塔里木盆地東南緣下—中侏羅統(tǒng)煤層煤巖、煤質(zhì)特征分析

王 迪，田繼軍，馮 爍，陸星宇

(新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

我國西北地區(qū)侏羅紀(jì)的煤炭資源量占全國煤炭資源總量的39.6%[1]，且煤質(zhì)優(yōu)良，是低灰、低硫、低磷的“優(yōu)質(zhì)煤”[2]。在20世紀(jì)80至90年代，張泓等針對(duì)西北地區(qū)侏羅紀(jì)煤的成煤地質(zhì)條件進(jìn)行了總結(jié)[2-6]；楊起和韓德馨對(duì)西北侏羅紀(jì)煤做過相關(guān)論述[7-8]。西北地區(qū)侏羅紀(jì)煤以富惰、貧殼為特征，黃文輝等[9]指出西北侏羅紀(jì)煤最明顯的特征是富含惰性組分，多數(shù)西北侏羅紀(jì)煤中惰質(zhì)組超過35%，甚至高達(dá)60%，煤的成分與性質(zhì)具有明顯的特色，與我國東部石炭紀(jì)—二疊紀(jì)煤存在很大差異。吳傳榮[6]認(rèn)為西北早—中侏羅世煤的宏觀煤巖類型在不同礦區(qū)不同煤層中變化較大，早侏羅世比中侏羅世光亮、半亮煤含量高。白向飛等[10]指出與同變質(zhì)程度的其它地區(qū)煤相比，西北地區(qū)侏羅紀(jì)弱還原程度煤中惰質(zhì)組及過渡組分含量較高，導(dǎo)致其揮發(fā)分產(chǎn)率較低。傅雪海等[11]認(rèn)為新疆地區(qū)煤炭資源以低煤級(jí)煤為主，粘結(jié)性相對(duì)較差、惰質(zhì)組相對(duì)較高，建議加強(qiáng)煤炭微生物轉(zhuǎn)化、液化、氣化等多元化利用研究。姚素萍等[12]認(rèn)為基質(zhì)鏡質(zhì)體在新疆侏羅系煤中具有很高的含量，是煤成烴的重要有機(jī)顯微組分。

但是，針對(duì)塔里木盆地東南緣煤巖、煤質(zhì)特征的分析相對(duì)缺乏，文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道，前人也未對(duì)此展開深入分析。因此，在前人工作基礎(chǔ)之上，近年來筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)塔里木盆地東南緣各礦區(qū)主采煤層樣品進(jìn)行煤巖、煤質(zhì)鑒定及煤化指標(biāo)等綜合分析，發(fā)現(xiàn)塔里木盆地東南緣煤以富鏡為主，其煤巖、煤質(zhì)與典型的西北地區(qū)侏羅紀(jì)煤具有明顯不同，煤巖的殼質(zhì)組和惰質(zhì)組分含量較低，鏡質(zhì)組分含量較高。鏡質(zhì)組平均含量為88.18%，惰質(zhì)組平均含量為3.11%，殼質(zhì)組平均含量均低于3%。灰分、硫分、揮發(fā)分亦有規(guī)律性變化，其成因有待進(jìn)一步揭示。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地東南緣(下文簡稱為塔東南地區(qū))即塔里木盆地與阿爾金山的山前地帶，西起洛浦—布雅—皮西一線，東至米蘭河—紅柳溝一帶，東西長約1 000 km[13]。侏羅紀(jì)煤層呈斷續(xù)分布，在民豐、且末、紅柳溝一帶，侏羅系自下而上分為莎里塔什、康蘇、楊葉、塔爾尕、庫孜貢蘇5個(gè)組，含布雅、于田普魯、其格勒克、紅柳溝等煤礦(圖1)。

由于新生代強(qiáng)烈的擠壓變形，塔里木東南緣中生界被抬升至地表遭受大量剝蝕，前人針對(duì)塔東南地區(qū)含煤地層的研究較少，僅有少量學(xué)者從沉積環(huán)境、古生物、構(gòu)造演化等方面做了少量工作[13-17]。塔東南地區(qū)煤層變質(zhì)程度較高，可采煤層煤牌號(hào)齊全，區(qū)內(nèi)煤類既有中煤階的氣、焦-瘦煤，又有以低煤階為主的長焰煤、不粘煤分布，煤類分布獨(dú)具特色。

