宋紅偉　余鄭生　余哲慶

摘要：五畝盆地是靈寶盆地邊緣的一個(gè)次級(jí)盆地，長(zhǎng)期以來學(xué)者對(duì)其含煤性均未明確答復(fù)，對(duì)其煤類及煤質(zhì)特征亦未進(jìn)行專項(xiàng)研究。本文通過分析該盆地沉積環(huán)境和沉積特征，對(duì)該盆地穿時(shí)地質(zhì)體項(xiàng)城組所賦存的劣質(zhì)長(zhǎng)焰煤的演化過程、聚煤作用進(jìn)行了較為深入的研究，指出該盆地沉降中心與富煤帶空間位置上存在差異，分析了項(xiàng)城組劣質(zhì)煤屬于異地煤的可能性，并進(jìn)一步印證了古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的客觀存在。

概況

五畝盆地位于河南省靈寶市南側(cè)，地處小秦嶺和崤山隆斷區(qū)之間，呈北東向展布，是靈寶盆地邊緣的一個(gè)次級(jí)盆地。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)該盆地的含煤性存在相當(dāng)大的爭(zhēng)議，地質(zhì)工作者雖然把所含煤層（線）的發(fā)育作為該盆地充填地層項(xiàng)城組的一個(gè)標(biāo)志層，但是對(duì)該煤層（線）的發(fā)育情況、分布范圍及煤質(zhì)特征沒有清楚認(rèn)定。通過對(duì)盆地含煤層段進(jìn)行地質(zhì)勘查、鉆探驗(yàn)證和地球物理測(cè)井，認(rèn)為該盆地局部含有多層劣質(zhì)煤層或煤線。煤樣分析結(jié)果表明，其煤層（或煤線）不具備工業(yè)價(jià)值，但對(duì)該區(qū)古新世一始新世的氣候特征、沉積環(huán)境及構(gòu)造變動(dòng)等的研究具有重要意義。

1.構(gòu)造背景

五畝盆地位于渭河斷陷盆地帶的東部南緣。新生代以來，渭河斷陷盆地帶主要表現(xiàn)為大幅度的沉陷（圖1）并接受巨厚的松散層堆積。五畝盆地位于華山隆褶區(qū)與崤山壟斷區(qū)之間，區(qū)內(nèi)發(fā)育白堊系、古近系、新近系砂礫巖及第四系黃土層，成巖作用差，未遭受變質(zhì)作用。構(gòu)造活動(dòng)表現(xiàn)為古近紀(jì)至新近紀(jì)的構(gòu)造傾斜及表殼脆性斷裂活動(dòng)。盆地邊緣基本受朱陽一大營(yíng)斷裂（靈寶一三門峽斷裂的一部分）和五畝斷裂控制（圖2），在縱斷面上具有北部深且陡、南部淺又緩的特征，形成掀斜式盆地。事實(shí)上，基底斷塊的掀斜運(yùn)動(dòng)正是中國(guó)東部中生代末期一新生代早期發(fā)生的擴(kuò)張裂陷作用的主要表現(xiàn)形式翻。

五畝盆地的形成時(shí)代，目前尚有爭(zhēng)議。一則認(rèn)為形成于古近紀(jì)始新世，一則認(rèn)為形成于中生代末期網(wǎng)。筆者根據(jù)沉積特征及區(qū)內(nèi)地震反射波時(shí)間曲線，認(rèn)為其形成于中生代末期，成型于古近紀(jì)古新世一始新世，然后受區(qū)域構(gòu)造升降運(yùn)動(dòng)的影響，于漸新世沉積間斷，到新近紀(jì)重新接受沉積。朱陽一大營(yíng)斷裂和五畝斷裂形成于中生代，但在新生代繼承了前期活動(dòng)特征，屬于新華夏系斷裂帶。這兩條斷裂不僅控制著五畝盆地的走向，而且影響其接受沉積的全過程，在盆地形成伊始即具有同沉積斷裂的特征，因而五畝盆地屬于同沉積斷陷，邊緣斷裂對(duì)五畝盆地的聚煤古地理環(huán)境及聚煤條帶展布具有重要的控制作用。

按沉積物性質(zhì)，五畝盆地古地理環(huán)境屬于陸源碎屑淡水湖泊相沉積，由于受邊緣斷裂控制，基底斷裂具有同沉積斷層的性質(zhì)。分析五畝盆地的沉積組合，有以下幾個(gè)特征：

