天津地区聚煤特征分析及勘查方向

付小锦，张长青

（1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；2.天津华北地质勘查局，天津 300170）

0 引 言

多年来，众多石油、地矿队伍在天津平原区开展了大量以寻找石油、地下水和地热为目的的地质勘探工作，发现天津赋存着丰富的煤炭资源，预测埋深在2 000 m 以浅的煤炭资源总量可达350 亿t。但由于埋藏深、开采难度大、临近城区等原因，天津市的煤田地质勘探工作程度很低，仅下仓含煤区部分地段于上世纪60 年代开展过专门的煤田地质勘探，提交探明的煤炭资源储量3.82 亿t。近年来，随着煤炭资源清洁开发利用技术的发展，特别是煤炭地下气化以及固体资源的流态化开采等第二代采煤技术的推广应用，使得清洁开发利用深部煤炭资源成为现实。因此，亟需开展天津地区聚煤特征研究，指导煤炭资源行之有效的勘探，以破解煤田地质勘探工作程度低与第二代采煤技术快速发展不匹配的难题。

1 区域地质特征

1.1 区域地层概述

天津地区地层发育较全，仅缺失古生界和新生界地层，由老至新分别为太古界(Ar)，中、新元古界(Pt2+3)的长城系、蓟县系和青白口系，古生界(Pz)的寒武系、奥陶系和石炭—二叠系，中生界(Mz)的侏罗系、白垩系，新生界(Kz)的古近系、新近系和第四系。基岩出露区面积较小，分布于蓟州区北部山区。含煤地层主要为石炭—二叠系地层和侏罗系地层，埋深最浅处位于宝坻断裂以北，约100～300 m，以南广大平原区埋深均大于1 000 m。

1.2 区域构造概述

天津的大地构造位置为华北地台（Ⅰ级构造单元） 北部，以横贯东西的宁河—宝坻断裂为界，分为北区燕山台褶带（Ⅱ级构造单元） 和南区华北断坳区（Ⅱ级构造单元） （如图1 所示）。天津地区的基岩出露区和浅埋区主要分布在北区，断裂以EW 向为主，次要断裂有NW 向、NE 向和NNW 向三组。宁河—宝坻断裂以南广大地区为平原区，自东向西划分为黄骅坳陷（Ⅲ级构造单元）、沧县隆起（Ⅲ级构造单元） 和冀中坳陷（Ⅲ级构造单元）三个构造单元。三个Ⅲ级构造单元之间以沧东断裂和古近系尖灭线为界。在隆起和坳陷上发育有次一级的呈雁行式相间排列的凸起和凹陷，见表1，凸起和凹陷多以断层或地层尖灭线为界。区内断层主要有8 条，分为EW 向和NNE 向两组，主要为EW 向的宝坻—宁河断裂、汉沽断裂和海河断裂；NNE 向的白塘口东断裂、白塘口断裂、白塘口西断裂、天津断裂、沧东断裂。

图1 天津地区构造纲要图Fig.1 Structural outline of Tianjin area

表1 天津市地质构造单元划分表Table 1 Geological structure units division in Tianjin

2 古地理环境与含煤建造

2.1 石炭—二叠纪古地理环境与含煤建造

中奥陶世末期，华北地区受加里东运动影响，整个抬升为陆，经历了志留纪，泥盆纪，早石炭世约1.1 亿年的沉积间断。中石炭世早期，受海西运动影响，地壳再度下沉，海水时而侵入时而退出，形成了海陆交替变化的古地理环境。

中石炭世地壳升降振荡频繁，海水屡进屡退，虽气候温暖，适宜植物生长，但每次升降间隔较短，形成的煤层厚度较小，一般不具工业意义。该时期主要沉积了一套海陆交互相的灰岩、页岩、砂岩夹煤层，其假整合于奥陶系之上。

总之，中、晚石炭世，本区以及南至河北大城，北到河北唐山，均为海陆交互相含煤沉积并夹4～6 层灰岩，沉积中心位于唐山附近。本区主要的煤层有太原组：下部顶部含煤3 层，可采煤层1～2 层，中部一般无可采煤层；上部含最重要的煤层1～2 层。

早二叠世初期，华北地区地壳略有抬升，海水退出形成陆地，主要以陆相堆积为主，结束了海陆交互相的古地理环境。

早二叠世开始，古气候仍然温湿适宜，沉积主要为陆相灰黑色泥岩。粉砂岩、砂岩及煤层。随着泥炭沼泽环境的更替，本区堆积了薄—中厚煤层共5 层左右。当时虽亦是聚煤环境，但单一相环境存在时限短，故而表现出煤层层数多，但厚度一般较薄，可采煤层较少，且厚度变化大。

