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摘 要：吐哈盆地南缘大南湖煤田具有丰富的煤炭资源，但以往对沉积环境及聚煤规律的认识不够完善，制约了煤层的综合开采。本研究基于钻孔与剖面露头资料对大南湖煤田含煤岩系沉积特征、岩相古地理及聚煤规律进行分析。大南湖煤田主要含煤地层为西山窑组中段，包括砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤5种岩石类型，可划分出15种岩相类型。大南湖煤田在中侏罗世早期从东北至西南方向依次发育冲积扇、河流冲积平原、河流三角洲和浅湖沉积，聚煤作用受构造沉降和物源供給的共同控制，在三角洲间湾和泛滥平原环境中最为发育。
关键词：吐哈盆地;大南湖煤田;西山窑组中段;沉积环境;聚煤规律
吐哈盆地蕴含着丰富的油气与煤炭资源[1-2]，是我国西北地区重要的能源盆地。中侏罗统西山窑组是煤炭主要赋存层位[3]，记录了聚煤期吐哈盆地的沉积演化和古气候变化[3-5]，已成为西北陆相盆地沉积演化与能源地质学的热点地区[6-8]。吐哈盆地大南湖煤田在煤层对比、地球物理勘探、煤层气地质等方面取得诸多进展[9-15]，但针对大南湖煤田沉积环境和聚煤规律仍有待进一步完善[16]，包括定量岩相古地理和聚煤控制因素。本次基于大南湖煤田西区的钻孔与测井资料，分析聚煤沉积环境，重建定量岩相古地理，提出西山窑组中段煤层发育的控制因素，为下一步煤炭资源的地质勘探和生产开发提供理论基础。
1 地质背景
大南湖煤田位于吐鲁番-哈密盆地南缘，区域构造上属于吐哈盆地的大南湖浅凹陷中，北邻依沙尔湖隆起带，南依F1断层及觉罗塔格复背斜。地层发育受区域构造演化的控制，燕山晚期羌塘地块碰撞挤压作用使得侏罗系中上部遭受剥蚀，喜山期哈尔里克山西南方向挤压与南缘山系阻滞作用，形成一系列NE向延伸的断裂与褶皱构造（图1）[17-20]。
区域出露地层主要为中侏罗统西山窑组与头屯河组，及少量新近系与第四系（图1）。主要含煤地层为中侏罗统西山窑组中段，总厚380～680 m，岩性主要为陆相碎屑岩与煤层，煤层总厚36.5～143.4 m，平均厚度93.2 m，含煤系数19%，发育可采煤层24层[9， 10]。
大南湖浅凹陷在早侏罗世晚期开始大幅沉降，来自北部物源区的碎屑物在南部湖泊充填堆积，盆地内广泛湖侵，泥碳沼泽未广泛发育。西山窑早期，盆地内沉降幅度仍较强，填平补齐作用使得地势平缓，湖水变浅，湖侵范围增大，湖泊周缘扇三角洲退积，煤层在部分扇三角洲平原中发育。西山窑中期随着滨岸线向南推进，形成冲积扇-冲积平原-三角洲-湖泊沉积体系，此时构造沉降与湖平面变化长期保持稳定，泥炭沼泽持续稳定发育，形成广泛发育的特厚煤层。西山窑晚期湖盆持续沉降，湖侵作用使得聚煤作用逐渐终止[21-23]。
2 西山窑组中段沉积特征及沉积环境
基于研究区钻孔岩心的观察描述，西山窑组中段可识别出砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩与煤5种岩石类型，结合岩石成分、结构与构造特征，可进一步划分出15种岩相类型（表1）。据岩相类型的垂向序列组合及空间分布特征，西山窑组中段沉积环境可归纳为冲积扇、河流、三角洲与湖泊沉积体系（图2）。
冲积扇沉积位于研究区西北部，邻近物源区，可划分为扇根相、扇中相、扇缘相。沉积序列底部多为分选、磨圆较差的杂基支撑砾岩，冲刷面发育，为以泥石流沉积为主的扇根相。沉积序列向上过渡为颗粒支撑砾岩与砂岩，单层厚度减小，砾石具叠瓦状排列构造，砂岩中可见槽状交错层理与平行层理，偶见树干化石，为以辫状河道沉积为主的扇中相。沉积序列上部为席状砂岩与泥岩沉积，发育水平层理与块状层理，指示水体能量较低的重力流沉积，为以片流沉积为主、地形相对平缓的扇缘相（图2-A）。
