塔山井田太原组3号煤层成煤沉积环境特征

豆贯铭，马美玲，刘东娜，廉凯龙

（太原理工大学 矿业工程学院，太原030024）

大同煤田是山西省动力煤主产区之一，由于煤田内赋存的侏罗系煤层资源将近枯竭，多个生产矿井相继关闭，石炭—二叠系煤层开采已全面展开。加之煤炭燃烧所引起的环境问题越来越受重视［1］，对煤炭洗选比率和洗选效果的要求也逐年增加。近年来，大量学者开始针对石炭—二叠系可采煤层进行研究，认为大同煤田煤系地层的分布范围主要受压缩构造和伸展构造控制［2］，沉积相特征由海陆过渡相逐渐变为陆相沉积［3－5］，其物源区为大同北部的阴山隆起构造带［4，6］，但是对于煤层本身的成因环境及煤岩煤质特征研究工作较少。笔者在前人研究基础上［4，7］，对塔山井田石炭—二叠系太原组3号煤分层的成煤环境进行了对比分析，旨在探讨煤田内主采煤层的形成演化规律，为进一步研究大同煤田煤层的赋存规律和煤矿开采提供理论指导。

1 地质背景

图1 采样点及区域地质简图

2 样品采集及研究方法

样品采自大同煤田塔山井田白洞矿区3号煤层，从上到下刻槽采取，按宏观煤岩特性划为11个煤分层和2个夹矸层（如图2）。宏观煤岩类型分类依据GB／T18023—2000；显微组分和显微岩石类型分 类 依 据 GB／T15588—2001 和 GB／T15589—1995；全硫及灰分产率依据煤的工业分析方法GB／T212—2001测 定；主、次 元 素 含 量 依 据 GB／T14506．28—93，硅酸盐岩石化学分析方法采用X射线荧光光谱法（XFS）测定；微量元素含量依据DZ／T0223—2001，采用电感耦合等离子质谱（ICPMS）分析方法测定，测试条件为温度20℃，相对湿度30%。

图2 3号煤宏观煤层柱状及分层结构图

3 结果与讨论

3．1 煤岩学特征

经测定，3号煤的镜质组平均反射率为0．82%，属于中变质程度烟煤。煤层结构相对复杂，含有两层夹矸。分层宏观煤岩类型主要以半亮型煤为主，半暗型煤和暗淡型煤次之，仅一个光亮型煤分层（如图2）。分层煤样结构以条带状为主，线理状少见，构造以层状为主，块状次之。

3号煤的显微煤岩组分（表1）以镜质组为主，平均体积分数为55．71%；惰质组次之，平均体积分数为18．24%；壳质组最少，平均体积分数为7．4%。其中1，2，3，4，6，8，12，13分层中镜质组体积分数均在50%以上；3，7，11分层惰质组体积分数均在30%以上；6，8分层中壳质组体积分数均在10%以上。3号煤中的镜质组以无结构镜质体为主，均质镜质体次之。惰质体以半丝质体、惰屑体为主，部分煤分层还含有少量有菌类体。壳质组以孢子体为主，其次是角质体。

3号煤层的显微镜光学测定及XRD实验结果（如图3）表明，该煤分层中矿物主要以粘土矿物为主，体积分数均在7．1%以上（表1）；其次是碳酸盐矿物方解石和菱铁矿，体积分数在0．2%～1．1%之间；个别煤分层还含有较多的黄铁矿（3分层）和少量石英（7分层）。其中，9和11分层中矿物体积分数大于20%；1，7和13分层矿物体积分数稍大于10%，其余分层中矿物质体积分数均小于10%。

图3 3号煤XRD实验结果

煤中的显微煤岩组成及含量影响着煤的光泽度。分层7，9，11的宏观煤岩类型为暗淡型煤，取决于较高的矿物含量（9，11）和惰质组含量（7）；分层1，3，6均为半暗型煤，取决于较高的惰质组含量和相对较高的矿物含量；2，8，12，13分层因其较高的镜质组及较低的矿物和惰质组含量为半亮型煤；分层4的镜质组体积分数高达80%以上，故为光亮型煤。

煤的显微组分受泥炭沼泽内部条件的制约［9］，故显微组分的组成可以从侧面反映成煤泥炭沼泽的原始沉积环境［10］。

13，12分层的高镜质组表明，分层成煤沼泽环境覆水明显；演化至11，9分层镜质组含量明显；降低而惰质组含量增多，壳质组变化不明显，表明泥炭沼泽已变为相对浅覆水的开放或半开放环境。11分层中的粗粒体含量明显较其他显微组分偏高，这可能是由于动荡水体的注入造成的。

3.3 吸烟及黄斑色素 有研究表明[51，52]，与不吸烟者相比，吸烟者发生干性AMD的相对危险度是2.54。Fujihara等[53]发现在动物模型中，长期慢性吸烟容易造成RPE细胞膜折叠，细胞内出现空泡结构、视网膜中Bruch膜增厚等超微结构的改变，RPE细胞的这些改变和早期AMD中RPE细胞凋亡的特征性病理改变相一致。

