江西樂平樹皮煤的顯微煤巖類型研究

周國慶,姜堯發(fā), 顏躍進(jìn),王紹清

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院地質(zhì)研究所,江蘇徐州 221116； 2.江西省煤田地質(zhì)局,南昌 330001； 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083)

0 前言

江西樂平的“樹皮煤”是聞名世界的樹皮殘植煤，數(shù)十年來我國許多學(xué)者對其進(jìn)行了煤巖學(xué)、煤化學(xué)、古生物學(xué)等深入研究，以探討其形成物質(zhì)、成煤環(huán)境、化學(xué)工藝特征、生油氣潛能等。文獻(xiàn)顯示，以往的煤巖學(xué)研究主要是論述樹皮體的含量、光學(xué)性質(zhì)、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等顯微組分特征[1]，迄今為止未見樂平晚二疊世煤層剖面的顯微煤巖類型研究成果的報(bào)道。本文對江西樂平鳴山煤礦B3煤層的6個(gè)煤分層進(jìn)行了詳細(xì)的顯微煤巖類型和顯微組分研究，以揭示樹皮體與其他顯微組分的共生組合關(guān)系及垂向分布，以及形成樹皮體的成煤原始質(zhì)料在泥炭沼澤演化過程中的富集特征，為探討樹皮煤的成因提供相關(guān)資料。

1 地質(zhì)背景

樂平樹皮煤形成于晚二疊世龍?zhí)镀?，含煤地層是上二疊統(tǒng)龍譚組。據(jù)前人研究上二疊統(tǒng)龍譚組自下而上分為四段(圖1)，即官山段、老山段、獅子山段和王潘里段[2]。

圖1 江西樂平龍?zhí)督M含煤地層柱狀圖Figure 1 Longtan Formation coal-bearing strata stratigraphic column in Leping, Jiangxi

官山段：厚97m，下部為灰-灰綠色粉砂巖、泥巖夾薄層狀中細(xì)砂巖，局部含煤一層，編號A煤組，不可采；上部以灰白色中粗粒砂巖為主，夾粉砂巖及煤線。

老山段：厚155m，下部以灰色粉砂巖為主，夾鈣質(zhì)細(xì)砂巖，含煤1～5層，編號為B煤組，其中B2、B3、B4和B5煤層為可采煤層；中部以黑色海相泥巖為主；上部為薄層狀粉砂巖與細(xì)砂巖互層。

獅子山段：厚10m，灰白色中厚層狀細(xì)砂巖，不含煤層。產(chǎn)海相動(dòng)物化石。

王潘里段：厚51m，由灰黑色砂巖、粉砂巖、泥巖夾炭質(zhì)泥巖及煤層組成， 含煤1～8層， 編號為C煤組，其中C13煤層為主要可采煤層。

2 采樣與測試方法

本文研究的B3煤層采自鳴山煤礦北一采區(qū)，采樣點(diǎn)煤層厚度4.15m。煤層主要由暗煤、亮煤和鏡煤線理組成，煤的光澤總體上呈現(xiàn)從下往上由亮變暗趨勢。煤層下部的分層顯示細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)。煤層上部至頂部的分層，顯示薄層狀或葉片狀構(gòu)造，用手易將大塊煤掰成薄片。煤層底部分層中含較多黃鐵礦結(jié)核和黏土礦物。

顯微煤巖類型鑒定及定量統(tǒng)計(jì)遵循現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T15590-2008，GB/T15589-2013)進(jìn)行。顯微煤巖類型分析，在顯微鏡目鏡中裝入一個(gè)20點(diǎn)十字絲片，移動(dòng)煤巖光片統(tǒng)計(jì)顯微煤巖類型的含量時(shí)，嚴(yán)格遵守二條重要規(guī)定：一是條帶或煤粒的最小面積為50μm×50μm，二是至少體積含量達(dá)5%(一個(gè)交點(diǎn)覆蓋)的顯微組分才參加命名。

3 結(jié)果與討論

3.1 顯微組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及垂向變化

由表1可見，鳴山煤礦B3煤層各分層的鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為14.8%～39.0%，平均25.3%；惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為9.0%～21.3%，平均15.4%；殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為8.2%～69.0%，平均46.8%；礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為1.1%～31.6%，平均12.6%。

表1 鳴山煤礦B3煤層顯微組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 鳴山煤礦B3煤層顯微煤巖類型質(zhì)量分?jǐn)?shù)

鏡質(zhì)組各顯微組分的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是：結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體0.1%，均質(zhì)鏡質(zhì)體8.9%，基質(zhì)鏡質(zhì)體15.8%，團(tuán)塊鏡質(zhì)體0.1%，碎屑鏡質(zhì)體0.5%。優(yōu)勢顯微組分是基質(zhì)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體。

