摘 要 ：為探討陜北富油煤形成的沉積環(huán)境和控制因素，采用井下刻槽和鉆探定向取樣相結(jié)合的方法采集了曹家灘礦井2-2煤的垂向剖面煤樣，對(duì)樣品的煤巖煤質(zhì)參數(shù)和等離子低溫灰化樣的地球化學(xué)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，從有機(jī)顯微煤巖組成和無(wú)機(jī)地球化學(xué)特征方面研究了2-2煤層形成的沉積環(huán)境，探討了焦油產(chǎn)率與沉積環(huán)境之間的關(guān)系，揭示了富油煤形成的主要控制因素。結(jié)果表明：曹家灘礦井2-2煤層以亮煤、暗淡煤為主，顯微煤巖組成以惰質(zhì)組為主、鏡質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量較少；低溫灰化樣無(wú)機(jī)礦物組成主要是方解石、石英和黏土，元素組成以Ca、Si、Fe、Al、S、Mg和Na為主；微量元素中大多數(shù)元素處于虧損，僅有Cs、Ba屬于輕度富集；稀土元素含量均值9.91 μg/g，低于世界煤均值68.47 μg/g；煤相分析顯示2-2煤主要形成于干燥森林沼澤和潮濕森林沼澤中，成煤植物以低木本植物為主，整體屬于弱還原的陸相淡水沉積環(huán)境、水動(dòng)力條件弱，沉積期以溫濕和干熱的過(guò)渡氣候?yàn)橹?，晚期出現(xiàn)了古氣候由溫濕向干熱氣候轉(zhuǎn)變；顯示了2-2煤焦油產(chǎn)率與鏡質(zhì)組含量、凝膠化指數(shù)、Sr/Ba、Ni/Co、Ce/La等呈正相關(guān)關(guān)系，但與植物保存指數(shù)、植被指數(shù)及Fe 2O 3、Fe 2O 3+CaO+MgO、MnO 2含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。富油煤在分布上具有中高等鏡質(zhì)組含量、中高凝膠化程度和低木本組分的特征，即植物組織保存程度低、凝膠化程度較高、低木本植物，以及有適量的陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)、適量鹽度的還原沉積環(huán)境更有利于富油煤的生成。

關(guān)鍵詞 ：沉積環(huán)境；地球化學(xué)；富油煤；延安組；曹家灘礦井 "中圖分類號(hào)：TD 15；P 618

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1672 - 9315（2024）02 - 0289 - 12

DOI ：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0209 "開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Geochemical characteristics and sedimentary environment of

tar-rich coal in Caojiatan mine，Northern Shaanxi

QIAO Junwei1，2，DONG Shenpei1，SU Gang3，WANG Changjian1，JIAO Longxiang3，

LIANG Xiangyang1，DU Fangpeng4，LI Lingchen1

（1.College of Geology and Environment，Xi’ an University of Science and Technology，Xi’ an 710054，China；

2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，

Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

3.SHCCIG Caojiatan Mining Co. ，Ltd. ，Yulin 719000，China；

4.College of Petroleum Engineering and Environmental Engineering，Yan’an University，Yan’an 716000，China）

Abstract ：In order to explore the sedimentary environment and control factors of the formation of tar-rich coal in northern Shaanxi，a combined method of underground grooving and directional drilling sampling was used to collect the vertical profile of coal seam 2-2 in Caojiatan mine.A comprehensive suite of tests was then conducted on both the coal-rock and coal-quality parameters of the collected samples，as well as the geochemical parameters of the plasma low-temperature ashed samples.The sedimentary environment of the formation of coal seam 2-2 was studied from the aspects of organic microscopic coal rock composition and inorganic geochemical characteristics.Within this framework，the correlation between tar yield and sedimentary conditions was explored，ultimately unveiling the primary factors influencing the formation of tar-rich coal in our study locale.The findings reveal that the 2-2 coal seams in Caojiatan mine predominantly consist of bright and dull coal.Microcoal analysis indicates a predominance of inertinite，followed by vitrinite，with a notably low liptinite.The inorganic minerals of low-temperature podzolic samples are mainly calcite，quartz and clay.The major elements are Ca，Si，F(xiàn)e，Al，S，Mg and Na.Notably，most trace elements are present in deficit concentrations，except for a slight enrichment in Cs and Ba.The average rare earth element content stands at 10.00 μg/g，significantly below the global coal average of 68.47 μg/g.Coal phase analysis points to a formation within dry and humid forest swamps，dominated by low woody plants as the primary coal-forming vegetation.This suggests a weakly reducing terrestrial freshwater environment with subdued hydrodynamic conditions.During the sedimentary period，there was a climatic transition from warm and wet to dry and hot conditions，with a late-stage shift towards drier and hotter paleoclimates.Furthermore，a positive correlation is established between the coal tar yield of 2-2 coal and parameters such as vitrinite content，gelation index，Sr/Ba，Ni/Co，and Ce/La ratios.Conversely，a negative correlation is observed with plant preservation index，vegetation index，as well as Fe 2O 3，F(xiàn)e 2O 3+CaO+MgO，and MnO 2 contents.In essence，the distribution of tar-rich coal is marked by moderate to high vitrinite levels，a medium to high degree of gelation，and a low woody component—indicating that a combination of low plant tissue preservation，high gelation，low woody plant content，a moderate supply of terrigenous detritus，and a moderate salinity reducing sedimentary environment are more conducive to the formation of tar-rich coal.

