淮南新集二礦11-2煤含黃鐵礦砂巖頂板特征及其沉積環(huán)境分析

王志根

(中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

黃鐵礦是地殼中分布最為廣泛的硫化物，不僅發(fā)育于砂巖、頁(yè)巖及灰?guī)r等沉積地層，同時(shí)也是火成巖和變質(zhì)巖中最常見的金屬礦物之一。煤系地層中黃鐵礦的賦存一直是地質(zhì)學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]，一方面對(duì)于煤礦安全開采帶來重大的安全隱患；另一方面，煤燃燒所排放的SO2是造成大氣污染的重要因素之一，其中黃鐵礦燃燒釋放的SO2可達(dá)80%以上，成為污染物的主要來源[2-4]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤系地層中黃鐵礦的賦存狀態(tài)、形成時(shí)期及其成因機(jī)制等開展了廣泛的科學(xué)研究工作[1-4]。

淮南新集二礦為煤與瓦斯突出礦井，前期工作發(fā)現(xiàn)，可采煤層11-2煤堅(jiān)硬致密的砂巖頂板中含有黃鐵礦礦石，由于采空區(qū)砂巖頂板發(fā)生位移、冒落和撞擊，摩擦過程產(chǎn)生的火花引發(fā)了礦井瓦斯燃燒事故。為了厘清黃鐵礦的賦存規(guī)律及其與相關(guān)沉積地層的成因聯(lián)系，本文選取新集二礦11-2煤層頂板含黃鐵礦砂巖地層為研究對(duì)象，分析含黃鐵礦砂巖的巖石學(xué)及地球化學(xué)特征，探討該套地層形成的沉積環(huán)境，該項(xiàng)工作將為深入研究新集二礦煤系地層的沉積學(xué)特征、有效預(yù)防和治理由黃鐵礦引發(fā)的礦井災(zāi)害事故提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

淮南煤田位于華北板塊南緣，北鄰蚌埠隆起，南靠合肥坳陷，東西由郯廬斷裂和商丘—府城斷裂相隔，呈現(xiàn)近東西向展布的復(fù)向斜構(gòu)造[5]。新集二礦位于淮南復(fù)向斜謝橋向斜南翼，該地區(qū)發(fā)育一系列沿東西向延伸的逆沖斷層，構(gòu)成以阜鳳逆沖斷層為主體的逆沖推覆構(gòu)造體系(圖1)。礦區(qū)內(nèi)，基巖被新近系和第四系覆蓋，露頭較差，根據(jù)鉆孔資料顯示，主要發(fā)育地層包括：下元古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和新生界。其中，二疊系山西組和上、下石盒子組為該區(qū)重要含煤地層，具有如下沉積特征。

a.淮南煤礦區(qū)域構(gòu)造綱要圖 b.新集二礦構(gòu)造綱要圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[6-7]修改) 圖1 礦井構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of coalmine

①山西組(P1sh) 平均厚度57m，下部主要為海相泥巖沉積，上部主要為中、粗粒石英砂巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖沉積，該組地層中下部含煤兩層。

②下石盒子組(P1x) 平均厚度146m，由深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂泥巖互層、粉砂巖和石英砂巖組成，該組中上部含煤8～12層，為二疊系第二含煤段。

③上石盒子組(P2s) 平均厚度546m，由深灰色粉砂巖、泥巖、灰白色中細(xì)粒砂巖及石英砂巖組成，夾菱鐵礦和黃鐵礦結(jié)核；該組包含煤21～29層，根據(jù)沉積特征、巖性組合和含煤情況，該組共包含五個(gè)含煤段。

11-2煤層位于上石盒子組第三含煤段，總體傾向?yàn)镹NE方向，煤巖性質(zhì)為動(dòng)力煤中的灰煤，屬特低硫煤。該煤層往上依次為泥巖、細(xì)砂巖和中砂巖，其中泥巖厚度變化范圍為0～2.82m，總體沉積較薄，煤層頂板以砂巖為主要特征，平均厚度為28.8m；煤層底板為泥巖，平均厚度為2.35m，泥巖之下為砂質(zhì)泥巖，厚度變化不均。

