青龍寺井田主采煤層古泥炭沼澤演化規(guī)律研究

王 雙 美

（江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221006）

0 引 言

古泥炭沼澤是煤聚集的主要場所，也是含煤地層沉積過程的重要環(huán)節(jié)［1］。 煤相及相關(guān)地球化學(xué)特征，是指示古泥炭沼澤條件的重要標志，也是煤地質(zhì)學(xué)者研究的重要課題之一［1-2］。 煤相的研究可為成煤條件、成煤過程和成煤原始物質(zhì)等方面提供成因信息，文獻［3-5］建立了煤相參數(shù)；秦勇等［1］以山西北部安太堡上石炭統(tǒng)太原組11 號煤層為例，在煤相研究基礎(chǔ)上，結(jié)合地球化學(xué)研究，對煤相及古泥炭沼澤發(fā)育過程進行了精細研究；代世峰等［6］通過對內(nèi)蒙古準格爾黑岱溝主采煤層煤巖學(xué)和礦物學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)煤層中鎵最佳的富集條件處于4 個過渡帶；魯靜等［7］從沉積學(xué)、層序地層學(xué)和煤巖學(xué)角度提出了陸相湖盆沼澤沉積模式，并利用煤相參數(shù)垂向變化特征恢復(fù)沼澤水介質(zhì)特征、成煤植物類型等地質(zhì)演化信息。

神府東勝煤田（以下簡稱“神東煤田”）煤炭資源豐富，構(gòu)成國家特大型煤炭開發(fā)區(qū)域和輸出基地，是我國重要的優(yōu)質(zhì)動力煤的生成基地。 文獻［8-11］對該區(qū)聚煤規(guī)律和含煤巖系的沉積環(huán)境進行了系統(tǒng)總結(jié)，指出含煤巖系的沉積環(huán)境主要包括曲流河、湖泊和湖泊三角洲；黃文輝等［12］對鄂爾多斯盆地侏羅紀煤的煤巖特征進行研究，認為沉積環(huán)境和成煤沼澤環(huán)境對煤巖組分具主要控制作用；劉善德［13］基于永隴礦區(qū)勘探報告的檢測數(shù)據(jù)對勘查區(qū)主采煤層的煤質(zhì)特征、成煤環(huán)境等進行了分析；魏云迅［14］和何建國等［15］對該區(qū)主采煤層的煤巖、煤質(zhì)特征進行了系統(tǒng)分析，查明了不同煤質(zhì)煤炭資源氣化和液化清潔利用途徑；文獻［16-17］厘清了神府礦區(qū)煤炭資源的清潔潛勢；陳凱［18］利用Matlab 與SPSS 的回歸分析方法，建立了東勝礦區(qū)地表移動參數(shù)與相關(guān)地質(zhì)采礦條件的關(guān)系式；王華等［19］指出該礦區(qū)煤中Sr 和Ba 富集的主要原因是煤層中含有負載這2 種元素的礦物；李華兵等［20］詳細分析研究了神府礦區(qū)5-2煤層的焦油產(chǎn)率特征和富油煤的賦存特征。 可見國內(nèi)的專家學(xué)者們已經(jīng)取得了豐碩的成果，但對神府礦區(qū)侏羅紀延安期發(fā)育的主要煤層的煤相序列及演化未進行過詳細研究。

筆者基于青龍寺井田主采煤層5-2煤層的顯微組分特征、煤化學(xué)性質(zhì)和元素地球化學(xué)等分析測試結(jié)果，劃分該煤層的宏觀煤巖類型，總結(jié)了煤化學(xué)特征。 該井田區(qū)主采煤層的煤相演化序列及古泥炭沼澤演化的精細研究，有望揭示該井田主采煤層古泥炭沼澤的水介質(zhì)條件及演化序列，為煤炭資源的清潔潛勢評價及富油煤的賦存特征研究提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

