大同煤田石炭－二疊紀(jì)煤系沉積物源分析

崔曉立

（四川科技職工大學(xué)礦業(yè)工程系，四川成都 601101）

大同煤田石炭－二疊紀(jì)煤系沉積物源分析

崔曉立

（四川科技職工大學(xué)礦業(yè)工程系，四川成都 601101）

通過(guò)對(duì)大同石炭－二疊紀(jì)煤系沉積物的碎屑特征分析，提出沉積物來(lái)源方向和陸源區(qū)域位置，揭示陸源區(qū)構(gòu)造背景的演化對(duì)沉積物源組分的影響，為大同進(jìn)行古生代煤巖層對(duì)比、預(yù)測(cè)煤層厚度變化規(guī)律等提供了依據(jù)。

大同煤系；碎屑特征；物源分析；陸源區(qū)演化

大同煤田是賦存有石炭-二疊紀(jì)煤系和侏羅紀(jì)煤系的雙紀(jì)煤田。隨著長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模、高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)采，侏羅紀(jì)煤炭資源已逐漸趨于枯竭，石炭-二疊紀(jì)煤系的地質(zhì)勘查與開(kāi)發(fā)工作正有序進(jìn)行，目前塔山礦井已建成投產(chǎn)，同忻井田勘探也將結(jié)束。通過(guò)對(duì)大同石炭-二疊紀(jì)煤系的沉積物源進(jìn)行系統(tǒng)分析，探討煤盆地沉積物來(lái)源及其陸源區(qū)位，以期對(duì)煤盆地沉積演化及煤層對(duì)比分析提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

大同聚煤盆地總體形態(tài)為軸向呈北東——南西向的橢圓形，面積1 827km2，主體構(gòu)造為東南翼地層傾角較陡，西北翼平緩的不對(duì)稱向斜，見(jiàn)圖1。

圖1 大同煤田區(qū)域構(gòu)造示意圖

區(qū)域地層自老至新分別為：太古界集寧群、古生界寒武系、奧陶系下統(tǒng)、石炭系、二疊系；中生界侏羅系、白堊系；新生界第三系、第四系［1］。石炭二疊系地層巖性及含煤性描述如下。

1.1 中石炭統(tǒng)本溪組

本組底部為紫色鐵質(zhì)泥巖及灰色鋁土質(zhì)泥巖；中上部為深灰色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖及灰白色石英砂巖互層；中部夾一層厚2～5m的石灰?guī)r；上部以砂巖、泥巖互層為主。厚35m左右，與下伏奧陶系為平行不整合接觸。

1.2 上石炭統(tǒng)太原組

本組為主要含煤地層。底部以灰褐色中粗粒砂巖（K2）與本溪組分界，往上為砂巖、泥巖互層，夾9#和10#兩個(gè)薄煤層，一般不可采，再向上為厚2～6m的8#煤層，煤層頂部是含腕足類動(dòng)物化石碎片的泥灰?guī)r及泥巖。

中部以灰白色含礫粗砂巖、粗、中砂巖為主，砂巖中含大型交錯(cuò)層理，韻律結(jié)構(gòu)明顯，夾6#、7#局部可采煤層，砂巖不穩(wěn)定，橫向上多變?yōu)榛野咨百|(zhì)泥巖、粉砂巖。其上為巨厚層的5#煤層，是本區(qū)域最主要可采煤層。

上部主要為巨厚的砂礫巖、含礫粗砂巖、中粗砂巖，與砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，砂巖中發(fā)育大型交錯(cuò)及水平層理，韻律結(jié)構(gòu)明顯，砂體底部多具沖刷面，砂巖間夾4#、3#和2#煤層。

太原組總厚度一般為80～100m，由南向北厚度逐漸變薄，至十里河以北尖滅。煤層最大厚度47.45m，一般17m，含煤系數(shù)近20％。與下伏本溪組為整合接觸。

1.3 二疊系山西組

山西組底部為一層灰白色砂礫巖、含礫粗砂巖或中粗砂巖（K3），巖性不穩(wěn)定，厚度4m左右。往上為灰、灰白色粗砂巖、中粒砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖互層。其間夾4層薄煤層，只有4＃煤層較穩(wěn)定，部分可采。本組厚20～80m，一般50～60m，由南、南東向北、北西變薄，至忻洲窯-新、舊高山一線以北尖滅。含煤總厚0.16～10.63m，一般3m，含煤系數(shù)4％。

