陸表海盆地不同海侵背景下黏土巖特征及其應(yīng)用價(jià)值
——以棗莊陶棗煤田為例

張 藝，呂大煒

(山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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陸表海盆地不同海侵背景下黏土巖特征及其應(yīng)用價(jià)值
——以棗莊陶棗煤田為例

張 藝，呂大煒

(山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

采用煤地質(zhì)學(xué)、煤地球化學(xué)及沉積學(xué)方法，對(duì)棗莊陶棗煤田早二疊紀(jì)13、14和17煤層及底板黏土巖進(jìn)行采樣測(cè)試發(fā)現(xiàn)：不同煤層底板的黏土巖質(zhì)量存在著差異，13、14煤為海退形成煤層，其黏土巖高嶺石、伊利石含量相對(duì)較低，石英含量較高，形態(tài)多呈尖棱狀。17煤是海侵形成，其黏土巖高嶺石、伊利石含量相較高，石英含量較低，形態(tài)多為次圓狀，化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)在84.26%～92.18%，平均為88.22%，受到的化學(xué)風(fēng)化作用較弱，黏土質(zhì)量更好；化學(xué)分析結(jié)果表明：研究區(qū)黏土巖SiO2含量為40.61%～63.91%，Al2O3含量為21.52%～42.92%，堿金屬及其他氧化物含量較低，且Fe2O3含量為0.48%～2.98%，TiO2含量為0.31%～1.32%，在耐火材料工業(yè)達(dá)到一級(jí)品位，有利于深加工應(yīng)用。該研究結(jié)果為煤系共伴生礦產(chǎn)開采提供了一定的依據(jù)。

陶棗煤田；黏土巖；海侵；地球化學(xué)特征

黏土礦床用途廣泛，經(jīng)濟(jì)意義重大，它可用來(lái)生產(chǎn)陶瓷和耐火材料。形成于華北地區(qū)晚古生代含煤巖系中的黏土礦床被用來(lái)做陶瓷和耐火材料已很多年，可塑性很高，是一種非常優(yōu)良的粘結(jié)劑[1]。除此之外，黏土礦床還可用于石油、建筑、紡織、造紙、油漆等工業(yè)。另外，由于黏土礦床具有特定的礦物成分，礦物形態(tài)，化學(xué)成分，微量元素和產(chǎn)出位置及分布，往往代表一個(gè)特定的沉積環(huán)境，可根據(jù)它的分布，恢復(fù)古地形地貌，巖相古地理；也可以根據(jù)其中穩(wěn)定同位素的分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行沉積環(huán)境和地質(zhì)年代的研究[2]。

中國(guó)華北山東地區(qū)石炭二疊系煤炭開采歷史悠久[1]。目前，魯西地區(qū)形成黏土礦開采已經(jīng)在淄博、棗莊等地，但是對(duì)于具有同等地質(zhì)條件的滕縣陶棗煤田仍需進(jìn)一步研究。陶棗煤田位于魯西南地區(qū)，主要含煤地層為晚古生代石炭-二疊系山西組和太原組，以前的地質(zhì)研究主要是關(guān)注煤層的開采和煤系沉積環(huán)境，隨著進(jìn)一步的研究，越來(lái)越多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在煤層底部有大量的可潛在用于工業(yè)制造的黏土礦床，但是不同沉積環(huán)境下控制的黏土礦床存在著很大的差異性，不同類型黏土礦床的工業(yè)利用也存在著較大的差異，這種差異性不但體現(xiàn)在開采上，更重要體現(xiàn)在原始沉積環(huán)境差異性，因此，黏土礦床的原始沉積環(huán)境成為研究重點(diǎn)，為此，以魯西陶棗煤田黏土礦床為主要實(shí)例，通過(guò)分析黏土礦床沉積環(huán)境差異性，能夠更好的反映出不同類型黏土礦床利用的各向異性。

