仙巖煤礦二疊系煤層沉積環(huán)境與含硫特征分析

龍 宇 羅順社 方生紅

（1.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州 貴陽 550006；2.長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100）

貴州地區(qū)煤炭資源豐富，分布廣泛。貴州省內(nèi)含煤系地層主要為二疊系上統(tǒng)的海陸過渡相沉積巖，成煤時期受沉積環(huán)境影響，煤中含硫量變化較大，且隨著海平面的升降呈現(xiàn)規(guī)律性的變化?？傮w上，陸相聚煤環(huán)境煤中的含硫量低于海相。

本文以黔西北地區(qū)桐梓縣境內(nèi)仙巖煤礦為例，通過煤樣分析測試，結(jié)合前人研究成果，對研究區(qū)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤層中硫的分布、組成進(jìn)行研究，從而建立與聚煤時期沉積環(huán)境的關(guān)系，并通過對煤層中硫在垂向上與平面上的變化與分布特征進(jìn)行分析，從沉積環(huán)境演化的角度總結(jié)了煤層中硫的賦存規(guī)律及地質(zhì)成因。

1 地質(zhì)概況

仙巖煤礦位于揚子準(zhǔn)地臺（一級）黔北臺隆（二級）遵義斷拱（三級）畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)的周市壩向斜（也稱高橋向斜）北西翼的北西段，如圖1 所示。受周市壩向斜控制，其地層走向60°～80°，傾向138°～165°，傾角20°～29°，一般為24°。研究區(qū)內(nèi)地層由老到新為：二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l），二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）、三疊系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m）、第四系（Q）。

研究區(qū)龍?zhí)督M巖性為灰色-淺灰色及深灰色，薄至中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖，夾泥灰?guī)r薄層，含菱鐵礦、黃鐵礦結(jié)核，呈水平層理、波狀層理及交錯層理；產(chǎn)腕足類，瓣鰓類及腹足類等動物化石以及羊齒類植物化石；與上覆地層長興組呈整合接觸，與下伏地層二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r呈平行不整合接觸。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造圖

龍?zhí)督M為研究區(qū)內(nèi)主要含煤地層，地層厚度63.58 ～81.57m，平均69.39m，含可采煤層5 層，從上至下編號依次為4、6、8、9、13 號煤層?？刹擅簩涌偤穸?.49 ～13.80m，平均可采煤層厚度7.57m，可采含煤系數(shù)10.82%?？刹擅簩泳鶠榻Y(jié)構(gòu)較簡單穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。

2 煤層中硫分布特征

2.1 煤層中硫垂向分布特征

根據(jù)各可采煤層采煤樣分析測試結(jié)果，研究區(qū)5 層可采煤層硫的含量變化較大，原煤干燥基全硫（St,d）含量為1.69%～10.75%。按煤樣測試結(jié)果對各可采煤層中硫含量取其算術(shù)平均值，各可采煤層隨深度增加其原煤中硫的含量呈“V”字型變化，如圖2 所示。原煤中4 號煤層硫含量最高，平均為6.85%，6 號煤層硫含量最低，到達(dá)“V”字型的最低端，硫含量平均為3.79%。隨著埋藏深度的增加，原煤中硫含量呈上升趨勢，在含煤系地層的最底部13 號煤層時，煤層中硫含量達(dá)到“V”字型的另一個最高點。經(jīng)過分選，各可采煤層浮煤硫含量均達(dá)到中硫煤（MS）-中高硫煤（MHS）。

2.2 煤層中硫橫向分布特征

將研究區(qū)各件煤樣與采樣點一一對應(yīng)起來，建立煤層中硫含量在平面上的分布變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)5 層可采煤層中高硫煤分布范圍廣，占整個研究區(qū)范圍的90%以上，僅個別采樣點煤中硫含量＜3%，呈無規(guī)律變化?？紤]采樣范圍有限及各種偶然因素等原因，煤層中硫在橫向上的變化本文不做詳細(xì)探討。

圖2 硫分產(chǎn)率直方圖

3 煤層中硫與沉積環(huán)境的關(guān)系

3.1 層序劃分與沉積特征

根據(jù)地層巖性在縱向上的變化規(guī)律，結(jié)合前人對貴州地區(qū)龍?zhí)督M地層的研究成果，通過層序劃分中對區(qū)域不整合面、下切谷砂體底部沖刷面、最大海泛面及初始海泛面特征的識別，將研究區(qū)龍?zhí)督M地層劃分為2 個三級層序，由下至上分別為SQ1、SQ2，如圖3 所示，詳述如下。

