桂學(xué)明，董振國

（1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610095；2.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100021）

煤是支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)能源，煤是由地質(zhì)歷史時期的植物遺體經(jīng)過復(fù)雜的成煤作用轉(zhuǎn)變而成的一種固體可燃有機(jī)巖，煤的形成需要一定的地質(zhì)和構(gòu)造條件，具體包括古氣候、古水體、古地理等條件，其中古氣候決定植物繁茂程度，古水體氧化還原環(huán)境決定植物遺體堆積環(huán)境，古地理決定遺體遺體保存和成煤條件，因此分析成煤的古地理環(huán)境對成煤環(huán)境演化和聚煤規(guī)律的研究有重要意義。

煤中地球化學(xué)元素的運(yùn)移和富集是多種地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果，通過對煤中元素含量、比值的研究，煤中元素含量的變化對古氧化還原條件的示蹤尤為靈敏，可以反映沉積環(huán)境的變遷。受沉積環(huán)境影響，同一煤層中伴生元素的垂向分布也存在很大差異，煤中的地球化學(xué)元素對沉積環(huán)境的變化十分敏感，元素的含量及變化可以為恢復(fù)古沉積環(huán)境提供可靠的判別依據(jù)，其對古氧化還原狀態(tài)的示蹤尤為靈敏。通過對大柳塔礦區(qū)煤巖樣品元素的分析，可獲得水體的古鹽度、氧化還原狀態(tài)、古水深和古氣候等古地理環(huán)境特征，可恢復(fù)大柳塔礦區(qū)延安組沉積期的水體的古鹽度、氧化還原狀態(tài)、古水深和古氣候等古地理環(huán)境特征，以期為沉積、構(gòu)造演化的研究和煤田的勘探開發(fā)提供理論支撐。

1 地層層序

大柳塔礦區(qū)位于陜西省神木縣城西北52.5 km處，行政區(qū)劃屬大柳塔鎮(zhèn)管轄，地處陜北黃土高原之北側(cè)和毛烏素沙漠東南緣。大部分被風(fēng)積沙覆蓋，局部黃土分布，植被稀少，屬沙丘及荒峁發(fā)育的半沙漠區(qū)。

大柳塔礦區(qū)含煤地層為中下侏羅統(tǒng)延安組，主要含煤層有10層，即1-2上、1-2、2-2、3-1、3-2、4-2、4-3、4-4、5-2及5-2下，其中2-2及5-2煤層為礦區(qū)主要可采煤層，1-2、4-2、4-3為局部可采煤層。

研究區(qū)位于大柳塔礦區(qū)西南部，根據(jù)煤田地質(zhì)鉆探資料，研究區(qū)4-2、4-3煤均屬于較穩(wěn)定煤層，4-2煤平均可采厚度1.04 m，4-3煤平均可采厚度1.04 m。由于大柳塔礦區(qū)大柳塔井4-2、4-3煤層較薄、厚度變化較大，鉆孔控制稀疏，現(xiàn)有勘查程度偏低。依據(jù)煤田補(bǔ)充勘探鉆探和分析化驗(yàn)資料，開展4-2、4-3煤巖地球化學(xué)特征與沉積環(huán)境辨識具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可協(xié)助查明大柳塔礦區(qū)4-2、4-3煤層平面展布特征、落實(shí)其不可采區(qū)，滿足下步工作面布置需要，達(dá)到資源順利接續(xù)的要求。

據(jù)鉆孔揭露及地質(zhì)填圖資料，大柳塔礦區(qū)地層由老至新為三疊系上統(tǒng)永坪組（T3y），下侏羅統(tǒng)富縣組（J1f），侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y），侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2Z），第四系下更新統(tǒng)三門組（Q1S），中更新統(tǒng)離石組（Q2L），上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3S）與全新統(tǒng)風(fēng)積沙（Q4eol），見表1。

表1 大柳塔礦區(qū)研究區(qū)地層簡表Table 1 Stratigraphic table of Daliuta mining area

其中侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）為煤系地層，假整合于永坪組或連續(xù)沉積于富縣組之上，為含煤地層。其上部直羅組因河流沖刷和新生代剝蝕，有不同程度的缺失，I煤組在井田內(nèi)大多保留不全，并依次劃為5個巖性段，各煤組中的主要煤層大多分布在該段的上部。沖刷、剝蝕殘余厚度96.62~243.50 m，平均195.24 m，巖性以灰白—淺灰色中粒長石砂巖，巖屑長石砂巖及鈣質(zhì)砂巖為主。次為灰—深灰色粉砂巖，砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層、少量炭質(zhì)泥巖，透鏡狀泥灰?guī)r及膨脹土礦層。含煤地層為大型淺內(nèi)陸湖泊三角洲沉積，橫向巖性變化大，但垂向?qū)有蚪Y(jié)構(gòu)清晰