8分层中镜质组含量较9分层明显增多，且壳质组体积分数高达20．4%，泥炭沼泽可能是一种覆水活氧的开放性环境；演化至7分层镜质组体积分数明显降低，而惰质组体积分数高达50%；泥炭沼泽又变为一种相对浅覆水的开放或半开放环境，6分层中显微组成与8分层相近但略低，泥炭沼泽恢复了覆水活氧的开放性沼泽环境。

4，3，2，1分层整体镜质组体积分数均高于50%，矿物质含量总体偏低，表明此时完全处于一种明显覆水但沉降均衡的泥炭沼泽环境。

此外，7，11，12，13中碳酸盐矿物的较多出现，反映了一种湖沼或滨海相沉积环境。

3．2 煤相参数特征

本文选用的表征煤相特征的参数结构保存指数（TPI）和凝胶化指数（GI）是C．F．K．Diessel于1982年提出并改进的，现为国内学者广泛引用［11－15］。

结构保存指数（TPI）［14－15］是镜质组和惰性组组分中结构显微组分和无结构显微组分的比值，反映泥炭沼泽中植物体遭受搬运及氧化作用的程度。凝胶化指数是凝胶化物质和非凝胶化物质的比值，指示沼泽的相对湿度和氧化程度。

3号煤分层的GI值均大于1，属于浅覆水或明显覆水环境（如图4）；TPI值较分散，结构保存程度不一。根据TPI－GI相图可以将3号煤分层的原始泥炭沼泽沉积相划分为4种类型，即湖沼相、潮湿森林沼泽相、较深覆水森林沼泽相、覆水森林沼泽相，主体煤相为潮湿森林沼泽相。其中分层9、11属湖沼相，GI值均为3．4，TPI值分别为0．3和0．4。结构保存程度最差，可能处于不同成因的成煤环境转化阶段，受动荡水体（如，洪泛水）影响所致；分层1，2，3，6，7，8和12属潮湿森林沼泽相，GI值为1．1～6．8，TPI值为1．2～1．9；分层13属覆水森林沼泽相，GI值为6．1，TPI值为2．8，结构保存程度最好；分层4属较深覆水森林沼泽相，GI值为19．4，TPI值为2．1。

图4 3号煤TPI－GI相图

表1 3号煤显微组分含量及煤相参数统计表（体积分数）

3．3 煤地球化学特征

本次研究实际共测定主、次量元素10种，微量元素47种，鉴于微量元素在沉积环境指向意义上的不确定性和分层煤样对比的微小差异性，由于篇幅所限，在分析过程中只选用了部分具有沉积环境指向意义的元素。

不同的泥炭沼泽环境下形成的煤中矿物组分、灰分及微量元素具有不同地球化学特征。灰成分指数w（CaO＋MgO＋Fe2O3）／w（SiO2＋Al2O3）比值可以作为海陆分界的依据；w（Sr）／w（Ba）值及硫分（S）、磷含量（P2O5）可以判断成煤沼泽中介质的盐度，从而推断成煤环境是否受海水影响；另外，高位泥炭沼泽形成的煤中，Co的总含量较低［16］。本次研究中我们仍采用K值等于0．23作为海陆相分界值，w（Sr）／w（Ba）为0．6作为咸水淡水的分界值［7］。分别以微量元素w（Co）＜3，3～10，＞10（μg／g）确定泥炭沼泽为高位、中位和低位。

3号煤的地球化学参数统计结果显示（表2），只有分 层 7 的 K 值 大 于 0．23，w（Sr）／w（Ba）为0．547，接近淡水和咸水的边界值；且 wt．d（S）只有29%，w（P2O5）只有0．036，说明7分层的原始泥炭沼泽可能并未受海水影响，只是分层内赋存较多含Ca矿物而使该分层灰成分参数偏高。在显微煤岩组分统计中，该分层的碳酸盐矿物含量（表1）也确实相对其他分层偏高。7分层Co的质量分数为4．05μg／g，综合分析认为，7分层的原始成煤环境为曲流河相沉积，泥炭沼泽沉积环境为中位半咸水河成沼泽。

13、12分层的K值在0．095以上，虽然低于分界值0．23，却也略高于大部分分层，可能未受明显海水影响；不过 wt．d（S）均大于0．6，w（Sr）／w（Ba）也高达2．2以上，w（P2O5）更是明显高于其他分层，均在0．29以上；Co值均稍高于3。分析认为，该底部分层的原始成煤环境为障壁岛或泻湖相沉积，泥炭沼泽属于中位咸水滨海沼泽。

11分层的地球化学参数值较底部13、12分层有所降低，K 值小于0．23，w（Sr）／w（Ba）小于0．6，w（P2O5）只有0．037，wt．d（S）为0．38；Co值小于3。分析认为，该分层的原始成煤环境已经开始向曲流河相沉积转变，泥炭沼泽属于高位淡水河成沼泽。

