塔山井田太原組3號(hào)煤層成煤沉積環(huán)境特征

豆貫銘，馬美玲，劉東娜，廉凱龍

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024）

大同煤田是山西省動(dòng)力煤主產(chǎn)區(qū)之一，由于煤田內(nèi)賦存的侏羅系煤層資源將近枯竭，多個(gè)生產(chǎn)礦井相繼關(guān)閉，石炭—二疊系煤層開采已全面展開。加之煤炭燃燒所引起的環(huán)境問題越來越受重視［1］，對煤炭洗選比率和洗選效果的要求也逐年增加。近年來，大量學(xué)者開始針對石炭—二疊系可采煤層進(jìn)行研究，認(rèn)為大同煤田煤系地層的分布范圍主要受壓縮構(gòu)造和伸展構(gòu)造控制［2］，沉積相特征由海陸過渡相逐漸變?yōu)殛懴喑练e［3－5］，其物源區(qū)為大同北部的陰山隆起構(gòu)造帶［4，6］，但是對于煤層本身的成因環(huán)境及煤巖煤質(zhì)特征研究工作較少。筆者在前人研究基礎(chǔ)上［4，7］，對塔山井田石炭—二疊系太原組3號(hào)煤分層的成煤環(huán)境進(jìn)行了對比分析，旨在探討煤田內(nèi)主采煤層的形成演化規(guī)律，為進(jìn)一步研究大同煤田煤層的賦存規(guī)律和煤礦開采提供理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

圖1 采樣點(diǎn)及區(qū)域地質(zhì)簡圖

2 樣品采集及研究方法

樣品采自大同煤田塔山井田白洞礦區(qū)3號(hào)煤層，從上到下刻槽采取，按宏觀煤巖特性劃為11個(gè)煤分層和2個(gè)夾矸層（如圖2）。宏觀煤巖類型分類依據(jù)GB／T18023—2000；顯微組分和顯微巖石類型分 類 依 據(jù) GB／T15588—2001 和 GB／T15589—1995；全硫及灰分產(chǎn)率依據(jù)煤的工業(yè)分析方法GB／T212—2001測 定；主、次 元 素 含 量 依 據(jù) GB／T14506．28—93，硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法采用X射線熒光光譜法（XFS）測定；微量元素含量依據(jù)DZ／T0223—2001，采用電感耦合等離子質(zhì)譜（ICPMS）分析方法測定，測試條件為溫度20℃，相對濕度30%。

圖2 3號(hào)煤宏觀煤層柱狀及分層結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

3．1 煤巖學(xué)特征

經(jīng)測定，3號(hào)煤的鏡質(zhì)組平均反射率為0．82%，屬于中變質(zhì)程度煙煤。煤層結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，含有兩層夾矸。分層宏觀煤巖類型主要以半亮型煤為主，半暗型煤和暗淡型煤次之，僅一個(gè)光亮型煤分層（如圖2）。分層煤樣結(jié)構(gòu)以條帶狀為主，線理狀少見，構(gòu)造以層狀為主，塊狀次之。

3號(hào)煤的顯微煤巖組分（表1）以鏡質(zhì)組為主，平均體積分?jǐn)?shù)為55．71%；惰質(zhì)組次之，平均體積分?jǐn)?shù)為18．24%；殼質(zhì)組最少，平均體積分?jǐn)?shù)為7．4%。其中1，2，3，4，6，8，12，13分層中鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均在50%以上；3，7，11分層惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均在30%以上；6，8分層中殼質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均在10%以上。3號(hào)煤中的鏡質(zhì)組以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之。惰質(zhì)體以半絲質(zhì)體、惰屑體為主，部分煤分層還含有少量有菌類體。殼質(zhì)組以孢子體為主，其次是角質(zhì)體。

3號(hào)煤層的顯微鏡光學(xué)測定及XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖3）表明，該煤分層中礦物主要以粘土礦物為主，體積分?jǐn)?shù)均在7．1%以上（表1）；其次是碳酸鹽礦物方解石和菱鐵礦，體積分?jǐn)?shù)在0．2%～1．1%之間；個(gè)別煤分層還含有較多的黃鐵礦（3分層）和少量石英（7分層）。其中，9和11分層中礦物體積分?jǐn)?shù)大于20%；1，7和13分層礦物體積分?jǐn)?shù)稍大于10%，其余分層中礦物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)均小于10%。

