張集礦山西組1煤層煤相及泥炭沼澤演化特征

武志威，鄭劉根*，韓必武，張 軍，蔡有京，邢大衛(wèi)

(1.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.淮河能源控股集團有限責(zé)任公司通防地質(zhì)技術(shù)部，安徽 淮南 232001)

煤是我國重要的一次性能源，在我國能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中占有重要地位。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[1-3]，因此對煤相的探索就顯得尤為重要。

煤相即煤的沉積相，是指成煤作用初始階段由形成環(huán)境所決定的、具有一定物質(zhì)成分和特征的泥炭沉積物，可通過煤巖特征和煤巖類型、煤的地球化學(xué)特征及成煤植物類型來鑒定[4-5]60。層序地層學(xué)的引入讓人們認(rèn)識到基準(zhǔn)面和可容空間的變化對煤相發(fā)育特征有明顯的控制作用[6]。Diessel根據(jù)沼澤類型、泥炭堆積條件和沼澤沉積環(huán)境的關(guān)系建立了聯(lián)系煤相與沉積環(huán)境的煤相參數(shù)，即凝膠化指數(shù)和結(jié)構(gòu)保存指數(shù)。國內(nèi)外眾多研究者利用煤相參數(shù)對不同煤炭聚集區(qū)煤相開展研究，通過不同煤相參數(shù)特征，對成煤期沉積環(huán)境進行判別[7-11]234-246，237。由于泥炭聚集的復(fù)雜性，采用煤相參數(shù)及地球化學(xué)指標(biāo)結(jié)合的方法對成煤沉積環(huán)境的判別更具信服力。

淮南煤田是我國14個億噸煤生產(chǎn)基地之一，隨著淺部下石盒子組煤炭資源開采枯竭，目前已進入深部山西組煤層開采階段。山西組在早期成煤到后期變質(zhì)階段受到了華力西運動、印支-燕山運動和喜馬拉雅運動等多期構(gòu)造運動的影響，含煤建造發(fā)育在下三角洲平原及三角洲間海岸帶地區(qū)，沉積環(huán)境和沉積相極為復(fù)雜[4,12-14]84。本文通過煤巖煤質(zhì)測試、沉積相分析等手段，結(jié)合地球化學(xué)指標(biāo)，反演淮南煤田張集礦深部山西組1煤成煤環(huán)境，探討泥炭沼澤演化特征，研究結(jié)果可為豐富煤地質(zhì)學(xué)和煤中微量元素環(huán)境地球化學(xué)理論提供支撐。

1 研究區(qū)概況

淮南煤田地處安徽省中北部，位于華北型石炭二疊系聚煤區(qū)的東南緣，是一塊南北長70km、東西寬25km的狹長區(qū)域，面積2 136km2，年產(chǎn)煤約1億噸。含煤地層主要包括上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組、上石盒子組。其中太原組由于含煤性差不具有開采價值，主要開采煤層為二疊系上石盒子組的13和11煤層，下石盒子組的9、8、7、6、5、4煤層，山西組的3煤層和1煤層，目前淮南煤田已進入深部山西組開采階段[15]。張集煤礦(見圖1)位于淮南煤田西南部，謝橋-古溝向斜北翼陳橋背斜的東南傾伏端，總體形態(tài)呈扇形展布的單斜構(gòu)造，地層走向呈不完整的弧形轉(zhuǎn)折，斷裂構(gòu)造較發(fā)育、褶曲構(gòu)造不很發(fā)育，未見巖漿侵入，占地約71km2。張集礦山西組3煤層，由于頂板砂巖沖刷導(dǎo)致不可采。本文研究對象是山西組1煤層，平均厚6.46m，含煤系數(shù)9.79%。

圖1 采樣礦區(qū)位置圖

2 樣品采集與測試分析

2.1 樣品采集

參照煤層宏觀煤巖類型的變化，刻槽采集淮南張集煤礦山西組1煤層樣品。共采集13個樣品，其中煤樣10個，從上往下編號為ZJ-1～ZJ-10，頂板、夾矸與底板樣品各1個，編號分別為ZJ-T、ZJ-P、ZJ-B(見圖2)。為避免煤樣風(fēng)化污染，采集的樣品迅速放入聚乙烯塑封袋中保存。

