天津地區聚煤特征分析及勘查方向

付小錦，張長青

（1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；2.天津華北地質勘查局，天津 300170）

0 引 言

多年來，眾多石油、地礦隊伍在天津平原區開展了大量以尋找石油、地下水和地熱為目的的地質勘探工作，發現天津賦存著豐富的煤炭資源，預測埋深在2 000 m 以淺的煤炭資源總量可達350 億t。但由于埋藏深、開采難度大、臨近城區等原因，天津市的煤田地質勘探工作程度很低，僅下倉含煤區部分地段于上世紀60 年代開展過專門的煤田地質勘探，提交探明的煤炭資源儲量3.82 億t。近年來，隨著煤炭資源清潔開發利用技術的發展，特別是煤炭地下氣化以及固體資源的流態化開采等第二代采煤技術的推廣應用，使得清潔開發利用深部煤炭資源成為現實。因此，亟需開展天津地區聚煤特征研究，指導煤炭資源行之有效的勘探，以破解煤田地質勘探工作程度低與第二代采煤技術快速發展不匹配的難題。

1 區域地質特征

1.1 區域地層概述

天津地區地層發育較全，僅缺失古生界和新生界地層，由老至新分別為太古界(Ar)，中、新元古界(Pt2+3)的長城系、薊縣系和青白口系，古生界(Pz)的寒武系、奧陶系和石炭—二疊系，中生界(Mz)的侏羅系、白堊系，新生界(Kz)的古近系、新近系和第四系?；鶐r出露區面積較小，分布于薊州區北部山區。含煤地層主要為石炭—二疊系地層和侏羅系地層，埋深最淺處位于寶坻斷裂以北，約100～300 m，以南廣大平原區埋深均大于1 000 m。

1.2 區域構造概述

天津的大地構造位置為華北地臺（Ⅰ級構造單元） 北部，以橫貫東西的寧河—寶坻斷裂為界，分為北區燕山臺褶帶（Ⅱ級構造單元） 和南區華北斷坳區（Ⅱ級構造單元） （如圖1 所示）。天津地區的基巖出露區和淺埋區主要分布在北區，斷裂以EW 向為主，次要斷裂有NW 向、NE 向和NNW 向三組。寧河—寶坻斷裂以南廣大地區為平原區，自東向西劃分為黃驊坳陷（Ⅲ級構造單元）、滄縣隆起（Ⅲ級構造單元） 和冀中坳陷（Ⅲ級構造單元）三個構造單元。三個Ⅲ級構造單元之間以滄東斷裂和古近系尖滅線為界。在隆起和坳陷上發育有次一級的呈雁行式相間排列的凸起和凹陷，見表1，凸起和凹陷多以斷層或地層尖滅線為界。區內斷層主要有8 條，分為EW 向和NNE 向兩組，主要為EW 向的寶坻—寧河斷裂、漢沽斷裂和海河斷裂；NNE 向的白塘口東斷裂、白塘口斷裂、白塘口西斷裂、天津斷裂、滄東斷裂。

圖1 天津地區構造綱要圖Fig.1 Structural outline of Tianjin area

表1 天津市地質構造單元劃分表Table 1 Geological structure units division in Tianjin

2 古地理環境與含煤建造

2.1 石炭—二疊紀古地理環境與含煤建造

中奧陶世末期，華北地區受加里東運動影響，整個抬升為陸，經歷了志留紀，泥盆紀，早石炭世約1.1 億年的沉積間斷。中石炭世早期，受海西運動影響，地殼再度下沉，海水時而侵入時而退出，形成了海陸交替變化的古地理環境。

中石炭世地殼升降振蕩頻繁，海水屢進屢退，雖氣候溫暖，適宜植物生長，但每次升降間隔較短，形成的煤層厚度較小，一般不具工業意義。該時期主要沉積了一套海陸交互相的灰巖、頁巖、砂巖夾煤層，其假整合于奧陶系之上。

總之，中、晚石炭世，本區以及南至河北大城，北到河北唐山，均為海陸交互相含煤沉積并夾4～6 層灰巖，沉積中心位于唐山附近。本區主要的煤層有太原組：下部頂部含煤3 層，可采煤層1～2 層，中部一般無可采煤層；上部含最重要的煤層1～2 層。

早二疊世初期，華北地區地殼略有抬升，海水退出形成陸地，主要以陸相堆積為主，結束了海陸交互相的古地理環境。

早二疊世開始，古氣候仍然溫濕適宜，沉積主要為陸相灰黑色泥巖。粉砂巖、砂巖及煤層。隨著泥炭沼澤環境的更替，本區堆積了薄—中厚煤層共5 層左右。當時雖亦是聚煤環境，但單一相環境存在時限短，故而表現出煤層層數多，但厚度一般較薄，可采煤層較少，且厚度變化大。

