柴北緣東部北大灘地區(qū)中侏羅統(tǒng)石門溝組控煤因素

彭明鴻，田景春，張 翔，陳 磊，曾建強，王素英

柴北緣東部北大灘地區(qū)中侏羅統(tǒng)石門溝組控煤因素

彭明鴻1，田景春1，張 翔1，陳 磊2，曾建強1，王素英1

(1. 成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；2. 青海省煤炭地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810001)

青海省北大灘地區(qū)煤炭勘查工作的關(guān)鍵是沉積期的聚煤環(huán)境和沉積前后構(gòu)造作用對煤層賦存的控制作用。為明確柴北緣東部北大灘地區(qū)石門溝組的控煤因素，有效指導(dǎo)該含煤區(qū)的煤炭勘查工作，基于野外露頭、鉆孔、地球物理勘探等地質(zhì)資料，在分析北大灘地區(qū)石門溝組聚煤環(huán)境和構(gòu)造作用的基礎(chǔ)上，從聚煤環(huán)境、古隆起和斷裂、向斜等方面深入探討了石門溝組的控煤因素。其中，扇三角洲平原分流河道間的泥炭沼澤和濱湖環(huán)境的濱湖沼澤是有利的成煤環(huán)境，控制著煤層橫向發(fā)育、分布特征；古隆起控制著有利聚煤區(qū)和煤層分布區(qū)；北大灘向斜內(nèi)部次級背斜和逆斷層的上盤控制著煤層埋藏深度，煤層埋藏淺降低了后期煤炭勘查的難度。

柴北緣東部；北大灘地區(qū)；石門溝組；聚煤環(huán)境；構(gòu)造控煤

煤炭是我國基礎(chǔ)能源之一，充足、可靠的煤炭資源是煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提[1]，而研究控制煤層賦存的因素是重中之重。前人對控煤因素的研究做了大量的工作，一般認為，控煤因素主要包括聚煤環(huán)境和沉積期前后的構(gòu)造作用，這兩個因素不同程度地控制和影響煤的形成[2-5]。柴北緣東部北大灘地區(qū)以往完成的地質(zhì)工作大部分以調(diào)查和普查工作為主，且僅在一些地質(zhì)條件相對較好的地段以及各煤礦點進行了勘查工作。近年來，青海省煤炭地質(zhì)勘查院對該區(qū)塊進行了地質(zhì)勘探、電法、地震、鉆探等工作，對工作區(qū)構(gòu)造、地層、煤層發(fā)育、覆蓋層的基本地質(zhì)特征均做過研究，但對含煤地層的構(gòu)造控煤、沉積環(huán)境、聚煤規(guī)律的研究工作相對較少，特別是區(qū)塊內(nèi)主要含煤地層大煤溝組、小煤溝組的煤層賦存情況尚不明確。區(qū)塊內(nèi)鉆孔見煤情況差異較大，對該地區(qū)聚煤規(guī)律等研究還需進一步深化。針對研究區(qū)構(gòu)造特征、聚煤規(guī)律及煤層分布規(guī)律等方面研究的薄弱性問題，筆者通過對研究區(qū)野外剖面及鉆孔巖心的精細觀察、描述及編錄工作，開展含煤地層特征、聚煤環(huán)境、構(gòu)造特征及控煤因素研究，明確了北大灘地區(qū)沉積期的聚煤環(huán)境和沉積前后構(gòu)造作用對煤層賦存的控制作用，為進一步開展煤炭勘探提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

柴達木盆地位于青海省西北部，是我國主要的含煤盆地之一。盆地略呈三角形，南臨東昆侖山，西北以阿爾金山為界，東北以祁連山為界，盆地面積遼闊，邊界被斷裂控制[2,6-11]。北大灘地區(qū)位于柴達木盆地東部，東起于牦牛山煤礦東部，西至北大灘。東西長約68 km，南北寬約22 km，面積約1 492 km2[2](圖1)。

