鄂尔多斯盆地是我国重要的能源盆地，仅含煤岩系就有3套(包括石炭—二叠系、三叠系和侏罗系)，煤炭资源丰富[1-5]，其与石油、天然气[6-8]和铀矿[9-10]资源一并构成我国最重要的大型能源基地。此外，与侏罗纪含煤岩系相关的矿产资源还有砂岩型高岭土矿、石英砂矿等[11-14]。
自20世纪80年代开始的勘查实践表明，鄂尔多斯盆地是世界级的超大型煤田，其中侏罗纪的煤炭资源属于低灰、低硫、高发热量的优质煤，最新研究还发现侏罗纪煤炭资源有相当一部分为富油煤[15-16]。地下水往往与含煤岩系密切共生，煤炭等矿产资源开发面临的首要问题之一便是“水害”。揭示和阐明含煤岩系地下水系统结构，特别是阐明制约地下水系统的关键要素并构建格架模型，对于能源基地规划和煤炭资源开发具有重要意义[17-22]。笔者以侏罗纪含煤岩系地下水系统结构为目标，重点阐述含煤岩系的基本结构、地下水储层、可采煤层与地下水储层空间配置关系、地下水输导通道等关键要素，以期为大型能源基地建设提供沉积-水文地质学依据。
1 侏罗纪含煤岩系
鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系不仅限于延安组，还应包括富县组[23]和直罗组[24]，即侏罗纪聚煤作用始于富县组沉积末期的Toarcian晚期，于延安组沉积期的Aalenian-Bajocian期达到鼎盛，结束于直罗组沉积早中期的Bathonian期。以往的研究将重点放在具有煤炭开采价值的延安组，而自从直罗组发现了大规模铀矿床之后对微弱聚煤作用的研究才得到重视。研究发现，直罗组微弱的聚煤作用直接制约砂岩型铀矿的超常富集[10,13,24-25]。所以，鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系共涵盖3个岩石地层单元，即富县组顶部、延安组和直罗组下段—中段。其中，在盆地北部煤系地层最为齐全，很好地展示了侏罗纪含煤岩系由初始形成→鼎盛发育→逐渐衰退的完整演化周期(图1)。
区域构造事件、沉积环境和古气候联合制约了侏罗纪聚煤作用的发生和演变。延安组聚煤作用主要受到河流沉积体系和湖泊三角洲沉积体系中有利相带的控制，但是5个可采煤层组及其地层单元能够在全盆地范围内同步周期性发育的事实，说明其明显受到了更高级别的区域构造事件的控制，区域构造事件引起的区域性基准面变化对含煤岩系的发育具有重要影响[1,3,26-30]。比较而言，富县组和直罗组的聚煤作用明显受到了古气候的控制，前者的聚煤作用发育于由干旱向潮湿逐渐过渡的古气候背景中，而后者恰恰相反，发育于由潮湿向干旱逐渐过渡的古气候背景中[31-32]。
图1 鄂尔多斯盆地北部侏罗纪含煤岩系沉积充填演化规律
Fig.1 Sedimentary filling evolution of Jurassic coal measure in the north of Ordos Basin
2 地下水水源
毗邻含煤岩系、具有区域规模的地下水储层(含水层)和地表水系，是鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系地下水系统重要的补给水源。
2.1 地下水储层
在鄂尔多斯盆地，与侏罗纪含煤岩系相关的区域性地下水储层主要有3套，自下而上分别为直罗组底部含水层、下白垩统洛河组含水层和罗汉洞组含水层。它们均以大规模的砂岩为特征，但储层结构、沉积成因和分布规律却不相同。
直罗组底部的大型骨架砂体具有2个发育周期，下部旋回为辫状河-辫状河三角洲沉积体系，上部旋回为曲流河-(曲流河)三角洲沉积体系，它们既是区域性地下水储层同时也蕴藏着超常富集的砂岩型铀矿(即砂岩型铀矿的储层，简称铀储层)[9,33-35]。从多年追踪编图来看，现今残留的直罗组底部骨架砂体分布于整个鄂尔多斯盆地，累积砂岩厚度总体上呈现西部和北部厚、东部和南部薄，且向东部和东南部频繁分叉而呈现为“朵状”或“扇状”的平面几何形态。以“朵”或“扇”为中心，主要发育4个砂体厚度高值区，由此分别记录了源于4个物源区的砂分散体系，依次命名为北部乌拉山的物源-朵体(LA)、西北部狼山弧物源-朵体(LB)、西部贺兰山物源-朵体(LC)、西南部西秦岭北坡物源-朵体(LD)[36](图2(a))。
