岳立孝，石彥強

(1.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西 長治 046000； 2.北京大地高科煤層氣工程技術(shù)研究院，北京 10041)

0 引言

玉溪井田位于山西省沁水煤田南部，沁水縣胡底鄉(xiāng)境內(nèi)，含煤地層為石炭二疊系，勘查中我們對鉆孔巖心進行了認真觀測編錄，將巖心資料與測井曲線進行了詳細對比分析，編制了各種分析圖件，運用先進的沉積學(xué)理論深入研究，對本區(qū)的聚煤規(guī)律有了較為清晰的認識。

1 含煤地層的時代劃分

近來研究發(fā)現(xiàn)石炭二疊系的各個階都含有牙形刺分布，且化石量多、演化快、分布廣。其中Streptognathodusisolatus即見于盆地相也見于臺地相，分布廣泛，廣于亞洲(包括中國)、北美和歐洲各個地區(qū)[2]，因此以牙形刺Streptognathodusisolatus的出現(xiàn)作為二疊系的開始，得到了國際地層委員會和國際地科聯(lián)確定并推廣使用[3]。

在以往的牙形刺化石鑒定中，由于標準不統(tǒng)一，當時并沒有正確命名Streptognathodusisolatus這一標準化石，以致山西石炭二疊系的界線一直飄忽不定。2000年王成源、康沛泉在研究王志浩、李潤蘭(1984)山西太原西山剖面東大窯灰?guī)r(L5)．斜道灰?guī)r(L4)，毛兒溝灰?guī)r(K2)和廟溝灰?guī)r(L1)等灰?guī)r中的牙形刺，發(fā)現(xiàn)原定名為S.gracilis.，其實就是S.isolatus，認為太原組的這四層灰?guī)r應(yīng)全部屬二疊系，太原組廟溝灰?guī)r(L1)的底界已非常接近二疊系的底界。又在王志浩、文國忠(1987)晉東南地區(qū)太原組的K4灰?guī)r和K5灰?guī)r牙形刺化石中，見到S.isolatus[6]。因此本區(qū)二疊系的底界應(yīng)該在K2灰?guī)r的底板以下，到K0后寺灰?guī)r頂板以上。

動態(tài)聚煤模式認為煤系石灰?guī)r底板與下伏煤層是連續(xù)沉積，一般不會出現(xiàn)沉積間斷；而煤層底板常見古土壤層和根土巖，橫向可見后生的下切河谷，是很好的暴露標志[7]，即沉積間斷標志。因此推薦將晉東南石炭、二疊系分界線定在牙形刺Streptognathodusisolatus首現(xiàn)的K2灰?guī)r下伏的15號煤層底板與根土巖之間。

依據(jù)上述劃分標準，采用新的石炭系二分、二疊系三分的方案，對照國際地層表(2008-2009)將本區(qū)含煤地層劃分為石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)、晉祠組(C2j)和二疊系下統(tǒng)太原組(P1t)、山西組(P1s)。

2 含煤地層沉積特征、環(huán)境演化及聚煤規(guī)律

2.1 石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)(O2f頂-K1砂巖底)

(1)沉積特征。本組與下伏奧陶系峰峰組(O2f)為平行不整合接觸，厚度3.25(1202孔)～3.80m(13—1孔)，平均3.53m為灰-深灰色含鋁質(zhì)泥巖，含鮞粒具星散狀黃鐵礦，均勻?qū)永頌橹?。底?.8m±透鏡狀鐵礦層(山西式鐵礦)。上部含較多的植物化石。巖礦鑒定：含鋁鐵礦球粒。水化白云母片定向排列，并環(huán)繞菱鐵球粒顯示旋轉(zhuǎn)構(gòu)造及鄒紋狀層理。為澙湖沉積(圖1)。

(2)環(huán)境演化。本區(qū)位于華北聚煤盆地中南部，晚古生代含煤沉積體系的形成和演化受華北聚煤盆地沉積動力學(xué)控制。中奧陶世末期，受西伯利亞板塊(北部)和揚子板塊(南部)雙向俯沖，華北板塊巖石圈在擠壓撓曲中整體抬升，遭受長達約125Ma的風(fēng)化剝蝕及地球化學(xué)作用，形成了凹凸不平的古喀斯特地貌，并殘積了大量鐵鋁質(zhì)黏土，當中石炭世本溪期海侵來臨之時，對殘積物進行改造運移，凹凸地形已逐漸“填平補齊”。

