內蒙古寶日希勒煤礦褐煤有機地化特征與沉積環(huán)境分析

劉 勇，董振國，李雁飛，趙 偉，劉 侃

(1.神華寶日希勒能源有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021008； 2.神華地質勘查有限責任公司，北京 102211)

煤炭資源具有蘊藏量豐富、分布范圍廣、質優(yōu)價廉的特點，是目前和未來相對長的一段時間之內人類世界使用的主要化石能源之一，我國內蒙古地區(qū)煤炭資源豐富，全區(qū)共查明煤炭資源量10 246×108t，居全國首位。2020全國原煤累計產(chǎn)量38.4×108t，其中內蒙古原煤產(chǎn)量10.01×108t，占全國的26.07%，為中國煤炭產(chǎn)量第二大省，內蒙古東部海拉爾盆地煤系地層發(fā)育，低煤階煤層資源巨大，是煤炭勘探和開采的有利區(qū)。

煤巖的組成、性質和沉積環(huán)境對含煤巖系有機地化指標及生氣潛力起決定性作用，煤巖的有機地化指標和元素特征是煤層氣生成評價、煤炭資源深加工利用和沉積環(huán)境恢復的重要依據(jù)，沉積環(huán)境及成煤物質和某些元素富集密切相關，由于煤巖形成時，當時古氣候、古鹽度、氧化-還原作用的強度等的不同，不同環(huán)境中形成的各種類型有機質的類型和元素特征有明顯差別，含煤巖系沉積環(huán)境對煤巖的顯微組分組成、元素豐度影響顯著，各種顯微煤巖類型、元素豐度代表了一種特定的沉積環(huán)境特征。

國內外學者在利用元素特征恢復沉積巖形成的沉積環(huán)境和古氣候環(huán)境等方面做了大量的研究工作。20世紀70年代，國外就有人開始嘗試利用元素特征進行沉積環(huán)境的判別，80年代以來取得了較多成果，但主要集中于砂巖、泥(頁)巖和硅質巖的判別上。國內利用元素特征判別沉積環(huán)境的研究開展較晚，1984年王開怡利用沉積巖中微量元素的含量組合,在概率圖解中找出相區(qū),以判別沉積環(huán)境；1986年J.M.Slansky等利用新南威爾士煤灰分的主量化學元素組合、比值辨別古沉積環(huán)境；1993年李俊花等在研究孤東油田館上段巖樣中的元素特征的基礎上，提出了一種利用微量元素及其比值的變化分析沉積環(huán)境,劃分微相類型及判斷古鹽度高低的方法；2001年彭立才等根據(jù)冷科1井泥巖的元素分析數(shù)據(jù)，認為元素的含量隨沉積環(huán)境變化而有明顯不同，主量元素Ca、K和Mg等在不整合面附近及泛濫平原泥巖中含量較高 ,湖相泥巖中含量低且變化小 ,沼澤相泥巖含量最低；2013年吳波等通過對金沙木孔煤礦煤層的常量元素分析,探討了當時的古沉積環(huán)境；2015年李艷芳等對四川盆地五峰組—龍馬溪組露頭樣品主、微量元素測試結果，分析了元素含量在剖面垂向上的變化規(guī)律及其與海盆古沉積環(huán)境的關系；2015年鄭一丁等測試了鄂爾多斯盆地中南部Y1井張家灘頁巖元素豐度,分析了其元素地球化學特征和頁巖沉積環(huán)境的古氣候、古水深、古鹽度、古生產(chǎn)力、氧化還原特征；2018年王琳霖等通過對鄂爾多斯盆地東緣奧陶系馬家溝組的巖石類型和原生沉積物的主、微量元素的分布特征進行分析,探討了馬家溝組元素地球化學分布與沉積環(huán)境之間的關系；2019年馬小敏研究了黃縣盆地古近系煤中的元素特征,并根據(jù)敏感元素的指示意義探討了沉積環(huán)境；2019年馬奐奐等對鄂爾多斯盆地東南部銅川延長組長7段砂巖、頁巖樣品進行元素地球化學分析，探討延長組沉積時期古氣候、氧化還原條件、古鹽度等特征[1-14]。

