河東煤田北部典型砂巖體沉積演化特征

李 勇 湯達禎 許 浩 孟艷軍 曲英杰

1.中國地質大學（北京）能源學院 2.中國石化國際石油勘探開發有限公司

河東煤田北部位于鄂爾多斯盆地東北緣，晉西撓褶帶北端，主要含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組。針對其沉積環境和層序地層劃分的論述頗多[1－7]，總體認為太原組沉積環境是陸表海背景下的潮坪和澙湖環境，山西組為河流三角洲沉積。近年來該區天然氣的勘探開發取得突破，保德區塊是我國第一個已探明的大型中低階煤層氣田，臨興區塊兔坂地區的致密砂巖氣開發取得成功。系統研究河東煤田區域內煤層與砂巖的沉積空間配置，探討宏觀陸表海環境下河流沉積的變遷和影響，對該區非常規天然氣的規模、系統開發具有積極意義。

1 區域地層

該區地層產狀平穩，構造簡單（基本上為單斜構造），呈近南北走向、西或西偏北方向傾斜，傾角5°～10°，區內發育一些產狀平緩、規模不大的褶皺構造[1，4]。地層由東向西，由老到新出露，在府谷地區以北，由于后期構造和黃河下切作用，出露中奧陶統。上石炭統和下二疊統為區內含煤地層，除偏關、河曲局部地段，從南到北均有分布。橋頭鎮地區以北，有幾組較大規模的斷裂構造，使保德賈家峁一帶抬起，山西組及其以上地層缺失。

太原組和山西組是主要含煤地層，也是煤層氣勘探開發的主要層段。太原組是一套海陸交互相沉積，根據巖性和沉積環境的變化分為3段：①下段為層位穩定的灰白色石英砂巖，局部含礫，即晉祠砂巖（圖1），向上為灰白色、灰色泥巖，粉砂巖，發育一層灰、灰黑色石灰巖或生物碎屑灰巖，含大量化石；②中段下部為1m左右的黑色泥巖與碳質泥巖，過渡為13號厚煤層和灰黑色的碳質泥巖及煤線；其上發育一層石灰巖與生物碎屑灰巖（保德石灰巖），含有大量動物化石，在巡鎮以北尖滅；在橋頭鎮、魏家灘地區，13號煤層之上發育厚層砂巖，即橋頭砂巖（圖1）；③上段主要為灰白、灰、灰黑色泥巖，夾數層薄煤層。

山西組以河流三角洲沉積體系為主，底界北岔溝砂巖，是一套灰白色的粗粒砂巖，與下伏地層呈整合接觸，厚度變化大，局部底部含礫，在橋頭鎮一帶過渡為細礫巖。可見由砂巖、粉砂巖、碳質泥巖及煤層組成2～4個正粒序的沉積旋回。主采煤層為8號煤層，發育在第一旋回的上部，大部分地區穩定可采（圖1）。

2 典型砂巖體沉積環境及沉積模式

2.1 典型砂巖體

圖1 研究區綜合柱狀圖

該區地層由下往上，依次發育晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖3套大型砂巖體，與煤層相間分布。晉祠砂巖位于太原組底部，向上過渡為全區穩定展布的13號煤層，下伏淺海澙湖相沉積為主的本溪組。橋頭砂巖發育在13號煤層之上，在一定程度上沖刷下部煤層，成為煤層的直接頂板。北岔溝砂巖是太原組海退之后的河流相沉積，對下伏太原組形成一定的沖刷作用，上覆山西組8號煤層。