圖1 柴達木盆地構(gòu)造略圖(據(jù)文獻[7]，修改)

大地構(gòu)造上，柴北緣位于祁連山褶皺帶與柴達木地塊之間的一條凹陷帶內(nèi)[12]，走向北西，大體上由魚卡—大柴旦—全吉—德令哈諸盆地以及柴達木地塊綠梁山—錫鐵山—埃姆尼克—扎布薩尕秀山形成的隆起帶組成[2]。德令哈盆地的南緣就是北大灘地區(qū)侏羅紀含煤盆地，其侏羅紀地層向東延伸至烏蘭，又位于烏蘭煤田的西南部。北大灘地區(qū)的大地構(gòu)造應(yīng)力主要為北東—南西向的擠壓力，在長期擠壓作用下，研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為北西向的斷裂、隆起和凹陷。北大灘及鄰區(qū)構(gòu)造較發(fā)育，向斜主要為北大灘向斜、東大溝向斜以及牦牛山向斜，背斜主要為陶力山背斜和巴音山背斜，其中北大灘向斜和牦牛山向斜為侏羅紀含煤凹陷區(qū)，巴音山背斜南部為石炭紀含煤裸露區(qū)。

2 含煤地層及含煤性

通過研究區(qū)周邊野外露頭觀察及區(qū)內(nèi)鉆孔含煤地層對比分析，研究區(qū)主要含煤地層為中侏羅統(tǒng)石門溝組(圖2)，石門溝組含煤地層超覆沉積于石炭系不整合面之上，缺失下侏羅統(tǒng)及中侏羅統(tǒng)大煤溝組，與上覆上侏羅統(tǒng)采石嶺組呈整合接觸。受凹凸不平的古隆起控制，石門溝組沉積厚度不一，具體表現(xiàn)為在相對隆起區(qū)沉積厚度?。辉谙鄬ν菹輩^(qū)，沉積厚度大。石門溝組巖性主要為油頁巖、灰黑色的泥巖夾煤以及灰綠色砂巖，其特征是煤層薄且厚度不穩(wěn)定，頂?shù)装宄Ｒ娭参锘?，該組地層平均厚度約190 m。

圖2 北大灘地區(qū)地層分布圖

石門溝組在北大灘和牦牛山一帶出露，從上至下發(fā)育了3套煤層(M3、M4、M5)。據(jù)北大灘旺尕秀TC10探槽顯示，M3煤層厚1.50~2.00 m、M4煤層厚5.40~7.80 m、M5煤層厚8.00~11.20 m；其中，M3煤層不穩(wěn)定，厚度變化較大，M4、M5煤層較穩(wěn)定，厚度一般在2 m左右。在北大灘向斜北翼地區(qū)施工的ZK1號鉆孔M3煤層厚0.42 m、M4煤層厚6.84 m、M5煤層厚10.21 m，M4、M5煤層可采。另外研究區(qū)ZK0-3、ZK0-4號鉆孔、TC01探槽均鉆遇煤層，表明研究區(qū)煤層發(fā)育良好。

3 聚煤環(huán)境

研究區(qū)發(fā)育的M3、M4和M5煤層主要是在扇三角洲平原分流河道間的泥炭沼澤與濱湖沼澤中形成的。煤層橫向發(fā)育特征表明，除受沉積前構(gòu)造格局和后期構(gòu)造改造影響之外，還受沉積相帶的分布規(guī)律和不同相帶的聚煤規(guī)律控制[13]。

3.1 扇三角洲平原泥炭沼澤

通過野外剖面觀察、鉆孔資料分析，扇三角洲可劃分為扇三角洲平原以及扇三角洲前緣兩個部分[14]。扇三角洲平原可以進一步劃分為辮狀河道、河道間及泛濫平原3個微相；扇三角洲前緣又可進一步劃分為前緣席狀砂、河口壩、水下分流河道、分流間灣等微相[15]，其中，河口壩、辮狀河道和水下分流河道因沉積時水動力條件強，碎屑物質(zhì)含量高，極大地影響了植物生長和成煤物質(zhì)富集[16]，為不利的聚煤環(huán)境。