1 地質(zhì)背景

陶棗煤田位于華北西南地區(qū)南部(圖1)，其范圍北起北山大斷層，東西全長(zhǎng)30km，南北寬3～7km，面積約147km2，含煤面積為90.10km2。區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭-二疊系山西組和太原組，厚度約280m，共含煤18層。其中太原組形成于陸表海沉積環(huán)境[1]，厚約180m，其煤層及其頂?shù)装宄练e環(huán)境出現(xiàn)很大差異性，其頂?shù)装灏ㄖ?、?xì)砂巖抑或灰?guī)r，不同類型的頂?shù)装宄练e環(huán)境形成了不同性質(zhì)的黏土礦，這些黏土礦層厚度與沉積環(huán)境密切相關(guān)[1]，為此本文對(duì)朱子埠13煤上、下層間高嶺石黏土巖(厚度0.2m)、山家林、甘霖13煤與14煤間黏土巖(厚度0.55～0.7m，平均厚度為0.625m)、陶莊14煤夾矸(厚度0.5m)、甘霖、朱子埠17煤底板煤層底板黏土礦采樣(圖1)，通過(guò)地球化學(xué)和沉積學(xué)相結(jié)合方法研究其沉積特征，確定不同沉積成因類型黏土礦特征，為預(yù)測(cè)黏土礦的分布提供一定依據(jù)。

2 采樣及研究方法

共計(jì)采樣6個(gè)(采樣位置見圖1和圖2)。樣品的采集和準(zhǔn)備均依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤層煤樣采取方法》(GB/T482-2008)和《煤樣的制備方法》(GB/T 474-2008)分析主量元素，對(duì)于主量元素測(cè)試結(jié)果，采用化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)分析其風(fēng)化程度[3]。采用X衍射和偏光顯微鏡綜合分析煤中礦物：對(duì)所采樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，制作一系列定向片后用X射線衍射分析可方便地鑒定各種常見的晶質(zhì)黏土礦物，運(yùn)用偏光顯微鏡分析研究樣品薄片的成分及晶體特征。實(shí)驗(yàn)測(cè)試在山東科技大學(xué)沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖1 陶棗煤田的地理位置及采樣分布圖Figure 1 Taozao coalfield geographical setting andsampling point distribution

圖2 樣品在鉆井中的垂直分布Figure 2 Vertical distribution of samples in borehole(陶莊、山家林、甘霖和朱子埠礦井均采自太原組礦井平面分布位置見圖1)

3 結(jié)果

3.1 常量元素

6個(gè)黏土巖樣品X射線光譜儀分析結(jié)果見表1。黏土巖的主要化學(xué)組成為 SiO2和Al2O3， SiO2含量為40.61%～63.91%，平均為52.79%；Al2O3含量為21.52%～42.92%，平均為29.29 %；Fe2O3含量為0.48%～2.98%，平均為1.12%，僅個(gè)別樣品(T1)Fe2O3含量較高，大于1%，其他樣品均小于1%， FeO含量為0.12%～0.67%，平均為0.32%；CaO含量為0.02%～0.74%，平均為0.33 %；Na2O含量為0.23%～0.41%，平均為0.29 %；K2O含量為0.15%～3.39%，平均為1.30%；MgO含量為0.31%～1.32%，平均為0.54%；TiO2含量為0.31%～1.32%，平均為1.01%；MnO含量為0.00%～0.06，平均為0.018%；P2O5含量為0.04%～0.14%，平均為0.065%；燒矢量含量為9.54%～16.05%，平均為12.94%。

表1 黏土巖化學(xué)成分

3.2 礦物特征

X射線衍射數(shù)據(jù)顯示所有樣品中的黏土礦物均由高嶺石、伊利石、石英組成。T1樣品中還含有長(zhǎng)石和黃鐵礦(表2和圖3)。其中，高嶺石含量高達(dá)90%，具有明顯的三斜晶系特征，反射峰大都強(qiáng)而尖銳，他們都是高嶺石有序度高的證據(jù)。然而，各個(gè)樣品組分之間也有微弱的不同。G2和T1樣品伊利石含量較多，Z1和G1樣品石英含量較多，T1樣品還含有長(zhǎng)石和黃鐵礦，說(shuō)明17煤樣品石英含量低于13、14煤樣品。

