神府南區中侏羅統直羅組古河道沖刷帶的空間定位預測

榮 輝，焦養泉，高 彬，范立民，張 帆，吳立群，樂 亮，王建英，郭亮亮

(1.中國地質大學 構造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074；2. 陜煤集團神木張家峁礦業公司，陜西 神木 719300；3.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；4.陜西省地質環境監測總站 自然資源部礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

古河道沖刷帶是含煤巖系中常見的一種地質現象，不僅可以造成可采煤層幾何形態的變化，而且影響煤礦安全、高效生產[1-2]。因此，準確預測古河道沖刷帶的空間分布一直是煤礦地質領域關心的重要問題。對古河道沖刷帶的預測主要采用沉積分析、地球物理及地質統計等方法[3-12]。由于地下地球物理探測干擾因素多、影響地質統計數學模型的地質條件復雜，導致物探方法和地質統計方法對古河道沖刷帶的預測結果存在多解性和不確定性，而沉積學分析是目前解決古河道沖刷帶分布預測問題最直接、最有效的方法[2-3,13-14]。

陜北侏羅紀煤田位于鄂爾多斯盆地東北部，其煤炭資源量約占全國保有儲量的14%，已經成為我國重要的煤炭生產基地[15-16]。神府南區是陜北侏羅紀煤田的主要礦區之一，區內與侏羅紀含煤巖系相關的區域性地下水儲層主要有3套，自下而上分別為直羅組底部含水層、下白堊統洛河組含水層和羅漢洞組含水層[17-21]。延安組含煤巖系頂部古風化殼之上發育的直羅組底部砂體(含水層)具有辮狀河-辮狀河三角洲的成因，直羅組底部砂體的河道化作用明顯[22-23]。河道下蝕作用在一些地區可以切穿下伏延安組頂部的1～2個可采煤層，下切深度可達10～20 m，對可采煤層可以形成明顯的沖刷帶[24-25]。可見，以古河道含水層為水源的煤礦突水危險性較大，古河道頂板水害成為威脅礦區安全高效生產的重要致災因素之一。然而，目前對直羅組下段古河道沖刷帶的分布規律仍然不清楚，給該區域礦井防治水工作帶來了極大的挑戰。

鑒于此，筆者將以神府南區含煤巖系頂板直羅組古河道為研究對象，通過砂分散體系、煤層厚度及古河道砂體與下伏地層的接觸關系等分析和編圖，實現對含煤巖系頂板古河道沖刷帶的空間定位預測，為該區煤礦安全、高效生產提供指導。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地是中國西部大型的含能源沉積盆地，以賦存多種沉積礦產而著稱[22,26-30]。盆地劃分為伊盟隆起、西緣沖斷帶、天環坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起6個二級構造單元，其中，神府南區位于盆地東北緣，構造上處于伊陜斜坡(圖1(a),(b))。侏羅紀地層主要包括富縣組、延安組、直羅組和安定組(圖2)。延安組是重要的含煤巖系[22,31]，而直羅組是重要的含鈾巖系[21,32]。延安組含有5層重要工業煤層，分別位于其內部5個成因地層單元：Ⅰ～Ⅴ。延安組的上、下界面均為不整合面，其內部可進一步劃分為3個體系域，其中低位體系域(LST)對應于第Ⅰ單元，以河流沉積作用為特色，湖泊擴展體系域(EST)對應于第Ⅱ～Ⅳ單元，以湖泊三角洲為主，而高位體系域(HST)對應于第Ⅴ單元，以河流沉積和三角洲沉積為主[24,30]。直羅組也由3個體系域(LST,EST和HST)組成，分別對應于直羅組下、中、上3段，直羅組下段以辮狀河-辮狀河三角洲沉積體系發育為主(圖2)[23]。神府南區主要生產煤礦包括檸條塔煤礦、紅柳林煤礦、張家峁煤礦等(圖1(b))，區內構造簡單，地層總體趨勢為傾角1°左右、向北西傾斜的單斜構造。研究區直羅組與延安組之間呈平行不整合接觸，該界面是燕山運動早期的產物，表現為直羅組底部砂體與含煤巖系廣泛直接接觸，為古河道沖刷帶的形成創造了條件[21-25]。