2 樣品采集與分析化驗(yàn)

該研究的樣品全部來自于研究區(qū)內(nèi)的鉆探取心，涉及31口鉆孔，取樣135件。煤樣采樣工作嚴(yán)格執(zhí)行《煤炭資源勘探煤樣采取規(guī)程》，設(shè)計(jì)取樣的煤層采取均達(dá)到合格，煤芯煤樣未污染、未磨燒。煤芯煤樣不縮分全部送驗(yàn)，送樣時詳細(xì)填寫了送樣單，并注明分析試驗(yàn)項(xiàng)目，采樣工作符合規(guī)范要求。樣品測試均依國家標(biāo)準(zhǔn)或部頒標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，可選性大樣的采取，篩分浮沉試驗(yàn)及鉆孔煤芯簡選試驗(yàn)、泥化試驗(yàn)等樣品的測試分析均由陜西省煤田地質(zhì)局承擔(dān)，煤質(zhì)測試成果可靠。

3 煤巖煤質(zhì)特征

3.1 煤巖特征

（1）煤的宏觀特征。

區(qū)內(nèi)4-2、4-3、5-2煤呈黑色，條痕為褐黑色，弱瀝青光澤，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。宏觀煤巖類型以暗煤為主，夾亮煤條帶，含少量絲炭，屬半暗型煤。

（2）顯微煤巖特征。

顯微煤巖組分以惰質(zhì)組為主，其次為鏡質(zhì)組，去礦物雜質(zhì)中平均含量4-2煤鏡質(zhì)組42.7%，惰質(zhì)組在57.3%；4-3煤鏡質(zhì)組45.3%，惰質(zhì)組在54.7%（表2）。

表2 煤層顯微煤巖組分統(tǒng)計(jì)Table 2 Coal seam maceral statistics table

煤中礦物雜質(zhì)含量較低，成分以粘土組為主，平均值在4.2%～4.3%；4-2煤硫化物礦物和碳酸鹽礦物含量均為零，4-3煤中硫化物含量平均值為0.4%、碳酸鹽礦物平均值為0.1%。

依據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)顯微煤巖類型分類》(GB/T15589—1995)，4-2、4-3煤鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組含量之和均大于95%，兩層煤均為微鏡惰煤。

（3）變質(zhì)階段。

區(qū)內(nèi)4-2、4-3煤的鏡煤最大反射率（R0,max）在0.475%~0.480%，變質(zhì)階段為煙煤Ⅰ階段。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，無巖漿巖侵入，因此，煤變質(zhì)的主要因素是區(qū)域變質(zhì)作用。

（4）煤的物理性質(zhì)。

井田各煤層視密度(ARD)在1.31~1.32g/cm3，真密度(TRD)在1.44~1.46 g/cm3，塊體密度在1.32~1.36g/cm3；煤層孔隙率在10.78~13.69%，含水率在8.97~10.74%，吸水率在6.58~7.09%（表3）。

表3 煤的物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)Table 3 Coal physical properties statistics table

3.2 煤的化學(xué)性質(zhì)

3.2.1 工業(yè)分析

各煤層原煤水分（Mad）在3.24%～17.40%，其中4-2煤原煤水分平均值為8.34%；4-3煤原煤水分平均值為7.92%；5-2煤原煤水分平均值為9.46%，3層煤的水分平均值小于20%（表4），為中低水分煤。

表4 工業(yè)分析成果統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of industrial analysis results

各煤層煤層原煤灰分（Ad）在2.43%~42.26%，其中4-2煤原煤灰分平均值為9.81%，4-3煤原煤灰分平均值為10.00%，5-2煤原煤灰分平均值為8.43%，為特低灰分煤。

各煤層原煤揮發(fā)分值（Vdaf）在27.40%~43.80%，其中4-2煤原煤揮發(fā)分平均值為36.78%，4-3煤原煤揮發(fā)分平均值為35.55%，5-2煤原煤揮發(fā)分平均值為35.18%，為中高揮發(fā)分煤。

