大同煤田石炭－二疊紀煤系沉積物源分析

崔曉立

（四川科技職工大學礦業工程系，四川成都 601101）

大同煤田石炭－二疊紀煤系沉積物源分析

崔曉立

（四川科技職工大學礦業工程系，四川成都 601101）

通過對大同石炭－二疊紀煤系沉積物的碎屑特征分析，提出沉積物來源方向和陸源區域位置，揭示陸源區構造背景的演化對沉積物源組分的影響，為大同進行古生代煤巖層對比、預測煤層厚度變化規律等提供了依據。

大同煤系；碎屑特征；物源分析；陸源區演化

大同煤田是賦存有石炭-二疊紀煤系和侏羅紀煤系的雙紀煤田。隨著長時間、大規模、高強度的煤炭開采，侏羅紀煤炭資源已逐漸趨于枯竭，石炭-二疊紀煤系的地質勘查與開發工作正有序進行，目前塔山礦井已建成投產，同忻井田勘探也將結束。通過對大同石炭-二疊紀煤系的沉積物源進行系統分析，探討煤盆地沉積物來源及其陸源區位，以期對煤盆地沉積演化及煤層對比分析提供依據。

1 地質概況

大同聚煤盆地總體形態為軸向呈北東——南西向的橢圓形，面積1 827km2，主體構造為東南翼地層傾角較陡，西北翼平緩的不對稱向斜，見圖1。

圖1 大同煤田區域構造示意圖

區域地層自老至新分別為：太古界集寧群、古生界寒武系、奧陶系下統、石炭系、二疊系；中生界侏羅系、白堊系；新生界第三系、第四系［1］。石炭二疊系地層巖性及含煤性描述如下。

1.1 中石炭統本溪組

本組底部為紫色鐵質泥巖及灰色鋁土質泥巖；中上部為深灰色頁巖、砂質頁巖及灰白色石英砂巖互層；中部夾一層厚2～5m的石灰巖；上部以砂巖、泥巖互層為主。厚35m左右，與下伏奧陶系為平行不整合接觸。

1.2 上石炭統太原組

本組為主要含煤地層。底部以灰褐色中粗粒砂巖（K2）與本溪組分界，往上為砂巖、泥巖互層，夾9#和10#兩個薄煤層，一般不可采，再向上為厚2～6m的8#煤層，煤層頂部是含腕足類動物化石碎片的泥灰巖及泥巖。

中部以灰白色含礫粗砂巖、粗、中砂巖為主，砂巖中含大型交錯層理，韻律結構明顯，夾6#、7#局部可采煤層，砂巖不穩定，橫向上多變為灰白色砂質泥巖、粉砂巖。其上為巨厚層的5#煤層，是本區域最主要可采煤層。

上部主要為巨厚的砂礫巖、含礫粗砂巖、中粗砂巖，與砂質泥巖、泥巖互層，砂巖中發育大型交錯及水平層理，韻律結構明顯，砂體底部多具沖刷面，砂巖間夾4#、3#和2#煤層。

太原組總厚度一般為80～100m，由南向北厚度逐漸變薄，至十里河以北尖滅。煤層最大厚度47.45m，一般17m，含煤系數近20％。與下伏本溪組為整合接觸。

1.3 二疊系山西組

山西組底部為一層灰白色砂礫巖、含礫粗砂巖或中粗砂巖（K3），巖性不穩定，厚度4m左右。往上為灰、灰白色粗砂巖、中粒砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質泥巖互層。其間夾4層薄煤層，只有4＃煤層較穩定，部分可采。本組厚20～80m，一般50～60m，由南、南東向北、北西變薄，至忻洲窯-新、舊高山一線以北尖滅。含煤總厚0.16～10.63m，一般3m，含煤系數4％。

下石盒子組以灰綠、灰黃、灰白色砂巖、泥巖為主，厚度64～68m。

上石盒子組以灰綠、黃綠、灰紫色砂巖、含礫石英砂巖為主，厚度168～231m。

山西組與上覆石盒子組為整合接觸，與下伏石炭系太原組為整合接觸。

2 大同石炭-二疊紀煤系沉積物源分析

碎屑巖類分析法被廣泛用于物源分析［2］，主要是通過對選定層位砂巖樣品的碎屑組分和結構特征進行統計分析，來反映物源區和沉積盆地的構造環境。由于砂巖的骨架礦物成分是由物源區的母巖遭風化、剝蝕后被搬運到沉積盆地的，砂巖中骨架顆粒類型、含量及其組合、光性特征等都能反映盆地物源區母巖性質及盆地接受沉積時物源區的構造背景，所以可根據砂巖的成分判斷其物源區的構造性質，進而探討盆地沉積演化［3］。根據大同石炭-二疊紀煤系的巖性特點采用碎屑巖類分析法對物源進行分析，通過測定古流向確定物源的來源方向，采用砂巖碎屑組分分析法判定物源區的母巖性質及構造背景。

