陆表海盆地不同海侵背景下黏土岩特征及其应用价值——以枣庄陶枣煤田为例

张 艺，吕大炜

(山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)



陆表海盆地不同海侵背景下黏土岩特征及其应用价值
——以枣庄陶枣煤田为例

张 艺，吕大炜

(山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

采用煤地质学、煤地球化学及沉积学方法，对枣庄陶枣煤田早二叠纪13、14和17煤层及底板黏土岩进行采样测试发现：不同煤层底板的黏土岩质量存在着差异，13、14煤为海退形成煤层，其黏土岩高岭石、伊利石含量相对较低，石英含量较高，形态多呈尖棱状。17煤是海侵形成，其黏土岩高岭石、伊利石含量相较高，石英含量较低，形态多为次圆状，化学风化指数(CIA)在84.26%～92.18%，平均为88.22%，受到的化学风化作用较弱，黏土质量更好；化学分析结果表明：研究区黏土岩SiO2含量为40.61%～63.91%，Al2O3含量为21.52%～42.92%，碱金属及其他氧化物含量较低，且Fe2O3含量为0.48%～2.98%，TiO2含量为0.31%～1.32%，在耐火材料工业达到一级品位，有利于深加工应用。该研究结果为煤系共伴生矿产开采提供了一定的依据。

陶枣煤田；黏土岩；海侵；地球化学特征

黏土矿床用途广泛，经济意义重大，它可用来生产陶瓷和耐火材料。形成于华北地区晚古生代含煤岩系中的黏土矿床被用来做陶瓷和耐火材料已很多年，可塑性很高，是一种非常优良的粘结剂[1]。除此之外，黏土矿床还可用于石油、建筑、纺织、造纸、油漆等工业。另外，由于黏土矿床具有特定的矿物成分，矿物形态，化学成分，微量元素和产出位置及分布，往往代表一个特定的沉积环境，可根据它的分布，恢复古地形地貌，岩相古地理；也可以根据其中稳定同位素的分析数据，进行沉积环境和地质年代的研究[2]。

中国华北山东地区石炭二叠系煤炭开采历史悠久[1]。目前，鲁西地区形成黏土矿开采已经在淄博、枣庄等地，但是对于具有同等地质条件的滕县陶枣煤田仍需进一步研究。陶枣煤田位于鲁西南地区，主要含煤地层为晚古生代石炭-二叠系山西组和太原组，以前的地质研究主要是关注煤层的开采和煤系沉积环境，随着进一步的研究，越来越多学者发现在煤层底部有大量的可潜在用于工业制造的黏土矿床，但是不同沉积环境下控制的黏土矿床存在着很大的差异性，不同类型黏土矿床的工业利用也存在着较大的差异，这种差异性不但体现在开采上，更重要体现在原始沉积环境差异性，因此，黏土矿床的原始沉积环境成为研究重点，为此，以鲁西陶枣煤田黏土矿床为主要实例，通过分析黏土矿床沉积环境差异性，能够更好的反映出不同类型黏土矿床利用的各向异性。

1 地质背景

陶枣煤田位于华北西南地区南部(图1)，其范围北起北山大断层，东西全长30km，南北宽3～7km，面积约147km2，含煤面积为90.10km2。区内含煤地层为石炭-二叠系山西组和太原组，厚度约280m，共含煤18层。其中太原组形成于陆表海沉积环境[1]，厚约180m，其煤层及其顶底板沉积环境出现很大差异性，其顶底板包括中、细砂岩抑或灰岩，不同类型的顶底板沉积环境形成了不同性质的黏土矿，这些黏土矿层厚度与沉积环境密切相关[1]，为此本文对朱子埠13煤上、下层间高岭石黏土岩(厚度0.2m)、山家林、甘霖13煤与14煤间黏土岩(厚度0.55～0.7m，平均厚度为0.625m)、陶庄14煤夹矸(厚度0.5m)、甘霖、朱子埠17煤底板煤层底板黏土矿采样(图1)，通过地球化学和沉积学相结合方法研究其沉积特征，确定不同沉积成因类型黏土矿特征，为预测黏土矿的分布提供一定依据。

2 采样及研究方法

共计采样6个(采样位置见图1和图2)。样品的采集和准备均依据中华人民共和国国家标准《煤层煤样采取方法》(GB/T482-2008)和《煤样的制备方法》(GB/T 474-2008)分析主量元素，对于主量元素测试结果，采用化学风化指数(CIA)分析其风化程度[3]。采用X衍射和偏光显微镜综合分析煤中矿物：对所采样进行适当的预处理，制作一系列定向片后用X射线衍射分析可方便地鉴定各种常见的晶质黏土矿物，运用偏光显微镜分析研究样品薄片的成分及晶体特征。实验测试在山东科技大学沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室完成。

图1 陶枣煤田的地理位置及采样分布图Figure 1 Taozao coalfield geographical setting andsampling point distribution

图2 样品在钻井中的垂直分布Figure 2 Vertical distribution of samples in borehole(陶庄、山家林、甘霖和朱子埠矿井均采自太原组矿井平面分布位置见图1)