洛河组主要发育1个大型骨架砂体，在全盆地均有分布，平均厚度313 m，残留宽度100 km，残留长度320 km。骨架砂体总体具有东薄西厚、北薄南厚的基本特征。东部和北部剥蚀边界一带残留砂体厚度一般在100 m左右，而向西至吴旗、志丹一带，砂体厚度一般都大于300 m(图2(b))[37-39]。在洛河组骨架砂体内部共发育11个主要由干旱湖泊泥岩形成的隔挡层[40]，它们分布于盆地的中部和南部，以薄层不连续分布为特点，厚度一般在6 m左右。
罗汉洞组骨架砂体残留规模相对较小，分割性较强，共发育3个骨架砂体。统计发现，骨架砂体平均厚度114 m，平均宽度28 km，平均长度43 km。由于层位、产状和剥蚀等方面的原因，残留的罗汉洞组主要分布于盆地西侧的平凉东部和石嘴山东部(图2(c))。
洛河组和罗汉洞组的骨架砂体被解释为风成沉积体系[41-50]。在风成沉积体系中，最具特色的是具有高角度休止角的、规模巨大的风成砂丘，它们与规模有限的冲积物联合构成了骨架砂体，是良好的地下水储层[37-39,51-56]，而骨架砂体内部的隔挡层被解释为干旱湖泊沉积物。最新的野外研究还发现，与洛河组红色风成砂丘相比，罗汉洞组风成砂丘发育期间的古潜水面相对较高，导致风成砂丘总体以弱还原灰色砂岩为主，丘间干旱湖泊频繁发育且规模较小。
2.2 地表水系
地表水系可以直接或间接对采煤造成危害，研究地表水系与含煤岩系空间配置关系有助于“水害”防治。鄂尔多斯盆地规模最大的水系当属黄河，沿盆地西北边缘、北缘和东缘分布，先后穿越银川断陷盆地—河套断陷盆地—晋陕峡谷，至潼关转向东延伸区外，河道最大落差达到了700 m(图2(d))。受汾渭断陷盆地、河套断陷盆地，以及白于山分水岭和东胜梁分水岭的影响，研究区具有几个重要的黄河支流，分别是分布于汾渭断陷盆地中的渭河流域、最终汇入渭河的泾河流域和洛河流域、无定河流域以及东胜梁以北系列自南向北流向的河流[38,56]。湖泊主要发育于盆地中北部，如红碱淖、湖洞察汗淖、巴汗淖、乌拉淖和乌兰陶日木等，水体相对偏咸。
3 地下水输导通道
鄂尔多斯盆地与侏罗纪含煤岩系有关的地下水输导通道有区域规模的骨架砂体、不整合界面、断裂系统、人工采动裂隙系统4大类型，它们的成因、空间分布和输导形式不尽相同。
3.1 区域规模的骨架砂体
沉积盆地中具有区域规模的大型骨架砂体通常是良好的地下水储层，当其与含煤岩系沟通时就充分体现了多孔介质具有强渗透性的另一功能，所以它们也是地下水运移的理想输导通道(图2(a)～(c))。
3.2 不整合界面
含煤岩系发育过程中通常伴随有沉积间断，其沉积记录表现为平行不整合和/或角度不整合。不整合界面是盆地流体运移的输导通道[57-61]，当然它也可以构成含煤岩系地下水输导运移的有利通道。在鄂尔多斯盆地，有3个重要的不整合界面可以构成侏罗纪含煤岩系地下水的输导运移通道。还有一个是正在发育的侏罗系现今地表剥蚀冲刷面，它也可以构成地表水系的下渗通道。
J1-2/T3不整合界面(SB-1)是印支运动末期的产物，在盆地南部表现为角度不整合[62-64]而在盆地北部表现为平行不整合(表1)。在神木—东胜地区，该界面附近的风化壳及上覆砂岩型高岭土和石英砂岩极为特征[14]。
