楊 旭，劉志臣，秦先進，肖 林，陳 磊，李隆富，汪 洋

(貴州省地礦局102地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563003)

1 引言

貴州是中國南方煤炭資源最豐富的省區(qū)，素有“江南煤海”美譽。煤炭資源相對集中于貴州西部的盤縣、水城、六枝和織金、納雍、大方等縣，其次是在黔北煤田的桐梓、仁懷、習(xí)水等地。吳家寨地區(qū)地處仁懷與習(xí)水之間，該地區(qū)聚煤盆地位于揚子準地臺西南緣，成煤期屬于華南晚二疊世陸表海坳陷盆地的一部分(莊新國 等，2001；程偉 等，2013)，二疊統(tǒng)龍?zhí)督M聚煤規(guī)律是當(dāng)前地學(xué)界研究的熱點之一，是中國研究含煤地層的有利地區(qū)之一(張文斌 等，2020)。不同成煤過程的古氣候、古生物、古地理和構(gòu)造運動等條件，所形成煤層煤質(zhì)特征參數(shù)也會相應(yīng)的不同，因此，煤質(zhì)特征參數(shù)中包含成煤環(huán)境信息(程偉 等，2013；張文斌 等，2020)。目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者研究了各個產(chǎn)地、各時代煤層的成煤環(huán)境與煤中硫分特征、揮發(fā)分特征、灰分特征、煤巖特征參數(shù)等的聯(lián)系(HUNTJW et al.，1985；程偉 等，2013；邵龍義 等，2015，張文斌 等，2020)，煤的成煤環(huán)境與煤中主量元素、稀土元素特征參數(shù)的耦合關(guān)系(STEVENJS et al.，2003；李進孝2020；郭江峰 等，2016；任德貽 等，2006；李寶慶，2015；張文斌 等，2020)。

多數(shù)學(xué)者對貴州西部、西北部成煤環(huán)境及聚煤特征進行了研究，而對黔北地區(qū)晚二疊世含煤巖系地層的研究多局限于地質(zhì)調(diào)查，對煤質(zhì)地球化學(xué)特征及聚煤規(guī)律研究程度較為薄弱，特別是本區(qū)煤中地球化學(xué)元素特征與聚煤環(huán)境研究從未開展過。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，收集利用地質(zhì)勘查相關(guān)資料，重點研究區(qū)內(nèi)含煤巖系煤質(zhì)地球化學(xué)特征及聚煤作用的相關(guān)因素。本文以貴州遵義吳家寨背斜龍?zhí)督MC5、C8、C12煤層為研究對象，對其主量元素、稀土元素、微量元素、灰分、揮發(fā)分、全硫、碳、發(fā)熱量、磷分、砷、氟、氯等測試數(shù)據(jù)進行分析研究。旨在查明研究區(qū)可采煤層地球化學(xué)特征及聚煤環(huán)境，深入探討該地區(qū)二疊系成煤環(huán)境、煤層化學(xué)特征與聚煤環(huán)境的耦合關(guān)系。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱，畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)北東部，即二郎向斜北東段南東翼、吳家寨背斜北東段傾沒端、茅臺向斜北東段昂起端與官店向斜南西段昂起端之交匯部位(劉志臣 等，2018)。區(qū)域地層除缺失石炭系、泥盆系外，從震旦系至侏羅系均有出露，如圖1所示。區(qū)內(nèi)出露二疊統(tǒng)巖石地層單位由下至上依次為：棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)，龍?zhí)督M(P3l)、長興組(P3c)。龍?zhí)督M與下伏地層茅口組呈平行不整合接觸，與上覆長興組地層呈整合接觸。棲霞組、茅口組和長興組巖性組合以碳酸鹽巖為主；龍?zhí)督M巖性組合以碎屑巖夾煤層為主。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖(據(jù)劉志臣2018，修改)

3 龍?zhí)督M沉積特征

圖2 垂向沉積環(huán)境圖(據(jù)汪洋2017，修改)

下段(P3l1)：C11煤層上部厚層粉砂巖頂界至龍?zhí)督M底界，巖性主要為粉砂巖、泥巖、粘土巖、硫鐵礦粘土巖、碳質(zhì)泥巖及煤層(線)。粉砂巖見平行層理、小型交錯層理；炭質(zhì)泥巖、泥巖中產(chǎn)豐富的植物碎片化石，含黃鐵礦結(jié)核及團塊，水平層理發(fā)育。含2層可采煤(C11、C12)，其中，C12為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層；C11為大部可采煤層。