首先，含煤地層項(xiàng)城組巖性存在相變。項(xiàng)城組在時(shí)間上是一個(gè)穿時(shí)地質(zhì)體，其形成歷史為古新世一始新世，空間上東西部巖性存在相變。確切地說，含煤地層是項(xiàng)城組中段的中下部，東部中段巖性整體顏色為灰黃色，主要巖性為礫巖、粘土巖、泥灰?guī)r和石英砂巖。西部則整體呈深灰一灰黑色，巖性組合含有較多的泥灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖。在項(xiàng)城東南，可見炭質(zhì)泥巖出露，其深部經(jīng)試驗(yàn)孔ZK201驗(yàn)證見21層劣質(zhì)煤層或煤線。

其次，盆地內(nèi)沉積巖系含有大量砂巖、礫巖，反映其水動(dòng)力條件強(qiáng)。平面上看，盆地前緣分布著巨厚的粗碎屑沖積扇帶，主要為沖、洪積成因的砂、礫堆積，分布范圍以盆地東部和北部為主，盆地南部、北部有少量分布。剖面上看，項(xiàng)城組上、下段巖性主要表現(xiàn)為粘土巖和礫巖互層或互為夾層，含煤的中段下部仍含有少量礫巖。根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)觀察和統(tǒng)計(jì)，礫石礫徑一般5cm～8cm，最大可達(dá)40cm，磨圓度較好，分選性差，說明經(jīng)過了較長(zhǎng)距離的搬運(yùn)，水動(dòng)力條件強(qiáng)。

第三，在盆地東南，項(xiàng)城組下伏地層是白堊系南朝組粘土巖、礫巖，在盆地西南，項(xiàng)城組直接覆蓋于中元古界熊耳群之上。試驗(yàn)孔ZK201終孔層位為熊耳群安山巖，其上為項(xiàng)城組中段紫紅色粘土巖、頁(yè)巖和灰?guī)r等，缺失下段。東西部下伏地層不同說明至少在白堊紀(jì)時(shí)，盆地西南處于相對(duì)隆起階段，缺失沉積或沉積遭受剝蝕。而試驗(yàn)孔則進(jìn)一步說明了該階段持續(xù)到古新世早期。這反映該區(qū)經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展較為迅速的沉降過程，由前期不接受沉積（隆起）發(fā)展到深湖相。該區(qū)位于五畝斷裂下降盤，其沉積作用受邊緣斷裂控制明顯。另一方面，試驗(yàn)孔附近有煤線出露，產(chǎn)狀與邊緣斷裂朱陽一大營(yíng)斷裂基本一致，而在盆地其他地帶，地層產(chǎn)狀受邊緣斷裂五畝斷裂的影響。邊緣斷裂基本控制了盆地內(nèi)巖石的產(chǎn)出或者產(chǎn)狀。

第四，理想的湖泊沉積模式在平面上呈帶狀分布，沉積物粒度由邊緣到中心由粗變細(xì)。五畝盆地內(nèi)各巖層在平面及剖面上分布的穩(wěn)定性和連續(xù)性較差，很難見到巖性呈環(huán)帶狀分布，應(yīng)有的環(huán)帶狀分布規(guī)律被打破。影響其水平或垂直分布的外營(yíng)力主要是來自陸源方向的水動(dòng)力條件。礫巖礫石成分以中元古界長(zhǎng)城系許山組安山巖和龍家園組白云巖為主，含少量燧石巖。許山組分布于盆地南側(cè)，而龍家園組距礦區(qū)南部尚有10km。八道河和五畝河所處位置的古河流應(yīng)該是外營(yíng)力中的主要因素，除此之外，許山組、雞蛋坪組、馬家河組當(dāng)時(shí)都處于一個(gè)相對(duì)隆起的環(huán)境，山洪泥石流是陸源水動(dòng)力中的另一個(gè)外營(yíng)力因素。

3.沉積環(huán)境及聚煤作用

聚煤盆地的形成與成盆期盆地邊緣斷裂及其演化有密切關(guān)系，因?yàn)閿鄬觾蓚?cè)地塊的升降會(huì)引起沉積盆地的水進(jìn)水退，從而改變其沉積環(huán)境嗍。反之，可以從沉積物組合特征分析當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境和聚煤作用。

從試驗(yàn)孔ZK201巖性組合來分析靈寶一五畝盆地沉積特征，可以將該盆地充填特征歸結(jié)于一個(gè)水進(jìn)序列：底部代表粗碎屑沖、洪積充填階段，然后進(jìn)入湖泊相細(xì)碎屑充填與含煤細(xì)碎屑充填的穩(wěn)定交替階段。只不過由于湖盆范圍變化較大，加上當(dāng)時(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，有些地方?jīng)]有接受底部粗碎屑沖洪積充填或接受極少，如ZK201終孔于熊耳群安山巖，其上僅接受0.64m的粘土巖和0.56m的含礫頁(yè)巖，再向上便是深湖相的灰黑一黑色的鈣質(zhì)泥巖和灰?guī)r沉積；而多數(shù)地方則在接受湖相沉積以后，重新接受沖洪積的河流相粗碎屑沉積。