早二叠世含煤地层，在区域上相当稳定，沉积中心位于河北保定至大城以西一带，普遍含煤在3层以上，亦是区域上和本区主要的含煤建造。

至早二叠世晚期开始，古气候变为炎热少雨，不宜植物大量生长繁殖，因此无煤层发育，仅在局部见有少量炭质泥岩。到晚二叠世，区域上沉积了一套以红色为主的碎屑岩堆积，表明地壳活动性增强，宣告了晚古生代聚煤环境的消失。

2.2 侏罗纪古地理环境和含煤建造

三叠纪开始由于地壳上升，本区大部分处于隆起状态，只有黄骅坳陷、武清凹陷等处于下沉，沉积了厚约1 000 m 的红色河湖相碎屑岩。晚三叠世本区均处于隆升剥失，缺失上三叠统，由于印支运动的影响，本区产生了褶皱形变。

至侏罗纪，本区又演变为温暖湿润的气候，植物繁茂，受断陷盆地的控制，区内在武清地区和涧河一带沉积了一套厚约1 000 m 的沼泽河流相内陆盆地含煤碎屑岩建造。其中含煤最多时可达26 层，特征是煤层厚度和层数均不稳定。本区侏罗系含煤建造主要发育在侏罗系下部岩性段，相当于下—中侏罗统。侏罗纪亦为本区重要的成煤聚煤期。

3 地质构造与含煤建造的关系

石炭—二叠纪华北准地台上广泛沉积的含煤建造，面积大、煤层稳定，形成“泛煤田”的整体规模。但至三叠纪地壳活动性增强，印支运动来临，地壳由升降活动转变为以水平挤压为主。含煤地层随盖层构造层一起形成褶皱形变。本区主要表现为较广阔的纵弯褶皱，并总体以抬升为主。这就造成了高起部位煤层遭受风化剥蚀而破坏，而较低部位由于沉积作用的掩埋得以完整保存。

进入侏罗纪时，长期抬升部分经剥蚀夷平作用，石炭—二叠系煤层往往在低洼处或向斜内得以保存，形成一系列的孤立煤盆。同时，在山间盆地中又沉积了侏罗系含煤地层。继而发生燕山运动，叠加在印支期褶皱、断裂之上，形成了以断裂控制的隆起和凹陷。隆起之上的煤层继续遭受剥蚀和破坏，坳陷中一部分保存下来，使原华北“泛煤田”面貌皆非、支离破碎。

4) 试验结果表明，本烟苗剪叶器能够达到规定的作业效率，起到很好地收集碎叶的作用，并能够及时对烟苗剪叶器切刀进行消毒。

至喜马拉雅阶段，基本继承和发展了燕山期构造格局，主要受裂谷体制控制，形成大型隆起和坳陷。坳陷内煤层往往被深埋于地下，而隆起上的煤层经受古近系的风化剥蚀后，在新近系以来也同地壳的整体下降被掩埋在地下，但埋深相对较浅。

因此，区内石炭—二叠系、侏罗系煤层，前者最少经受了印支期、燕山期、喜马拉雅期构造作用的叠加改造，后者也经受了燕山期、喜马拉雅期的叠加改造。现今表现为在不同的地区和构造单元内其发育程度、破坏程度、展布特征、埋深情况以及煤化作用等差异较大。

4 煤质特征和煤化作用

4.1 煤质特征

区内石炭—二叠系和侏罗系的煤炭特征，基本属于中等变质，以气煤、肥煤为主，个别地带受动力变质叠加或岩浆岩热接触变质，煤质牌号增高，高者可达无烟煤甚至天然焦。

本区三套含煤地层中的煤层，从其经成岩作用形成煤层之后，都至少经历一次以上的煤化作用(主要指变质作用），由于煤层形成时代、经历的构造期次以及所处构造位置不同，必然造成煤化作用的差异。侏罗系含煤地层主要分布在断陷盆地内，在燕山晚期白垩纪时经短暂的抬升，继而进入喜马拉雅期后，由于断陷盆地的继承性发展仍分布在现今的坳（凹） 陷内，因而至少经历一次煤化作用。而石炭—二叠系含煤地层受多期构造作用的叠加改造，煤层经受的煤化作用较复杂。

4.2 首次煤化作用

从中石炭世至三叠纪中期，石炭—二叠系煤层的煤化作用，是以区域静力变质作用为主导，是由上覆地层之压力和自然地温梯度而引起。

在沉积厚度2 000～3 000 m，或大地热流增高，产生古地温70～100 ℃时，镜煤反射率可达0.748～0.994，煤变质程度为中等，属气煤—肥煤阶段。宝坻凹褶中的下仓煤田和其它浅埋的“煤盆”均属这一变质范畴。