Key words ：sedimentary environment；geochemistry；tar-rich coal；Yan’an Formation；Caojiatan mine

0 引 言

富油煤通過(guò)中低溫?zé)峤饪梢垣@取油氣資源，主要由富油煤焦油產(chǎn)率及品質(zhì)來(lái)評(píng)價(jià)[1]?！兜V產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)（2014修訂版）》中提出焦油產(chǎn)率小于7%的煤稱為含油煤，7%～12%稱為富油煤，大于12%為高油煤；通常將焦油產(chǎn)率大于7%的煤統(tǒng)稱為富油煤[2]。

據(jù)《西部富油煤開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略研究》報(bào)告，中國(guó)陜西、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、寧夏5省區(qū)富油煤資源總量約5×1011 t，是立足中國(guó)增加油氣供給的戰(zhàn)略性資源[3]。當(dāng)前中國(guó)的資源稟賦特征仍為“貧油、少氣、相對(duì)富煤”，決定了在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤炭仍將是中國(guó)的基礎(chǔ)能源[4 - 5]。通過(guò)低溫?zé)峤饧夹g(shù)將富油煤轉(zhuǎn)化為富氫燃料（油和氣）和化工原料（半焦），對(duì)提高中國(guó)的油氣供給能力和實(shí)現(xiàn)國(guó)家的“雙碳”目標(biāo)具有重大戰(zhàn)略意義。

由于以往對(duì)富油煤的油氣資源屬性認(rèn)識(shí)不清，在煤炭地質(zhì)勘查中對(duì)焦油產(chǎn)率指標(biāo)測(cè)試數(shù)量十分有限，極大地制約了富油煤的精細(xì)評(píng)價(jià)和油氣轉(zhuǎn)化利用。然而焦油產(chǎn)率是煤炭熱解轉(zhuǎn)化綜合能力的體現(xiàn)，受煤變質(zhì)程度、煤巖煤質(zhì)、物質(zhì)組成、轉(zhuǎn)化條件等眾多因素的影響。煤熱解焦油的產(chǎn)生與煤的工業(yè)分析、煤巖類型、顯微組分等指標(biāo)密切相關(guān)[6 - 9]，不同的煤巖組分具有不同的焦油產(chǎn)出能力，煤的分子結(jié)構(gòu)、元素組成差異也控制著煤的焦油產(chǎn)率；通常而言變質(zhì)程度較低、鏡質(zhì)組含量較高的煤具有較高的焦油產(chǎn)率[10 - 12]。對(duì)同一個(gè)煤層而言，其變質(zhì)程度、煤巖組成等十分相似，但是其焦油產(chǎn)率卻相差較大，在一定程度上是由于煤層具有顯著的垂向煤巖煤質(zhì)變化，但這種變化在以往的勘探中經(jīng)常被忽視。為了進(jìn)一步探討陜北主采煤層沉積環(huán)境變化對(duì)焦油產(chǎn)率的控制，以曹家灘礦井2-2煤層為研究對(duì)象，采用井下刻槽和鉆探定向取樣相結(jié)合的方法獲取主采煤層2-2煤的垂向剖面；以系統(tǒng)的工業(yè)分析、礦物分析、元素分析、煤灰成分、微量元素等化驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，采用煤相研究和無(wú)機(jī)地球化學(xué)的分析方法對(duì)煤層沉積期的古鹽度、古氣候、古氧化還原條件進(jìn)行研究，探討沉積環(huán)境演變對(duì)焦油產(chǎn)率的控制作用，進(jìn)而闡明曹家灘礦井富油煤形成的有利條件，為富油煤的精細(xì)勘探評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)部署提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景曹家灘礦井地層由老到新依次為上三疊統(tǒng)永坪組（T 3y），下侏羅統(tǒng)富縣組（J 1f），中侏羅統(tǒng)延安組（J 2y）、直羅組（J 2z）、安定組（J 2a），下白堊統(tǒng)洛河組（K 1l），新近系（N）及第四系（Q）。含煤地層主要為中侏羅統(tǒng)延安組，巖性組合為細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層，主要發(fā)育河流、三角洲和湖泊。根據(jù)延安組沉積旋回、煤巖組合及物性特征，延安組自上而下可以劃分為5段（圖1），每段各含1個(gè)煤組，為1～5號(hào)煤組；共含可采煤層共11層，分別為1-1、1-2、2-2上、2-2（2-2下）、3-1、4-2、4-3、5-2、5-3（5-3上）、5-3下、5-4，其中主采煤層為2-2、3-1、4-3、5-3（5-3上）。2-2煤發(fā)育于延安組中上部的第4段，為三角洲平原沉積。