2.1 古流向分析

砂巖層中交錯層理細層的傾向能反映古水流的流向，揭示物源區的來源方位。本次研究選擇了區域分布相對穩定的太原組底部K2砂巖、5#煤層底板砂巖及山西組底部K3砂巖作為研究對象。野外實測了關鍵巖層的產狀及交錯層理細層的產狀，采用極射赤平投影方法恢復了巖層及交錯層理的原始產狀。其中，實測K2砂巖交錯層理細層產狀34組，經統計校正后的平均傾向為149°；實測5#煤層底板砂巖交錯層理細層產狀52組，平均傾向154°；實測K3砂巖交錯層理細層產狀60組，平均傾向151°。實測數據表明，大同地區在石炭-二疊紀煤系沉積時段，古水流屬單向模式從北北西向南南東向流動，注入大同聚煤盆地，指示當時盆地沉積的物源區為盆地北部的陰山隆起帶。

2.2 碎屑組分特征

大同石炭-二疊紀煤系地層中發育砂、礫巖21～26層，經過野外露頭采取砂巖樣品及鏡下鑒定，根據中、粗粒砂巖碎屑顆粒的礦物成分、表面形態特征、消光特性及類型、雙晶類型、邊緣特征等進行分析，認為巖石類型主要為石英砂巖、巖屑石英砂巖、長石石英砂巖、長石巖屑砂巖等，見表1。

2.2.1 本溪組砂巖碎屑組分特征

表1 大同石炭-二疊紀煤系砂巖碎屑組分成因統計表/％

鏡下觀察本溪組砂巖的碎屑組分中石英占95％以上，巖屑占4.71％，膠結物主要為泥質。石英碎屑顆粒主要有單晶石英和多晶石英。單晶石英鏡下大多表現為具波狀消光及不完整的次生加大邊特征，且分選性、磨圓度較好，這類單晶石英應屬沉積巖型；多晶石英的鏡下特征常由幾個粒狀石英組合而成，顆粒多具次生加大邊，這類多晶石英應屬沉積型石英。鏡下也見極少量不具波狀消光、表面較潔凈的單晶石英，這類單晶石英應屬巖漿巖型。鏡下偶見接觸線較平直呈鑲嵌狀的粒度大小相近的石英顆粒組合成的多晶石英，這類多晶石英應為巖漿巖型石英。本溪組的巖屑主要為粉砂質泥巖巖屑，成分為粉砂級石英及粘土礦物，外形呈次圓狀，磨圓度較好，為沉積型巖屑。正交鏡下見少量呈集合消光的由微晶石英組成的燧石巖屑，屬沉積型巖屑。

本溪組沉積巖型碎屑顆粒占98％以上，而巖漿巖型碎屑占1％左右，沒有發現變質巖型碎屑。分析結果表明，大同地區本溪組沉積時，物源區出露分布大面積的具次生加大邊特征的石英顆粒組成的沉積巖，巖漿巖體出露極少量。

2.2.2 太原組砂巖碎屑組分特征

鏡下觀察太原組砂巖碎屑組分，石英占82.69％，巖屑占14.81％，長石占2.5％，膠結物為泥質、硅質。石英碎屑顆粒有單晶石英和多晶石英。單晶石英的鏡下特征大多為具不完整次生加大邊的石英顆粒，應屬沉積巖型；其次是具不規則裂紋且呈碎塊消光的單晶石英，鏡下觀察碎屑表面有少量黑色麻點，應為變質巖型；還有極少數具熔蝕結構邊緣呈港灣狀均一消光的單晶石英，屬花崗巖型。鏡下多晶石英大多呈集合體形式出現，次生加大邊較明顯，應為沉積巖型多晶石英；其次是以縫合線形式接觸的由幾個粒度不等的石英顆粒組成的多晶石英，這類石英應為變質巖型石英。還見少量呈鑲嵌狀接觸線平直的多晶石英，應屬花崗巖型。

太原組的巖屑主要為粉砂質泥巖巖屑及微晶石英組成的燧石巖屑，都屬沉積巖型巖屑。

統計結果表明，太原組沉積巖型碎屑顆粒達82.46％，而變質巖型顆粒占10.92％，巖漿巖型顆粒僅為6.62％，說明太原組沉積時物源區仍以沉積巖為主，但隨著陸源區剝蝕程度加強，一些巖漿巖體和變質巖逐漸露出地表遭風化剝蝕。