圖3 3號(hào)煤XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果

煤中的顯微煤巖組成及含量影響著煤的光澤度。分層7，9，11的宏觀煤巖類型為暗淡型煤，取決于較高的礦物含量（9，11）和惰質(zhì)組含量（7）；分層1，3，6均為半暗型煤，取決于較高的惰質(zhì)組含量和相對較高的礦物含量；2，8，12，13分層因其較高的鏡質(zhì)組及較低的礦物和惰質(zhì)組含量為半亮型煤；分層4的鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)高達(dá)80%以上，故為光亮型煤。

煤的顯微組分受泥炭沼澤內(nèi)部條件的制約［9］，故顯微組分的組成可以從側(cè)面反映成煤泥炭沼澤的原始沉積環(huán)境［10］。

13，12分層的高鏡質(zhì)組表明，分層成煤沼澤環(huán)境覆水明顯；演化至11，9分層鏡質(zhì)組含量明顯；降低而惰質(zhì)組含量增多，殼質(zhì)組變化不明顯，表明泥炭沼澤已變?yōu)橄鄬\覆水的開放或半開放環(huán)境。11分層中的粗粒體含量明顯較其他顯微組分偏高，這可能是由于動(dòng)蕩水體的注入造成的。

3.3 吸煙及黃斑色素 有研究表明[51，52]，與不吸煙者相比，吸煙者發(fā)生干性AMD的相對危險(xiǎn)度是2.54。Fujihara等[53]發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物模型中，長期慢性吸煙容易造成RPE細(xì)胞膜折疊，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)空泡結(jié)構(gòu)、視網(wǎng)膜中Bruch膜增厚等超微結(jié)構(gòu)的改變，RPE細(xì)胞的這些改變和早期AMD中RPE細(xì)胞凋亡的特征性病理改變相一致。

8分層中鏡質(zhì)組含量較9分層明顯增多，且殼質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)高達(dá)20．4%，泥炭沼澤可能是一種覆水活氧的開放性環(huán)境；演化至7分層鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)明顯降低，而惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%；泥炭沼澤又變?yōu)橐环N相對淺覆水的開放或半開放環(huán)境，6分層中顯微組成與8分層相近但略低，泥炭沼澤恢復(fù)了覆水活氧的開放性沼澤環(huán)境。

4，3，2，1分層整體鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均高于50%，礦物質(zhì)含量總體偏低，表明此時(shí)完全處于一種明顯覆水但沉降均衡的泥炭沼澤環(huán)境。

此外，7，11，12，13中碳酸鹽礦物的較多出現(xiàn)，反映了一種湖沼或?yàn)I海相沉積環(huán)境。

3．2 煤相參數(shù)特征

本文選用的表征煤相特征的參數(shù)結(jié)構(gòu)保存指數(shù)（TPI）和凝膠化指數(shù)（GI）是C．F．K．Diessel于1982年提出并改進(jìn)的，現(xiàn)為國內(nèi)學(xué)者廣泛引用［11－15］。

結(jié)構(gòu)保存指數(shù)（TPI）［14－15］是鏡質(zhì)組和惰性組組分中結(jié)構(gòu)顯微組分和無結(jié)構(gòu)顯微組分的比值，反映泥炭沼澤中植物體遭受搬運(yùn)及氧化作用的程度。凝膠化指數(shù)是凝膠化物質(zhì)和非凝膠化物質(zhì)的比值，指示沼澤的相對濕度和氧化程度。

3號(hào)煤分層的GI值均大于1，屬于淺覆水或明顯覆水環(huán)境（如圖4）；TPI值較分散，結(jié)構(gòu)保存程度不一。根據(jù)TPI－GI相圖可以將3號(hào)煤分層的原始泥炭沼澤沉積相劃分為4種類型，即湖沼相、潮濕森林沼澤相、較深覆水森林沼澤相、覆水森林沼澤相，主體煤相為潮濕森林沼澤相。其中分層9、11屬湖沼相，GI值均為3．4，TPI值分別為0．3和0．4。結(jié)構(gòu)保存程度最差，可能處于不同成因的成煤環(huán)境轉(zhuǎn)化階段，受動(dòng)蕩水體（如，洪泛水）影響所致；分層1，2，3，6，7，8和12屬潮濕森林沼澤相，GI值為1．1～6．8，TPI值為1．2～1．9；分層13屬覆水森林沼澤相，GI值為6．1，TPI值為2．8，結(jié)構(gòu)保存程度最好；分層4屬較深覆水森林沼澤相，GI值為19．4，TPI值為2．1。

