延川南地区山西组和太原组煤与夹矸有机质差异
李小越，龚 月
(中国石油化工股份有限公司华东油气分公司勘探开发研究院，南京 210094)
煤系烃源岩是我国的重要的含气烃源岩，沉积环境为过渡环境，因此在我国的煤系地层中常见夹矸。前人对于夹矸的研究大多集中在矿物学特征、测井曲线、微量元素或开采条件等方面，而对煤和夹矸中有机质母质来源研究较少。该文在沉积相的基础上结合显微镜下有机质鉴定和镜质体反射率测试明确煤和夹矸的有机质来源。
延川南地区位于晋西挠曲带和陕北斜坡的结合部，构造平缓，构成稳定。受印支、燕山和喜山三期断裂活动的影响，断裂活动早期始于晚三叠世，早印支运动形成了区内构造的雏形，主要活动期在燕山期。研究区北东向构造展布是在燕山期形成并且受其控制，喜山期时期只是对前期形成的构造进行了改造，程度较弱，只在研究区块东南部有改造痕迹，三期构造形成了如今的构造展布格局。延川南地区的2个主要含煤层系分别是石炭统—下二叠统太原组(C2-P1t)和下二叠统山西组(P1s)。太原组煤层含煤5～8层，中部有3层生物碎屑灰岩，整体厚度约为60 m；
山西组煤层含煤4～5层，上部有1～2层不稳定薄煤层，下部有2～3层煤层，整体厚度约为45 m。
晚石炭世本溪期，由于地台连续下沉，导致华北海水沿NNE方向侵入，从而形成受限陆表海。晚期，此陆表海和西部海域北部相连，从而整体展现出广覆式填平补齐的现象，主要形成泻湖-潮坪充填。晚石炭世末期，由于北方的西伯利亚板块向南挤压，进而导致鄂尔多斯地区在内的华北地台区域构造格局北升南降，由南隆北倾转为北隆南倾[1]。在这段构造转型期，海平面上升过程中泥炭沼泽发育，形成了规模大、分布广、区域稳定的主煤层，即10号煤层。
二叠世早期，华北海水转而改由南东方向侵入，在晚石炭世填平补齐的基础上，陆表海扩张并与西部祁连海连通，形成的连片潮下碳酸盐岩规模较大，并且在漫长的海水后退过程中形成障壁砂坝及浅水三角洲沉积，最终形成潮坪和泥炭沼泽相。此外，受控于潮汐，海平面一再升降，从而形成海相石灰岩和粗碎屑岩混合的含煤沉积组合。从山西期开始，由于北部伊盟隆起且物源区也明显抬升，导致海水逐渐南退，此时鄂尔多斯地区的充填沉积物以陆相沉积为主，只有东南部仍处在残留海的演化阶段。直至石盒子期，全面海退，研究区就完全进入陆相沉积发展时期，至晚二叠世石千峰期完全转化为内陆湖盆沉积，形成红色沉积建造[2-3]。
2.1 取样与实验方法
为了更加客观的对比分析研究区内煤和夹矸中的有机质，采集时将同一口井中样品的选择深度定在100 m以内；
取样范围是研究区中21口井的煤岩样品以及其中3口井的泥岩样品。镜下实验均通过蔡司显微镜Imager.A2m测试,实验条件为油浸反射光下放大500倍,测试内容包括镜质体反射率测定以及显微组分镜下观测。测量前校准选择4种标样,即Yttriumc-Aluminiumc-Garnet(Ro=0.90%)、钆镓石榴石(Ro=1.72%)、立方氧化锆(Ro=3.17%)和钻石(Ro=5.41%)。对于每个煤岩样品,至少选择100个镜质体进行随机反射测量；
对于每个泥岩样品,至少选择30个镜质体进行30次随机反射测量，以保证结果的准确性。
2.2 有机质成熟度
表1为延川南地区泥岩有机质成熟度测试结果。由延川南地区Y21井煤岩有机质成熟度测试结果可知，延川南地区2号煤的反射率测值为1.99%～2.94%，10号煤的反射率测值为2.03%～2.56%。研究区内煤岩有机质成熟度普遍较高。通过对Y3井、Y5井和Y21井中泥岩有机质成熟度测试可知，与2号煤同属于山西组的泥岩反射率为1.91%～2.52%，与10号煤同属于太原组的泥岩反射率为1.89%～2.56%。选择深度100 m以内的煤岩样品和泥岩样品进行反射率值比对，Y21井中山西组和太原组的煤岩样品反射率远高于泥岩；