2.1.1 晉祠砂巖

晉祠砂巖是太原組與本溪組的分界巖層，下伏本溪組平行不整合于奧陶系石灰巖之上。晉祠砂巖源于太原西山剖面，在河曲劉家塔為中粗粒石英砂巖（5.3 m）；保德橋頭鎮為白色厚層含鐵質石英砂巖（8.7m），扒樓溝為灰白色、褐黃色厚層狀中細粒砂巖，間夾粗粒砂巖（8.7m）[8]。區內晉祠砂巖與下伏本溪組呈明顯的沖刷接觸，呈現多階性，在保德地區的鉆井中可見3個正粒度旋回。關于其沉積環境，前人進行了大量研究[8－10]，晉祠砂巖沉積構造組合完整且向上規模變小，具多階性、正粒序，縱向上呈條帶狀、橫向上呈透鏡狀分布，成分成熟度、結構成熟度中等、跳躍總體發育，垂向上泛濫平原、天然堤發育，是在海平面下降過程中形成的低彎度曲流河沉積。砂巖體北厚南薄，向東南方向延伸，10m厚以上的地區分布在該區北部和中東部，向西南方向砂巖體變薄。

2.1.2 橋頭砂巖

橋頭砂巖由陳忠惠命名于山西保德橋頭鎮，層位上位于關家崖海相層和保德石灰巖之間，許多學者研究了其對下伏煤層和上覆煤層的控制作用[1，4]。橋頭砂巖自準格爾旗煤田最北段，整體向南延伸近150 km，呈復雜帶狀形態[1]，剖面為雙凸型透鏡狀，中部厚度大，最大可超過50m，向兩側迅速變薄并演變為含植物化石碎片的細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖和泥巖，對下伏煤層有不同程度的沖刷。

橋頭砂巖可分為兩條東西相間排列的厚砂帶，每個厚砂帶寬5～8km，砂帶間的距離為10～15km。第一條厚砂帶（東部）從最北端的準格爾旗西哈拉往南，經城坡到河東煤田北部的巡鎮，而后向東南方向延伸出含煤地層的出露邊界；第二條厚砂帶從準格爾旗煤田的大飯鋪向南，經陜西府谷海則廟，山西保德縣橋頭鎮、腰莊鎮和興縣，而后往西南方向延伸至南部的臨縣的三交礦區[11－12]。

橋頭砂巖剖面具鮮明的“二元結構”，底部為河道充填沉積由細礫巖、含礫粗砂巖河床滯留沉積以及含礫砂巖、中—粗粒砂巖邊灘沉積構成，發育板狀、槽狀交錯層理，具3個大型的正粒度旋回。橋頭砂巖由低位體系域期間的下切河谷沉積形成，砂巖體中微裂隙和溶蝕孔隙充分發育，具有良好的砂巖氣勘探開發前景[13－16]。

2.1.3 北岔溝砂巖

北岔溝砂巖主要由一套灰白色厚層粗—中粒巖屑石英砂巖、石英砂巖組成，見少量細礫巖，是太原組和山西組的分界巖層，其上發育山西組主力煤層8號煤。

北岔溝砂巖層位穩定，厚度大（介于10～20m，最大可達30m）。北岔溝砂巖底部，垂向上可見疊加的大型槽狀交錯層理，正粒序，由底部的粗礫向上過渡為含礫粗砂—粗砂—中砂。底部普遍見沖刷面，削蝕下伏地層，在山西臨縣招賢剖面實測中可見4期河道相疊置，砂巖體側向遷移明顯[5，12]。

2.2 砂巖體沉積環境

該區上石炭統本溪組平行不整合于奧陶系石灰巖之上，兩套地層存在1.4億年左右的沉積間斷，本溪組以填平補齊為主要特征，是一套濱淺海相沉積。下部鐵鋁層段由淺海相的窩狀黃鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦、層狀—似層狀的鋁土礦及濱海相泥巖組成。上部石灰巖段為正常淺海石灰巖與濱海沼澤相煤線、泥巖交互沉積。總的趨勢為，石灰巖層數北部多，南部少。北部石灰巖層數為1～2層，扒樓溝、魏家灘一帶僅有一層石灰巖陸續出現，再往南，從關家崖—固賢，未見本溪組石灰巖。本溪組沉積時期，鄂爾多斯盆地東緣中部為相對坳陷地區，坳陷中段相對凸起的地帶（興縣、柳林），石灰巖層數少而薄，甚至缺失，本溪組厚度也相應減小，坳陷中相對凹陷的地帶（橋頭鎮，巡鎮）石灰巖發育，煤線也相對較多（圖2）。