河流冲积平原沉积发育于研究区东部，据河道类型可分为辫状河与曲流河冲积平原，可划分为河道滞留、河道边滩、岸后湖泊、河漫沼泽、河漫滩（辫状河）、天然堤与决口扇（曲流河）沉积相。沉积序列底部一般为含砾粗砂岩，冲刷面发育，树干化石与砾石定向排列，为河道滞留沉积。沉积序列向上过渡为中厚层中-细砂岩，发育槽状与板状交错层理，为河道边滩沉积。辫状河道砂体相互叠置切割，曲流河道砂体叠置程度相对较低。沉积序列上部为薄层粉砂岩、泥岩与煤层，发育沙纹层理与水平层理，为河漫滩（天然堤与决口扇）与泛滥平原（岸后湖泊与河漫沼泽）沉积（图2-B）。
三角洲沉积发育于研究区中西部，可分为三角洲平原与三角洲前缘相，前三角洲相过渡为滨浅湖沉积。三角洲平原可分为分流河道、分流间湾、天然堤、决口扇与间湾沼泽，三角洲前缘可分为河口坝与远砂坝。沉积序列下部主要为向上变粗的泥岩、粉砂岩与细砂岩，可见植物叶片化石，下部具沙纹层理与水平层理的泥质-粉砂质沉积为远砂坝，上部具块状层理、沙纹层理的砂质沉积为河口坝。沉积序列上部为向上变细的砂岩、粉砂岩、泥岩，与煤互层，泥质沉积多被上覆砂质沉积冲刷侵蚀，砂质沉积自下向上粒度与构造规模均有变小趋势。交错层理砂岩为三角洲平原分流河道，沙纹层理砂岩、水平层理粉砂岩及泥岩互层为天然堤与分流间湾，间湾沼泽中煤层多夹于泥质沉积或被分流河道砂体侵蚀（图2-C）。
湖泊沉积发育于研究区西南部，主要为泥岩、粉砂岩与煤，可分为滨湖沉积与浅湖沉积。滨湖沉积为发育水平层理和沙纹层理的粉砂质沉积、泥质沉积与煤层互层，可见菱铁矿结核与植物叶片化石。浅湖沉积主要为厚层泥质沉积，单层厚度可超过10 m，水平层理与生物扰动构造发育（图2-D）。
3 西山窑组中段岩相 古地理
研究区西山窑组中段地层厚150～750 m，除去露天开采区地层缺失的影响，地层总厚度为380 ～750 m，平均约530 m。地层厚度整体自北向南逐渐增加，最厚处位于三矿区西南部，可超过600 m，其次为二矿区东南部，可超过500 m。地层厚度分布表明，沉降幅度整体上自北向南逐渐增大，最大处位于三矿区西南部，其次为一矿区南部（图3-A）。 砾岩厚度为0～101 m，平均约10.5 m，由于砾岩分布于含煤地层中下部，砾岩厚度等值线图未受露头开采影响。砾岩厚度整体上自北东向西南逐渐增加，研究区东部砾岩厚度较大，普遍超过10 m，西北部最厚可达60 m以上;研究区西部砾岩不发育，厚度普遍未超过5 m。砾岩分布表明，沉积供给来自北部与东部两个方向，一矿区南部较大的沉降幅度提供了充足的可容空间，阻碍砾质碎屑继续向西南方向搬运（图3-A，B）。
粗粒沉积（砂岩+礫岩）厚0～350 m，平均120.4 m，除去露天开采区影响，厚约80 ～300 m，整体从东向西逐渐增加。一矿区东北部粗粒沉积厚度最大，超过300 m，三矿区西南厚度较薄，为80 ～100 m。粗粒沉积分布反映碎屑供给来自东北物源区，碎屑沉积主要堆积在研究区西部，表现为三角洲沉积，或堆积在研究区南部，表现为河流冲积平原沉积（图3-B）。
砂泥比范围为0.01～4.75，平均为0.75，整体具北东向西南降低的趋势。砂泥比在一矿区最高，为0.25～2.9，自北东向西南降低;其次为二矿区，一般为0.25～1.2，仅西部小于0.25，由东向西逐渐降低;三矿区最低，西南部普遍小于0.25（图3-C）。粗粒沉积含量为1%～70%，整体自北东向西南逐渐降低，最大值位于一矿区东北部，三处极大值分别位于二矿区东部、三矿区东北部与东部（图3-A）。煤层厚度范围为15 ～158 m，平均70 m，除去露天开采影响，厚度范围为50 ～158 m，平均80 m。煤厚最大处位于一矿区西部至3个矿区交界处，煤厚普遍超过80 m，向四周逐渐减薄至50 m（图3-D）。