2 樣品和試驗(yàn)方法 ""2.1 樣品采集依據(jù)《煤層煤樣采取方法》（GB/T482—2008）采用刻槽樣和井下鉆孔定向取樣相結(jié)合的方法采集了曹家灘礦井2-2煤層122107工作面2 500 m處的垂向剖面煤樣，由上至下依次編號(hào)為Y - 1～Y- 20。每個(gè)樣品對(duì)應(yīng)煤層厚度約0.5 m，共采集樣品20件，其中煤樣19件，頂板巖樣1件（圖1）。

2.2 試驗(yàn)方法

煤巖煤質(zhì)分析主要是參照《煤的顯微組分和礦物測(cè)定方法》（GB/T8899—2013）、《鏡質(zhì)組反射率測(cè)定方法》（GB/T6984—1998）、《煤的分析工業(yè)方法》（GB/T212—2008）等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了煤巖顯微組分測(cè)定、鏡質(zhì)體反射率測(cè)定及煤的工業(yè)分析。無(wú)機(jī)地球化學(xué)分析主要是對(duì)煤樣的等離子低溫灰化樣進(jìn)行礦物組成、常量元素、微量元素及稀土元素分析。等離子低溫灰化可以使煤中有機(jī)質(zhì)在150～200 ℃的低溫富氧環(huán)境中快速發(fā)生氧化，同時(shí)避免煤中的無(wú)機(jī)礦物組成在氧化過(guò)程中遭到破壞，以便后續(xù)研究中準(zhǔn)確識(shí)別煤中無(wú)機(jī)礦物組成。煤的低溫灰化采用EMS1050低溫灰化儀開(kāi)展試驗(yàn)，無(wú)機(jī)礦物組成采用X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行分析，常量元素采用德國(guó)Bruker公司SRS 3000順序型X射線熒光光譜儀（XPF）進(jìn)行測(cè)試，微量元素和稀土元素采用美國(guó)賽默公司X SeriesⅡ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）進(jìn)行測(cè)試。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 煤巖與煤質(zhì)不同沉積環(huán)境形成的煤巖類型會(huì)存在一定差異，2-2煤宏觀煤巖類型以光亮煤為主，次為暗淡煤。采集的煤樣中Y - 2、Y - 3、Y - 5、Y - 6、Y - 8、Y - 9、Y - 19、Y - 20為暗淡煤，Y - 4、Y - 7、Y - 10、Y - 11、Y - 14、Y - 15、Y - 16、Y - 17為亮煤，Y - 13為半暗煤，Y - 12、Y - 18為半亮煤。顯微煤巖組成以惰質(zhì)組為主、鏡質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量較少。其中鏡質(zhì)組介于14.03%～59.72%，平均值42%；鏡質(zhì)組以均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體（圖2（a），（b））為主，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體次之（圖2（c））。惰質(zhì)組介于34.12%～78.73%，平均值51.55%，主要是半絲質(zhì)體，部分半絲質(zhì)體的胞腔充填了其他顯微組分（如滲出瀝青體）或礦物（如黏土礦物等）（圖2（d）），其次為氧化絲質(zhì)體（圖2（e））和火焚絲質(zhì)體（圖2（f））。殼質(zhì)組介于0.78%～3.32%，平均值1.91%，以孢子體為主（圖2（g）），瀝青體、角質(zhì)體次之。部分樣品中出現(xiàn)的小孢子體和碎屑?xì)べ|(zhì)體混雜（圖2（h）），及半絲質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體共存現(xiàn)象（圖2（i）），反映了2-2煤沉積期復(fù)雜的水體環(huán)境，在沉積過(guò)程中可能發(fā)生了明顯的水體氧化性和森林野火等偶然事件[13 - 14]。