2 含黃鐵礦砂巖頂板特征

2.1 巖石學(xué)和巖相學(xué)特征

11-2煤層頂板砂巖呈堅(jiān)硬厚層狀產(chǎn)出，顏色為灰白色，主要成巖礦物為石英和斜長(zhǎng)石；顯微鏡下特征顯示，砂巖中碎屑礦物占全巖95%，其中70%以上為石英碎屑，其余組分為長(zhǎng)石和巖屑；碎屑顆粒之間分選較好，呈次棱角-次圓狀，并具有孔隙式膠結(jié)特征?？梢?，11-2煤層頂板砂巖具有較高的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度，往往形成于水動(dòng)力作用較強(qiáng)的易受雙向水流影響的濱海沉積環(huán)境[8]。砂巖中節(jié)理和裂隙十分發(fā)育，其間由黃鐵礦呈脈狀和粉晶狀充填。根據(jù)X-衍射全巖檢測(cè)結(jié)果，11-2頂板砂巖樣品中黃鐵礦成分含量可達(dá)3%左右。

2.2 地球化學(xué)特征

地層中不易受次生變化影響的元素，可用于示蹤古沉積環(huán)境特征[9]。本次研究針對(duì)11-2煤層頂板砂巖全巖樣品進(jìn)行主量元素和微量元素測(cè)試分析，測(cè)試工作在安徽理工大學(xué)完成，主量元素利用原子熒光分光光度計(jì)(RF-5310PC)測(cè)定，微量元素測(cè)試采用電感耦合等離子質(zhì)譜法，測(cè)試儀器選用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)。

測(cè)試結(jié)果顯示(表1,表2)，砂巖樣品SiO2含量較高，為83.58%，F(xiàn)e2O3為3.59%，MgO為1.39%，CaO為4.44%；微量元素中富集Fe、K、Ca和S四種元素，其次為Ti和Mn，其中Fe和S元素大量富集與黃鐵礦的賦存密切相關(guān)。V在氧化環(huán)境中很容易富集，Ni則易于在還原環(huán)境下富集，V/(V+Ni)的值可體現(xiàn)沉積環(huán)境的氧化還原特征，然本次測(cè)試未測(cè)得Ni元素；另外，V/Cr比值為0.27～2.0時(shí)指示富氧環(huán)境，大于4.25時(shí)為厭氧環(huán)境，2.0～4.25時(shí)為貧氧環(huán)境[10]，石英砂巖樣品中的V/Cr值在1.39左右；元素Co、Cu在缺氧環(huán)境下以硫化物形式沉淀，在氧化環(huán)境下呈現(xiàn)溶解態(tài)[11-12]，實(shí)驗(yàn)測(cè)得Co、Cu元素虧損，S及其硫化物較為富集；綜合以上元素特征，反映砂巖沉積區(qū)承載較弱的古氧化環(huán)境信息。

表1 11-2煤層頂板砂巖樣品主量元素平均值

表2 11-2煤層頂板砂巖樣品微量元素平均值

3 含黃鐵礦砂巖沉積環(huán)境分析

3.1 黃鐵礦成因分析

原生黃鐵礦多為自形、半自形或莓粒狀，成巖期的黃鐵礦多為結(jié)核狀或脈狀，后生黃鐵礦多為脈狀或裂隙、絲炭充填[2]。根據(jù)前人研究資料，淮南地區(qū)煤系地層中可見黃鐵礦和菱鐵礦結(jié)核，具有鮞狀、似層狀及橢圓狀等特征[13-15]。但在11-2煤層頂板砂巖中，黃鐵礦大多以脈狀或者長(zhǎng)條狀充填于節(jié)理或裂隙，充填形態(tài)不規(guī)則，自形程度低，與后生階段形成的黃鐵礦特征基本一致[3]。

從黃鐵礦形成過程來看，F(xiàn)e2+在富氧條件下極不穩(wěn)定，容易被氧化為Fe3+；S2-來源相對(duì)復(fù)雜，往往與沉積環(huán)境中水溶液、火山巖漿熱液、有機(jī)質(zhì)脫硫等作用相關(guān)[1,3,16]。因此，黃鐵礦沉積形成需要經(jīng)歷如下過程：①在游離氧存在條件下，F(xiàn)e2+被氧化形成Fe(OH)3膠體，并以溶液的形式搬運(yùn)到沉積盆地；②在還原環(huán)境下，膠體中的Fe3+被還原成Fe2+；③有機(jī)質(zhì)或硫酸鹽類經(jīng)過生物化學(xué)反應(yīng)，被硫酸鹽還原菌還原；④S2-與Fe2+最終結(jié)合形成黃鐵礦[4]。前人針對(duì)淮南煤田13-1和8煤層中的黃鐵礦結(jié)核開展研究，進(jìn)一步確認(rèn)了石盒子組中賦存的黃鐵礦形成于弱還原環(huán)境[14,17]。由此推測(cè)，11-2煤層頂板中黃鐵礦結(jié)晶形成時(shí)，沉積環(huán)境具有相似的還原特征，這一特征與砂巖沉積成巖于氧化環(huán)境的認(rèn)識(shí)明顯不同。