圖2 采樣礦區(qū)地層圖

2.2 樣品測試與分析

水分(Mad)、灰分(Ad)、揮發(fā)分(Vdaf)采用SDTGA5000a工業(yè)分析儀測定；總硫采用SDS601型定硫儀測定；煤中各形態(tài)硫的測定參照《GB/T215-2003煤中各種形態(tài)硫的測定方法》進行；煤樣通過微波消解，采用Agilent 7500 型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)對微量元素(Sr、Ba、Cu、Zn)進行測定；煤中顯微組分含量及鏡質(zhì)體反射率參照《GB/T8899-2013煤的顯微組分組和礦物測定方法》《GB/T6948-2008煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》，采用蔡司Axtoscope.A1型數(shù)字煤巖分析儀測定。

泥炭沼澤類型的判定依據(jù)Diessel建立的方法進行，主要參數(shù)包括凝膠化指數(shù)(GI)、結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)、搬運指數(shù)(TI)，搬運指數(shù)TI采用馬興祥建立的參數(shù)[8,16]236，各參數(shù)的計算方法如下所示

(1)

(2)

(3)

式中：V為鏡質(zhì)組含量；T為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量；TC為均質(zhì)鏡質(zhì)體含量；DC為基質(zhì)鏡質(zhì)體含量；CC為團塊鏡質(zhì)體含量；VD為碎屑鏡質(zhì)體含量；F為絲質(zhì)體含量；Sf為半絲質(zhì)體含量；Ma為粗粒體含量；ID為碎屑惰質(zhì)體含量；Sp為孢粉體含量；Cu為角質(zhì)體含量；Re為樹脂體含量；LD為碎屑類脂體含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤巖特征

依據(jù)各分層的相對光澤強度與光亮宏觀煤巖組分相對含量(國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18023-2000《煙煤的宏觀煤巖類型分類》)，在張集礦1煤層樣品中分出兩種宏觀煤巖類型，即半亮煤、半暗煤。除ZJ-1、ZJ-3煤樣為半暗煤外，其余樣品均為半亮煤。半亮煤宏觀煤巖組分以亮煤為主含鏡煤和暗煤條帶，呈條帶狀結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造、貝殼狀斷口；半暗煤呈條帶狀結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造、棱角狀斷口。

樣品煤巖組成如表1所示，山西組1煤中鏡質(zhì)組含量變化范圍為37.97%～73.55%，平均64.5%，以基質(zhì)鏡質(zhì)體(變化范圍23.44%～57.49%， 平均37.14%)為主， 均質(zhì)鏡質(zhì)體(平均22.2%)次之， 碎屑鏡質(zhì)體(平均4.31%)、 結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體(平均0.5%)含量較低。鏡下可觀察到均質(zhì)鏡質(zhì)體的垂向裂隙，部分結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體胞腔充填黏土礦物，高含量均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體的存在反映了成煤沼澤凝膠化作用強烈，導(dǎo)致植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較差[17-19]126-129。

表1 淮南煤田山西組1煤層顯微煤巖組分 %

山西組1煤惰質(zhì)組含量變化范圍為14.13%～53.86%，平均22.42%。惰質(zhì)組主要以粗粒體(平均7.86%)和半絲質(zhì)體(平均6.83%)為主，碎屑惰質(zhì)體(平均4.28%)次之，絲質(zhì)體(平均3.35%)較少，偶見真菌體(見圖3d)。鏡下可觀察到火焚絲質(zhì)體典型的“星狀”結(jié)構(gòu)(見圖3a)，這種結(jié)構(gòu)來自于地質(zhì)歷史時期植物木質(zhì)組織在野火作用下的不完全燃燒[20-23]。在ZJ-7煤樣可見膨脹的半絲質(zhì)體(見圖3h)，這種結(jié)構(gòu)可能與細(xì)菌或者真菌的活動有關(guān)。