3 结果

3.1 常量元素

6个黏土岩样品X射线光谱仪分析结果见表1。黏土岩的主要化学组成为 SiO2和Al2O3， SiO2含量为40.61%～63.91%，平均为52.79%；Al2O3含量为21.52%～42.92%，平均为29.29 %；Fe2O3含量为0.48%～2.98%，平均为1.12%，仅个别样品(T1)Fe2O3含量较高，大于1%，其他样品均小于1%， FeO含量为0.12%～0.67%，平均为0.32%；CaO含量为0.02%～0.74%，平均为0.33 %；Na2O含量为0.23%～0.41%，平均为0.29 %；K2O含量为0.15%～3.39%，平均为1.30%；MgO含量为0.31%～1.32%，平均为0.54%；TiO2含量为0.31%～1.32%，平均为1.01%；MnO含量为0.00%～0.06，平均为0.018%；P2O5含量为0.04%～0.14%，平均为0.065%；烧矢量含量为9.54%～16.05%，平均为12.94%。

表1 黏土岩化学成分

3.2 矿物特征

X射线衍射数据显示所有样品中的黏土矿物均由高岭石、伊利石、石英组成。T1样品中还含有长石和黄铁矿(表2和图3)。其中，高岭石含量高达90%，具有明显的三斜晶系特征，反射峰大都强而尖锐，他们都是高岭石有序度高的证据。然而，各个样品组分之间也有微弱的不同。G2和T1样品伊利石含量较多，Z1和G1样品石英含量较多，T1样品还含有长石和黄铁矿，说明17煤样品石英含量低于13、14煤样品。

3.3 显微结构特征

据偏光显微镜观测可知，样品为典型凝灰结构、蚀变作用相对较弱的凝灰岩(Tuff)[4]，薄片鉴定表现为以杂基支撑为主，粒度绝大多数小于2mm，由玻屑、晶屑和岩屑组成。晶屑形状从棱角状到椭圆状均有发育，分选性较差，研究区不同矿区碎屑石英含量及形态略有差异，Z2样品，含有相对较少的碎屑石英，且形态多为稍经圆化的次圆状，G1样品，含有较多的碎屑石英，多呈尖棱状；石英晶屑的边缘呈熔蚀的港湾状，细粒石英晶屑的尖锐棱角或呈向内收缩的弧面多边形，碎屑石英往往有不同程度的圆化(图4a，图4c)，反映经过了一定距离的水携搬运，粒级小的晶屑因在空气或水中悬浮搬运，常呈尖棱状或稍经圆化的次圆状[4-6]， 岩石中存在高岭石化长石假象(图4b)，边缘常发生膨胀，常蚀变成黏土，岩石基本上为火山灰蚀变成高岭石黏土岩。

图3 X射线衍射图谱Figure 3 X-ray diffraction pattern

朱子埠13夹矸d/10-1nmI/I0甘霖13、14煤间d/10-1nmI/I0山家体13、14煤间d/10-1nmI/I0朱子埠17煤底板d/10-1nmI/I0甘霖17煤底板d/10-1nmI/I0陶庄14煤夹矸d/10-1nmI/I0hk(i)l该峰所指示矿物10.0236310.091002伊利石7.166957.1701007.2011007.1741007.158100001高岭石4.977405.006004伊利石4.4621004.4591004.4701004.4671004.4671004.47583020伊利石4.363594.36257110高岭石4.2544.2524.2654.2574.2254.261100石英3.5691003.5721003.5811003.5731003.5731003.57799002高岭石3.5071`3`1,200高岭石3.3413.3403.3483.3433.3413.345101石英3.25长石2.709黄铁矿2.559522.560532.566812.561442.561482.56591`30,20`1高岭石2.496342.499402.494352.497301`3`1,200高岭石2.4542.4542.4572.4552.4542.456110石英2.38534003高岭石2.335442.333422.340422.329302.3353520`2,1`31高岭石2.2792.2792.2832.2812.2792.281102石英2.2352.2332.2352.2352.236111石英2.1252.1242.1282.126200石英1.9791.9781.9801.9801.9771.979201石英1.8161.8161.8181.8171.816112石英1.6701.6691.6711.669202石英1.6571.656103石英1.178100001高岭石

a是Z2样品，含有相对较少的碎屑石英，且形态多为稍经圆化的次圆状；b是G1 样品，含有较多的碎屑石英，多呈尖棱状；c是T1样品,岩石中存在高岭石化长石假象，边缘常发生膨胀；d是G2样品，离阴山物源较远，却有碎屑物质沉积。图4 不同黏土层显微镜单偏光Figure 4 Different claystone layers under monocular polarizing microscope

