張雙樓礦區(qū)山西組的沉積環(huán)境

王懷勐, 朱炎銘, 李 伍

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221008)

張雙樓礦區(qū)山西組的沉積環(huán)境

王懷勐, 朱炎銘, 李 伍

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221008)

為了解張雙樓礦區(qū)含煤巖系的沉積環(huán)境,根據(jù)鉆孔資料及井下勘探資料,分析了張雙樓礦區(qū)山西組的沉積特征。結果表明,該礦區(qū)山西組形成于以潮下帶—潮坪環(huán)境、三角洲、曲流河為序的過渡相沉積環(huán)境中;沉積地層較穩(wěn)定,南部、西南部以砂巖為主,北部以泥巖為主,碎屑物由南向北搬運;7、9煤為主采煤層,沉積較穩(wěn)定。該研究為認識該礦區(qū)煤層的賦存規(guī)律、確定開采方案等提供了理論依據(jù)。

張雙樓煤礦;山西組;沉積環(huán)境;沉積相

隨著開采深度的增加,煤田的地質(zhì)條件日益復雜,因而,對煤層的形成及賦存規(guī)律的認識程度的要求也越來越高。煤層沉積環(huán)境分析是尋找和勘探煤層、認識煤層的空間分布規(guī)律的重要手段之一。文中分析了張雙樓礦區(qū)山西組沉積環(huán)境,以期為認識該礦區(qū)煤層的賦存規(guī)律、確定開采方案提供理論參考。

1 地質(zhì)概況

張雙樓煤礦位于江蘇省徐州市西北,距徐州市約 79 km,在江蘇省沛縣安國鎮(zhèn)境內(nèi),隸屬于徐州礦務局。井田走向長 13.5 km,傾斜寬 2.9 km,面積約37.862 3 km2。

礦區(qū)地層為典型的華北型,地形平坦,出露地層極少,僅在局部地區(qū)有前震旦系、寒武系、奧陶系等地層零星出露。整個礦區(qū)地層沉積較穩(wěn)定,含煤地層為太原組和山西組,山西組厚度為 93～185 m,含煤1～5層。

礦區(qū)在區(qū)域構造上位于魯西穹折帶與徐蚌凹折帶兩個不同的構造單元連接處。井田是一個被東、西、南邊界斷層包圍的相對獨立的、完整封閉的地質(zhì)構造單元,為一傾向NNW、走向略有變化的單斜構造,地層傾角一般在 18°～25°。

井田內(nèi)自東向西發(fā)育的褶曲依次為馮家向斜、后周田背斜。斷層以張性斷層為主,有 27條,壓性斷層較少,為 8條 (圖 1)?；鸪蓭r沿張性斷裂侵入煤層,局部使煤層變?yōu)樘烊唤?侵入最高層位為山西組 7煤,地震控制陷落柱 8個。

圖1 張雙樓礦區(qū)構造綱要Fig.1 Structure of Zhangshuanglou m in ing area

2 沉積特征及煤質(zhì)特征

2.1 沉積特征

礦區(qū)山西組主要由灰—灰黑色泥巖,灰白色—灰綠色中、細砂巖組成(圖 2),巖石顏色以灰—灰綠色為主,這表明當時沉積環(huán)境以還原環(huán)境為主。泥巖中可見貝殼狀斷口,有水平層理、緩波狀層理等。砂巖中見菱鐵質(zhì)鮞粒條帶及大量的云母、暗色礦物等,偶見炭質(zhì)條紋。該組按巖性可分為三段:下段厚21m,依次為灰黑色海相泥巖、深灰色砂泥巖、灰白色細粒砂巖、9煤。海相泥巖致密性脆,含少量動物化石及黃鐵礦,偶夾鈣質(zhì)透鏡體,頂部常為砂泥巖,9煤沉積較穩(wěn)定。中段厚 34 m,依次為灰白色厚層中—細粒砂巖、灰色砂泥巖、7煤。砂巖具沙紋交錯層理、楔狀交錯層理,泥巖具塊狀層理,砂泥巖互層見微波狀層理。上段厚 58 m,依次為灰色砂泥巖、淺灰—淺灰白色細—中粒砂巖、深灰色砂泥巖、泥巖。

