黔北煤田吴家寨地区晚二叠世煤层地球化学特征及聚煤环境分析

杨 旭，刘志臣，秦先进，肖 林，陈 磊，李隆富，汪 洋

(贵州省地矿局102地质大队，贵州 遵义 563003)

1 引言

贵州是中国南方煤炭资源最丰富的省区，素有“江南煤海”美誉。煤炭资源相对集中于贵州西部的盘县、水城、六枝和织金、纳雍、大方等县，其次是在黔北煤田的桐梓、仁怀、习水等地。吴家寨地区地处仁怀与习水之间，该地区聚煤盆地位于扬子准地台西南缘，成煤期属于华南晚二叠世陆表海坳陷盆地的一部分(庄新国 等，2001；程伟 等，2013)，二叠统龙潭组聚煤规律是当前地学界研究的热点之一，是中国研究含煤地层的有利地区之一(张文斌 等，2020)。不同成煤过程的古气候、古生物、古地理和构造运动等条件，所形成煤层煤质特征参数也会相应的不同，因此，煤质特征参数中包含成煤环境信息(程伟 等，2013；张文斌 等，2020)。目前，国内外诸多学者研究了各个产地、各时代煤层的成煤环境与煤中硫分特征、挥发分特征、灰分特征、煤岩特征参数等的联系(HUNTJW et al.，1985；程伟 等，2013；邵龙义 等，2015，张文斌 等，2020)，煤的成煤环境与煤中主量元素、稀土元素特征参数的耦合关系(STEVENJS et al.，2003；李进孝2020；郭江峰 等，2016；任德贻 等，2006；李宝庆，2015；张文斌 等，2020)。

多数学者对贵州西部、西北部成煤环境及聚煤特征进行了研究，而对黔北地区晚二叠世含煤岩系地层的研究多局限于地质调查，对煤质地球化学特征及聚煤规律研究程度较为薄弱，特别是本区煤中地球化学元素特征与聚煤环境研究从未开展过。笔者在前人研究成果的基础上，收集利用地质勘查相关资料，重点研究区内含煤岩系煤质地球化学特征及聚煤作用的相关因素。本文以贵州遵义吴家寨背斜龙潭组C5、C8、C12煤层为研究对象，对其主量元素、稀土元素、微量元素、灰分、挥发分、全硫、碳、发热量、磷分、砷、氟、氯等测试数据进行分析研究。旨在查明研究区可采煤层地球化学特征及聚煤环境，深入探讨该地区二叠系成煤环境、煤层化学特征与聚煤环境的耦合关系。

2 区域地质背景

研究区大地构造位置位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱，毕节北东向构造变形区北东部，即二郎向斜北东段南东翼、吴家寨背斜北东段倾没端、茅台向斜北东段昂起端与官店向斜南西段昂起端之交汇部位(刘志臣 等，2018)。区域地层除缺失石炭系、泥盆系外，从震旦系至侏罗系均有出露，如图1所示。区内出露二叠统岩石地层单位由下至上依次为：栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)，龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)。龙潭组与下伏地层茅口组呈平行不整合接触，与上覆长兴组地层呈整合接触。栖霞组、茅口组和长兴组岩性组合以碳酸盐岩为主；龙潭组岩性组合以碎屑岩夹煤层为主。

图1 研究区地质略图(据刘志臣2018，修改)

3 龙潭组沉积特征

图2 垂向沉积环境图(据汪洋2017，修改)

下段(P3l1)：C11煤层上部厚层粉砂岩顶界至龙潭组底界，岩性主要为粉砂岩、泥岩、粘土岩、硫铁矿粘土岩、碳质泥岩及煤层(线)。粉砂岩见平行层理、小型交错层理；炭质泥岩、泥岩中产丰富的植物碎片化石，含黄铁矿结核及团块，水平层理发育。含2层可采煤(C11、C12)，其中，C12为全区稳定可采煤层；C11为大部可采煤层。

中段(P3l2)：C5煤层上部厚层细砂岩顶界至C11上部厚层粉砂岩顶界，岩性主要为细砂岩、泥质粉砂岩、菱铁质岩、粘土岩、粉砂质泥岩，少量灰岩、泥质灰岩，炭质泥岩及煤层(线)。灰岩中偶见腕足类化石，细砂岩见平行层理、交错层理、波状层理；泥岩、炭质泥岩含丰富的植物化石，黄铁矿呈星散状、团块状分布，水平层理发育。含2层可采煤层(C5、C8)，其中C8为稳定可采煤层，C5大部可采煤层。

上段(P3l3)：龙潭组顶界至C5煤层上部厚层细砂岩顶界，主要为海陆交互相沉积的灰岩、泥质灰岩、泥岩、钙质泥岩、粘土岩、炭质泥岩及薄煤层(线)。灰岩中产腕足类化石及碎片，泥岩、炭质泥岩、粘土岩中含丰富的植物碎片化石，泥岩水平层理发育，含黄铁矿团块结核。龙潭组主要为障壁海岸相、三角洲相、沼泽相交替出现为特征的海陆交互相沉积(李隆富 等， 2015；汪洋 等，2017；叶春 等，2017；杨旭 等，2019)。

4 样品采集与分析方法

研究区在钻探施工中，分别在ZK 103(C5-1)、ZK 505(C8-1)、ZK1303(C5-2)、ZK2103(C12-1)、ZK2503(C8-2)、ZK3703(C12-1)等6个钻孔中，针对全区稳定可采(或大部可采)的C5、C8、C12采取6件煤样，进行稀土元素测试。样品在中国科学院地球化学研究所，按GB474-2008 破碎研磨至200目以上，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对煤样品进行REE分析测定。煤中微量元素基于吴家寨背斜整装勘查报告(贵州省地矿局102地质大队.2015)中的32件煤质样品的分析数据，主量元素及煤化学特征采用整装勘查报告中的数据，样品分析在贵州省地矿局中心实验室完成。微量元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)；主量元素采用PW1404型X射线荧光光谱仪分析。