在扇三角洲平原中，最重要的聚煤環(huán)境為河道間和河道外側(cè)的泛濫平原，其垂向上可聚集形成厚度較大的煤層。研究區(qū)ZK1鉆孔即為該類聚煤環(huán)境(圖3)。

ZK1鉆孔石門溝組垂向上發(fā)育3套煤層，煤層具有向上變薄的特征。第一套煤層M5最厚(10.21 m)，煤層上下頂?shù)装寰鶠楹穸容^大的泥巖，為兩次規(guī)模較大的洪泛沉積。煤層沉積前的洪泛泥巖沉積層為成煤植物的生長、發(fā)育帶來了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)及成煤物質(zhì)。洪泛間歇期氣候濕潤，植物大量生長，成煤物質(zhì)廣泛聚集；此后，洪水再次泛濫，在平原成煤植物之上沉積了一套厚層泥巖，成煤植物被上覆厚層泥巖覆蓋，得以很好保存，進入成煤期。第二套煤層M4厚度6.84 m，其上下分別與泥質(zhì)粉砂巖和泥巖接觸，煤層之下的洪泛平原以灰黑色泥巖沉積為特征，有利于成煤植物生長，此后洪水泛濫，在成煤植物之上沉積決口扇微相的泥質(zhì)粉砂巖，該時期較第一成煤期可容納空間變小，成煤物質(zhì)相對較少，M4煤層厚度小于M5。第三套煤層M3的厚度最小，僅0.42 m，其上下分別與薄層泥巖和泥質(zhì)粉砂巖接觸，該期成煤植物主要發(fā)育在決口扇的泥質(zhì)粉砂巖之上，成煤植物的營養(yǎng)物質(zhì)相對變差，成煤植物生長時間短，且受決口扇的沖刷作用，成煤物質(zhì)保存較差。由以上分析可知，ZK1鉆孔石門溝組中發(fā)育的3套煤層雖然均為扇三角洲平原的泛濫平原泥炭沼澤聚煤環(huán)境，但由于煤層頂?shù)装鍘r層沉積環(huán)境、成煤時間、可容納空間的差異，造成在垂向上3個煤層厚度差異大。

圖3 北大灘地區(qū)ZK1鉆孔石門溝組扇三角洲沉積相特征

平面上，扇三角洲平原分流河道主體以下切侵蝕作用為主，河道的側(cè)向遷移不強，而且扇三角洲受控于物源區(qū)，因此，扇三角洲平原上的煤層厚度較大，但橫向延伸不遠。

3.2 濱湖聚煤環(huán)境

研究區(qū)石門溝組湖泊沉積相主要為濱湖、淺湖和半深–深湖沉積(圖4)。其中淺湖和半深–深湖亞相所處位置水體較深，成煤植物不發(fā)育，為不利的原地成煤環(huán)境。但是在洪水泛濫期，河道中大量的植物樹干沖入半深–深湖地區(qū)沉積下來，在還原環(huán)境下，逐漸腐爛成煤。形成的煤層較薄且橫向延伸不遠，不具開采價值。

在湖泊中，濱湖帶為主要聚煤環(huán)境，其微相主要發(fā)育濱湖砂壩和濱湖泥，由于濱湖砂壩是砂質(zhì)沉積且水動力條件較強，不利于植物生長。但是在湖泊發(fā)育的某個時期，由于淤泥大量沉積，濱湖地帶形成極淺水區(qū)，在潮濕條件下木本植物大量生長，與此同時，河道中搬運來大量成煤物質(zhì)，在還原條件下經(jīng)腐爛、壓實形成煤層。