SQ1：該層序包括的地層從鋁土質(zhì)泥巖底部到龍?zhí)督M中部灰?guī)r的頂界，包括低位體系域（LST）、海侵體系域（TST）、高位體系域（HST）。SQ1期底部沉積一層淺灰色鋁土質(zhì)泥巖，鋁土質(zhì)泥巖呈淺灰色，是龍?zhí)对缙陲L(fēng)化殘余物在潟湖環(huán)境堆積而成的，發(fā)育于初期古風(fēng)化面上的低洼地帶。鋁土質(zhì)泥巖的發(fā)育代表了地殼的一次抬升，該標(biāo)志層代表了區(qū)域不整合面，為低位體系域的沉積產(chǎn)物。龍?zhí)督M底部沉積的13 號煤層，是區(qū)域內(nèi)海侵的開始，海侵體系域內(nèi)沉積物為典型的下粗上細(xì)的退覆型正粒序。下部為薄—中層狀，粒度為粉?！?xì)粒的三角洲前緣水下分流河道砂體，發(fā)育楔狀交錯層理等大型沖刷構(gòu)造；上部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等粒度較細(xì)的潟湖沉積，發(fā)育水平層理，含菱鐵礦、黃鐵礦結(jié)核，為閉塞還原環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，至石灰?guī)r形成之前海侵體系域結(jié)束。SQ1 頂部發(fā)育的石灰?guī)r標(biāo)志層代表了該地區(qū)的最大一次海侵，石灰?guī)r標(biāo)志層底部可識別為區(qū)域內(nèi)的最大海泛面，高位體系域內(nèi)沉積的巖性主要為石灰?guī)r、泥灰?guī)r等碳酸鹽巖，灰?guī)r形成于物源供應(yīng)相對不足的遠(yuǎn)岸碳酸鹽巖臺地沉積環(huán)境。

SQ2：低位體系域（LST）、海侵體系域（TST）、高位體系域（HST）在SQ2 內(nèi)普遍發(fā)育。在SQ2 早期是一次區(qū)域的海退，至6 號煤層底界時結(jié)束。低位體系域內(nèi)沉積物為下細(xì)上粗的進(jìn)積型逆粒序：下部的深灰—灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為潟湖環(huán)境中閉塞還原條件下的沉積產(chǎn)物，發(fā)育水平層理，夾數(shù)層菱鐵礦薄層，含黃鐵礦、菱鐵礦結(jié)核；上部為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及細(xì)砂巖等粒度相對較粗的三角洲前緣中的河道砂體，發(fā)育槽狀交錯層理、楔狀交錯層理等沖刷構(gòu)造，至6 號煤層沉積之前低位體系域結(jié)束。該體系域內(nèi)發(fā)育8、9 號煤層，均形成于三角洲前緣水下分流澗灣沉積環(huán)境。6 號煤層覆于河道砂體之上，煤層底界可作為初始海泛面的識別標(biāo)志。因此，6 號煤層底界至4 號煤層頂界是區(qū)域內(nèi)的一次短暫海侵，海侵體系域主要為潟湖環(huán)境中沉積的泥巖，夾數(shù)層薄煤線。該體系域內(nèi)發(fā)育2 層可采煤層，4、6 號煤層。在SQ2 高位體系域內(nèi)不發(fā)育煤層。

圖3 二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M沉積環(huán)境與層序地層柱狀圖

3.2 煤層中硫與沉積環(huán)境的關(guān)系

煤層中的硫可分為有機(jī)硫和無機(jī)硫。有機(jī)硫也是原生硫的主要組成形式，有機(jī)硫含量主要受到沉積環(huán)境控制；無機(jī)硫包括硫鐵礦硫、硫酸鹽硫等硫化物硫，也是次生硫的主要組成形態(tài)，是成煤過程中以硫化物的形式進(jìn)入的硫，主要受到煤層沉積時的水環(huán)境控制。

研究區(qū)煤層主要形成于潟湖、三角洲前緣分流澗灣等水動力較弱的還原環(huán)境中。根據(jù)表1 中煤層硫含量及圖3 中可采煤層的垂向分布，在SQ2 發(fā)育的4 層可采煤層中，發(fā)育在海侵體系域頂部的4 號煤層中硫含量明顯高于其他3 層。由于6 號煤層發(fā)育在下切河谷河道砂體的上部，而8、9 號煤層位于低位體系域的中部，因此6 號煤層中全硫含量較8、9 號煤層低，同時也是區(qū)內(nèi)可采煤層中全硫含量最低。

研究區(qū)原煤中各種形態(tài)硫中，潟湖環(huán)境形成的煤層中有機(jī)硫含量略高于三角洲前緣環(huán)境，有機(jī)硫含量以潟湖末期形成的4 煤層最高，遠(yuǎn)高于其他煤層。龍?zhí)督M底部的13 號煤層也形成于潟湖相末期，有機(jī)硫含量稍高于6、8、9 號煤層。研究區(qū)各可采煤層中無機(jī)硫含量均占總硫份的80%以上，因此，原煤中無機(jī)硫含量的高低是影響全硫含量的主要因素。

表1 原煤各種形態(tài)硫化驗結(jié)果匯總表

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)沉積環(huán)境分為三角洲前緣亞相、潟湖、碳酸鹽巖潮坪亞相，區(qū)內(nèi)共發(fā)育5層可采煤層，煤層主要聚集在潟湖、三角洲前緣分流澗灣等閉塞還原環(huán)境中。

（2）原煤中全硫含量受沉積環(huán)境及沉積后成煤作用環(huán)境共同影響。各種形體硫中無機(jī)硫含量的高低是影響全硫含量的主要因素，與海平面升降呈正相關(guān)性；有機(jī)硫含量與沉積環(huán)境有關(guān)，潟湖環(huán)境中有機(jī)硫含量高于分流澗灣。