由于沉積環(huán)境的分異，導(dǎo)致了沉積相在橫向上的改變，不同的沉積相具有不同的巖性組合，其含煤性差異很大。盆地中部以東以沖洪積的河流相粗碎屑沉積為主，較強(qiáng)的水動(dòng)力條件不利于煤層的形成。盆地中部以西則伴隨著水進(jìn)過程的發(fā)生，湖水逐漸加深，水動(dòng)力條件逐漸減弱，在氣候和植被條件合適的情況下，最終形成煤。但是從試驗(yàn)孔ZK201含有21層薄煤或煤線這一事實(shí)來看，沉積過程不夠連續(xù)，成煤條件極不穩(wěn)定。驗(yàn)證孔ZK2406未見煤，也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

含煤層項(xiàng)城組中段沉積環(huán)境以深水相沉積為主，并不具備泥炭形成的條件。位于西區(qū)的試驗(yàn)孔ZK201穿見21條劣質(zhì)煤線反映當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境變化頻繁，而且煤層（線）的底板并非根土巖，主要為含煤屑的灰?guī)r，少量是含煤屑的泥巖。附近老硐845m長(zhǎng)揭露30條煤線，其中絕大多數(shù)煤線只是含有較多不連續(xù)的煤屑，厚度僅數(shù)厘米。含煤巖性主要為灰?guī)r，少量為泥灰?guī)r。位于東區(qū)的驗(yàn)證孔ZK2406揭露巖性始終以紅色粘土巖和砂礫巖互層為主，僅在終孔前見有一粒徑1cm左右的煤屑，動(dòng)蕩的環(huán)境進(jìn)一步證實(shí)該煤屑屬于異地沖積物。根據(jù)煤質(zhì)特征，五畝煤礦物質(zhì)含量極高，綜上推測(cè)該煤屬于異地煤。

總觀五畝盆地巖性、煤帶分布及構(gòu)造特征，結(jié)合地震時(shí)間剖面，可以發(fā)現(xiàn)富煤帶位于西南部項(xiàng)城附近，地表煤線走向與含煤巖系走向一致。沉降中心位于盆地北部朱陽一大營(yíng)斷裂南東側(cè)。富煤帶與沉降中心兩者并不一致，這符合斷陷盆地的沉降特點(diǎn)與煤礦賦存規(guī)律。

4.煤質(zhì)特征

4.1物理性質(zhì)

根據(jù)煤芯煤樣，本區(qū)煤呈薄層狀，顏色黑一灰黑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裂隙發(fā)育，為塊煤。煤巖構(gòu)成以暗煤為主，另含少量鏡煤，多呈條帶夾于暗煤之間。鏡煤呈黑色，條痕褐色，玻璃光澤，性脆、內(nèi)生裂隙發(fā)育，貝殼狀斷口；暗煤呈黑褐色，條痕褐色，光澤暗淡，硬度較大，裂隙不發(fā)育。M1、M3、M4視密度分別為1.90t/m3、1.91t/m3和1.72t/m3。

4.2煤巖特征

通過鉆孔取樣鑒定，三層煤原煤有機(jī)組分含量51.9%～57.9%，其中鏡質(zhì)組含量最高，一般為35.4%～43.5%。惰質(zhì)組含量其次，為9.5%～12.1%。殼質(zhì)組含量4.4%～4.9%。鏡質(zhì)組有機(jī)組分以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，含少量結(jié)構(gòu)、碎屑鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組有機(jī)組分以碎屑惰質(zhì)體為主，絲質(zhì)體次之，含少量粗粒體、微粒體及菌類體。殼質(zhì)組有機(jī)組分以小孢子為主，角質(zhì)體次之，含少量樹脂體及菌類體。

原煤無機(jī)組分含量42.1%～48.1%，主要為粘土和碳酸鹽，另含少量硫化物和氧化硅。其中粘土以分散狀為主，塊狀次之，含少量細(xì)胞充填狀。碳酸鹽以塊狀為主，裂隙充填狀次之，含少量細(xì)胞充填狀。黃鐵礦以分散粒狀為主，大小不一，分布不均。氧化硅呈粒狀，大小不一，分布不均。

4.3工業(yè)性質(zhì)

區(qū)內(nèi)煤水分含量由淺到深變化較大，且逐漸增加?；曳只境瑯?biāo)，但經(jīng)浮選后，灰分下降率超80%。硫分含量變化較大，揮發(fā)分含量變化小。干燥基低位發(fā)熱量均達(dá)不到資源量估算指標(biāo)要求（表1）。

根據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》（DZ/T 0215-2002），對(duì)所取煤樣根據(jù)褐煤和長(zhǎng)焰煤的要求，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的檢測(cè)，其中主要包括煤的粘結(jié)性、腐殖酸、透光率、真密度和視密度。