3.3 顯微結(jié)構(gòu)特征

據(jù)偏光顯微鏡觀測(cè)可知，樣品為典型凝灰結(jié)構(gòu)、蝕變作用相對(duì)較弱的凝灰?guī)r(Tuff)[4]，薄片鑒定表現(xiàn)為以雜基支撐為主，粒度絕大多數(shù)小于2mm，由玻屑、晶屑和巖屑組成。晶屑形狀從棱角狀到橢圓狀均有發(fā)育，分選性較差，研究區(qū)不同礦區(qū)碎屑石英含量及形態(tài)略有差異，Z2樣品，含有相對(duì)較少的碎屑石英，且形態(tài)多為稍經(jīng)圓化的次圓狀，G1樣品，含有較多的碎屑石英，多呈尖棱狀；石英晶屑的邊緣呈熔蝕的港灣狀，細(xì)粒石英晶屑的尖銳棱角或呈向內(nèi)收縮的弧面多邊形，碎屑石英往往有不同程度的圓化(圖4a，圖4c)，反映經(jīng)過(guò)了一定距離的水?dāng)y搬運(yùn)，粒級(jí)小的晶屑因在空氣或水中懸浮搬運(yùn)，常呈尖棱狀或稍經(jīng)圓化的次圓狀[4-6]， 巖石中存在高嶺石化長(zhǎng)石假象(圖4b)，邊緣常發(fā)生膨脹，常蝕變成黏土，巖石基本上為火山灰蝕變成高嶺石黏土巖。

圖3 X射線衍射圖譜Figure 3 X-ray diffraction pattern

朱子埠13夾矸d/10-1nmI/I0甘霖13、14煤間d/10-1nmI/I0山家體13、14煤間d/10-1nmI/I0朱子埠17煤底板d/10-1nmI/I0甘霖17煤底板d/10-1nmI/I0陶莊14煤夾矸d/10-1nmI/I0hk(i)l該峰所指示礦物10.0236310.091002伊利石7.166957.1701007.2011007.1741007.158100001高嶺石4.977405.006004伊利石4.4621004.4591004.4701004.4671004.4671004.47583020伊利石4.363594.36257110高嶺石4.2544.2524.2654.2574.2254.261100石英3.5691003.5721003.5811003.5731003.5731003.57799002高嶺石3.5071`3`1,200高嶺石3.3413.3403.3483.3433.3413.345101石英3.25長(zhǎng)石2.709黃鐵礦2.559522.560532.566812.561442.561482.56591`30,20`1高嶺石2.496342.499402.494352.497301`3`1,200高嶺石2.4542.4542.4572.4552.4542.456110石英2.38534003高嶺石2.335442.333422.340422.329302.3353520`2,1`31高嶺石2.2792.2792.2832.2812.2792.281102石英2.2352.2332.2352.2352.236111石英2.1252.1242.1282.126200石英1.9791.9781.9801.9801.9771.979201石英1.8161.8161.8181.8171.816112石英1.6701.6691.6711.669202石英1.6571.656103石英1.178100001高嶺石

a是Z2樣品，含有相對(duì)較少的碎屑石英，且形態(tài)多為稍經(jīng)圓化的次圓狀；b是G1 樣品，含有較多的碎屑石英，多呈尖棱狀；c是T1樣品,巖石中存在高嶺石化長(zhǎng)石假象，邊緣常發(fā)生膨脹；d是G2樣品，離陰山物源較遠(yuǎn)，卻有碎屑物質(zhì)沉積。圖4 不同黏土層顯微鏡單偏光Figure 4 Different claystone layers under monocular polarizing microscope

4 討論

一般認(rèn)為，巖石在發(fā)生化學(xué)風(fēng)化或蝕變時(shí)，鉀、鈉、鈣和鎂等堿金屬及堿土金屬容易遷移，因此其在巖石中的含量可在一定程度上反映巖石的風(fēng)化程度[2]。鐵、鈦、鋁和硅等的遷移能力相對(duì)較差，尤其是鈦和鋁，在地表的弱堿性和弱酸性條件下基本會(huì)被等量的保存下來(lái)，所以巖石中的TiO2/ Al2O3比值可在一定程度上反映物源特征[7-8]。6個(gè)樣品中TiO2/ Al2O3的值變化不大(表1)，說(shuō)明物源相似，Z1和G1樣品含石英碎屑多于其他四個(gè)樣品，說(shuō)明陸源碎屑注入較多，反映其受物源影響較大。17煤樣品中K2O+ MgO含量為1.97%～4.71%，平均為3.34%，13、14煤樣品中K2O+ MgO含量為0.46%～2.29%，平均為1.35%，說(shuō)明17煤黏土巖受到海水的影響較大，13、14煤黏土巖受到海水影響較小。