塔東南地區(qū)下—中侏羅統(tǒng)含煤建造較為發(fā)育，以康蘇—楊葉聚煤期為主。其含煤2～12層，可采煤層1～9層；含煤系數(shù)為0.36%～4.10%，可采含煤系數(shù)為0.20%～3.89%?？刹擅簩佣酁楸∶簩蛹爸泻衩簩?，一般厚1～3 m，富含大量動(dòng)植物化石。煤層多屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)，部分礦區(qū)主煤層屬簡單結(jié)構(gòu)，煤層穩(wěn)定性一般較差，較穩(wěn)定至極不穩(wěn)定都存在。下—中侏羅統(tǒng)聚煤期在和田布雅、于田普魯、且末煤礦、紅柳溝等地區(qū)形成聚煤中心，但由于盆地不同部位基底沉降差異、湖平面變化和物源碎屑供應(yīng)所產(chǎn)生的可容空間變化，在盆地的不同部位和演化階段有利聚煤帶存在較大差異。

2 主采煤層煤巖特征

2.1 宏觀煤巖特征

塔東南地區(qū)下—中侏羅統(tǒng)為陸相腐植煤類，這奠定了煤層的基本物理性質(zhì)和煤巖的物質(zhì)基礎(chǔ)。宏觀煤巖類型以光亮煤、半亮煤為主，其次是半暗煤、暗淡煤。煤中條痕色一般多為黑褐色，光澤較強(qiáng)，表面常具玻璃光澤或?yàn)r青光澤，斷口以貝殼狀-參差狀為主，呈瀝青光澤或油脂光澤。煤的硬度適中且脆度較小，裂隙較為發(fā)育，多為均一狀及細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)，以層狀構(gòu)造居多，其次為塊狀構(gòu)造。

根據(jù)光澤將研究區(qū)的宏觀煤巖類型分為光亮型煤和半亮型煤，光亮型煤以透鏡狀、均一條帶狀發(fā)育在煤層中且橫向連續(xù)性較差；半亮型煤條帶狀結(jié)構(gòu)更加顯著，表現(xiàn)為較暗淡的部分與較光亮的部分互層出現(xiàn)。煤層中可見黃鐵礦、菱鐵礦、方解石和黏土等無機(jī)礦物，以粒狀、透鏡狀和結(jié)核狀等形態(tài)發(fā)育于各煤層或充填于裂隙和層理面中。

2.2 顯微煤巖特征

研究區(qū)顯著的煤巖特征是以鏡質(zhì)組為主，殼質(zhì)組分含量少，變質(zhì)程度較高，中-高鏡惰比。于田普魯、烏魯克賽、其格勒克、且末紅柳溝煤礦的煤層顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量較高，平均含量為90.56%，覆水條件好，凝膠化作用強(qiáng)是鏡質(zhì)組含量比較高的主要原因。惰質(zhì)組平均含量為2.28%，主要以絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體及碎屑惰質(zhì)組為主(圖2)。部分礦區(qū)煤巖中受火焚成因的影響，出現(xiàn)少量保存完整的火焚絲質(zhì)體(圖2(f)和(g))，呈現(xiàn)高突起高反射率的亮白色，這與沼澤期發(fā)生的古火災(zāi)事件密切相關(guān)，植物遺體焚燒后形成含大量火焚絲質(zhì)體的絲煤化組分[18]。殼質(zhì)組平均含量為1.54%，以小孢子體為主(圖2(i))，樹脂體次之，角質(zhì)體甚少(圖2(j))。礦物質(zhì)含量較低，成分以黏土類、黃鐵礦為主(圖2(k))。硫化物類、氧化物類及碳酸鹽類含量較低，主要為同生黏土，呈粒狀、條帶狀和團(tuán)塊狀，沿裂隙有次生充填的方解石及黏土礦物。

