兗州煤田太原組成煤沉積環(huán)境分析

王向軍，吳 瓊，鐘振濤，李 碩，鄧冰紅

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272100；2.新礦集團(tuán)內(nèi)蒙能源長城二礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200；3.上海必堅(jiān)體育科技有限公司，上海 201499)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

兗州煤田是魯西南地區(qū)新開發(fā)的大型煤田，分布面積廣，儲量巨大，國內(nèi)外學(xué)者對其做了大量研究[1-7]。其成煤環(huán)境、成煤模式對世界各含煤區(qū)的勘探與開發(fā)具有重大意義。

桑樹勛等(2001)發(fā)現(xiàn)該區(qū)存在活動(dòng)體系成煤環(huán)境以及廢棄體系成煤環(huán)境兩大類型[1]。李增學(xué)等(1995)、呂大煒等(2009)研究華北晚古生代海侵事件及古地理特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)有3次重要的海侵事件，并對該區(qū)晚古生代陸表海盆地劃分出了六大沉積體系，即：碳酸鹽臺地沉積體系、障壁瀉湖沉積體系、潮坪沉積體系、河控淺水三角洲沉積體系、沖積扇沉積體系和河流湖泊復(fù)合沉積體系[2，8]。代世峰等(1996)在對兗州煤田含煤巖系成因相分析時(shí)討論了兗州煤田太原組主要成因相的特征和沉積組合類型[3-4]。蔣漢朝等(2002)在研究濟(jì)寧煤田本溪組和太原組化石時(shí)，根據(jù)牙形刺化石，通過與鄰區(qū)及華北地區(qū)對比，確定了牙形刺動(dòng)物群的地質(zhì)時(shí)代應(yīng)分別為晚石炭世晚期和早二疊世早期[5]。程克明等(2005)在華北地臺早二疊世太原組和山西組煤沉積模式與生烴關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，太原組煤中硫的賦存形態(tài)以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎液扛哂谏轿鹘M[9]。

2 研究目的和意義

兗州煤田總面積約3 400 km2，探明煤炭儲量約91億t，屬石炭—二疊紀(jì)含煤巖系。兗州煤田太原組屬邊緣瀉湖沉積環(huán)境，可識別出潮道相、砂泥混合坪相、砂坪相、泥坪相、潮坪沼澤相、瀉湖相及沿岸潮坪相、潮汐砂脊相和潮汐三角洲相組合，屬海陸過渡沉積環(huán)境[8，10，11]。地質(zhì)學(xué)者雖然對兗州煤田做了大量研究，但對于其二疊紀(jì)太原組這一成煤地層的研究仍有所不足[8，12]。

本文旨在通過對兗州煤田鉆井、地震等資料的分析和研究，分析太原組成煤沉積環(huán)境，進(jìn)一步揭示該區(qū)含煤盆地形成與聚煤規(guī)律，為煤炭資源的預(yù)測、勘探及開采提供參考，也為該區(qū)資源開發(fā)、綜合利用和管理提供較為準(zhǔn)確的資料。

3 兗州煤田概況

兗州煤田共劃分為17個(gè)井田，詳見圖1。主要含煤層段是上石炭統(tǒng)和下二疊統(tǒng)太原組、山西組，共含煤27層，可采及局部可采8層，可采總厚約12 m[10]。兗州煤田為全隱蔽式華北型石炭—二疊紀(jì)煤田，上覆第四系(平均厚120 m)和上侏羅統(tǒng)紅色砂巖(平均厚750 m)。地層由新到老為第四系、侏羅系、二疊系、石炭系及奧陶系[8，11，12，13]。煤田含煤地層為石炭—二疊系，主采的3號煤層位于下二疊統(tǒng)山西組，是在三角洲平原上聚積而成的。中下部有可采煤層2～3層，即2號和3號(3上、3下)煤層，其中2號煤層為局部可采煤層，3號(3上、3下)煤層厚度大，是主采煤層。兗州煤田(兗州凸起)區(qū)外分布有太古界變質(zhì)巖、寒武系和奧陶系等基巖地層。