砂泥比与粗粒沉积含量平面分布特征反映沉积供给来自研究区东北部的近源冲积扇与东部远源冲积体系，三角洲砂体分布于二、三矿区东部与东北部，冲积扇与三角洲砂体之间广泛发育河流冲积平原，缺乏沉积供给的研究区西部及西南部为湖泊环境（图3，图4）。
4 聚煤作用控制因素
大南湖煤田中侏罗世处于温暖潮湿的气候条件，成煤植物繁茂生长[21]，聚煤作用受到构造沉降与物源供给的综合影响，在扇缘、泛滥平原、三角洲间湾及滨湖环境中广泛发育。
煤层厚度取决于可容空间增长速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡状态[24]，而可容空间增长速率则受到构造沉降与沉积供给的综合控制。西山窑中期地势平缓，大南湖浅凹陷处于均衡充填状态，地层厚度能够较好地反映构造沉降幅度，而沉积供给可通过粗粒碎屑含量反映[1， 23]。对比煤层厚度、地层厚度与粗粒沉积含量及砂泥比的空间分布关系可知（图4），地层厚度在400 ～500 m时，煤层厚度普遍可达80 m以上，这反映构造沉降为聚煤作用的一级控制因素;当地层厚度为410～430 m且砂砾岩含量在介于18%～38% 时，煤层厚度可达140 m 以上，反映了最有利聚煤作用的构造沉降-物源供给组合条件;当地层厚度大于500 m且砂泥比介于0.5～1.5时，煤厚一般大于80 m，个别情况下可能小于40 m，表明砂泥比所指示的沉积环境因素及砂砾岩所指示的物源供给为聚煤作用的二级控制因素。
5 结论
（1） 大南湖煤田西山窑组中段包括砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤5种岩石类型，可划分出15种岩相类型。西山窑组中期自东北向西南依次发育冲积扇、河流冲积平原、三角洲与湖泊沉积体系。
（2） 聚煤作用受到构造沉降与沉积供给或沉积环境的双重控制，中等构造沉降条件最适宜于泥炭聚集，沉积供给强度适中的扇缘、泛滥平原、分流间湾及滨湖环境均可发生聚煤作用，以构造沉降强度适中的河流冲积平原与三角洲平原过渡地带聚煤作用最强。
参考文献
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关键词：吐哈盆地;大南湖煤田;西山窑组中段;沉积环境;聚煤规律
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1 地质背景
大南湖煤田位于吐鲁番-哈密盆地南缘，区域构造上属于吐哈盆地的大南湖浅凹陷中，北邻依沙尔湖隆起带，南依F1断层及觉罗塔格复背斜。地层发育受区域构造演化的控制，燕山晚期羌塘地块碰撞挤压作用使得侏罗系中上部遭受剥蚀，喜山期哈尔里克山西南方向挤压与南缘山系阻滞作用，形成一系列NE向延伸的断裂与褶皱构造（图1）[17-20]。
区域出露地层主要为中侏罗统西山窑组与头屯河组，及少量新近系与第四系（图1）。主要含煤地层为中侏罗统西山窑组中段，总厚380～680 m，岩性主要为陆相碎屑岩与煤层，煤层总厚36.5～143.4 m，平均厚度93.2 m，含煤系数19%，发育可采煤层24层[9， 10]。
大南湖浅凹陷在早侏罗世晚期开始大幅沉降，来自北部物源区的碎屑物在南部湖泊充填堆积，盆地内广泛湖侵，泥碳沼泽未广泛发育。西山窑早期，盆地内沉降幅度仍较强，填平补齐作用使得地势平缓，湖水变浅，湖侵范围增大，湖泊周缘扇三角洲退积，煤层在部分扇三角洲平原中发育。西山窑中期随着滨岸线向南推进，形成冲积扇-冲积平原-三角洲-湖泊沉积体系，此时构造沉降与湖平面变化长期保持稳定，泥炭沼泽持续稳定发育，形成广泛发育的特厚煤层。西山窑晚期湖盆持续沉降，湖侵作用使得聚煤作用逐渐终止[21-23]。