多年來，針對不同構造沉積背景下的沉積巖元素及其組合特征，由元素含量和比值等參數(shù)作為沉積環(huán)境的元素地球化學標志，進而判斷沉積巖形成的古地理環(huán)境等研究成果較多，而對陸相煤巖有機地化特征及成煤環(huán)境分析研究成果較少，未見以煤巖有機地化指標和元素組合特征為介入點分析該礦區(qū)成煤環(huán)境的報道。本文以寶日希勒二號露天煤礦補充勘探期間獲取的大量鉆孔煤心煤樣的工業(yè)分析、元素分析、煤灰成分等分析化驗資料為依據(jù)，利用有機地化指標、元素組合特征等多種方法恢復當時的古氣候、古鹽度、古水深、氧化還原等成煤環(huán)境，為查明研究區(qū)成煤環(huán)境和煤層賦存情況的提供依據(jù)，為研究區(qū)煤炭開采和煤層氣勘探提供有利支持。

1 地質概況

海拉爾沉降區(qū)位于額爾古納隆起帶和大興安嶺隆起帶之間，為海西褶皺基底上發(fā)育起來的中新生代斷陷沉降區(qū)，區(qū)內的構造格局是新華夏系與區(qū)域性東西向構造的復合，新華夏系構造行跡較發(fā)育，包括呼山盆地、呼和諾爾盆地、紅花爾基盆地等，盆地內油氣和煤炭資源豐富。陳旗煤田位于海拉爾沉降區(qū)的中偏北部，為一斷陷型向斜含煤盆地、走向近東西，南北兩側為F3、F4盆緣斷裂控制，煤系基底為興安嶺群火山巖系(圖1)。寶日希勒礦區(qū)位于陳旗煤田的東南部，礦區(qū)斷裂不發(fā)育，構造簡單，其宏觀地貌顯示為略有起伏的高平原；二號露天煤礦位于一個大的、極其寬緩的向斜構造中，其軸向西部為98°，向東逐漸轉為75°,呈一向南稍微突出的弧形。從平面上看，向斜構造西部稍窄些，東部則寬緩，波幅寬約3 000m，起伏高差僅40m，兩翼傾角一般均在2°以下，最大不超過5°[15]。

圖1 研究區(qū)構造位置

寶日希勒礦區(qū)位于海拉爾河以北，莫勒格爾河東南，屬于內蒙古呼倫貝爾市陳巴爾虎旗寶日希勒鎮(zhèn)管轄，距海拉爾市25km。寶日希勒礦區(qū)煤炭地質儲量7 661×104t(不包含備用采區(qū)),總面積約51.6km2，主要開采1、2、3號煤層，多為低階褐煤，原煤平均發(fā)熱量27.5MJ/kg，具有低灰、低硫、低磷等特點。煤層構造簡單，傾角2°～3°，煤層最大可采厚度28m，最小可采厚度7.21m，平均厚度22.16m。煤層上覆剝離物薄，剝采比小，適合露天開采，2020年寶日希勒礦區(qū)產(chǎn)銷原煤2 144×104t。

根據(jù)鉆孔揭露資料，發(fā)育地層主要有第四系和白堊系下統(tǒng)大磨拐河組，大磨拐河組為主要含煤地層(表1)。

表1 區(qū)域地層簡表

1)第四系(Q)。第四系十分發(fā)育，廣泛分布于煤系地層之上。厚度為4.85～77.95m，平均31.13m。巖性主要由褐黃色黏土、砂質黏土、砂礫組成，少量的粉-中砂巖和粉紅色礫石、腐殖土等組成。