圖 2 張雙樓礦 16-2孔山西組沉積特征Fig.2 Shanxi Formation sed imentary characteristics of 16-2 hole in Zhangshuanglou m in ing area

圖 3為張雙樓礦區(qū)山西組 16-2孔的砂巖概率曲線。由圖 3可以看出,1 086.3 m深度砂巖粒度標準偏差σi=1.28,分選較差;頻率曲線偏度Sk= 0.275,正偏;峰態(tài)KG=0.787。根據(jù) Sahu B.K.總結的經(jīng)驗公式可得Y=-15.043 8,表明該砂巖形成于河流環(huán)境。1 099.61 m深度砂巖粒度標準偏差σi= 1.442 4,分選較差;頻率曲線偏度Sk=-0.520 4,負偏;峰態(tài)KG=4.462 7,Y=-15.043 8,表明該砂巖形成于淺海環(huán)境[1]。由此可見,砂巖形成環(huán)境自下而上由海向陸過渡,表明山西組形成于海退環(huán)境,為過渡相沉積。

圖 3 張雙樓礦區(qū)山西組 16-2孔砂巖概率曲線Fig.3 Shanxi Formation sandstone probability curves of 16-2 hole in Zhangshuanglou m in ing area

2.2 煤質(zhì)特征

礦區(qū)山西組 7、9煤為主采煤層,沉積較穩(wěn)定。圖 4、5分別給出了 7、9煤灰分、含硫量等值線。由圖 4可以看出,7煤灰分在 9%～36%,屬于中灰—富灰煤,物源來自于礦區(qū)南部,局部受側(cè)向補給?；曳窒虮敝饾u減少,泥炭沼澤的中心部位最低。9煤灰分在 7%～24%,屬于低灰—中灰煤,可見區(qū)內(nèi)煤層以低—中灰煤為主,中部灰分最低,東部地區(qū)受側(cè)向補給較明顯。由圖 5可以看出,7煤含硫量為0.38%～1.20%,屬低硫煤;9煤含硫量為0.4%～1.7%,屬低硫煤—中硫煤,兩者均為淡水沼澤成煤[2]。

3 沉積相

張雙樓礦區(qū)山西組的沉積特征及煤質(zhì)特征揭示,山西組為過渡相含煤構造體系,可進一步劃分為潮下帶—潮坪相、三角洲相以及曲流河相。

3.1 潮下帶—潮坪相

潮下帶—潮坪相包括潮下帶相、潮坪相兩部分。

(1)潮下帶相。該相發(fā)育在太原組一層灰?guī)r沉積之后,主要由灰黑色泥灰質(zhì)泥巖組成,成分以泥灰質(zhì)、泥質(zhì)為主,含有大量泥灰質(zhì)結核,有水平層理,見生物淺穴。

(2)潮坪相。該相主要發(fā)育在灰黑色泥巖之上、9煤沉積之后,分為泥坪相、混合坪相、砂坪相及沼澤相。泥坪相主要由褐灰色—灰黑色泥巖與砂質(zhì)泥巖組成,具有團塊狀構造,含植物根部化石?；旌掀合嘁苑凵皫r泥巖互層為特點,見脈狀與波狀層理,并有較多的生物潛穴。砂坪相由長石石英粉砂巖、細砂巖組成,分選磨圓度較好。沼澤相由灰黑色泥巖組成,含大量植物根部化石。

3.2 三角洲相

三角洲相包括水下、水上分流河道亞相,分流間灣亞相,沼澤亞相四部分。

(1)水下分流河道亞相。該沉積相出現(xiàn)于 9煤頂板向上至 8煤底板層段,多為中—細粒長石石英砂巖,分選差,可見沖刷面,具有上粗下細的逆粒序,中細砂巖中有發(fā)育較好的楔狀交錯層理。