惰質(zhì)組各顯微組分的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是：絲質(zhì)體0.3%，半絲質(zhì)體3.2%，粗粒體5.8%，微粒體0.2%，菌類體0.1%，碎屑惰質(zhì)體5.8%。粗粒體和碎屑惰質(zhì)體相對較多。

殼質(zhì)組各顯微組分的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是：孢子體2.5%，角質(zhì)體0.8%，樹皮體43.3%，樹脂體0.2%。樹皮體含量占絕對優(yōu)勢。

在第1至第5分層中樹皮體質(zhì)量分?jǐn)?shù)都很高(變化范圍為34.8%～67.5%，平均51.8%)。而煤層底部第6分層樹皮體含量僅0.8%，反映成煤泥炭沼澤發(fā)育初期，缺乏形成樹皮體的原始物質(zhì)。第6分層中含有較多黏土礦物(28.0%)和黃鐵礦(3.6%)，反映潮濕還原環(huán)境。

3.2 顯微煤巖類型質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其垂向變化

由表2可見，鳴山煤礦B3煤層中單組分、雙組分、三組分的顯微煤巖類型都有分布。單組分顯微煤巖類型主要是微樹皮煤，其次是微無結(jié)構(gòu)鏡煤，含有少量微半絲煤和微量的微碎屑惰質(zhì)煤、微結(jié)構(gòu)鏡煤和微絲煤。雙組分顯微煤巖類型主要是樹皮微亮煤和樹皮微暗煤，其次是孢子微暗煤和微鏡惰煤V，含少量微鏡惰煤I和微量的孢子微亮煤、樹脂微亮煤。三組分顯微煤巖類型之微暗亮煤、微鏡惰殼煤和微亮暗煤三者的含量接近?？傮w上看，占優(yōu)勢的顯微煤巖類型主要是微樹皮煤、微無結(jié)構(gòu)鏡煤、樹皮微亮煤、樹皮微暗煤。在各分層中，優(yōu)勢顯微煤巖類型的含量亦有較大變化。

微樹皮煤，在第1至第5分層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高(變化范圍為23.9%～56.3%，平均39.8%)，特別是第2分層，微樹皮煤含量56.3%(顯微組分樹皮體含量為67.5%)，是樹皮體最富集的層段。在煤層底部第6分層中，沒有統(tǒng)計(jì)到微樹皮煤。

微無結(jié)構(gòu)鏡煤，在第4至第6分層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為11.1%、16.4%和11.5%。

樹皮微亮煤，在第3、第4分層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(分別為15.5%和12.7%)，反映這二個(gè)分層中既有大量厚層或多條樹皮體密集疊置，又有較多樹皮體呈分散狀被凝膠化物質(zhì)包裹。

樹皮微暗煤，在第2、第3分層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(分別是18.6%和13.9%)，反映在樹皮體原始質(zhì)料堆積時(shí)混入較多惰質(zhì)組分碎屑。

微礦質(zhì)煤(微黏土質(zhì)煤)和微碳質(zhì)巖(微碳質(zhì)黏土巖)，在煤層底部的第6分層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高：微黏土質(zhì)煤22.6%，微碳質(zhì)黏土巖17.2%。反映煤層形成之初，黏土礦物既有呈分散狀態(tài)輸入的，也有富集成層的。煤中還含有較多微碳質(zhì)硫鐵礦巖(含量6.3%)，反映早期成煤泥炭沼澤處于還原環(huán)境，形成一些較大的黃鐵礦結(jié)核。

3.3 顯微組分特征

江西樂平晚二疊世的樹皮煤，除含豐富的樹皮體外，其他顯微組分的特征與我國晚古生代煙煤中的顯微組分特征相似。鏡質(zhì)組各顯微組分在透射光下呈紅色，在油浸反射光下呈灰色，在藍(lán)光激發(fā)下不發(fā)熒光。惰質(zhì)組各顯微組分在透射光下呈黑色，在油浸反射光下呈黃白色-亮黃色，在藍(lán)光激發(fā)下不發(fā)熒光。殼質(zhì)組各顯微組分在透射光下呈淡黃色，在油浸反射光下呈深灰色-灰黑色，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)黃綠色、黃色、褐黃色熒光。

鳴山煤礦B3煤層中的樹皮體，在垂直層理的切面上大多顯示若干樹皮體條帶密集疊置的特征。在一個(gè)視域中常見幾條、幾十條樹皮體條帶平行堆疊在一起(圖3-A)。有時(shí)樹皮體條帶呈曲折狀(圖2-C、D)。單個(gè)厚層樹皮體包含多層植物組織細(xì)胞，細(xì)胞形態(tài)呈長方形或微彎狀矩形(圖2-B)，有時(shí)呈多角形或不規(guī)則形狀。在近平行層理的切面中，樹皮體顯示較完整的根形構(gòu)造(圖2-G、H，圖3-E、F、G、H)。