圖1 兗州煤田分布示意

4 兗州煤田地質(zhì)背景

4.1 地層發(fā)育

兗州煤田屬華北型石炭—二疊系煤田，主要含煤層段是上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。其地層由老至新為：奧陶系，中石炭統(tǒng)本溪組、太原組，二疊系山西組、石盒子組，上侏羅統(tǒng)蒙陰組和第四系。

本煤田主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組。其中山西組的3煤層穩(wěn)定可采，2煤層為局部可采煤層。太原組的16上和17煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，且均為薄煤層；6、15上和18上煤層為局部可采煤層。其余煤層為不可采、不穩(wěn)定煤層。山西組和太原組煤質(zhì)穩(wěn)定，煤種單一主采煤層均為氣煤。山西組煤層為低灰、特低硫，太原組煤層為低灰、富硫[8，12，13]。

4.2 煤田構(gòu)造特征

兗州煤田位于兗州向斜構(gòu)造中，其東端被嶧山斷層切割，與嶧山彎窿相鄰。西至孫氏店斷層與濟(jì)寧煤田為鄰。南以鳧山、龍寶山斷層為界，與鳧山背斜相連。北接滋陽背斜，以鄆城斷層為界。煤田北部為汶泗斷層與鄆城斷層所控制的汶上—寧陽地塹構(gòu)造，南部為菏澤斷層、鳧山斷層與單縣斷層所控制的成武—魚臺地塹構(gòu)造。煤田為一向東傾伏、軸向北東—南西向的向斜構(gòu)造，地層傾角較為平緩，一般小于10°[8，12]。其南為鳧山背斜，其北為滋陽背斜。其構(gòu)造綱要示意見圖2。

圖2 兗州煤田構(gòu)造綱要示意

5 兗州煤田太原組沉積相類型

兗州煤田太原組主要屬潮坪沉積體系和障壁瀉湖沉積體系，太原組上段則是在由海相向陸相過渡的淺水三角洲沉積體系[8，12，15-16]。但是太原組十灰、三灰等表現(xiàn)為開闊臺地相的沉積特征。在兗州煤田太原組的沉積相中，其中潮道和砂泥混合坪相發(fā)育最好，起到了骨架作用，其次是潮坪沼澤相[8]。

6 兗州煤田太原組沉積相空間展布

6.1 太原組沉積相垂向序列

單井相分析是進(jìn)行剖面相對比、平面相分析的基礎(chǔ)。在本次研究中以巖心資料為基礎(chǔ)進(jìn)行了巖石學(xué)特征、沉積構(gòu)造、粒度分析研究，結(jié)合測井資料、分析化驗(yàn)資料，以濟(jì)寧二號井、楊村煤礦以及興隆莊煤礦和南屯煤礦為例進(jìn)行分析。在分析中主要以旋回為單位，對其沉積亞相類型以及演化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)描述。

依據(jù)濟(jì)寧二號井、楊村煤礦以及興隆莊煤礦和南屯煤礦鉆孔資料(圖3、圖4)，將兗州煤田太原組垂向上自下而上劃分為3個(gè)沉積序列。即：S1、S2、S3。其中S1以本溪組頂界，太原組底界十四灰開始，往上至十下灰?guī)r為止；S2則以十下灰?guī)r開始，向上至八灰為止；S3則以八灰開始，往上至三灰而止。三個(gè)沉積序列是對比分析兗州煤田內(nèi)各礦井地質(zhì)資料而得出的。