5 煤层地球化学特征

5.1 主量元素

表1 吴家寨地区龙潭组煤样主量元素分析一览表(%)

5.2 稀土元素

表2 吴家寨地区龙潭组煤样煤中稀土元素(ωB/10-6)

图3 稀土元素球粒陨石标准化分布模式图(据杨旭等2019，修改)Fig.3 Standard distribution model of REE chondrite

5.3 微量元素

表3 吴家寨地区龙潭组煤层微量元素分析结果及参数特征一览表(单位：10-4)

图4 研究区煤层微量元素纵向变化折线规律图Fig.4 Vertical change line rule of coal seam traceelement in the study area

6 煤质特征(见表4)

表4 吴家寨地区龙潭组煤质分析结果及参数特征一览表

图5 研究区上二叠统龙潭组煤层水分、灰分、挥发分和硫分垂向变化图Fig.5 Vertical change chart of water，ash，volatile and sulfur contentin Longtan formation coal seam of upper Permian in the study area

综上，吴家寨地区煤炭资源具有特低全水分、中灰分、低挥发分、特高硫分、中高固定碳、中高发热量、低磷分、特低氯煤等特征。

7 聚煤环境分析

影响海陆交互相聚煤盆地层序的主控因素为沉积物供应、古气候条件、古植物条件、沼泽类型、沼泽水体深度、地球化学条件及海平面变化的变化速率，其直接影响煤的分布范围和平面展布及厚度(徐彬彬 等，2003；姜科庆 等，2010；邵龙义 等，2013)。笔者认为影响聚煤作用的主导因素可归集于两个方面：即物理环境和化学环境。

7.1 物理环境

7.1.1 构造条件

构造运动是影响聚煤盆地的主导因素。中二叠世末的东吴运动使华南板块大部分地区抬升成陆，经历了较长时期的剥蚀，至晚二叠世，发生再次基底沉降，海水侵入形成了扬子板块聚煤盆地(王小川1996)，研究区位于扬子板块西南缘。该地区地壳均衡沉降，沉降速度与植物堆积速度大体相当，为聚煤盆地的补偿性沉积提供条件。地壳的沉降区域、强度、时代和速率，最终确定聚煤盆地形成的范围、岩系厚度、沉积补偿及沉积相的组成和分布(姜世阳，2016)。聚煤物堆积和保存的前提是地壳的慢速下降，聚煤条件好的特别是大型盆地一搬发育在构造稳定区。

7.1.2 古地理环境

古地理环境是控制煤系地层形成的直接因素。吴家寨地区龙潭组含煤地层主要由障壁海岸相(潮坪相、涧湖相)、三角洲相(前三角洲、三角洲前缘、三角洲平原)、沼泽相(泥炭沼泽)形成(汪洋 等，2017)，良好的沉积环境为植物生长和泥炭的形成提供了聚集地。泥炭沼泽常发育在剥蚀区到沉积区的过渡地带，既受剥蚀区的各种影响，又受沉积区的影响。煤炭形成的古地理环境是一个灵敏的动态环境，在各种因素的共同作用下，发生聚集作用(姜世阳，2016)。

7.1.3 古气候条件

古气候是煤形成的前提和决定因素。温暖潮湿的气候，不但为植物生长和繁殖提供有利的生长环境，而且决定了植物生长的种类、分布范围及适应能力，为聚煤物的堆积提供充分的物质条件。研究表明，晚二叠世贵州全区地处温暖湿润的热带雨林气候，种子蕨、真蕨及石松等高等造煤植物十分繁盛，为聚煤作用提供了丰富的物质基础(田和明 等，2014)。温暖潮湿地带为聚煤提供了场所，而湿度起到主要作用。

7.1.4 物源条件

植物是煤形成的物质基础。植物出现后，陆生植物不断进化，由滨海生向陆地生转移，由低等植物进化成高等植物。为适应环境变化，在漫长的进化过程中形成了多种植物群落，并出现了植物地理分区(姜世阳，2016)，植物一代又一代持续、繁茂地生长繁殖，死亡后形成植物遗体长期持续堆积，使煤形成的物质基础更为充足。

总之，在特定条件下，古构造、古地理、古气候和古植物等因素都可能成为聚煤作用的决定因素。通常情况下，古气候、古植物条件提供了聚煤作用的物质基础，而古地理和古构造则是聚煤盆地形成、演化的主要控制因素(姜世阳，2016)。

7.2 化学环境与聚煤关系

7.2.1 煤中灰分

图6 a.吴家寨地区上二叠统龙潭组煤中硫分与煤灰成分指数之间关系图；b.煤灰成分三角端元图解

7.2.2 煤中微量元素

7.2.3 煤中稀土元素

8 结论

(2)微量元素的分布特征、富集程度与其形成环境也密切相关。咸水环境中Sr/Ba值大于0.8，研究区均值为0.15，小于0.8，表明为淡水环境。煤层底部为粘土岩、泥岩是造成该区域煤层硫含量高的一个重要原因。研究区煤层硫含量主要来源于次生硫。

(3)稀土元素地球化学参数Eu负异常，故研究区煤样受陆源控制。在海水环境中，Ce负异常是海相环境的一个指标。研究区Ce均未出现明显负异常，说明该区成煤环境受海水影响很小。

(4)在特定条件下，古构造、古地理、古气候和古植物等环境因素都可能成为聚煤作用的决定因素。