中段(P3l2)：C5煤層上部厚層細砂巖頂界至C11上部厚層粉砂巖頂界，巖性主要為細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、菱鐵質(zhì)巖、粘土巖、粉砂質(zhì)泥巖，少量灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，炭質(zhì)泥巖及煤層(線)?；?guī)r中偶見腕足類化石，細砂巖見平行層理、交錯層理、波狀層理；泥巖、炭質(zhì)泥巖含豐富的植物化石，黃鐵礦呈星散狀、團塊狀分布，水平層理發(fā)育。含2層可采煤層(C5、C8)，其中C8為穩(wěn)定可采煤層，C5大部可采煤層。

上段(P3l3)：龍?zhí)督M頂界至C5煤層上部厚層細砂巖頂界，主要為海陸交互相沉積的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粘土巖、炭質(zhì)泥巖及薄煤層(線)?；?guī)r中產(chǎn)腕足類化石及碎片，泥巖、炭質(zhì)泥巖、粘土巖中含豐富的植物碎片化石，泥巖水平層理發(fā)育，含黃鐵礦團塊結(jié)核。龍?zhí)督M主要為障壁海岸相、三角洲相、沼澤相交替出現(xiàn)為特征的海陸交互相沉積(李隆富 等， 2015；汪洋 等，2017；葉春 等，2017；楊旭 等，2019)。

4 樣品采集與分析方法

研究區(qū)在鉆探施工中，分別在ZK 103(C5-1)、ZK 505(C8-1)、ZK1303(C5-2)、ZK2103(C12-1)、ZK2503(C8-2)、ZK3703(C12-1)等6個鉆孔中，針對全區(qū)穩(wěn)定可采(或大部可采)的C5、C8、C12采取6件煤樣，進行稀土元素測試。樣品在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，按GB474-2008 破碎研磨至200目以上，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)對煤樣品進行REE分析測定。煤中微量元素基于吳家寨背斜整裝勘查報告(貴州省地礦局102地質(zhì)大隊.2015)中的32件煤質(zhì)樣品的分析數(shù)據(jù)，主量元素及煤化學(xué)特征采用整裝勘查報告中的數(shù)據(jù)，樣品分析在貴州省地礦局中心實驗室完成。微量元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)；主量元素采用PW1404型X射線熒光光譜儀分析。

5 煤層地球化學(xué)特征

5.1 主量元素

表1 吳家寨地區(qū)龍?zhí)督M煤樣主量元素分析一覽表(%)

5.2 稀土元素

表2 吳家寨地區(qū)龍?zhí)督M煤樣煤中稀土元素(ωB/10-6)

圖3 稀土元素球粒隕石標準化分布模式圖(據(jù)楊旭等2019，修改)Fig.3 Standard distribution model of REE chondrite

5.3 微量元素

表3 吳家寨地區(qū)龍?zhí)督M煤層微量元素分析結(jié)果及參數(shù)特征一覽表(單位：10-4)

圖4 研究區(qū)煤層微量元素縱向變化折線規(guī)律圖Fig.4 Vertical change line rule of coal seam traceelement in the study area

6 煤質(zhì)特征(見表4)

表4 吳家寨地區(qū)龍?zhí)督M煤質(zhì)分析結(jié)果及參數(shù)特征一覽表

圖5 研究區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤層水分、灰分、揮發(fā)分和硫分垂向變化圖Fig.5 Vertical change chart of water，ash，volatile and sulfur contentin Longtan formation coal seam of upper Permian in the study area

綜上，吳家寨地區(qū)煤炭資源具有特低全水分、中灰分、低揮發(fā)分、特高硫分、中高固定碳、中高發(fā)熱量、低磷分、特低氯煤等特征。

7 聚煤環(huán)境分析

影響海陸交互相聚煤盆地層序的主控因素為沉積物供應(yīng)、古氣候條件、古植物條件、沼澤類型、沼澤水體深度、地球化學(xué)條件及海平面變化的變化速率，其直接影響煤的分布范圍和平面展布及厚度(徐彬彬 等，2003；姜科慶 等，2010；邵龍義 等，2013)。筆者認為影響聚煤作用的主導(dǎo)因素可歸集于兩個方面：即物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境。