神府礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地東北緣，現(xiàn)今構(gòu)造位置處于盆地次級構(gòu)造單元陜北斜坡之上，位于陜西省最北端神木、府谷兩縣境內(nèi)，東西寬50 km，南北長20～60 km，面積約2 400 km2，與內(nèi)蒙古東勝煤田相連，煤層穩(wěn)定，埋藏淺，易開采。 而青龍寺井田位于神府礦區(qū)新民開采區(qū)的中部，東距府谷縣46 km，南距神木縣約30 km 處。 中侏羅統(tǒng)延安組發(fā)育在盆地西高東低、類型多樣的古地理背景之上，依據(jù)含煤層序和旋回結(jié)構(gòu)地層單元可劃分為5 段，每段含有1 個煤層組。 延安組煤層自上而下編為1 ～5煤組（圖1）。 因遭受后期剝蝕，區(qū)內(nèi)延安組第5 段大部遭受剝蝕，其余各段均有展布。 自下而上發(fā)育有4 個煤組，即5 號煤組、4 號煤組、3 號煤組和2 號煤組，每個煤組含若干個獨立煤層，5-2煤層為主采煤層。

圖1 含煤地層柱狀及采樣編號Fig.1 Columnar section of coal-bearing strata and sample number

2 煤巖分析方法

本次采樣兼顧宏觀煤巖類型采用等距（20 cm）將5-2煤從底板至頂板方向，采取一個完整的煤層剖面，共26 個樣品，包括煤層底板1 個、夾矸1 個和24個煤分層樣，從上至下將煤層編號為1 ～24，夾矸編號JG，底板編號DB。 各分層制成煤磚光片，剩余樣品粉碎分別開展工業(yè)分析、硫分分析（全硫和形態(tài)硫）、元素分析、灰成分分析和微量元素分析。

基于國際煤巖學(xué)顯微組分分類方案（ICCP，1976）及GB／T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》對各煤分層進行顯微組分、礦物和顯微煤巖類型的定量統(tǒng)計。 按照GB／T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》、GB／T 214—2007《煤中全硫的測定方法》、GB／T 215—2003《煤中各種形態(tài)硫的測定方法》等國家相關(guān)標準，進行各煤分層的工業(yè)分析、全硫和形態(tài)硫含量測定。 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測試各煤分層樣品中的微量及常量元素。

依據(jù)DIESSEL［3］建立的方法，基于煤巖顯微組分定量統(tǒng)計結(jié)果，計算各樣品的凝膠化指數(shù)（GI）和結(jié)構(gòu)保存指數(shù)（TPI），其中GI 反映了腐植化過程中的凝膠化作用強弱和泥炭氧化還原條件，為精細表征凝膠化作用強弱及其揭示的沼澤水介質(zhì)酸堿性，作者采用魯靜等［7］的公式計算GI 和TPI，可用于指示泥炭的降解程度和埋藏速度為

GI＝（T＋C4）／（T＋C1）

TPI＝（T＋C1＋F＋Sf）／（C2＋Ma＋ID）

地下水流動指數(shù)（GWI）和植被指數(shù)（VI）的計算公式根據(jù)Calder 等［4］計算，得

GWI＝（C4＋C3＋CM＋SiM＋VD）／（T＋C1＋C2）

VI＝（T＋C1＋F＋Sf＋Fu＋Se＋Re）／（C2＋ID＋Alg＋ED＋Cu）

依據(jù)馬興祥［5］建立的參數(shù)，計算煤樣的搬運指數(shù)（TI）為

TI＝（ED＋VD＋ID＋C3＋Re＋Sp＋Cu）／（F＋T＋C2＋Ma）

式中：T 為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量；C1為均質(zhì)鏡質(zhì)體含量；C2為基質(zhì)鏡質(zhì)體含量；C3為團塊鏡質(zhì)體含量；C4為膠質(zhì)鏡質(zhì)體含量；VD 為鏡屑體含量；F 為絲質(zhì)體含量；Sf 為半絲質(zhì)體含量；Fu 為菌類體含量；Se 為分泌體含量；Ma 為粗粒體含量；ID 為惰屑體含量；Sp為孢子體含量；Cu 為角質(zhì)體含量；Re 為樹脂體含量；Alg 為藻類體含量；ED 為殼屑體含量；CM 為黏土礦物含量；SiM 為石英含量。

