等富水性,0.1 L/(s·m)5.0 L/(s·m)。

对供水水源地而言，含水层需要长期稳定的产水量，富水性评价需要将含水层的补给条件和导水能力放在重要位置，但对矿井涌水、矿井水害防治来说，尽管补给条件很差，短期大量的静储量涌入矿井，也会造成矿井水害事故，富水性研究应该强调含水层的储存空间(静储量)和导水能力。因此，为服务于矿井水害防治，笔者主要研究含水层的储存空间和导水能力。

因此，沉积作用与含水层富水性的主要研究对象有沉积相、岩性、岩石组合及岩石孔喉结构。通过岩石的宏观、微观表征及其沉积相反映含水层的富水性。

2.1 沉积相

沉积相(岩相)是沉积环境的物质表现，不同沉积环境形成砂体的岩石成分、颜色、结构、展布等特点不同，储水空间(孔喉)的储水能力和水理学性质差别较大。沉积相对含水层中地下水分布和储集具有重要的控制作用。根据研究区直罗组、延安组地层岩石颜色、岩石结构、岩石构造、古生物标志及测井相标志等划分沉积相，不同的沉积相富水性不相同。

2.1.1沉积相划分标志

(1)岩石颜色。研究区直罗组主要是黄绿、灰绿色砂岩及蓝灰、灰紫色等杂色泥岩、泥质粉砂岩(图2(a))，反映了一种弱还原—弱氧化—氧化环境交替，延安组地层颜色以灰色类为主，常见灰色、浅灰色、深灰色、灰白色、灰绿色(图2(b))，仅在第1段底部和第5段顶部少数钻孔中见到暗紫杂色，反映出沉积物中含有较多有机质和还原铁，在还原环境下形成。

图2 研究区直罗组、延安组地层岩芯Fig.2 Formation cores of Zhiluo and Yan’an Formation in research area

(2)岩石结构。根据普通薄片测试结果，研究区直罗组碎屑颗粒的粒度0.01～1.44 mm，延安组碎屑颗粒的粒度0.01～1.12 mm，直罗组与延安组磨圆度次棱—次圆，分选性中等～好，基质主要为黏土、白云石等，黏土质量分数2%～37%。研究区内直罗组以河流相沉积为主，岩石类型主要为砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩，其中砾岩分布范围较小。延安组以三角洲相沉积为主，岩石类型主要为泥质细粉砂岩、极细砂质粉砂岩、含云中粗粒岩屑长石砂岩等。

(3)沉积构造。通过对研究区直罗组、延安组地层岩芯观察，识别出典型的层理构造包括:块状层理、小型交错层理、大型交错层理、水平层理、波状层理等。块状层理不具任何纹层构造，快速堆积形成，在直罗组上段中砂岩、细砂岩中较发育，多出现在辫状河道中(图3(a))。交错层理由一系列斜交于层系界面的纹层组成，常见于直罗组上段与延安组中砂岩、细砂岩中，是波痕迁移的结果(图3(b))。

图3 块状层理与小型交错层理Fig.3 Massive bedding and small cross-bedding

水平层理的特点是纹层平直、相互平行，且平行于层面，又称水平纹层，在直罗组粉砂岩、砂质泥岩与延安组粉砂岩中较发育，形成于较低能的沉积环境(如前三角洲)，由细粒沉积物经缓慢沉降形成(图4(a))。波状层理总的方向平行于层面，纹层呈对称或不对称的波状，多出现在直罗组粉砂岩与延安组细砂岩、粉砂岩中，形成于水介质稍浅的环境，如河漫滩(图4(b))。