7.1 物理環(huán)境

7.1.1 構(gòu)造條件

構(gòu)造運動是影響聚煤盆地的主導(dǎo)因素。中二疊世末的東吳運動使華南板塊大部分地區(qū)抬升成陸，經(jīng)歷了較長時期的剝蝕，至晚二疊世，發(fā)生再次基底沉降，海水侵入形成了揚子板塊聚煤盆地(王小川1996)，研究區(qū)位于揚子板塊西南緣。該地區(qū)地殼均衡沉降，沉降速度與植物堆積速度大體相當(dāng)，為聚煤盆地的補償性沉積提供條件。地殼的沉降區(qū)域、強度、時代和速率，最終確定聚煤盆地形成的范圍、巖系厚度、沉積補償及沉積相的組成和分布(姜世陽，2016)。聚煤物堆積和保存的前提是地殼的慢速下降，聚煤條件好的特別是大型盆地一搬發(fā)育在構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。

7.1.2 古地理環(huán)境

古地理環(huán)境是控制煤系地層形成的直接因素。吳家寨地區(qū)龍?zhí)督M含煤地層主要由障壁海岸相(潮坪相、澗湖相)、三角洲相(前三角洲、三角洲前緣、三角洲平原)、沼澤相(泥炭沼澤)形成(汪洋 等，2017)，良好的沉積環(huán)境為植物生長和泥炭的形成提供了聚集地。泥炭沼澤常發(fā)育在剝蝕區(qū)到沉積區(qū)的過渡地帶，既受剝蝕區(qū)的各種影響，又受沉積區(qū)的影響。煤炭形成的古地理環(huán)境是一個靈敏的動態(tài)環(huán)境，在各種因素的共同作用下，發(fā)生聚集作用(姜世陽，2016)。

7.1.3 古氣候條件

古氣候是煤形成的前提和決定因素。溫暖潮濕的氣候，不但為植物生長和繁殖提供有利的生長環(huán)境，而且決定了植物生長的種類、分布范圍及適應(yīng)能力，為聚煤物的堆積提供充分的物質(zhì)條件。研究表明，晚二疊世貴州全區(qū)地處溫暖濕潤的熱帶雨林氣候，種子蕨、真蕨及石松等高等造煤植物十分繁盛，為聚煤作用提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)(田和明 等，2014)。溫暖潮濕地帶為聚煤提供了場所，而濕度起到主要作用。

7.1.4 物源條件

植物是煤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。植物出現(xiàn)后，陸生植物不斷進化，由濱海生向陸地生轉(zhuǎn)移，由低等植物進化成高等植物。為適應(yīng)環(huán)境變化，在漫長的進化過程中形成了多種植物群落，并出現(xiàn)了植物地理分區(qū)(姜世陽，2016)，植物一代又一代持續(xù)、繁茂地生長繁殖，死亡后形成植物遺體長期持續(xù)堆積，使煤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)更為充足。

總之，在特定條件下，古構(gòu)造、古地理、古氣候和古植物等因素都可能成為聚煤作用的決定因素。通常情況下，古氣候、古植物條件提供了聚煤作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，而古地理和古構(gòu)造則是聚煤盆地形成、演化的主要控制因素(姜世陽，2016)。

7.2 化學(xué)環(huán)境與聚煤關(guān)系

7.2.1 煤中灰分

圖6 a.吳家寨地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤中硫分與煤灰成分指數(shù)之間關(guān)系圖；b.煤灰成分三角端元圖解

7.2.2 煤中微量元素

7.2.3 煤中稀土元素

8 結(jié)論

(2)微量元素的分布特征、富集程度與其形成環(huán)境也密切相關(guān)。咸水環(huán)境中Sr/Ba值大于0.8，研究區(qū)均值為0.15，小于0.8，表明為淡水環(huán)境。煤層底部為粘土巖、泥巖是造成該區(qū)域煤層硫含量高的一個重要原因。研究區(qū)煤層硫含量主要來源于次生硫。

(3)稀土元素地球化學(xué)參數(shù)Eu負異常，故研究區(qū)煤樣受陸源控制。在海水環(huán)境中，Ce負異常是海相環(huán)境的一個指標。研究區(qū)Ce均未出現(xiàn)明顯負異常，說明該區(qū)成煤環(huán)境受海水影響很小。

(4)在特定條件下，古構(gòu)造、古地理、古氣候和古植物等環(huán)境因素都可能成為聚煤作用的決定因素。