華芳輝，劉志飛，張 勁，崔茂林，賈 煦

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

鄂爾多斯盆地是多礦種的能源盆地，煤炭資源豐富，盆地西緣發(fā)育有石炭二疊系和侏羅系兩套煤系[1]。近幾十年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對該盆地做了大量的研究工作，如陳全紅、邵龍義等從沉積方面研究了石炭二疊紀(jì)聚煤規(guī)律，王雙明，曹代勇等從構(gòu)造方面分析了盆地構(gòu)造演化及控煤作用[2-5]。為了研究沉積環(huán)境對煤巖煤質(zhì)的影響，本文以寧東煤田紅墩子礦區(qū)為研究區(qū)，以太原組和山西組煤層為研究對象，根據(jù)鉆孔巖心及測井曲線等資料劃分層序、恢復(fù)古地理環(huán)境，結(jié)合煤巖煤質(zhì)的數(shù)據(jù)，探討太原組和山西組不同沉積環(huán)境對煤巖煤質(zhì)的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

紅墩子礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣的賀蘭山逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)[5]，礦區(qū)地層總體向東傾伏，主要以近南北向和北北東向的斷裂及近南北向的褶皺為主，次一級斷層和褶曲均不發(fā)育，構(gòu)造簡單。含煤巖系主要是石炭二疊紀(jì)太原組和二疊紀(jì)山西組，山西組含煤5層，編號自上而下依次為1、2、3、4、5煤，煤層總厚6.69m，可采煤層為2、4、5煤。太原組含煤6層，編號自上而下依次為7、8、9-1、9、10、11煤，煤層總厚平均為14.61m，可采煤層為8、9、9-1、10煤，煤類主要為氣煤[6]。

圖1 紅墩子礦區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Hongdunzi mine area

2 層序劃分及古地理環(huán)境

以區(qū)內(nèi)鉆孔巖心資料為基礎(chǔ)，從巖相組成、沉積旋回、沉積構(gòu)造、測井曲線等方面進(jìn)行綜合分析，根據(jù)區(qū)域不整合面、巖性突變等標(biāo)志[2]，研究區(qū)石炭二疊系共識別出4個層序界面(圖2)，劃分出3個三級層序，并進(jìn)一步劃分為低位體系域、海侵體系域和高位體系域。

層序SIII1對應(yīng)于太原組中下段，底部以中、細(xì)粒砂巖為主，與土坡組整合接觸，頂界為10煤頂。該層序僅發(fā)育高位體系域，巖性主要為中、細(xì)粒的石英砂巖及灰?guī)r，具有大型及小型的交錯層理發(fā)育。礦區(qū)北部的鉆孔801、1201(圖3)，巖性以粉砂巖為主且發(fā)育有煤層。

層序SIII2對應(yīng)于太原組中上段，底部為10煤頂，頂界為K7砂巖底，該層序發(fā)育海侵-高位體系域，巖性以泥巖及細(xì)砂巖為主，由下至上粒度增大，煤層主要發(fā)育在礦區(qū)中、南部鉆孔1701、2501(圖3)。

層序SIII3對應(yīng)山西組的全部，底界為山西組和太原組的分界，頂界為山西組與下石盒子組的整合界面。該層序發(fā)育低位-海侵-高位體系域，巖性主要為中粗砂巖為主，泥巖及粉砂巖次之，煤層主要發(fā)育在礦區(qū)中南部鉆孔1201、2501(圖3)。

古地理沉積環(huán)境分析是研究沉積環(huán)境及煤巖煤質(zhì)特征的重要基礎(chǔ)，選取研究區(qū)內(nèi)17口揭露地層較全、分布均勻的典型鉆孔數(shù)據(jù)，進(jìn)行單剖面和對比剖面沉積相的分析，以砂泥比等值線為主，結(jié)合其他相關(guān)參數(shù)綜合分析，恢復(fù)石炭二疊含煤巖系三級層序的巖相古地理[2]。

