大同煤田石炭－二叠纪煤系沉积物源分析

崔晓立

（四川科技职工大学矿业工程系，四川成都 601101）

大同煤田石炭－二叠纪煤系沉积物源分析

崔晓立

（四川科技职工大学矿业工程系，四川成都 601101）

通过对大同石炭－二叠纪煤系沉积物的碎屑特征分析，提出沉积物来源方向和陆源区域位置，揭示陆源区构造背景的演化对沉积物源组分的影响，为大同进行古生代煤岩层对比、预测煤层厚度变化规律等提供了依据。

大同煤系；碎屑特征；物源分析；陆源区演化

大同煤田是赋存有石炭-二叠纪煤系和侏罗纪煤系的双纪煤田。随着长时间、大规模、高强度的煤炭开采，侏罗纪煤炭资源已逐渐趋于枯竭，石炭-二叠纪煤系的地质勘查与开发工作正有序进行，目前塔山矿井已建成投产，同忻井田勘探也将结束。通过对大同石炭-二叠纪煤系的沉积物源进行系统分析，探讨煤盆地沉积物来源及其陆源区位，以期对煤盆地沉积演化及煤层对比分析提供依据。

1 地质概况

大同聚煤盆地总体形态为轴向呈北东——南西向的椭圆形，面积1 827km2，主体构造为东南翼地层倾角较陡，西北翼平缓的不对称向斜，见图1。

图1 大同煤田区域构造示意图

区域地层自老至新分别为：太古界集宁群、古生界寒武系、奥陶系下统、石炭系、二叠系；中生界侏罗系、白垩系；新生界第三系、第四系［1］。石炭二叠系地层岩性及含煤性描述如下。

1.1 中石炭统本溪组

本组底部为紫色铁质泥岩及灰色铝土质泥岩；中上部为深灰色页岩、砂质页岩及灰白色石英砂岩互层；中部夹一层厚2～5m的石灰岩；上部以砂岩、泥岩互层为主。厚35m左右，与下伏奥陶系为平行不整合接触。

1.2 上石炭统太原组

本组为主要含煤地层。底部以灰褐色中粗粒砂岩（K2）与本溪组分界，往上为砂岩、泥岩互层，夹9#和10#两个薄煤层，一般不可采，再向上为厚2～6m的8#煤层，煤层顶部是含腕足类动物化石碎片的泥灰岩及泥岩。

中部以灰白色含砾粗砂岩、粗、中砂岩为主，砂岩中含大型交错层理，韵律结构明显，夹6#、7#局部可采煤层，砂岩不稳定，横向上多变为灰白色砂质泥岩、粉砂岩。其上为巨厚层的5#煤层，是本区域最主要可采煤层。

上部主要为巨厚的砂砾岩、含砾粗砂岩、中粗砂岩，与砂质泥岩、泥岩互层，砂岩中发育大型交错及水平层理，韵律结构明显，砂体底部多具冲刷面，砂岩间夹4#、3#和2#煤层。

太原组总厚度一般为80～100m，由南向北厚度逐渐变薄，至十里河以北尖灭。煤层最大厚度47.45m，一般17m，含煤系数近20％。与下伏本溪组为整合接触。

1.3 二叠系山西组

山西组底部为一层灰白色砂砾岩、含砾粗砂岩或中粗砂岩（K3），岩性不稳定，厚度4m左右。往上为灰、灰白色粗砂岩、中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、砂质泥岩互层。其间夹4层薄煤层，只有4＃煤层较稳定，部分可采。本组厚20～80m，一般50～60m，由南、南东向北、北西变薄，至忻洲窑-新、旧高山一线以北尖灭。含煤总厚0.16～10.63m，一般3m，含煤系数4％。

下石盒子组以灰绿、灰黄、灰白色砂岩、泥岩为主，厚度64～68m。

上石盒子组以灰绿、黄绿、灰紫色砂岩、含砾石英砂岩为主，厚度168～231m。

山西组与上覆石盒子组为整合接触，与下伏石炭系太原组为整合接触。

2 大同石炭-二叠纪煤系沉积物源分析

碎屑岩类分析法被广泛用于物源分析［2］，主要是通过对选定层位砂岩样品的碎屑组分和结构特征进行统计分析，来反映物源区和沉积盆地的构造环境。由于砂岩的骨架矿物成分是由物源区的母岩遭风化、剥蚀后被搬运到沉积盆地的，砂岩中骨架颗粒类型、含量及其组合、光性特征等都能反映盆地物源区母岩性质及盆地接受沉积时物源区的构造背景，所以可根据砂岩的成分判断其物源区的构造性质，进而探讨盆地沉积演化［3］。根据大同石炭-二叠纪煤系的岩性特点采用碎屑岩类分析法对物源进行分析，通过测定古流向确定物源的来源方向，采用砂岩碎屑组分分析法判定物源区的母岩性质及构造背景。