殼質(zhì)組含量變化范圍為2.47%～15.86%，平均7.87%，以角質(zhì)體(平均4.6%)為主，孢粉體(平均3.01%)次之，樹脂體及碎屑類脂體含量較低。鏡下觀察到大孢子體堆疊在一起(見圖3e)，小孢子體主要呈分散狀充填于基質(zhì)鏡質(zhì)體中(見圖3g)，角質(zhì)體主要為厚壁角質(zhì)體。由顯微組分含量占比可知山西組1煤顯微煤巖類型屬于微三合煤、微復(fù)礦質(zhì)煤。

(a)ZJ-3中的火焚絲質(zhì)體(PF)，反射單偏光，×100；(b)ZJ-10中的結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體(T)，透射光，×100；(c)ZJ-1中的均質(zhì)鏡質(zhì)體(TC)，反射單偏光，×100；(d)ZJ-6中的真菌體(Fu)，反射單偏光，×500；(e)ZJ-5中的大孢子體(MaS)，反射單偏光，×100；(f)ZJ-7中的角質(zhì)體(Cu)，反射單偏光，×100；(g)ZJ-6中的小孢子體(MiS)，反射單偏光，×500；(h)ZJ-7中的半絲質(zhì)體(Sf)，反射單偏光，×200；(i)ZJ-B中的莓粒狀黃鐵礦(Py)，反射單偏光，×500

3.2 煤相特征及演化

在煤層顯微組分定量分析的基礎(chǔ)上，計算了各煤樣的GI、TPI、TI的參數(shù)值(見表2)。對張集礦山西組1煤進行GI-TPI相圖(見圖4)分析。由圖4可知，形成于河控三角洲背景下的山西組1煤層主體表現(xiàn)為低位沼澤相、濕地草本沼澤相，個別煤樣呈干燥森林沼澤相、潮濕森林沼澤相的煤相類型。

圖4 淮南煤田山西組1煤層煤相圖

表2 淮南煤田山西組1煤層煤巖參數(shù)

各煤樣顯微組分含量變化較大，以ZJ-3、ZJ-7樣品為界，剖面上顯微組分表現(xiàn)為多個鏡質(zhì)組向上減少，惰質(zhì)組向上增加的序列。剖面上鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的階段性變化反映了成煤沼澤的轉(zhuǎn)變，據(jù)此，將山西組1煤層煤相的發(fā)展劃分為3個階段。其中第Ⅰ階段成煤作用從濕地草本沼澤B相開始以B相結(jié)束，代表了一個完整的演化旋回；第Ⅱ和第Ⅲ階段均從低位沼澤A相開始，最終以潮濕森林沼澤C相結(jié)束了山西組1煤層的泥炭聚集。

除第Ⅰ階段外，Ⅱ、Ⅲ階段均為半旋回，從濕地草本沼澤相演化為低位沼澤相，指示水體由淺到深的轉(zhuǎn)變；第Ⅰ至第Ⅲ階段煤相變化簡單且存在規(guī)律性重復(fù)，指示煤層發(fā)育期間泥炭沼澤變化穩(wěn)定，沼澤水面發(fā)生周期性變化。

圖5 淮南煤田山西組1煤層煤相演化圖

3.3 泥炭沼澤水動力條件及演化

張集礦山西組1煤層煤質(zhì)參數(shù)及鏡質(zhì)體反射率如表3所示，其中水分、灰分、揮發(fā)分、總硫、發(fā)熱量的均值分別為2.20%、12.99%、31.76%、0.5%、25.62 MJ/kg。參照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T15224-2010煤炭質(zhì)量分級》，張集礦山西組1煤屬于特低全水分、低灰、中高揮發(fā)分、特低硫、中高發(fā)熱量煤，屬于煙煤大類中的1/3焦煤。山西組1煤層鏡質(zhì)體反射率的均值為0.89%。

表3 淮南煤田山西組1煤層煤質(zhì)參數(shù)及鏡質(zhì)體反射率

通常滯留狀態(tài)的沼澤植物受到的凝膠化作用較強，表現(xiàn)為煤中植物遺體結(jié)構(gòu)保存較差，鏡質(zhì)組(均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體)含量更高，在海水的影響下，導(dǎo)致了成煤沼澤的鹽度和還原性進一步增強，煤層硫分和鏡惰比增加，煤光澤變亮，宏觀上表現(xiàn)為以半亮煤為主。