研究區(qū)內(nèi)旺尕秀地區(qū)TC10探槽M3煤層厚2.00 m、M4煤層厚1.40 m、M5煤層厚1.20 m，上述煤層均為濱湖沼澤聚煤環(huán)境，該類煤層由于受可容納空間及湖平面頻繁升降變化的控制，煤層厚度較扇三角洲平原泥炭沼澤的煤層薄[17-18]，但濱湖環(huán)境中發(fā)育的煤層往往可沿著濱湖帶展布，橫向分布穩(wěn)定，延伸較遠。研究區(qū)ZK0-3鉆孔中煤層也為濱湖沼澤聚煤環(huán)境，該套煤層厚度為12.34 m，底板為濱湖砂壩的細砂巖和粉砂巖，頂板為濱湖相的深灰色泥巖(圖5)。

圖4 北大灘地區(qū)石門溝組沉積期沉積相圖

綜上所述，北大灘地區(qū)石門溝組主要聚煤環(huán)境為扇三角洲平原和濱湖兩種：扇三角洲平原分流河道的低洼地帶和分流河道外側(cè)為扇三角洲主要的聚煤環(huán)境，大量成煤物質(zhì)在河流的搬運作用下富集在洼地和岸后形成煤層；而濱湖聚煤環(huán)境往往呈帶狀沿湖岸線分布。

4 構(gòu)造特征及其控煤作用

4.1 構(gòu)造特征

北大灘及鄰區(qū)構(gòu)造調(diào)查區(qū)向斜和背斜發(fā)育，向斜主要為北大灘向斜、東大溝向斜及牦牛山向斜，背斜主要為陶力山背斜和巴音山背斜，其中北大灘向斜和牦牛山向斜為侏羅紀含煤凹陷區(qū)，巴音山背斜南部為石炭紀含煤裸露區(qū)。根據(jù)填圖、電法綜合解釋成果及二維地震成果，調(diào)查區(qū)含煤地層主要受F1—F9斷層控制，其中北大灘向斜南北兩側(cè)分別受5條逆沖斷層控制[19](圖6)。

4.1.1 北大灘向斜

北大灘向斜總體走向大致為NW向，東西長約20 km，南北寬約10 km?；诪槭肯瞪辖y(tǒng)克魯克組(C2)及下統(tǒng)懷頭他拉組(C1)灰?guī)r，上覆地層為侏羅系、白堊系、新近系以及第四系。地表露頭和ZK2井揭示的地層顯示，該向斜內(nèi)部缺失石炭系上統(tǒng)扎布薩尕秀組(C2)和中侏羅統(tǒng)大煤溝組(J2)。通過地表露頭踏勘，向斜北翼發(fā)育兩條逆沖斷層(F1和F2)，在艾斯格勒山前發(fā)育F3斷層，逆沖斷層的上盤為上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)，逆沖向上成為高山，下盤為中侏羅統(tǒng)石門溝組(J2)，并且該下盤的位置為背斜構(gòu)造，背斜北翼為石門溝組，地層北傾，核部為上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)，背斜南翼也為石門溝組(J2)，地層南傾。北大灘向斜的南翼受南部逆沖斷層的控制，地表出露石炭紀地層。北大灘向斜兩翼地層傾角一般約40°。以往物探資料顯示，北大灘地區(qū)總體為向斜形態(tài)，煤系覆蓋層等深線200~700 m，煤系底界深度為500~1 500 m。北大灘向斜北翼二維地震解釋：研究區(qū)石門溝組煤的賦存狀態(tài)總體呈北高南低、東高西低，地層走向呈NW向，地層傾角變化較大，傾角5°~25°。受兩側(cè)逆沖斷層的雙向控制，北大灘向斜是由多個小型背斜和向斜組成的復(fù)式向斜。