原煤水分介于5.23%～9.49%，平均值6.59%，屬于低水分煤；灰分產(chǎn)率介于2.44%～21.01%，平均值5.57%，屬于低灰煤；揮發(fā)分產(chǎn)率介于31.7%～41.35%，平均值37.11%，屬中高 - 高揮發(fā)分煤。全硫含量介于0.29%～2.92%，平均值0.72%，屬于特低 - 低硫煤，各種形態(tài)硫以黃鐵礦硫和硫酸鹽硫?yàn)橹?。干燥基低位發(fā)熱量介于22.82～31.18 MJ/kg，平均值27.75 MJ/kg，屬高發(fā)熱量煤。鏡質(zhì)體平均最大反射率為0.67%，總體上屬于低水分、低灰分、中高 - 高揮發(fā)分、特低 - 低硫、高發(fā)熱量的長(zhǎng)焰煤。

3.2 礦物組成2-2煤低溫灰化樣中無(wú)機(jī)礦物組成主要是方解石、白云石、黏土礦物、石英，零散分布著黃鐵礦、白云石、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石等。其中方解石含量介于7.90%～72.10%，平均值27.68%；白云石含量介于1.30%～59.60%，平均值23.97%；黏土礦物含量介于1.70%～53.40%，平均值16.88%；石英含量介于0.2%～30.2%，平均值9.53%。

3.3 常量元素常量元素通常以氧化物形式表示，2-2煤低溫灰化樣中常量元素組成主要有CaO、SiO 2、Fe 2O 3、Al 2O 3、SO 3、MgO和Na 2O（圖3）。CaO含量介于1.36%～50.08%，平均值27.68%，CaO來(lái)源于煤中的碳酸巖礦物，主要是方解石和白云石，屬于沼澤內(nèi)化學(xué)沉淀的產(chǎn)物。SiO 2含量介于3.24%～48.45%，平均值21.97%；Al 2O 3含量介于1.66%～23.12%，平均值9.95%；SiO 2和Al 2O 3通常來(lái)源于陸源碎屑供給的石英、長(zhǎng)石和黏土礦物。Fe 2O 3含量介于3.13%～31.82%，平均值16.09%，主要來(lái)源于黃鐵礦、菱鐵礦等礦物。SO 3的含量介于0.05%～30.25%，平均值11.68%；MgO和Na 2O的含量較少，平均值1.45～3.50%。

3.4 微量元素低溫灰化樣中微量元素含量差異較大，大部分微量元素含量小于10 μg/g，B、V、Ti、Mn、Cu、Zn、Sr、Pb、Ba的含量大于10 μg/g，大于100 μg/g的元素僅有Ti、Mn、Sr、Ba。通常將微量元素的富集劃分為6個(gè)級(jí)別：虧損（CC＜0.5）、正常（0.5＜CC＜2）、輕度富集（2＜CC＜5）、富集（5＜CC＜10）、高度富集（10＜CC＜100）、異常富集（CC＞100）[15]。與世界煤相比，2-2煤元素Li、Be、V、Cr、Co、Ni、Zn、Se、Rb、Nb、Mo、Cd、Pb、Th、U、Ta、Hf、Zr處于虧損，Cu、Ga、As、Tl、W元素處于正常，只有Cs、Ba這2個(gè)元素處于輕度富集（圖4），其中Cs含量在2.59～4.56 μg/g，平均值2.88 μg/g；Ba含量在209～4193 μg/g，平均值771.36 μg/g。

3.5 稀土元素低溫灰化樣稀土元素含量（ ∑REE）介于4.40～41.84 μg/g，平均值9.91 μg/g；其中輕稀土（∑LREE）3.94～35.73 μg/g，平均值8.69 μg/g；重稀土（∑HREE）0.47～6.12 μg/g，平均值1.22 μg/g。與上地殼（UCC）相比，2-2煤中稀土元素總量（190.00 μg/g）、輕稀土（166.89 μg/g）、重稀土（23.11 μg/g）分別是上地殼的1.13、0.99、0.14倍。將稀土元素進(jìn)行球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化[16]（圖5），可以看出2-2煤樣品的稀土元素分布模式相似，呈左高右低的“V”型曲線，表明成煤期間稀土元素來(lái)源一致，陸源物質(zhì)的供應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。Y - 2樣品稀土元素分配曲線與UCC曲線較接近，但與其他樣品曲線較遠(yuǎn)，可能與Y - 2樣品臨近煤巖頂板碎屑沉積物源增加有關(guān)。

