五畝盆地沉積環(huán)境及聚煤作用分析

宋紅偉　余鄭生　余哲慶

摘要：五畝盆地是靈寶盆地邊緣的一個(gè)次級盆地，長期以來學(xué)者對其含煤性均未明確答復(fù)，對其煤類及煤質(zhì)特征亦未進(jìn)行專項(xiàng)研究。本文通過分析該盆地沉積環(huán)境和沉積特征，對該盆地穿時(shí)地質(zhì)體項(xiàng)城組所賦存的劣質(zhì)長焰煤的演化過程、聚煤作用進(jìn)行了較為深入的研究，指出該盆地沉降中心與富煤帶空間位置上存在差異，分析了項(xiàng)城組劣質(zhì)煤屬于異地煤的可能性，并進(jìn)一步印證了古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的客觀存在。

概況

五畝盆地位于河南省靈寶市南側(cè)，地處小秦嶺和崤山隆斷區(qū)之間，呈北東向展布，是靈寶盆地邊緣的一個(gè)次級盆地。長期以來，人們對該盆地的含煤性存在相當(dāng)大的爭議，地質(zhì)工作者雖然把所含煤層（線）的發(fā)育作為該盆地充填地層項(xiàng)城組的一個(gè)標(biāo)志層，但是對該煤層（線）的發(fā)育情況、分布范圍及煤質(zhì)特征沒有清楚認(rèn)定。通過對盆地含煤層段進(jìn)行地質(zhì)勘查、鉆探驗(yàn)證和地球物理測井，認(rèn)為該盆地局部含有多層劣質(zhì)煤層或煤線。煤樣分析結(jié)果表明，其煤層（或煤線）不具備工業(yè)價(jià)值，但對該區(qū)古新世一始新世的氣候特征、沉積環(huán)境及構(gòu)造變動(dòng)等的研究具有重要意義。

1.構(gòu)造背景

五畝盆地位于渭河斷陷盆地帶的東部南緣。新生代以來，渭河斷陷盆地帶主要表現(xiàn)為大幅度的沉陷（圖1）并接受巨厚的松散層堆積。五畝盆地位于華山隆褶區(qū)與崤山壟斷區(qū)之間，區(qū)內(nèi)發(fā)育白堊系、古近系、新近系砂礫巖及第四系黃土層，成巖作用差，未遭受變質(zhì)作用。構(gòu)造活動(dòng)表現(xiàn)為古近紀(jì)至新近紀(jì)的構(gòu)造傾斜及表殼脆性斷裂活動(dòng)。盆地邊緣基本受朱陽一大營斷裂（靈寶一三門峽斷裂的一部分）和五畝斷裂控制（圖2），在縱斷面上具有北部深且陡、南部淺又緩的特征，形成掀斜式盆地。事實(shí)上，基底斷塊的掀斜運(yùn)動(dòng)正是中國東部中生代末期一新生代早期發(fā)生的擴(kuò)張裂陷作用的主要表現(xiàn)形式翻。

五畝盆地的形成時(shí)代，目前尚有爭議。一則認(rèn)為形成于古近紀(jì)始新世，一則認(rèn)為形成于中生代末期網(wǎng)。筆者根據(jù)沉積特征及區(qū)內(nèi)地震反射波時(shí)間曲線，認(rèn)為其形成于中生代末期，成型于古近紀(jì)古新世一始新世，然后受區(qū)域構(gòu)造升降運(yùn)動(dòng)的影響，于漸新世沉積間斷，到新近紀(jì)重新接受沉積。朱陽一大營斷裂和五畝斷裂形成于中生代，但在新生代繼承了前期活動(dòng)特征，屬于新華夏系斷裂帶。這兩條斷裂不僅控制著五畝盆地的走向，而且影響其接受沉積的全過程，在盆地形成伊始即具有同沉積斷裂的特征，因而五畝盆地屬于同沉積斷陷，邊緣斷裂對五畝盆地的聚煤古地理環(huán)境及聚煤條帶展布具有重要的控制作用。

按沉積物性質(zhì)，五畝盆地古地理環(huán)境屬于陸源碎屑淡水湖泊相沉積，由于受邊緣斷裂控制，基底斷裂具有同沉積斷層的性質(zhì)。分析五畝盆地的沉積組合，有以下幾個(gè)特征：

