深覆蓋區綜合找煤技術方法在魯西曹縣煤田張灣勘查區中的成功運用

馬祥縣，張洪波，張尚坤，楊斌，羅文強，唐璐璐，仵康林，陳文韜

(1.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東省地質科學研究院，山東 濟南 250013；2.菏澤市礦產資源勘探開發中心，山東 菏澤 274000)

0 引言

煤炭是我國重要的基礎能源[1]。隨著淺部煤炭資源勘查程度不斷提高以及煤炭資源的不斷消耗，深入開展深部資源綜合找煤方法研究，向深部找煤，實現深覆蓋區找煤突破，顯得十分必要[2-6]。

我國煤田地質的顯著特點是聚煤盆地構造類型和成煤模式多樣化、煤系后期改造明顯，勘查評價難度較大。近年來，國內外地質工作者在成煤理論、找煤方法開展了大量研究工作，提出了海侵過程成煤理論[7]、幕式成煤理論[8]、風暴異地煤成煤理論[9]、海侵事件成煤理論[10-11]及多元聚煤理論體系[12]等，豐富了找煤理論，指導了找煤實踐。于學峰等[13]基于礦床成礦序列理論，總結提出了魯西地區發育的石炭紀-二疊紀海陸交互相碎屑巖、碳酸鹽巖-有機巖沉積建造有關的煤(-油頁巖)、鐵、耐火黏土-鋁土礦-石英砂礦礦床成礦系列是山東省一個重要的成礦系列，該系列中的煤礦在山東占有重要地位。張增奇等[14]認為魯西含煤區構造總體上表現為“掀斜式構造，北斷南超”，呈“凹凸相間”的構造樣式，提出了“凹中找壘，凸中找塹”的找煤模式。

以成煤理論和礦床成礦系列理論為指導，總結分析魯西南地區地質構造背景，研究構造演化規律，通過物探先行、鉆探驗證，以鉆探結果修正物探的綜合技術方法，開展深覆蓋區煤炭勘查工作，取得了良好的勘查效果(1)山東省地質科學研究院,山東省曹縣煤田張灣勘查區煤炭勘探報告,2018年11月。。這對于總結深覆蓋區找煤技術方法和增加煤炭資源供給都具有十分重要的意義。

1 地質背景

曹縣煤田張灣勘查區位于魯西菏澤市，大地構造屬華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯西南潛隆起(Ⅲ)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅳ)菏澤潛凸起(Ⅴ)西南側(圖1)。區內被厚約1000m新生代地層覆蓋。前新近紀地層主要有奧陶紀馬家溝群，石炭紀本溪組，石炭-二疊紀太原組、山西組，二疊紀石盒子群和古近紀大汶口組。其中：馬家溝群巖性為灰色厚層石灰巖、泥質白云巖、角礫狀白云巖，該套地層是石炭紀-二疊紀含煤地層的沉積基底；本溪組為一套青灰、紫紅色鐵鋁質黏土巖、細砂巖和泥巖沉積建造；太原組為一套海陸交互相沉積[15]，巖性以灰、灰黑色泥巖、頁巖和砂巖為主，夾多層石灰巖和薄煤層；山西組(由灰至深灰色砂泥巖夾煤層構成，且該組的煤層是本區的主要可采煤層；石盒子群巖性為黃綠、灰綠、灰白色砂巖與雜色泥頁巖，由于遭受后期構造運動的剝蝕，多保存不全，區域上各地殘留厚度各異；古近紀大汶口組巖性為黃色、褐黃色細砂巖和褐黃色、灰綠色泥巖。

1—菏澤潛凸起；2—古近紀大汶口組；3—二疊紀石盒子群；4—二疊紀山西組；5—石炭-二疊紀太原組；6—石炭紀本溪組；7—奧陶紀馬家溝群；8—推測斷層；F1—聊考斷裂；F2—莊寨斷裂；F3—鳧山斷裂；F4—常樂集斷裂；F5—曹縣斷裂圖1 張灣勘查區前新近紀基巖地質簡圖(據山東省曹縣煤田張灣勘查區煤炭勘探報告，部分修改)

主要斷層構造分為3組：NE向聊考斷裂(F1)、莊寨斷裂(F2)和曹縣斷裂(F5)，NW向常樂集斷裂(F4)，近EW向鳧山斷裂(F3)。區域上巖漿巖不發育，僅在張灣勘查區南鄰的青崗集部分鉆孔見到閃長玢巖。

2 成煤理論探討

山東省主要含煤層位有3個，主體為石炭-二疊紀月門溝群山西組、太原組，其次為早-中侏羅世淄博群坊子組和古近紀五圖群李家崖組。石炭-二疊系是山東省重要含煤層位，其煤炭資源儲量占山東省煤炭總量的94.1%[16]。深入分析魯西地區晚古生代構造演化，研究魯西構造格架及石炭-二疊系含煤地層分布規律，開展礦床成礦系列研究，對于魯西深覆蓋區找煤工作具有十分重要的現實意義。