2)大磨拐河組(K1d)。全區(qū)發(fā)育，以含煤系地層為特征，煤層賦存集中而且埋藏較淺，絕大多數(shù)屬中厚煤層。煤層多集中于上部，煤層間夾礫巖、砂質礫巖；中上和中下部巖石粒度較細，中部和下部巖石粒度變粗。整個巖組厚約595～1 540m，按其巖性組合和含煤性，由下而上共分砂礫巖段、泥巖段、中部砂礫巖段、砂泥巖段和含煤段等五個巖性段[16]。

其中大磨拐河組含煤段：巖性以灰、灰白色礫巖、砂質礫巖、細砂巖和暗灰色粉砂巖、泥巖為主，含5個煤組，共計9層煤層，其中12(12+3)#、21#、31#煤層厚度大，較為穩(wěn)定，是開采的主要煤層。地層厚度12.50～162.06m。

2 采樣與化驗測試

本次研究共采集鉆孔煤心樣105個，煤層矸石樣12個，巖石力學樣79組。各種樣品的采取數(shù)量及質量符合規(guī)范、規(guī)程的要求。煤樣去除了泥皮，雜物，巖樣及時密封，及時包裝送樣，樣品的質量比較高。

煤心煤樣的采取原則，即見到可采煤層(褐煤1.50m，煙煤0.80m)均進行采樣；每個樣品的厚度不得大于3m，復煤層各煤分層單獨采樣，夾矸及炭質泥巖頂?shù)装鍐为毑蓸樱瑠A矸厚度大于0.10m 時，只采0.10m。樣品按規(guī)定要求分層描述，整理凈化后，計算長度和重量采取率，填寫送樣說明書和煤樣匯總表后，包好裝箱發(fā)往測試單位。樣品化驗工作由黑龍江省煤田地質測試研究中心完成，各類樣品的制樣化驗過程符合現(xiàn)行相關規(guī)范要求，化驗結果真實可靠。

3 結果與討論

3.1 煤的物理性質和宏觀煤巖類型

研究區(qū)內各煤層均呈黑褐色或黑色、暗淡或瀝青光澤，多為層狀、塊狀結構，少量片狀、條帶結構，偶爾可見清晰的年輪，斷口多為參差狀及階梯狀，外生裂隙發(fā)育，質較松軟，真密度為1.50～1.57g/cm3，視密度為1.15～1.22 g/cm3。

各煤層以暗煤為主，次為絲炭，有時有亮煤及少量鏡煤，呈細條帶或透鏡狀夾于其中，宏觀煤巖類型為暗淡型煤及半暗型煤。

3.2 煤巖的有機地化和元素特征

1)煤巖顯微特征。研究區(qū)內煤層(含礦物基)有機顯微組分含量為96.6%～98.1%，其中鏡質組含量為31.7%～44%，惰質組分含量為50.6%～63.8%，穩(wěn)定組分(殼質組)為1%～4.6%，煤層中的惰質組普遍高于鏡質組，殼質組分含量甚少[17](表2)。

表2 煤層的顯微組分和基本性質

無機組分以黏土礦物和碳酸鹽礦物為主，少量的氧化物、硫化物。黏土類礦物含量為1.9%～3.4%，為黑色-棕色細粒狀和細粒狀聚集體；碳酸鹽礦物含量為0.1%～0.6%，以菱鐵礦類為主；氧化物及硫化物微量，氧化物一般為氧化硅，硫化物一般為黃鐵礦。

2)干酪根元素分析。干酪根元素分析表明，煤主要由C、O、H元素組成，干酪根具有H低、O高、H/C原子比低的特點。各煤層H/C原子比值為0.06，O/C原子比值為0.25～0.27，根據(jù)低成熟度(R0<1%)條件下干酪根元素分類(表3)，干酪根類型為典型的腐殖型干酪根(Ⅲ型)。

表3 低成熟度(R0<1%)條件下干酪根元素分類

3)煤的變質程度。通過最大鏡質體反射率Ro來判斷有機質成熟度，以平均最大反射率0.5%～0.7%做為有機質成熟度劃分標準。

經(jīng)測定，采區(qū)內主要煤層鏡質組最大反射率Ro在0.282%～0.335%，表明區(qū)內主要煤層均為零變質階段，在垂向上，主要煤層鏡質組最大反射率變化不大，有機質未成熟，可生成低成熟氣。