各煤全硫（St,d）含量為0.23%～0.33%，三層煤原煤均為特低硫煤。原煤中硫以有機(jī)硫（So）和硫化物硫（Sp）為主，硫酸鹽硫（Ss）含量較低。浮煤中硫主要以有機(jī)硫(So)形態(tài)存在，其次為硫化物硫(Sp)，硫酸鹽硫(Ss)含量甚微（表5）。

表5 各硫測試成果Table 5 Sulphur test results

3.2.2 元素分析

各煤層碳、氫、氧元素含量均較高且變化穩(wěn)定，但氮含量較低；其中碳含量（Cdaf）為80.95%～81.93%；氫含量(Hdaf)平均值為4.23%～4.76%；氧含量（Odaf）平均值為12.06%～12.85%；氮(Ndaf)為1.01%～1.11%。

3.2.3 常量元素

煤中無機(jī)礦物質(zhì)經(jīng)高溫灼燒均變?yōu)榻饘俸头墙饘俚难趸锛胞}類。根據(jù)化驗(yàn)分析，研究區(qū)煤層煤灰成分主要是SiO2、Al2O3，其次為CaO、Fe2O3、SO3等。三煤層煤灰成分中SiO2的含量最高，平均值為53.5%，其次Al2O3含量，平均值為15.21%，TiO2含量平均值為0.83%；Fe2O3含量平均值分別為7.23%，氧化鈣（CaO）含量平均值為12.18%,氧化鎂（MgO）含量平均值為0.81%，煤灰成分以酸性氧化物(SiO2+Al2O3)含量為主（68.71%），堿性氧化物（Fe2O3+CaO+MgO）含量較低（20.23%），通過灰分常量元素氧化物組成，可以間接地研究古湖泊的氧化還原條件、古氣候和含鹽度等（表6、圖1）。

圖1 4-2、4-3、5-3煤層煤灰成分含量Fig.1 Ash content of 4-2,4-3,5-3 coal seams

表6 煤灰成分試驗(yàn)成果Table 6 Coal ash composition test results table

4 古成煤環(huán)境分析

煤是由植物遺體堆積埋藏后經(jīng)成煤作用轉(zhuǎn)變而成，煤的形成需要一個還原環(huán)境，能較好地保留了原始沉積環(huán)境信息，利用煤的顯微組分、常量元素等，可開展地球化學(xué)追蹤和沉積時古氣候、古鹽度、覆水條件等的分析，為古地理環(huán)境恢復(fù)提供依據(jù)。

4.1 碳氮比（C/N）

Cernusak等通過對近代裸子植物的C/N比值的研究，發(fā)現(xiàn)裸子植物的C/N值(64.7%)高于被子植物的C/N值(49.6%)。

煤樣具有高碳、低氮、貧氫的特點(diǎn)，其中C/N比值為72.89%～78.03%，H/C比值為0.06，C/N比值高、H/C比值低，說明4-2、4-3煤古沉積環(huán)境為濕潤氣候，成煤植物以裸子植物為主。

4.2 鏡惰比(V/I)

煤顯微組分鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組含量及鏡惰比(V/I)與泥炭沉積時的溫度、濕度關(guān)系密切。在溫暖、潮濕的還原環(huán)境下，凝膠化作用占優(yōu)勢中，鏡質(zhì)組含量增加；在高溫、干燥的氧化環(huán)境下，絲炭化作用占優(yōu)勢，惰質(zhì)組含量增加。

其中鏡惰比(V/I)是良好的成煤環(huán)境判斷指標(biāo)，鏡惰比(V/I)可直觀地反映成煤沼澤水位變化區(qū)塊；V/I值高，表明為覆水深、強(qiáng)還原環(huán)境的泥炭沼澤；V/I值低，表明為覆水低、弱還原環(huán)境的泥炭沼澤。一般認(rèn)為，V/I＜0.25反映干燥環(huán)境，0.25＜V/I＜1反映潮濕—弱覆水環(huán)境，V/I為1～4為極潮濕環(huán)境，V/I＞4為強(qiáng)覆水環(huán)境；研究區(qū)煤層的V/I為0.75~0.83，V/I值較低，表示泥炭沼澤為潮濕氣候，弱覆水環(huán)境。

4.3 化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA

不同環(huán)境條件下化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度不同，隨著化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)行，不穩(wěn)定的氧化物（CaO+Na2O+K2O）逐漸減少（長石被風(fēng)化），穩(wěn)定氧化物（Al2O3）逐漸增加（黏土礦物的形成），利用化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（Chemical Alternation Index，CIA）來表征源區(qū)化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。