下石盒子組以灰綠、灰黃、灰白色砂巖、泥巖為主，厚度64～68m。

上石盒子組以灰綠、黃綠、灰紫色砂巖、含礫石英砂巖為主，厚度168～231m。

山西組與上覆石盒子組為整合接觸，與下伏石炭系太原組為整合接觸。

2 大同石炭-二疊紀(jì)煤系沉積物源分析

碎屑巖類分析法被廣泛用于物源分析［2］，主要是通過(guò)對(duì)選定層位砂巖樣品的碎屑組分和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)反映物源區(qū)和沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境。由于砂巖的骨架礦物成分是由物源區(qū)的母巖遭風(fēng)化、剝蝕后被搬運(yùn)到沉積盆地的，砂巖中骨架顆粒類型、含量及其組合、光性特征等都能反映盆地物源區(qū)母巖性質(zhì)及盆地接受沉積時(shí)物源區(qū)的構(gòu)造背景，所以可根據(jù)砂巖的成分判斷其物源區(qū)的構(gòu)造性質(zhì)，進(jìn)而探討盆地沉積演化［3］。根據(jù)大同石炭-二疊紀(jì)煤系的巖性特點(diǎn)采用碎屑巖類分析法對(duì)物源進(jìn)行分析，通過(guò)測(cè)定古流向確定物源的來(lái)源方向，采用砂巖碎屑組分分析法判定物源區(qū)的母巖性質(zhì)及構(gòu)造背景。

2.1 古流向分析

砂巖層中交錯(cuò)層理細(xì)層的傾向能反映古水流的流向，揭示物源區(qū)的來(lái)源方位。本次研究選擇了區(qū)域分布相對(duì)穩(wěn)定的太原組底部K2砂巖、5#煤層底板砂巖及山西組底部K3砂巖作為研究對(duì)象。野外實(shí)測(cè)了關(guān)鍵巖層的產(chǎn)狀及交錯(cuò)層理細(xì)層的產(chǎn)狀，采用極射赤平投影方法恢復(fù)了巖層及交錯(cuò)層理的原始產(chǎn)狀。其中，實(shí)測(cè)K2砂巖交錯(cuò)層理細(xì)層產(chǎn)狀34組，經(jīng)統(tǒng)計(jì)校正后的平均傾向?yàn)?49°；實(shí)測(cè)5#煤層底板砂巖交錯(cuò)層理細(xì)層產(chǎn)狀52組，平均傾向154°；實(shí)測(cè)K3砂巖交錯(cuò)層理細(xì)層產(chǎn)狀60組，平均傾向151°。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大同地區(qū)在石炭-二疊紀(jì)煤系沉積時(shí)段，古水流屬單向模式從北北西向南南東向流動(dòng)，注入大同聚煤盆地，指示當(dāng)時(shí)盆地沉積的物源區(qū)為盆地北部的陰山隆起帶。

2.2 碎屑組分特征

大同石炭-二疊紀(jì)煤系地層中發(fā)育砂、礫巖21～26層，經(jīng)過(guò)野外露頭采取砂巖樣品及鏡下鑒定，根據(jù)中、粗粒砂巖碎屑顆粒的礦物成分、表面形態(tài)特征、消光特性及類型、雙晶類型、邊緣特征等進(jìn)行分析，認(rèn)為巖石類型主要為石英砂巖、巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖等，見(jiàn)表1。

2.2.1 本溪組砂巖碎屑組分特征

表1 大同石炭-二疊紀(jì)煤系砂巖碎屑組分成因統(tǒng)計(jì)表/％

鏡下觀察本溪組砂巖的碎屑組分中石英占95％以上，巖屑占4.71％，膠結(jié)物主要為泥質(zhì)。石英碎屑顆粒主要有單晶石英和多晶石英。單晶石英鏡下大多表現(xiàn)為具波狀消光及不完整的次生加大邊特征，且分選性、磨圓度較好，這類單晶石英應(yīng)屬沉積巖型；多晶石英的鏡下特征常由幾個(gè)粒狀石英組合而成，顆粒多具次生加大邊，這類多晶石英應(yīng)屬沉積型石英。鏡下也見(jiàn)極少量不具波狀消光、表面較潔凈的單晶石英，這類單晶石英應(yīng)屬巖漿巖型。鏡下偶見(jiàn)接觸線較平直呈鑲嵌狀的粒度大小相近的石英顆粒組合成的多晶石英，這類多晶石英應(yīng)為巖漿巖型石英。本溪組的巖屑主要為粉砂質(zhì)泥巖巖屑，成分為粉砂級(jí)石英及粘土礦物，外形呈次圓狀，磨圓度較好，為沉積型巖屑。正交鏡下見(jiàn)少量呈集合消光的由微晶石英組成的燧石巖屑，屬沉積型巖屑。