水動力條件越強水中活性氧的含量越高，水體遷移引起的異地堆積作用越強，煤中惰質(zhì)組和碎屑組分含量越高，灰分產(chǎn)率也由此提高，煤層光澤變暗，宏觀上表現(xiàn)為半暗煤和暗淡煤[10,30-31]171。因此，Ad、鏡惰、TPI、GI、TI、有機硫(So)等參數(shù)可指示沼澤水動力條件。

各煤樣灰分產(chǎn)率和GI、鏡惰、有機硫含量3個參數(shù)負(fù)相關(guān)性良好，與TI正相關(guān)性良好，與TPI相關(guān)性顯著(見圖6)。山西組1煤沼澤水體水介質(zhì)條件同樣表現(xiàn)出與煤相、煤巖組分一致的3個演化階段(見圖7)。在第Ⅰ階段，鏡惰、GI由小變大再變小，TPI和TI變化趨勢相反，表明水動力條件由強變?nèi)踉僮儚?，第Ⅱ、Ⅲ階段鏡惰、GI由大變小，表明水動力條件由弱變強。

圖6 淮南煤田山西組1煤層煤相參數(shù)、灰分、有機硫相關(guān)性圖

圖7 淮南煤田山西組1煤層煤相參數(shù)

3.4 泥炭沼澤古鹽度及氧化還原條件

不同元素在沉積物中的賦存遷移規(guī)律不同，利用這些元素所組成的地球化學(xué)指標(biāo)對沉積物形成時的環(huán)境具有一定的指示意義(見表4)。

Sr/Ba比值可用于反映古水體的鹽度變化特征[32]。當(dāng)Sr/Ba值大于1時指示海相的咸水沉積環(huán)境，Sr/Ba值小于0.6時指示陸相的淡水沉積環(huán)境，當(dāng)Sr/Ba值介于0.6～1之間時指示過渡相的半咸水沉積環(huán)境[33-34]。由表4可知張集礦山西組1煤層Sr/Ba介于0.32～1.61之間，平均為0.97，沉積相整體表現(xiàn)為海陸過渡相沉積。ZJ-1與ZJ-3表現(xiàn)為受淡水影響的海陸過渡相和陸相沉積環(huán)境，該結(jié)果與煤相參數(shù)的分析結(jié)果吻合。文獻[4]84通過不同沉積相的指示標(biāo)志研究指出淮南煤田山西組1煤層形成于三角洲間海岸帶、下三角洲分流間地區(qū)，這與Sr/Ba值指示的環(huán)境具有一致性。

Cu/Zn比值可隨介質(zhì)氧逸度的變化產(chǎn)生分帶的性質(zhì)，被用來指示沉積環(huán)境的氧化還原狀態(tài)[35]。由表4可知山西組1煤的Cu/Zn值介于0.13～1.45之間，平均為0.43，整體處于氧化～還原過渡狀態(tài)。進一步分析在煤相的不同發(fā)展階段氧化還原狀態(tài)也發(fā)生周期性轉(zhuǎn)變。在煤相發(fā)展的第Ⅰ階段Cu/Zn比值指示沉積環(huán)境處于還原～弱還原態(tài)，同時泥炭沼澤也表現(xiàn)為濕地草本沼澤相和低位沼澤相；在第Ⅱ階段泥炭沼澤由低位沼澤相轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锷终訚上啵訚勺兊迷絹碓窖趸?，這與Cu/Zn比值指示的結(jié)果一致；在第Ⅲ階段泥炭沼澤由海相轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡相沉積，同時沼澤的氧化還原狀態(tài)也發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變。

表4 淮南煤田山西組1煤層微量元素

4 泥炭沼澤演化模式

根據(jù)山西組1煤層煤相演化及地球化學(xué)特征，提出山西組1煤層泥炭沼澤的演化模式。

山西組1煤層泥炭沼澤的發(fā)育明顯受到海水入侵的影響。煤層整體處于海陸過渡相的沉積環(huán)境(見圖8)且多數(shù)煤樣具有三角洲間海岸帶背景下低位沼澤和潮濕森林沼澤特征，富有機硫，反映出山西組1煤層在發(fā)育時期被海水入侵。