2.2.3 山西組砂巖碎屑組分特征

鏡下觀察山西組砂巖碎屑組分中石英達67.36％，巖屑21.64％，長石11％，膠結物以泥質為主。石英碎屑顆粒有單晶石英和多晶石英。單晶石英的鏡下特征通常具次生加大邊，這類單晶石英屬于沉積巖型；其次為具不規則裂紋呈碎塊消光的單晶石英，這類單晶石英屬變質巖型；偶爾可見邊緣呈港灣狀均一消光的單晶石英，屬花崗巖型。鏡下觀察多晶石英大多為多晶集合體，具次生加大邊，屬沉積巖型；其次是晶粒間呈縫合線狀接觸的多晶石英，應屬變質巖型；還有少量具平直接觸線的多晶石英，屬于花崗巖型。山西組的巖屑主要是粉砂質泥巖巖屑和由石英微晶集合而成的燧石巖屑。

統計結果表明，山西組沉積巖型顆粒為64.95％左右，變質巖型碎屑達到23.33％，巖漿巖型顆粒為11.73％，說明山西組沉積時物源區既有大面積沉積巖分布，還岀露有較大范圍的變質巖和巖漿巖。

綜合上述，從本溪期始到太原期至山西期，碎屑成分由沉積型單一組分逐漸變為雙組分到三組分，揭示物源區逐步抬升，母巖遭風化剝蝕范圍和深度逐漸擴大加深。

2.3 物源區古構造演化

物源區的古地理和古構造背景特征與沉積盆地中砂巖碎屑組分的類型及含量關系密切［4］。通過對大同石炭-二疊紀煤系砂巖碎屑組分中石英、長石、巖屑含量的分類統計表明，本溪組石英與燧石的總量達96％，巖石碎屑占4％，無長石。太原組石英與燧石的總量介于84％～95％，平均為90.75％；巖石碎屑含量介于5％～11％，平均為8.0％；長石含量最高達3％。山西組石英與燧石的總量占79％～87％，平均為82％；巖石碎屑占11％～21％，平均16.4％；長石含量介于0％～5％，平均為1.6％，見表2。

表2 大同石炭-二疊紀煤系砂巖碎屑組分（Dickinson）參數表

將本溪組砂巖碎屑顆粒組分統計結果投入QF-L圖中，其位置落入再旋回造山帶區域；太原組的砂巖碎屑顆粒組分統計結果，在Q-F-L圖中95％落到再旋回造山帶區域，其余落到大陸板塊區域；山西組的砂巖碎屑顆粒組分統計結果，投到QF-L圖解中，90％落到再旋回造山帶區域；10％落在大陸板塊區域。說明在大同石炭-二疊紀煤系沉積初期，陸源區出露著大范圍的沉積巖層，陸源區與華北地塊處于同一構造單元，后來伴隨著華北板塊和西伯利亞板塊的碰撞，陰山一帶逐漸隆起，剝蝕強度進一步加強，使變質巖系及侵入其中的巖漿巖體逐漸露出地表遭受剝蝕，而大同地區拗陷沉降，大同石炭-二疊紀聚煤盆地接受來自陰山一帶風化剝蝕產物的沉積，可見陰山一帶仍屬于華北克拉通地塊的一個組成部分，“陰山古陸”不應該是自元古宇以來就長期隆升的構造單元［5］。

3 結論

通過對大同石炭-二疊紀煤系沉積物源特征分析，認為陸源區為大同北部的陰山隆起構造帶。物源碎屑特征揭示出的物源區構造演化背景，顯示在大同石炭-二疊紀煤系沉積之前，陰山一帶仍屬華北克拉通地塊的一部分，陰山構造帶并不是自元古宇以來就長期隆升的構造單元，而是自早石炭世末伴隨著華北板塊和西伯利亞板塊的碰撞，陰山構造帶逐漸隆起并遭風化剝蝕，成為大同石炭-二疊紀聚煤盆地的沉積物源供給區。

［1］周安朝.大同晚古生代含煤盆地地質學研究［M］.北京：煤炭工業出版社，2010.

［2］王成善，李祥輝.沉積盆地分析原理與方法［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］李思田，解習農.沉積盆地分析基礎與應用［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］郗寶華.大同煤田晚古生代陸源區母巖組合探討［J］.科技情報開發與經濟，2009（11）：146-148.

［5］周安朝.華北地塊北緣晚古生代盆地演化及盆山耦合關系［M］.北京：煤炭工業出版社，2000.

〔編輯 石白云〕

Analysis of the Source of the Deposits of Datong Coal Seams Formed in the Permo-carboniferous Period

CUI Xiao-li
（Department of Mining Engineering，Sichuan Staff University of Science and Technology，Chengdu Sichuan，601101）

After surveying the characteristics of the scraps from the deposits of Datong coal seams formed in the Permocarboniferous period，the author puts forward the source of the deposits and the location of the sourceland，and reveals the influence of the evolution of the sourceland structure on the elements of the deposits.This research provides proofs for further studies including Paleozoic coal rock formation comparison and the prediction in coal layer thickness change.

Datong coal family；characterizes of the scraps；source analysis；sourceland evolution

P534.46

A

1674－0874（2011）04－0055－04

2011－04－28

崔曉立（1960－），男，北京人，碩士，副教授，研究方向：煤田地質與巖礦分析。