2.2 石炭系上統(tǒng)晉祠組(C2j) (K1砂巖底-15號煤層底)

(1)沉積特征。本組厚3.40(1601孔)～11.92m(0801孔)，平均厚度6.41m，呈北厚南薄的趨勢。至下而上為：

K1為細粒砂巖，厚1.0～1.80m，平均1.43m，灰白色薄層狀，石英為主，硅質(zhì)膠結(jié)，脈狀層理，夾泥巖條帶。巖礦鑒定：為石英砂巖、含少量高嶺石及黃鐵礦、分選差，不等粒結(jié)構(gòu)，為障壁島沙坪沉積。

K1頂-15號煤底：深-黑灰色泥巖粉砂巖、含鋁泥巖、中夾中粒砂巖，含星散狀黃鐵礦，及黃鐵礦結(jié)核，較多不完整植物化石，上部含菱鐵礦結(jié)核，頂部豐富植物根化石。礦巖鑒定：泥巖主要為高嶺石，砂巖以細粒結(jié)構(gòu)為主，碎屑占85%主要為石英，偶見云母及電氣石。為澙湖，潮坪及砂壩沉積。

(2)環(huán)境演化。根據(jù)地層沉積厚度及區(qū)域分析，本區(qū)海侵來自北部，區(qū)內(nèi)以障壁島-澙湖體系沉積為主，對有限的碎屑進行改造運移，地形已逐漸“填平”，為大規(guī)模泥炭沼澤發(fā)育奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1 玉溪3-1孔含煤地層沉積層序圖Figure 1 Coal-bearing strata sedimentary sequence in borehole Yuxi No.3-1

2.3 二疊系下統(tǒng)太原組(P1t) (15號煤層底-K7砂巖底)

為主要含煤地層，厚76.65(13-1孔)～87.35m(1202孔)，平均厚度82.99m，為典型的海陸交互相旋回沉積，根據(jù)巖性特征自下而上可分為二段。

2.3.1 太原組一段(P1t1) (15號煤層底-黃水溝砂巖底)

(1)沉積特征。本段標志層橫向穩(wěn)定，沉積結(jié)構(gòu)清楚，以海侵石灰?guī)r發(fā)育為特征。厚25.56～26.40m，平均28.98m,

底部為15號煤厚1.20m(1202孔)～2.00m(13-1孔)平均1.60m，全區(qū)可采。煤層為中條帶狀結(jié)構(gòu)，亮煤為主，鏡煤、暗煤次之，可見黃鐵礦結(jié)核，煤質(zhì)由下而上變好，原煤灰分(Ad)為15.35%～22.36%，平均18.86%，變化不大，下部灰分較高，中灰煤區(qū)(Ad>20%)位于西北角0801孔和西南角1602孔；原煤硫分(St,d)為4.93%～6.65%，平均5.79%，上部明顯高于下部。為動態(tài)泥炭沼澤堆積。

(2)環(huán)境演化及聚煤規(guī)律。底部15號煤層形成于北海南陸向南海北陸的轉(zhuǎn)換開始海水向北退出后廢棄的廣闊平坦的澙湖潮坪之上，地殼運動轉(zhuǎn)為穩(wěn)定、周邊地勢和緩、氣候濕潤、植物生長茂盛，為成煤提供了有利條件，連續(xù)廣布縱橫向動態(tài)發(fā)育的泥炭沼澤，由于早期距海岸比較近，偶然性風(fēng)暴潮海水侵入泥炭沼澤，導(dǎo)致15號煤下部灰分、硫分較高；隨著動態(tài)泥炭沼澤的進一步發(fā)育，泥炭沼澤內(nèi)部已經(jīng)基本脫離了海水及陸源碎屑侵入的影響，表現(xiàn)為淡水雨源泥炭沼澤堆積；早二疊世華北最大的海侵K2終止了本次泥炭堆積，并導(dǎo)致煤層上部硫分增高。