沼 澤 水 體 的 古 鹽 度（S，%） 的 計 算 借 鑒Nelson［21］的經(jīng)驗公式y(tǒng) ＝0.09 ＋0.26S，其中y ＝w（Ca）／w（Ca）＋w（Fe）［22］，同時根據(jù)分層煤樣ICPMS 測試結(jié)果，計算可指示泥炭沼澤水介質(zhì)鹽度的Sr／Ba 和Th／U 參數(shù)。

3 煤巖組分結(jié)果

3.1 煤巖基本性質(zhì)

根據(jù)國家標準GB／T12937-2008《煤巖術(shù)語》 、GB／T 18023—2000《煙煤的宏觀煤巖類型分類》和各分層的相對光澤強度，在煤層分層樣品中分出3種宏觀煤巖類型，即半亮煤、半暗煤和暗淡煤，以半暗煤為主。 從上至下，除15、19、20、22 分層樣為半亮煤，其他為半暗煤及暗淡煤。 半亮煤宏觀顯微組分多以亮煤為主，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，貝殼狀斷口；半暗煤則多以暗亮煤為主，鏡煤呈線理狀出現(xiàn)，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造；暗淡煤主要是暗煤和絲炭，均一狀構(gòu)造。

青龍寺井田5-2煤層各煤分層的基本化學(xué)性質(zhì)見表1，揮發(fā)分產(chǎn)率（Vdaf）為32.51%～49.27%，平均38.99%，屬于高揮發(fā)分煤。 灰分（Ad）為5.28%～24.67%，平均13.70%，其中10 個分層樣為特低灰，占41.7%；9 個分層樣為低灰，占37.5%；5 個分層樣為中灰，占20.8%。 全硫含量（St，d）為0.16% ～0.50%，全部屬于特低硫煤。 分析結(jié)果見表1，鏡質(zhì)組含量（V）為48.0%，惰質(zhì)組含量（I）為46.5%，殼質(zhì)組含量（E）為1.5%，礦物質(zhì)體積含量（M），具惰質(zhì)組含量高、鏡質(zhì)組含量低的特點。 在鏡質(zhì)組中，基質(zhì)鏡質(zhì)體的含量最高（46.4%），少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體（1.1%）、均質(zhì)鏡質(zhì)體（0.2%）和團塊鏡質(zhì)體（0.3%）；惰質(zhì)組主要由半絲質(zhì)體（39.2%）、絲質(zhì)體（4.8%）組成，含少量惰屑體和粗粒體等；殼質(zhì)組主要由孢粉體（1.0%）、角質(zhì)體（0.3%）和樹脂體（0.1%）組成。 各煤分層中顯微組分的構(gòu)成變化較大（圖2），以第22、18、13、8 和4 分層為界，顯微組分垂向呈多個向上鏡質(zhì)組含量不斷降低、惰質(zhì)組含量逐漸增加的變化趨勢，即向上變暗。 垂向上鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的周期式波動，指示了沼澤水體由滯流向活性氧含量增加的演化過程。 因為沼澤水體滯流海侵作用增強使水體鹽度增高，導(dǎo)致沉積水介質(zhì)還原性增強，煤中鏡質(zhì)組含量增高；水動力條件越強，水中活性氧的氧化作用或水流異地沉積作用就越大，會使煤或泥炭中惰質(zhì)組及碎屑組分含量增高。 同時煤中的灰分呈近乎相同的變化趨勢，通常，沼澤水介質(zhì)動力條件越弱，由水流帶入沼澤水體中的陸源物質(zhì)就越少，煤中灰分就會越低［1］。 垂向上煤中灰分的變化，指示了沼澤水介質(zhì)動力條件由弱到強的周期性演化。 據(jù)此，從底板至頂板方向，5-2煤顯微組分含量構(gòu)成6 個演化旋回（圖2）。

