深覆盖区综合找煤技术方法在鲁西曹县煤田张湾勘查区中的成功运用

马祥县，张洪波，张尚坤，杨斌，罗文强，唐璐璐，仵康林，陈文韬

(1.自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东省地质科学研究院，山东 济南 250013；2.菏泽市矿产资源勘探开发中心，山东 菏泽 274000)

0 引言

煤炭是我国重要的基础能源[1]。随着浅部煤炭资源勘查程度不断提高以及煤炭资源的不断消耗，深入开展深部资源综合找煤方法研究，向深部找煤，实现深覆盖区找煤突破，显得十分必要[2-6]。

我国煤田地质的显著特点是聚煤盆地构造类型和成煤模式多样化、煤系后期改造明显，勘查评价难度较大。近年来，国内外地质工作者在成煤理论、找煤方法开展了大量研究工作，提出了海侵过程成煤理论[7]、幕式成煤理论[8]、风暴异地煤成煤理论[9]、海侵事件成煤理论[10-11]及多元聚煤理论体系[12]等，丰富了找煤理论，指导了找煤实践。于学峰等[13]基于矿床成矿序列理论，总结提出了鲁西地区发育的石炭纪-二叠纪海陆交互相碎屑岩、碳酸盐岩-有机岩沉积建造有关的煤(-油页岩)、铁、耐火黏土-铝土矿-石英砂矿矿床成矿系列是山东省一个重要的成矿系列，该系列中的煤矿在山东占有重要地位。张增奇等[14]认为鲁西含煤区构造总体上表现为“掀斜式构造，北断南超”，呈“凹凸相间”的构造样式，提出了“凹中找垒，凸中找堑”的找煤模式。

以成煤理论和矿床成矿系列理论为指导，总结分析鲁西南地区地质构造背景，研究构造演化规律，通过物探先行、钻探验证，以钻探结果修正物探的综合技术方法，开展深覆盖区煤炭勘查工作，取得了良好的勘查效果(1)山东省地质科学研究院,山东省曹县煤田张湾勘查区煤炭勘探报告,2018年11月。。这对于总结深覆盖区找煤技术方法和增加煤炭资源供给都具有十分重要的意义。

1 地质背景

曹县煤田张湾勘查区位于鲁西菏泽市，大地构造属华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁西南潜隆起(Ⅲ)菏泽-兖州潜断隆(Ⅳ)菏泽潜凸起(Ⅴ)西南侧(图1)。区内被厚约1000m新生代地层覆盖。前新近纪地层主要有奥陶纪马家沟群，石炭纪本溪组，石炭-二叠纪太原组、山西组，二叠纪石盒子群和古近纪大汶口组。其中：马家沟群岩性为灰色厚层石灰岩、泥质白云岩、角砾状白云岩，该套地层是石炭纪-二叠纪含煤地层的沉积基底；本溪组为一套青灰、紫红色铁铝质黏土岩、细砂岩和泥岩沉积建造；太原组为一套海陆交互相沉积[15]，岩性以灰、灰黑色泥岩、页岩和砂岩为主，夹多层石灰岩和薄煤层；山西组(由灰至深灰色砂泥岩夹煤层构成，且该组的煤层是本区的主要可采煤层；石盒子群岩性为黄绿、灰绿、灰白色砂岩与杂色泥页岩，由于遭受后期构造运动的剥蚀，多保存不全，区域上各地残留厚度各异；古近纪大汶口组岩性为黄色、褐黄色细砂岩和褐黄色、灰绿色泥岩。

1—菏泽潜凸起；2—古近纪大汶口组；3—二叠纪石盒子群；4—二叠纪山西组；5—石炭-二叠纪太原组；6—石炭纪本溪组；7—奥陶纪马家沟群；8—推测断层；F1—聊考断裂；F2—庄寨断裂；F3—凫山断裂；F4—常乐集断裂；F5—曹县断裂图1 张湾勘查区前新近纪基岩地质简图(据山东省曹县煤田张湾勘查区煤炭勘探报告，部分修改)

主要断层构造分为3组：NE向聊考断裂(F1)、庄寨断裂(F2)和曹县断裂(F5)，NW向常乐集断裂(F4)，近EW向凫山断裂(F3)。区域上岩浆岩不发育，仅在张湾勘查区南邻的青岗集部分钻孔见到闪长玢岩。

2 成煤理论探讨

山东省主要含煤层位有3个，主体为石炭-二叠纪月门沟群山西组、太原组，其次为早-中侏罗世淄博群坊子组和古近纪五图群李家崖组。石炭-二叠系是山东省重要含煤层位，其煤炭资源储量占山东省煤炭总量的94.1%[16]。深入分析鲁西地区晚古生代构造演化，研究鲁西构造格架及石炭-二叠系含煤地层分布规律，开展矿床成矿系列研究，对于鲁西深覆盖区找煤工作具有十分重要的现实意义。