早二疊世含煤地層，在區域上相當穩定，沉積中心位于河北保定至大城以西一帶，普遍含煤在3層以上，亦是區域上和本區主要的含煤建造。

至早二疊世晚期開始，古氣候變為炎熱少雨，不宜植物大量生長繁殖，因此無煤層發育，僅在局部見有少量炭質泥巖。到晚二疊世，區域上沉積了一套以紅色為主的碎屑巖堆積，表明地殼活動性增強，宣告了晚古生代聚煤環境的消失。

2.2 侏羅紀古地理環境和含煤建造

三疊紀開始由于地殼上升，本區大部分處于隆起狀態，只有黃驊坳陷、武清凹陷等處于下沉，沉積了厚約1 000 m 的紅色河湖相碎屑巖。晚三疊世本區均處于隆升剝失，缺失上三疊統，由于印支運動的影響，本區產生了褶皺形變。

至侏羅紀，本區又演變為溫暖濕潤的氣候，植物繁茂，受斷陷盆地的控制，區內在武清地區和澗河一帶沉積了一套厚約1 000 m 的沼澤河流相內陸盆地含煤碎屑巖建造。其中含煤最多時可達26 層，特征是煤層厚度和層數均不穩定。本區侏羅系含煤建造主要發育在侏羅系下部巖性段，相當于下—中侏羅統。侏羅紀亦為本區重要的成煤聚煤期。

3 地質構造與含煤建造的關系

石炭—二疊紀華北準地臺上廣泛沉積的含煤建造，面積大、煤層穩定，形成“泛煤田”的整體規模。但至三疊紀地殼活動性增強，印支運動來臨，地殼由升降活動轉變為以水平擠壓為主。含煤地層隨蓋層構造層一起形成褶皺形變。本區主要表現為較廣闊的縱彎褶皺，并總體以抬升為主。這就造成了高起部位煤層遭受風化剝蝕而破壞，而較低部位由于沉積作用的掩埋得以完整保存。

進入侏羅紀時，長期抬升部分經剝蝕夷平作用，石炭—二疊系煤層往往在低洼處或向斜內得以保存，形成一系列的孤立煤盆。同時，在山間盆地中又沉積了侏羅系含煤地層。繼而發生燕山運動，疊加在印支期褶皺、斷裂之上，形成了以斷裂控制的隆起和凹陷。隆起之上的煤層繼續遭受剝蝕和破壞，坳陷中一部分保存下來，使原華北“泛煤田”面貌皆非、支離破碎。

4) 試驗結果表明，本煙苗剪葉器能夠達到規定的作業效率，起到很好地收集碎葉的作用，并能夠及時對煙苗剪葉器切刀進行消毒。

至喜馬拉雅階段，基本繼承和發展了燕山期構造格局，主要受裂谷體制控制，形成大型隆起和坳陷。坳陷內煤層往往被深埋于地下，而隆起上的煤層經受古近系的風化剝蝕后，在新近系以來也同地殼的整體下降被掩埋在地下，但埋深相對較淺。

因此，區內石炭—二疊系、侏羅系煤層，前者最少經受了印支期、燕山期、喜馬拉雅期構造作用的疊加改造，后者也經受了燕山期、喜馬拉雅期的疊加改造?，F今表現為在不同的地區和構造單元內其發育程度、破壞程度、展布特征、埋深情況以及煤化作用等差異較大。

4 煤質特征和煤化作用

4.1 煤質特征

區內石炭—二疊系和侏羅系的煤炭特征，基本屬于中等變質，以氣煤、肥煤為主，個別地帶受動力變質疊加或巖漿巖熱接觸變質，煤質牌號增高，高者可達無煙煤甚至天然焦。

本區三套含煤地層中的煤層，從其經成巖作用形成煤層之后，都至少經歷一次以上的煤化作用(主要指變質作用），由于煤層形成時代、經歷的構造期次以及所處構造位置不同，必然造成煤化作用的差異。侏羅系含煤地層主要分布在斷陷盆地內，在燕山晚期白堊紀時經短暫的抬升，繼而進入喜馬拉雅期后，由于斷陷盆地的繼承性發展仍分布在現今的坳（凹） 陷內，因而至少經歷一次煤化作用。而石炭—二疊系含煤地層受多期構造作用的疊加改造，煤層經受的煤化作用較復雜。

4.2 首次煤化作用

從中石炭世至三疊紀中期，石炭—二疊系煤層的煤化作用，是以區域靜力變質作用為主導，是由上覆地層之壓力和自然地溫梯度而引起。

在沉積厚度2 000～3 000 m，或大地熱流增高，產生古地溫70～100 ℃時，鏡煤反射率可達0.748～0.994，煤變質程度為中等，屬氣煤—肥煤階段。寶坻凹褶中的下倉煤田和其它淺埋的“煤盆”均屬這一變質范疇。