圖3 濟(jì)寧二號井綜合柱狀示意

6.2 S1旋回

太原組下段即S1旋回，以十四灰開始，至十下灰結(jié)束，沉積粒度逐漸變粗。其下部由一套青灰色、雜色鋁質(zhì)泥巖和石灰?guī)r組成。十二層石灰?guī)r常呈礫狀，厚度變化大；十三層石灰?guī)r不穩(wěn)定，厚度變化大；十四層石灰?guī)r為乳白色、淺灰色，層位穩(wěn)定，但厚度變化大，為主要標(biāo)志層。下部為紫色鐵質(zhì)泥巖及鋁土巖，偶夾煤線。含有較多薄層狀、透鏡狀畫帖礦層或結(jié)核，具水平層理，含有豐富的植物碎屑，動(dòng)物碎屑較少，種屬少且體小殼薄，具瀉湖沉積特征。瀉湖相多以細(xì)粒沉積物和泥質(zhì)沉積物為主，主要由深灰色、灰黑色的粉砂質(zhì)泥巖、泥巖以及頁巖組成，發(fā)育水平層理和生物擾動(dòng)構(gòu)造，以及塊狀(均勻)層理，還可見到水平生物潛穴。瀉湖沉積物中含較多的菱鐵質(zhì)結(jié)核和黃鐵礦結(jié)核，有的菱鐵礦結(jié)核直徑達(dá)十幾厘米，或構(gòu)成結(jié)核層，或?yàn)榱忤F質(zhì)泥巖薄層，反映出較停滯和閉塞的水體條件。部分鉆孔可識別出潮坪沉積，巖相組合以灰?guī)r與泥巖、砂巖互層為主，內(nèi)夾煤線。向上為具水平層理的細(xì)砂巖及砂質(zhì)泥巖互層。頂部爬升層理。而大量植物碎屑表明成煤時(shí)期植物生長茂盛，且星散狀黃鐵礦表明了瀉湖還原環(huán)境。以上特征說明太原組下段以瀉湖海灣沉積為主。

6.3 S2旋回

S2旋回以十下石灰?guī)r開始，至八灰結(jié)束。由灰—深灰色粉砂巖、棕灰色鋁質(zhì)泥巖和灰—灰綠色中砂巖及灰?guī)r組成。十下石灰?guī)r為深灰色灰?guī)r，厚度穩(wěn)定，致密、堅(jiān)硬、質(zhì)純，含燧石結(jié)核，下部含較多的炭泥質(zhì)條帶，為主要標(biāo)志層。含16煤、17煤、18煤，其中16煤、17煤為主要可采煤層，18煤為局部可采煤層。S2旋回為有障壁海岸沉積體系，以障壁砂壩和潮汐水道沉積為主。巖性以中粗粒石英砂巖為主，發(fā)育楔形、板狀、雙向和波狀交錯(cuò)層理。下部為深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)巖，含有較多的生物潛穴，在垂向?qū)有蛑杏上峦夏噘|(zhì)含量逐漸減少，由砂巖占優(yōu)勢的砂泥互層過渡為具小型交錯(cuò)層理的細(xì)砂巖，內(nèi)部常具中等至強(qiáng)烈的生物擾動(dòng)構(gòu)造。障壁向陸一側(cè)潮坪十分發(fā)育，障壁向海一側(cè)發(fā)育有退潮三角洲。

6.4 S3旋回

S3旋回以八灰開始，至三灰結(jié)束。由深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖和灰色鋁質(zhì)泥巖組成，間夾數(shù)層灰?guī)r及薄煤層。6煤在西南部可采。三灰為灰白，深灰色石灰?guī)r，致密、堅(jiān)硬、厚度穩(wěn)定，中部有燧石結(jié)核，為主要標(biāo)志層。在井田中心附近有分層現(xiàn)象，其上分層為淺灰綠色生物碎屑，厚1.0 m左右。S3旋回初期為三角洲沉積體系，且前緣席狀砂不太發(fā)育，這表明物源來勢較猛，沉積速率較快。沉積粒度總體向上變粗，具有三角洲沉積的一般特征，發(fā)育塊狀層理及遞變層理，可識別生物潛穴，形成于弱水動(dòng)力環(huán)境，表明有淺水三角洲沉積物充填，向海灣方向不斷海退。沉積環(huán)境變化大，煤層側(cè)向連續(xù)性差，由于海退后的三角洲平原上發(fā)育穩(wěn)定的沼澤環(huán)境，形成富煤帶。

圖4 兗州煤田部分礦井連井剖面示意

7 兗州煤田太原組沉積環(huán)境與煤層發(fā)育

兗州煤田為全隱蔽式華北型石炭—二疊紀(jì)煤田，含煤層多，煤層儲量巨大，對山東以及華北地區(qū)煤炭供應(yīng)意義重大。

本煤田主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，其中太原組的16上和17煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，且均為薄煤層；6、15上和18上煤層為局部可采煤層。其余煤層為不可采、不穩(wěn)定煤層。太原組煤質(zhì)穩(wěn)定，煤種單一。