圖2 河曲—興縣地層剖面圖

2.2.1 晉祠砂巖沉積環境

太原組發育多期海侵，陸表海背景下的河流沉積一般發育在海退過程中的下切谷中[13]。晉祠砂巖沉積以多階性為特點，呈正粒度旋回，河道砂巖體厚度大，向東西兩側快速尖滅，沖刷作用由北往南逐漸減弱。陳鐘惠等對晉祠砂巖的古流向進行了測定，在各地均呈南東或南西向，反映了水流總體由北向南的流動特征，并通過純砂圖進一步論證河流為北南流向[1]。晉祠砂巖在梁家磧和海潮寺與下部石灰巖直接接觸，向南粒度變細，與石灰巖之間的泥巖逐漸增厚。到保德縣橋頭鎮，石灰巖已經消失，過渡為砂巖和泥巖沉積，沉積環境由河流相沉積向三角洲沉積過渡[16]。

晉祠砂巖之上在該區北部沉積了扒樓溝石灰巖，往南尖滅變薄，乃至消失，過渡為三角洲沉積，地層厚度北部也明顯大于南部，北部沉降幅度較大，沉降被河流、三角洲相所補償，隨著河流、三角洲的消亡，補償能力變差，扒樓溝石灰巖的沉積說明海域中心由南向北遷移的趨勢，在該區北段存在一定范圍的地勢較低，海水從東或東北方向侵入。

該區地勢在晉祠砂巖和扒樓溝石灰巖沉積時期存在反轉和過渡，地勢大致由北高南低過渡為南高北低。也有部分學者推斷在東側存在一定的鼻狀構造隆起，構成晉祠砂巖的物源，這與晉祠砂巖的古流向測定不符合，與海水的入侵方向也存在不一致的地方[1]。

2.2.2 橋頭砂巖沉積環境

扒樓溝石灰巖沉積時期的海侵之后，在濱海平原和潮坪環境的基礎上開始泥炭沼澤化沉積，聚煤場所隨著海水的后退而不斷拓展，形成厚層泥炭堆積，形成了太原組主力煤層13號煤層，是整個河東煤田穩定發育的煤層。橋頭砂巖的展布范圍較晉祠砂巖略廣，在北部以河道沉積為主，在魏家灘以南，過渡為向上變粗層序，屬三角洲前緣砂，部分地段見分流河道砂[1]。

橋頭砂巖呈復雜的帶狀形態，流向基本由北往南，對13號煤層造成不同程度的沖刷。自北向南沖刷程度有變弱的趨勢，在橋頭鎮以北，13號煤層的泥巖頂板和煤層均遭受侵蝕，至橋頭鎮以南，則厚層河流相砂巖體逐漸消失，煤層頂板和泥巖未見侵蝕（圖2）。橋頭砂巖在垂向上厚度大，在兩側迅速變薄尖滅，資料表明其為低彎度的曲流河沉積[1，11]。

橋頭砂巖的古流向測定表明，古流向為單眾數類型，基本上由北向南，與砂巖體的延伸方向一致，物源方向來自北方。這與扒樓溝石灰巖沉積時期海水中心在該區北部的境況相反，表明北部地勢的隆起，沉降中心向南部轉移。

橋頭砂巖發育時期河流泛濫平原上泥炭沼澤不發育，在橋頭砂巖形成期末，河道逐漸廢棄，海水逐漸入侵，差異沉降和基底下沉速率變小，在橋頭砂巖頂面發生泥炭沼澤化成煤，形成了11號煤層。準格爾旗地區發育的厚層煤層（與該區11號、12號煤層對應）是與橋頭砂巖同期的泛濫盆地泥炭沼澤沉積物，更多受橋頭砂巖巨大厚度造成的差異壓實地形影響[1]。橋頭砂巖沉積之后，發生了2期相當規模的海侵，沉積了保德石灰巖和魏家灘海相層，2期海侵的范圍逐漸變小。

