新疆巴里坤縣條湖礦區(qū)4號煤層聚煤作用控制分析

李書海

摘要：本文在研究他人成果基礎上，通過大量鉆孔巖心觀察描述、測井曲線對比研究和鉆孔柱狀圖分析，認為條湖礦區(qū)4號主力煤層形成于構造運動處在緩慢沉降，碎屑物質供給較少，氣候溫暖潮濕的環(huán)境中，此時湖進速度大致等于或小于泥炭的堆積速度，處在湖進退積一加積的旋回中。

條湖礦區(qū)位于三塘湖盆地中東部，距巴里坤縣85km。三塘湖盆地以汗井斷裂帶和白衣山斷裂帶為界，可分為東北逆沖推覆隆起帶、中央拗陷帶和西南逆沖推覆隆起帶三部分（圖1）。

條湖礦區(qū)含煤地層主要為侏羅系西山窯組，煤層層數(shù)最多處達7層，自上而下編號依次為2、3、4、5、6、7、8，其中4號煤層為主力煤層，見于西山窯組上段，并根據(jù)成因，自下而上分為旋回Ⅰ和旋回Ⅱ，為三角洲退積旋回。Ⅰ和Ⅱ旋回又可分別分出兩個亞旋回Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1、Ⅱ2。相旋回為三角洲平原亞相一三角洲前緣亞相（圖2）。4號煤層厚度為16.69m～39.06m，平均厚度為23.15m，在28個鉆孔中，有26個鉆孔見主力4號煤層，分布穩(wěn)定。

1.含煤地層特征

1.1巖性特征

條湖礦區(qū)侏羅系西山窯組為主要含煤地層，以一套內陸湖相碎屑巖沉積建造，以辮狀河相三角洲相為主的含煤建造，主要巖性為黃褐色、灰白色長石巖屑砂巖、鈣質砂巖、長石石英砂巖及泥質粉砂巖夾煤層及菱鐵礦薄層，含動植物化石。

1.2地球物理特征

自然伽馬-視電阻率曲線、自然電位-視電阻率曲線等，能很清楚地反映地層巖相組成和旋回特征，本文采用自然伽馬-視電阻率曲線組合進行分析，視電阻率，它反映沉積巖導電性的強弱。沉積巖的導電性強弱與組成巖石的顆粒粒度、成分膠結程度、膠結物成分以及地層水的含鹽度等許多因素有關。然而，在同一地區(qū)，尤其是對同一種環(huán)境來說，除粒度以外的其他因素一般可視為常量，即可忽略它們對規(guī)電阻率的影響。因此，巖石的視電阻率主要決定于巖石的粒度，而巖石的粒度又直接與沉積時的水動力條件有關。一般規(guī)律是從礫巖-粗、中砂巖-細砂巖-粉砂巖-泥巖的視電阻率遞減。因此，人們不僅可以根據(jù)視電阻率值的大小“解釋”巖性，而且可以根據(jù)其變化規(guī)律來推斷巖性組合情況，分析水動力條件的變化。

自然伽馬，它反映了沉積巖的自然放射性強弱。一般來說，沉積巖的自然放射性強度隨粘土含量的增加而增大。這是因為粘土有較大的表面，在沉積過程中吸附了較多的放射性元素或其化合物。因此，人們可以根據(jù)沉積巖自然伽馬的強弱來推斷巖石的含泥量，進一步分析水體的動蕩程度。一般來說，水體越動蕩，沉積物被淘洗得越干凈；水體越寧靜，泥質含量就越高，甚至成層沉積。