主要煤層甲烷碳同位素δ13C1/‰ (PDB) 測定為-72.9，國際上一般認為δ13C1值小于-55‰屬于生物成因氣。因此，煤成氣應以生物成因氣和低成熟氣為主。

4)煤灰成分。研究區(qū)各煤層煤灰成分測試結果相差不大，其成份主要以SiO2和Al2O3為主，其次Fe2O3和CaO，少量的MgO、TiO2、SO3。各煤層的w(SiO2)為44.52%～66.12%，w(Al2O3)為14.6%～24.68%，w(Fe2O3)為2.82%～11.89%，w(CaO)為6.04%～11.07%，其余各成分含量均較低(表4)。

表4 煤層的煤灰成分含量和比值

上述煤灰成分中堿性氧化物w(Fe2O3+CaO+MgO)總量為10.76%～21.50%，酸性氧化物w(SiO2+Al2O3)總量為69.20%～80.80%，灰分指數(shù)K為3.26～7.5。

3.3 煤巖沉積環(huán)境分析

由于煤巖的均質性和成煤的還原環(huán)境，較好地保留了沉積環(huán)境信息，比較適合開展地球化學物源追蹤和氣候、鹽度、覆水條件等的分析，可作為古環(huán)境恢復的可靠對象。

3.3.1 物源分析

Al、Ti、Zr等氧化物在低溫條件下溶解度較低，可作為穩(wěn)定元素判別沉積巖中的物源來源。根據(jù)對各類沉積物來源的研究，來源于中性巖的沉積物Al2O3/TiO2為8～21，而來源于基性巖(長英質巖)的沉積物Al2O3/TiO2比值大于21。

1#～4#煤的Al2O3/TiO2比值分布范圍為20.84～48.14(圖1a)，煤中礦物的物源主要為基性巖(長英質巖)，在沉積過程中未經(jīng)歷沉積物的物質循環(huán)過程，且成分穩(wěn)定。

研究區(qū)位于大興安嶺和額爾古納隆起帶之間，煤樣物源特征較為集中，均呈現(xiàn)大陸邊緣基性巖(長英質巖)物源特征。

Al2O3/SiO2比值可作為碎屑沉積物成熟度的指標,其比值越大,代表成熟度低，反映離物源區(qū)近。研究區(qū)煤巖Al2O3/SiO2比值為0.22～0.55，平均0.36,成熟度較低,代表離物源區(qū)較近。

3.3.2 巖石化學風化作用

在地質歷史時期，物源區(qū)的巖石會經(jīng)歷化學風化、淋失和長距離的搬運。由于巖石中元素活潑性不同，K、Na、Ca、Mg等元素較活潑，易淋濾流失，而Al、Ti、Zr等元素比較穩(wěn)定，為不易遷出元素，大多會保存在風化殘留物中。據(jù)此，人們根據(jù)沉積巖中常見的穩(wěn)定氧化物(Al2O3)和不穩(wěn)定的氧化物(CaO+Na2O+K2O)的分布，提出以化學風化指數(shù)(Chemical Alternation Index，CIA)做為判別物源區(qū)化學風化強度的判別指標，CIA值能很好地反映物源區(qū)化學風化的情況，CIA值代表長石在風化作用過程中向黏土礦物轉化的程度，與風化作用強度成正比，CIA值越大，風化強度越大[18]，其計算公式如下：

(1)

CIA=60～80指示中等風化作用強度。因此，研究區(qū)煤巖化學風化指數(shù)為59.15～74.52，平均值為65.42，表征物源區(qū)經(jīng)歷中等強度的風化作用(圖2b)。

a不同煤組Al2O3/TiO2分布 b不同煤組化學風化指數(shù)(CIA)