鳴山煤礦B3煤層中的小孢子體常呈壓扁的長環(huán)形，在油浸反射光下呈深灰色(圖2-D)。樹脂體呈橢圓形，透射光下呈亮黃色，油浸反射光下呈深灰色，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)褐黃色熒光。B3煤層中的角質(zhì)體較少。

鳴山煤礦B3煤層中的鏡質(zhì)組分在油浸反射光下呈灰色?；|(zhì)鏡質(zhì)體常膠結(jié)或包裹著其他顯微組分，多數(shù)情況是基質(zhì)鏡質(zhì)體包裹碎塊狀樹皮體，形成典型的樹皮微亮煤(圖2-E、F)。均質(zhì)鏡質(zhì)體，呈均一狀。團(tuán)塊鏡質(zhì)體一般呈不規(guī)則圓形。碎屑鏡質(zhì)體呈不規(guī)則細(xì)粒狀。

鳴山煤礦B3煤層中的惰質(zhì)組分在油浸反射光下呈黃白色。常見碎屑惰質(zhì)體被夾在樹皮體條帶之間或分布在基質(zhì)鏡質(zhì)體中(圖2-A、C)。絲質(zhì)體保存有較好的植物細(xì)胞腔結(jié)構(gòu)，半絲質(zhì)體細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較差，菌類分泌體常顯示一個(gè)特征的缺口。有時(shí)在樹皮體條帶之間見有菌類分泌體，反映形成樹皮體的原始質(zhì)料堆積時(shí)曾發(fā)生過細(xì)菌降解作用。

圖2 江西樂平鳴山煤礦B3煤中的樹皮體等顯微組分Figure 2 Macerals including barkinite etc. in coal B3, Leping, Jiangxi

A-條帶狀樹皮體，發(fā)黃綠色熒光，×126，藍(lán)光激發(fā)；B-條帶狀樹皮體，胞腔充填物發(fā)黃綠色熒光，細(xì)胞壁不發(fā)熒光，×250，藍(lán)光激發(fā)；C-條帶狀樹皮體，胞腔充填物發(fā)黃綠色熒光，細(xì)胞壁不發(fā)熒光，×300，藍(lán)光激發(fā)；D-樹皮體，胞腔充填物發(fā)黃綠色熒光，細(xì)胞壁不發(fā)熒光，×250，藍(lán)光激發(fā)；E-樹皮體平皮切面，顯示樹皮組織構(gòu)造，×250，藍(lán)光激發(fā)；F-樹皮體平皮切面，顯示樹皮組織構(gòu)造，×250，藍(lán)光激發(fā)；G-樹皮體平皮切面，顯示完整的樹皮組織構(gòu)造，×250，藍(lán)光激發(fā)；H-樹皮體平皮切面，顯示完整的樹皮組織構(gòu)造，×126，藍(lán)光激發(fā)。圖3 江西樂平鳴山煤礦B3煤中的樹皮體的熒光特征Figure 3 Barkinite fluorescence features in coal B3, Mingshan coalmine, Leping, Jiangxi

4 結(jié)論

(1)江西樂平B3煤層主要由“樹皮體”組成，在全層顯微組分含量平均值中，“樹皮體”含量占43.3%，是富含“樹皮體”的殘植煤。

(2)本次研究樣品中的“樹皮體”顯示較清晰的植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞壁在透射光下呈紅色，在油浸反射光下呈灰色(圖2-A、B、D、H)，在藍(lán)光激發(fā)下不發(fā)熒光(圖3)?！皹淦んw”的胞腔充填物，在透射光下呈淡黃色-黃色，在油浸反射光下呈深灰-灰黑色(圖2)，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)亮黃綠色、黃色或褐黃色熒光(圖3)。這說明江西樂平B3煤層中的“樹皮體”的細(xì)胞壁并非栓質(zhì)化成分，這種非栓質(zhì)化細(xì)胞壁的光性特征更具木質(zhì)部的屬性，由此推斷形成這種“樹皮體”的植物組織也許不是皮層。

(3)鳴山煤礦B3煤層的顯微煤巖類型數(shù)據(jù)顯示，第1到第5分層中微樹皮煤含量平均值為39.8%，樹皮微亮煤含量平均值為9.7%。這反映B3煤層中的“樹皮體”具有階段性異常富集的特征，但相當(dāng)多的“樹皮體”呈分散狀與鏡質(zhì)組分和惰質(zhì)組分共生，尤其是樹皮微亮煤含量較高，指示“樹皮體”是在成煤泥炭沼澤內(nèi)形成的，而不是異地搬運(yùn)沉積的。

本研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472132)支持，在此表示感謝。