本溪組沉積巖型碎屑顆粒占98％以上，而巖漿巖型碎屑占1％左右，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變質(zhì)巖型碎屑。分析結(jié)果表明，大同地區(qū)本溪組沉積時(shí)，物源區(qū)出露分布大面積的具次生加大邊特征的石英顆粒組成的沉積巖，巖漿巖體出露極少量。

2.2.2 太原組砂巖碎屑組分特征

鏡下觀察太原組砂巖碎屑組分，石英占82.69％，巖屑占14.81％，長(zhǎng)石占2.5％，膠結(jié)物為泥質(zhì)、硅質(zhì)。石英碎屑顆粒有單晶石英和多晶石英。單晶石英的鏡下特征大多為具不完整次生加大邊的石英顆粒，應(yīng)屬沉積巖型；其次是具不規(guī)則裂紋且呈碎塊消光的單晶石英，鏡下觀察碎屑表面有少量黑色麻點(diǎn)，應(yīng)為變質(zhì)巖型；還有極少數(shù)具熔蝕結(jié)構(gòu)邊緣呈港灣狀均一消光的單晶石英，屬花崗巖型。鏡下多晶石英大多呈集合體形式出現(xiàn)，次生加大邊較明顯，應(yīng)為沉積巖型多晶石英；其次是以縫合線形式接觸的由幾個(gè)粒度不等的石英顆粒組成的多晶石英，這類石英應(yīng)為變質(zhì)巖型石英。還見(jiàn)少量呈鑲嵌狀接觸線平直的多晶石英，應(yīng)屬花崗巖型。

太原組的巖屑主要為粉砂質(zhì)泥巖巖屑及微晶石英組成的燧石巖屑，都屬沉積巖型巖屑。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，太原組沉積巖型碎屑顆粒達(dá)82.46％，而變質(zhì)巖型顆粒占10.92％，巖漿巖型顆粒僅為6.62％，說(shuō)明太原組沉積時(shí)物源區(qū)仍以沉積巖為主，但隨著陸源區(qū)剝蝕程度加強(qiáng)，一些巖漿巖體和變質(zhì)巖逐漸露出地表遭風(fēng)化剝蝕。

2.2.3 山西組砂巖碎屑組分特征

鏡下觀察山西組砂巖碎屑組分中石英達(dá)67.36％，巖屑21.64％，長(zhǎng)石11％，膠結(jié)物以泥質(zhì)為主。石英碎屑顆粒有單晶石英和多晶石英。單晶石英的鏡下特征通常具次生加大邊，這類單晶石英屬于沉積巖型；其次為具不規(guī)則裂紋呈碎塊消光的單晶石英，這類單晶石英屬變質(zhì)巖型；偶爾可見(jiàn)邊緣呈港灣狀均一消光的單晶石英，屬花崗巖型。鏡下觀察多晶石英大多為多晶集合體，具次生加大邊，屬沉積巖型；其次是晶粒間呈縫合線狀接觸的多晶石英，應(yīng)屬變質(zhì)巖型；還有少量具平直接觸線的多晶石英，屬于花崗巖型。山西組的巖屑主要是粉砂質(zhì)泥巖巖屑和由石英微晶集合而成的燧石巖屑。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，山西組沉積巖型顆粒為64.95％左右，變質(zhì)巖型碎屑達(dá)到23.33％，巖漿巖型顆粒為11.73％，說(shuō)明山西組沉積時(shí)物源區(qū)既有大面積沉積巖分布，還岀露有較大范圍的變質(zhì)巖和巖漿巖。

綜合上述，從本溪期始到太原期至山西期，碎屑成分由沉積型單一組分逐漸變?yōu)殡p組分到三組分，揭示物源區(qū)逐步抬升，母巖遭風(fēng)化剝蝕范圍和深度逐漸擴(kuò)大加深。

