銅川礦區(qū)韓古莊-演池勘探區(qū)煤質(zhì)特征及沉積環(huán)境分析

張永強 侯丁根 薛海軍,2 常宇飛

(1. 陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西省西安市，710005；

煤中煤質(zhì)參數(shù)不僅起到煤炭質(zhì)量評價的作用，其各參數(shù)含量的變化蘊含了豐富的地質(zhì)地球化學信息，對成煤沉積環(huán)境研究有著十分重要的指導意義。前人學者基于煤質(zhì)參數(shù)特征，對不同時代、不同地區(qū)煤的成煤沉積環(huán)境進行探討、研究，為含煤巖系古地理及沉積環(huán)境特征研究提供了新的、有效的方法。研究區(qū)位于有“渭北黑腰帶”之稱的渭北煤田的西部，煤炭資源豐富，是我國主要煤炭產(chǎn)地，煤類以瘦煤、貧瘦煤為主，以往研究僅對區(qū)內(nèi)煤質(zhì)特征進行了歸納總結(jié)，而對煤質(zhì)參數(shù)，特別是硫分、灰分的成因及與沉積環(huán)境關(guān)系的研究相對較少。以研究區(qū)地質(zhì)勘探時期取得的煤層煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對區(qū)內(nèi)主要煤層煤質(zhì)參數(shù)特征進行了分析，討論了原始成煤沉積環(huán)境特征，以期為該區(qū)煤炭資源綜合開發(fā)利用提供理論指導。

1 研究區(qū)概況

勘查區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南緣，整體為傾向北西的單斜構(gòu)造，北部地層傾角為6°～8°。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭系太原組，為一套主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、石灰?guī)r及煤組成的海陸交互相沉積地層，含煤層6層，主要可采煤層2層，為5#煤層和10#煤層；零星可采煤層2層，為4#煤層和10上煤層，10#煤層底部發(fā)育一層較穩(wěn)定的鋁土質(zhì)泥巖，作為太原組與下伏奧陶系地層的分界標志，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地層綜合柱狀示意圖

2 煤質(zhì)特征

2.1 煤巖特征

5#、10#煤層煤巖特征如表1所示。由表1可知，區(qū)內(nèi)5#、10#煤層的平均鏡質(zhì)組反射率均為1.71%，表明區(qū)內(nèi)煤層變質(zhì)程度一致，為中等變質(zhì)階段煙煤。宏觀煤巖類型方面，5#、10#煤層以半亮煤為主。各煤層有機總量及有機顯微組分鏡質(zhì)組相差不大，均大于90%和70%。10#煤層礦物質(zhì)含量高于5#煤層，且均以粘土類及氧化物為主。另外，二者碳酸鹽含量相差較大，這可能與二者不同的成煤環(huán)境有關(guān)。

2.2 化學性質(zhì)特征

5#、10#煤層各樣品灰分含量和硫分含量見圖2，煤質(zhì)特征見表2。由此可知，平面上，區(qū)內(nèi)5#、10#煤層水分變化范圍為0.61%～1.43%，均為特低全水分。灰分變化范圍為13.36%～19.83%，為低灰煤(參照《煤炭質(zhì)量分級》(GB/T15224.1-2010))。各煤層煤的干燥無灰基揮發(fā)分變化不大，主要變化范圍位于15.08%～19.89%，總體屬于低揮發(fā)分煤，這與鏡質(zhì)組反射率反映的各煤層變質(zhì)程度接近的結(jié)果一致。硫分變化范圍為1.47%～7.39%，屬中-高硫煤，其中5#煤層以中-中高硫煤為主，分布少量高硫煤，10#煤層為全層高硫煤。

圖2 5#、10#煤層各樣品灰分、硫分含量

煤層編號樣品數(shù)/個Ro,max/%有機總量/%有機顯微組分/%鏡質(zhì)組惰質(zhì)組礦物質(zhì)含量/%粘土類硫化物碳酸鹽氧化物5#41.70～1.721.7193.69～95.0194.1273.85～74.8874.4618.93～19.7319.264.77～5.805.130.80～1.100.930.23～1.620.802.44～5.523.7810#51.70～1.721.7193.87～95.7094.5578.10～79.5078.6415.80～16.2016.073.50～4.203.990.80～1.701.301.48～6.373.905.29～7.726.46