圖1 區域地質背景Fig.1 Regional geological background

圖2 鄂爾多斯盆地東北部中生界地層結構及地下水關鍵要素(據文獻[21]修改)Fig.2 Mesozoic stratigraphic column and key elements of groundwater in the northeastern Ordos Basin (Modified from References [21])

2 古河道沖刷帶的識別

古河道沖刷帶的發育不僅取決于古河道砂體展布與規模，而且還受其對下伏地層的侵蝕程度的制約，因此對古河道沖刷帶的識別必須要考慮以上兩方面的因素。從鉆孔巖心和野外露頭觀察發現，神府南區直羅組下段以大套厚層砂體發育為主，厚度多在30～70 m，由多個正韻律旋回構成，每個旋回下部巖性多以礫巖、含礫砂巖為主，局部含大量的碳質碎屑，上部逐漸變細，以中砂巖及細砂巖發育為主(圖3)；直羅組下段砂體下伏地層為延安組，其可與延安組第Ⅳ單元煤層或第Ⅴ單元風化煤層接觸(圖3)。從鉆孔連井剖面上看，沿著垂直古河道展布方向上，直羅組下段古河道砂體呈透鏡狀，在中心位置厚度最大，向兩側逐漸減薄；在古河道發育的中心位置，延安組第Ⅴ單元地層完全缺失、第Ⅳ單元地層部分為缺失，向兩側地層缺失程度逐漸減弱(圖4(a))。沿著平行古河道展布方向上，直羅組下段古河道砂體呈席狀展布，延安組第Ⅴ單元地層完全缺失、第Ⅳ單元地層部分缺失(圖4(b))。綜上所述，直羅組下段古河道砂體規模大，連續性好，其對下伏延安組地層產生了明顯的沖刷作用，造成延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元地層缺失。

注：(a)直羅組下段古河道砂體與延安組第Ⅳ單元煤層接觸，SJ02井，鉆孔位置如圖5(a)所示；(b)直羅組下段底部礫巖，位置如圖3(a)所示； (c) 延安組第Ⅳ單元煤層，位置如圖3(a)所示；(d) 直羅組下段古河道砂體與延安組第Ⅳ單元煤層接觸，SJ03井，鉆孔位置如圖5(a)所示； (e)直羅組下段底部礫巖，位置如圖3(d)所示；(f) 延安組第Ⅳ單元煤層，位置如圖3(d)所示；(g),(h) 神木考考烏素溝延安組與直羅組之間的 不整合界面，直羅組下段砂體與延安組第Ⅴ單元頂部風化煤層接觸，底部見礫石。圖3 神府南區直羅組下段古河道砂體與延安組煤層的接觸關系Fig.3 Contact relationship between ancient channel sandbodies in the lower part of Zhiluo Formation and coal seam of the Yan’an Formation in the southern Shenfu mining area

3 與古河道沖刷作用相關參數的空間分布規律

筆者將精細刻畫古河道砂體幾何形態、下伏地層中煤層分布、下伏地層及巖性展布，為實現對古河道沖刷帶的空間定位預測奠定基礎。該研究是建立在對神府南區2 308口鉆孔資料進行地層劃分、巖性統計工作基礎上的。

3.1 古河道砂體的空間分布規律

通過編制神府南區直羅組下段砂體厚度、含砂率等值線圖來表征神府南區古河道砂體的空間展布規律。神府南區直羅組下段砂體厚度多數分布在20～80 m，最顯著的特征是高值區以紅堿淖—爾林兔—錦界為軸線，呈北西—南東向帶狀展布(圖5(a))。紅堿淖—爾林兔—錦界一帶的砂體厚度普遍在70 m以上，在其兩側出現指狀分叉，向東、西南方向砂體厚度逐漸減小(圖5(a))。研究區直羅組下段含砂率多在50%～100%，尤其在紅堿淖—爾林兔—錦界一帶直羅組下段含砂率達到100%，其展布規律與砂體厚度的展布規律相近，高值區亦呈北西-南東向的帶狀展布，低值區位于高值區兩側(圖5(b))。綜上所述，神府南區直羅組下段砂分散體系總體上展現以紅堿淖—爾林兔—錦界一線為軸線，從西北向東南方向呈帶狀展布，與軸線斜交方向出現明顯分岔。