圖8 地球化學(xué)指標(biāo)

山西組1煤層泥炭沼澤發(fā)育期間經(jīng)歷了快速海退、先海進然后海退、快速海退3個階段的海水進退事件。從底板到頂板，沼澤水體的還原性呈逐漸降低的趨勢，水動力趨于增強，煤相類型從低位沼澤相、濕地草本沼澤相，轉(zhuǎn)化為潮濕森林沼澤相、干燥森林沼澤相，這個過程揭示了整體海退的演化背景，這與文獻[36-37]使用巖相古地理圖所揭示的結(jié)果一致。在沼澤發(fā)育末期，泥炭沼澤由低位沼澤相過渡到潮濕森林沼澤相，沼澤類型及Sr/Ba比值的變化揭示了一次快速海退事件的存在，這次海退同時結(jié)束了山西組1煤泥炭的聚集。

山西組1煤層泥炭沼澤發(fā)育期間的海退過程呈現(xiàn)出波動式特征。下部煤層(ZJ-7～ZJ-10)的泥炭沼澤為咸水環(huán)境，水介質(zhì)處于還原的狀態(tài)，水動力由強變?nèi)踉僮儚姡虼绥R質(zhì)組和有機硫相對富集。惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體和粗粒體為主，相對較高的惰質(zhì)組含量可能是由于三角洲間海岸帶動蕩的環(huán)境引起成煤母質(zhì)遭受氧化所致。同時粗粒體的存在也證明細(xì)菌及真菌活動對惰質(zhì)組的貢獻[38-39]。上部煤層(ZJ-1～ZJ-6)的水介質(zhì)還原性減弱而水動力增強，鏡質(zhì)組和有機硫含量相對降低，惰質(zhì)組增加。惰質(zhì)組以絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、粗粒體為主，較高的惰質(zhì)組含量一方面與泥炭沼澤向著氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變有關(guān)，另一方面與古森林大火有關(guān)，火焚絲質(zhì)體(見圖3a)的存在就是證據(jù)[19,40-42]123-125。

次級快速海進事件構(gòu)成了泥炭沼澤發(fā)育Ⅰ→Ⅱ和Ⅱ→Ⅲ轉(zhuǎn)換時期，代表了泥炭沼澤由陸向海的轉(zhuǎn)變，沼澤類型從濕地草本沼澤和干燥森林沼澤轉(zhuǎn)換為低位沼澤；次級快速海退事件引起了泥炭沼澤由海向陸的轉(zhuǎn)變，如第Ⅱ階段后期沼澤由低位沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锷终訚桑挥赡嗵空訚砂l(fā)育期間最后一次海退事件，結(jié)束了山西組1煤泥炭沼澤的發(fā)育歷史。

5 結(jié)論

(1)張集礦山西組1煤宏觀煤巖類型以半亮煤為主，顯微組分以鏡質(zhì)組為主(平均64.5%)，顯微煤巖類型以微三合煤為主，煤相以低位沼澤相為主，濕地草本沼澤相次之。

(2)從底板到頂板，山西組1煤依據(jù)顯微組分含量劃分為3個演化階段，對應(yīng)煤相發(fā)展的3個階段。第Ⅰ階段，成煤作用開始于濕地草本沼澤相(B)并結(jié)束于該相，此時沼澤水動力由強變?nèi)踉僮儚?；第Ⅱ和第Ⅲ階段煤相的演化均開始于低位沼澤相(A)分別結(jié)束于干燥森林沼澤相(D)和潮濕森林沼澤相(C)，水動力均由弱變強。

(3)山西組1煤層在發(fā)育期間泥炭沼澤受到海水入侵，且可分為快速海退、先海進然后海退、快速海退的3個階段，煤相參數(shù)顯示沼澤環(huán)境的轉(zhuǎn)變與Sr/Ba和Cu/Zn比值指示的環(huán)境具有一致性。