五亩盆地沉积环境及聚煤作用分析

宋红伟　余郑生　余哲庆

摘要：五亩盆地是灵宝盆地边缘的一个次级盆地，长期以来学者对其含煤性均未明确答复，对其煤类及煤质特征亦未进行专项研究。本文通过分析该盆地沉积环境和沉积特征，对该盆地穿时地质体项城组所赋存的劣质长焰煤的演化过程、聚煤作用进行了较为深入的研究，指出该盆地沉降中心与富煤带空间位置上存在差异，分析了项城组劣质煤属于异地煤的可能性，并进一步印证了古近纪全球性干旱气候带的客观存在。

概况

五亩盆地位于河南省灵宝市南侧，地处小秦岭和崤山隆断区之间，呈北东向展布，是灵宝盆地边缘的一个次级盆地。长期以来，人们对该盆地的含煤性存在相当大的争议，地质工作者虽然把所含煤层（线）的发育作为该盆地充填地层项城组的一个标志层，但是对该煤层（线）的发育情况、分布范围及煤质特征没有清楚认定。通过对盆地含煤层段进行地质勘查、钻探验证和地球物理测井，认为该盆地局部含有多层劣质煤层或煤线。煤样分析结果表明，其煤层（或煤线）不具备工业价值，但对该区古新世一始新世的气候特征、沉积环境及构造变动等的研究具有重要意义。

1.构造背景

五亩盆地位于渭河断陷盆地带的东部南缘。新生代以来，渭河断陷盆地带主要表现为大幅度的沉陷（图1）并接受巨厚的松散层堆积。五亩盆地位于华山隆褶区与崤山垄断区之间，区内发育白垩系、古近系、新近系砂砾岩及第四系黄土层，成岩作用差，未遭受变质作用。构造活动表现为古近纪至新近纪的构造倾斜及表壳脆性断裂活动。盆地边缘基本受朱阳一大营断裂（灵宝一三门峡断裂的一部分）和五亩断裂控制（图2），在纵断面上具有北部深且陡、南部浅又缓的特征，形成掀斜式盆地。事实上，基底断块的掀斜运动正是中国东部中生代末期一新生代早期发生的扩张裂陷作用的主要表现形式翻。

五亩盆地的形成时代，目前尚有争议。一则认为形成于古近纪始新世，一则认为形成于中生代末期网。笔者根据沉积特征及区内地震反射波时间曲线，认为其形成于中生代末期，成型于古近纪古新世一始新世，然后受区域构造升降运动的影响，于渐新世沉积间断，到新近纪重新接受沉积。朱阳一大营断裂和五亩断裂形成于中生代，但在新生代继承了前期活动特征，属于新华夏系断裂带。这两条断裂不仅控制着五亩盆地的走向，而且影响其接受沉积的全过程，在盆地形成伊始即具有同沉积断裂的特征，因而五亩盆地属于同沉积断陷，边缘断裂对五亩盆地的聚煤古地理环境及聚煤条带展布具有重要的控制作用。

按沉积物性质，五亩盆地古地理环境属于陆源碎屑淡水湖泊相沉积，由于受边缘断裂控制，基底断裂具有同沉积断层的性质。分析五亩盆地的沉积组合，有以下几个特征：

首先，含煤地层项城组岩性存在相变。项城组在时间上是一个穿时地质体，其形成历史为古新世一始新世，空间上东西部岩性存在相变。确切地说，含煤地层是项城组中段的中下部，东部中段岩性整体颜色为灰黄色，主要岩性为砾岩、粘土岩、泥灰岩和石英砂岩。西部则整体呈深灰一灰黑色，岩性组合含有较多的泥灰岩和钙质泥岩。在项城东南，可见炭质泥岩出露，其深部经试验孔ZK201验证见21层劣质煤层或煤线。

其次，盆地内沉积岩系含有大量砂岩、砾岩，反映其水动力条件强。平面上看，盆地前缘分布着巨厚的粗碎屑冲积扇带，主要为冲、洪积成因的砂、砾堆积，分布范围以盆地东部和北部为主，盆地南部、北部有少量分布。剖面上看，项城组上、下段岩性主要表现为粘土岩和砾岩互层或互为夹层，含煤的中段下部仍含有少量砾岩。根据野外现场观察和统计，砾石砾径一般5cm～8cm，最大可达40cm，磨圆度较好，分选性差，说明经过了较长距离的搬运，水动力条件强。