在K2石灰?guī)r最大海侵基礎(chǔ)上，盆地可容納空間較大，沉積物注入量較小，盆地長期處于饑餓狀態(tài)，泥炭沼澤只能在海退后期廢棄的三角洲前緣及潮坪短暫發(fā)育，由于海侵海退頻繁，不久就被下一次海侵淹沒，未形成可采煤層。K4后海退作用加強，基準面下降，河流下切作用導(dǎo)致頂部K4石灰?guī)r常受后期沖刷缺失。

2.3.2 太原組二段(P1t 2)

(2)環(huán)境演化及聚煤規(guī)律。本段開始盆地處于低水位時期，河流下切作用較強，沖刷早期10號煤、K4石灰?guī)r至11號煤頂，由于海侵作用減弱，碎屑注入量增強，盆地經(jīng)常處于半飽和狀態(tài)，過渡型三角洲平原廣布，本區(qū)位于分流河道發(fā)育帶附近，決口頻繁，未形成可采煤層。

2.3.3 山西組(P1s)(K7砂巖底-K8砂巖底)

(1)為主要含煤地層，厚45.74～66.24m，平均51.73m。是在太原組最后一次海侵K6基礎(chǔ)上發(fā)育的陸源碎屑過渡相沉積。厚煤層3號形成于沉積體系轉(zhuǎn)換階段。其層序自下而上為(圖2)。

①K7砂巖厚0.60～9.30m，平均4.07m。主要為細粒砂巖、粉砂巖，局部為中粒砂巖，含黃鐵礦結(jié)核及散晶，潮薄-微層狀，層面含較多植物碎屑，潮汐層理發(fā)育。巖礦鑒定：碎屑65%，以石英為主，巖屑次之，含云母具少量菱鐵礦。黏土泥含量20%，小團粒狀的菱鐵質(zhì)占15%, 不規(guī)則狀黃鐵礦結(jié)核。

圖2 山西組沉積剖面圖Figure 2 Shanxi Formation sedimentary section

為潮坪沉積；厚砂體屬潮道沉積。潮道沖刷下部K6石灰?guī)r。

②K7頂-3號煤底，厚7.90～13.50m,平均11.20m。為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及中細粒砂巖。薄層狀，微層狀潮汐，含菱鐵礦結(jié)核及植物化石碎片。砂體較薄，大多能連成片，垂向多呈逆粒序，巖礦鑒定：下部泥質(zhì)以水云母為主高嶺石次之，含炭屑。中上部泥質(zhì)含量40%以高嶺石為主，水云母次之含炭屑。粉砂屑占30%，以石英為主，少量細條帶狀白云母，30%為小斑狀微晶質(zhì)鐵礦；砂巖中為細粒結(jié)構(gòu)，碎屑占65%，石英為主。巖屑次之，含長石。雜基占35%，主要為黏土礦物團塊的有機炭屑。系受潮汐強烈改造的三角洲前緣狀砂沉積。

③3號煤厚5.12～6.56m，平均5.91m，層位及厚度均很穩(wěn)定，煤層為中條帶狀結(jié)構(gòu)，鏡煤、亮煤為主，夾少量暗煤，屬光亮型煤，顯微組分以鏡質(zhì)組為主占81.6%，絲質(zhì)組占18.4%。原煤灰分(Ad)為11.74%～16.52%，平均14.33%，變化不大，低灰?guī)а?0-2孔和13-1孔呈NNW向分布；原煤硫分(St,d)為0.31%～0.40%，平均0.37%，主要為有機硫。系廢棄潮汐三角洲前緣基礎(chǔ)上發(fā)育的動態(tài)泥巖沼澤，東南條帶狀變薄，為后期河流沖刷所致。