图4 水平层理与波状层理Fig.4 Horizontal bedding and ripple bedding

(4)古生物。研究区古植物化石种类较多，古动物化石种类较少。在野外见到最多的是蕨类植物节类新芦木、真蕨类锥叶蕨枝脉蕨，裸子植物苏铁类侧羽叶、蓖羽叶，银杏类拟刺葵、拜拉、银杏等。以高大乔木为主，反映了温暖、潮湿的气候特点，在三角洲间湖湾、浅湖等平静水体的细碎屑沉积中常见有顺层分布保存完好的植物叶化石，如考考乌素沟柠条塔3号煤层顶板粉砂岩与泥岩互层中，沿层理面具有丰富、完整的叶化石，碳化程度很低，浅黄色、富有弹性，说明在平静水体环境中保存，见到的大树杆则是分流河道将其带到湖湾或河口处沉积下来的。

(5)测井相。测井相分析是利用测井资料来评价或者解释沉积相，测井曲线形态能够定性地反映地层岩性、物性、粒度及泥质含量的变化，可以作为沉积环境研究的重要依据。

2.1.2沉积相划分

参考赵俊峰[27-28]、梁积伟[29]等的研究成果，根据研究区沉积相划分标志，通过建立地层对比的地质与测井标志准确判识多级层序界面，精细构建岩石地层格架，将研究区直罗组自下而上分为直罗组下段、直罗组上段两个层系，在基准面旋回控制的等时地层格架内，研究直罗组、延安组上部(第4段、第5段，下同)地层沉积体系与沉积微相(表2)。

表2 研究区直罗组、延安组上部沉积相类型及划分Table 2 Types and division of sedimentary facies of Zhiluo Formation and upper Yan’an Formation in research area

图10 YS46-YS48-YS49-YS50-ZNX5-5-YS53钻孔沉积微相连井剖面Fig.10 Sedimentary micro-facies well profile of drilling YS46-YS48-YS49-YS50-ZNX5-5-YS53

(1)单井沉积相。本次选取典型单井开展了直罗组与延安组地层沉积微相划分，YS38钻孔揭露直罗组厚度较大，可达120 m，直罗组下段为辫状沉积，下段下部发育厚层中砂岩，电测曲线呈现齿状箱型，为辫状河河道沉积微相，下段上部厚层粉砂岩沉积，电测曲线为齿状线型，为辫状河河漫滩沉积微相;直罗组上段为曲流河沉积，中砂岩构成的曲流河道与厚层粉砂岩构成的河漫滩交替叠置发育形成了典型的曲流河沉积的正韵律特征(图5)。

图5 YS38钻孔直罗组沉积微相划分Fig.5 Sedimentary microfacies division of Zhiluo Formation in drilling YS38

YS16钻孔揭露延安组发育三角洲平原沉积，分流河道沉积微相由厚层中砂岩组成，测井响应特征为齿状钟型或齿状箱型，分流间湾沉积微相由粉砂质泥岩夹煤层组成，测井响应特征为，粉砂岩为齿状线型，煤层处出现指状低值，反映了煤层低Gr，低密度的特点(图6)。

图6 YS16钻孔延安组沉积微相划分Fig.6 Sedimentary microfacies division of Yan’an Formation in drilling YS16

(2)沉积相特征。由图7(a)可知，研究区中部直罗组上段被剥蚀，直罗组下段的辫状沉积逐渐过渡为直罗组上段的辫状沉积与曲流河沉积共存的特点，这两种类型沉积的河道呈北西—南东向展布，辫状河河道的规模较曲流河河道规模大，辫状河河道与相邻的曲流河呈弯曲状，自上游向下游弯曲度变大，说明当时的地形东北部高，西南地区较平坦的特点。

图7 研究区直罗组上段和下段沉积微相平面Fig.7 Sedimentary microfacies plan of the upper and the lower Zhiluo Formation in research area

由图7(b)可知，研究区东南部直罗组下段被剥蚀，西北部的直罗组下段属辫状沉积，主要发育辫状河河道，局部见辫状河河漫滩沉积，辫状河河道规模大，物源来自盆地河套地区的古隆起，该地区的剥蚀提供了研究区的沉积物，物源也主要为北西方向，水流作用强，形成各期河道频繁叠加的特点，因而区域大范围为河道沉积，局部为河漫滩沉积。

