山西平朔井工三礦煤系角礫巖特殊成因探討

石彥強

(北京大地高科地質勘查有限公司，北京 100040)

在以往的研究中，沉積角礫巖的成因主要被解釋為邊坡滑塌，其次是冰磧和近源泥石流，對煤系沉積角礫巖的發現及研究較少。目前僅在吉林省南部通化地區渾江上游的底部發現冰磧礫巖[1]，礫巖成分復雜、大小混雜，少數具棱角狀和次棱角狀，個別礫石一端渾圓而另一端具棱角，礫石分布不均、分選性差，礫巖中的冰川遺跡明顯，命名為“金坑嶺冰磧層”；張玉君等[2]在鄂爾多斯侏羅紀聚煤盆地西緣的甘肅華亭煤田陳家溝井田5 號煤中發現礫巖，礫石最大粒徑0.15 m，排列方向不定，呈似層狀不連續分布于煤層中，礫石附近煤層紋理壓彎或攪動明顯，泥質夾層的層理也變形；吳志國等[3]在松遼盆地南緣遼寧鐵法煤田大興井田白堊系煤層中，多處見到砂巖、礫巖體，礫石含量30%～40%，礫徑最大達0.45 m，主要是次棱角狀、部分為棱角狀和次圓狀，分布不均勻，多與煤層基本頂砂巖相連，砂質角礫巖體寬度較大者(尤其大于5 m)，以及橫剖面形態近“Δ”型的角礫巖體，與側向煤層多呈波狀或相對平直狀接觸；而寬度較小者(尤其小于1.5 m)，與側向煤層多呈凸凹不平或參差狀接觸；王宇林等[4]在大興井田4-2 煤層中發現一些陡傾斜產出的上端尖小、下部鈍大的似滴狀的含礫不等粒雜砂巖體，最大長軸直徑達300 mm，多分布于河道彎曲地段的凹岸一側，尖端均指向河道泥石流，且體積大者更靠近河道泥石流；程東等[5]、何彪太[6]、任德平[7]對平朔礦區太原組角礫巖進行研究，均認為其是泥石流沉積；王華等[8]在法國Montceau 盆地1 號厚煤層中下部發現多個透鏡狀角礫巖體，都有底部下凸，上部“平展”的外形，單個透鏡體一般厚1～2 m，寬不足30 m，認為是“典型的水下重力流—碎屑流沉積”，文中沒有交代源匯關系，也沒有說明角礫巖從物源搬運到湖濱的過程，那么重力流等二次搬運沉積的最大直徑可達50 cm 的“角礫”，不可能還是角礫。

平朔礦區北部距離物源區較近的井工三礦、潘家窯礦發現角礫巖，向南在盆地內部消失。煤系角礫巖在平朔井工三礦時有分布[6-7]，其成分復雜、大小不一、棱角狀、分選性差，與煤層關系密切是其顯著特征。角礫巖破壞了煤層的連續性，對井工三礦的煤層開采造成嚴重影響。基于2018—2019 年山西潞安中煤資源勘查開發有限公司補勘施工的21 個鉆孔資料，加上以往285 個勘查鉆孔(鉆孔間距大多為200～500 m)資料[9]，梳理了井田地層層序；收集區域資料，針對性地進行礦井地質觀測，對西部煤田邊界進行踏勘，定點觀測物源區巖性特征，分析井田煤系沉積環境演化和煤層沉積特征，詳細描述角礫巖成分、結構和構造特征，統計煤系角礫巖的層位、厚度和分布情況，圈定角礫巖在煤層中的分布范圍，研究角礫巖發育規律及成因，以期對研究區煤炭資源開發利用提供指導。

1 井田煤系及煤層發育特征

井工三礦位于寧武煤田平朔礦區西北端，地表大部分被新生代地層覆蓋，屬典型的黃土丘陵地貌。井田內及外部煤層露頭附近的各大溝谷底部有零星基巖出露。根據鉆孔揭露和地表露頭，井田地層由下至上為奧陶系下統冶里組和亮甲山組，中統下馬家溝組、上馬家溝組；石炭系上統本溪組、晉祠組；二疊系下統太原組、山西組、下石盒子組，中統上石盒子組；以及新生界新近系靜樂組和第四系中、上更新統、全新統地層。