J2z/J2y不整合界面(SB-2)是燕山运动早期的产物，表现特征与J1-2/T3不整合界面基本相似，在盆地南部为角度不整合而在盆地北部为平行不整合(表1)，在盆地北部的风化壳中也局部形成了砂岩型高岭土矿床和石英砂矿[14,24]。该界面在盆地北部导致直罗组底部地下水储层与含煤岩系广泛直接接触，局部可以下蚀切穿延安组顶部的2套可采煤层，形成下切幅度达25 m、宽度达26.5 km的大规模古河道冲刷无煤带[1,21,24,27]，直接威胁延安组采煤安全生产(图3)。在盆地南部，延安组遭受了严重的构造掀斜和剥蚀作用，导致上覆直罗组地下水储层与延安组的不同层位或煤层相接触[3,24]。
F1—西华山—六盘山断裂;F2—清水河断裂;F3—烟筒山—窑山断裂;F4—青铜峡—固原断裂;F5—韦州—安国断裂;F6—青龙山—平凉断裂;
F7—惠安堡—沙井子断裂;F8—贺兰山东断裂;F9—中央断陷西侧正断层;F10—银川—平罗正断层;F11—黄河断裂;F12—正谊关断裂;
F13—桌子山东断裂;F14—千里沟断裂;F15—贺兰山西断裂;F16—巴彦乌拉—狼山断裂;F17—狼山—色尔腾山山前断裂;F18—乌拉尔山
山前断裂;F19—鄂尔多斯北缘断裂;F20—大青山山前断裂;F21—和林格尔断裂;F22—离石断裂;F23—中条山断裂;F24—汾渭断陷北缘断裂;
F25—渭河断裂;F26—秦岭北麓断裂;F27—华山山前断裂
图2 鄂尔多斯盆地主要地下水储层和地表水系分布规律
Fig.2 Distribution law of main groundwater reservoir and surface water system in Ordos Basin
表1 鄂尔多斯盆地中生界关键不整合界面特征及其地下水的水力学属性
Table 1 Key unconformity interface characteristics and groundwater hydraulic properties of Mesozoic in Ordos Basin
不整合界面形成发育阶段盆地北部构造行迹应力机制地下水系统响应盆地南部构造行迹应力机制地下水系统响应K1/J1-2(SB-3)燕山运动主幕(J3)侏罗系宽缓褶皱南北向挤压剥蚀导致K1地下水与J2z底部地下水以及J2y煤层局部沟通;不整合面构成地下水运移输导层平行不整合(?)整体抬升?J2z/J2y(SB-2)早燕山运动(J2y末)平行不整合(强烈风化作用)整体抬升带状和面状冲刷,导致J2z底部地下水与J2y煤层局部沟通;不整合面构成地下水运移输导层延安组大规模掀斜、剥蚀不均匀抬升(南强北弱)角度不整合,导致J2z地下水与J2y煤层局部沟通;不整合面构成地下水运移输导层J1-2/T3(SB-1)晚印支运动(T3末)平行不整合(风化作用)整体抬升偏南,J2y底部形成含水层(宝塔山砂岩)延安组大型褶皱、剥蚀削截南北向挤压偏北,J2y底部形成含水层(宝塔山砂岩)
图3 神木地区直罗组底部河道砂体(地下水储层)与下伏延安组主煤层的空间配置关系[24]
Fig.3 Relationship between channel sandstone body (groundwater reservoir) at the bottom of Zhiluo Formation and main coal seam of underlying Yan’an Formation in Shenmu area[24]
FS-1—盆地北部伸展断裂体系;SB-1—J1-2/T3不整合界面;SB-2—J2z/J2y不整合界面;SB-3—K1/J1-2不整合界面;SB-4—现代地表剥蚀界面;
GWR-1—直罗组底部地下水储层;GWR-2—下白垩统洛河组地下水储层;T3y—晚三叠世延长组;J2y—中侏罗世延安组(主要
含煤岩系);J2z—中侏罗世直罗组;J2a—中侏罗世安定组；K1—下白垩统,下同
图4 鄂尔多斯盆地北部边缘侏罗纪含煤岩系地层-构造-水文典型地震剖面[13]
Fig.4 Typical stratigraphic-structural-hydrological seismic profile of Jurassic coal measures in the northern margin of Ordos Basin[13]