M4分1粘結(jié)指數(shù)（C）偏低，僅有31。而M1、M3分別為13和12，角質(zhì)層厚度分別為6.5mm和5.5mm。M4分，透光率76%，M1、M3分別為77%和75%，三者腐殖酸含量分別為1.42、3.03和2.03。M1、M3、M4的真密度分別為1.82、2.00和2.06t/m3，視密度分別為1.72、1.90和1.91t/m3。

4.4煤類的確定

送檢三煤層M1、M3、M4原煤無灰干燥基揮發(fā)份含量分別為39.36%、40.97%和41.33%，含量均大于37%，M1、M3、M4粘結(jié)指數(shù)分別為12、13和31，可以判定其煤種屬長(zhǎng)焰煤，牌號(hào)42。

綜上所述，M1和M3由于灰分和最低發(fā)熱量均不符合規(guī)范要求，不能算煤，只能定義為經(jīng)過了煤化作用。M4灰分未超標(biāo)，但發(fā)熱量略低于煤炭資源量估算指標(biāo)，可算作高灰分、低硫、低發(fā)熱量的劣質(zhì)煤。統(tǒng)計(jì)資料表明，褐煤的真密度為1.28t/m3～1.429t/m3，煙煤的真密度為1.27t/m3～1.339t/m3。本次送檢的三個(gè)煤樣真密度遠(yuǎn)大于煙煤和褐煤的密度范圍，說明其無機(jī)物含量過高，這與前述該“煤”灰分偏高、發(fā)熱量偏低的特點(diǎn)相吻合。

5.沉積特征對(duì)古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的印證

資料表明，在古近紀(jì)存在一條從北西到南東向延伸的全球性干旱氣候帶，在我國(guó)從新疆入境，經(jīng)青海、甘肅、陜西、湖北、湖南、江西，到達(dá)浙江、福建地區(qū)，在這個(gè)沉積帶內(nèi)，沉積物大多屬于紅色的和含鈣質(zhì)的類型，夾有石膏和巖鹽。受當(dāng)時(shí)氣候條件控制，我國(guó)古近紀(jì)聚煤作用主要發(fā)生在東北部地區(qū)。由于氣候帶的變遷，在古近紀(jì)潮濕氣候帶內(nèi)雖以含煤沉積為主，但其含煤段上下還有紅層及膏鹽沉積。

五畝盆地所處地理位置，毗鄰陜西，位于呂梁山正南，太平洋季候風(fēng)的水蒸氣大部分降落在呂梁山和太行山以東，該盆地地處此干旱氣候帶的北緣。而該干旱氣候帶以東為半干旱、半潮濕氣候區(qū)。如前所述，項(xiàng)城組沉積特征仍以紅層為主，紫紅色粘土巖在地層中所占比重極大，且貫穿不同層段，是對(duì)古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的印證，同時(shí)也反映了五畝盆地沉積環(huán)境的變化比較頻繁，進(jìn)一步說明該干旱氣候帶的邊界歷經(jīng)了一定程度的往復(fù)變遷。

6.結(jié)論

綜上所述，得出如下認(rèn)識(shí)：

①五畝盆地經(jīng)歷了一次斷續(xù)的聚煤作用，聚煤期為古新世—始新世之間。但由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的頻繁及氣候帶的變遷，聚煤作用持續(xù)時(shí)間較短，且聚煤作用并非發(fā)生在沉降中心。五畝盆地作為一個(gè)掀斜式斷陷盆地，沉降中心位于北部邊界斷裂南側(cè)，聚煤作用發(fā)生在南部項(xiàng)城一帶，沉降中心與富煤帶不一致。

②五畝盆地充填巖性組合反映其水動(dòng)力條件較強(qiáng)，除富煤帶水位相對(duì)較深外，其余地區(qū)基本不具備形成煤的條件。盆地內(nèi)巖性組合以紅層為主，從一個(gè)側(cè)面反映了古近紀(jì)全球性干旱氣候帶的存在及在本區(qū)的界線。

③五畝盆地所賦存的煤屬異地煤，礦物質(zhì)成分含量較高。一般煤層、煤線的底板均為根土巖，而本區(qū)主要為含煤屑的灰?guī)r，少量為含煤屑的泥巖，說明本區(qū)富煤帶多數(shù)時(shí)間處于深水沉積環(huán)境，本區(qū)煤的聚集經(jīng)歷過一定距離的搬運(yùn)。

④五畝盆地煤為長(zhǎng)焰煤，其變質(zhì)程度略高于褐煤，但由于灰分偏高、發(fā)熱量偏低，煤層分布范圍較小且不夠穩(wěn)定，不具備工業(yè)價(jià)值。