其中，石炭系上統晉祠組和二疊系下統太原組為本礦主要含煤地層，地層總厚66.52～124.02 m，平均厚92.30 m。主要由灰色、灰白色砂巖、礫巖，灰色–灰黑色砂質泥巖、泥巖和4、5、6、7、8、9、10、11 號煤層組成，以粗碎屑巖為主，局部夾角礫巖，下部夾有薄層泥質灰巖(圖1)。其中4、9、11號煤層為主要可采煤層(表1)。

表1 主要可采煤層控制情況及穩定性評價Table 1 List of minable coal seam control and stability evaluation

圖1 補勘6 號孔煤系沉積環境解釋及層序演化Fig.1 Sedimentary environment interpretation and sequence evolution map of borehole No.6 coal measures

研究區位于華北石炭-二疊紀聚煤盆地的北端，物源區在井田西北部，距井田很近，井田內煤系以扇三角洲沉積為主，在廢棄碎屑沉積基礎上發育動態泥炭沼澤。動態泥炭沼澤發育期間，氣候適宜，植物繁茂，成煤物質豐富，沉積補償作用均衡，成煤植物限制了物源碎屑侵入，抑制了海浪及潮汐對海岸植被及泥炭的沖蝕，以泥炭自身發育占主導地位，形成厚度較大的可采煤層。煤層受物源碎屑侵入影響，有規律地變薄和分岔[9-11]。

2 角礫巖沉積特征及源匯關系

2.1 沉積特征

平朔井工三礦煤系角礫巖的成分復雜。內源的，如灰白色—灰色砂巖，深灰色—黑灰色粉砂巖、泥巖、炭質泥巖，有時還能見到鋁質泥巖和煤包裹體(圖2a)；外源的，如奧陶系微晶石灰巖、寒武系中上部的粉晶石灰巖、寒武系底部饅頭組的紅色泥巖(圖 2b)，震旦系的大理巖，太古界的片麻巖(圖2c)等。

圖2 不同鉆孔鉆遇煤層頂底板角礫巖特征(巖心直徑為63 mm)Fig.2 Breccia characteristics of coal seam roof and floor in different boreholes(core diameter 63 mm)

礫徑大小不一，最大可達1.20 m 以上(圖2b)；礫石磨圓度差距甚大，棱角狀到次圓狀，并以前者為主(圖2d)；分選性極差，顆粒之間被泥質和砂質基底式充填，基質分選更差(圖2e)。下部角礫巖普遍含黃鐵礦，有的黃鐵礦含量較高，這些黃鐵礦具有較好的晶形，是早期成巖產物，受到同期海水的影響。

角礫巖底部與煤層沖刷接觸，頂部往往是泥巖、炭質泥巖、粉砂巖、煤層等細碎屑沉積，即使是砂巖也是明顯接觸，沒有過渡的趨勢(圖2f)。

角礫巖與煤層關系密切。井田285 口鉆孔中，有76 口98 層遇角礫巖，占孔數的27%，除4 口陷落柱孔外，其余72 口94 層全部為沉積角礫巖。其中79層位于煤層中及其頂底板，占原沉積角礫巖的84%；其他距可采煤層較遠的15 層，占16%。角礫巖都不同程度含有煤包裹體及炭屑，而且沖刷煤層的角礫巖中含有較多的煤包體。表明角礫巖是成煤泥炭沼澤發育期間的產物，與泥炭沼澤的破壞有直接的成因關系。

垂向上，角礫巖從本溪組到山西組均有，下部較多。厚度0.30～22.92 m (合并層)，變化較大，一般2～3 m；平面上，角礫巖分布有限，連續性差，即使200～300 m的鉆孔間距都無法有效控制。11 號煤層中的角礫巖主要分布在西部和西北部，其中9 個鉆孔位于煤層中間，其余位于煤層頂底板附近，連續性差(圖3)；9 號煤層中的角礫巖主要分布在西部和西北部，但在井田南部也有零星分布，有13 個鉆孔位于煤層中間，其余位于頂底板附近，連續性極差，與煤層間夾矸增厚有一定的橫向聯系(圖4、圖5)；4 號煤層的角礫巖主要見于井田北部，僅2 個鉆孔位于煤層中間，中北部巷道揭露角礫巖寬度僅26 m。東部4 個鉆孔位于4～6 煤層夾矸小于0.80 m的區域，其余角礫巖位于煤層頂底板附近，連續性差(圖6)。

