張海濤

(宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽 宿州 234000)

古交礦區(qū)含煤巖系主要包括石炭系和二疊系地層中的太原組和山西組[1]，研究區(qū)煤的頂板主要由泥巖組成，開采之前要對頂板進行處理，但由于頂板泥巖性質不穩(wěn)定而造成的經濟損失越來越多，因此系統(tǒng)的了解研究區(qū)內泥巖的地球化學特征是非常必要的.通過提取采集的樣品中的稀土和微量元素，并分析這些元素的特征，可以提供一些直觀的證據去還原研究區(qū)目標層位的沉積環(huán)境，同時通過對泥巖中元素種類、含量的變化可以讓我們進一步了解古交礦區(qū)含煤巖系中沉積物的來源.

1　山西古交礦區(qū)區(qū)域地質背景

1.1　古交礦區(qū)自然地理概況及構造背景

古交礦區(qū)位于山西省省會會太原市的西部，見圖1，呂梁山東支，汾河上游[2]，礦區(qū)總面積約665 km2，區(qū)域內地勢總體表現(xiàn)為北高南低且構造情況復雜，地質歷史久遠[3]，總體可分為一大斷層，三個歷史時期.一大斷層：主斷層由東北向西南向延伸，在礦區(qū)西南部也就是主斷層附近還伴隨有大量的小斷層、少量的褶皺發(fā)育，具體見圖2.

圖1　古交礦區(qū)交通位置圖

圖2　古交礦區(qū)構造綱要圖

地質歷史：1.早寒武華北地臺造陸期，地殼地幔逐漸分化，地殼抬升，形成早期華北地臺[4].2.燕山運動期，礦區(qū)的主體地質構造及格局初步形成，南面的構造運動受下?lián)P子板塊運動的影響較北面強烈，以至于現(xiàn)在的南部的地質構造較復雜.3.喜馬拉雅造山運動期，山西裂谷形成，使太原盆地下陷，造成如今的北高南低的總體格局.

1.2　古交礦區(qū)地層概述

古交礦區(qū)的地層主要包含了寒武系到第四系的地層，中間缺失志留系和泥盆系，其中比較重要的是二疊系和石炭系[5].石炭系中的太原組含有數(shù)層薄層灰?guī)r，其中形成15號煤層頂板的四節(jié)石灰?guī)r厚度比較大，大約在5～12 m左右，在礦區(qū)接近地表的淺層巖溶裂隙發(fā)育良好，含水量較大，而遠離河床以后，由于泥巖的透水性很差所以當埋藏條件較深和補給通道或補給源不好的地方會導致含水很少.二疊系里的山西組主要由泥巖，砂巖、煤組成，地層總厚度在60 m左右，3#煤和8#煤是主要的含煤地層，同時該區(qū)域還發(fā)育有大量古生物化石.

2　古交礦區(qū)泥巖的地球化學特征

2.1　數(shù)據的收集

測試的樣品都是來自古交礦區(qū)太原組和山西組的巖芯，樣品顏色主要是灰色﹑灰黑色.經過處理后得出的元素含量數(shù)據見表1和表2：

表1　古交礦區(qū)泥巖微量元素測試表(μg/g)

注：UC為地殼平均含量

表2　古交礦區(qū)泥巖稀土元素測試表(μg/g)

注：δEu=EuN/(Sm* Gd)N0.5；δCe=CeN/(La* Pr)N0.5；(La/Yb)N-Haskin等(1968)[6]

2.2　元素特征

2.2.1微量元素的特征

分析表1中關于古交礦區(qū)含煤巖系泥巖樣品中微量元素含量的實驗數(shù)據，再和上地殼中這些元素的平均含量數(shù)據相比，發(fā)現(xiàn)Cr、Zr、Th、U等親石元素以及Ti、Zr、Th等高場強元素的含量較高，呈富集狀態(tài)，而Co和Ni等親鐵元素以及Cu和Pb等親銅元素的含量在樣品中測試出來的結果變化較大，但平均值相對上地殼來說比較接近或略高，另外研究區(qū)的Rb、Sr、Nb、Ta等元素比上地殼含量明顯低出現(xiàn)了嚴重虧損，造成這種現(xiàn)象可能是由于沉積的背景或沉積物來源引起的.

2.2.2稀土元素的特征

通過對表2的數(shù)據的分析并繪制稀土元素配分曲線圖，具體見圖3，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)稀土元素的總量在148.46～573.52之間變化，整體平均值為277.95，其中太原組的平均值為242.26，山西組的平均值為308.16，兩者的平均值均超過了上地殼中稀土元素含量的平均值，這說明了研究區(qū)內含煤巖系整體表現(xiàn)為稀土元素富集.

研究輕重稀土元素分異程度可以用輕重稀土元素的比值(∑LREE/∑HREE)這個指標[7,8]，該值越大說明分異現(xiàn)象越明顯，而測量整體結果在 8.51～16.32之間，平均值大約為11.92，對比太原組、山西組的平均值12.56、11.40來看，太原組的輕稀土元素與山西組比較起來更加集中.δEu 平均值0.63，太原組在該項數(shù)值為0.70，山西組為0.55，與北美頁巖的該項數(shù)據0.69相比太原組接近而山西組表現(xiàn)出明顯的負異常，(La/Yb)N的比值可以反映出稀土元素經處理標準化后分布曲線的偏移程度，從圖3中可以看出曲線整體近乎于水平狀態(tài)，說明太原組和山西組中稀土元素分餾程度低，研究區(qū)該值范圍在 6.09～21.56之間，平均值為13.45，高于北美頁巖的平均值，同時通過數(shù)據結果顯示太原組平均14.35而山西組平均12.63，證明太原組的輕稀土元素富集現(xiàn)象比山西組更明顯一些.