4 討論

4.1 煤巖煤相與沉積環(huán)境

4.1.1 煤巖顯微組分響應(yīng)顯微煤巖組分中的鏡質(zhì)組通常代表潮濕還原環(huán)境，而惰質(zhì)組通常代表干燥氧化環(huán)境，鏡惰比（V/I）表示泥炭遭受的氧化作用的程度，可以直觀地反映沼澤的覆水程度及氣候的干濕情況[17]。V/Igt;4代表強(qiáng)覆水的強(qiáng)還原泥炭沼澤環(huán)境，1lt;V/Ilt;4代表極潮濕-覆水，0.25lt;VIlt;1代表潮濕 - 弱覆水的弱還原泥炭沼澤環(huán)境，V/I≤0.25則表明有火災(zāi)發(fā)生[18]。

2-2煤樣品的V/I介于0.18～1.75，平均值為0.92。在沉積期早期即煤層的下部由樣品Y - 20到Y(jié) - 14呈現(xiàn)由極潮濕—覆水到潮濕—弱覆水的過(guò)渡，沉積中期Y - 13到Y(jié) - 7呈現(xiàn)潮濕—弱覆水的弱還原環(huán)境和極潮濕-覆水還原環(huán)境的交替，沉積晚期Y - 7到Y(jié) - 2先突變?yōu)檠趸h(huán)境再突變到潮濕覆水環(huán)境，最后恢復(fù)為潮濕—弱覆水的弱還原環(huán)境（圖6）。2-2煤處于潮濕—覆水還原環(huán)境至潮濕—弱覆水的弱還原的水體環(huán)境中，僅在沉積晚期出現(xiàn)了干燥的氧化環(huán)境。

4.1.2 煤相參數(shù)響應(yīng)煤相參數(shù)是指示古泥炭沉積環(huán)境的重要標(biāo)志[19]，能夠研究煤層沉積期的覆水深度、凝膠化程度、沉積植物類別以及地下水位條件等沉積環(huán)境條件，常用的參數(shù)有植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)、凝膠化指數(shù)、地下水流動(dòng)指數(shù)和植被指數(shù)。植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)反映了植物木質(zhì)材料（例如樹(shù)干、根、莖等）的保存程度與降解程度；凝膠化指數(shù)可以推測(cè)沼澤中的地下水位；地下水流動(dòng)指數(shù)表示泥炭沼澤的覆水深度；植被指數(shù)表示沼澤中森林木本親緣顯微組分與水生親緣顯微組分之間的比率。Diessel建立的植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù) - 凝膠化指數(shù)煤相圖可以推測(cè)成煤的沼澤環(huán)境和植物類型[20]，植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)=1作為木本植物為主與草本植物為主的界線，凝膠化指數(shù)=1作為潮濕型沼澤與干燥型沼澤的界線（圖7（a））。2-2煤植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)值介于0.47～4.83，平均值1.61；凝膠化指數(shù)值介于0.2～1.85，平均值0.99。2-2煤植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)值大部分gt;1反映成煤植物以木本植物為主；凝膠化指數(shù)值大部分在凝膠化指數(shù)=1附近，主要形成于潮濕型沼澤與干燥型沼澤。

Calder建立的植被指數(shù) - 地下水流動(dòng)指數(shù)煤相圖可以推測(cè)成煤水動(dòng)力環(huán)境和泥炭堆積環(huán)境[21]。地下水流動(dòng)指數(shù)＞0.5指示沉積水位較高、水動(dòng)力作用強(qiáng)，反之水動(dòng)力作用較弱；植被指數(shù)＞1反映了以木本植物為主的森林沼澤，反之是以草本植物為主的湖泊環(huán)境（圖7（b））。2-2煤地下水流動(dòng)指數(shù)值介于0.01～0.21，平均值0.06，表明沉積水位低，水動(dòng)力弱。植被指數(shù)值介于0.45～4.69，平均值1.64，反映以低木本植物為主的森林沼澤相。

2-2煤成煤植物以低木本植物為主，沉積期既有潮濕森林沼澤相也有干燥森林沼澤相，個(gè)別時(shí)期還出現(xiàn)濕地草本沼澤相，沼澤覆水較淺，處于水動(dòng)力條件弱的弱還原的水體環(huán)境。這與以往研究的延安組沉積期早期相對(duì)干燥，中期較為濕潤(rùn)、后期干燥的現(xiàn)象十分吻合[22]。