由沉积微相平面图8可知，研究区延安组属三角洲沉积体系，因延安组上部处于盆地萎缩期，区内的3个三角洲呈裙带状汇聚于此，西部发育的三角洲呈北西—南东向展布，东部的三角洲呈北东—南西向展布，东部见剥蚀区，总体方向由北向南。由于北西方向物源供应充足，研究区内该物源方向三角洲规模较大，发育两支分流河道，河道呈顺直状，表明水动力较强。

图8 研究区延安组上部沉积微相平面Fig.8 Sedimentary microfacies plan of the upper Yan’an Formation in research area

沉积微相连井剖面如图9，10所示。

图9 YS16-YS30-YS39-YS50-YS68-YS58钻孔沉积微相连井剖面Fig.9 Sedimentary micro-facies well profile of drilling YS16-YS30-YS39-YS50-YS68-YS58

2.2 岩性及其组合

沉积相和沉积环境的演化创造了良好的岩相及岩性组合条件，筛选研究区直罗组有抽水试验资料的钻孔柱状9个、延安组有抽水试验资料的钻孔柱状69个、风化基岩含水层有抽水试验资料的钻孔柱状113个，采用钻孔柱状图地学信息统计与灰色关联理论定性、定量研究侏罗系含水层岩性及其组合与富水性的关系，岩性及其组合包括砂地比(砂地比，即砂岩厚度与地层总厚之比)、粗砂岩厚度、中砂岩厚度、细砂岩厚度、粉砂岩厚度、砂岩厚度、砂岩层数、泥岩与砂质泥岩厚度之和、泥岩与砂质泥岩层数之和。

由图11可知，砂岩岩性为粗粒度的粗砂岩、中砂岩厚度越大，钻孔单位涌水量越大，富水性越强;泥岩与砂质泥岩厚度和、层数和越大，钻孔单位涌水量越小，富水性越弱。例如，砂地比相近、砂岩总厚度相近、砂岩层数相近、泥岩不发育，粗砂岩与中砂岩厚度之和大的YS3钻孔(厚度之和为62.7 m)单位涌水量大于粗砂岩与中砂岩厚度之和小的YS38钻孔(厚度之和为46.97 m)单位涌水量(图11(a)，(d));砂地比相同、砂岩层数相同、砂岩总厚度相近、泥岩不发育，粗砂岩与中砂岩厚度之和大的YS28钻孔(厚度之和为59.8 m)单位涌水量大于粗砂岩与中砂岩厚度之和小的YS38钻孔(厚度之和为46.97 m)单位涌水量(图11(b)，(d));泥岩厚度最大(厚度为14.17 m)、层数最多(4层)的YS53钻孔单位涌水量最小，富水性最弱，主要原因是泥岩具有很强的亲水性，遇水膨胀、泥化，裂隙被压实弥合，使渗透性减弱。

图11 直罗组含水层岩性与富水性柱状Fig.11 Lithology and water-enrichment column of the Zhiluo Formation aquifer

采用灰色关联理论计算了侏罗系砂岩含水层岩性及其组合对富水性的关联度

ξ0i(k)=

(1)

(2)

式中，参考数列(钻孔单位涌水量)为x0={x0(k)|k=1,2,…,j|};比较数列(岩性及其组合因素)为xi={xi(k)|k=1,2,…,j};ρ为分辨系数，通常取ρ=0.5;ξ0i(k)为关联系数;r0i为比较数列与参考数列的关联度。

计算结果显示:直罗组含水层的关联度顺序为粗砂岩与中砂岩厚度之和>泥岩与砂质泥岩厚度之和>砂岩层数>泥岩与砂质泥岩层数之和>细砂岩与粉砂岩厚度之和>地层厚度>砂岩厚度>砂地比，延安组含水层的关联度顺序为粗砂岩与中砂岩厚度之和>砂岩厚度>砂岩层数>地层厚度>细砂岩与粉砂岩厚度之和>泥岩与砂质泥岩层数之和>泥岩与砂质泥岩厚度之和>砂地比，风化基岩含水层的关联序为泥岩与砂质泥岩厚度之和>砂岩厚度>地层厚度>粗砂岩与中砂岩厚度之和>细砂岩与粉砂岩厚度之和>砂地比>砂岩层数>泥岩与砂质泥岩层数之和。