3.3.3 古氣候、古鹽度、古水深和氧化還原指標

(1)古氣候

在溫暖潮濕氣候環(huán)境下，水體通常富Al、Si貧K、Na、Ca，SiO2、MgO、CaO等，其元素組合對古氣候的變化敏感，研究認為巖石SiO2和(Al2O3+K2O+Na2O)含量可判斷古氣候條件，CaO/(MgO×Al2O3)、MgO/CaO等比值可以反映古氣溫的高低，高值對應干熱氣候，低值指示潮濕氣候[20]。

根據(jù)樣品SiO2和(Al2O3+K2O+Na2O)含量相關關系模板，判斷煤巖沉積時期為潮濕—半干旱的古氣候(圖3a)。

圖3 不同煤組的古氣候、古鹽度指標分析

各煤層CaO/(MgO×Al2O3)和MgO/CaO比值低，且范圍小，CaO/(MgO×Al2O3)值為0.2～0.52，平均0.37；MgO/CaO值為0.13～0.21，平均0.18(圖3b-c)，據(jù)此判斷煤組沉積期主要為溫暖潮濕氣候。各煤層在垂向上相對穩(wěn)定，所以煤組沉積期氣候條件比較穩(wěn)定。

磷Pd元素：也是反映古氣候變化的敏感元素，磷是植物生長發(fā)育必須的大量元素，在蒸發(fā)量大的干旱炎熱氣候下，植物容易大量死亡并沉積成巖，造成地層Pd元素豐度較高，顯然，巖層中Pd元素高指示干旱炎熱氣候條件，Pd元素低含量指示溫暖潮濕條件。

各煤層Pd元素含量低且變化不大為0.014%～0.047%, 煤組沉積期為比較潮濕的氣候條件。

(2)古鹽度

沉積巖中Mg、Al、Fe等元素對環(huán)境變遷較為敏感，實驗發(fā)現(xiàn)，鎂為親水性元素，鋁為親陸性元素，其元素含量與古鹽度相關[19]，可通過建立公式m=100×MgO/Al2O3判別海陸相沉積環(huán)境，通常m<1時為淡水環(huán)境，110時為咸水環(huán)境。

K、Na、Ca元素離子比較活躍，在水體遷移過程中，容易被伊利石黏土吸附沉積下來，在堿性環(huán)境中，K、Na、Ca含量與水體介質鹽度成正比關系。水體鹽度越高，K、Na、Cao離子就越容易被黏土吸附而沉淀下來，因此，根據(jù)K2O+Na2O含量，就可以大體判斷古鹽度；研究表明CaO/(CaO+Fe2O3)比值為對古鹽度反映的敏感指標，可通過建立公式n=CaO/(CaO+Fe2O3)判別古鹽度:n<0.2時為低鹽度，0.20.5時為高鹽度。

研究區(qū)K2O+Na2O值變化較大為1.37～2.54，平均值1.98 (圖3d)，m值為1.34～5.48，平均值3.17；n值為0.36～0.76，平均值0.59，反映湖水蒸發(fā)量較大，古鹽度較高，整體上屬半咸水環(huán)境(圖3e-f)，從1#～4#煤層鹽度呈震蕩變化，可能3#～4#煤層沉積時期比1#～2#煤層水體介質鹽度更高一些。

(3)古水深

由于各元素的活潑性不同，元素在水中的遷移距離不同，元素的分散和富集與水體深度(離岸距離)有一定相關性，湖盆的水體深度變化對部分元素富集、植物堆積和成煤、聚煤起主要控制作用。

1)自生礦物。含鐵自生礦物的形成過程與沉積環(huán)境和水深有直接關系，沉積物中赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦出現(xiàn)，代表著由氧化到還原環(huán)境的轉變，對應水深依次為0～1m、1～3m、3～15m、大于15m。含鐵礦物的差異主要顯現(xiàn)在巖石顏色上，尤以黏土巖的顏色判斷水深最為直接。各煤組無機組分中碳酸鹽礦物含量0.1%～0.6%，以菱鐵礦類為主；硫化物微量，一般為黃鐵礦，泥巖顏色以灰、深灰色為主，根據(jù)上述特點判斷煤巖沉積時期的古水深為3～15m。