5煤、6煤位于太原組上部，下距三灰10 m左右，厚度變化較大，為局部可采煤層，受構(gòu)造作用導(dǎo)致煤層不連續(xù)。由于煤層較薄，故推測其成煤時(shí)地殼升降不大，又處于太原組成煤末期，整體海退，表明有淺水三角洲沉積物充填，向海灣方向不斷海退。7煤缺失，證明該時(shí)期地殼隆升剝蝕。

由上述可知，5煤、6煤、7煤不在所劃沉積序列之中，是海退末期沉積煤層，與其上部山西組煤層相似，呈漸變關(guān)系。

太原組S3較上部煤層更為發(fā)育，且厚度明顯較大，其中8煤、10煤、12煤較為發(fā)育，但是有煤層分叉現(xiàn)象，說明該時(shí)期構(gòu)造作用復(fù)雜。南屯煤礦8煤較楊村煤礦與鮑店煤礦缺失8中煤層，且煤層有切斷現(xiàn)象，證明該時(shí)期煤層受斷層影響，且西北部煤層較東南部煤層發(fā)育較好。9煤發(fā)育較為完整，厚度較為均勻。11煤層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)缺失。

上述煤層皆屬于所劃分沉積序列S3旋回，即淺水三角洲沉積體系，沉積特征明顯。

14煤、15煤位于太原組中段，屬S2旋回，即障壁海岸沉積體系。與S1旋回的下部16煤、17煤、18煤相比較為欠缺，但與其上部S3旋回的煤層相比發(fā)育更為均勻，厚度也明顯較大。但是該旋回缺失13煤層，說明在該旋回末期有地殼的隆升剝蝕。

16煤、17煤、18煤為太原組主要可采煤層，煤層發(fā)育較好，厚度較為均一。煤層較S2旋回發(fā)育。該旋回16煤、17煤、18煤雖發(fā)育較好，但是分叉明顯，有明顯的被斷層切割現(xiàn)象，構(gòu)造活動(dòng)雖較為穩(wěn)定，導(dǎo)致煤厚較好，但是仍見受構(gòu)造活動(dòng)影響的分叉切割現(xiàn)象。

該旋回煤層是太原組主要的可采煤層，其成煤環(huán)境是障壁瀉湖沉積，具有良好的成煤環(huán)境，是其煤層發(fā)育較好的主要控制因素。

8 結(jié) 論

筆者在參考大量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人對該區(qū)域化石以及沉積環(huán)境的研究結(jié)果，將區(qū)域煤層發(fā)育情況與沉積環(huán)境相結(jié)合，著重分析成煤模式，即成煤環(huán)境與煤層發(fā)育的關(guān)系。

(1)兗州煤田太原組沉積環(huán)境是海陸交互沉積，主要發(fā)育的沉積體系是潮坪沉積體系、障壁—瀉湖沉積體系以及太原組上段的淺水三角洲沉積體系。各沉積體系沉積特征明顯，其中以泥坪相、潮道相、障壁灘相以及瀉湖相最為發(fā)育，所形成的煤層厚度不大，但具有分布范圍廣，含煤巖系較為穩(wěn)定等特點(diǎn)。

(2)單井相分析及連井剖面圖中各沉積層反映了太原組成煤環(huán)境與海水有較密切的聯(lián)系，太原組下段屬海相成煤環(huán)境，又總體位于海退時(shí)期，其上段則處于由海相向陸相的過渡時(shí)期，即淺水三角洲沉積體系。

(3)在本區(qū)域太原組含煤巖系中，各礦區(qū)雖然發(fā)育不同，但垂向上基本連續(xù)，且同時(shí)期含煤地層發(fā)育基本一致，在橫向上呈漸變關(guān)系，說明該時(shí)期并未有大規(guī)模的地殼運(yùn)動(dòng)。但是，煤層分叉及缺失現(xiàn)象較多，說明海水進(jìn)退頻繁，并且伴有比較強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)。