山西古交矿区含煤岩系泥岩地球化学特征及地质意义

张海涛

(宿州学院 安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽 宿州 234000)

古交矿区含煤岩系主要包括石炭系和二叠系地层中的太原组和山西组[1]，研究区煤的顶板主要由泥岩组成，开采之前要对顶板进行处理，但由于顶板泥岩性质不稳定而造成的经济损失越来越多，因此系统的了解研究区内泥岩的地球化学特征是非常必要的.通过提取采集的样品中的稀土和微量元素，并分析这些元素的特征，可以提供一些直观的证据去还原研究区目标层位的沉积环境，同时通过对泥岩中元素种类、含量的变化可以让我们进一步了解古交矿区含煤岩系中沉积物的来源.

1　山西古交矿区区域地质背景

1.1　古交矿区自然地理概况及构造背景

古交矿区位于山西省省会会太原市的西部，见图1，吕梁山东支，汾河上游[2]，矿区总面积约665 km2，区域内地势总体表现为北高南低且构造情况复杂，地质历史久远[3]，总体可分为一大断层，三个历史时期.一大断层：主断层由东北向西南向延伸，在矿区西南部也就是主断层附近还伴随有大量的小断层、少量的褶皱发育，具体见图2.

图1　古交矿区交通位置图

图2　古交矿区构造纲要图

地质历史：1.早寒武华北地台造陆期，地壳地幔逐渐分化，地壳抬升，形成早期华北地台[4].2.燕山运动期，矿区的主体地质构造及格局初步形成，南面的构造运动受下扬子板块运动的影响较北面强烈，以至于现在的南部的地质构造较复杂.3.喜马拉雅造山运动期，山西裂谷形成，使太原盆地下陷，造成如今的北高南低的总体格局.

1.2　古交矿区地层概述

古交矿区的地层主要包含了寒武系到第四系的地层，中间缺失志留系和泥盆系，其中比较重要的是二叠系和石炭系[5].石炭系中的太原组含有数层薄层灰岩，其中形成15号煤层顶板的四节石灰岩厚度比较大，大约在5～12 m左右，在矿区接近地表的浅层岩溶裂隙发育良好，含水量较大，而远离河床以后，由于泥岩的透水性很差所以当埋藏条件较深和补给通道或补给源不好的地方会导致含水很少.二叠系里的山西组主要由泥岩，砂岩、煤组成，地层总厚度在60 m左右，3#煤和8#煤是主要的含煤地层，同时该区域还发育有大量古生物化石.

2　古交矿区泥岩的地球化学特征

2.1　数据的收集

测试的样品都是来自古交矿区太原组和山西组的岩芯，样品颜色主要是灰色﹑灰黑色.经过处理后得出的元素含量数据见表1和表2：

表1　古交矿区泥岩微量元素测试表(μg/g)

注：UC为地壳平均含量

表2　古交矿区泥岩稀土元素测试表(μg/g)

注：δEu=EuN/(Sm* Gd)N0.5；δCe=CeN/(La* Pr)N0.5；(La/Yb)N-Haskin等(1968)[6]

2.2　元素特征

2.2.1微量元素的特征

分析表1中关于古交矿区含煤岩系泥岩样品中微量元素含量的实验数据，再和上地壳中这些元素的平均含量数据相比，发现Cr、Zr、Th、U等亲石元素以及Ti、Zr、Th等高场强元素的含量较高，呈富集状态，而Co和Ni等亲铁元素以及Cu和Pb等亲铜元素的含量在样品中测试出来的结果变化较大，但平均值相对上地壳来说比较接近或略高，另外研究区的Rb、Sr、Nb、Ta等元素比上地壳含量明显低出现了严重亏损，造成这种现象可能是由于沉积的背景或沉积物来源引起的.

2.2.2稀土元素的特征

通过对表2的数据的分析并绘制稀土元素配分曲线图，具体见图3，发现研究区稀土元素的总量在148.46～573.52之间变化，整体平均值为277.95，其中太原组的平均值为242.26，山西组的平均值为308.16，两者的平均值均超过了上地壳中稀土元素含量的平均值，这说明了研究区内含煤岩系整体表现为稀土元素富集.

研究轻重稀土元素分异程度可以用轻重稀土元素的比值(∑LREE/∑HREE)这个指标[7,8]，该值越大说明分异现象越明显，而测量整体结果在 8.51～16.32之间，平均值大约为11.92，对比太原组、山西组的平均值12.56、11.40来看，太原组的轻稀土元素与山西组比较起来更加集中.δEu 平均值0.63，太原组在该项数值为0.70，山西组为0.55，与北美页岩的该项数据0.69相比太原组接近而山西组表现出明显的负异常，(La/Yb)N的比值可以反映出稀土元素经处理标准化后分布曲线的偏移程度，从图3中可以看出曲线整体近乎于水平状态，说明太原组和山西组中稀土元素分馏程度低，研究区该值范围在 6.09～21.56之间，平均值为13.45，高于北美页岩的平均值，同时通过数据结果显示太原组平均14.35而山西组平均12.63，证明太原组的轻稀土元素富集现象比山西组更明显一些.