圖4 3號(hào)煤TPI－GI相圖

表1 3號(hào)煤顯微組分含量及煤相參數(shù)統(tǒng)計(jì)表（體積分?jǐn)?shù)）

3．3 煤地球化學(xué)特征

本次研究實(shí)際共測定主、次量元素10種，微量元素47種，鑒于微量元素在沉積環(huán)境指向意義上的不確定性和分層煤樣對比的微小差異性，由于篇幅所限，在分析過程中只選用了部分具有沉積環(huán)境指向意義的元素。

不同的泥炭沼澤環(huán)境下形成的煤中礦物組分、灰分及微量元素具有不同地球化學(xué)特征。灰成分指數(shù)w（CaO＋MgO＋Fe2O3）／w（SiO2＋Al2O3）比值可以作為海陸分界的依據(jù)；w（Sr）／w（Ba）值及硫分（S）、磷含量（P2O5）可以判斷成煤沼澤中介質(zhì)的鹽度，從而推斷成煤環(huán)境是否受海水影響；另外，高位泥炭沼澤形成的煤中，Co的總含量較低［16］。本次研究中我們?nèi)圆捎肒值等于0．23作為海陸相分界值，w（Sr）／w（Ba）為0．6作為咸水淡水的分界值［7］。分別以微量元素w（Co）＜3，3～10，＞10（μg／g）確定泥炭沼澤為高位、中位和低位。

3號(hào)煤的地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（表2），只有分 層 7 的 K 值 大 于 0．23，w（Sr）／w（Ba）為0．547，接近淡水和咸水的邊界值；且 wt．d（S）只有29%，w（P2O5）只有0．036，說明7分層的原始泥炭沼澤可能并未受海水影響，只是分層內(nèi)賦存較多含Ca礦物而使該分層灰成分參數(shù)偏高。在顯微煤巖組分統(tǒng)計(jì)中，該分層的碳酸鹽礦物含量（表1）也確實(shí)相對其他分層偏高。7分層Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4．05μg／g，綜合分析認(rèn)為，7分層的原始成煤環(huán)境為曲流河相沉積，泥炭沼澤沉積環(huán)境為中位半咸水河成沼澤。

13、12分層的K值在0．095以上，雖然低于分界值0．23，卻也略高于大部分分層，可能未受明顯海水影響；不過 wt．d（S）均大于0．6，w（Sr）／w（Ba）也高達(dá)2．2以上，w（P2O5）更是明顯高于其他分層，均在0．29以上；Co值均稍高于3。分析認(rèn)為，該底部分層的原始成煤環(huán)境為障壁島或?yàn)a湖相沉積，泥炭沼澤屬于中位咸水濱海沼澤。

11分層的地球化學(xué)參數(shù)值較底部13、12分層有所降低，K 值小于0．23，w（Sr）／w（Ba）小于0．6，w（P2O5）只有0．037，wt．d（S）為0．38；Co值小于3。分析認(rèn)為，該分層的原始成煤環(huán)境已經(jīng)開始向曲流河相沉積轉(zhuǎn)變，泥炭沼澤屬于高位淡水河成沼澤。

表2 3號(hào)煤地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

10分層為夾矸層，其地球化學(xué)參數(shù)的K值，w（Sr）／w（Ba），w（P2O5），wt．d（S）均較11分層大幅降低，表現(xiàn)出明顯的陸相沉積特征，K值更為所有分層的最低值0．003，Co值均小于3。分析認(rèn)為，該分層的原始成煤環(huán)境為典型河流相沉積，泥炭沼澤屬高位淡水河成沼澤。

9分層的K 值為0．022，較10分層增大，w（Sr）／w（Ba）增加至1．26，w（P2O5）也高達(dá)0．23，St．d%增加不明顯，僅為0．23，Co值小于3。分析認(rèn)為，該分層的原始成煤環(huán)境為湖相沉積，泥炭沼澤屬高位咸水湖成沼澤。

8，6分層除了K 值有明顯不同外（均小于0．23），w（Sr）／w（Ba）、w（P2O5）、wt．d（S）均較低，表現(xiàn)出明顯相似的陸相沉積特征；Co值大小均在3～10之間。分析認(rèn)為，這兩個(gè)分層的原始成煤環(huán)境為河流相沉積，泥炭沼澤屬中位淡水河成沼澤。