層序SIII1時期(圖4a)，整體沉積環(huán)境以障壁島-潟湖為主，在研究區(qū)內(nèi)僅有局部可采的10和11煤層。

層序SIII2時期(圖4b)，沉積環(huán)境為海相到陸相的過渡環(huán)境，前期為海相的泥炭沼澤，后期為陸相的三角洲沉積，煤層主要發(fā)育在前期受潮汐影響的潮坪上，以8煤、9煤為主，后期三角洲前緣環(huán)境由于受到河流及潮汐的影響，僅形成不穩(wěn)定的薄煤層，如6、7煤層。

層序SIII3時期(圖4c)，沉積環(huán)境完全過渡為河流三角洲，全區(qū)發(fā)育有近NW-SE的河流，沉積環(huán)境受河流影響，主要成煤環(huán)境為河道邊緣沼澤、分流間灣及泛濫盆地沼澤為主，發(fā)育有多層煤包括2煤層、4煤層和5煤層。

研究區(qū)太原組及山西組為海陸過渡環(huán)境，主要的沉積環(huán)境為兩種，即障壁海岸沉積環(huán)境及河流三角洲沉積環(huán)境：障壁島海岸沉積環(huán)境下的煤層主要形成在障壁島后的潟湖、潮坪沼澤化的地區(qū)。河流三角洲沉積環(huán)境的主要為下三角洲的分流間灣和上三角洲的分流河道的兩側(cè)以及河道邊緣地帶。

3 煤巖煤質(zhì)特征

研究區(qū)主采煤層，宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，夾鏡煤條帶和絲炭薄層[6]。顯微組分以鏡質(zhì)組為主17.4%～73.0%平均為48.61%，惰質(zhì)組次之27.0%～74.2%，平均為46.25%，殼質(zhì)組最少0%～11.8%，平均為5.14%。水分含量為0.52%～4.33%，平均為1.42%；灰分含量為4.71%～49.87%，平均為26.7%，屬于中灰-高灰煤；揮發(fā)分含量為32.02%～53.11%，平均為40.55%；固定碳含量為8.36%～61.01%，平均為43.71%；全硫含量介于0.23～5.62%之間，平均為1.83%，屬于中高硫煤(表1)。

太原組可采煤層為8、9、10煤層，顯微煤巖組分以惰質(zhì)組為主，平均為51.55%，自下而上有減少趨勢；水分平均為1.28%，變化不明顯；灰分含量較高，平均為25.01%，硫分平均為2.59%，為中高硫煤。

山西組可采煤層為2、4、5煤層，與太原組煤相比，顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，平均含量為54.88%，自下而上，鏡質(zhì)組呈上升趨勢；灰分平均含量略高于太原組煤層，達(dá)到28.96%，而硫分含量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于太原組含量，只有0.81%。

圖2 HD801太原-山西組沉積相及層序地層柱狀圖Figure 2 Sedimentary facies and sequence stratigraphic column of Taiyuan and Shanxi formations in borehole HD801

圖3 石炭二疊紀(jì)近南北向沉積相及層序地層對比Figure 3 Permo-Carboniferous near NS section sedimentary facies and sequence stratigraphic correlation

a層序I古地理圖 b層序II古地理圖 c層序III古地理圖圖4 不同層序下的古地理圖Figure 4 Paleogeographic map of different sequences