圖5 北大灘地區(qū)ZK0-3鉆孔石門溝組濱湖沉積相特征

圖6 北大灘及鄰區(qū)主要向、背斜剖面分布示意圖

4.1.2 北大灘地區(qū)古隆起

地表露頭、鉆井和地震資料揭示，北大灘地區(qū)的沉積基底和侏羅紀地層的發(fā)育情況存在著明顯差異，具體表現(xiàn)在紅土山的ZK2揭示了侏羅紀地層保存著上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)，石門溝組不整合覆蓋在克魯克組上方；而在ZK1和ZK0-3井，石門溝組不整合覆蓋在下石炭統(tǒng)懷頭他拉組上方，中間缺少上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)。表明侏羅系沉積基底存在著石炭系的古地形高地，在該高地上，石炭系遭受風(fēng)化剝蝕的程度較強，上石炭統(tǒng)克魯克組遭受剝蝕，只剩石炭系下統(tǒng)懷頭他拉組。中侏羅統(tǒng)沉積時期，石門溝組地層超覆在上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)地層和下統(tǒng)懷頭他拉組(C1)地層之上，形成了現(xiàn)今的中侏羅統(tǒng)石門溝組(J2)與石炭系之間的接觸關(guān)系(圖7)。

依據(jù)鉆井和地震資料及地表露頭，刻畫出上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)地層在北大灘向斜內(nèi)部的尖滅界線，即為侏羅系沉積前基底的古隆起分布區(qū)。該古隆起出露的地層為下石炭統(tǒng)懷頭他拉組(C1)，上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)地層在古隆起的頂部遭受侵蝕，在古隆起的低洼處得以保存下來。

4.2 構(gòu)造對煤層的控制作用

4.2.1 沉積前古隆起構(gòu)造

侏羅系沉積基底為石炭系地層，在ZK0-3— ZK1井一帶形成了地形相對高的古隆起，隆起區(qū)上石炭統(tǒng)克魯克組(C2)地層遭受侵蝕。中侏羅統(tǒng)石門溝組沉積隨著湖盆的逐漸擴張，最先超覆在克魯克組地層之上，隨著湖盆的進一步擴張，逐漸漫過古地形高地，石門溝組超覆于下石炭統(tǒng)懷頭他拉組(C1)地層之上，形成現(xiàn)今的北大灘普查區(qū)ZK0-3—ZK1井等一帶的地層接觸關(guān)系。而伴隨著石門溝組湖平面的上升，湖平面淹沒該古隆起，但其在湖平面以下仍然屬于地形高點、水體較淺的濱湖區(qū)，利于植物的生長，也有利煤層的發(fā)育(圖8)。

圖8 北大灘地區(qū)侏羅系沉積前古隆起對煤層的控制作用示意圖

4.2.2 沉積后的構(gòu)造作用

北大灘地區(qū)在晚古生代沉積以后，經(jīng)過了地層的抬升、風(fēng)化剝蝕暴露[19]，再次沉積后發(fā)生在中侏羅統(tǒng)大煤溝組和石門溝組中。侏羅系剛開始為沉降期，其沉積湖盆速率緩慢，湖平面的變化緩慢，因此北大灘地區(qū)長期處于三角洲平原和濱湖的沉積環(huán)境，期間植物大量生長繁盛，隨著長期、緩慢的構(gòu)造作用，地層下降，植物埋藏形成厚度較大的煤層。

后期構(gòu)造作用限制了煤層的分布和埋深。石門溝組成煤期后，北大灘地區(qū)在燕山運動III幕、喜馬拉雅運動和新構(gòu)造運動的疊加作用下[20-23]，發(fā)育大量褶皺和斷層，并在其疊加作用下破壞了含煤地層的連續(xù)性[18]。但北大灘逆沖斷層的發(fā)育，其上升盤整體抬升，煤層埋深變淺，降低了勘探難度。北大灘復(fù)式向斜內(nèi)次級背斜的發(fā)育，也使得含煤地層埋深變淺，有利于煤炭勘查；同時在構(gòu)造轉(zhuǎn)折地方，由于煤層具有塑性，容易在該處聚集，形成局部厚煤層(圖9)，如旺尕秀煤礦中向斜底部及背斜頂部煤層厚度相對較厚。