4.2 地球化學(xué)與沉積環(huán)境

4.2.1 古鹽度

古鹽度主要利用沉積物中的易溶組分、難溶組分和黏土質(zhì)吸附陽(yáng)離子的含量來(lái)分析，常用的參數(shù)有灰成分指數(shù)、CaO/（Fe 2O 3+CaO）和微量元素Sr/Ba比等?；页煞种笖?shù)反映了成煤環(huán)境受海水影響的程度[23]，計(jì)算公式為K=（Fe 2O 3+CaO+MgO）/（SiO 2+Al 2O 3）；灰成分指數(shù)小于0.22為陸相成煤環(huán)境，大于0.22則成煤環(huán)境受海水影響較大[24]。CaO/（Fe 2O 3+CaO）值可以進(jìn)一步分析沉積水環(huán)境的古鹽度，CaO/（Fe 2O 3+CaO）值大于0.5時(shí)為高鹽度環(huán)境，小于0.5時(shí)為低鹽度環(huán)境[25]。2-2煤樣品灰成分指數(shù)介于0.32～15.7，平均值3.39；灰成分指數(shù)全大于0.22（圖8（a）），煤灰成分中Fe 2O 3+CaO+MgO的含量較高，反映了2-2煤成煤環(huán)境受海水影響較大。CaO/（Fe 2O 3+CaO）值介于0.25～0.82，平均值0.62，指示了2-2煤沉積期常處于鹽度略高的環(huán)境中（圖8（b））。

微量元素Sr/Ba也常作為判斷古鹽度的標(biāo)志。Sr與Ba的化學(xué)性質(zhì)相似，但Sr的遷移能力較強(qiáng)。水體鹽度增加，Ba會(huì)率先以BaSO 4的形式沉淀出來(lái)，而Sr的沉淀析出需要更高的鹽度。通常從淡水到咸水環(huán)境，沉積物中Sr/Ba值總體上增大，Sr/Ba＞1.0時(shí)指示海相咸水環(huán)境，Sr/Ba＜0.6時(shí)指示陸相淡水環(huán)境，0.6＜Sr/Ba＜1.0時(shí)指示過(guò)渡相的半咸水環(huán)境[26]。2-2煤Sr/Ba比介于0.02～0.58，平均值0.35；垂向上煤層底部Y - 20至中上部Y - 8均為陸相淡水環(huán)境，僅在中上部Y - 7到Y(jié) - 8處于半咸水環(huán)境，至上部Y - 2又恢復(fù)為基本穩(wěn)定的陸相淡水環(huán)境（圖8（c））。煤灰成分反映的古鹽度和微量元素反映的古鹽度結(jié)果存在一定差異，2-2煤沉積期應(yīng)是以鹽度略高的陸相淡水環(huán)境為主，在沉積期可能出現(xiàn)了較多干熱氣候環(huán)境，造成水體中Fe、Ca、Mg濃縮聚集，從而造成了受海水影響的假象[25]。

4.2.2 古氣候部分微量元素在不同的氣候和環(huán)境條件下具有特定的地球化學(xué)特征，從而記錄了古氣候環(huán)境的變化。Sr/Cu的比值可以較好地判斷古氣候變化的參數(shù)；在干熱氣候下，巖石風(fēng)化作用增強(qiáng)，Cu元素更容易流失，而Sr元素相對(duì)更穩(wěn)定，造成Sr/Cu比會(huì)升高。Sr/Cu比介于1.3～5.0為溫濕氣候，大于5.0為干熱氣候[27]。2-2煤Sr/Cu比介于3.88～27.24，平均值13.16；在垂向上，2-2煤底部Y -20到中部Y - 12的Sr/Cu比主要介于6～10，平均值7.56，反映溫濕與干熱氣候交替出現(xiàn)的古氣候環(huán)境；而從中部Y - 11到頂部Y - 3Sr/Cu比出現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，并在Y - 10和Y - 5這2處達(dá)到25以上，反映了該時(shí)期可能出現(xiàn)相對(duì)干熱的古氣候；至頂部Y - 2又過(guò)渡到相對(duì)溫濕的古氣候環(huán)境（圖9（a））。根據(jù)Sr與古水溫的擬合公式Sr的含量=2 578-80.8T可以計(jì)算古水溫的變化[28]，計(jì)算推測(cè)2-2煤沉積期古水溫介于28.72～31.85 ℃之間，平均值30.26 ℃。古水溫的垂向變化規(guī)律和Sr/Cu比具有較高相似性（圖9（b））。2-2煤沉積早期主要為溫濕和干熱的過(guò)渡氣候，在晚期出現(xiàn)了古氣候由溫濕向干熱氣候轉(zhuǎn)變，水體蒸發(fā)量大，造成了煤中Fe、Ca、Mg的沉淀[29]。

4.2.3 古氧化還原條件沉積物中的微量元素及稀土元素的地球化學(xué)特征可以為判別古氧化還原環(huán)境提供可靠依據(jù)。采用V/Cr、Ni/Co、Ce/La來(lái)綜合推斷2-2煤沉積的古氧化還原條件。