4號煤層底部（Ⅰ1旋回），在測井曲線響應總體上是：視電阻率由高到低，箱形-齒化；自然伽馬由低到高，漏斗形一齒化。巖性組合為灰色砂巖，灰黑色炭質泥巖，灰色泥巖，因泥巖中含有炭質泥巖及煤線則視電阻率曲線多呈指狀的中高幅，自然伽馬曲線則在炭質泥巖及煤線處呈指狀突降低（圖3a）。則說明煤層形成時，水動力逐漸降低，由于緩慢的構造沉降作用，湖平面緩慢上升，從而形成水進退積。水進可以引起區(qū)域性水位抬升，造成三角洲平原地區(qū)大面積沼澤化。此時氣候溫暖潮濕，湖盆水體為淡水，大量的植物得以生長，從而形成辮狀河三角洲平原廣泛的高位沼澤沉積。加上三疊紀末期乃至侏羅紀早期，造山過程停止，卡拉麥里造山帶逐漸被夷平，古地貌呈準平原化。應力松弛引起地殼大面積下沉，形成侏羅紀開闊湖盆。故在中侏羅統(tǒng)西山窯組有寬闊的沉積物堆積空間，使得泥炭層不會受到沉積物的干擾。同時，植物的堆積速度大于或等于構造沉降速度時，泥炭的堆積得以長期穩(wěn)定的進行，是煤層發(fā)育的主要時期，形成厚度較大的煤層。

煤層的測井曲線特征為光滑-微齒箱形，視電阻率較高，自然伽馬較低（圖3b），說明煤層形成時環(huán)境比較穩(wěn)定。

4號煤層頂部（Ⅰ2旋回）的視電阻率測井曲線的總體特征為由高到低，齒化箱形；自然伽馬曲線為齒化箱形一鐘形，值由低到高。巖性為灰色礫巖，粗一中砂巖及薄層泥巖，視電阻率測井曲線從礫巖到砂巖，砂巖到泥巖的測井曲線都是呈退積式，則說明煤層形成后發(fā)生了水進退積，對煤層起到了掩埋保存作用（圖3c）。在礫巖，粗砂巖處自然伽馬測井曲線值變化不大，很有可能是含泥量過多的結果及視電阻率測井曲線齒化箱形的特征，反映了當時快速堆積的特點。從鉆井巖心結果看出，礫巖，粗-中砂巖直接覆蓋在煤層之上，沒有過渡巖性。則是由于當時氣候仍溫暖潮濕，降雨量很大且過分集中，導致了特大水流，它的流量、流速超強，攜帶了大量的礫砂泥等直接注入到泥炭沼澤及湖泊中，中斷了泥炭沼澤的堆積作用，湖平面也因大量的水流注入而上升，出現(xiàn)湖進退積。沉積相由三角洲平原演化為三角洲前緣，沉積了厚層泥巖。

Ⅱ1旋回的視電阻率測井曲線為退積式，自然伽馬曲線在礫巖處反比下部砂巖略有增大，可能是因泥質含量高的原因，說明當時沉積非常快，分選性很差。巖性由砂巖過渡為含泥礫巖（圖3d）。此后，礫巖之上直接覆蓋一層厚泥巖，視電阻率曲線為進積式，自然伽馬值由低到高，說明發(fā)生了一次大的水進事件，且水進速度較快，有利于煤層的賦存。

2.聚煤作用的控制因素分析

對于陸源碎屑巖來說，沉積盆地內沉積形式是湖面的升降變化、陸源碎屑物質的供應和盆地基盤沉降速度共同影響的結果。聚煤作用的控制因素主要為構造運動、物源供給、氣候和沉積環(huán)境。

2.1條湖凹陷的構造升降及湖面升降規(guī)律

早侏羅世，條湖凹陷為緩慢的沉降期。由于早燕山運動的影響，中侏羅世西山窯期條湖凹陷沉降接受沉積。中晚侏羅世頭屯河期一齊古期，凹陷為穩(wěn)定、緩慢的沉降，條湖凹陷的沉積速率為33.54m/Ma。三疊紀末期乃至侏羅紀早期，造山過程停止，卡拉麥里造山帶逐漸被夷平，古地貌呈準平原化。應力松弛引起地殼大面積下沉，形成三塘湖侏羅紀開闊湖盆。