首先，含煤地層項(xiàng)城組巖性存在相變。項(xiàng)城組在時(shí)間上是一個(gè)穿時(shí)地質(zhì)體，其形成歷史為古新世一始新世，空間上東西部巖性存在相變。確切地說，含煤地層是項(xiàng)城組中段的中下部，東部中段巖性整體顏色為灰黃色，主要巖性為礫巖、粘土巖、泥灰?guī)r和石英砂巖。西部則整體呈深灰一灰黑色，巖性組合含有較多的泥灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖。在項(xiàng)城東南，可見炭質(zhì)泥巖出露，其深部經(jīng)試驗(yàn)孔ZK201驗(yàn)證見21層劣質(zhì)煤層或煤線。

其次，盆地內(nèi)沉積巖系含有大量砂巖、礫巖，反映其水動(dòng)力條件強(qiáng)。平面上看，盆地前緣分布著巨厚的粗碎屑沖積扇帶，主要為沖、洪積成因的砂、礫堆積，分布范圍以盆地東部和北部為主，盆地南部、北部有少量分布。剖面上看，項(xiàng)城組上、下段巖性主要表現(xiàn)為粘土巖和礫巖互層或互為夾層，含煤的中段下部仍含有少量礫巖。根據(jù)野外現(xiàn)場觀察和統(tǒng)計(jì)，礫石礫徑一般5cm～8cm，最大可達(dá)40cm，磨圓度較好，分選性差，說明經(jīng)過了較長距離的搬運(yùn)，水動(dòng)力條件強(qiáng)。

第三，在盆地東南，項(xiàng)城組下伏地層是白堊系南朝組粘土巖、礫巖，在盆地西南，項(xiàng)城組直接覆蓋于中元古界熊耳群之上。試驗(yàn)孔ZK201終孔層位為熊耳群安山巖，其上為項(xiàng)城組中段紫紅色粘土巖、頁巖和灰?guī)r等，缺失下段。東西部下伏地層不同說明至少在白堊紀(jì)時(shí)，盆地西南處于相對隆起階段，缺失沉積或沉積遭受剝蝕。而試驗(yàn)孔則進(jìn)一步說明了該階段持續(xù)到古新世早期。這反映該區(qū)經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展較為迅速的沉降過程，由前期不接受沉積（隆起）發(fā)展到深湖相。該區(qū)位于五畝斷裂下降盤，其沉積作用受邊緣斷裂控制明顯。另一方面，試驗(yàn)孔附近有煤線出露，產(chǎn)狀與邊緣斷裂朱陽一大營斷裂基本一致，而在盆地其他地帶，地層產(chǎn)狀受邊緣斷裂五畝斷裂的影響。邊緣斷裂基本控制了盆地內(nèi)巖石的產(chǎn)出或者產(chǎn)狀。

第四，理想的湖泊沉積模式在平面上呈帶狀分布，沉積物粒度由邊緣到中心由粗變細(xì)。五畝盆地內(nèi)各巖層在平面及剖面上分布的穩(wěn)定性和連續(xù)性較差，很難見到巖性呈環(huán)帶狀分布，應(yīng)有的環(huán)帶狀分布規(guī)律被打破。影響其水平或垂直分布的外營力主要是來自陸源方向的水動(dòng)力條件。礫巖礫石成分以中元古界長城系許山組安山巖和龍家園組白云巖為主，含少量燧石巖。許山組分布于盆地南側(cè)，而龍家園組距礦區(qū)南部尚有10km。八道河和五畝河所處位置的古河流應(yīng)該是外營力中的主要因素，除此之外，許山組、雞蛋坪組、馬家河組當(dāng)時(shí)都處于一個(gè)相對隆起的環(huán)境，山洪泥石流是陸源水動(dòng)力中的另一個(gè)外營力因素。

3.沉積環(huán)境及聚煤作用

聚煤盆地的形成與成盆期盆地邊緣斷裂及其演化有密切關(guān)系，因?yàn)閿鄬觾蓚?cè)地塊的升降會引起沉積盆地的水進(jìn)水退，從而改變其沉積環(huán)境嗍。反之，可以從沉積物組合特征分析當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境和聚煤作用。

從試驗(yàn)孔ZK201巖性組合來分析靈寶一五畝盆地沉積特征，可以將該盆地充填特征歸結(jié)于一個(gè)水進(jìn)序列：底部代表粗碎屑沖、洪積充填階段，然后進(jìn)入湖泊相細(xì)碎屑充填與含煤細(xì)碎屑充填的穩(wěn)定交替階段。只不過由于湖盆范圍變化較大，加上當(dāng)時(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，有些地方?jīng)]有接受底部粗碎屑沖洪積充填或接受極少，如ZK201終孔于熊耳群安山巖，其上僅接受0.64m的粘土巖和0.56m的含礫頁巖，再向上便是深湖相的灰黑一黑色的鈣質(zhì)泥巖和灰?guī)r沉積；而多數(shù)地方則在接受湖相沉積以后，重新接受沖洪積的河流相粗碎屑沉積。

