新疆准东煤田东部矿区西山窑组煤层煤相分析

张宇航，王德利

(1.新疆煤田地质局综合地质勘查队，新疆 乌鲁木齐 830009；2.新疆煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 乌鲁木齐 830091)



新疆准东煤田东部矿区西山窑组煤层煤相分析

张宇航1，王德利2

(1.新疆煤田地质局综合地质勘查队，新疆 乌鲁木齐 830009；2.新疆煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 乌鲁木齐 830091)

该文以沉积学、煤岩学和煤相学理论为指导，运用煤相划分参数分析煤相类型，结合宏观和微观煤岩特征，认为新疆准东煤田东部矿区成煤环境为相对干燥的森林沼泽，根据煤相参数的垂向变化，将研究区划分为3种煤相类型：干燥森林沼泽、湿地森林沼泽Ⅰ和湿地森林沼泽Ⅱ。单层煤沼泽类型一般下部为浅覆水森林沼泽或湿地森林沼泽，向上过渡为干燥森林沼泽，代表泥炭沼泽环境由潮湿逐渐变为干燥，覆水程度逐渐变浅，为全区的煤层对比、聚煤规律的认识等提供了理论依据。

煤相分析；西山窑组；准东煤田；新疆

研究区位于准噶尔盆地东部隆起带北端，沙帐断褶带以东，北面和南面分别以克拉美丽山和博格达山为界。包括将军戈壁、白砾滩煤矿勘查区，面积约171km2，行政区划属新疆昌吉回族自治洲管辖(图1)。

1 区域地质背景

1.1 准噶尔盆地构造背景及演化

准噶尔盆地周围被哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和塔里木板块包围，呈不规则三角形，基底由前寒武纪结晶岩系和古生代褶皱基底组成，是一个具双重结构特征的大型含煤盆地，面积约13万km2(图2)[1]。

准噶尔盆地自晚石炭世到第四纪先后经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动作用，从而形成了多期构造旋回和成盆演化阶段。其侏罗纪为典型的封闭型陆内坳陷盆地，湖平面升降主要受构造和气候等因素控制，侏罗纪多套煤层的形成是受低幅度振荡事件的影响，并发育多个局部不整合，经历了多期多旋回构造运动的影响和叠加，从而形成今天的构造格局[2]。

图1 研究区位置及构造略图

1—板块对接缝合线；2—逆冲断层；3—走向滑动断层；4—断裂编号；5—蛇绿岩；6—盆地；7—Anε陆壳基底图2 准噶尔盆地大地构造背景图(据西北大学地质系1996年修改)

1.2 准噶尔盆地充填序列

石炭纪末的早海西运动是Pangea古大陆的拼合时期，该界面之下是一套基底岩系，之上自二叠纪开始进入了盆地盖层岩系的充填演化阶段，盆地充填的地层自下而上如表1。其中侏罗系中统西山窑组(J2x)为研究的目的层段[3]。