表2 煤層煤質(zhì)特征表

3 煤質(zhì)特征與沉積環(huán)境關(guān)系分析

3.1 煤中硫與沉積環(huán)境關(guān)系

3.1.1 硫分的空間分布規(guī)律

5#、10#煤層硫含量平面分布特征如圖3所示。由圖3可以看出，平面上，5#、10#煤層硫含量分布特征基本一致，呈由西北向東南逐漸遞增的趨勢；垂向上，硫含量隨著煤層埋深的增加呈增大的趨勢，且同一煤層不同鉆孔的全硫分含量差異較大。綜上，研究區(qū)內(nèi)煤層中硫含量的空間分布具有“上低下高、東高西低”的特征。

圖3 硫含量平面分布特征

形態(tài)硫測試數(shù)據(jù)顯示，各煤層煤中的硫以黃鐵礦硫為主，其次為有機硫，硫酸鹽硫含量極少，其中5#煤層有機硫、無機硫平均占比分別為30.59%、66.82%，10#煤層有機硫、無機硫平均占比分別為26.67%、72.54%，且黃鐵礦硫平均值與全硫分平均值的縱向變化規(guī)律趨于一致，如圖1所示。黃鐵礦硫含量與全硫分含量呈明顯線性正相關(guān)，如圖4所示，而有機硫含量與全硫分含量之間的相關(guān)性不明顯，如圖5所示，說明黃鐵礦硫是引起煤層硫分高的主要原因，即本區(qū)高硫煤中的硫為無機成因。

圖4 黃鐵礦硫含量與全硫含量的變化關(guān)系

圖5 有機硫含量與全硫含量的變化關(guān)系

3.1.2 煤中硫與沉積環(huán)境關(guān)系

不同煤層硫分含量在縱向上的遞變規(guī)律可以實際反映不同地質(zhì)歷史時期形成的煤層受海水活動影響的強弱程度。區(qū)內(nèi)干燥基全硫分平均值縱向上表現(xiàn)為隨著煤層埋深的減小，煤系地層中硫的含量呈逐漸降低的趨勢，其中上部的5#煤層干燥基全硫分平均值相對較低，為2.54%，10#煤層干燥基全硫分平均值明顯增大，平均值達到5.76%。說明上部的5#煤層受海水影響程度較小，而10#煤層受海水影響程度較大。

同時根據(jù)勘探時期鉆孔巖心編錄資料，煤系地層上部的5#煤層上下巖性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等碎屑巖為主，下部地層巖性以海侵體系域的鋁土質(zhì)泥巖、石英砂巖、煤層、泥巖、粉砂巖為主，同時發(fā)育多層泥質(zhì)灰?guī)r(10#煤層頂部)，各煤層中硫的含量在泥質(zhì)灰?guī)r消失后減小幅度明顯增大。據(jù)此推測，10#煤層底部灰?guī)r形成后海水迅速退卻，之后依次形成上部煤層，沉積環(huán)境由潮坪相逐漸過渡到碳酸鹽臺地。即10#煤層成煤沉積環(huán)境屬瀉湖、潮坪環(huán)境海進成煤，5#煤層成煤沉積環(huán)境屬潮坪、障壁島環(huán)境海退成煤，10#煤層頂部的泥質(zhì)灰?guī)r即為二者成煤環(huán)境的過渡層。根據(jù)各煤層硫含量的水平分布特征，推斷海退方向為由東南向西北。

前人研究表明，形成于淺水潟湖—潮坪體系的中高硫煤中黃鐵礦硫一般占全硫的50%～80%，研究區(qū)內(nèi)各煤層硫分中黃鐵礦硫所占比例變化范圍為66.82%～72.54%，黃鐵礦硫占全硫比重較大，進一步說明了研究區(qū)成煤沉積環(huán)境應屬于淺水潟湖—潮坪體系。

3.2 煤中灰分與沉積環(huán)境關(guān)系

3.2.1 灰分的空間分布規(guī)律

煤中灰分主要來自于成煤環(huán)境中的外來物質(zhì)(包括成煤期混入和后期變質(zhì)作用帶入)，其含量變化與沉積期的古地理環(huán)境有一定聯(lián)系，總體規(guī)律是由海向陸呈漸次遞增的特點，可作為判斷成煤沉積環(huán)境的輔助方法。

5#、10#煤層灰分含量平面分布特征如圖6所示。由圖6可以看出，平面上，5#、10#煤層灰分含量變化較一致，均表現(xiàn)為由西北向東南呈遞減的趨勢。剖面上，10#煤層灰分含量較5#煤層低，即隨著煤層埋深的增加，灰分含量逐漸降低，總體上研究區(qū)內(nèi)灰分空間分布特征大致呈“上高下低、西高東低”的特點，與硫分含量的空間變化趨勢相反。