2.3 物源區(qū)古構(gòu)造演化

物源區(qū)的古地理和古構(gòu)造背景特征與沉積盆地中砂巖碎屑組分的類型及含量關(guān)系密切［4］。通過(guò)對(duì)大同石炭-二疊紀(jì)煤系砂巖碎屑組分中石英、長(zhǎng)石、巖屑含量的分類統(tǒng)計(jì)表明，本溪組石英與燧石的總量達(dá)96％，巖石碎屑占4％，無(wú)長(zhǎng)石。太原組石英與燧石的總量介于84％～95％，平均為90.75％；巖石碎屑含量介于5％～11％，平均為8.0％；長(zhǎng)石含量最高達(dá)3％。山西組石英與燧石的總量占79％～87％，平均為82％；巖石碎屑占11％～21％，平均16.4％；長(zhǎng)石含量介于0％～5％，平均為1.6％，見(jiàn)表2。

表2 大同石炭-二疊紀(jì)煤系砂巖碎屑組分（Dickinson）參數(shù)表

將本溪組砂巖碎屑顆粒組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果投入QF-L圖中，其位置落入再旋回造山帶區(qū)域；太原組的砂巖碎屑顆粒組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在Q-F-L圖中95％落到再旋回造山帶區(qū)域，其余落到大陸板塊區(qū)域；山西組的砂巖碎屑顆粒組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，投到QF-L圖解中，90％落到再旋回造山帶區(qū)域；10％落在大陸板塊區(qū)域。說(shuō)明在大同石炭-二疊紀(jì)煤系沉積初期，陸源區(qū)出露著大范圍的沉積巖層，陸源區(qū)與華北地塊處于同一構(gòu)造單元，后來(lái)伴隨著華北板塊和西伯利亞板塊的碰撞，陰山一帶逐漸隆起，剝蝕強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，使變質(zhì)巖系及侵入其中的巖漿巖體逐漸露出地表遭受剝蝕，而大同地區(qū)拗陷沉降，大同石炭-二疊紀(jì)聚煤盆地接受來(lái)自陰山一帶風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物的沉積，可見(jiàn)陰山一帶仍屬于華北克拉通地塊的一個(gè)組成部分，“陰山古陸”不應(yīng)該是自元古宇以來(lái)就長(zhǎng)期隆升的構(gòu)造單元［5］。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大同石炭-二疊紀(jì)煤系沉積物源特征分析，認(rèn)為陸源區(qū)為大同北部的陰山隆起構(gòu)造帶。物源碎屑特征揭示出的物源區(qū)構(gòu)造演化背景，顯示在大同石炭-二疊紀(jì)煤系沉積之前，陰山一帶仍屬華北克拉通地塊的一部分，陰山構(gòu)造帶并不是自元古宇以來(lái)就長(zhǎng)期隆升的構(gòu)造單元，而是自早石炭世末伴隨著華北板塊和西伯利亞板塊的碰撞，陰山構(gòu)造帶逐漸隆起并遭風(fēng)化剝蝕，成為大同石炭-二疊紀(jì)聚煤盆地的沉積物源供給區(qū)。

［1］周安朝.大同晚古生代含煤盆地地質(zhì)學(xué)研究［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

［2］王成善，李祥輝.沉積盆地分析原理與方法［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］李思田，解習(xí)農(nóng).沉積盆地分析基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］郗寶華.大同煤田晚古生代陸源區(qū)母巖組合探討［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009（11）：146-148.

［5］周安朝.華北地塊北緣晚古生代盆地演化及盆山耦合關(guān)系［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

〔編輯 石白云〕

Analysis of the Source of the Deposits of Datong Coal Seams Formed in the Permo-carboniferous Period

CUI Xiao-li
（Department of Mining Engineering，Sichuan Staff University of Science and Technology，Chengdu Sichuan，601101）

After surveying the characteristics of the scraps from the deposits of Datong coal seams formed in the Permocarboniferous period，the author puts forward the source of the deposits and the location of the sourceland，and reveals the influence of the evolution of the sourceland structure on the elements of the deposits.This research provides proofs for further studies including Paleozoic coal rock formation comparison and the prediction in coal layer thickness change.

Datong coal family；characterizes of the scraps；source analysis；sourceland evolution

P534.46

A

1674－0874（2011）04－0055－04

2011－04－28

崔曉立（1960－），男，北京人，碩士，副教授，研究方向：煤田地質(zhì)與巖礦分析。