2 西山窑组含煤岩系岩相特征

岩相是由一定岩石特征限定的岩石单位[4]，西山窑组含煤岩系的岩相组成有以下几种类型：

(1)平行层理和楔状交错层理细—中砂岩：白色，为滨湖砂坝沉积(图3A)。

表1 准噶尔盆地区域地层简表

图3 研究区含煤岩系典型岩相特征

(2)槽状交错层理粗砂岩：灰色，为三角洲平原分流河道沉积，单层厚度不等，夹大量碳屑和煤屑(图3B)。

(3)砂砾岩：灰色、灰白色，成分以石英为主，槽状交错层理，块状构造，泥钙质胶结，磨圆较差，通常为河道滞留沉积，对下伏地层具有明显冲刷接触(图3C)。

(4)细砂岩：灰色，显示水平层理，为滨浅湖相沉积(图3D)。

(5)细砂岩：灰色，发育波状层理，为三角洲平原分流河道边缘沉积，含大量的碳屑和碳质团块(图3E)。

(6)泥岩与粉砂岩互层：灰色，发育水平层理，为三角洲前缘水下天然堤沉积(图3F)。

(7)泥岩：灰色，水平层理发育，为浅湖相沉积(图3H)。

(8)煤和炭质泥岩：灰黑色、黑色，单层厚度一般较大，为稳定的河漫沼泽和泥炭沼泽沉积。

3 样品采集与实验方法

研究样品采集于白砾滩矿区ZK103孔的煤心煤样，遵照连续、完整的原则，逐层分别采取煤岩样品28件，其中B1煤层样品7个，B1’煤层样品5个，B2煤层样品8个，B3煤层样品8个。样品在实验室进行粉碎和缩分。煤岩光片的制备按照国家标准煤岩分析样品制备方法进行(GB/116773-2008)，工业分析测定按照国家标准(GB/T212-2001)进行，显微组分观察和定量分析按照国家标准(GB/T8899-1998)进行。

4 宏观煤岩特征

白砾滩矿区ZK103钻孔煤层总厚56.79m，在样品采集过程中，根据肉眼鉴定平均光泽强度的差异，对煤层的宏观煤岩特征进行详细的观察和描述，划分出各种煤岩类型(图4)。下段B1煤层厚14.25m，宏观煤岩类型以暗淡和半暗型煤为主，少量的半亮型；整体光泽强度显示由暗到亮再到暗的旋回变化；煤层结构主要为条带状结构，次为线理状结构。B1′煤层总厚6.23m，宏观煤岩类型以暗淡和半暗煤为主，少量的半亮型；整体光泽强度自煤层下部向上部具有由暗到亮的变化趋势；煤层结构可见大量的条带状及少量的线理状结构。B2煤层厚19.92m，宏观煤岩类型为暗淡和半暗交替，但煤层底部和顶部均为暗淡煤；煤层结构主要为线理状结构。上段B3煤层厚16.39m，宏观煤岩类型为暗淡煤、半暗煤和半亮煤交替，但煤层底部和顶部均为暗淡煤；主要为线理状结构。整个煤层宏观煤岩类型分布比例，暗淡煤占46.4%，半暗煤占35.7%，半亮煤占17.8%。

图4 白砾滩矿区ZK103孔煤层宏观煤岩类型图

5 微观煤岩特征

煤样镜质组含量为33.5%～62.6%，平均为46.6%；惰性组含量为37.4%～65.6%，平均为52.8%；壳质组含量低，一般小于2.0%。不同煤层显微组分组成具有一定差异，B3煤层镜质组含量最低，为34.4%～50.1%，平均41.3%；B2煤层镜质组含量最高，为36.7%～62.6%，平均50.6%；B1煤层镜质组含量介于两者之间，为33.5%～60.3%，平均47.5%；由于煤样壳质组含量低，煤层中的惰性组含量与镜质组含量呈镜像关系(表2、表3)。镜质组以结构镜质体和碎屑镜质体为主，其次为均质镜质体和基质镜质体，团块镜质体和胶质镜质体少见；惰性组以丝质体和半丝质体为主，其次为碎屑惰性体和粗粒体。

表2 白砾滩矿区ZK103孔各煤层显微组分含量

续表2

注：T—结构镜质体，TC—均质镜质体，VC—碎屑镜质体，CC—团块镜质体，DC—基质镜质体，GC—胶质镜质体，F—丝质体，SF—半丝质体，Ma—粗粒体，Mi—微粒体，ID—碎屑惰性体，Sc—菌类体，ΣV—镜质组总量，ΣI—惰性组总量，ΣE—壳质组总量

表3 各编号煤层显微组分含量成果统计

注：B1’和B1合并为B1

研究区B3，B2，B1煤层显微组分含量相近，且丝质体含量多，而丝质体的含量和分布状态是影响煤层明暗程度的主要原因。通常情况下，丝质体细胞结构保存完整，可作为泥炭沼泽干燥、氧化作用较强的标志，该次研究的煤岩类型大多为富惰性组暗煤，反映了成煤时泥炭沼泽中覆水较浅，为氧化、半氧化环境。同时煤中镜质体反射率(R0max)0.26%～0.48%，平均为0.41%，变质程度属老褐煤与烟煤的过渡阶段，反映了其变质程度较低[5]。