當(dāng)CIA值為50～65，表明在低溫期間的寒冷和干燥氣候的化學(xué)風(fēng)化，當(dāng)它是65～85，它標(biāo)志著溫暖和中度化學(xué)風(fēng)化期間的潮濕氣候，而CIA值為85～100表示在強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化期間的熱和潮濕的氣候[9]。CIA值(表1)均值高達(dá)91.36%，顯示研究區(qū)含煤層中的沉積物層沉積發(fā)生在強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化期間的熱和潮濕的氣候，17煤化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)在84.26%～92.18%，平均為88.22%，13、14煤化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)在86.26%～98.37%，平均為92.93%，說(shuō)明17煤形成的黏土巖受到的化學(xué)風(fēng)化作用較弱，13、14煤形成的黏土巖受到的化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)。

李增學(xué)等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)：魯西地區(qū)煤層形成不同的海水影響背景下。 13和14煤形成于海退時(shí)期，煤層底板受到物源影響較大，17煤則形成于海侵時(shí)期，底板在發(fā)生海侵之前為暴露沉積，發(fā)生海侵后泥炭沼澤迅速處于深水還原環(huán)境條件，煤層底板受海水影響較大。結(jié)合本次研究可以看出，海侵形成的煤層(17煤)受海水影響大，煤層底板(黏土層)形成于海水環(huán)境之中，煤層受到的風(fēng)化作用弱，海退形成煤層(13和14煤)受到海水影響較小，煤層底板形成于半咸水，受到風(fēng)化作用強(qiáng)。因此，可以看出，煤層形成環(huán)境對(duì)煤質(zhì)及煤層伴生礦產(chǎn)質(zhì)量影響很大。

5 結(jié)論

(1)不同海水影響背景下的黏土層地球化學(xué)特征存在著差異。13、14煤樣品基本上為火山灰蝕變成的高嶺石黏土巖，碎屑石英含量高，形態(tài)多呈尖棱狀，SiO2含量相對(duì)高，高嶺石伊利石含量相對(duì)低，化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA)在86.26%～98.37%，受到化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)，海退形成煤層底板質(zhì)量相對(duì)差，而海侵形成17煤層底板黏土礦SiO2含量等相對(duì)較低，高嶺石伊利石含量相對(duì)高，碎屑石英含量低，形態(tài)多呈稍經(jīng)圓化的次圓狀，黏土質(zhì)量更好。

(2)化學(xué)分析結(jié)果表明：SiO2含量為40.61%～63.91%，Al2O3含量為21.52%～42.92%，堿金屬及其他氧化物含量較低，但燒矢量接近于高嶺石理論值，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)含量較高，可提高陶瓷胚體成型時(shí)的可塑性，減少有機(jī)助劑的用量，降低生產(chǎn)成本，且研究區(qū)黏土礦Fe2O3含量為0.48%～2.98%，TiO2含量為0.31%～1.32%，在耐火材料工業(yè)達(dá)到一級(jí)品位，除陶莊Fe2O3含量略高，其余樣品較一般性耐火黏土低、表明黃鐵礦、金紅石等有害雜質(zhì)少，有利于深加工應(yīng)用。

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Features and Application Value of Epicontinental Sea Basin Claystone under DifferentTransgression Settings——A Case Study of Taozao Coalfield, Zaozhuang

Zhang Yi, Lyu Dawei

(College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590)

Using coal geological, coal geochemical and sedimentological methods have carried out sampling and testing for early Permian coal Nos.13, 14, 17 and floor claystone in the Taozao coalfield, Zaozhuang.. The result has shown that the quality of floor claystone under different coal seams is different. Coal Nos.13 and 14 were formed during regression, the claystone has relatively lower kaolinite and illite contents, higher quartz content, mostly sharp angular in shape. Coal No.17 was formed during transgression, the claystone has relatively higher kaolinite and illite contents, lower quartz content, mostly subrounded in shape; the chemical weathering index ( CIA ) is between 84.26%～92.18%, average 88.22%, thus weaker chemical weathering, claystone quality is better. The chemical analyzed results have shown that study area claystone SiO2content range between 40.61%～63.91%, Al2O3between 21.52%～42.92%; contents of alkali metals and other oxides are rather low, Fe2O3between 0.48%～2.98%, TiO2between 0.31%～1.32%, thus the grade I in refractory industry, conducive to deep processing applications. The result has provided certain basis in coal measures coexisting and associated minerals exploitation.

Taozao coalfield; claystone; transgression; geochemical features

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.04

1674-1803(2017)06-0020-05

山東省自然科學(xué)基金 (ZR2015JL016)資助

張藝，女，(1996—)，山東科技大學(xué)資源勘查工程本科。

呂大煒，男，山東科技大學(xué)地科學(xué)院副教授。

2017-02-09

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責(zé)任編輯：宋博輦