石炭-二叠系地层分布于沂沭断裂带(安丘-莒县断裂)以西，鲁东地区缺失这一阶段的地层分布[17]。石炭-二叠纪，在SE—NW向挤压应力制约下，地壳多以差异升降活动为主，岩浆侵入活动十分微弱，显示台地特征。沂沭断裂带显示张剪活动，致使鲁东地区持续稳定的隆升，而鲁西地区由隆升转为非均衡性沉降，发育了地势较平坦的沉积盆地，海水几经进退，提供了大量的碎屑物质，沉积了早古生代以碳酸盐为主的海相地层和晚古生代海陆交互相的地层。在物源区的构造作用和区域性海水进退作用下，鲁西地区发育了大型浅水三角洲沉积相，有利于沼泽及泥炭沼泽沉积。浅水三角洲沉积环境的发育，在很大程度上决定了该区煤炭资源的富集，石炭-二叠纪之后，鲁西地块内部进一步沉降，接受沉积[18]，发育了煤炭的沉积盖层。

三叠纪末期，由原来挤压作用，到中生代晚侏罗世至早白垩世和新生代古近纪两次伸展作用，致使古生界和侏罗系等盖层形成了区内地层北倾，形成了一系列由“南超北断”掀斜式构造控制的山前断陷盆地。板内构造切割形成的地块之间不仅在该区整体抬升时存在着升幅差异，在山前断陷盆地形成的过程中也同样存在着降幅差异，致使部分煤层沉降得以保存下来，另有部分煤层抬升，遭受了剥蚀破坏。这直接导致鲁西菏泽地区形成了“潜凸起与潜凹陷相间排列，有煤区与无煤区相间排列，深煤区和浅煤区相间排列”的“棋盘式”含煤断块分布格局。

3 找煤技术方法及效果

(1)地球物理探测

随着地球物理技术的进步，物探工作在深覆盖区找煤工作中发挥着越来越重要的作用。在张湾勘查区，二维三维地震勘查技术的应用，极大的提高了煤炭地质综合勘查精度。

张湾勘查区新生代地层在956.10～1086.55m之间。在地震时间剖面上易形成多个较强的反射波组，本区主要为新生界底界面所对应的TQ+N反射波，3煤层所对应的T3反射波，6煤层及三灰附近岩段的T3L复合反射波以及十下灰及16煤层附近岩段多个薄层形成的T10复合反射波(图2、图3)。

图2 T3波消失时，T3L、T10波在时间剖面上的显示

图3 T3波在地震时间剖面上的显示

从图2中可以看出，以3煤层为主形成的反射波，由一个正相位和一个负相位组成，其主频约为50～60Hz，全区连续追踪，为本区的标准反射波，是3煤层构造解释和宏观结构解释的主要依据；断层在时间剖面上表现为同相轴的错断、终止，反射波组间距发生突变，同相轴的形状和产状发生变化；3煤层因构造的隆起而风化剥蚀，剥蚀面与上伏新近系地层呈不整合接触，在时间剖面上可看到煤系地层反射波与新生界底界面有明显的不整合面现象。在露头附近，3煤层受风氧化的影响，其煤质发生了变化，煤层与围岩的波阻抗差异变小，反映在地震时间剖面上3煤层反射波变弱或消失。

从图3中可以看出，由于3煤层的屏蔽作用，T3L波能量较弱，T10波常表现为视周期较大的弱反射波特征，而且波形特征变化大，不能连续追踪；当3煤层变薄或被剥蚀后，T3L波能量相对增强，T10波频率提高，视周期变小，能量增强。

(2)综合找煤效果

在系统开展区域地质、聚煤规律和赋煤构造研究的基础上，开展物探与钻探工作，成功评价了勘查区煤层分布特征，取得了良好的找煤效果。

张湾勘查区含煤地层为月门沟群太原组和山西组。太原组平均厚度150.49m，含煤18层，煤层总厚度7.95m，含煤系数5.28%，由于煤层薄，均为不可采煤层。山西组平均厚度56.22m，含煤3层(2、3(3上)、3下)，煤层总厚度9.64m，含煤系数17.15%，其中3(3上)、3下煤层为可采煤层(图4)。

图4 3煤层上部地层剥离显示示意图

煤系地层总体为走向NW，倾向SW的单斜构造形态，在其上发育有幅度不大的次一级向、背斜褶曲构造。煤系地层倾角一般约2°～7°左右，局部较缓，倾角约1°，煤层古风氧化带附近倾角较大，约12°左右。偏移数据大体上可直观地采用连续水平切片解释褶曲形态。向斜在连续时间切片上显示为深部小、浅部大，而背斜在连续时间切片上则显示为深部大、浅部小形态(图4)。勘查区通过勘探评价，查明煤炭资源量6亿多吨，找煤效果良好。

4 结论

(1)石炭-二叠纪，鲁西地区发育了大型浅水三角洲沉积相，有利于沼泽及泥炭沼泽沉积，成煤条件好。三叠纪末期构造运动，致使部分煤层抬升遭受剥蚀破坏。

(2)本区煤系地层厚度较稳定，3煤层与其顶底板物性差异明显，T3波能量强，特征明显，构成了良好的深层地震地质条件。

(3)张湾勘查区煤层埋藏深，上覆地层厚度大，以综合地质研究为基础，物探与钻探相结合的综合找煤方法，取得了良好的找煤效果。