4 讨论

一般认为，岩石在发生化学风化或蚀变时，钾、钠、钙和镁等碱金属及碱土金属容易迁移，因此其在岩石中的含量可在一定程度上反映岩石的风化程度[2]。铁、钛、铝和硅等的迁移能力相对较差，尤其是钛和铝，在地表的弱碱性和弱酸性条件下基本会被等量的保存下来，所以岩石中的TiO2/ Al2O3比值可在一定程度上反映物源特征[7-8]。6个样品中TiO2/ Al2O3的值变化不大(表1)，说明物源相似，Z1和G1样品含石英碎屑多于其他四个样品，说明陆源碎屑注入较多，反映其受物源影响较大。17煤样品中K2O+ MgO含量为1.97%～4.71%，平均为3.34%，13、14煤样品中K2O+ MgO含量为0.46%～2.29%，平均为1.35%，说明17煤黏土岩受到海水的影响较大，13、14煤黏土岩受到海水影响较小。

当CIA值为50～65，表明在低温期间的寒冷和干燥气候的化学风化，当它是65～85，它标志着温暖和中度化学风化期间的潮湿气候，而CIA值为85～100表示在强化学风化期间的热和潮湿的气候[9]。CIA值(表1)均值高达91.36%，显示研究区含煤层中的沉积物层沉积发生在强化学风化期间的热和潮湿的气候，17煤化学风化指数(CIA)在84.26%～92.18%，平均为88.22%，13、14煤化学风化指数(CIA)在86.26%～98.37%，平均为92.93%，说明17煤形成的黏土岩受到的化学风化作用较弱，13、14煤形成的黏土岩受到的化学风化作用较强。

李增学等[10-11]研究发现：鲁西地区煤层形成不同的海水影响背景下。 13和14煤形成于海退时期，煤层底板受到物源影响较大，17煤则形成于海侵时期，底板在发生海侵之前为暴露沉积，发生海侵后泥炭沼泽迅速处于深水还原环境条件，煤层底板受海水影响较大。结合本次研究可以看出，海侵形成的煤层(17煤)受海水影响大，煤层底板(黏土层)形成于海水环境之中，煤层受到的风化作用弱，海退形成煤层(13和14煤)受到海水影响较小，煤层底板形成于半咸水，受到风化作用强。因此，可以看出，煤层形成环境对煤质及煤层伴生矿产质量影响很大。

5 结论

(1)不同海水影响背景下的黏土层地球化学特征存在着差异。13、14煤样品基本上为火山灰蚀变成的高岭石黏土岩，碎屑石英含量高，形态多呈尖棱状，SiO2含量相对高，高岭石伊利石含量相对低，化学风化指数(CIA)在86.26%～98.37%，受到化学风化作用较强，海退形成煤层底板质量相对差，而海侵形成17煤层底板黏土矿SiO2含量等相对较低，高岭石伊利石含量相对高，碎屑石英含量低，形态多呈稍经圆化的次圆状，黏土质量更好。

(2)化学分析结果表明：SiO2含量为40.61%～63.91%，Al2O3含量为21.52%～42.92%，碱金属及其他氧化物含量较低，但烧矢量接近于高岭石理论值，说明有机质含量较高，可提高陶瓷胚体成型时的可塑性，减少有机助剂的用量，降低生产成本，且研究区黏土矿Fe2O3含量为0.48%～2.98%，TiO2含量为0.31%～1.32%，在耐火材料工业达到一级品位，除陶庄Fe2O3含量略高，其余样品较一般性耐火黏土低、表明黄铁矿、金红石等有害杂质少，有利于深加工应用。

[1]Dawei Lv,Tingting Feng, Zengxue Li, Haiyan Liu, Penglin Yong&Qing Yang, Sendimentary characteristics of clay deposits associated with coal bedas and their geological inplacations for the Eastern Yanzhou Coalfield,North China,Indian Journal of Geo-Marine Science Vol.45(1),January 2016,pp.5-15.

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Features and Application Value of Epicontinental Sea Basin Claystone under DifferentTransgression Settings——A Case Study of Taozao Coalfield, Zaozhuang

Zhang Yi, Lyu Dawei

(College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590)

Using coal geological, coal geochemical and sedimentological methods have carried out sampling and testing for early Permian coal Nos.13, 14, 17 and floor claystone in the Taozao coalfield, Zaozhuang.. The result has shown that the quality of floor claystone under different coal seams is different. Coal Nos.13 and 14 were formed during regression, the claystone has relatively lower kaolinite and illite contents, higher quartz content, mostly sharp angular in shape. Coal No.17 was formed during transgression, the claystone has relatively higher kaolinite and illite contents, lower quartz content, mostly subrounded in shape; the chemical weathering index ( CIA ) is between 84.26%～92.18%, average 88.22%, thus weaker chemical weathering, claystone quality is better. The chemical analyzed results have shown that study area claystone SiO2content range between 40.61%～63.91%, Al2O3between 21.52%～42.92%; contents of alkali metals and other oxides are rather low, Fe2O3between 0.48%～2.98%, TiO2between 0.31%～1.32%, thus the grade I in refractory industry, conducive to deep processing applications. The result has provided certain basis in coal measures coexisting and associated minerals exploitation.

Taozao coalfield; claystone; transgression; geochemical features

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.04

1674-1803(2017)06-0020-05

山东省自然科学基金 (ZR2015JL016)资助

张艺，女，(1996—)，山东科技大学资源勘查工程本科。

吕大炜，男，山东科技大学地科学院副教授。

2017-02-09

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责任编辑：宋博辇