圖3　古交礦區(qū)含煤巖系稀土元素配分圖

3　古交礦區(qū)泥巖的地質意義

3.1　古氣候

沉積物中微量元素Sr/Cu的比值可以作為判斷古氣候的依據[9]，據研究表明，當該值大于5時反映當時的氣候為干熱氣候，當比值在1～5之間時反映當時為溫熱濕潤的氣候，而研究區(qū)內該項數(shù)據的平均值檢測的結果11.65遠大于5，其中太原組、山西組樣品的測試結果也均大于5，且太原組的平均值較山西組大，由此說明形成含煤巖系太原組和山西組時此地的氣候應該是干熱氣候，由太原組到山西組時氣候開始逐漸濕潤，但是在形成煤層時該值略小，說明發(fā)生成煤作用時此地的氣候有所轉變，應該為濕潤氣候，這樣會為形成煤層提供有利條件.

3.2　沉積環(huán)境

泥巖的顏色及元素分布特征可以反映一定的沉積環(huán)境，當泥巖表現(xiàn)紅褐色時一般是氧化鐵引起的，由于鐵受到潮濕炎熱的氣候影響，鐵質在地面被氧化后進入沉積物并最終沉淀形成紅褐色泥巖，當泥巖出現(xiàn)黑色這一般代表該類泥巖是在泥炭沼澤的沉積環(huán)境中形成.

元素的分布特征可以作為一種更加精確的依據來判定沉積環(huán)境，由于沉積作用發(fā)生是在水體中，沉積環(huán)境即指沉積時的水體環(huán)境.樣品中V/(V + Ni)的比值能夠反映沉積時的氧化還原環(huán)境，一般當該值范圍在0.4～0.6之間時，沉積環(huán)境則判定為貧氧環(huán)境；當該值范圍在 0.60～0.84之間時，沉積環(huán)境可以判定為厭氧環(huán)境；若該值大于0.84，該區(qū)域的沉積環(huán)境可以判定為厭氧環(huán)境[10]；研究區(qū)該值為0.82，這就說明此地泥巖的沉積區(qū)處在地下水體分層不強的還原環(huán)境中，同時也說明研究區(qū)地下水聯(lián)系密切，能夠互相補給但補給量較少.同時Sr和Ba含量的比值即Sr/Ba的值也可以為沉積環(huán)境的判別提供佐證，當該值大于1時可以判定所處的環(huán)境為海相沉積環(huán)境，反之當該值小于1時沉積環(huán)境則為陸相，根據實驗的結果顯示樣品測試后該值在0.197～0.978之間變化，最大值接近1且均值0.405，同時太原組中樣品該值大于山西組中樣品的測試值，說明研究區(qū)在含煤巖系形成的時期沉積環(huán)境應該為海陸交互沉積，太原組偏海相而山西組偏陸相，這與眾多研究中論述華北地區(qū)二疊紀時期陸表海的沉積環(huán)境相吻合，進一步驗證了實驗的結果.

3.3　沉積物來源

稀土元素的參數(shù)特征及其分布可以用來分析沉積物的來源[11]，當沉積物來源于上地殼時會有輕稀土元素富集，而重稀土元素虧損且Eu含量表現(xiàn)出明顯的負異常的現(xiàn)象，研究區(qū)該特征與上地殼的特征幾乎一致，這說明古交礦區(qū)含煤巖系中太原組和山西組的沉積物基本都來自上地殼，另一方面從具體數(shù)據來看太原組δEu的平均值0.70與上地殼(0.69)相差不大，山西組的平均值0.55則明顯小于上地殼含量，這說明太原組和山西組的沉積物來源是不同的.若沉積物主要來源為花崗巖，沉積巖地化特征多出現(xiàn)負Eu異常的現(xiàn)象，母巖如果為玄武巖，沉積巖地化特征一般表現(xiàn)出無Eu 異常，根據樣品測試的數(shù)據可以看出研究區(qū)含煤巖系物源應該以花崗巖和碎屑巖為主，同時太原組物源中有玄武巖的混入，而山西組物源中花崗巖的含量較高，根據花崗巖的形成條件推測含煤巖系的物源背景應該處于活動大陸邊緣及海陸接觸處.

4　結　　論

(1) 通過以上對研究泥巖元素的分析可以得出研究區(qū)泥巖的微量元素及稀土元素特征，其中微量元素中親石元素和高場強元素的含量較高，而親銅和親鐵元素與地殼中含量接近.稀土元素整體含量較高且輕稀土元素比較重稀土元素呈富集狀態(tài).

(2) 研究區(qū)含煤巖系形成時的氣候有干熱向濕潤轉變，沉積環(huán)境具有華北典型的陸表海特征，且研究區(qū)泥巖基本沉積在地下水體分層不強的還原環(huán)境中，物源以花崗巖和碎屑巖為主，同時山西組形成時有花崗巖作為物源混入較多，可能由于含煤巖系的物源區(qū)處于活動大陸邊緣及海陸接觸處的緣故.

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