(2)水上分流河道亞相。該相代表層段自中段中部至 7煤底板,砂巖以中粒長石石英為主,向上粒度變細,呈正粒序,見少量植物莖葉化石碎片。

(3)分流間灣亞相。該相巖性主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,見波狀、水平層理及生物潛穴。

(4)沼澤亞相。該相以灰黑色砂泥巖為主,含大量植物根部化石,其水分來自大氣水與地表水,為淡水沼澤。

3.3 曲流河相

曲流河相包括河道亞相、河灘亞相、泛濫盆地亞相、湖泊亞相、沼澤亞相五部分。

(1)河道亞相。該相代表層段為 7煤直接頂板至老頂砂巖,底部以粗粒含礫石砂巖為主,向上為中?！毩Ｉ皫r,底部具沖刷面,巖屑成分含量較高,垂向上呈下粗上細的正粒序結構,分選磨圓度中等,具大型板狀交錯層理,含植物樹干化石。

(2)河灘亞相。該相以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂泥互層為主,具水平與微波狀層理,含炭化植物葉部碎片。

(3)泛濫盆地亞相。該相巖性主要是粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及深灰色泥巖,具微波狀、水平層理,含大量的植物根、葉部化石,具有菱鐵礦結核。

(4)湖泊亞相。該相巖性以灰黑色與紫色泥巖為主,呈致密均一狀,可見貝殼狀斷口與水平層理,含菱鐵礦結核。

(5)沼澤亞相。該相巖性主要是灰黑色泥巖,含砂質(zhì)及植物根部化石,多為岸后沼澤。

4 沉積環(huán)境及演化

4.1 沉積環(huán)境

根據(jù)鉆孔資料及井下勘探資料,張雙樓礦區(qū)在早二疊世早期地勢南高北低,海水向北發(fā)生海退,隨著地殼緩慢抬升,海水逐漸退出本區(qū),在山西組沉積時一直處于濱淺海過渡相沉積環(huán)境中。由于地殼抬升緩慢,巖性、巖相及煤層較穩(wěn)定。

圖 6給出了山西組砂泥巖厚度比。由圖 6可見,該組平面上巖性分帶比較明顯,東南部、西南部砂巖占主要優(yōu)勢,北部泥巖占主要優(yōu)勢;砂泥比由南向北逐漸減小,說明碎屑物是由南向北搬運的;碎屑物質(zhì)的搬運方向與盆地軸向基本一致,屬縱向補給方式;巖相帶總體呈東西方向展布,與主要砂體的走向垂直,導致巖比等值線向北突出呈舌狀。由此推斷,該組主要是三角洲體系沉積[3],礦區(qū)南部以非海相沉積為主,往北逐漸向海相過渡。

圖 6 張雙樓礦區(qū)山西組砂泥巖厚度比Fig.6 Shanxi Formation sand-shale ratio of Zhangshuanglou m in ing area

4.2 環(huán)境演化

晚古生代早二疊世早期,隨著華北與秦嶺—大別山板塊接觸碰撞,華北南緣坳陷改變了北低南高的古地形,而呈現(xiàn)北高南低、向南傾斜的古地理面貌[4-6]。地殼運動以區(qū)域性升降為主,受板塊邊緣構造變動的控制,產(chǎn)生與板緣近于平行的東西向大型隆起和坳陷,發(fā)育程度由南向北減弱[7-9]。整個華北區(qū)二疊紀的含煤構造,均為穩(wěn)定地臺型。海水主要由南東部的確山—淮南一線向盆地腹地侵入,向西越過烏蘭格爾隆起,與來自地臺西緣的海侵一起構成華北陸表海[10]。陸表海不斷向南退縮,岸線延至華北廣大地區(qū),并大幅度向南遷移,從而產(chǎn)生陸相三角洲的聚煤作用[11]。以河流作用為主的三角洲體系不斷向南方進積增生,此時的碎屑沉積物除來自北部的陰山古陸外,還來自南部的伏牛古陸。徐州地區(qū)位于華北地臺的東南緣,晚古生代含煤地層發(fā)育良好,層序完整,沉積連續(xù),含煤豐富[12]。