2)Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)比值。不同成煤環(huán)境下形成的煤巖Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)比值不同：大陸邊緣近岸湖沼成煤環(huán)境下為0.6～0.9，濱淺湖成煤環(huán)境中該比值為0.4～0.6，而深湖盆地環(huán)境中該比值小于0.4；研究區(qū)內煤組Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值為0.66～0.89，指示近岸湖沼沉積類型特征(圖4a)，以上分析表明，研究區(qū)煤巖沉積期位于受陸源碎屑影響的大陸邊緣湖沼盆地沉積環(huán)境。

圖4 不同煤組的古水深指標分析

3)Mn/Ti比值。泥巖中的Mn/Ti比值可作為環(huán)境分析的定性標志，Ti易溶解，在水體遷移距離短，一般在近岸附近沉積；與此相反，Mn化學穩(wěn)定性較好，遷移距離長，因而可在深湖沉積，因此元素Mn、Ti的含量變化可以用來反映沉積物在水盆中搬運的相對距離和水深。而Mn/Ti比值可作為離岸距離的標志，其值常隨離岸距離的增加而增大，一般距離大陸較近的濱淺湖相泥巖中，其Mn/Ti比值較低，一般小于0.5，而遠離大陸的深湖相泥巖中比值較高[21]。

研究區(qū)煤組MnO2含量和MnO2/TiO2比值分別平均為0.21%和0.57，據(jù)此可以推斷古水體較淺，但離岸有一定的距離，更偏向于濱淺湖相沉積環(huán)境(圖4b)。

(4)氧化還原指標分析

煤巖中顯微組分、灰分元素等蘊含著豐富的地球化學信息。一般來說，在地殼沉降迅速地區(qū)、潮濕還原環(huán)境容易形成具有結構的煤，富含鏡質組；在地殼沉降緩慢的穩(wěn)定地區(qū)，氧化環(huán)境下形成無結構的煤，惰質組含量高；灰分的物質來源主要有成煤植物自身所含的無機元素、隨成煤植物混入泥炭沼澤的物源雜質及與煤伴生的礦物質等，灰分含量與水動力強度等密切相關，水動力較強則帶入泥炭沼澤中的物源雜質增多，灰分增高，反之則反[22]。

1)鏡惰比。鏡惰比 (V/I)是良好的成煤環(huán)境判斷指標。鏡惰比(V/I)能直觀地反映成煤沼澤覆水，一般覆水深、處于還原環(huán)境的泥炭沼澤，V/I 值高，反之，則V/I 值低。研究認為1/4

硫分中的無機硫與成煤環(huán)境密切相關，一般還原環(huán)境下硫在煤中主要以黃鐵礦、菱鐵礦等形式存在；煤中硫分含量可以很好地反映不同地質歷史時期形成的泥炭沼澤還原性的強弱程度，還原性弱的泥炭沼澤相對形成低硫煤[24]。研究區(qū)煤層煤中硫分含量較低，無機硫含量為0.02%～0.12%，以硫鐵礦Sp,d為主，具陸相成煤環(huán)境特征，煤中硫以菱鐵礦為主，少量黃鐵礦，為還原環(huán)境成煤的標志；煤中灰分和硫分呈較好的相關關系(圖5b)，煤中的硫含量隨著總體水進而增高，垂向上煤層自下而上全硫含量有增大的趨勢，說明煤層形成過程總體為水進覆水程度逐漸加深，泥炭沼澤的還原性也隨之變強。

2)煤的灰分指數(shù)K。煤巖中灰分元素等蘊含著豐富的地球化學信息?；曳值奈镔|主要來源于成煤植物自身所含的無機元素、隨成煤植物混入泥炭沼澤的物源雜質及與煤伴生的礦物質等，灰分含量與水動力強度等密切相關，水動力較強則帶入泥炭沼澤中的物源雜質增多，灰分增高。