根據(jù)煤中灰分高低與成煤環(huán)境受陸源物質(zhì)影響強弱的對應關(guān)系可推測，5#煤層受海水影響較小，泥炭沼澤距物源區(qū)較近，造成灰分偏高，而10#煤層在海水覆蓋下形成，距物源區(qū)較遠，導致灰分偏低。綜上所述，研究區(qū)下部煤層受海水影響大于上部煤層，東部煤層受海水影響大于西部煤層，這與依據(jù)硫分分布特征所得結(jié)論相吻合。

圖6 灰分含量平面分布特征

3.2.2 煤中灰成分的沉積環(huán)境控制

煤中常量元素Si、Al、Mg、Ca、Fe、Na、K、Ti等元素是灰分的主要組成部分，不同灰成分含量及構(gòu)成特征代表不同的遷移、沉淀條件，在一定程度上反映了不同的泥炭聚集介質(zhì)條件，因此多數(shù)學者利用(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)灰成分指數(shù)特征進行煤層沉積環(huán)境的判別，并取得了較好的效果。研究區(qū)煤層灰成分組成上均以Fe2O3、SiO2、Al2O3為主，MnO2、P2O5的含量最低；其中10#煤層Fe2O3含量顯著高于5#煤層，這與10#煤層高硫、高硫化鐵硫的特點相符。

統(tǒng)計研究區(qū)5#、10#煤層的灰成分指數(shù)平均值分別為0.15、0.54。前人研究認為，灰成分指數(shù)變化于0.03～0.22之間屬較弱還原型，變化于0.23～1.23之間則屬較強還原型。因此，區(qū)內(nèi)10#煤層成煤環(huán)境屬于較強還原型，而5#煤層成煤環(huán)境為較弱還原型。

程偉等通過煤灰成分三角端元圖解法對成煤環(huán)境進行了剖析，認為3個灰成分端元百分含量實際反映了聚煤環(huán)境的不同介質(zhì)條件，接近SiO2+Al2O3端元反映粘土礦物為代表的陸源礦物類型，多與淡水介質(zhì)注入有關(guān)；接近CaO+MgO端元反映煤中鈣鎂礦物含量較高，屬半潮濕氣候條件下的弱氧化—弱還原環(huán)境，且堿度相對較高，Ca2+、Mg2+等易于沉淀；接近Fe2O3+SO3端元表明煤中硫鐵礦含量較高，一般代表相對閉塞的局限沼澤環(huán)境。

本次研究借鑒上述方法，利用灰成分測試數(shù)據(jù)，見表3，對研究區(qū)內(nèi)煤層成煤環(huán)境進行了進一步分析，得出煤灰成分三角端元圖見圖7。

圖7 灰成分三角端元圖

區(qū)內(nèi)SiO2+Al2O3組分在兩個分組中含量差異明顯，5#煤層中含量相對較高，一般變化于72.94%～81.78%之間，10#煤層含量相對較低，一般變化于54.63%～64.06%；Fe2O3+SO3組分在兩組中含量差異亦明顯，5#煤層含量明顯低于10#煤層；CaO+MgO組分在兩組中含量相差不大，含量均小于5%。據(jù)此可知，5#煤層代表還原性較弱的聚煤環(huán)境，而且總體上可能更接近陸源區(qū)，10#煤層聚煤環(huán)境則處于覆水較深、水動力較弱而還原性較強的環(huán)境，為沼澤成煤，這與硫分作為成煤環(huán)境判別取得的認識一致。

表3 5#、10#煤層灰成分含量表

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)各煤層均為中等變質(zhì)階段煙煤，宏觀煤巖類型均以半亮型煤為主?；瘜W性質(zhì)以中灰煤、低揮發(fā)分、中—高硫分為特征，其中5#煤層以中高硫煤為主，10#煤層為全層高硫煤。

(2)各煤層硫分分布具有“上低下高、東高西低”的特點，形態(tài)硫數(shù)據(jù)分析表明，煤中硫以黃鐵礦硫為主，表明煤層硫分主要是無機硫作用的結(jié)果。灰分分布變化趨勢與硫分相反。說明研究區(qū)受海水影響具有自上而下、自西向東逐漸增強的特點?；页煞种笖?shù)以及灰成分端元分析結(jié)果與硫分、灰分分析結(jié)論一致。

(3)研究區(qū)10#煤層成煤沉積環(huán)境屬較強還原型的潟湖、潮坪環(huán)境海進成煤，5#煤層成煤沉積環(huán)境屬較弱還原型的潮坪、障壁島環(huán)境海退成煤，10#煤層頂部的泥質(zhì)灰?guī)r為二者成煤環(huán)境的過渡層。