圖3 3號煤層厚度等值線圖Figure 3 Isopach map of coal No.3

圖4 3號煤層直接頂板泥巖厚度等值線圖Figure 4 Isopach map of coal No.3 immediate roof mudstone

④三號煤頂板以深-黑灰色泥巖、粉砂巖為主、中厚層狀、含豐富植物化石。厚0～17.58m,平均4.66m，不穩(wěn)定。巖礦鑒定：偽頂炭質(zhì)泥巖以高嶺石為主，炭屑次之，含水云母；直接頂泥巖以水云母為主，高嶺石次之，含炭屑。系三角洲分流間灣沉積。其上的K砂巖，厚0～8.91m，(12-1孔)，平均3.93m，以中細粒結(jié)構(gòu)為主、分選較好，含較多白云母片及菱質(zhì)鮞粒，多為逆粒序，交錯層理及脈狀、波狀層理。砂體為朵狀重疊，橫切面為透鏡狀。巖礦鑒定：碎屑含量40%，石英為主云母次之，含長石黏土礦物、有機炭泥質(zhì)、呈條帶狀。菱鐵礦含量，呈斑點與小團塊呈半定向排列。屬河口壩沉積。局部(12-1孔)正粒序，具大型交錯層理、平行層理，底部夾泥巖包體。為分流河道沉積，東南部河道下切沖刷直至3號煤頂，對煤層有輕微的沖刷作用。

⑤K砂巖頂-K8底：為淺灰-灰色中細粒砂巖夾深-黑灰色泥巖、粉砂巖，1、2號等薄煤層及炭質(zhì)泥巖。含植物化石。巖礦鑒定：泥巖高嶺石為主，水母次之，含炭屑云母。為三角洲分流河道，決口扇，分流間灣等沉積。

(2)環(huán)境演化及聚煤規(guī)律。早二疊世早期為海侵作用末期，可容納空間減小，潮汐作用增強，對有限的物源碎屑廣泛運移、改造形成廣闊平坦的海岸平原。隨著海水進一步退出,泥炭沼澤廣泛發(fā)育，由于海退作用較強，無旋回往返之動力，泥炭沼澤幾乎未受海水影響，硫分較低；同時廣布的沼澤植被被限制了物源碎屑注入，地表水細流化，能量降低，碎屑河流 只能在很窄的條帶中垂向發(fā)育。泥炭沼澤得以在良性循環(huán)中可持續(xù)發(fā)展，形成層位及厚度均很穩(wěn)定的3號煤層。其后構(gòu)造作用增強，物源碎屑大范圍侵入終止了本次泥炭聚積，同時局部河流下切沖刷導(dǎo)致煤層條帶狀變薄。此后碎屑注入量增大，三角洲分流河道發(fā)育，側(cè)向決口，環(huán)境改變頻繁。區(qū)內(nèi)從此不再有可觀的聚煤作用發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)玉溪井田位于華北聚煤盆地中南部，含煤地層為石炭二疊系。

(2)為了與國際接軌，根據(jù)國際地層委員會和國際地科聯(lián)確定并推廣使用的，以牙形刺Streptognathodusisolatus的出現(xiàn)作為二疊系的開始及動態(tài)聚煤規(guī)律，推薦將本區(qū)石炭、二疊系分界線定在15號煤層底板與根土巖之間，便于推廣和使用。

(3)對本區(qū)沉積特征進行了詳細研究，對環(huán)境演化和聚煤規(guī)律進行了系統(tǒng)分析。

(4)本溪組以海侵為主的瀉湖海灣鐵鋁巖沉積，晉祠組以海退為主的障壁島-澙湖沉積，太原組為典型的海陸交互相旋回沉積，山西組為海侵末三角洲體系沉積。

(5)煤層形成于廢棄碎屑沉積之上的動態(tài)泥炭沼澤，可采煤層的形成是成煤泥炭沼澤自身發(fā)育并對周圍環(huán)境限制、引導(dǎo)的結(jié)果—動態(tài)聚煤模式。煤層厚度變化與基底環(huán)境關(guān)系不是太大，主要是繼承其遺留的地貌垂向發(fā)育；后期環(huán)境的影響可能會更大一些，主要表現(xiàn)在對成煤泥炭層的下切沖刷作用，海侵下滲導(dǎo)致煤中硫分增高。

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[4]全國地層委員會.中國地層指南及中國地層指南說明書[M].北京:地質(zhì)出版社, 2001.

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