CIA表示長石礦物向黏土礦物轉(zhuǎn)化的程度，能很好地反映物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化的情況，可作為判別硅酸鹽礦物風(fēng)化程度的良好指標(biāo)，CIA與風(fēng)化作用強(qiáng)度成正比，CIA＜65，說明當(dāng)時處于寒冷干燥的氣候，指示低等化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。

各煤層CIA為47.08%~63.79%，平均值為56.19%，表示母巖來自氣候相對干燥弱風(fēng)化物源區(qū)（表7）。

表7 煤灰中常量元素比值和指標(biāo)Table 7 Ratio and index of major elements in coal ash

4.4 灰分指數(shù)K

煤灰中氧化物可反映成煤沼澤環(huán)境的地球化學(xué)特征及古地理環(huán)境，湖泊中的SiO2、Al2O3主要來源于陸源河流及塵土的碎屑，CaO、MgO主要來自陸源碳酸鹽巖和湖泊內(nèi)生沉淀，F(xiàn)e主要是由陸地搬運(yùn)而來的，還原環(huán)境中鐵以Fe2+的形式，咸水的沉積環(huán)境有助于將Fe2+從溶解相移除，變?yōu)楣腆w相沉淀下來存在泥巖中。在低位沼澤的弱還原環(huán)境中，灰分以SiO2、Al2O3為主，在高位沼澤的強(qiáng)還原環(huán)境中，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO含量較高。煤的灰分指數(shù)與還原性成反比，煤的灰分指數(shù)越低，還原性越強(qiáng)。灰分指數(shù)K由下式計(jì)算。

灰分指數(shù)K值較低，平均值為3.71，表明煤層成煤期處于高位泥炭沼澤環(huán)境，指示為缺氧的還原環(huán)境，為較有利的成煤環(huán)境。

4.5 m、n值

巖石中Mg、Al、Fe等金屬元素含量與沉積環(huán)境關(guān)系密切，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎂為親水性元素，鋁為親陸性元素，鎂、鋁元素含量與古鹽度相關(guān)，用m公式可辨別海陸相沉積環(huán)境：

當(dāng)m＜1時為淡水環(huán)境，1＜m＜10時為半咸水環(huán)境，m＞10時為咸水環(huán)境。

巖石的組分發(fā)生遷移主要是通過水體溶液來實(shí)現(xiàn)，水體中K、Na、Ca、Fe2+等元素離子活性較強(qiáng)，容易被有機(jī)質(zhì)、伊利石、黏土等吸附沉積下來，在堿性環(huán)境中，K、Na、Ca、Fe2+含量與水體介質(zhì)鹽度成正比關(guān)系。因此，根據(jù)Ca、Fe2+等元素含量可以大體判斷古鹽度；研究表明，Ca/Fe2+比值為反映古鹽度的敏感指標(biāo)，用n公式可判別古鹽度。

當(dāng)n＜0.2時為低鹽度，0.2＜n＜0.5時為中鹽度，n＞0.5時為高鹽度。

研究區(qū)m值為4.78～6.5，平均5.35，整體上屬半咸水環(huán)境；n值為0.61～0.65，平均為0.63，反映湖水蒸發(fā)量較大，古鹽度較高。

4.6 c值

潮濕氣候條件下，沉積巖中Fe、Mn、Cr、V、Ni和Co元素含量相對富集，而Ca、Mg、K、Na、Sr和Ba元素容易在干旱氣候條富集，因此，C值=(Fe+Mn+Cr+V+Co+Ni)/(Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na)可用于表征氣候變化。當(dāng)C值介于0～0.2時，指示干旱氣候，0.2～0.4時為半干旱氣候，0.4～0.6為半濕潤氣候，大于0.8時則指示濕潤氣候。煤層的C值為0.49～0.60，均值0.55，指示半濕潤氣候。

4.7 CaO/(MgO×Al2O3)和MgO/CaO比值

CaO/(MgO×Al2O3)和MgO/CaO對氣候的變化也具有指示意義，高值對應(yīng)干熱氣候,低值指示潮濕氣候。

該研究的數(shù)據(jù)分析表明，樣品的CaO/(MgO×Al2O3)值為0.75~1.61，平均1.03，Mg/Ca值 為0.04～0.09，平均0.07，反映延安組沉積時期為潮濕氣候。