圖3 11 號煤層及其附近角礫巖分布范圍Fig.3 Distribution range of breccia in No.11 coal seam and its vicinity

圖4 9—11 號煤層間沉積剖面Fig.4 Sedimentary cross-section of No.9-11 coal seams

圖5 9 號煤層被沖刷、分叉、角礫巖分布Fig.5 Distribution of scoured,bifurcated and breccia in No.9 coal seam

圖6 4 號煤層及其附近角礫巖分布范圍Fig.6 Distribution range of breccia in No.4 coal seam and its vicinity

2.2 源匯關系

以往都認為大同以北的陰山古陸是石炭–二疊紀盆地物源區；杜丕(1980)[12]研究發現，偏關至興縣間，存在軸向近似南北，長140 km，寬20 km 的呂梁古隆起 (但在后來的許多研究中，卻忽視了這一隆起的存在[13])；周安朝等[14]認為，陰山古陸是在晚石炭世–早二疊世整體平穩隆升而轉化的物源，早二疊世晚期–晚二疊世，古陸北緣發生了較為強烈的隆升并伴隨著強烈的褶皺和沖斷作用。

通過西部煤田邊界和物源區定點踏勘，本區西、北部只是煤田保存邊界，沉積邊界在西北更遠的地方。區內鉆孔見到的石榴石片麻巖角礫來源于太古界集寧群(Arjn)，據區域資料，集寧群石榴石片麻巖最近出露于井工三礦西北351°，距離56.62 km 的右玉縣西黃家窯村西(圖7)；大于1.2 m 的紫紅色泥巖礫來源于寒武系饅頭組，該泥巖出露于薛家窯至三層洞村一線以北，距本區34 km(圖7)。說明本區西北的呂梁古隆起[12]，在石炭–二疊紀就被擠壓隆升遭受剝蝕了，物源區不會是北距本區160 多km 的陰山古陸。

圖7 平朔井工三礦與角礫巖物源相對位置Fig.7 Relative location of Jinggong No.3 Coal Mine and breccia provenance in Pingshuo3

3 角礫巖成因辨析

研究區斷裂規模小，主要為小型斷裂，斷層帶也不發育，陷落柱只是零星分布。除補勘8、補勘10等鉆孔見陷落柱，其間角礫巖呈高度棱角狀、毫無分選[15]，可以解釋為坍塌構造角礫巖外，其余角礫巖明顯是原始搬運沉積形成。

3.1 角礫巖地質對比

繼在吉林省南部的上石炭統底部發現了冰磧礫巖[1]之后，近年來，大多數研究者也認為石炭–二疊紀有冰期—間冰期的存在[16]。王向東等[17]認為，全球石炭紀大量植物的繁盛導致了強烈的氣候分異而形成冰室，是顯生宙以來最大的冰室氣候時期，冰期和間冰期頻繁交替，全球海平面升降更迭。由此推斷：華北石炭–二疊紀海陸交互相含煤沉積與晚古生代冰川作用導致的海水進退有關。然則，本文研究區至今并沒有發現礫巖中的冰川擦痕、漂礫、冰筏墜石等冰川作用的特征痕跡，以及其他相關證據[5-7,9]。

常規的山洪泥石流不可能完整地搬運直徑大于1.20 m、而硬度又不是太大的泥巖巨礫；搬運距離大于34～60 km、而角礫又未曾遭受應有的磨蝕，保持棱角狀到次棱角狀的結構，與一般泥石流沉積特征不符；角礫巖頂底界面明顯，上下均沒有過渡關系，特別是頂板直接突變為泥巖、炭質泥巖、煤層等，也不是典型泥石流的垂向層序特征；角礫巖規模很小，井下巷道揭露角礫巖體最小寬度僅26 m，間距200～500 m 的密集勘查鉆孔都控制不了角礫巖的平面連續形態，說明角礫巖的成因也不能用常規的山洪泥石流來解釋。綜合分析認為，研究區角礫巖多發育于煤層中或煤層頂底板，與煤層密切相關，并且主要集中在4、9、11 號厚煤層附近，因此，角礫巖的沉積過程與成煤植物及泥炭沼澤有直接的關系。