K1/J1-2不整合界面(SB-3)是燕山运动主幕(晚期)的产物[13,65]，在盆地北部主要表现为微角度不整合，下白垩统地下水储层直接覆盖于具有宽缓褶皱的侏罗纪含煤-含铀岩系(延安组—直罗组)之上[13](表1，图4)。
现代地表剥蚀界面(SB-4)主要分布于现今鄂尔多斯盆地的周边，最重要的特点是导致侏罗纪含煤岩系直接与地表水系相接触。处于暴露和氧化条件下的可采煤层容易自燃，自燃导致煤层顶板熔融和塌陷，且通常向地下延伸百米左右与可采煤层连接，因此裂隙发育的多孔烧变岩是现代地表剥蚀界面输导通道的一种特殊形式[21]。
3.3 断裂系统
在鄂尔多斯盆地，影响侏罗纪含煤岩系地下水系统的断层因地而异，具有多期次和多样性，它们都有可能成为地下水的输导通道。
盆地北部的逆冲断裂体系以泊尓江海子逆冲断裂为代表，具有长期活动的性质，活动终止于早白垩世前[66-68]。该断裂隶属于阴山造山带的大型逆冲断裂体系，与其北部响沙湾、昭君镇一带因逆冲出露的古老变质岩同属于一个构造体系[69]。该断裂体系可以构成下白垩统洛河组含水层、直罗组底部含水层与侏罗纪含煤岩系的水力联系的输导通道(图5(a))。
盆地北部的伸展断裂体系大部分隶属于河套断陷的构造体系，为偶发的正断层，断距几米到几十米不等。但是，这些正断层不仅可以切穿直罗组和下白垩统的多套地下水储层，而且可以直达煤系地层和地表露头[70]，是地下水运移的输导通道(图4，5(b),5(c))。
(a)具有逆冲性质的泊尔江海子断裂贯穿侏罗纪含煤岩系以及直罗组和下白垩统地下水储层[66,68];(b)东胜西北部毛不拉昆对沟切穿上白垩
统的高角度正断层(断距2.5 m，与河套断陷匹配发育);(c)东胜东部神山沟切穿延安组含煤岩系和直罗组底部大型骨架砂体的高角度正断层
(断距2.5 m);(d)东胜东南部采煤裂缝(箭头所指)直达地表河谷并切穿直罗组大型骨架砂体(笔者，2010年摄)
图5 鄂尔多斯盆地北部潜在的地下水运移输导通道
Fig.5 Potential groundwater migration pathway in the north of Ordos Basin
盆地西缘逆冲断裂体系是石油地质工作者较早发现和研究相对透彻的断裂体系[7,71-72]，该体系也可以沟通盆地西缘侏罗纪含煤岩系与地下水储层的水力联系。
3.4 人工采动裂隙系统
采煤形成的顶板裂缝是人为的含煤岩系地下水系统运移通道。特别是当裂缝与地下水储层或者地表水系贯通时，“水害”的潜在威胁更大[5,20,73-74]。在鄂尔多斯盆地北部，一些井下采煤产生的裂缝切穿了直罗组底部骨架砂体(含铀含水层)并且直接贯通地表，有的还直接出露于干枯河床(图5(d))。这不仅在雨季有可能引发水害事故，而且还有可能造成煤炭资源的放射性污染。因为，在鄂尔多斯盆地北部、西部和南部的一些地区，直罗组底部的骨架砂体不仅是含水层而且还存在超常规模的砂岩型铀矿富集[9-10,13,24]，原有水力系统的破坏往往会促进砂岩中铀的迁出并随地下水再运移，这是一个值得高度关注的现实问题。
4 地下水系统格架模型
以可采煤层和煤系共伴生矿产资源为目标，构建地下水格架模型的关键在于揭示地下水水源、地下水输导通道、煤及其他矿产资源3者的空间配置关系(图6)，并从沉积学和水文学的角度阐明地下水关键要素的地质特征和分布规律。
T2—P—二叠系—中三叠统;K1l—下白垩统洛河组;K1h—下白垩统环河组;K1lh—下白垩统罗汉洞组
图6 鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系地下水系统关键要素与格架模型
Fig.6 Key elements and framework model of groundwater system of Jurassic coal measures in Ordos Basin