圖4 神府南區直羅組下段古河道砂體及其與下伏地層的接觸關系(剖面位置如圖5(a)所示)Fig.4 Ancient channel sandbodies in the lower part of the Zhiluo Formation and their contact relationship with underlying strata in the southern Shenfu mining area(Location is shown inFig.5(a))

3.2 下伏地層中煤層的空間分布規律

神府南區直羅組下段古河道砂體下伏地層主要以延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元為主。因此，筆者主要研究該區延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元中煤層厚度的分布規律。神府南區延安組第Ⅴ單元中煤層厚度在0～13.8 m，平均厚度3.58 m，煤層厚度高值區呈半島狀、島狀分布于紅堿淖的西南方向及工區東北部，而低值區主要分布于紅堿淖—爾林兔—錦界一線附近(圖6(a))。延安組第Ⅳ單元中煤層多數分布在2～10 m，煤層厚度高值區主要分布在研究區西南部和東北部，而低值區主要分布于紅堿淖—爾林兔—錦界一線附近，從西北—東南呈帶狀展布(圖6(b))。總體來看，研究神府南區延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元中煤層厚度的低值區主要分布于紅堿淖—爾林兔—錦界一線附近，而高值區分布于該軸線兩側。

3.3 下伏地層單元及巖性空間分布規律

筆者利用與直羅組下段古河道砂體接觸的下伏地層單元及巖性的平面分布表征古河道砂體與下伏地層的接觸關系。

從與直羅組下段古河道砂體接觸的下伏地層平面分布特征來看，神府南區直羅組下段直接接觸的地層有延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元、第Ⅲ單元，其中延安組第Ⅲ單元、第Ⅳ單元分布于第Ⅴ單元中，呈北西—東南方向展布(圖7(a))。延安組第Ⅲ單元在爾林兔東部，區域相對較小，表明該區域直羅組下段古河道的沖刷作用最為強烈，延安組第Ⅳ單元在紅堿淖—爾林兔—錦界一線呈帶狀展布，寬度為17～28 km(圖7(a))。延安組第Ⅴ單元主要分布于在研究區西南與東北部(圖7(a))。從與直羅組下段古河道砂體接觸的下伏地層巖性平面分布特征來看，神府南區直羅組下段古河道下伏地層的巖性多為粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖和煤，其中粉砂巖和泥巖分布范圍最廣，其次為粗砂巖、中砂巖和細砂巖(圖7(b))。與古河道接觸的煤層主要為1號煤和2號煤，其中，與古河道接觸的1號煤主要分布在爾林兔西南部、錦界鎮南部、檸條塔煤礦及其以北地區，而與古河道接觸的2號煤主要分布在紅柳林煤礦西部以及錦界鎮一帶(圖7(b))。

圖5 神府南區直羅組下段古河道砂體的幾何形態及空間分布規律Fig.5 Geometric shape and spatial distribution of ancient channel sandbodies in the lower part of the Zhiluo Formation in the southern Shenfu mining area

圖6 神府南區延安組關鍵煤層的厚度分布規律Fig.6 Thickness of the key coal seams in the Yan’an Formation in southern Shenfu mining area

4 古河道沖刷帶的空間定位預測

目前，許多學者主要通過煤層頂板砂體厚度及煤層厚度等沉積學編圖研究，對古河道沖刷帶進行預測[1,3,13,33]。然而，煤層頂板砂體厚度大并不一定代表其對下伏煤層有沖刷作用，煤層厚度減薄也不一定是由于河道沖刷作用造成的。可見，僅通過煤層頂板砂體厚度及煤層厚度2個參數沉積學編圖對古河道沖刷帶進行空間定位預測是存在不確定性的。由于古河道沖刷帶發育的本質在于古河道砂體對下伏煤系地層的侵蝕作用，所以要實現古河道沖刷帶的準確預測必須考慮古河道砂體展布與規模及其對下伏地層的侵蝕程度及接觸關系。因此，筆者綜合直羅組下段古河道的空間展布、下伏地層中的煤層空間展布、下伏地層單元及巖性空間展布，對神府南區直羅組下段古河道沖刷帶進行了預測。