3.2 植被錨固作用及“碎屑庫”的構建

動態聚煤模式認為，成煤泥炭沼澤是泥炭沼澤及其植被規模化動態發育的結果，其主要表現在對基底和物源區碎屑的控制[10]；現代干旱扇和濕地扇也存在明顯差異。

1) 現代植物根系的錨固作用

早在1591 年我國先人就用柳樹栽培加固保護河岸邊坡。17 世紀用植被保護黃河堤岸；19 世紀法國和奧地利就用植被防治泥石流；馬來西亞、泰國等利用香根草根系發達、抗拉強度大、根扎很深等特點來加固溝渠和公路邊坡[18]。

一般認為地下草根密集層在20 cm 左右，最大深度不超過2 m；樹根密集層在1 m 左右，最大根深不超過10 m；灌叢根系介于二者之間。但是棉花根可達2.0～2.2 m；甘草根長1 m 多，最長者達3～4 m；香根草根長4 m 多；荒漠上的駱駝刺高度只有20 cm 左右，而根部可達十幾米深；非洲的巴惡巴蒲樹，根能到達三十多米深的地層中；美國一棵15 m 高樹的根伸進了將近50 m 深的礦井；南非奧里斯達德附近的回聲洞的一顆無花果樹，估計根深入地下有120 m[19]。

根的抗拉力與根徑均呈冪函數關系，桉樹根系的平均抗拉拔強度達到5.53 MPa。粗而長的根系能穿過滑體，深入滑床，將滑坡錨固到深處穩定的巖土體上。須根系的固結纏繞效應和軸根系的抗拉拔效應均提高了邊坡的穩定系數[18]。

2) 聚煤期植物及“碎屑庫”的構建

根據化石鑒定，平朔礦區石炭系上統晉祠組和二疊系下統太原組的植物主要有：Le pidodendron posthumiiJongm，ct Goth.斜方鱗木；L.szeinumLee梭鱗木；L.oculus-felis(Abb.) Zeiller.貓眼鱗木；Cathaysiodend ron nanpiaoenseLee.南票華夏木；Le pidostrobo phyllumsp.鱗孢葉(未定種)；Le pidophylloidessp.鱗 葉(未 定 種) ；Stigmaria ficoides(Sternb.) Brongn 臍根座；S pheno phyllum oblongifoliumGerm.et Kaulf.) Ung.橢圓楔葉；S.verticilatum(Schloth.) Brongn 輪生楔葉；S.minor(Sterz.) Gu et Zhi 寬卵楔葉；Calamites(St ylocalamites)cistiiBrongn.細尖蘆木(柱蘆木)；C.(Di plocalumites)carinatusSterab.突肋蘆木(對枝蘆木)；Calamites(Calamitina)goe ppertii Fttingshausen.葛伯特蘆木(環蘆木)；Annularia pseudostellataPot.假星輪葉；A.ste11ata(Sch1oth.) Wood 星輪葉；A.radiata(Brongn.) Sternb.雷迪輪葉；Annthlaria muc ronata Schenk.尖頭輪葉；Asiopieris huairenensisgen.et sp nov.懷仁亞洲羊齒(新屬、新種)；S phenopteris neuro pteroides(Bou1ay) Zeili，脈楔羊齒；Pecopteris candolleancBrongn.長舌櫛羊齒；P.arborsceens(Schioth.) Sternberg.小羽櫛羊齒；P.(Acitheca) polymor pha(Brongn.) Sterz.多形櫛羊齒(尖囊蕨)；Paratingia dctongensis gen.ct sp.nov 大同擬齒葉(新屬，新種)；N euro pteris ouataHoffm.卵脈羊齒；N.plicataStcrnberg.鐮脈羊齒；N.shanxiensissp.nov.山西脈羊齒(新種)；N.sp.脈羊齒(未定種)；Nilssonia nobilis sp.nov.顯赫蕉羽葉(新種)；Aletho pteris httianaLee 櫛座延羊齒；Cyclo.pteris orbicularisBrongn.腎圓異葉。

以上植物屬于斜方鱗木—卵脈羊齒組合帶[9,20]。這些植物比現在的同類植物高很多，如蘆木高可達20～30 m，鱗木高達38 m，根系也更加發達。

石炭–二疊紀聚煤期是植物大爆發的時代，植物繁盛堪比現代桉樹、水葫蘆、大米草等物種入侵，尚未遭受天敵、病害等阻礙，繁衍茂盛，快速擴展到整個盆地和物源區。植被減弱了地表沖刷；植物主根和粗根的錨固和支撐、須根的加筋，提高了邊坡巖土體的抗剪強度，陸源山前滑坡、崩塌、散落以及山口沖積扇等松散堆積物，只能在限定的范圍內垂向加積，累積成邊坡較陡的“碎屑庫”(圖8)。