通过定性、定量研究岩性及其组合对富水性的影响，表明含水层中粗砂岩、中砂岩等粗碎屑岩厚度越大，富水性越强，泥岩与砂质泥岩等细碎屑岩厚度越大，富水性越弱。

2.3 微观孔隙结构

联合砂岩孔隙度、渗透率、普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振、Matlab图像分析等手段研究了侏罗系砂岩微观孔隙结构与富水性的关系，依据含水层岩性、孔隙大小、分布、连通性等将侏罗系砂岩微观孔隙结构划分为大孔粗喉型(Ⅰ类)、中孔-中-细喉型(Ⅱ类)、小孔细喉型(Ⅲ类)、小-微孔-微细喉型(Ⅳ类)等4种类型(表3,4)。

表3 研究区侏罗系砂岩含水层孔隙结构分类标准Table 3 Classification standard of pore structure for Jurassic sandstone aquifer in study area

通过对比砂岩微观孔隙结构与钻孔单位涌水量大小，认为风化程度相同时，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强，例如风化程度均为弱风化的18CJ17-6样品与18CJ17-3样品，前者微观孔隙结构分类级别(微观孔隙结构类型属Ⅰ类)低于后者(微观孔隙结构类型属Ⅲ类)，前者为粗中粒岩屑长石砂岩，后者为含灰质粉砂岩，前者富水性(钻孔单位涌水量q=0.070 7 L/(s·m))较后者富水性(钻孔单位涌水量q=0.034 6 L/(s·m))强，主要原因是前者砂岩孔隙度、渗透率(孔隙度为28.3%，渗透率为1 662×10-15m2)较后者(孔隙度为8.7%，渗透率为0.114×10-15m2)大，前者胶结(胶结类型为薄膜，填隙物含量为2%，颗粒之间为点-线接触)较后者(胶结类型为孔隙，填隙物质量分数为17%，颗粒之间为点接触)差;风化程度不同时，同时代地层风化程度越强，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强，例如，直罗组地层18CJ17-7风化程度(中等风化)强于18CJ17-3风化程度(弱风化)，前者砂岩微观孔隙结构分类级别(微观孔隙结构类型属Ⅱ类)低于后者(微观孔隙结构类型属Ⅲ类)，前者为粗中粒岩屑长石砂岩，后者为含灰质粉砂岩，前者富水性(钻孔单位涌水量q=0.165 3 L/(s·m))较后者富水性(钻孔单位涌水量q=0.034 6 L/(s·m))强，究其原因，主要是因为前者风化程度强，砂岩粒度粗，孔隙度、渗透率较后者大，前者孔隙度为25.1%、渗透率为11.9×10-15m2，后者孔隙度为8.7%，渗透率为0.114×10-15m2，前者胶结(胶结类型为薄膜，填隙物含量为2%，颗粒之间为点-线接触)较后者(胶结类型为孔隙，填隙物含量为17%，颗粒之间为点接触)好(表5)。

表5 研究区直罗组与2-2煤层上覆延安组含水层孔隙结构分类与单位涌水量统计Table 5 Pore structure classification and drilling units-inflow statistics of Zhiluo Formation and Yan’an Formation overlying 2-2 coal seam in the study area

2.4 沉积控水各要素之间的关系

2.4.1沉积相与岩性及其组合之间的关系

沉积相是指沉积物在一定沉积环境中历经沉积作用形成的岩石组合，不同的沉积相/亚相/微相形成不同的岩石组合，不同的沉积相/亚相/微相在宏观上反映出不同的岩石组合，具体表征为厚度不同、岩性不同的地层交替叠置。