(a)碎屑鏡質(zhì)體(油浸反射單偏光×500，和田布雅煤礦)；(b)基質(zhì)鏡質(zhì)體(油浸反射單偏光×500，于田普魯煤礦)；(c)基質(zhì)鏡質(zhì)體、碎屑惰質(zhì)體(油浸反射單偏光×500，和田布雅煤礦)；(d)均質(zhì)鏡質(zhì)體(油浸反射單偏光×500，和田布雅煤礦)；(e)基質(zhì)鏡質(zhì)體、碎屑惰質(zhì)體(油浸反射單偏光×500，于田普魯煤礦)；(f)火焚絲質(zhì)體(油浸反射單偏光×500，和田布雅煤礦)；(g)火焚絲質(zhì)體(油浸反射單偏光×500，紅柳溝煤礦)；(h)小孢子體(反射藍(lán)色熒光×500，和田布雅煤礦)；(i)小孢子體、碎屑?xì)べ|(zhì)體(反射藍(lán)色熒光×500，紅柳溝煤礦)；(j)角質(zhì)體、小孢子體(反射藍(lán)色熒光×500，于田普魯煤礦)；(k)黃鐵礦(油浸反射單偏光×500，紅柳溝煤礦)；(l)黏土礦物(油浸反射單偏光×500，和田布雅煤礦)圖2 煤巖顯微組分顯微結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Photomicrographs showing microstructural features of macerals in the coal

和田布雅煤惰質(zhì)組分、無機(jī)組分含量較高，惰質(zhì)組平均含量為8.1%～9.1%，主要是碎屑惰質(zhì)組、半絲質(zhì)體及火焚絲質(zhì)體(圖2(f))。鏡質(zhì)組分與半鏡質(zhì)組分平均含量為68.9%～77.8%。鏡質(zhì)組分主要以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，包括碎屑鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體(圖2(a)和(c))，半鏡質(zhì)組分主要由碎屑半鏡質(zhì)體組成。殼質(zhì)組平均含量為2.8%～3.7%，以小孢子體為主(圖2(h))，樹脂體次之，角質(zhì)體甚少。無機(jī)組分平均含量為12.5%～23.4%，以原生黏土礦物為主(圖2(l))，次生方解石和次生黃鐵礦次之。殼質(zhì)組含量少，這與吐哈盆地殼質(zhì)組含量高并大量生油有明顯差異。

2.3 惰質(zhì)組與鏡質(zhì)組關(guān)系

圖3 塔東南下—中侏羅統(tǒng)煤層鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組含量分布圖Fig.3 Distribution map of the vitrinite and inertinite contents of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

各主采煤層的鏡質(zhì)組平均含量除民豐凹陷和田布雅煤礦低于80%，其余煤礦普遍在80%之上。和田布雅煤煤巖惰質(zhì)組含量高于8%，于田普魯煤礦在1.5%～3.5%之間，烏魯克賽煤礦在2%～8%之間，其余地區(qū)均在2%以下。一般來說，鏡質(zhì)組形成于潮濕還原的環(huán)境，而惰質(zhì)組形成于干燥氧化的環(huán)境[19]。成煤沼澤的氧化還原程度與沼澤覆水情況有密切聯(lián)系，故其鏡惰比能較直觀地反映氣候的干濕狀況與成煤沼澤的覆水程度[20]。

瓦石峽凹陷煤層形成于扇三角洲-湖泊的過渡環(huán)境，凝膠化作用相對(duì)較強(qiáng)，鏡質(zhì)組含量高。而民豐凹陷的和田布雅煤礦遠(yuǎn)離湖泊，成煤沼澤處于弱氧化的淺覆水沉積環(huán)境，主要以絲炭化作用為主，惰質(zhì)組含量相對(duì)較高，反映了整體受到沉積水體深度的影響(圖3)。

3 煤化指標(biāo)及煤質(zhì)特征

3.1 實(shí)驗(yàn)方法及煤質(zhì)特征

本研究通過對(duì)塔里木盆地東南緣目前開采煤礦的調(diào)查，共采取5個(gè)煤礦井口煤樣84件。全部樣品按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB474—2008[21]粉碎，并用直徑1.0 mm組合篩筒縮分制作煤磚光片進(jìn)行煤顯微組分鑒定及鏡質(zhì)組反射率測量。煤巖光片制備嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16773—2008[22]進(jìn)行。煤的工業(yè)分析測定依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T482—2008[23]完成。煤的顯微組分定量統(tǒng)計(jì)和觀察按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8899—2013[24]進(jìn)行。其中顯微組分、礦物的識(shí)別及定量統(tǒng)計(jì)，保證觀測有效點(diǎn)數(shù)大于500個(gè)。測試工作由新疆維吾爾自治區(qū)煤炭煤層氣測試研究所(新疆維吾爾自治區(qū)煤炭產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心)完成，測試結(jié)果如表1所示。

3.2 煤質(zhì)特征及相關(guān)性分析

在民豐、瓦石峽凹陷煤巖、煤質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)煤礦之間煤的灰分、硫分、揮發(fā)分等指標(biāo)間的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，兩個(gè)凹陷的硫分、灰分、揮發(fā)分亦有規(guī)律性變化(圖4)。