在氧化環(huán)境下，V和Cr都以可溶性的形式存在，而在還原條件下Cr會(huì)被還原成Cr3+，并被腐殖質(zhì)或Fe和Mn的氫氧化物汲取而進(jìn)入沉積物。V/Cr＜2時(shí)表示氧化環(huán)境，V/Cr＞2時(shí)表示還原環(huán)境[30]。Ni和Co也常用于古氧化還原條件的分析，Co在還原環(huán)境中比Ni優(yōu)先活化，造成沉積物中Ni/Co比值的增大。Ni/Co＜2.5為氧化環(huán)境，Ni/Co介于2.5～5為還原環(huán)境，Ni/Co＞5為貧氧環(huán)境[31]。2-2煤樣品V/Cr比值介于1.58～4.48，均值為3.06；整體處于還原環(huán)境，在沉積期中部Y - 11至Y - 12及晚期Y - 2出現(xiàn)了氧化環(huán)境（圖10（a））。樣品Ni/Co比值介于1.36～6.90，平均值3.74；整體來(lái)看，大部分樣品Ni/Co比值大于2.5，屬于還原至貧氧環(huán)境，僅在沉積期晚期Y-2和Y-3樣品中出現(xiàn)氧化環(huán)境（圖10（b））。煤中稀土元素的地球化學(xué)行為受到沉積期古氧化還原條件的影響，Ce、La元素可以指示氧化還原環(huán)境，Ce/La＞2.0時(shí)為厭氧環(huán)境，位于1.5～2之間為貧氧環(huán)境，Ce/La＜1.5為富氧環(huán)境[32]。2-2煤樣品中Ce/La比值介于1.5～2.04，平均值為1.68，整體屬于貧氧環(huán)境；在2-2煤層垂向剖面上，稀土元素Ce/La比值與微量元素V/Cr比值具有高度的相似性，在煤層沉積期中期Y-11樣品附近，Ce/La比值出現(xiàn)了較大變化，出現(xiàn)了最小值小于1.5，反映了沉積期中期可能有氧化環(huán)境條件的劇變（圖10（c））。2-2煤沉積期氧化還原條件雖有動(dòng)蕩，但是仍是以還原或者貧氧環(huán)境為主。局部出現(xiàn)的氧化環(huán)境在煤層的顯微組分組成上以半絲質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體共存為表現(xiàn)。

4.3 沉積環(huán)境對(duì)焦油產(chǎn)率的控制

4.3.1 顯微組分對(duì)焦油產(chǎn)率的控制從鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組與焦油產(chǎn)率的相關(guān)性分析可以看出（圖11（a），（b），（c）），鏡質(zhì)組與焦油產(chǎn)率呈一定的正相關(guān)關(guān)系，惰質(zhì)組與焦油產(chǎn)率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，鏡惰比與焦油產(chǎn)率有較好的正相關(guān)關(guān)系。反映出鏡質(zhì)組有利于煤焦油的產(chǎn)生，而惰質(zhì)組不利于煤焦油的產(chǎn)出，雖然2-2煤顯微組分中惰質(zhì)組平均含量略高于鏡質(zhì)組，對(duì)樣品的焦油產(chǎn)出有一定的負(fù)面影響，但仍具較高的焦油產(chǎn)率。通過(guò)植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)、凝膠化指數(shù)、地下水指數(shù)、植被指數(shù)與焦油產(chǎn)率的相關(guān)性分析及煤相參數(shù)間的相關(guān)性分析可以看出（圖11（d），（e），（f），（g），（h）），植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)與凝膠化指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，凝膠化指數(shù)與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系，但植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)、植被指數(shù)與焦油產(chǎn)率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，地下水流動(dòng)指數(shù)與焦油產(chǎn)率關(guān)系不明顯。即煤凝膠化程度高有利于焦油產(chǎn)率的產(chǎn)出；而植物結(jié)構(gòu)保存程度高時(shí)，木本組織含量多，焦油產(chǎn)率就越低，不利于富油煤的產(chǎn)出；同時(shí)較高的植被指數(shù)預(yù)示著木本組分多，即森林沼澤的沉積環(huán)境下焦油產(chǎn)率更低。

焦油產(chǎn)率與煤巖顯微組分及煤相參數(shù)之間的關(guān)系（圖11（a），（b），（c），（d）），可以看出當(dāng)鏡質(zhì)組含量大于30%，樣品幾乎全部屬于富油煤；當(dāng)惰質(zhì)組含量小于60%時(shí)，樣品幾乎全部是富油煤；鏡惰比高于0.59，樣品幾乎全部屬于富油煤。

植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)值在1～1.65之間、凝膠化指數(shù)值在0.65～1.75之間也是富油煤的有利分布區(qū)間。由此可見(jiàn)，中高等含量鏡質(zhì)組、中高凝膠化程度和低木本組分有利于富油煤的形成，還原環(huán)境程度越高，越有利于富油煤的產(chǎn)出。