研究区直罗组地层沉积相有辨状河和曲流河，沉积微相有河道、河漫滩，辨状河沉积相岩性主要为厚层粗砂岩、中砂岩、细砂岩，中砂岩构成的曲流河道与厚层粉砂岩构成的河漫滩交替叠置发育形成了典型的曲流河沉积的正韵律特征(图5)，曲流河沉积相岩性特征为中砂岩、细砂岩与粉砂岩交替发育，粉砂岩厚度较大;辨状河沉积的地层粗粒度岩石比例较曲流河沉积的粗粒度岩石比例大，分流河道沉积较分流间湾沉积的地层粗粒度岩石比例大(表6)，例如，YS38钻孔中辫状河沉积相粗粒度砂岩比例为45.76%(表6，粗粒度砂岩厚度27.79 m，总厚度60.73 m)，曲流河沉积相粗粒度砂岩比例为37.45%(表6，粗粒度砂岩厚度24.04 m，总厚度64.2 m)。

表6 研究区直罗组沉积相与钻孔单位涌水量统计Table 6 Sedimentary facies and drilling units-inflow statistics of Zhiluo Formation in the study area

研究区延安组三角洲平原亚相沉积微相有分流河道和分流间湾，地层岩性主要为中粒、细粒砂岩为主，地层由中砂、粉砂岩组成的分流河道沉积微相与多套厚层粉砂、细砂岩构成的分流间湾微相叠置组成(图6)，延安组三角洲平原沉积亚相中分流河道较分流间湾粗粒度砂岩比例大，例如，YS16钻孔中分流河道沉积微相中几乎均为粗粒度中砂岩，而分流间湾沉积微相中发育粉砂岩、细砂岩(表7、图6)。

表7 研究区延安组上部地层沉积相与钻孔单位涌水量统计Table 7 Sedimentary facies and drilling units-inflow statistics of upper strata of Yan’an formation in the study area

2.4.2沉积相与微观孔隙结构之间的关系

沉积相的微观表征为孔隙结构，不同的沉积相/亚相/微相的微观孔隙结构不同。

研究区直罗组地层辫状河沉积相较曲流河沉积相微观孔隙结构等级低，例如，直罗组辫状沉积钻孔W1-2(图7(a))微观孔隙结构等级(Ⅰ类，见表4岩样18CJ17-6)较曲流河沉积钻孔DZ1(图7(a))微观孔隙结构等级(见表4，岩样19CJ6-1微观孔隙结构等级为Ⅱ类、岩样19CJ6-2微观孔隙结构等级为Ⅲ类、岩样19CJ6-3微观孔隙结构等级为Ⅱ类、岩样19CJ6-4微观孔隙结构等级为Ⅱ类、岩样19CJ6-5微观孔隙结构等级为Ⅱ类)低;河道沉积微相较河漫滩沉积微相微观孔隙结构等级低，例如，河道沉积微相钻孔K8(图7(b))微观孔隙结构等级(表4，岩样18CJ17-7微观孔隙结构等级为Ⅱ类)较河漫滩沉积微相钻孔DZ1(图7(b))微观孔隙结构等级(表4，岩样19CJ6-2微观孔隙结构等级为Ⅲ类)低。

表4 研究区砂岩孔隙结构类型综合划分结果Table 4 Results of comprehensive classification of sandstone pore structure types in the study area

研究区延安组三角洲平原沉积亚相中，分流河道沉积微相较分流间湾沉积微相微观孔隙结构等级低，例如，分流河道沉积钻孔DZ1(图8)微观孔隙结构等级(表4，岩样19CJ6-7微观孔隙结构等级为Ⅱ类)较分流间湾沉积微相钻孔K8(图8)微观孔隙结构等级(表4，岩样18CJ17-8微观孔隙结构等级为Ⅲ类)低。