煤灰成分是由硅、鋁、鐵等多種元素的氧化物與鹽類組成。煤灰中酸性氧化物(SiO2+Al2O3)占優(yōu)勢時，成煤環(huán)境屬于弱還原性；煤灰中堿性氧化物(Fe2O3+CaO +MgO)占優(yōu)勢時，成煤環(huán)境屬于強還原性。煤的堿性氧化物越高，還原性越強；煤的酸性氧化物越高，還原性越弱[25]。研究區(qū)煤灰成分中酸性氧化物綜合平均值為69.2%～80.72%，則反映成煤環(huán)境屬弱還原性(圖5c)。

圖5 不同煤組的氧化還原指標分析

灰分指數(shù)K=∑酸性氧化物/∑堿性氧化物，灰分指數(shù)K與泥炭沼澤的還原性密切相關，一般來說泥炭沼澤還原性越強，K值越小，而泥炭沼澤的還原性則與覆水程度有關，在水進過程中的泥炭沼澤還原性強。

灰分指數(shù)K較高，平均為5.07，且由4#煤到1#煤，K值逐漸降低，表明由4#到1#煤覆水程度增強，早期4#煤沉積時環(huán)境處于弱還原環(huán)境的湖濱三角洲進積建設階段，而后湖水侵入，到晚期1#煤沉積時演變?yōu)檫€原程度較強的淺湖亞相成煤環(huán)境。

從灰分指數(shù)K值垂向變化來看反映的還原程度變化趨勢與V/I、灰分和硫分等反映的還原程度變化趨勢基本一致。

3.3.4 沉積環(huán)境恢復

早白堊世以來，海拉爾沉降區(qū)構造經(jīng)歷了快速沉降、穩(wěn)定沉降和萎縮階段，沉降區(qū)充填序列依次是巨厚的灰、灰白或黑灰色礫巖、砂質礫巖、粉—粗砂巖、泥巖、炭質泥巖和褐煤，沉積環(huán)境經(jīng)歷著以辮狀河三角洲為主—湖泊相為主—河流、湖沼相為主的演化。

研究表明，植物生長、泥炭堆積和保存需要一定覆水條件和強的還原環(huán)境，大磨拐河組上部含煤段成煤期，盆地處于穩(wěn)定的沉降階段，沉積環(huán)境多為湖沼相，具備大規(guī)模的泥炭堆積、保存、演化成煤的有利條件，此時古氣候溫暖潮濕，大量植被發(fā)育，湖盆的沉降速率與泥炭的堆積速率基本保持平衡，根據(jù)煤層的發(fā)育情況、煤質、元素組合等特征，可以對湖盆沉積模式進行恢復[26](表5)。

表5 研究區(qū)的湖盆沉積模式

根據(jù)研究區(qū)四個可采煤層和頂?shù)装宓貙訋r性，自下而上可分為四個旋回：

第一旋回含4#煤，泥炭沼澤的覆水較淺，含鹽度較高，水體呈弱還原環(huán)境，水動力較強，沉積了顆粒較粗的碎屑，沉積物向上變粗(4煤頂板巖性為粉砂巖、泥巖、細砂巖及砂礫巖，底板為粉砂巖、泥巖)，代表水體逐漸變淺，為一套退積型湖濱三角洲—濱淺湖體體系，有機質補給緩慢，形成了厚度3.36m的4#煤。

第二旋回含3#煤，由于沉降速度加快，水體變深，水體鹽度中等，水體呈還原環(huán)境，形成了近岸的泥炭沼澤相成煤環(huán)境，該旋回的上部，沉積了顆粒極細小的碎屑，出現(xiàn)了3#煤層頂?shù)装鍨榫藓駥拥哪鄮r(煤層頂板巖性為粉砂巖、泥巖、細砂巖及砂礫巖，底板為粉砂巖、泥巖)，煤層厚度基本穩(wěn)定，水動力減弱，有機質補給中等，從而形成6.77m的3#煤層。