图3　古交矿区含煤岩系稀土元素配分图

3　古交矿区泥岩的地质意义

3.1　古气候

沉积物中微量元素Sr/Cu的比值可以作为判断古气候的依据[9]，据研究表明，当该值大于5时反映当时的气候为干热气候，当比值在1～5之间时反映当时为温热湿润的气候，而研究区内该项数据的平均值检测的结果11.65远大于5，其中太原组、山西组样品的测试结果也均大于5，且太原组的平均值较山西组大，由此说明形成含煤岩系太原组和山西组时此地的气候应该是干热气候，由太原组到山西组时气候开始逐渐湿润，但是在形成煤层时该值略小，说明发生成煤作用时此地的气候有所转变，应该为湿润气候，这样会为形成煤层提供有利条件.

3.2　沉积环境

泥岩的颜色及元素分布特征可以反映一定的沉积环境，当泥岩表现红褐色时一般是氧化铁引起的，由于铁受到潮湿炎热的气候影响，铁质在地面被氧化后进入沉积物并最终沉淀形成红褐色泥岩，当泥岩出现黑色这一般代表该类泥岩是在泥炭沼泽的沉积环境中形成.

元素的分布特征可以作为一种更加精确的依据来判定沉积环境，由于沉积作用发生是在水体中，沉积环境即指沉积时的水体环境.样品中V/(V + Ni)的比值能够反映沉积时的氧化还原环境，一般当该值范围在0.4～0.6之间时，沉积环境则判定为贫氧环境；当该值范围在 0.60～0.84之间时，沉积环境可以判定为厌氧环境；若该值大于0.84，该区域的沉积环境可以判定为厌氧环境[10]；研究区该值为0.82，这就说明此地泥岩的沉积区处在地下水体分层不强的还原环境中，同时也说明研究区地下水联系密切，能够互相补给但补给量较少.同时Sr和Ba含量的比值即Sr/Ba的值也可以为沉积环境的判别提供佐证，当该值大于1时可以判定所处的环境为海相沉积环境，反之当该值小于1时沉积环境则为陆相，根据实验的结果显示样品测试后该值在0.197～0.978之间变化，最大值接近1且均值0.405，同时太原组中样品该值大于山西组中样品的测试值，说明研究区在含煤岩系形成的时期沉积环境应该为海陆交互沉积，太原组偏海相而山西组偏陆相，这与众多研究中论述华北地区二叠纪时期陆表海的沉积环境相吻合，进一步验证了实验的结果.

3.3　沉积物来源

稀土元素的参数特征及其分布可以用来分析沉积物的来源[11]，当沉积物来源于上地壳时会有轻稀土元素富集，而重稀土元素亏损且Eu含量表现出明显的负异常的现象，研究区该特征与上地壳的特征几乎一致，这说明古交矿区含煤岩系中太原组和山西组的沉积物基本都来自上地壳，另一方面从具体数据来看太原组δEu的平均值0.70与上地壳(0.69)相差不大，山西组的平均值0.55则明显小于上地壳含量，这说明太原组和山西组的沉积物来源是不同的.若沉积物主要来源为花岗岩，沉积岩地化特征多出现负Eu异常的现象，母岩如果为玄武岩，沉积岩地化特征一般表现出无Eu 异常，根据样品测试的数据可以看出研究区含煤岩系物源应该以花岗岩和碎屑岩为主，同时太原组物源中有玄武岩的混入，而山西组物源中花岗岩的含量较高，根据花岗岩的形成条件推测含煤岩系的物源背景应该处于活动大陆边缘及海陆接触处.

4　结　　论

(1) 通过以上对研究泥岩元素的分析可以得出研究区泥岩的微量元素及稀土元素特征，其中微量元素中亲石元素和高场强元素的含量较高，而亲铜和亲铁元素与地壳中含量接近.稀土元素整体含量较高且轻稀土元素比较重稀土元素呈富集状态.

(2) 研究区含煤岩系形成时的气候有干热向湿润转变，沉积环境具有华北典型的陆表海特征，且研究区泥岩基本沉积在地下水体分层不强的还原环境中，物源以花岗岩和碎屑岩为主，同时山西组形成时有花岗岩作为物源混入较多，可能由于含煤岩系的物源区处于活动大陆边缘及海陆接触处的缘故.

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