圖9 北大灘地區(qū)向斜構(gòu)造對煤層的控制作用示意圖

總體上，北大灘地區(qū)屬逆沖褶皺型的控煤構(gòu)造樣式[24]，斷裂和褶皺的發(fā)育影響了煤系的賦存，使得煤系賦存變得復(fù)雜，增加了后期勘探風(fēng)險。在進行本區(qū)煤炭勘查時，需正確認識北大灘地區(qū)構(gòu)造發(fā)育類型與其相互關(guān)系。

5 結(jié)論

a. 北大灘地區(qū)中侏羅統(tǒng)石門溝組主要發(fā)育扇三角洲和湖泊沉積相。研究區(qū)露頭和鉆孔揭露的巖性特征表明，扇三角洲平原泥炭沼澤和濱湖泥炭沼澤為研究區(qū)有利聚煤環(huán)境。

b. 古隆起斜坡區(qū)和古隆起頂面為石門溝組有利的成煤區(qū)，也是煤層的有利分布區(qū)。

c. 北大灘向斜南北兩翼受逆沖斷層的控制，在邊界逆沖斷層的擠壓或逆沖牽引作用下，發(fā)生褶皺變形，形成復(fù)雜的逆沖褶皺型的控煤構(gòu)造樣式。北大灘向斜內(nèi)部次級背斜和逆斷層的上盤上升，使得煤層的埋藏深度變淺，有利于后期煤炭勘查。

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Coal control factors of Middle Jurassic Shimengou Formation in Beidatan area,east part of the northern Qaidam basin

PENG Minghong1, TIAN Jingchun1, ZHANG Xiang1, CHEN Lei2, ZENG Jianqiang1, WANG Suying1

(1. Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration, Xining 810001, China)

The key of the coal exploration in Beidatan area of Qinghai Province is the coal accumulation environment in the sedimentary period and the control of coal seam occurrence by tectonic action before and after sedimentation. To identify Shimengou Formation coal controlling factors in Beidatan area, east part of the northern Qaidam basin, effectively guide the coal exploration of the coal bearing area, through field outcrops, drilling, geophysical prospecting and other geological information system, based on the analysis of coal accumulating environment and structural function of Shimengou Formation in Beidatan area, the control factors of coal were deeply discussed from coal accumulation environment, paleo-uplift, fault and syncline. Among them, the peat marshes and lakeside marshes between distributary channels in fan delta plain were favorable coal-forming environments, which controlled the transverse development and distribution of coal seams; the paleo-uplift controled the favorable coal-accumulating area and coalbed distribution area; the upper wall of the secondary anticline and reverse fault in the Beidatan syncline controlled the burial depth of coal seams. Shallow burial depth of coal seams reduced the difficulties in later coal exploration.

east part of the northern Qaidam basin; Beidatan area; Shimengou Formation; coal-accumulating environments; coal-controlling structure

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.009

1001-1986(2019)04-0054-09

2018-10-09

國家科技重大專項任務(wù)(2016ZX05046-005-001)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05046-005-001)

彭明鴻，1995年生，男，四川成都人，碩士研究生，研究方向為構(gòu)造地質(zhì)學(xué). E-mail：6957968@qq.com

彭明鴻，田景春，張翔，等. 柴北緣東部北大灘地區(qū)中侏羅統(tǒng)石門溝組控煤因素[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：54–62.

PENG Minghong，TIAN Jingchun，ZHANG Xiang，et al. Coal control factors of middle Jurassic Shimengou Formation in Beidatan area, east part of the northern Qaidam basin[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：54–62.

(責(zé)任編輯 范章群)