Y3井中山西组的煤岩样品反射率略高于泥岩，而太原组煤岩和泥岩样品的反射率值则近似相等。煤岩反射率与泥岩反射率对比如图1所示。由于100 m的平均地温梯度为3 ℃，对于镜质体而言其反射率梯度应该是100 m差0.04%。根据表1和图1的测试结果可以看出，Y21井山西组、太原组和Y3井山西组中的煤岩与泥岩的有机质成熟度差值要远超过应有的反射率梯度。由此可见对于延川南地区相同井深范围的煤岩有机质成熟度要大于等于泥岩的有机质成熟度。为进一步分析产生这种差值的原因，首先排除了人员测量误差和镜下测量选点差异，其次两者的古埋深和当时所受的古地温相同，所以可以排除受热因素导致的反射率测值不同。因此导致煤岩的成熟度较大的原因可能是生成煤岩和泥岩的有机质母源不同，从而使得生成的镜质体在镜下反射出不同的光学强度。
表1 延川南地区泥岩有机质成熟度测试结果Table 1 Test results of mudstone organic matter maturity in Yanchuannan Area
图1 煤岩反射率与泥岩反射率对比图Fig.1 Comparison of coal rock reflectivity and mudstone reflectivity
图2 延川南区样品中显微组分(500倍油浸反射光)Fig.2 Macerals in samples from Yanchuannan Area(500 times the reflected light of oil immersion)
2.3 镜下鉴定
烃源岩中有机质类型的不同决定了烃源岩的生烃能力以及产物组成，因而其对地质勘探意义重大[4-5]。为真实分析延川南地区煤和夹矸有机质差异，对研究区的样品进行镜下观测拍照。煤中三大有机质组分分别是镜质组、惰质组和壳质组，煤的成熟度是通过测量煤中均质镜质体的反射率得到的。镜质体是高等植物的木质纤维素经过凝胶化作用形成的，在比较还原环境下进行的一种生物化学反应，是构成煤的有机质的主要组分，在镜下观测颗粒较大，呈均一状，偶见与黏土矿物或黄铁矿共存。
根据行业标准，在测试泥岩中镜质体反射率时，其测定对象可以选择均质镜质体、基质镜质体、均匀凝胶体以及充分分解腐木质体，如图2所示。通过对延川南地区夹矸中镜质体测定可以发现，该地区夹矸成熟度常见测定对象为：均质镜质体，无细胞结构，呈宽窄不一的条带状或透镜状(如图2d和图2f所示)；
基质镜质体，无细胞结构，无固定形态，质地不一，呈均匀或不均匀状，胶结其他显微组分和矿物(如图2h、图2j和图2l所示)；
均匀凝胶体，均一致密且有干裂纹(如图2b所示)。从图2中可以看出，煤岩的各个显微组分之间界限分明，且各
种显微组分特征明确，很容易辨其母质来源。而泥岩中的显微组分个体较小，特征不明确，油浸反射光下均呈深灰色至浅灰色，无明显突起和颜色灰度变化。形成镜质体的成分以藻类为主，高等植物较少。泥岩中的镜质体无明显细胞结构等特征，对比煤岩中的镜质体，其边缘糊化，呈锯齿状，没有清晰的界限。在相同的光强下，泥岩中的镜质体较煤岩中的暗沉，导致其反射率测值较低。
在显微镜下可以直观地看出形成煤岩和夹矸镜质体的母源差异，不同于煤岩全是由高等植物形成的，夹矸中的镜质体以藻类为主，高等植物较少。Y21井中夹矸的有机质母源基本都是藻类，Y3井中夹矸的有机质母源大部分为藻类，少部分是高等植物。导致Y21井中山西组和太原组的煤岩反射率远高于泥岩，而Y3井由于母源有高等植物，其山西组的煤岩与泥岩反射率值略有差异，太原组近似相等。所以煤岩和泥岩的有机质反射率的差值的大小取决于泥岩有机质母源中高等植物占比。
烃源岩的沉积环境不同也会导致其有机质类型有较大区别，因此应结合研究区内煤和夹矸有机质类型与沉积环境资料，综合分析夹矸反射率值低于煤岩的原因。结合前人的研究资料可知，在研究区太原组—山西组共识别出碳酸盐潮坪、障壁砂坝—泻湖和浅水三角洲3种沉积相、6种亚相和10种微相类型。将太原组自10号煤层底至北岔沟砂岩底划分为太2段、太1段2个小层，太2段是指10号煤层底至斜道灰岩底之间的1套岩层，太1段是指斜道灰岩底至北岔沟砂岩底之间的1套岩层；