圖8 邊坡扇與煤層空間分布關系剖面圖(引自焦養泉[15]、據李思田[21])Fig.8 Profile of spatial distribution relationship between slope fan and coal seam(from Jiao Yangquan[15],according to Li Sitian[21])

3.3 動態泥炭沼澤發育與煤系角礫巖的形成

1) 動態泥炭沼澤

與陸源碎屑橫向相接的動態泥炭沼澤，由于得到豐富的物源營養成分的滋育，生長較快，泥炭表面坡度也在不斷增加。泥炭沼澤表層為尚未腐朽的植物殘骸和生長植物根，與表面縱橫交錯的植被相互交織在一起，構成較穩定的地毯式泥炭網。

泥炭沼澤上部為深度不大的過渡層；中下部為還原層，覆水隔氧，植物組織吸水膨脹，細胞結構變形、破壞，逐漸分解為獨立的高分子體，分子間再交聯聚合形成凝膠化基質。因此，自上而下，泥炭組織結構由殘骸碎屑狀到海綿狀、纖維狀、小塊狀、小粒狀；泥炭中腐殖酸含量由低到高，形成強吸水和蓄水的膠體物質。厚層泥炭的下部為深度降解、含水量大、膠質的膏狀體泥炭，潤滑性能好[22]。

2) 泥炭筏載運移模式

偶然洪泛、差異沉降以及泥炭化過程中析出的黏土夾層，含大量親水礦物，也是很好的潤滑層。

當泥炭層累積到幾十米至上百米，側向被禁錮的碎屑也垂向加積到更大的高度，集聚了高聳的勢能。在大暴雨、大地震、陸源構造隆升等突發事件作用下，泥炭吸水膨脹，被泥炭植物禁錮的“碎屑庫”突然垮塌，部分邊坡塊體/碎屑沖越到泥炭層頂部，撕裂泥炭網，形成規模宏大的泥炭流和漂浮其上大小不等的泥炭筏。巖石碎屑被泥炭筏載，沿著泥炭流/底部膠質潤滑層滑向泥炭沼澤內部；部分滑入沼澤水道中，當泥炭筏包括載物總體平均密度小于沼澤水道的水體密度時，泥炭筏就能夠漂浮運移更遠，斷續沉積保存；部分小塊泥炭筏，在河流轉彎處再漫越到泥炭沼澤內部。

因此，形成的角礫塊體較大，磨圓度、分選性均差。角礫巖體零星分布，常呈橫向和垂向均不連續的透鏡狀產出，長軸指向物源方向。研究區煤系沉積角礫巖成因，用泥炭筏載運移模式解釋才更為合理。

4 結論

a.平朔井工三礦煤系沉積角礫巖成分復雜、大小不一，其中泥巖礫徑最大可達1.20 m；棱角–次圓狀，分選性極差，頂底界面明顯，與煤層關系密切，平面上連續性差。角礫巖體零星分布，常呈橫向和垂向均不連續的透鏡狀產出，長軸指向物源方向。

b.基于角礫巖沉積特征研究，角礫巖成因為：在植被的禁錮下，陸源碎屑只能在限定的范圍內垂向加積，累積成邊坡較陡的“碎屑庫”；泥炭沼澤表層為植被泥炭交織在一起的泥炭網，底部為高成熟、潤滑性能好的膏狀泥炭。區內煤系角礫巖是物源區邊坡和碎屑庫崩塌，沖越到泥炭網上，撕裂成泥炭筏，被泥炭筏載運移，斷續沉積，并遭受后來改造形成的，是突變事件的產物。

c.研究區煤系沉積角礫巖破壞了煤層的連續性，但其北多南少，分布有限，角礫巖的分布規律對煤層成因及厚度變化、煤炭資源/儲量估算、井田采區布置和煤炭開采具有重要指導意義。但角礫巖特征顯著，成因特殊，是否有區域代表性還有待新的發現和進一步研究。

致謝：陳浩高級工程師進行了大量基礎數據的統計和平面圖繪制，姚文濤總工程師也給予了幫助和支持，常鎖亮教授審閱了初稿，提出了許多寶貴的修改意見，編輯和審稿老師進行了多次細致的潤色和修改，在此一并致以衷心的感謝！