2 西山窑组中段沉积特征及沉积环境
基于研究区钻孔岩心的观察描述，西山窑组中段可识别出砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩与煤5种岩石类型，结合岩石成分、结构与构造特征，可进一步划分出15种岩相类型（表1）。据岩相类型的垂向序列组合及空间分布特征，西山窑组中段沉积环境可归纳为冲积扇、河流、三角洲与湖泊沉积体系（图2）。
冲积扇沉积位于研究区西北部，邻近物源区，可划分为扇根相、扇中相、扇缘相。沉积序列底部多为分选、磨圆较差的杂基支撑砾岩，冲刷面发育，为以泥石流沉积为主的扇根相。沉积序列向上过渡为颗粒支撑砾岩与砂岩，单层厚度减小，砾石具叠瓦状排列构造，砂岩中可见槽状交错层理与平行层理，偶见树干化石，为以辫状河道沉积为主的扇中相。沉积序列上部为席状砂岩与泥岩沉积，发育水平层理与块状层理，指示水体能量较低的重力流沉积，为以片流沉积为主、地形相对平缓的扇缘相（图2-A）。
河流冲积平原沉积发育于研究区东部，据河道类型可分为辫状河与曲流河冲积平原，可划分为河道滞留、河道边滩、岸后湖泊、河漫沼泽、河漫滩（辫状河）、天然堤与决口扇（曲流河）沉积相。沉积序列底部一般为含砾粗砂岩，冲刷面发育，树干化石与砾石定向排列，为河道滞留沉积。沉积序列向上过渡为中厚层中-细砂岩，发育槽状与板状交错层理，为河道边滩沉积。辫状河道砂体相互叠置切割，曲流河道砂体叠置程度相对较低。沉积序列上部为薄层粉砂岩、泥岩与煤层，发育沙纹层理与水平层理，为河漫滩（天然堤与决口扇）与泛滥平原（岸后湖泊与河漫沼泽）沉积（图2-B）。
三角洲沉积发育于研究区中西部，可分为三角洲平原与三角洲前缘相，前三角洲相过渡为滨浅湖沉积。三角洲平原可分为分流河道、分流间湾、天然堤、决口扇与间湾沼泽，三角洲前缘可分为河口坝与远砂坝。沉积序列下部主要为向上变粗的泥岩、粉砂岩与细砂岩，可见植物叶片化石，下部具沙纹层理与水平层理的泥质-粉砂质沉积为远砂坝，上部具块状层理、沙纹层理的砂质沉积为河口坝。沉积序列上部为向上变细的砂岩、粉砂岩、泥岩，与煤互层，泥质沉积多被上覆砂质沉积冲刷侵蚀，砂质沉积自下向上粒度与构造规模均有变小趋势。交错层理砂岩为三角洲平原分流河道，沙纹层理砂岩、水平层理粉砂岩及泥岩互层为天然堤与分流间湾，间湾沼泽中煤层多夹于泥质沉积或被分流河道砂体侵蚀（图2-C）。
湖泊沉积发育于研究区西南部，主要为泥岩、粉砂岩与煤，可分为滨湖沉积与浅湖沉积。滨湖沉积为发育水平层理和沙纹层理的粉砂质沉积、泥质沉积与煤层互层，可见菱铁矿结核与植物叶片化石。浅湖沉积主要为厚层泥质沉积，单层厚度可超过10 m，水平层理与生物扰动构造发育（图2-D）。
3 西山窑组中段岩相 古地理
研究区西山窑组中段地层厚150～750 m，除去露天开采区地层缺失的影响，地层总厚度为380 ～750 m，平均约530 m。地层厚度整体自北向南逐渐增加，最厚处位于三矿区西南部，可超过600 m，其次为二矿区东南部，可超过500 m。地层厚度分布表明，沉降幅度整体上自北向南逐渐增大，最大处位于三矿区西南部，其次为一矿区南部（图3-A）。 砾岩厚度为0～101 m，平均约10.5 m，由于砾岩分布于含煤地层中下部，砾岩厚度等值线图未受露头开采影响。砾岩厚度整体上自北东向西南逐渐增加，研究区东部砾岩厚度较大，普遍超过10 m，西北部最厚可达60 m以上;研究区西部砾岩不发育，厚度普遍未超过5 m。砾岩分布表明，沉积供给来自北部与东部两个方向，一矿区南部较大的沉降幅度提供了充足的可容空间，阻碍砾质碎屑继续向西南方向搬运（图3-A，B）。