由于沉積環(huán)境的分異，導(dǎo)致了沉積相在橫向上的改變，不同的沉積相具有不同的巖性組合，其含煤性差異很大。盆地中部以東以沖洪積的河流相粗碎屑沉積為主，較強(qiáng)的水動(dòng)力條件不利于煤層的形成。盆地中部以西則伴隨著水進(jìn)過程的發(fā)生，湖水逐漸加深，水動(dòng)力條件逐漸減弱，在氣候和植被條件合適的情況下，最終形成煤。但是從試驗(yàn)孔ZK201含有21層薄煤或煤線這一事實(shí)來看，沉積過程不夠連續(xù)，成煤條件極不穩(wěn)定。驗(yàn)證孔ZK2406未見煤，也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

含煤層項(xiàng)城組中段沉積環(huán)境以深水相沉積為主，并不具備泥炭形成的條件。位于西區(qū)的試驗(yàn)孔ZK201穿見21條劣質(zhì)煤線反映當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境變化頻繁，而且煤層（線）的底板并非根土巖，主要為含煤屑的灰?guī)r，少量是含煤屑的泥巖。附近老硐845m長揭露30條煤線，其中絕大多數(shù)煤線只是含有較多不連續(xù)的煤屑，厚度僅數(shù)厘米。含煤巖性主要為灰?guī)r，少量為泥灰?guī)r。位于東區(qū)的驗(yàn)證孔ZK2406揭露巖性始終以紅色粘土巖和砂礫巖互層為主，僅在終孔前見有一粒徑1cm左右的煤屑，動(dòng)蕩的環(huán)境進(jìn)一步證實(shí)該煤屑屬于異地沖積物。根據(jù)煤質(zhì)特征，五畝煤礦物質(zhì)含量極高，綜上推測該煤屬于異地煤。

總觀五畝盆地巖性、煤帶分布及構(gòu)造特征，結(jié)合地震時(shí)間剖面，可以發(fā)現(xiàn)富煤帶位于西南部項(xiàng)城附近，地表煤線走向與含煤巖系走向一致。沉降中心位于盆地北部朱陽一大營斷裂南東側(cè)。富煤帶與沉降中心兩者并不一致，這符合斷陷盆地的沉降特點(diǎn)與煤礦賦存規(guī)律。

4.煤質(zhì)特征

4.1物理性質(zhì)

根據(jù)煤芯煤樣，本區(qū)煤呈薄層狀，顏色黑一灰黑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裂隙發(fā)育，為塊煤。煤巖構(gòu)成以暗煤為主，另含少量鏡煤，多呈條帶夾于暗煤之間。鏡煤呈黑色，條痕褐色，玻璃光澤，性脆、內(nèi)生裂隙發(fā)育，貝殼狀斷口；暗煤呈黑褐色，條痕褐色，光澤暗淡，硬度較大，裂隙不發(fā)育。M1、M3、M4視密度分別為1.90t/m3、1.91t/m3和1.72t/m3。

4.2煤巖特征

通過鉆孔取樣鑒定，三層煤原煤有機(jī)組分含量51.9%～57.9%，其中鏡質(zhì)組含量最高，一般為35.4%～43.5%。惰質(zhì)組含量其次，為9.5%～12.1%。殼質(zhì)組含量4.4%～4.9%。鏡質(zhì)組有機(jī)組分以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，含少量結(jié)構(gòu)、碎屑鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組有機(jī)組分以碎屑惰質(zhì)體為主，絲質(zhì)體次之，含少量粗粒體、微粒體及菌類體。殼質(zhì)組有機(jī)組分以小孢子為主，角質(zhì)體次之，含少量樹脂體及菌類體。

原煤無機(jī)組分含量42.1%～48.1%，主要為粘土和碳酸鹽，另含少量硫化物和氧化硅。其中粘土以分散狀為主，塊狀次之，含少量細(xì)胞充填狀。碳酸鹽以塊狀為主，裂隙充填狀次之，含少量細(xì)胞充填狀。黃鐵礦以分散粒狀為主，大小不一，分布不均。氧化硅呈粒狀，大小不一，分布不均。

4.3工業(yè)性質(zhì)

區(qū)內(nèi)煤水分含量由淺到深變化較大，且逐漸增加?；曳只境瑯?biāo)，但經(jīng)浮選后，灰分下降率超80%。硫分含量變化較大，揮發(fā)分含量變化小。干燥基低位發(fā)熱量均達(dá)不到資源量估算指標(biāo)要求（表1）。