根據神府南區直羅組下段砂分散體系展布特征來看，古河道砂體沿著紅堿淖—爾林兔—錦界一線發育，從西北向東南方向呈現帶狀展布，在主河道方向還存在明顯分岔現象。對連井剖面上鉆孔進行統計發現，下伏地層產生明顯沖刷作用的古河道砂體厚度多在30 m以上(圖4)。因此，根據砂體厚度30 m以上的區域作為古河道沖刷帶發育的潛在區域。從下伏地層延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元中煤層厚度的空間展布來看，在古河道發育區域存在煤層厚度明顯減薄的現象，進一步證實了含煤巖系頂板古河道沖刷帶的存在。從直羅組下段古河道與下伏地層侵蝕接觸關系來看，直羅組下段古河道砂體與延安組第Ⅳ單元、第Ⅲ單元直接接觸的區域沿紅堿淖—爾林兔—錦界一線呈帶狀展布，預示該區域延安組第Ⅴ單元已經完全遭受河道沖刷。因此，直羅組下段古河道沖刷帶主體上沿著沿紅堿淖—爾林兔—錦界一線(圖8)。除此之外，沿著古河道展布方向上，延安組第Ⅴ單元也存在部分沖刷區域，本文將古河道砂體厚度在30 m以上的區域作為延安組第Ⅴ單元的潛在沖刷區域。歸納起來，神府南區古河道沖刷帶的分布主要沿著紅堿淖—爾林兔—錦界一線發育：延安組第Ⅴ單元完全沖刷區域分布由古河道下伏地層延安組第Ⅳ單元、第Ⅲ單元地層分布區域可以限定，該區域寬度17～28 km，長度約76 km，而延安組組第Ⅴ單元潛在沖刷區域以古河道砂體厚度在30 m以上的區域來表征，該區域寬度37～46 km，長度約76 km。

從神府南區煤層沖刷帶成因角度看，含煤巖系頂板直羅組下段辮狀河-辮狀分流河道對下伏煤層沖刷形成了區內古河道沖刷帶，其典型特點是在平面上呈寬條帶且延伸距離長，垂向上砂體厚度大(圖4，8)。神府南區直羅組下段古河道砂體孔隙度多在20%以上，滲透率多在300×10-15m2，儲層物性良好，是區域性含水層[21,24]。綜合來看，直羅組下段古河道沖刷帶對于礦區內煤礦開采的影響是區域性的。神府南區直羅組下段古河道沖刷帶沿紅堿淖—爾林兔—錦界一線成帶狀展布，寬度在17 km以上，在古河道砂體沖刷帶附近進行煤炭開采時要做好煤層頂板水害防治工作。

圖8 神府南區古河道沖刷帶空間分布Fig.8 Spatial distribution of paleo-channel erosion zone in southern Shenfu mining area

5 結 論

(1)神府南區含煤巖系頂板發育直羅組下段古河道沖刷帶，該古河道以大套厚層砂體發育為主，厚度多在30～70 m，由多個正韻律旋回構成；沿著垂直古河道展布方向上，其呈透鏡狀，沿著平行古河道展布方向上，其呈席狀；古河道對下伏延安組地層產生了明顯的沖刷作用，造成延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元地層缺。

(2)神府南區直羅組下段古河道砂體厚度、含砂率高值區總體上沿著紅堿淖—爾林兔—錦界一線呈現帶狀展布，與軸線斜交方向出現明顯分岔。延安組第Ⅴ單元和第Ⅳ單元煤層厚度低值區均沿紅堿淖—爾林兔—錦界一線呈帶狀分布。延安組與古河道接觸的巖性以粉砂巖、泥巖和煤(1號煤、2號煤)為主；與古河道接觸的1號煤分布在爾林兔西南部、錦界鎮南部、檸條塔煤礦及其以北地區，與古河道接觸的2號煤分布在錦界鎮及紅柳林煤礦西部地區。

(3)神府南區古河道沖刷帶主要沿著紅堿淖—爾林兔—錦界一線發育，古河道對延安組第Ⅴ單元完全沖刷區域的寬度為17～28 km，而對延安組第Ⅴ單元沖刷區域的寬度卻更大，達到37～46 km。直羅組下段古河道沖刷帶對于神府南區煤礦開采的影響是區域性的，在古河道砂體沖刷帶附近進行煤炭開采時要做好煤層頂板水害防治工作。