而第3旋回含2#煤，由于沉降速度加快，水體變深，水體鹽度減小，此時由于古氣候溫暖較潮濕，有利于植被繁衍，成煤植物供應充足，水體呈還原環(huán)境，有利于泥炭保存。該旋回沉積了顆粒細小的碎屑(煤層頂板巖性為粉砂巖、泥巖、炭質泥巖、細砂巖；底板巖性為粉砂巖、泥巖)；全區(qū)大部可采，屬較穩(wěn)定煤層，形成16.59m的2#煤。

而第4旋回含1#煤，由于泥盆沉降速率與補給速度基本平衡，有機質大量補充，演變?yōu)橹械葼I養(yǎng)的泥炭沼澤堆積，此時水體水體變深，呈還原環(huán)境，水體鹽度較低，有利于成煤，該旋回沉積了顆粒細小的碎屑(煤層頂板巖性為粉砂巖、泥巖、炭質泥巖、細砂巖；底板巖性為粉砂巖、泥巖)；沉積了厚度較大26.93m的1#煤，全區(qū)煤層大部可采，屬穩(wěn)定煤層。

隨著地勢抬升，泥炭沼澤范圍急劇縮小甚至消失，成煤進入大磨拐河組后期，此時古氣候變得干燥少雨，植被明顯減少，隨著粗碎屑物的快速堆積，成煤期正式結束。

4 結論

本文系統(tǒng)地采集了研究區(qū)煤巖樣品進行地球化學特征及沉積環(huán)境分析，得到以下6點認識。

1)各煤層有機組分以鏡質組和惰質組為主，各煤層元素分析具有H低、O高、H/C原子比低的特點，干酪根類型為典型的腐殖型干酪根，Ro為0.282%～0.335%，煤變質程度低，可生成低成熟氣。

2)煤巖的Al2O3、TiO2的含量與陸源物質有關，各煤層Al2O3/TiO2比值較高，平均為54.06，表明煤樣物源特征較為集中，均來自大陸邊緣基性巖(長英質巖)物源，且離物源較近；煤巖化學風化指數(shù)為59.15～74.52，平均值為65.42，表明物源區(qū)經(jīng)歷中等強度的風化作用。

3)各煤組m、n平均值較高，分別為3.17、0.59，CaO/(MgO×Al2O3)、MgO/CaO平均值較低，分別為0.37、0.18，反映為溫暖潮濕—半干旱氣候特征，湖水蒸發(fā)量較大，古鹽度較高，整體上屬半咸水環(huán)境。

4)各煤組無機組分中碳酸鹽礦物以菱鐵礦類為主，硫化物微量，一般為黃鐵礦，泥巖顏色以灰、深灰色為主，判斷水深3～15m。

各煤組Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)、MnO2/TiO2比值較高，分別為0.77、0.57，據(jù)此推測為近岸湖沼沉積類型特征，但古水體較淺，更偏向于濱淺湖相沉積環(huán)境；

自下而上，陸源元素Σ( Al2O3+TiO2) 含量逐漸降低，古水深指標MnO2/TiO2比值逐漸增加，表明煤巖沉積過程中離岸漸遠、陸源供給逐步減少、水體持續(xù)加深。

5)各煤層煤灰成分以SiO2和Al2O3為主，其次為Fe2O3和CaO，少量的MgO、TiO2、SO3等；煤灰成分中酸性氧化物Σ(SiO2+Al2O3)平均值高達69.2%～80.72%，則反映成煤環(huán)境屬弱還原性。

古氧相地球化學指標V/I值較低、平均為0.63，無機硫(主要為硫鐵礦)含量較低為0.02%～0.12%，煤灰成分K值較高、平均為5.07，表明1#～4#煤組沉積于弱還原性環(huán)境，泥炭沼澤處于較潮濕—弱覆水環(huán)境，凝膠化作用中等。

6)中生代以來，受構造演化及古地理環(huán)境制約，研究區(qū)煤層多發(fā)育並保存在斷陷盆地中，聚煤古地貌為山間湖盆型，煤層多發(fā)育于古氣候相對潮濕的上部含煤段。