第三，在盆地东南，项城组下伏地层是白垩系南朝组粘土岩、砾岩，在盆地西南，项城组直接覆盖于中元古界熊耳群之上。试验孔ZK201终孔层位为熊耳群安山岩，其上为项城组中段紫红色粘土岩、页岩和灰岩等，缺失下段。东西部下伏地层不同说明至少在白垩纪时，盆地西南处于相对隆起阶段，缺失沉积或沉积遭受剥蚀。而试验孔则进一步说明了该阶段持续到古新世早期。这反映该区经历了一个发展较为迅速的沉降过程，由前期不接受沉积（隆起）发展到深湖相。该区位于五亩断裂下降盘，其沉积作用受边缘断裂控制明显。另一方面，试验孔附近有煤线出露，产状与边缘断裂朱阳一大营断裂基本一致，而在盆地其他地带，地层产状受边缘断裂五亩断裂的影响。边缘断裂基本控制了盆地内岩石的产出或者产状。

第四，理想的湖泊沉积模式在平面上呈带状分布，沉积物粒度由边缘到中心由粗变细。五亩盆地内各岩层在平面及剖面上分布的稳定性和连续性较差，很难见到岩性呈环带状分布，应有的环带状分布规律被打破。影响其水平或垂直分布的外营力主要是来自陆源方向的水动力条件。砾岩砾石成分以中元古界长城系许山组安山岩和龙家园组白云岩为主，含少量燧石岩。许山组分布于盆地南侧，而龙家园组距矿区南部尚有10km。八道河和五亩河所处位置的古河流应该是外营力中的主要因素，除此之外，许山组、鸡蛋坪组、马家河组当时都处于一个相对隆起的环境，山洪泥石流是陆源水动力中的另一个外营力因素。

3.沉积环境及聚煤作用

聚煤盆地的形成与成盆期盆地边缘断裂及其演化有密切关系，因为断层两侧地块的升降会引起沉积盆地的水进水退，从而改变其沉积环境嗍。反之，可以从沉积物组合特征分析当时的沉积环境和聚煤作用。

从试验孔ZK201岩性组合来分析灵宝一五亩盆地沉积特征，可以将该盆地充填特征归结于一个水进序列：底部代表粗碎屑冲、洪积充填阶段，然后进入湖泊相细碎屑充填与含煤细碎屑充填的稳定交替阶段。只不过由于湖盆范围变化较大，加上当时构造运动的影响，有些地方没有接受底部粗碎屑冲洪积充填或接受极少，如ZK201终孔于熊耳群安山岩，其上仅接受0.64m的粘土岩和0.56m的含砾页岩，再向上便是深湖相的灰黑一黑色的钙质泥岩和灰岩沉积；而多数地方则在接受湖相沉积以后，重新接受冲洪积的河流相粗碎屑沉积。

由于沉积环境的分异，导致了沉积相在横向上的改变，不同的沉积相具有不同的岩性组合，其含煤性差异很大。盆地中部以东以冲洪积的河流相粗碎屑沉积为主，较强的水动力条件不利于煤层的形成。盆地中部以西则伴随着水进过程的发生，湖水逐渐加深，水动力条件逐渐减弱，在气候和植被条件合适的情况下，最终形成煤。但是从试验孔ZK201含有21层薄煤或煤线这一事实来看，沉积过程不够连续，成煤条件极不稳定。验证孔ZK2406未见煤，也充分验证了这一点。

含煤层项城组中段沉积环境以深水相沉积为主，并不具备泥炭形成的条件。位于西区的试验孔ZK201穿见21条劣质煤线反映当时沉积环境变化频繁，而且煤层（线）的底板并非根土岩，主要为含煤屑的灰岩，少量是含煤屑的泥岩。附近老硐845m长揭露30条煤线，其中绝大多数煤线只是含有较多不连续的煤屑，厚度仅数厘米。含煤岩性主要为灰岩，少量为泥灰岩。位于东区的验证孔ZK2406揭露岩性始终以红色粘土岩和砂砾岩互层为主，仅在终孔前见有一粒径1cm左右的煤屑，动荡的环境进一步证实该煤屑属于异地冲积物。根据煤质特征，五亩煤矿物质含量极高，综上推测该煤属于异地煤。

总观五亩盆地岩性、煤带分布及构造特征，结合地震时间剖面，可以发现富煤带位于西南部项城附近，地表煤线走向与含煤岩系走向一致。沉降中心位于盆地北部朱阳一大营断裂南东侧。富煤带与沉降中心两者并不一致，这符合断陷盆地的沉降特点与煤矿赋存规律。

4.煤质特征

4.1物理性质

根据煤芯煤样，本区煤呈薄层状，颜色黑一灰黑，结构复杂，裂隙发育，为块煤。煤岩构成以暗煤为主，另含少量镜煤，多呈条带夹于暗煤之间。镜煤呈黑色，条痕褐色，玻璃光泽，性脆、内生裂隙发育，贝壳状断口；暗煤呈黑褐色，条痕褐色，光泽暗淡，硬度较大，裂隙不发育。M1、M3、M4视密度分别为1.90t/m3、1.91t/m3和1.72t/m3。