5 古成煤環(huán)境演化

鄂爾多斯盆地是在漫長的地質(zhì)構(gòu)造事件中發(fā)展演變而形成的內(nèi)陸坳陷盆地，它的根基是由華北深變質(zhì)巖系構(gòu)成的結(jié)晶基底，在此基礎(chǔ)上經(jīng)歷了前寒武紀(jì)基底發(fā)育階段及早古生代拗拉槽形成發(fā)展和升降運(yùn)動，進(jìn)入中生代在濱太平洋構(gòu)造域和特提斯構(gòu)造域的共同影響下形成的大型內(nèi)陸坳陷盆地。盆地內(nèi)構(gòu)造簡單，巖層近水平，總體為一向西傾伏的單斜地質(zhì)體。坳陷盆地在陸源供給和補(bǔ)償充分的情況下，發(fā)育了巨厚的內(nèi)陸碎屑沉積。

大柳塔礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，在燕山運(yùn)動控制的陸內(nèi)坳陷的形成與發(fā)展過程中，適當(dāng)?shù)墓艢夂驐l件，使盆地內(nèi)產(chǎn)生大量植物殘骸為有機(jī)沉積作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，大地構(gòu)造背景作用下的構(gòu)造轉(zhuǎn)折期為植物殘骸的搬運(yùn)和沉積創(chuàng)造了條件。因此，古氣候和構(gòu)造轉(zhuǎn)折期的有機(jī)匹配是決定有機(jī)質(zhì)沉積作用的主要因素，有機(jī)沉積作用強(qiáng)度決定了能否成煤及煤層的質(zhì)量。

研究區(qū)內(nèi)主要含煤巖系為延安組。延安組主要為一套河湖過渡的灰色一深灰色含煤碎屑巖建造，含有可采煤5層，煤層形態(tài)簡單，層位穩(wěn)定，分布面廣，煤層的形成及聚煤特征與當(dāng)時沉積環(huán)境有十分密切的關(guān)系。大柳塔礦區(qū)延安組組成煤植物以裸子植物為主,古環(huán)境為溫暖濕潤氣候，4-2、4-3煤主要形成于三角洲平原沉積環(huán)境中的泥炭沼澤和湖泊沉積環(huán)境（圖3），水體為半咸水相的淡水環(huán)境，還原性較強(qiáng)，煤層頂、底板多為多期分流河道、分流澗灣、洪積平原等沉積微相，形成粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖的疊置組合體。

圖2 大柳塔礦區(qū)延安組沉積環(huán)境分布Fig.2 Sedimentary environment distribution of Yan'an Formation in Daliuta mining area

6 結(jié) 論

（1）大柳塔礦區(qū)延安組4-2、4-3煤水分、灰分含量較低，為特低灰煤，揮發(fā)分含量較高，屬于中揮發(fā)分煙煤，煤中硫含量較低，屬于特低硫煤；鏡質(zhì)組反射率平均為0.475～0.480%，變質(zhì)階段為煙煤Ⅰ階段。

（2）4-2、4-3、5-2煤灰成分特征具有相似性，煤灰成分主要是SiO2、Al2O3，其次為CaO、Fe2O3、SO3等，其他氧化物含量相對較低。

（3）研究區(qū)煤層化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIA)平均值為56.19%，表示物源區(qū)經(jīng)歷初等強(qiáng)度的風(fēng)化作用；煤灰成分中酸性氧化物(SiO2+Al2O3)含量為68.71%，堿性氧化物（Fe2O3+CaO+MgO）含量為20.23%，K值較低（3.71），表明煤層成煤期整體為覆水較深的泥炭沼澤環(huán)境，還原性較強(qiáng)，為較有利的成煤環(huán)境。

（4）研究區(qū)煤樣具有高碳、低氮、貧氫的特點(diǎn)，C/N、H/O比值指示4-2、4-3煤古沉積環(huán)境為濕潤氣候，成煤植物以裸子植物為主。

（5）研究認(rèn)為研究區(qū)延安組組沉積期間伴隨著陸源碎屑物的不斷輸入，利用煤灰常量元素含量和比值等辨別延安組煤系地層主要發(fā)育湖泊三角洲沉積體系，古氣候濕潤，古水體較為穩(wěn)定，為半咸水相的淡水環(huán)境，沉積條件較為穩(wěn)定，沉積環(huán)境為有利于煤炭的聚集和演化。