6 成煤环境研究

6.1 煤相划分参数

煤层的显微组分含量是煤层成因的重要标志，也是划分煤相的主要依据。该文采用显微组分定量分析来划分煤相类型的成因参数法，是目前较为普遍的煤相分析方法。

从显微组分组合与矿物质含量ABC三角相图可以看出(图5)，样品投点非常集中地位于浅沼相A的区域内，表明沼泽类型为浅沼，处于浅水地带，植物的结构保存较为完好。与结构保存指数-凝胶化指数(TPI-GI)相图以及地下水影响指数-植被指数(GWI-VI)相图所展现的泥炭沼泽环境相一致，同时各点非常集中，说明其泥炭沼泽类型单一，沼泽环境也非常稳定[7-9]。

图5 各编号煤层显微组分ABC三角图解

各编号煤层在WRD-TFD三角图解中一致显示木质组分占绝对优势，且在TFD三角图中(图6)，大部分点都投在了(T+F)/D>1及T/F<1的区域，显示以木质组分为主的森林沼泽相且植物组织凝胶化程度偏低[4]。多数的点投在干燥森林沼泽相，其次为湖沼-浅沼相及浅沼相，而与开阔沼泽环境相差较远，与ABC三角图相互印证，反映当时成煤环境为偏干旱环境。

搬运指数(TI)判别水体活动性强度，此参数反映泥炭沼泽水动力活动的强弱，比值大则水动力活动强。计算结果各个样品之间的结果波动范围不大，搬运指数TI的计算结果未在表中列出，其数值整体较低，在0.12～0.45之间，波动范围较小，平均值为0.34，反映沼泽水动力活动很微弱。各煤岩样品特征参数含量如表4所示。

图6 各编号煤层显微组分WRD-TFD图解

样号TPIGIGWIVIV/IABCWDRTFDS1011.531.221.421.611.0257.7610.066.760.580.070.350.200.370.42S1022.120.890.412.270.8066.915.5517.000.670.170.160.310.360.33S1031.221.030.941.530.6752.2917.9216.090.520.160.320.200.320.48S1042.540.830.193.490.5467.7910.2213.950.680.140.180.280.390.32S1051.490.920.711.880.5956.6811.1915.520.570.160.280.210.360.43S1061.371.190.871.630.8153.8314.1213.770.540.140.320.230.300.46S1071.950.600.412.120.5265.356.1520.800.650.210.140.240.410.35S1081.321.770.551.990.8953.5524.1811.520.540.120.350.280.250.46S1091.291.020.711.790.5854.1916.9215.590.540.160.300.210.330.46S1104.011.540.214.051.5380.041.609.380.800.090.100.500.300.20S1112.191.770.302.281.6768.621.7015.500.690.160.160.480.210.31S1121.391.600.651.701.0655.7114.7012.890.560.130.310.300.250.44S1133.870.820.344.890.6878.216.475.940.780.060.160.290.490.22S1141.521.910.451.871.3058.4612.7813.910.580.140.280.380.200.42S1153.551.630.303.971.4878.0210.245.880.780.060.160.460.320.22S1161.091.540.871.890.6249.4125.299.730.490.100.410.200.290.50S1171.590.772.411.690.6558.604.916.770.590.070.350.120.470.41S1181.412.260.751.701.5256.1918.928.240.560.080.360.340.220.44S1191.541.290.521.910.9059.339.2414.970.590.150.260.310.280.41S1201.141.410.861.670.7450.2928.1512.810.500.130.370.220.280.50S1212.111.390.442.291.2265.6113.9413.200.660.130.210.370.280.34S1221.480.990.452.360.5158.2418.4614.700.580.150.270.220.360.42S1231.481.270.681.870.9058.8616.4612.980.590.130.280.280.310.41S1242.331.600.612.421.5269.5319.636.090.700.060.240.370.320.30S1251.361.210.601.880.6854.0418.3814.640.540.150.310.250.290.46S1262.041.250.722.201.1265.644.408.340.660.080.260.300.360.34S1272.400.671.022.560.6169.286.508.870.690.090.220.180.510.31S1281.302.100.761.751.2053.2722.038.430.530.080.380.300.230.47平均1.881.300.682.260.9461.2813.2211.940.610.120.270.290.320.39