根據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》（DZ/T 0215-2002），對所取煤樣根據(jù)褐煤和長焰煤的要求，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的檢測，其中主要包括煤的粘結(jié)性、腐殖酸、透光率、真密度和視密度。

M4分1粘結(jié)指數(shù)（C）偏低，僅有31。而M1、M3分別為13和12，角質(zhì)層厚度分別為6.5mm和5.5mm。M4分，透光率76%，M1、M3分別為77%和75%，三者腐殖酸含量分別為1.42、3.03和2.03。M1、M3、M4的真密度分別為1.82、2.00和2.06t/m3，視密度分別為1.72、1.90和1.91t/m3。

4.4煤類的確定

送檢三煤層M1、M3、M4原煤無灰干燥基揮發(fā)份含量分別為39.36%、40.97%和41.33%，含量均大于37%，M1、M3、M4粘結(jié)指數(shù)分別為12、13和31，可以判定其煤種屬長焰煤，牌號42。

綜上所述，M1和M3由于灰分和最低發(fā)熱量均不符合規(guī)范要求，不能算煤，只能定義為經(jīng)過了煤化作用。M4灰分未超標(biāo)，但發(fā)熱量略低于煤炭資源量估算指標(biāo)，可算作高灰分、低硫、低發(fā)熱量的劣質(zhì)煤。統(tǒng)計(jì)資料表明，褐煤的真密度為1.28t/m3～1.429t/m3，煙煤的真密度為1.27t/m3～1.339t/m3。本次送檢的三個(gè)煤樣真密度遠(yuǎn)大于煙煤和褐煤的密度范圍，說明其無機(jī)物含量過高，這與前述該“煤”灰分偏高、發(fā)熱量偏低的特點(diǎn)相吻合。

5.沉積特征對古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的印證

資料表明，在古近紀(jì)存在一條從北西到南東向延伸的全球性干旱氣候帶，在我國從新疆入境，經(jīng)青海、甘肅、陜西、湖北、湖南、江西，到達(dá)浙江、福建地區(qū)，在這個(gè)沉積帶內(nèi)，沉積物大多屬于紅色的和含鈣質(zhì)的類型，夾有石膏和巖鹽。受當(dāng)時(shí)氣候條件控制，我國古近紀(jì)聚煤作用主要發(fā)生在東北部地區(qū)。由于氣候帶的變遷，在古近紀(jì)潮濕氣候帶內(nèi)雖以含煤沉積為主，但其含煤段上下還有紅層及膏鹽沉積。

五畝盆地所處地理位置，毗鄰陜西，位于呂梁山正南，太平洋季候風(fēng)的水蒸氣大部分降落在呂梁山和太行山以東，該盆地地處此干旱氣候帶的北緣。而該干旱氣候帶以東為半干旱、半潮濕氣候區(qū)。如前所述，項(xiàng)城組沉積特征仍以紅層為主，紫紅色粘土巖在地層中所占比重極大，且貫穿不同層段，是對古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的印證，同時(shí)也反映了五畝盆地沉積環(huán)境的變化比較頻繁，進(jìn)一步說明該干旱氣候帶的邊界歷經(jīng)了一定程度的往復(fù)變遷。

6.結(jié)論

綜上所述，得出如下認(rèn)識：

①五畝盆地經(jīng)歷了一次斷續(xù)的聚煤作用，聚煤期為古新世—始新世之間。但由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的頻繁及氣候帶的變遷，聚煤作用持續(xù)時(shí)間較短，且聚煤作用并非發(fā)生在沉降中心。五畝盆地作為一個(gè)掀斜式斷陷盆地，沉降中心位于北部邊界斷裂南側(cè)，聚煤作用發(fā)生在南部項(xiàng)城一帶，沉降中心與富煤帶不一致。

②五畝盆地充填巖性組合反映其水動(dòng)力條件較強(qiáng)，除富煤帶水位相對較深外，其余地區(qū)基本不具備形成煤的條件。盆地內(nèi)巖性組合以紅層為主，從一個(gè)側(cè)面反映了古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的存在及在本區(qū)的界線。

③五畝盆地所賦存的煤屬異地煤，礦物質(zhì)成分含量較高。一般煤層、煤線的底板均為根土巖，而本區(qū)主要為含煤屑的灰?guī)r，少量為含煤屑的泥巖，說明本區(qū)富煤帶多數(shù)時(shí)間處于深水沉積環(huán)境，本區(qū)煤的聚集經(jīng)歷過一定距離的搬運(yùn)。

④五畝盆地煤為長焰煤，其變質(zhì)程度略高于褐煤，但由于灰分偏高、發(fā)熱量偏低，煤層分布范圍較小且不夠穩(wěn)定，不具備工業(yè)價(jià)值。