粗粒沉积（砂岩+礫岩）厚0～350 m，平均120.4 m，除去露天开采区影响，厚约80 ～300 m，整体从东向西逐渐增加。一矿区东北部粗粒沉积厚度最大，超过300 m，三矿区西南厚度较薄，为80 ～100 m。粗粒沉积分布反映碎屑供给来自东北物源区，碎屑沉积主要堆积在研究区西部，表现为三角洲沉积，或堆积在研究区南部，表现为河流冲积平原沉积（图3-B）。
砂泥比范围为0.01～4.75，平均为0.75，整体具北东向西南降低的趋势。砂泥比在一矿区最高，为0.25～2.9，自北东向西南降低;其次为二矿区，一般为0.25～1.2，仅西部小于0.25，由东向西逐渐降低;三矿区最低，西南部普遍小于0.25（图3-C）。粗粒沉积含量为1%～70%，整体自北东向西南逐渐降低，最大值位于一矿区东北部，三处极大值分别位于二矿区东部、三矿区东北部与东部（图3-A）。煤层厚度范围为15 ～158 m，平均70 m，除去露天开采影响，厚度范围为50 ～158 m，平均80 m。煤厚最大处位于一矿区西部至3个矿区交界处，煤厚普遍超过80 m，向四周逐渐减薄至50 m（图3-D）。
砂泥比与粗粒沉积含量平面分布特征反映沉积供给来自研究区东北部的近源冲积扇与东部远源冲积体系，三角洲砂体分布于二、三矿区东部与东北部，冲积扇与三角洲砂体之间广泛发育河流冲积平原，缺乏沉积供给的研究区西部及西南部为湖泊环境（图3，图4）。
4 聚煤作用控制因素
大南湖煤田中侏罗世处于温暖潮湿的气候条件，成煤植物繁茂生长[21]，聚煤作用受到构造沉降与物源供给的综合影响，在扇缘、泛滥平原、三角洲间湾及滨湖环境中广泛发育。
煤层厚度取决于可容空间增长速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡状态[24]，而可容空间增长速率则受到构造沉降与沉积供给的综合控制。西山窑中期地势平缓，大南湖浅凹陷处于均衡充填状态，地层厚度能够较好地反映构造沉降幅度，而沉积供给可通过粗粒碎屑含量反映[1， 23]。对比煤层厚度、地层厚度与粗粒沉积含量及砂泥比的空间分布关系可知（图4），地层厚度在400 ～500 m时，煤层厚度普遍可达80 m以上，这反映构造沉降为聚煤作用的一级控制因素;当地层厚度为410～430 m且砂砾岩含量在介于18%～38% 时，煤层厚度可达140 m 以上，反映了最有利聚煤作用的构造沉降-物源供给组合条件;当地层厚度大于500 m且砂泥比介于0.5～1.5时，煤厚一般大于80 m，个别情况下可能小于40 m，表明砂泥比所指示的沉积环境因素及砂砾岩所指示的物源供给为聚煤作用的二级控制因素。
5 结论
（1） 大南湖煤田西山窑组中段包括砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤5种岩石类型，可划分出15种岩相类型。西山窑组中期自东北向西南依次发育冲积扇、河流冲积平原、三角洲与湖泊沉积体系。
（2） 聚煤作用受到构造沉降与沉积供给或沉积环境的双重控制，中等构造沉降条件最适宜于泥炭聚集，沉积供给强度适中的扇缘、泛滥平原、分流间湾及滨湖环境均可发生聚煤作用，以构造沉降强度适中的河流冲积平原与三角洲平原过渡地带聚煤作用最强。
参考文献
[1] Shao L， Zhang P， Hilton J， et al.Paleoenvironments and paleogeography of the Lower and lower Middle Jurassic coal measures in the Turpan-Hami oil-prone coal basin， northwestern China[J]. AAPG Bulletin，2003，87（2）：335-355.
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