2.4.3沉积相、岩性及其组合及微观孔隙结构与富水性之间的关系

不同的沉积相/亚相/微相由不同岩性及其组合的岩层经沉积作用形成，不同岩性及其组合岩层微观孔隙、喉道大小及其连通性不同，也即微观孔隙结构不同，砂岩中粒度大小、排列组合影响砂岩孔隙中地下水的流通与富集，例如，砂岩地层中颗粒大的组分含量多不一定地下水的流动好、储存量大，原因在于胶结作用使得孔隙结构复杂化，孔隙度降低，死端孔隙的增加降低了地下水的流通性(渗透性)，从而影响富水性大小。

研究区直罗组地层辫状河沉积相较曲流河沉积相富水性强，孔隙度、渗透率大，前者岩性主要为厚层粗砂岩、中砂岩、细砂岩叠置，后者岩性主要为中砂岩、细砂岩与粉砂岩交替发育，前者粗粒度岩石占比较大，微观孔隙结构分类级别较低。例如，直罗组辫状河道沉积钻孔W1-2(图7(a)，见表4岩样18CJ17-6)较曲流河沉积钻孔DZ1(图7(a)，见表4岩样19CJ6-2)的孔隙度、渗透率大，富水性强，前者孔隙度28.3%，渗透率1 662×10-15m2，后者孔隙度17.1%，渗透率0.366×10-15m2，原因在于前者直罗组粗粒度的粗砂岩与中砂岩占比(钻孔柱状图统计粗粒度砂岩厚度为18.74 m，地层厚度为29 m，比值为64.62%)大于后者粗粒度的粗砂岩与中砂岩的占比(钻孔柱状图统计粗粒度砂岩厚度为16.7 m，地层厚度为67.1 m，比值为24.89%)，前者微观孔隙结构分类级别(Ⅰ类，见表4岩样18CJ17-6)低于后者(Ⅲ类，见表4岩样19CJ6-2)。

研究区延安组三角洲平原亚相中分流河道沉积较分流间湾沉积富水性强，前者岩性主要为中细粒砂岩，后者岩性主要为粉细砂岩、泥岩等，前者粗粒度岩石占比较大，微观孔隙结构分类级别较低。例如，延安组三角洲平原亚相分流河道沉积钻孔DZ1(图8，见表4岩样19CJ6-7)较分流间湾沉积钻孔K8(图8，见表4岩样18CJ17-8)的孔隙度、渗透率大，富水性强，前者孔隙度15.7%，渗透率31.7×10-15m2，后者孔隙度11.9%，渗透率1.38×10-15m2，原因在于前者粗粒度的粗砂岩与中砂岩占比(钻孔柱状图统计粗粒度砂岩厚度为19.6 m，地层厚度为36.2 m，比值为54.14%)大于后者粗粒度的粗砂岩与中砂岩的占比(钻孔柱状图显示该层段均为粉砂岩、细砂岩)，前者微观孔隙结构分类级别(Ⅱ类，见表4岩样19CJ6-7)低于后者(Ⅲ类，表4岩样18CJ17-8)。

3 沉积控水模式

沉积相的宏观表现是岩相及其组合，微观表征为孔隙结构。图12显示岩性及其组合、微观孔隙结构、沉积相3者之间及其与富水性的关系，岩石骨架与空隙、地下水组成了含水层，即砂岩岩性及其组合，孔隙结构决定了孔隙、喉道及其连通性，2者之间通过岩石粒度大小、岩石骨架排列组合、孔喉分布及其连通性等联系起来综合反映富水性;成分、结构相同的沉积物在一定沉积环境中经沉积作用形成岩石组合，也即沉积相，不同沉积相岩性、岩石组合不同，富水性不同;岩石结构、构造是沉积相的相标志，不同的结构、构造反映不同的沉积环境，形成不同的沉积相，反映不同的富水性。岩性及其组合、微观孔隙结构、沉积相相互作用、相互联系，形成有机统一体，共同表征富水性。