煤層編號鏡質(zhì)組惰質(zhì)組殼質(zhì)組MadAdVdafFCd%Std248.9～73.062.2(5)27.0～45.836.2(5)0～5.41.6(5)0.76～2.431.52(25)17.7～48.731.24(25)37.15～49.1942.25(25)28.36～48.9439.1(25)0.28～2.290.80(25)434.3～65.453.2(4)27.4～60.342.5(4)4.4～11.87.4(4)0.66～3.091.61(74)10.26～49.8726.89(74)32.02～47.9439.67(74)30.3～61.0144.76(74)0.23～2.410.79(74)538.8～56.647.40(4)32.5～59.645.30(4)3.5～11.37.30(4)0.67～4.331.57(83)6.34～44.7330.11(83)34.59～44.3039.07(83)31.46～55.2542.50(83)0.26～2.480.84(83)838.3～53.946.10(5)36.6～56.546.60(5)4.1～9.57.30(5)0.56～4.191.42(75)5.47～45.3524.29(75)36.65～53.1141.84(75)31.17～58.9644.22(75)0.51～5.622.38(75)930.5～55.241.10(4)42.5～65.454.60(4)3.2～4.94.30(4)0.61～4.141.25(96)4.71～43.6822.19(96)36.25～51.3040.70(96)31.16～57.746.21(96)0.82～4.872.77(96)1017.4～37.438.90(4)53.6～74.254.70(4)3.5～8.36.40(4)0.52～2.261.18(71)9.49～46.0729.61(71)35.48～47.6941.03(71)29.78～51.2241.74(71)0.69～5.402.57(71)

4 沉積環(huán)境對煤巖煤質(zhì)的影響

沉積環(huán)境是影響煤巖煤質(zhì)變化的重要因素，紅墩子礦區(qū)太原組及山西組煤的煤巖煤質(zhì)在時空展布上呈現(xiàn)規(guī)律性變化，本文通過對紅墩子礦區(qū)沉積環(huán)境分析，結(jié)合煤巖煤質(zhì)變化特征，探討不同沉積環(huán)境對煤巖煤質(zhì)特征的影響[7]。

4.1 沉積環(huán)境對煤巖的影響

通常認(rèn)為鏡質(zhì)組的形成與強(qiáng)覆水、氣流不暢的封閉泥炭沼澤有關(guān)，惰質(zhì)組多形成于弱覆水或周期性暴露的泥炭沼澤中，殼質(zhì)組的成因與成煤植物種類關(guān)系密切[8-10]。

太原組、山西組共劃分為三個層序，不同層序之間由于沉積環(huán)境的不同，顯微煤巖組分含量存在差異，同一層序下，不同位置形成的煤層鏡惰比不一。在研究區(qū)選取6口鉆孔，以層序?yàn)閱挝焕L制鏡惰比圖(圖5)。

層序Ⅰ、層序Ⅱ中，礦區(qū)煤層主要發(fā)育在障壁島-潟湖沉積體系，成煤作用受海水的影響較大。研究區(qū)南部的煤層(如HK706)，受潮汐作用影響，成煤沼澤周期性暴露，氧化環(huán)境強(qiáng)，絲炭化作用占主導(dǎo)，鏡惰比小于1；研究區(qū)北部煤層(如1303、902、1706)，發(fā)育于障壁島后的潟湖-潮坪帶，封閉的泥炭沼澤區(qū)，水流活動小，覆水穩(wěn)定，還原環(huán)境為主，鏡惰比大于1。

層序Ⅲ時期，研究區(qū)演變?yōu)楹恿魅侵蕹练e體系，煤層主要發(fā)育在三角洲平原地區(qū)，相對于層序Ⅰ、層序Ⅱ，沼澤水動力普遍降低，煤中鏡惰比總體上升高。礦區(qū)東南部三角洲平原分流間灣發(fā)育的煤層(如HK706、1706)，覆水較深，水面波動小，凝膠化作用為主，鏡惰比大于1，發(fā)育于礦區(qū)西北部的河道邊緣沼澤中的煤層由于受河流作用影響，沼澤水動力較強(qiáng)，絲炭化作用占主導(dǎo)，鏡惰比小于1。

4.2 沉積環(huán)境對灰分和硫分的影響

沉積環(huán)境對煤中灰分、硫分的影響十分顯著，其中，灰分主要是由流水搬運(yùn)到泥炭沼澤和成煤植物一起沉積的陸源碎屑物質(zhì)，其高低與沼澤水位的變化和水動力的強(qiáng)弱有關(guān)，硫分主要受沼澤水化學(xué)環(huán)境及物源的影響，在海水影響下聚集的泥炭往往比淡水環(huán)境聚集的泥炭含更多的硫[11-14]。選取山西組4煤和太原組10煤，以井田為單位，繪制硫分、灰分分布圖，進(jìn)行時空上的對比分析(圖6)。