5分層為夾矸層，K 值為0．012，wt．d（S）、Sr／Ba、P2O5%均較低，Co值小于3。分析認(rèn)為，該分層的原始成煤環(huán)境為河流相沉積，泥炭沼澤屬高位淡水河成沼澤。

4，3，2，1分層的 K 值，wt．d（S），w（P2O5）分別從4分層的0．139，0．87，0．024向上部分層逐漸減小，Sr／Ba也均小于0．227，Co值均大于10。說明成煤后期階段的沉積環(huán)境相似，為明顯河流相沉積，泥炭沼澤均屬低位淡水河成沼澤。

3．4 成煤沉積環(huán)境旋回特征

綜合分析3號(hào)煤分層的煤相參數(shù)和地球化學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，其在垂向剖面上沉積環(huán)境表現(xiàn)出明顯的三次旋回韻律（圖5）。

圖5 3號(hào)煤分層煤樣地球化學(xué)參數(shù)剖面變化圖

第一旋回：分層13，12，11－10－9。13，12分層的濱海瀉湖環(huán)境由于洪泛水的影響，水體動(dòng)蕩，從閉塞體系環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)為開放體系，形成淡水河湖沼澤的11分層和河成沼澤的夾矸層10分層，以及水退下的湖成沼澤的9分層，覆水條件逐漸變淺，結(jié)構(gòu)保存程度逐漸變差。宏觀煤巖類型為半亮型變化至暗淡型，煤相上表現(xiàn)為覆水森林沼澤相－潮濕森林沼澤相－湖成沼澤相的變化特征。

第二旋回：分層8－7－6－5。8分層覆水條件明顯，表現(xiàn)為半開放體系下的水進(jìn)變化，至7分層變?yōu)槿醺菜胂趟映烧訚桑?分層時(shí)期再次水進(jìn)，覆水變深，至分層5水體又退卻形成高位淡水河成沼澤，泥炭沼澤處于過補(bǔ)償狀態(tài)，沉積間斷形成夾矸層。覆水條件出現(xiàn)8－7和6－5兩次由深至淺的變化，結(jié)構(gòu)保存程度逐漸變差。宏觀煤巖類型表現(xiàn)為半亮型－暗淡型－半暗煤－夾矸變化，煤相上表現(xiàn)為潮濕森林沼澤相內(nèi)的微循環(huán)。

第三旋回：分層4－3－2－1。總體為4分層水進(jìn)條件下的強(qiáng)覆水泥炭沼澤逐漸過渡為水退條件下的覆水沼澤環(huán)境。覆水條件呈變淺趨勢，結(jié)構(gòu)保存程度逐漸變差。宏觀煤巖類型表現(xiàn)為光亮型煤—半暗煤—半亮型—半暗煤變化，煤相上表現(xiàn)為較深覆水森林沼澤相至潮濕森林沼澤相的變化特征。

4 結(jié)論

相比太原組5號(hào)煤［7］，3號(hào)煤層在形成過程中所受到的海水影響已經(jīng)大幅減小，顯微組成和煤地球化學(xué)參數(shù)上均表現(xiàn)出海陸過渡逐漸向陸相轉(zhuǎn)化的沉積特征，這與通過含煤巖系研究在沉積環(huán)境上的整體判定是一致的［4］。研究得出以下結(jié)論。

1）3號(hào)煤宏觀煤巖類型以半亮煤為主，顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，煤中礦物組成以粘土礦物為主，屬中變質(zhì)程度煙煤。

2）3號(hào)煤分層13和12煤相分別為覆水森林沼澤相和潮濕森林沼澤相，沼澤條件為中位咸水濱海沼澤。分層11和9為湖沼相，沼澤條件分別為高位淡水河成沼澤和高位咸水湖成沼澤。分層7為潮濕森林沼澤相，沼澤條件為中位半咸水河成沼澤。分層8和6為潮濕森林沼澤相，沼澤條件為中位淡水河成沼澤。分層4為較深覆水森林沼澤相，沼澤條件為低位淡水河成沼澤。分層1，2，3為潮濕森林沼澤相，沼澤條件為低位淡水河成沼澤。

3）3號(hào)煤分層的原始泥炭沼澤沉積環(huán)境在垂向上呈現(xiàn)三次明顯的旋回韻律，煤相上表現(xiàn)為覆水森林沼澤相—潮濕森林沼澤相－湖沼澤相的變化特征。

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