4.2煤岩特征

通过钻孔取样鉴定，三层煤原煤有机组分含量51.9%～57.9%，其中镜质组含量最高，一般为35.4%～43.5%。惰质组含量其次，为9.5%～12.1%。壳质组含量4.4%～4.9%。镜质组有机组分以基质镜质体为主，均质镜质体次之，含少量结构、碎屑镜质体。惰质组有机组分以碎屑惰质体为主，丝质体次之，含少量粗粒体、微粒体及菌类体。壳质组有机组分以小孢子为主，角质体次之，含少量树脂体及菌类体。

原煤无机组分含量42.1%～48.1%，主要为粘土和碳酸盐，另含少量硫化物和氧化硅。其中粘土以分散状为主，块状次之，含少量细胞充填状。碳酸盐以块状为主，裂隙充填状次之，含少量细胞充填状。黄铁矿以分散粒状为主，大小不一，分布不均。氧化硅呈粒状，大小不一，分布不均。

4.3工业性质

区内煤水分含量由浅到深变化较大，且逐渐增加。灰分基本超标，但经浮选后，灰分下降率超80%。硫分含量变化较大，挥发分含量变化小。干燥基低位发热量均达不到资源量估算指标要求（表1）。

根据《煤、泥炭地质勘查规范》（DZ/T 0215-2002），对所取煤样根据褐煤和长焰煤的要求，进行了比较系统的检测，其中主要包括煤的粘结性、腐殖酸、透光率、真密度和视密度。

M4分1粘结指数（C）偏低，仅有31。而M1、M3分别为13和12，角质层厚度分别为6.5mm和5.5mm。M4分，透光率76%，M1、M3分别为77%和75%，三者腐殖酸含量分别为1.42、3.03和2.03。M1、M3、M4的真密度分别为1.82、2.00和2.06t/m3，视密度分别为1.72、1.90和1.91t/m3。

4.4煤类的确定

送检三煤层M1、M3、M4原煤无灰干燥基挥发份含量分别为39.36%、40.97%和41.33%，含量均大于37%，M1、M3、M4粘结指数分别为12、13和31，可以判定其煤种属长焰煤，牌号42。

综上所述，M1和M3由于灰分和最低发热量均不符合规范要求，不能算煤，只能定义为经过了煤化作用。M4灰分未超标，但发热量略低于煤炭资源量估算指标，可算作高灰分、低硫、低发热量的劣质煤。统计资料表明，褐煤的真密度为1.28t/m3～1.429t/m3，烟煤的真密度为1.27t/m3～1.339t/m3。本次送检的三个煤样真密度远大于烟煤和褐煤的密度范围，说明其无机物含量过高，这与前述该“煤”灰分偏高、发热量偏低的特点相吻合。

5.沉积特征对古近纪全球性干旱气候带的印证

资料表明，在古近纪存在一条从北西到南东向延伸的全球性干旱气候带，在我国从新疆入境，经青海、甘肃、陕西、湖北、湖南、江西，到达浙江、福建地区，在这个沉积带内，沉积物大多属于红色的和含钙质的类型，夹有石膏和岩盐。受当时气候条件控制，我国古近纪聚煤作用主要发生在东北部地区。由于气候带的变迁，在古近纪潮湿气候带内虽以含煤沉积为主，但其含煤段上下还有红层及膏盐沉积。

五亩盆地所处地理位置，毗邻陕西，位于吕梁山正南，太平洋季候风的水蒸气大部分降落在吕梁山和太行山以东，该盆地地处此干旱气候带的北缘。而该干旱气候带以东为半干旱、半潮湿气候区。如前所述，项城组沉积特征仍以红层为主，紫红色粘土岩在地层中所占比重极大，且贯穿不同层段，是对古近纪全球性干旱气候带的印证，同时也反映了五亩盆地沉积环境的变化比较频繁，进一步说明该干旱气候带的边界历经了一定程度的往复变迁。

6.结论

综上所述，得出如下认识：

①五亩盆地经历了一次断续的聚煤作用，聚煤期为古新世—始新世之间。但由于构造运动的频繁及气候带的变迁，聚煤作用持续时间较短，且聚煤作用并非发生在沉降中心。五亩盆地作为一个掀斜式断陷盆地，沉降中心位于北部边界断裂南侧，聚煤作用发生在南部项城一带，沉降中心与富煤带不一致。

②五亩盆地充填岩性组合反映其水动力条件较强，除富煤带水位相对较深外，其余地区基本不具备形成煤的条件。盆地内岩性组合以红层为主，从一个侧面反映了古近纪全球性干旱气候带的存在及在本区的界线。

③五亩盆地所赋存的煤属异地煤，矿物质成分含量较高。一般煤层、煤线的底板均为根土岩，而本区主要为含煤屑的灰岩，少量为含煤屑的泥岩，说明本区富煤带多数时间处于深水沉积环境，本区煤的聚集经历过一定距离的搬运。

④五亩盆地煤为长焰煤，其变质程度略高于褐煤，但由于灰分偏高、发热量偏低，煤层分布范围较小且不够稳定，不具备工业价值。