2.2.3 北岔溝砂巖沉積環境

太原組沉積之后，伴隨海平面變化和構造起伏，其沉積體系由海陸交互相迅速轉變為陸相沉積，分界即為北岔溝砂巖底界。北岔溝砂巖的河道分布總體與橋頭砂巖、晉祠砂巖有所重合，但分布范圍顯著增加，往南延伸到三交、柳林地區地區，層位穩定，為典型的河流相和三角洲相沉積[12]。

研究區北部，山西組主力煤層8號煤層不發育，古地勢在西伯利亞板塊的碰撞俯沖作用影響下，古蒙古洋由北西向南東方向逐漸關閉，該區北部隆起，北高南低的地勢已非常明顯[9]。在北部和準格爾旗地區很難有規模性的泥炭聚集，南部有三角洲泛濫平原成煤作用和河漫灘沼澤成煤。在該區中南部以三角洲平原沼澤成煤為主，基準面快速上升，煤層直接覆蓋在北岔溝砂巖之上，向南煤層呈加厚趨勢。

2.3 砂巖體的沉積模式

晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖3套砂巖體具良好的致密砂巖氣勘探潛力，北岔溝砂巖及其同等層位在榆林氣田取得了良好的勘探開發效果[6，14]，新民、孤山地區3套砂巖層均見氣顯。3套砂巖的沉積受區域地勢變化、海水進退的影響，特別是晉祠砂巖和橋頭砂巖是在陸表海環境下的河流相沉積，探討其沉積模式對鄂爾多斯盆地東緣含煤地層沉積特征的探討和天然氣的開發具有指導意義。

普遍認為太原組陸表海是快速海進，緩慢海退的沉積環境，以廣泛的陸表海潮坪環境為主體，在部分地區存在三角洲沉積，大型的河流相沉積很少見。

3套典型砂巖體的沉積表明了北部地勢的坳隆和沉降幅度的反復變化，也表明陸表海環境下大型河流快速侵入并持續沉積的存在。晉祠砂巖沉積時期，地勢北高南低，河流由北向南快速侵入，主干河道發育在研究區北部和中東部；隨后北部地勢沉降幅度變大，沉積的扒樓溝石灰巖表明了海域中心向北的遷移，地勢也相應南高北低；之上發育了在該區和整個鄂爾多斯盆地東緣廣泛分布的13號煤層，在13號煤層的泥炭沼澤沉積之時，北部地勢仍略低，但受廣泛的泥炭沼澤堆積影響，地勢已經接近平緩；橋頭砂巖沉積時期的河流再次由北向南沖積，大型的河流對下部的泥炭沼澤起沖刷作用，此時地勢轉變為北高南低；隨后陸表海海水的再次侵入和11號、12號煤層成煤沼澤的堆積在一定程度上又減緩了北部隆起的趨勢；北岔溝砂巖河流沉積的影響范圍較前兩次進一步擴大，往南延伸到三交、柳林地區，北部地勢進一步隆起，泥炭沼澤逐漸向南轉移（圖3）。

3 結論

1）河東煤田北部發育的晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖是3套河流相沉積形成的砂巖體。晉祠砂巖、橋頭砂巖是陸表海背景下的低彎度曲流河沉積，受海侵海退、地勢隆起和沉降幅度的差異影響；北岔溝砂巖是陸相河流沉積，北部地勢隆起幅度加大，河流波及范圍更廣，形成的砂巖體分布區域更大。

圖3 晉祠砂巖、橋頭砂巖、北岔溝砂巖沉積演化模式圖

2）晉祠砂巖和橋頭砂巖沉積時期研究區地勢由北高南低，過渡為南高北低，又過渡為北高南低，構造隆升和沉降幅度反復變化；海侵期間形成的泥炭沼澤在全區發育，形成覆蓋全區的煤層，具有一定的填平補齊作用。

3）3套砂巖體和與其同期沉積、廣泛分布的濱岸砂巖體或三角洲砂巖體形成良好的致密砂巖儲層，間隔分布的含煤地層保證足夠的烴類生成，并在一定程度上起封閉作用，具良好的天然氣勘探潛力。

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