綜上分析，11-2煤層頂板砂巖中的黃鐵礦可能是在成巖后期，在流體作用下充填而形成的后生黃鐵礦，石英砂巖底部的11-2煤層無(wú)疑為有機(jī)質(zhì)脫硫作用的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；同時(shí)，該套含黃鐵礦石英砂巖指示了沉積盆地具有由早期氧化環(huán)境逐漸向后期還原環(huán)境演化的特征。

3.2 沉積環(huán)境分析

華北地區(qū)晚古生代期間沉積環(huán)境和盆地演化的研究，一直備受地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注[5,18-22]。大部分研究者認(rèn)為華北地區(qū)晚古生代太原組沉積之后，沉積環(huán)境由海相逐漸轉(zhuǎn)為陸相沉積[5,21]，但隨著研究工作的深入，在上石盒子組中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了海綿巖和海綠石等指示海相環(huán)境的證據(jù)[18-19, 22-23]，使得對(duì)于沉積環(huán)境的準(zhǔn)確判定變得復(fù)雜。

研究區(qū)太原組由一套深灰色石灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及砂泥巖組成，這套以碳酸鹽巖為主的沉積地層代表淺海相沉積。山西組由砂巖、泥巖和粉砂巖組成，底部沉積海相泥巖，砂巖中發(fā)育水平層理構(gòu)造，代表山西組沉積期間，沉積環(huán)境已由海相轉(zhuǎn)為水下三角洲沉積[5]。下石盒子組由砂巖、砂泥巖互層和泥巖組成，楔形和板狀交錯(cuò)層理發(fā)育，底部為一套高嶺巖礦床，具有斑狀和鮞狀特征，其形成與三角洲分流間灣沉積相關(guān)[24-25]。上石盒子組中、下部煤系地層沉積厚度較大，分布穩(wěn)定，上部煤層厚度變化大，底部花斑狀泥巖逐漸向上過渡為砂泥巖互層，煤層和泥巖層沉積厚度的變化，代表沉積環(huán)境已逐漸由海灣相向潮坪相、泥沼相變遷；沉積構(gòu)造方面，上石盒子組厚層砂巖中發(fā)育大型槽狀交錯(cuò)層理、平行層理，在較薄的砂巖中發(fā)育小型交錯(cuò)層理或砂紋層理，均反映較好的水動(dòng)力條件。由此可見，上石盒子組沉積時(shí)，海洋潮汐作用已十分微弱，河流地質(zhì)作用進(jìn)一步增強(qiáng)，屬于三角洲平原上河道沉積。

上石盒子組11-2煤層煤質(zhì)較好，厚度發(fā)育穩(wěn)定，在新謝和顧橋等地厚度可達(dá)到4.0m，是本區(qū)主要可采煤層之一[26]。此時(shí)，三角洲平原分流河道發(fā)育，水系連通，地形低平，在三角洲平原上形成了大范圍的沼澤環(huán)境，控制煤系地層的厚度和橫向穩(wěn)定發(fā)育；當(dāng)?shù)貧は陆邓俣仍龃?，植物的堆積與水面上升速度不再協(xié)調(diào)一致后，水動(dòng)力顯著增強(qiáng)，沼澤沉積環(huán)境被破壞，經(jīng)過河流長(zhǎng)期侵蝕搬運(yùn)的陸源碎屑物在三角洲分流河道環(huán)境發(fā)生沉積，形成該套石英砂巖。此后，隨著沉積環(huán)境頻繁變化，二疊紀(jì)末期河流地質(zhì)作用進(jìn)一步增強(qiáng)，潮汐作用增大，不利于有機(jī)質(zhì)聚集，造成上石盒子組晚期泥巖中有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低，煤層厚度變化大，煤質(zhì)較差。

4 結(jié)論

(1)淮南新集二礦11-2煤層頂板砂巖中的黃鐵礦是砂巖形成之后，在流體作用下充填結(jié)晶而形成的后生黃鐵礦；巖石地球化學(xué)特征與前人研究成果結(jié)合，揭示了該套含黃鐵礦石英砂巖的沉積環(huán)境具有由早期氧化環(huán)境逐漸向后期還原環(huán)境演化的特征。

(2)上石盒子組沉積時(shí)，以河流地質(zhì)作用為主，隨著地殼穩(wěn)定沉降，三角洲平原分流河道的湖泊和沼澤地為11-2煤層的主要沉積區(qū)，隨著地殼快速沉降，水動(dòng)力顯著增強(qiáng)，經(jīng)過河流長(zhǎng)期侵蝕搬運(yùn)的陸源碎屑物最終沉積，形成該套含黃鐵礦石英砂巖。