将山西组自北岔沟砂岩底至骆驼脖子砂岩底共划分为山23段、山22段、山21段和山1段4个小层，山23段是指北岔沟砂岩底至2号煤层顶板之间的1套岩层，山22段从2号煤层顶至1号煤层顶，山1段从04煤线顶到骆驼脖子砂岩底[6-8]。
对于同井段具有泥岩和煤岩的3口井，Y3井和Y21井位于研究区的西区，Y5井位于研究区的中区。结合取样深度和分层深度的比对，太原组的夹矸取自太2段，山西组的夹矸取自山23段。
太2段水介质条件自北西向南东方向渐趋于咸化，反映沉积环境由障壁-泻湖向碳酸盐潮坪环境演变。太2段沉积期，研究区发育以碳酸盐潮坪-障壁砂坝-泻湖为主体的古地理格局。碳酸盐潮坪呈北西-南东向展布，整体呈枝杈状。此时Y3井属于潮坪相，Y5井和Y21井属于碳酸盐潮坪相。潮汐作用是潮坪主要的水动力条件，含少量的植物化石碎片，植物根化石发育。碳酸盐潮坪相主要形成于潮下-潮间环境，属陆源碎屑影响的缓坡型陆表海清水-浑水混合沉积模式，由于水体隔绝导致缺乏高等植物的输入。结合前述反射率测试以及镜下组分鉴定结果可以看出(见表1和图2)，太原组中Y3井的10号煤与夹矸反射率值近似相等，是因为Y3井中形成镜质体的有机质来源中有部分植物碎片(有机质组分较大，镜质体上可隐约看到植物结构)，所以两者反射率近似相等；
而Y21井和Y5井由于沉积相的控制没有高等植物输入[9]，形成镜质体的有机质成分以浮游生物和藻类为主，因此Y21井和Y5井的夹矸反射率值较10号煤低。
山23段沉积期主要为三角洲前缘沉积。整个地区因沉积基底下降，沉积物供给不同等因素控制，从而形成了不同时期沉积相组合类型，以及区域沉积格局的相应变化。北部物源区抬升，构造活动显著，区域上形成了以三角洲相沉积为主的岩相古地理格局[10]。Y21井和Y5井为分流间湾与泥炭沼泽沉积，Y3井为水下分流河道与泥炭沼泽沉积。水下分流河道属于该沉积环境的骨架部分，其作为河水及其所携带的沉积物的主要运移通道，常对下伏地层造成冲刷。由于三角洲前缘的沉积物输入量是瞬时甚至是突发性的，从而导致该区域的沉积物由于流水的作用很少存在高等植物[11-15]。镜下显微组分观测可以看出，Y3井中常见粗枝藻类碎片(如图3所示)，叶体呈圆柱状或棒状，整体可以分为钙化较弱的内部和钙化较强的皮层，中央茎在顶部有收缩，侧枝与中央茎基本垂直，横截面为圆形，并有少量基质镜质体(见图2)；
Y5井中常见叶状藻碎片(如图4所示)，似叶片状，有明显的层状结构，垂直层面叠层生长[16-18]。由此可以得出，Y3井中形成镜质体的有机质来源有少部分植物碎片(有机质组分较大，镜质体上可隐约看到植物结构)，大部分以藻类为主，所以山西组反射率略小于2号煤的反射率。而Y21井和Y5井由于沉积相的控制没有高等植物输入，形成镜质体的有机质成分以浮游生物和藻类为主，因此反射率值较2号煤低。综上可以得出，同时期高等植物形成的有机质反射率值要高于浮游生物和藻类为主形成的镜质体。
图3 粗枝藻类碎片(Y3井)Fig.3 Fragments of coarse branch algae(well Y3)
图4 叶状藻碎片(Y5井)Fig.4 Fragments of phylloid(well Y5)
1)延川南地区煤岩有机质成熟度要略高于夹矸。
2)延川南地区夹矸中镜质体测定对象常见均质镜质体、基质镜质体和均匀凝胶体3种。
3)太2段Y3井属于潮坪相，Y5井和Y21井属于碳酸盐潮坪相；
山23段Y21井和Y5井为分流间湾与泥炭沼泽沉积，Y3井为水下分流河道与泥炭沼泽沉积。
4)煤岩的有机质成熟度较夹矸高，是由于夹矸沉积相的控制没有高等植物输入，形成镜质体的有机质成分以浮游生物和藻类为主，因此反射率值较2号煤低。同时期高等植物形成的有机质反射率值要高于浮游生物和藻类为主形成的镜质体。
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