石炭-二疊系地層分布于沂沭斷裂帶(安丘-莒縣斷裂)以西，魯東地區缺失這一階段的地層分布[17]。石炭-二疊紀，在SE—NW向擠壓應力制約下，地殼多以差異升降活動為主，巖漿侵入活動十分微弱，顯示臺地特征。沂沭斷裂帶顯示張剪活動，致使魯東地區持續穩定的隆升，而魯西地區由隆升轉為非均衡性沉降，發育了地勢較平坦的沉積盆地，海水幾經進退，提供了大量的碎屑物質，沉積了早古生代以碳酸鹽為主的海相地層和晚古生代海陸交互相的地層。在物源區的構造作用和區域性海水進退作用下，魯西地區發育了大型淺水三角洲沉積相，有利于沼澤及泥炭沼澤沉積。淺水三角洲沉積環境的發育，在很大程度上決定了該區煤炭資源的富集，石炭-二疊紀之后，魯西地塊內部進一步沉降，接受沉積[18]，發育了煤炭的沉積蓋層。

三疊紀末期，由原來擠壓作用，到中生代晚侏羅世至早白堊世和新生代古近紀兩次伸展作用，致使古生界和侏羅系等蓋層形成了區內地層北傾，形成了一系列由“南超北斷”掀斜式構造控制的山前斷陷盆地。板內構造切割形成的地塊之間不僅在該區整體抬升時存在著升幅差異，在山前斷陷盆地形成的過程中也同樣存在著降幅差異，致使部分煤層沉降得以保存下來，另有部分煤層抬升，遭受了剝蝕破壞。這直接導致魯西菏澤地區形成了“潛凸起與潛凹陷相間排列，有煤區與無煤區相間排列，深煤區和淺煤區相間排列”的“棋盤式”含煤斷塊分布格局。

3 找煤技術方法及效果

(1)地球物理探測

隨著地球物理技術的進步，物探工作在深覆蓋區找煤工作中發揮著越來越重要的作用。在張灣勘查區，二維三維地震勘查技術的應用，極大的提高了煤炭地質綜合勘查精度。

張灣勘查區新生代地層在956.10～1086.55m之間。在地震時間剖面上易形成多個較強的反射波組，本區主要為新生界底界面所對應的TQ+N反射波，3煤層所對應的T3反射波，6煤層及三灰附近巖段的T3L復合反射波以及十下灰及16煤層附近巖段多個薄層形成的T10復合反射波(圖2、圖3)。

圖2 T3波消失時，T3L、T10波在時間剖面上的顯示

圖3 T3波在地震時間剖面上的顯示

從圖2中可以看出，以3煤層為主形成的反射波，由一個正相位和一個負相位組成，其主頻約為50～60Hz，全區連續追蹤，為本區的標準反射波，是3煤層構造解釋和宏觀結構解釋的主要依據；斷層在時間剖面上表現為同相軸的錯斷、終止，反射波組間距發生突變，同相軸的形狀和產狀發生變化；3煤層因構造的隆起而風化剝蝕，剝蝕面與上伏新近系地層呈不整合接觸，在時間剖面上可看到煤系地層反射波與新生界底界面有明顯的不整合面現象。在露頭附近，3煤層受風氧化的影響，其煤質發生了變化，煤層與圍巖的波阻抗差異變小，反映在地震時間剖面上3煤層反射波變弱或消失。

從圖3中可以看出，由于3煤層的屏蔽作用，T3L波能量較弱，T10波常表現為視周期較大的弱反射波特征，而且波形特征變化大，不能連續追蹤；當3煤層變薄或被剝蝕后，T3L波能量相對增強，T10波頻率提高，視周期變小，能量增強。

(2)綜合找煤效果

在系統開展區域地質、聚煤規律和賦煤構造研究的基礎上，開展物探與鉆探工作，成功評價了勘查區煤層分布特征，取得了良好的找煤效果。

張灣勘查區含煤地層為月門溝群太原組和山西組。太原組平均厚度150.49m，含煤18層，煤層總厚度7.95m，含煤系數5.28%，由于煤層薄，均為不可采煤層。山西組平均厚度56.22m，含煤3層(2、3(3上)、3下)，煤層總厚度9.64m，含煤系數17.15%，其中3(3上)、3下煤層為可采煤層(圖4)。

圖4 3煤層上部地層剝離顯示示意圖

煤系地層總體為走向NW，傾向SW的單斜構造形態，在其上發育有幅度不大的次一級向、背斜褶曲構造。煤系地層傾角一般約2°～7°左右，局部較緩，傾角約1°，煤層古風氧化帶附近傾角較大，約12°左右。偏移數據大體上可直觀地采用連續水平切片解釋褶曲形態。向斜在連續時間切片上顯示為深部小、淺部大，而背斜在連續時間切片上則顯示為深部大、淺部小形態(圖4)。勘查區通過勘探評價，查明煤炭資源量6億多噸，找煤效果良好。

4 結論

(1)石炭-二疊紀，魯西地區發育了大型淺水三角洲沉積相，有利于沼澤及泥炭沼澤沉積，成煤條件好。三疊紀末期構造運動，致使部分煤層抬升遭受剝蝕破壞。

(2)本區煤系地層厚度較穩定，3煤層與其頂底板物性差異明顯，T3波能量強，特征明顯，構成了良好的深層地震地質條件。

(3)張灣勘查區煤層埋藏深，上覆地層厚度大，以綜合地質研究為基礎，物探與鉆探相結合的綜合找煤方法，取得了良好的找煤效果。