山西組沉積早期,礦區(qū)基本處于濱淺海環(huán)境,大部分被海水覆蓋,物源來自地勢較高的南部。隨著海水緩慢向北退卻,河流自南部不斷注入本區(qū),使海水淡化并逐漸淤淺而形成沼澤,發(fā)育了 9煤層。由于沼澤基底比較平坦,煤層原生沉積厚度比較穩(wěn)定。當形成 9煤層的泥炭堆積并被覆蓋之后,該區(qū)處于三角洲前緣部位,沉積作用比較活躍,在分支河道的河口地區(qū)形成河口沙壩。由于潮汐或波浪的改造,河口沙壩重新分布,形成席狀砂體。在這一過程中, 9煤層遭受不同程度的沖刷。之后,隨著地殼的繼續(xù)抬升,三角洲平原在全區(qū)廣泛發(fā)育,分流河道砂巖沉積厚度大,剖面對稱性好,平面呈分支狀,對下伏地層沖刷較弱。在 9-1鉆孔附近,河道對下伏地層的沖刷較明顯,與沼澤沉積共生。泥炭分布在分流河道之間的低地,厚度變化大,容易被河流所沖蝕。煤層層數(shù)少,厚度大,層位穩(wěn)定,結構較簡單(含 1～3層夾矸),含硫量較低,明顯下高上低。此后,隨著河流的不斷注入及海退,曲流河沉積逐漸占主導地位,僅在礦區(qū)的北部有部分濱海沼澤沉積,分流河道相和天然堤相廣泛發(fā)育,沼澤相沉積較少,形成的煤層少且薄。進入早二疊世晚期,開始了石盒子組廣泛的陸相沉積。

5 結 論

(1)張雙樓礦區(qū)山西組形成于濱淺海河控三角洲體系中,為過渡相沉積。潮下帶—潮坪相厚度最小;三角洲相主要發(fā)育三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相;曲流河相沉積對下伏的三角洲相沖刷較明顯,其泥炭沼澤不發(fā)育,形成的煤層多為薄層煤線,不可采。

(2)該區(qū)山西組沉積的地層較穩(wěn)定,南部、西南部以砂巖為主,北部以泥巖為主,碎屑物由南向北搬運。

(3)山西組 7、9煤均為淡水沼澤成煤,煤層含硫量低,屬低硫煤—中硫煤;灰分含量 7煤高于 9煤,7煤為中灰—富灰煤,9煤為低—中灰煤。煤層在全區(qū)廣泛發(fā)育,厚度穩(wěn)定,為重要的可采煤層。

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Shanxi For mation sed imentary environment analysis in Zhangshuanglou m ining area

WANG Hua im eng,ZHU Yanm ing,LIW u
(School of Resource&Earth Science,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China)

This paper presents an analysis of the sedimentary characteristics of Shanxi Formation in Zhangshuanglou mining area,depending on the info rmation of drilled well and borehole survey,in order to investigate sed imentary environment of the coal-bearing series in Zhangshuanglou mining area.The results show that Shanxi Formation was formed in transition phase sedimentary environmentwith a sequence of subtidal-tidal flat environment,delta,meandering river.The formation hasmore stable sedimentary strata and the south and south-west are dominated by sandstones while north by mudstones,showing that clasticswere moved from south to north.The 7 and 9 coal seams occur as the main coal seams of more stable sedimentation.The research provides a theoretical basis for investigating the distribution of coal seams and dete rmining the mining plan.

Zhangshuanglou coal mine;Shanxi Fo rmation;sedimentary environment;sed imentary facies

P534.46

A

1671-0118(2010)02-0111-05

2009-10-10

王懷勐(1986-),男,山東省泰安人,碩士,研究方向:礦產(chǎn)普查與勘探、能源沉積盆地分析等,E-mail:whmcumt@163.com。

(編輯荀海鑫)