2.1 古流向分析

砂岩层中交错层理细层的倾向能反映古水流的流向，揭示物源区的来源方位。本次研究选择了区域分布相对稳定的太原组底部K2砂岩、5#煤层底板砂岩及山西组底部K3砂岩作为研究对象。野外实测了关键岩层的产状及交错层理细层的产状，采用极射赤平投影方法恢复了岩层及交错层理的原始产状。其中，实测K2砂岩交错层理细层产状34组，经统计校正后的平均倾向为149°；实测5#煤层底板砂岩交错层理细层产状52组，平均倾向154°；实测K3砂岩交错层理细层产状60组，平均倾向151°。实测数据表明，大同地区在石炭-二叠纪煤系沉积时段，古水流属单向模式从北北西向南南东向流动，注入大同聚煤盆地，指示当时盆地沉积的物源区为盆地北部的阴山隆起带。

2.2 碎屑组分特征

大同石炭-二叠纪煤系地层中发育砂、砾岩21～26层，经过野外露头采取砂岩样品及镜下鉴定，根据中、粗粒砂岩碎屑颗粒的矿物成分、表面形态特征、消光特性及类型、双晶类型、边缘特征等进行分析，认为岩石类型主要为石英砂岩、岩屑石英砂岩、长石石英砂岩、长石岩屑砂岩等，见表1。

2.2.1 本溪组砂岩碎屑组分特征

表1 大同石炭-二叠纪煤系砂岩碎屑组分成因统计表/％

镜下观察本溪组砂岩的碎屑组分中石英占95％以上，岩屑占4.71％，胶结物主要为泥质。石英碎屑颗粒主要有单晶石英和多晶石英。单晶石英镜下大多表现为具波状消光及不完整的次生加大边特征，且分选性、磨圆度较好，这类单晶石英应属沉积岩型；多晶石英的镜下特征常由几个粒状石英组合而成，颗粒多具次生加大边，这类多晶石英应属沉积型石英。镜下也见极少量不具波状消光、表面较洁净的单晶石英，这类单晶石英应属岩浆岩型。镜下偶见接触线较平直呈镶嵌状的粒度大小相近的石英颗粒组合成的多晶石英，这类多晶石英应为岩浆岩型石英。本溪组的岩屑主要为粉砂质泥岩岩屑，成分为粉砂级石英及粘土矿物，外形呈次圆状，磨圆度较好，为沉积型岩屑。正交镜下见少量呈集合消光的由微晶石英组成的燧石岩屑，属沉积型岩屑。

本溪组沉积岩型碎屑颗粒占98％以上，而岩浆岩型碎屑占1％左右，没有发现变质岩型碎屑。分析结果表明，大同地区本溪组沉积时，物源区出露分布大面积的具次生加大边特征的石英颗粒组成的沉积岩，岩浆岩体出露极少量。

2.2.2 太原组砂岩碎屑组分特征

镜下观察太原组砂岩碎屑组分，石英占82.69％，岩屑占14.81％，长石占2.5％，胶结物为泥质、硅质。石英碎屑颗粒有单晶石英和多晶石英。单晶石英的镜下特征大多为具不完整次生加大边的石英颗粒，应属沉积岩型；其次是具不规则裂纹且呈碎块消光的单晶石英，镜下观察碎屑表面有少量黑色麻点，应为变质岩型；还有极少数具熔蚀结构边缘呈港湾状均一消光的单晶石英，属花岗岩型。镜下多晶石英大多呈集合体形式出现，次生加大边较明显，应为沉积岩型多晶石英；其次是以缝合线形式接触的由几个粒度不等的石英颗粒组成的多晶石英，这类石英应为变质岩型石英。还见少量呈镶嵌状接触线平直的多晶石英，应属花岗岩型。

太原组的岩屑主要为粉砂质泥岩岩屑及微晶石英组成的燧石岩屑，都属沉积岩型岩屑。

统计结果表明，太原组沉积岩型碎屑颗粒达82.46％，而变质岩型颗粒占10.92％，岩浆岩型颗粒仅为6.62％，说明太原组沉积时物源区仍以沉积岩为主，但随着陆源区剥蚀程度加强，一些岩浆岩体和变质岩逐渐露出地表遭风化剥蚀。

2.2.3 山西组砂岩碎屑组分特征

镜下观察山西组砂岩碎屑组分中石英达67.36％，岩屑21.64％，长石11％，胶结物以泥质为主。石英碎屑颗粒有单晶石英和多晶石英。单晶石英的镜下特征通常具次生加大边，这类单晶石英属于沉积岩型；其次为具不规则裂纹呈碎块消光的单晶石英，这类单晶石英属变质岩型；偶尔可见边缘呈港湾状均一消光的单晶石英，属花岗岩型。镜下观察多晶石英大多为多晶集合体，具次生加大边，属沉积岩型；其次是晶粒间呈缝合线状接触的多晶石英，应属变质岩型；还有少量具平直接触线的多晶石英，属于花岗岩型。山西组的岩屑主要是粉砂质泥岩岩屑和由石英微晶集合而成的燧石岩屑。