4.3 再次煤化作用

主要是针对石炭—二叠系煤层而言。指喜马拉雅的深断埋藏作用。区内由于黄骅坳陷和冀中坳陷的大幅度沉陷，石炭—二叠系及侏罗系煤层均被深埋于地下，上覆有巨厚的新生界，静压力增强，使得再煤化作用较为突出。黄骅坳陷中的北塘凹陷、板桥凹陷和岐口凹陷，即汉沽以南沿海一带，含煤地层最大埋深达7 200 m，煤的变质程度加深；冀中坳陷中的武清凹陷，在大黄堡—武清农场—葛渔城一带以北地段，含煤地层（包括侏罗系在内） 一般埋深5 000～6 000 m，最大埋深达11 000 m，据地温梯度变化分析，当埋深达7 000 m 时，煤化温度可达200 ℃，煤可演化为贫煤阶。因此预计黄骅坳陷和武清凹陷中心地带的煤层发生了再次煤化作用，煤质变化较大，变质程度加深，有利于煤成气的生成。

而位于宝坻凹陷内的浅埋的“煤盆”。埋深小于1 000 m，在第三纪时还处于隆起抬升状态，再次煤化作用不会发生，煤质的变化主要由局部岩浆岩侵入所引起。

沧县隆起上的含煤地层，晚第三纪前以抬升剥蚀为主，后来虽整体下沉接受沉积，但新生界厚度一般小于1 600 m，不易发生再次煤化作用，仍以气—肥煤为主，这已被钻探所证实。

5 煤的区域分布特征

5.1 石炭—二叠系煤的区域分布特征

以宁河—宝坻断裂为界，分北、南分别论述，其北相当于燕山台褶带，以南相当于华北断坳区。

（1） 燕山台褶带。主要分布于蓟州区南部下仓镇和宝坻区北部的王卜庄镇，埋深100～1 000 m。煤层主要赋存于下仓向斜和车抽山向斜核部。下仓向斜北部埋藏较浅，约为100～450 m，工部断裂以南地区，埋藏深度逐渐增加，最深处约1 000 m 左右；车抽山向斜煤层埋深约650～730 m。区内煤层厚度较稳定，开采较容易，具有很好的工业价值。

（2） 华北断坳区。区内煤层分布广泛，3 个Ⅲ级构造单元均有分布，涉及宁河区、武清区、西青区、大港区、静海区、津南区等6 区，埋深900～11 000 m。

武清区位于Ⅲ级构造单元冀中凹陷上，含煤面积较大，但煤层埋藏最深为11 000 m，工业意义不大。津南区、西青区和静海区含煤区域位于Ⅲ级构造单元沧县隆起上，含煤地层主要分布于隆起北端和两侧。津南区东部的白塘口附近，含煤地层保存良好，位于隆起偏南部，煤层埋深1 250～1 350 m，煤层较稳定，工业价值较好。西青区全域和静海区西部为主要含煤区，位于Ⅳ级构造单元大城凸起上，含煤地层为向北西倾伏的单斜坡，煤层埋深为900～2 000 m，煤层厚度大，分布广泛，具有较好的工业价值。大港区中南部为煤层主要赋存区域，位于黄骅坳陷上，分布范围大，煤层多，但埋深均大于2 000 m，最深处约为4 500 m，目前工业意义不大。

5.2 侏罗系煤的区域分布特征

区内侏罗系含煤地层主要分布在冀中坳陷中的武清凹陷，分布面积广，隐伏在新生界之下，不整合于石炭—二叠系含煤地层之上，由南东向北西埋深逐渐增大，煤层较多，一般可达15 层，层数和厚度变化较大，大部分埋深在2 000 m 之下，目前工业意义不大，但可成为煤成气良好的生气母岩。

6 结 论

（1） 根据天津地区石炭—二叠系、侏罗系地层分布情况，结合区内古地理环境与含煤建造等煤田地质特征，从北至南划分出六个含煤有利区，依次为邦均含煤有利区、下仓含煤有利区、岳龙庄含煤有利区、武清—静海含煤有利区、白塘口含煤有利区和汉沽—塘沽—大港含煤有利区，找煤工作在6 个含煤有利区中开展。

（2） 广泛收集天津地区地震测深等地球物理资料、钻探资料，运用各种有效手段进行综合分析与评价。对已收集到的地震时间剖面进行反复类比，选出地震信息相对丰富，反射特征明显的资料，作为地震解释的基础。对已有地震资料进行二次开发，并结合已知钻孔进行验证，用现行规范重新整理，用近年来发展起来的新技术、新方法重新解释。在此基础上，补充地震工作，遵循点试验—线试验—地震数据采集—资料处理—资料解释依次开展，进一步了解工作区的煤田地质特征。

（3） 在地震勘探成果基础上，确定钻孔位置，开展钻探和测井工作，查清工作区地层层序，煤系地层含煤层数、厚度等，结合采样试验大致查清煤类和煤质，了解煤层水文情况，了解其他有益矿产情况，估算资源量。