图12 沉积控水要素之间的关系Fig.12 Relationship between sedimentary water control factors

按照岩性及其组合、微观孔隙结构、沉积相与富水性强弱的关系，将研究区沉积控水模式划分为4种，分别为辫状沉积强富水性型、曲流河沉积中等富水性型、三角洲平原分流河道沉积弱富水性型、三角洲平原分流间湾沉积弱富水性型。具体如下:

(1)沉积控水模式1。辫状沉积强富水性型。该种沉积控水模式主要发育于研究区直罗组下段含水层，岩性主要有砾岩、粗砂岩、中砂岩，砂岩厚度较大，一般为20～50 m;砂岩微观孔隙结构类型属Ι类，渗透率高，压汞与核磁共振测试结果显示孔隙半径大，范围为1～40 μm，例如，位于研究区东北部Y-W1-2-2-2岩样渗透率高达1 662×10-15m2，平均孔隙半径为6.739 μm;沉积相属河流沉积体系辫状河沉积，相较其他类型富水性强(图13(a))。

图13 沉积控水模式Fig.13 Diagrams of sedimentary water control model

(2)沉积控水模式2。曲流河沉积中等富水性型。该种沉积控水模式主要发育于研究区直罗组上段含水层，少量延安组含水层，岩性主要有直罗组上段粉砂岩、细砂岩与延安组粗砂岩、中砂岩，砂地比较大，一般0.88～1;砂岩微观孔隙结构类型多属Ⅱ类，渗透率较高，范围为1.38×10-15～1 207×10-15m2，压汞与核磁共振结果显示孔隙半径较大，为0.02～20 μm;沉积相以河流沉积体系曲流河沉积为主，富水性较模式1弱(图13(b))。

(3)沉积控水模式3。三角洲平原分流河道沉积弱富水性型。该种沉积控水模式主要发育于研究区延安组含水层，少量直罗组上段含水层，岩性主要有延安组细砂岩、粉砂岩，直罗组细砂岩、中砂岩，砂地比较小，一般0.84～1;砂岩微观孔隙结构类型多属Ⅲ类，渗透率较低，范围为0.114×10-15～1.38×10-15m2，压汞与核磁共振结果显示孔隙半径较小，为0.01～0.60 μm;沉积相以三角洲沉积体系分流河道沉积为主，富水性较弱(图13(c))。

(4)沉积控水模式4。三角洲平原分流间湾沉积极弱富水性型。该种沉积控水模式主要发育于研究区延安组含水层，岩性主要有粉砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩等;砂岩微观孔隙结构类型属Ⅳ类，砂岩渗透率低，范围为0.051×10-15～1.01×10-15m2，压汞与核磁共振结果显示孔隙半径小，为0.005～0.090 μm;沉积相属三角洲沉积体系分流间湾沉积，富水性弱(图13(d))。

研究区沉积控水模式汇总见表8。

表8 研究区沉积控水模式Table 8 Sedimentary water control model in research area

4 结 论

(1)受沉积环境及构造运动等因素的影响，陕北侏罗系砂岩含水层富水性不均一，沉积控水的核心关键要素为沉积相、岩性及其组合、微观孔隙结构。

(2)陕北侏罗系砂岩含水层中粗砂岩、中砂岩等粗碎屑岩厚度越大，富水性越强，泥岩与砂质泥岩等细碎屑岩厚度越大，富水性越弱;风化程度相同时，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强，风化程度不同时，同时代地层风化程度越强，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强;直罗组曲流河(辫状河)沉积相中河道沉积微相较河漫滩富水性强，延安组上部地层三角洲平原沉积相中分流河道沉积微相较分流间湾富水性强。

(3)综合陕北侏罗系沉积相、岩性及其组合、微观孔隙结构与富水性的关系，将沉积控水模式划分为4种，分别为辫状沉积强富水性型、曲流河沉积中等富水性型、三角洲平原分流河道沉积弱富水性型、三角洲平原分流间湾沉积极弱富水性型。