统计结果表明，山西组沉积岩型颗粒为64.95％左右，变质岩型碎屑达到23.33％，岩浆岩型颗粒为11.73％，说明山西组沉积时物源区既有大面积沉积岩分布，还岀露有较大范围的变质岩和岩浆岩。

综合上述，从本溪期始到太原期至山西期，碎屑成分由沉积型单一组分逐渐变为双组分到三组分，揭示物源区逐步抬升，母岩遭风化剥蚀范围和深度逐渐扩大加深。

2.3 物源区古构造演化

物源区的古地理和古构造背景特征与沉积盆地中砂岩碎屑组分的类型及含量关系密切［4］。通过对大同石炭-二叠纪煤系砂岩碎屑组分中石英、长石、岩屑含量的分类统计表明，本溪组石英与燧石的总量达96％，岩石碎屑占4％，无长石。太原组石英与燧石的总量介于84％～95％，平均为90.75％；岩石碎屑含量介于5％～11％，平均为8.0％；长石含量最高达3％。山西组石英与燧石的总量占79％～87％，平均为82％；岩石碎屑占11％～21％，平均16.4％；长石含量介于0％～5％，平均为1.6％，见表2。

表2 大同石炭-二叠纪煤系砂岩碎屑组分（Dickinson）参数表

将本溪组砂岩碎屑颗粒组分统计结果投入QF-L图中，其位置落入再旋回造山带区域；太原组的砂岩碎屑颗粒组分统计结果，在Q-F-L图中95％落到再旋回造山带区域，其余落到大陆板块区域；山西组的砂岩碎屑颗粒组分统计结果，投到QF-L图解中，90％落到再旋回造山带区域；10％落在大陆板块区域。说明在大同石炭-二叠纪煤系沉积初期，陆源区出露着大范围的沉积岩层，陆源区与华北地块处于同一构造单元，后来伴随着华北板块和西伯利亚板块的碰撞，阴山一带逐渐隆起，剥蚀强度进一步加强，使变质岩系及侵入其中的岩浆岩体逐渐露出地表遭受剥蚀，而大同地区拗陷沉降，大同石炭-二叠纪聚煤盆地接受来自阴山一带风化剥蚀产物的沉积，可见阴山一带仍属于华北克拉通地块的一个组成部分，“阴山古陆”不应该是自元古宇以来就长期隆升的构造单元［5］。

3 结论

通过对大同石炭-二叠纪煤系沉积物源特征分析，认为陆源区为大同北部的阴山隆起构造带。物源碎屑特征揭示出的物源区构造演化背景，显示在大同石炭-二叠纪煤系沉积之前，阴山一带仍属华北克拉通地块的一部分，阴山构造带并不是自元古宇以来就长期隆升的构造单元，而是自早石炭世末伴随着华北板块和西伯利亚板块的碰撞，阴山构造带逐渐隆起并遭风化剥蚀，成为大同石炭-二叠纪聚煤盆地的沉积物源供给区。

［1］周安朝.大同晚古生代含煤盆地地质学研究［M］.北京：煤炭工业出版社，2010.

［2］王成善，李祥辉.沉积盆地分析原理与方法［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］李思田，解习农.沉积盆地分析基础与应用［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］郗宝华.大同煤田晚古生代陆源区母岩组合探讨［J］.科技情报开发与经济，2009（11）：146-148.

［5］周安朝.华北地块北缘晚古生代盆地演化及盆山耦合关系［M］.北京：煤炭工业出版社，2000.

〔编辑 石白云〕

Analysis of the Source of the Deposits of Datong Coal Seams Formed in the Permo-carboniferous Period

CUI Xiao-li
（Department of Mining Engineering，Sichuan Staff University of Science and Technology，Chengdu Sichuan，601101）

After surveying the characteristics of the scraps from the deposits of Datong coal seams formed in the Permocarboniferous period，the author puts forward the source of the deposits and the location of the sourceland，and reveals the influence of the evolution of the sourceland structure on the elements of the deposits.This research provides proofs for further studies including Paleozoic coal rock formation comparison and the prediction in coal layer thickness change.

Datong coal family；characterizes of the scraps；source analysis；sourceland evolution

P534.46

A

1674－0874（2011）04－0055－04

2011－04－28

崔晓立（1960－），男，北京人，硕士，副教授，研究方向：煤田地质与岩矿分析。