表1 神府礦區(qū)青龍寺井田5-2煤層基礎(chǔ)煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)Table 1 Data of basic coal quality of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefiled of Shen-Fu Mining Area

圖2 青龍寺井田5-2煤層顯微組分及煤相類型演化剖面Fig.2 Columnar section of maceral group composition and coal facies from No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

3.2 煤中微量元素的分布特征

神府礦區(qū)青龍寺井田主采煤層5-2煤層部分微量元素測試結(jié)果見表2 ，煤中微量元素富集特征常用富集系數(shù)CC［23］（CC ＝元素含量／世界煤中元素含量均值，CC＜0.5 為虧損或缺失，0.5＜CC＜2.0 為正常水平，2＜CC＜5 稍富集，5＜CC＜10 富集，10＜CC＜100顯著富集，CC＞100 異常富集），青龍青井田5-2煤層煤樣中微量元素與我國煤中微量元素含量值相比，僅Mn 為富集狀態(tài)，Sr 和Cs 屬正常范圍，其他元素均處于虧損水平；與世界煤中微量元素含量值相比，Mn 為富集狀態(tài)，Be、Sr、Cs 屬正常范圍，其他元素也均處于虧損水平（圖3）。

表2 青龍寺井田5-2煤層部分微量元素分析數(shù)據(jù)Table 2 Data of element analysis of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

圖3 青龍寺井田5-2煤層各煤分層中微量元素富集系數(shù)Fig.3 Enrichment coefficients of race elements from each layer of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

3.3 煤相特征

依據(jù)GI-TPI 圖解（圖4），形成于河流-三角洲背景下的神府礦區(qū)青龍寺井田5-2煤層的不同煤分層主體形成于濕地草本沼澤相。

圖4 青龍寺井田5-2煤層的煤相類型判別圖解［3］Fig.4 Coal facies types of various layers of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield［3］

同時顯示出低位沼澤和干燥森林沼澤等煤相類型，它是分別發(fā)育在湖泊、下三角洲平原和山前沖積平原背景之上。 由此，構(gòu)成了煤相的3 種基本類型，下三角洲平原低位沼澤相（A）、湖泊濕地沼澤相（B）和山前沖積平原干燥森林沼澤（C）。

4 分析與討論

4.1 煤相演化

進一步分析，煤相的發(fā)展演化經(jīng)歷了6 個階段，其中第Ⅰ階段至第Ⅲ階段，成煤作用由B 相開始，至A 相或C 相結(jié)束。 第Ⅳ階段至第Ⅵ階段，成煤作用主體經(jīng)歷了B 相，在發(fā)育了湖泊背景下的濕地沼澤相后結(jié)束了5-2煤古泥炭沼澤的形成作用。

上述6 個階段，揭示了5-2煤層煤相演化過程具有以下特征：①每個演化階段均為半旋回，從湖泊濕地沼澤相，演化為下三角洲平原低位沼澤相或山前沖積平原干燥森林沼澤相，指示水體由相對較深轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬^淺；②第Ⅳ階段至第Ⅵ階段，煤相變化簡單，指示煤層沉積后期古泥炭沼澤環(huán)境相對穩(wěn)定；③階段內(nèi)部煤相存在周期性變化，揭示沼澤水面可能發(fā)生周期性變化，或古鹽度／古水介質(zhì)條件發(fā)生周期性改變。

4.2 水介質(zhì)條件及演化

沼澤水介質(zhì)條件可指示陸源碎屑物質(zhì)的輸入（即灰分產(chǎn)率）和水體鹽度的改變（進而影響煤中鏡質(zhì)組含量及V／I 比值）。 5-2煤各煤分層Ad與V／I、GI、有機硫含量等整體呈負相關(guān)，與TPI 呈明顯的正相關(guān)（圖5）。 因此，V／I、GI、有機硫含量及TPI 可作為5-2煤層泥炭沼澤水動力條件的指示標志。