表2 3号煤地球化学参数统计分析

10分层为夹矸层，其地球化学参数的K值，w（Sr）／w（Ba），w（P2O5），wt．d（S）均较11分层大幅降低，表现出明显的陆相沉积特征，K值更为所有分层的最低值0．003，Co值均小于3。分析认为，该分层的原始成煤环境为典型河流相沉积，泥炭沼泽属高位淡水河成沼泽。

9分层的K 值为0．022，较10分层增大，w（Sr）／w（Ba）增加至1．26，w（P2O5）也高达0．23，St．d%增加不明显，仅为0．23，Co值小于3。分析认为，该分层的原始成煤环境为湖相沉积，泥炭沼泽属高位咸水湖成沼泽。

8，6分层除了K 值有明显不同外（均小于0．23），w（Sr）／w（Ba）、w（P2O5）、wt．d（S）均较低，表现出明显相似的陆相沉积特征；Co值大小均在3～10之间。分析认为，这两个分层的原始成煤环境为河流相沉积，泥炭沼泽属中位淡水河成沼泽。

5分层为夹矸层，K 值为0．012，wt．d（S）、Sr／Ba、P2O5%均较低，Co值小于3。分析认为，该分层的原始成煤环境为河流相沉积，泥炭沼泽属高位淡水河成沼泽。

4，3，2，1分层的 K 值，wt．d（S），w（P2O5）分别从4分层的0．139，0．87，0．024向上部分层逐渐减小，Sr／Ba也均小于0．227，Co值均大于10。说明成煤后期阶段的沉积环境相似，为明显河流相沉积，泥炭沼泽均属低位淡水河成沼泽。

3．4 成煤沉积环境旋回特征

综合分析3号煤分层的煤相参数和地球化学参数发现，其在垂向剖面上沉积环境表现出明显的三次旋回韵律（图5）。

图5 3号煤分层煤样地球化学参数剖面变化图

第一旋回：分层13，12，11－10－9。13，12分层的滨海泻湖环境由于洪泛水的影响，水体动荡，从闭塞体系环境逐渐转为开放体系，形成淡水河湖沼泽的11分层和河成沼泽的夹矸层10分层，以及水退下的湖成沼泽的9分层，覆水条件逐渐变浅，结构保存程度逐渐变差。宏观煤岩类型为半亮型变化至暗淡型，煤相上表现为覆水森林沼泽相－潮湿森林沼泽相－湖成沼泽相的变化特征。

第二旋回：分层8－7－6－5。8分层覆水条件明显，表现为半开放体系下的水进变化，至7分层变为弱覆水半咸水河成沼泽；6分层时期再次水进，覆水变深，至分层5水体又退却形成高位淡水河成沼泽，泥炭沼泽处于过补偿状态，沉积间断形成夹矸层。覆水条件出现8－7和6－5两次由深至浅的变化，结构保存程度逐渐变差。宏观煤岩类型表现为半亮型－暗淡型－半暗煤－夹矸变化，煤相上表现为潮湿森林沼泽相内的微循环。

第三旋回：分层4－3－2－1。总体为4分层水进条件下的强覆水泥炭沼泽逐渐过渡为水退条件下的覆水沼泽环境。覆水条件呈变浅趋势，结构保存程度逐渐变差。宏观煤岩类型表现为光亮型煤—半暗煤—半亮型—半暗煤变化，煤相上表现为较深覆水森林沼泽相至潮湿森林沼泽相的变化特征。

4 结论

相比太原组5号煤［7］，3号煤层在形成过程中所受到的海水影响已经大幅减小，显微组成和煤地球化学参数上均表现出海陆过渡逐渐向陆相转化的沉积特征，这与通过含煤岩系研究在沉积环境上的整体判定是一致的［4］。研究得出以下结论。

1）3号煤宏观煤岩类型以半亮煤为主，显微煤岩组分以镜质组为主，煤中矿物组成以粘土矿物为主，属中变质程度烟煤。

2）3号煤分层13和12煤相分别为覆水森林沼泽相和潮湿森林沼泽相，沼泽条件为中位咸水滨海沼泽。分层11和9为湖沼相，沼泽条件分别为高位淡水河成沼泽和高位咸水湖成沼泽。分层7为潮湿森林沼泽相，沼泽条件为中位半咸水河成沼泽。分层8和6为潮湿森林沼泽相，沼泽条件为中位淡水河成沼泽。分层4为较深覆水森林沼泽相，沼泽条件为低位淡水河成沼泽。分层1，2，3为潮湿森林沼泽相，沼泽条件为低位淡水河成沼泽。

3）3号煤分层的原始泥炭沼泽沉积环境在垂向上呈现三次明显的旋回韵律，煤相上表现为覆水森林沼泽相—潮湿森林沼泽相－湖沼泽相的变化特征。

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