注：TPI—结构保存指数；GI—凝胶化指数；GWI—地下水影响指数；VI—植被指数；V/I—镜惰比；TI—搬运指数

6.2 煤相类型及特征

参考成因参数的定量计算和综合分析，各编号煤岩样品的TPI值和VI值普遍都大于1，说明木本亲缘显微组分占优势，成煤原始物质主要来源于高等木本植物，为森林泥炭沼泽；根据地下水影响指数、凝胶化指数以及镜惰比参数大小又可将森林沼泽按覆水程度划分为两种，即干燥森林沼泽和湿地森林沼泽，其中湿地森林沼泽又划分为3个亚相，即湿地森林沼泽I和湿地森林沼泽II(图7)[10-12]，其定量特征见表5。

图7 白砾滩ZK103孔编号煤层成煤沼泽环境类型划分TPI-GI和GWI-VI相图

煤相煤相划分参数三角端元组分含量V/IGITPIA+DBCWFSI0.58～1.521.02～2.261.09～1.540.59～0.830.09～0.280.07～0.16WFSII1.12～1.671.25～1.772.04～4.010.73～0.890.02～0.200.06～0.16DFS0.51～0.800.60～0.991.48～3.870.67～0.880.05～0.180.06～0.21

(1)干燥森林沼泽相(DFS)

具有较低的GI值和GWI值，TPI值和VI值变化较大，V/I值最小。以暗淡煤和半暗型煤为主，反映成煤沼泽环境属于十分干燥的以木本植物为主的森林沼泽，覆水较浅或泥炭层表面常暴露于空气中，因而具有较高的惰性组含量和低的灰分含量，此煤相相当于分流河道成煤环境。

(2)湿地森林沼泽相I(WFSI)

V/I和GI值较高，TPI值最低，成煤沼泽环境属于覆水程度中等的以木本植物为主且水流通畅的森林沼泽环境。与干燥森林沼泽相比，覆水程度略高，泥炭沼泽表面处于水面以下附近，长期遭受机械破碎或化学降解作用较强，因此大量镜质组份无结构或结构保存很差，相当于上三角洲平原沉积环境。

(3)湿地森林沼泽相II(WFSII)

较高的V/I和GI值，TPI值最高，代表成煤沼泽环境为覆水程度相对较深且水流不畅的十分潮湿的以木本植物为主的森林泥炭沼泽，泥炭堆积速度较快，增加了煤中结构镜质组的含量，植物细胞结构保存较好，该煤相类型相当于下三角洲平原或滨湖沉积[13]。

6.3 煤相类型垂向演化

3种煤相在垂向上的演化特征在沉积环境条件之间存在一定的变化规律，煤沼泽类型一般下部为湿地森林沼泽向上过渡为干燥森林沼泽，即WFSII—WFSI—DFS的演化趋势，代表以木本植物为主的森林泥炭沼泽环境由潮湿逐渐变为干燥，覆水程度逐渐变浅；垂向上镜质组含量(V)，V/I，TPI，VI值向上由大变小，惰性组含量(I)向上由小变大，且向上随着覆水逐渐变浅，煤层的灰分也呈现明显的下降趋势，而GWI值的变化则无规律[14](图8)。

图8 白砾滩矿区ZK103孔煤相类型垂向演化特征

湖扩体系域形成的B1和B2煤宏观煤岩类型以暗淡、半暗型煤为主，少量半亮煤，成煤沼泽类型主要为干燥森林沼泽和湿地森林沼泽(DFS+WFS)；高位体系域形成的B3煤则以干燥森林沼泽(DFS)成煤环境为主，其中B3煤主要是暗淡型煤，含有大量丝炭[15]。