圖5 青龍寺井田5-2煤層灰分產(chǎn)率與有關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系Fig.5 Plots of relative parameters of ash yield from No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

時間序列上，5-2煤層的沼澤水體的水介質(zhì)條件呈現(xiàn)出波動式變化（圖6），且這種波動式變化與煤相階段及煤巖組分垂向分段具有高度吻合，即水動力條件同樣呈現(xiàn)出6 個演化階段。 第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅳ階段，St，d、GI、古鹽度由小變大，TPI 和VI 的變化趨勢相反，指示水動力條件經(jīng)歷了由強變?nèi)醯难莼^程。 第Ⅲ階段，St，d、GI、古鹽度由小變大再減小的變化趨勢，TPI 和VI 的變化趨勢相反，指示水動力條件經(jīng)歷了由強變?nèi)踉僭鰪姷难莼^程。 第Ⅴ階段至第Ⅵ階段，指相參數(shù)指示水動力條件由弱至強的演化趨勢，階段內(nèi)部存在不同程度的波動變化。 且這種變化特征與之前分析的沼澤特征相吻合。

4.3 水介質(zhì)古鹽度特征及演化

表1 計算結(jié)果表明，5-2煤層的沼澤水體的古鹽度變化于0.161%～3.033%，指示古泥炭層聚集于淡水～半咸水沼澤環(huán)境。 這一鹽度特征，與該煤層形成時的古地理背景吻合。 垂向上表現(xiàn)為，煤層底部的古鹽度相對較高，向上古鹽度呈降低趨勢（圖6）。單個旋回多表現(xiàn)為底部沼澤水體古鹽度多小于1.8%，上部多大于1.8%，幾乎均呈現(xiàn)出底部鹽度低頂部鹽度高的特征，表明煤層總體形成于湖進或湖平面上升的沉積背景。 且各演化階段鹽度變化的趨勢與煤巖學(xué)參數(shù)指示的水動力條件變化趨勢基本一致，內(nèi)部仍存在多個波動式變化。

圖6 青龍寺井田5-2煤層煤相參數(shù)及地球化學(xué)參數(shù)演化剖面Fig.6 Coal phase parameters and evolution profile of geochemical parameters of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

Sr／Ba 值常用來指示沉積水體的水介質(zhì)條件，研究區(qū)5-2煤層各煤分層Sr／Ba 值均大于1，其中17和20 分層Sr／Ba 值達6，指示古泥炭層形成于半咸水介質(zhì)為主的沼澤水體，間或受咸化的湖水影響。且Sr／Ba 值指示的煤層古鹽度總體變化趨勢在6 個煤相發(fā)展階段內(nèi)的演化規(guī)律，與鈣-鐵元素法的結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 論

1）從5-2煤層底板至頂板方向，顯微組分含量構(gòu)成6 個演化旋回，對應(yīng)煤相演化的6 個階段。 其中第Ⅰ階段至第Ⅲ階段，成煤作用由湖泊濕地沼澤相開始，至下三角洲平原低位沼澤相或山前沖積平原干燥森林沼澤相結(jié)束。 第Ⅳ階段至第Ⅵ階段，成煤作用主體經(jīng)歷了湖泊濕地沼澤相，在發(fā)育了湖泊背景下的濕地沼澤相后結(jié)束了5-2煤古泥炭沼澤的形成作用。

2）時間序列上，5-2煤層的沼澤水體的水介質(zhì)條件呈現(xiàn)出波動式變化，第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅳ階段水動力條件經(jīng)歷了由強變?nèi)醯难莼^程，第Ⅲ階段水動力條件經(jīng)歷了由強變?nèi)踉僭鰪姷难莼^程，第Ⅴ階段至第Ⅵ階段水動力條件由弱至強的演化趨勢，階段內(nèi)部存在不同程度的波動變化。

3）單個旋回多表現(xiàn)為底部鹽度低頂部鹽度高的特征，且各演化階段鹽度變化的趨勢與煤巖學(xué)參數(shù)指示的水動力條件變化趨勢基本一致。