3.2.1 硫分與灰分

煤層硫分與灰分整體具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在硫分相對(duì)增加的區(qū)域，灰分則相對(duì)減少，但在硫分達(dá)到一定值時(shí)灰分將不再減少[25]。施龍青等[26]指出煤層中的無機(jī)物質(zhì)主要是水流自陸源方向帶入泥炭沼澤，當(dāng)水流活動(dòng)頻繁和強(qiáng)烈時(shí)，無機(jī)物質(zhì)帶入量越大，灰分則越高。而煤層中的硫分以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎瑏碜院械牧蛩岣鵖O42-被厭氧菌分解形成H2S，這時(shí)就可以把泥炭中Fe3+還原成FeS。黃鐵礦形成時(shí)介質(zhì)條件為pH>7、Eh<0的還原環(huán)境，與凝膠化作用呈正相關(guān)關(guān)系，與水動(dòng)力條件呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)湖水侵入時(shí)，形成硫高灰低，而湖水退出時(shí)，硫低灰高的特點(diǎn)[26-27]。

民豐凹陷硫分與灰分呈負(fù)相關(guān)性，但在硫分達(dá)到1.15%時(shí)，灰分不再減少。民豐凹陷硫分主要是硫化物(黃鐵礦)為主的無機(jī)硫，硫酸鹽硫及有機(jī)硫含量甚微。其中和田布雅煤礦A3煤層頂部有一層厚10～15 cm的由黃鐵礦團(tuán)塊稠密聚集而成的黃鐵礦薄層，A1煤層含有較多的黃鐵礦團(tuán)塊，這些團(tuán)塊由粒徑約為1 mm的細(xì)小晶粒密集堆積在煤層中形成，黃鐵礦沿裂隙延伸，充填于煤層的裂隙中，偶見呈薄膜狀附著在煤塊表面[28]；而且沿煤層傾向由淺至深，全硫含量有逐漸增大的趨勢，從而推斷煤層受到了后期巖漿侵入的影響。

表1 塔東南主采煤層煤質(zhì)指標(biāo)

注：表中煤質(zhì)指標(biāo)均為加權(quán)平均值。

圖4 塔東南含煤地層與煤質(zhì)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of the coal-bearing strata and coal quality in southeast Tarim basin

瓦石峽凹陷灰分則具有逐漸降低的趨勢。鏡質(zhì)組含量較高，一般在80%以上，凝膠化作用相對(duì)較強(qiáng)，灰分與硫分呈明顯負(fù)相關(guān)性(圖5)。

3.2.2 硫分與揮發(fā)分

揮發(fā)分的測定往往受到礦物質(zhì)的影響，從而揮發(fā)分的大小與硫分有一定的關(guān)系[29]。圖6顯示，當(dāng)1.5%

3.2.3 灰分之間的關(guān)系

煤中灰分在一定程度上反映了成煤沼澤環(huán)境的地球化學(xué)特征及古地理環(huán)境，在中-高位沼澤中，灰分以SiO2、Al2O3為主，當(dāng)泥炭受湖平面升高影響時(shí)，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO含量較高[31-32]。灰分指數(shù)K由下式計(jì)算：

(1)

灰分指數(shù)的變化能夠較好地反映灰分的來源情況。SiO2、Al2O3主要來源于大陸，由地表流水及大氣飛塵帶入泥炭堆積區(qū)。CaO、MgO主要由湖水供給。低位沼澤中Fe3+由Fe(OH)3搬運(yùn)而來，無論來源于何處，必須有適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)，即在半咸水或咸水中，才能使膠體的動(dòng)電位趨于零，F(xiàn)e3+才能沉淀下來[26]。

民豐凹陷煤層的灰分指數(shù)K值都很高，在13.58%～50.67%之間。而瓦石峽凹陷煤層的K值較低，平均值為19.74%，但瓦石峽凹陷的其格勒克煤礦灰分有明顯增高的趨勢，平均值為32.97%，最高值可達(dá)45.99%(圖7)，可見瓦石峽凹陷沼澤環(huán)境潛水面要比民豐凹陷高得多，覆水深度的變化對(duì)成煤影響十分明顯[33]。