湖扩体系域成煤沼泽环境具有自下而上由DFS—WFS的演化趋势，镜质组含量、灰分、TPI，V/I等参数由大变小，说明随着湖平面不断震荡上升，早期泥炭沼泽中具有相对较高的地下水位，且不时的受到洪水的影响，形成的煤具有较高的灰分，同时高的地下水位也提高了结构保存程度和凝胶化程度，泥炭沼泽发育后期，凸起的泥炭表面高出地下水面遭受氧化，增加了煤中惰性组的含量，灰分含量大大降低，从而演化为相对干燥的泥炭沼泽。但不断上升的基准面(湖平面)使泥炭沼泽总体保持在湿地森林沼泽成煤环境。高位体系域湖平面处于相对缓慢下降期，形成的沼泽类型早期可能为湿地森林沼泽或浅覆水森林沼泽，之后由于湖平面下降或泥炭沼泽表面生长趋于形成凸起沼泽，泥炭层表面多处位于地下水位之上或周期性地暴露在空气中，从而增加了惰性组含量，降低了凝胶化程度和镜惰比(V/I)[16-17]。

从下部的B1到上部的B3煤层，干燥森林沼泽所占比例逐渐增加，说明准东煤田中侏罗世成煤期间气候由潮湿逐渐向干燥转化。从剖面上看，半暗和暗淡型煤所占比例及惰性组含量自下而上不断增加得到验证。

7 结论

(1)研究区煤层宏观煤岩类型以暗淡型煤为主，其次为半暗型煤及半亮型煤，主要发育条带状和线理状结构。煤层有机显微组分以惰性组含量占优势，镜质组次之，壳质组含量较低。

(2)研究区划分为三种煤相类型，即干燥森林沼泽、湿地森林沼泽I和湿地森林沼泽II。单层煤沼泽类型一般下部为浅覆水森林沼泽或湿地森林沼泽向上过渡为干燥森林沼泽，即WFSII—WFSI—DFS的演化趋势，代表以木本植物为主的森林泥炭沼泽环境由潮湿逐渐变为干燥，覆水程度逐渐变浅。

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Analysis on Coal Facies of Xishanyao Coal Strata in Eastern Mining Area of Zhundong Coalfield in Xinjiang Uygur Autonomous Region

ZHANG Yuhang，WANG Deli

(1.Comprehensive Geological Exploration Team of Xinjiang Coal Geological Bureau, Xinjiang Urumqi 830009, China; 2. Coalbed Gas Research and Development Center of Xinjiang Coalfield Geology Bureau, Xinjiang Urumqi 830091, China)

Based on the theory of sedimentology, coal petrology and coal petrography, using the coal facies classification parameter, coal facies types have been analyzed. According to coal and rock macroscopic and microscopic characteristics of coal strata, it is summarized that the coal forming environment is a relatively dry forest swamp. According to the vertical coal facies parameters change, the study area is divided into three types of coal facies: dry forest swamp, wetland forest swampⅠand wetland forest swamp Ⅱ. Single coal swamp types are generally lower for shallow overburden water forest or swamp wetland forest swamp transition to dry up the forest swamp. It represents the peat swamp environment gradually become dry, wet water level becomes shallow gradually. It will provide the theory basis for coal strata contrast and the recognition of coal accumulating law.

Coal facies analysis; Xishanyao formation; eastern Junggar coalfield; Xinjiang

2017-01-17；

2017-06-06；编辑：曹丽丽 作者简介：张宇航(1987—)，女，河南南阳人，工程师，主要从事矿产普查与勘探工作；E-mail：441835889@qq.com

张宇航，王德利.新疆准东煤田东部矿区西山窑组煤层煤相分析[J].山东国土资源，2017,33(7)：17-24.ZHANG Yuhang，WANG Deli.Analysis on Coal Facies of Xishanyao Coal Strata in Eastern Mining Area of Zhundong Coalfield in Xinjiang Uygur Autonomous Region[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(7)：17-24.

P618.13

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