含煤岩系矿产资源开发过程中遇到的“水害”，通常是地下水系统被动揭露或者被破坏的表现，完全是人为因素导致了地下水泄漏[75]。可以想象，泄漏的地下水是通过不同性质的输导通道将地下水水源与人工作业面构成了连通，形成了一种新的“地下水系统”。从煤层和煤系矿产资源开发的角度，对包含地下水和地表水在内的各种类型水源的调查无疑是首要的工作，阐明水的储量规模和空间分布规律尤为重要，显然在鄂尔多斯盆地与侏罗纪含煤岩系密切相关的直罗组底部含水层、下白垩统洛河组含水层和罗汉洞组含水层，以及地表水系是水源调查的重点。其次是深入调查连接地下水水源与含煤岩系的地下水运移输导通道，揭示输导通道的类型及其空间分布规律，特别是阐明各类输导通道与水源-含煤岩系的空间配置关系最为重要。由于构造背景的差异，在盆地不同部位水源类型、输导通道类型、含煤岩系产状、矿产类型组合等都不尽相同，所以构成的地下水格架模型因地而异，需要区别对待和深入研究。
比如，在鄂尔多斯盆地东北部采煤区，水源主要为直罗组底部含水层和地表水系，而下白垩统含水层由于空间距离等因素其影响有限;输导通道主要为盆地北部的伸展断裂体系、人工采动裂隙系统，以及直罗组底部古河道冲刷面(J2z/J2y不整合界面)，在目前看来盆地北部的逆冲断裂体系以及其他不整合界面则是次要的(图6)。这个概念模型是基于已往对鄂尔多斯盆地认知和经验的宏观推理，而真实的地下水系统结构模型构建则需要实施专门的工程勘查和系统研究，让我们感到欣慰的是一些产业部门未雨绸缪、高度重视，已经设立了一些专项课题展开调查，例如，刚刚实施的“神府南区古河道沉积环境演化及地下水动态变化规律研究”项目就是最好的一例。
在鄂尔多斯盆地北部煤和铀是构成侏罗纪含煤岩系的重要能源矿产，是地下水系统中性质迥异但又与水密切关联的重要物质组分。在该区，“煤铀兼探”的协同勘查已获得骄人成果，但是开发问题却需要引起人们的高度重视，其焦点是侏罗纪含煤(铀)岩系“地浸采铀”和“传统采煤”的时序与工艺问题[14,50]。目前，已发现的超常规模富集的盆地铀资源，直接位于延安组可采煤层顶板的直罗组底部砂岩含水层中[9-10,13,24-25,35](图6)。缺水对“地浸采铀”是致命的，采铀过程会导致“铀”的再溶解与再迁移。而“传统采煤”会导致顶板铀储层砂岩产生裂缝并发生水体渗漏。这种矛盾的存在，就需要在采煤-采铀“时序”上进行长远规划，或者在采矿“工艺”上进行改进和优化，最终达到含煤岩系矿产资源最大化的综合开发和利用。
5 结 论
(1)含煤岩系以蕴藏重要的煤炭资源和丰富的共伴生矿产资源而著称，为了在资源开发利用过程中免受“水害”威胁，必须开展以含煤岩系为目标的地下水系统研究，其中阐明地下水系统的水源、地下水的输导通道，构建地下水格架模型等是调查研究的核心工作。
(2)在鄂尔多斯盆地，侏罗纪含煤岩系的地下水源有两大类，即地下水储层和地表水系。其中，前者包括了3套含水层——直罗组底部含水层、下白垩统洛河组含水层和罗汉洞组含水层，后者为地表水系。当它们通过某种渠道与含煤岩系沟通时就构成了主要的地下水的来源。
(3)将侏罗纪含煤岩系地下水的运移输导通道划分为四大类:区域规模的骨架砂体，它们通常也充当了地下水的储层;不整合界面，包括J1-2/T3,J2z/J2y,K1/J1-2，以及正在形成的现代地表剥蚀面;断裂系统，分别为盆地北部的逆冲断裂体系、盆地北部的伸展断裂体系、盆地西缘逆冲断裂体系;人工采动裂隙系统。
(4)以侏罗纪含煤岩系为目标，揭示和阐明地下水源、输导通道与可采煤层(或其他矿产资源)的空间配置关系与分布规律，是构建含煤岩系地下水系统格架模型的重要环节，也是服务煤系资源开发和防治水害的沉积学-水文地质学基础。
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