4.3 再次煤化作用

主要是針對石炭—二疊系煤層而言。指喜馬拉雅的深斷埋藏作用。區內由于黃驊坳陷和冀中坳陷的大幅度沉陷，石炭—二疊系及侏羅系煤層均被深埋于地下，上覆有巨厚的新生界，靜壓力增強，使得再煤化作用較為突出。黃驊坳陷中的北塘凹陷、板橋凹陷和岐口凹陷，即漢沽以南沿海一帶，含煤地層最大埋深達7 200 m，煤的變質程度加深；冀中坳陷中的武清凹陷，在大黃堡—武清農場—葛漁城一帶以北地段，含煤地層（包括侏羅系在內） 一般埋深5 000～6 000 m，最大埋深達11 000 m，據地溫梯度變化分析，當埋深達7 000 m 時，煤化溫度可達200 ℃，煤可演化為貧煤階。因此預計黃驊坳陷和武清凹陷中心地帶的煤層發生了再次煤化作用，煤質變化較大，變質程度加深，有利于煤成氣的生成。

而位于寶坻凹陷內的淺埋的“煤盆”。埋深小于1 000 m，在第三紀時還處于隆起抬升狀態，再次煤化作用不會發生，煤質的變化主要由局部巖漿巖侵入所引起。

滄縣隆起上的含煤地層，晚第三紀前以抬升剝蝕為主，后來雖整體下沉接受沉積，但新生界厚度一般小于1 600 m，不易發生再次煤化作用，仍以氣—肥煤為主，這已被鉆探所證實。

5 煤的區域分布特征

5.1 石炭—二疊系煤的區域分布特征

以寧河—寶坻斷裂為界，分北、南分別論述，其北相當于燕山臺褶帶，以南相當于華北斷坳區。

（1） 燕山臺褶帶。主要分布于薊州區南部下倉鎮和寶坻區北部的王卜莊鎮，埋深100～1 000 m。煤層主要賦存于下倉向斜和車抽山向斜核部。下倉向斜北部埋藏較淺，約為100～450 m，工部斷裂以南地區，埋藏深度逐漸增加，最深處約1 000 m 左右；車抽山向斜煤層埋深約650～730 m。區內煤層厚度較穩定，開采較容易，具有很好的工業價值。

（2） 華北斷坳區。區內煤層分布廣泛，3 個Ⅲ級構造單元均有分布，涉及寧河區、武清區、西青區、大港區、靜海區、津南區等6 區，埋深900～11 000 m。

武清區位于Ⅲ級構造單元冀中凹陷上，含煤面積較大，但煤層埋藏最深為11 000 m，工業意義不大。津南區、西青區和靜海區含煤區域位于Ⅲ級構造單元滄縣隆起上，含煤地層主要分布于隆起北端和兩側。津南區東部的白塘口附近，含煤地層保存良好，位于隆起偏南部，煤層埋深1 250～1 350 m，煤層較穩定，工業價值較好。西青區全域和靜海區西部為主要含煤區，位于Ⅳ級構造單元大城凸起上，含煤地層為向北西傾伏的單斜坡，煤層埋深為900～2 000 m，煤層厚度大，分布廣泛，具有較好的工業價值。大港區中南部為煤層主要賦存區域，位于黃驊坳陷上，分布范圍大，煤層多，但埋深均大于2 000 m，最深處約為4 500 m，目前工業意義不大。

5.2 侏羅系煤的區域分布特征

區內侏羅系含煤地層主要分布在冀中坳陷中的武清凹陷，分布面積廣，隱伏在新生界之下，不整合于石炭—二疊系含煤地層之上，由南東向北西埋深逐漸增大，煤層較多，一般可達15 層，層數和厚度變化較大，大部分埋深在2 000 m 之下，目前工業意義不大，但可成為煤成氣良好的生氣母巖。

6 結 論

（1） 根據天津地區石炭—二疊系、侏羅系地層分布情況，結合區內古地理環境與含煤建造等煤田地質特征，從北至南劃分出六個含煤有利區，依次為邦均含煤有利區、下倉含煤有利區、岳龍莊含煤有利區、武清—靜海含煤有利區、白塘口含煤有利區和漢沽—塘沽—大港含煤有利區，找煤工作在6 個含煤有利區中開展。

（2） 廣泛收集天津地區地震測深等地球物理資料、鉆探資料，運用各種有效手段進行綜合分析與評價。對已收集到的地震時間剖面進行反復類比，選出地震信息相對豐富，反射特征明顯的資料，作為地震解釋的基礎。對已有地震資料進行二次開發，并結合已知鉆孔進行驗證，用現行規范重新整理，用近年來發展起來的新技術、新方法重新解釋。在此基礎上，補充地震工作，遵循點試驗—線試驗—地震數據采集—資料處理—資料解釋依次開展，進一步了解工作區的煤田地質特征。

（3） 在地震勘探成果基礎上，確定鉆孔位置，開展鉆探和測井工作，查清工作區地層層序，煤系地層含煤層數、厚度等，結合采樣試驗大致查清煤類和煤質，了解煤層水文情況，了解其他有益礦產情況，估算資源量。