故由于構造沉降作用，使條湖區(qū)可容納空間得以增加。當構造沉降速率小于或等于泥炭沉積速度時，有利于泥炭的堆積和保存。4號煤層底部巖性為砂巖、泥巖及炭質泥巖互層組成水進退積序列，可容納空間增加。當可容納空間增加相對緩慢，且與泥炭堆積速度在較長時間保持平衡或略小，才發(fā)育了4號特厚煤層。4號煤層形成之后，由于特大水流事件導致湖面快速上升，從而中斷了泥炭的堆積。這是因為水位的上升導致大量的植物被水淹沒而死亡，不能持續(xù)的提供植物遺體。且搬運的沉積物量大，干擾了泥炭的堆積。出現(xiàn)4號煤層頂部水進退積旋回，巖性粒級由粗到細，可容納空間快速增加，4號煤層的堆積由此結束。

2.2氣候及沉積環(huán)境

氣候對煤的形成及巖石的風化程度和類型具有重要的控制作用，對沉積物供給速率具有重要影響。氣候通過影響湖泊的蒸發(fā)量與注入量控制湖平面的升降，從而影響可容納空間的變化。當氣候溫暖潮濕時，降雨量大，蒸發(fā)量小于注入量，植物茂盛，有利于煤的形成，基準面上升，風化作用較強且以化學風化為主，沉積物供給量大，沉積物粒度小。當氣候干熱時，降雨量小，蒸發(fā)量小于注入量，植物難以生長，不利于煤的形成，基準面下降，風化作用較弱且以物理風化為主，沉積物供給量小，沉積物粒度大。

西山窯期，氣候溫暖潮濕，植物生長繁茂，各類沼澤較好發(fā)育。含有豐富的植物化石和孢粉，西山窯期晚期，準噶爾盆地、三塘湖盆地皆發(fā)生了強烈的沼澤化，濱岸沼澤分布范圍擴大，為新疆各盆地主要的成煤時期。

條湖礦區(qū)4號煤層形成時，氣候溫暖潮濕，降雨量較大，湖面上升，潛水面上升，在三角洲平原地區(qū)形成大面積的沼澤，為聚煤創(chuàng)造了理想的場所，主要發(fā)育濕地三角洲平原沼澤相（圖2）。

2.3物源供給

當大量的碎屑物質經(jīng)水道開始注入時，將會破壞聚煤的持續(xù)性，煤層則可能被碎屑物質切斷，不易形成厚度較大的煤層，如果碎屑物質的供給減少乃至不供給時，煤層的分布具有相對的穩(wěn)定性。

沉積物供給量本身主要受構造和氣候的控制，抬升的構造運動和潮濕的氣候有利于沉積物源的風化和剝蝕，從而增加了沉積物的供給量。條湖地區(qū)侏羅系是在準平原化的地貌背景上沉積的，侏羅紀的盆地是一個開闊湖盆，范圍很大，表明侏羅系的沉積是在應力松弛背景下的寬緩坳陷型沉積。所以，盡管當時有潮濕的氣候，但構造運動不是抬升為主，而是處在緩慢的沉降作用中，處在可容納空間緩慢增大，碎屑物質供給較少的環(huán)境下。故有三角洲平原亞相砂巖一泥巖一煤的正粒序旋回。再加上植物繁茂，泥炭沼澤發(fā)育，才形成了較厚的4號煤層。

3.結論

條湖礦區(qū)4號主力煤層形成時，氣候溫暖潮濕，降雨量較大，湖面上升，潛水面上升在，三角洲平原地區(qū)形成大面積的沼澤，為聚煤創(chuàng)造了理想的場所，主要發(fā)育濕地三角洲平原沼澤相；構造運動處在緩慢的沉降過程中，碎屑物質供給較少，不會破壞聚煤的持續(xù)性，有利于厚煤層的形成。

且4號煤層形成時，正處在湖進退積一加積的正旋回中，此時湖進速度大致等于或小于泥炭的堆積速度，從而形成了4號特厚煤層。