圖5 紅墩子礦區(qū)石炭二疊紀(jì)不同層序鏡惰比平面分布Figure 5 Planar distribution of Permo-Carboniferous different sequences V/I ratio in Hongdunzi mine area

圖6 紅墩子礦區(qū)4煤和10灰分、硫分平面分布圖Figure 6 Coal Nos.4 and 10 ash and sulfur contents distribution in Hongdunzi mine area

10煤發(fā)育于障壁島-潟湖環(huán)境，受海水的影響較大，沼澤水化學(xué)環(huán)境為半咸水—微咸水，使煤中硫分含量普遍較高；由于礦區(qū)東南部距海岸較近，中高硫煤主要集中在紅二井田、紅三井田，自南向北呈現(xiàn)出遞減的趨勢?；曳值暮恐饕艿秸訚伤畡恿案菜畻l件的影響，礦區(qū)南部由于受潮汐作用，沼澤覆水不穩(wěn)定且水動力較強(qiáng)，煤中灰分含量較高，西北部潮坪泥炭沼澤中形成的煤層，由于穩(wěn)定的覆水及較弱的水動力條件，灰分含量相對較低，低灰煤主要集中在礦區(qū)北部的紅五井田、紅六井田。

4煤層發(fā)育于河流三角洲沉積環(huán)境，成煤環(huán)境主要受到河流的影響，以淡水沼澤為主，相較于10煤，硫分含量整體較低，以低硫煤為主；礦區(qū)南部紅二井田、紅三井田的煤層由于成煤時更靠近濱海環(huán)境，硫分含量略微比其他井田含量高，礦區(qū)中部紅四井田、紅五井田成煤環(huán)境為三角洲平原分流間灣的淡水泥炭沼澤，煤層硫分含量最低，而形成于河道邊緣泥炭沼澤礦區(qū)北部紅六井田的煤層，由于河流影響較大且靠近物源，受物源中含硫礦物的影響，硫分含量相對較高。4煤成煤環(huán)境受河流影響，水動力較強(qiáng)，灰分含量整體上較10煤略高，高灰煤主要集中在礦區(qū)的南端的紅一井田、紅三井田以及北段的紅六井田，可以解釋為煤層受到河流作用及物源影響，水流搬運(yùn)的陸源碎屑物質(zhì)沉積到沼澤中，使得煤中灰分含量較高，而形成于礦區(qū)中部分流間灣的煤層，由于沼澤覆水穩(wěn)定且水動力較弱，煤中灰分含量相對較低。

5 結(jié)論

(1)通過對紅墩子礦區(qū)太原組和山西組沉積層序的分析，共識別出四個層序界面，劃分為三個三級層序。太原組與山西組沉積環(huán)境經(jīng)歷了從障壁島-潟湖-潮坪到河流三角洲的演化過程。

(2)煤巖方面，障壁島-潟湖-潮坪沉積體系成煤沼澤受潮汐作用的控制，成煤不穩(wěn)定，氧化作用占主導(dǎo)，形成的煤層較河流三角洲沉積體系下形成的煤層鏡惰比低。平面上，障壁島-潟湖-潮坪沉積體系下，由于距岸的遠(yuǎn)近，鏡惰比南低北高，河流三角洲沉積體系下，靠近河道的北部地區(qū)，河流作用影響較大，鏡惰比低于南部地區(qū)。

(3)煤質(zhì)方面，障壁島-潟湖-潮坪沉積體系下形成的10煤，由于海水的影響，硫分含量整體上高于河流三角洲體系下形成的4煤，而灰分則由于河流影響下的成煤環(huán)境水動力較強(qiáng)，4煤含量略大于10煤。平面上，10中的硫分、灰分含量由于距海岸的遠(yuǎn)近，都呈現(xiàn)出南高北低的規(guī)律，4則因?yàn)楹恿髯饔眉昂Ｋ墓餐绊?，灰分、硫分都出現(xiàn)南北兩端高，中部低的現(xiàn)象。