4 討 論

4.1 煤的有機(jī)組分

本研究還是沿用國際標(biāo)準(zhǔn)將有機(jī)顯微組分重新劃分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組三大類，其中半惰質(zhì)組歸類于惰質(zhì)組，半鏡質(zhì)組歸類于鏡質(zhì)組。

圖5 塔東南下—中侏羅統(tǒng)煤層硫分與灰分變化趨勢圖Fig.5 Diagram showing the trend of the sulfur and ash contents of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

圖6 塔東南下—中侏羅統(tǒng)煤層硫分與揮發(fā)分變化趨勢圖Fig.6 Diagram showing the trend of the sulfur and volatile contents of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

圖7 塔東南下—中侏羅統(tǒng)煤層灰分指數(shù)變化趨勢圖Fig.7 Diagram showing the ash index variation trend of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

半鏡質(zhì)組過渡性組分發(fā)育于弱還原環(huán)境下，半惰質(zhì)組是絲炭化過程作用在半凝膠化基礎(chǔ)上形成的[34]。過渡組分在反射率和結(jié)構(gòu)上存在著過渡現(xiàn)象，給顯微組分的鑒別帶來了困難，而且過渡組分的歸屬對(duì)煤巖、煤相的劃分有重要影響。黃文輝等[35]在探討淮南煤與鄂爾多斯富惰煤的研究中，提出過渡組分應(yīng)該根據(jù)其演化程度按照一定百分比重新定量, 否則將會(huì)造成惰質(zhì)組或鏡質(zhì)組含量估算過高的情況。如何合理地劃分過渡組分的歸屬應(yīng)該是新疆侏羅紀(jì)煤層值得重視的問題。

4.2 富鏡貧惰煤的指示意義

研究區(qū)富鏡貧惰的煤巖特征與新疆其它地區(qū)的煤巖有顯著的區(qū)別，這也是對(duì)原型盆地的直接反映。新疆準(zhǔn)噶爾、吐哈含煤盆地為大型坳陷型湖盆，而塔里木盆地東南緣為走滑拉張背景下的斷陷湖盆[36]。覆水深度變化對(duì)成煤影響十分明顯，斷陷盆地陡坡帶沉降速率大、盆地地勢低、水體較深；煤層形成于扇三角洲-湖泊的過渡環(huán)境，鏡質(zhì)組含量高，凝膠化作用相對(duì)強(qiáng)。這其中，和田布雅煤礦處于斷陷盆地緩坡帶，盆地沉降速率小，古地勢相對(duì)偏高，覆水深度較淺，成煤沼澤處于弱氧化的淺覆水沉積環(huán)境。因此，其惰質(zhì)組含量偏高，鏡質(zhì)組含量相對(duì)較低，顯然成煤沼澤環(huán)境及其覆水條件是其主要因素。

5 結(jié) 論

(1)塔東南地區(qū)下—中侏羅統(tǒng)煤層的成因類型為陸相腐植煤類，這奠定了煤層的基本物理性質(zhì)和煤巖特征的物質(zhì)基礎(chǔ)。煤巖顯著的特征是殼質(zhì)組分含量較低，變質(zhì)程度復(fù)雜和較低的惰質(zhì)組分及較高的鏡質(zhì)組分含量，這決定了侏羅紀(jì)煤層的基本物理特性。

(2)塔東南地區(qū)各煤礦煤巖特征的變化具有以下特點(diǎn)：在扇三角洲-湖泊的過渡環(huán)境中形成的煤層大部分是以凝膠化作用為主的亮煤、半亮煤；而在濱、淺湖環(huán)境中形成的煤層大部分是以絲炭化作用為主的半暗煤、暗淡煤。煤質(zhì)具有中-高揮發(fā)分、中-低灰分、中-低硫分等特點(diǎn)。

(3)塔東南地區(qū)煤巖、煤質(zhì)多樣性變化受斷陷湖盆以及局部水體較深的還原型沼澤環(huán)境控制，最終形成了富鏡貧惰的煤巖特征。

(4)塔東南地區(qū)含煤地層具有侏羅紀(jì)含煤沉積地層的共性，煤巖、煤質(zhì)指標(biāo)及其相關(guān)性受沉積環(huán)境所控制，同時(shí)也可以通過煤巖、煤質(zhì)指標(biāo)來推斷研究區(qū)的沉積環(huán)境狀況。因此，塔東南地區(qū)煤巖、煤質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性及相關(guān)因素在新疆侏羅紀(jì)煤田具有一定代表性。