4.3.2 常量元素對(duì)焦油產(chǎn)率的控制煤灰常量元素與焦油產(chǎn)率之間的相關(guān)關(guān)系（圖12（a），（b），（c），（d），（e）），2-2煤低溫灰化樣常量元素分布比較離散，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可以發(fā)現(xiàn)SiO 2、Al 2O 3與焦油產(chǎn)率有弱正相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)e 2O 3、MnO 2、Fe 2O 3+CaO+MgO與焦油產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即煤灰中Si、Al含量較高樣品具有相對(duì)較高的焦油產(chǎn)率與陸源碎屑供給促進(jìn)植物生長(zhǎng)有關(guān)。

富油煤無(wú)機(jī)組分的常量元素分布特征（圖12（f），（g），（h）），可以看出富油煤的主要分布范圍是：Al 2O 3含量介于5%～15%，CaO含量介于13%～42%，F(xiàn)e 2O 3含量介于0%～25%，MnO 2含量介于0%～0.6%。

由圖12（h）可以看出，富油煤主要分布在中等SiO 2+Al 2O 3和中等Fe 2O 3+CaO+MgO的區(qū)間，過(guò)高的SiO 2+Al 2O 3和過(guò)高的Fe 2O 3+CaO+MgO含量都不是富油煤的典型分布區(qū)間。煤中的SiO 2和Al 2O 3主要來(lái)源于煤中的石英、長(zhǎng)石和黏土礦物，而這些礦物主要來(lái)自陸源碎屑的供給[33]；煤灰中的Fe 2O 3主要來(lái)自黃鐵礦和菱鐵礦，CaO和MgO來(lái)自煤中的碳酸鹽巖礦物，主要為菱鐵礦和方解石，而這些礦物主要為沼澤內(nèi)化學(xué)沉淀的產(chǎn)物。富油煤的形成不僅需要有一定覆水深度的還原環(huán)境，還需要適量的陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)。

4.3.3 微量、稀土對(duì)焦油產(chǎn)率的控制微量元素和稀土元素在樣品中含量很少，因此在微量、稀土元素與焦油產(chǎn)率的相關(guān)性分析中，各微量元素和稀土元素與焦油產(chǎn)率的關(guān)系不明顯。但是由于部分微量元素、稀土元素對(duì)沉積環(huán)境十分敏感，沉積環(huán)境又在一定程度上影響著富油煤的形成。因此微量元素、稀土元素對(duì)煤焦油產(chǎn)率的影響主要體現(xiàn)在不同沉積環(huán)境中微量、稀土元素比值的差異，從Sr/Ba、Ni/Co、Ce/La等比值與焦油產(chǎn)率之間的關(guān)系可以看出（圖13），Sr/Ba、Ni/Co、Ce/La比值均與焦油產(chǎn)率有明顯的正相關(guān)關(guān)系，即較大的Sr/Ba、Ni/Co、Ce/La比值所反映的適量鹽度、較強(qiáng)還原環(huán)境有利于富油煤的形成。

5 結(jié) 論

1）曹家灘礦井2-2煤煤巖顯微組成以惰質(zhì)組為主、鏡質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量較少；成煤植物則以低木本植物為主，沉積期以潮濕森林沼澤相和干燥森林沼澤相為主，個(gè)別時(shí)期出現(xiàn)濕地草本沼澤相；總體處于潮濕—覆水還原環(huán)境至潮濕 - 弱覆水的弱還原的水體環(huán)境中，泥炭沼澤覆水較淺，水動(dòng)力條件弱。

2）曹家灘礦井2-2煤沉積期以鹽度略高的陸相淡水環(huán)境為主，沉積早期主要為溫濕和干熱的過(guò)渡氣候，在晚期出現(xiàn)了古氣候由溫濕向干熱氣候轉(zhuǎn)變；沉積期氧化還原條件以還原或者貧氧環(huán)境為主，局部出現(xiàn)氧化環(huán)境。

3）曹家灘礦井富油煤的鏡質(zhì)組含量大于30%、惰質(zhì)組含量小于60%、植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)值在1～1.65之間、凝膠化指數(shù)值在0.65～1.75、"Al 2O 3 介于5%～15%、CaO介于13%～42%、Fe 2O 3"介于0%～25%、MnO 2介于0%～0.6%。鏡質(zhì)組、凝膠化指數(shù)、Sr/Ba、Ni/Co、Ce/La等與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系，即中高等含量鏡質(zhì)組、中高凝膠化程度、低木本組分、適量鹽度和較強(qiáng)的還原環(huán)境，以及適量的陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)有利于富油煤的形成。

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（責(zé)任編輯：李克永）