青龙寺井田主采煤层古泥炭沼泽演化规律研究

王 双 美

（江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006）

0 引 言

古泥炭沼泽是煤聚集的主要场所，也是含煤地层沉积过程的重要环节［1］。 煤相及相关地球化学特征，是指示古泥炭沼泽条件的重要标志，也是煤地质学者研究的重要课题之一［1-2］。 煤相的研究可为成煤条件、成煤过程和成煤原始物质等方面提供成因信息，文献［3-5］建立了煤相参数；秦勇等［1］以山西北部安太堡上石炭统太原组11 号煤层为例，在煤相研究基础上，结合地球化学研究，对煤相及古泥炭沼泽发育过程进行了精细研究；代世峰等［6］通过对内蒙古准格尔黑岱沟主采煤层煤岩学和矿物学研究，发现煤层中镓最佳的富集条件处于4 个过渡带；鲁静等［7］从沉积学、层序地层学和煤岩学角度提出了陆相湖盆沼泽沉积模式，并利用煤相参数垂向变化特征恢复沼泽水介质特征、成煤植物类型等地质演化信息。

神府东胜煤田（以下简称“神东煤田”）煤炭资源丰富，构成国家特大型煤炭开发区域和输出基地，是我国重要的优质动力煤的生成基地。 文献［8-11］对该区聚煤规律和含煤岩系的沉积环境进行了系统总结，指出含煤岩系的沉积环境主要包括曲流河、湖泊和湖泊三角洲；黄文辉等［12］对鄂尔多斯盆地侏罗纪煤的煤岩特征进行研究，认为沉积环境和成煤沼泽环境对煤岩组分具主要控制作用；刘善德［13］基于永陇矿区勘探报告的检测数据对勘查区主采煤层的煤质特征、成煤环境等进行了分析；魏云迅［14］和何建国等［15］对该区主采煤层的煤岩、煤质特征进行了系统分析，查明了不同煤质煤炭资源气化和液化清洁利用途径；文献［16-17］厘清了神府矿区煤炭资源的清洁潜势；陈凯［18］利用Matlab 与SPSS 的回归分析方法，建立了东胜矿区地表移动参数与相关地质采矿条件的关系式；王华等［19］指出该矿区煤中Sr 和Ba 富集的主要原因是煤层中含有负载这2 种元素的矿物；李华兵等［20］详细分析研究了神府矿区5-2煤层的焦油产率特征和富油煤的赋存特征。 可见国内的专家学者们已经取得了丰硕的成果，但对神府矿区侏罗纪延安期发育的主要煤层的煤相序列及演化未进行过详细研究。

笔者基于青龙寺井田主采煤层5-2煤层的显微组分特征、煤化学性质和元素地球化学等分析测试结果，划分该煤层的宏观煤岩类型，总结了煤化学特征。 该井田区主采煤层的煤相演化序列及古泥炭沼泽演化的精细研究，有望揭示该井田主采煤层古泥炭沼泽的水介质条件及演化序列，为煤炭资源的清洁潜势评价及富油煤的赋存特征研究提供地质依据。

1 地质背景

神府矿区地处鄂尔多斯盆地东北缘，现今构造位置处于盆地次级构造单元陕北斜坡之上，位于陕西省最北端神木、府谷两县境内，东西宽50 km，南北长20～60 km，面积约2 400 km2，与内蒙古东胜煤田相连，煤层稳定，埋藏浅，易开采。 而青龙寺井田位于神府矿区新民开采区的中部，东距府谷县46 km，南距神木县约30 km 处。 中侏罗统延安组发育在盆地西高东低、类型多样的古地理背景之上，依据含煤层序和旋回结构地层单元可划分为5 段，每段含有1 个煤层组。 延安组煤层自上而下编为1 ～5煤组（图1）。 因遭受后期剥蚀，区内延安组第5 段大部遭受剥蚀，其余各段均有展布。 自下而上发育有4 个煤组，即5 号煤组、4 号煤组、3 号煤组和2 号煤组，每个煤组含若干个独立煤层，5-2煤层为主采煤层。

图1 含煤地层柱状及采样编号Fig.1 Columnar section of coal-bearing strata and sample number

2 煤岩分析方法

本次采样兼顾宏观煤岩类型采用等距（20 cm）将5-2煤从底板至顶板方向，采取一个完整的煤层剖面，共26 个样品，包括煤层底板1 个、夹矸1 个和24个煤分层样，从上至下将煤层编号为1 ～24，夹矸编号JG，底板编号DB。 各分层制成煤砖光片，剩余样品粉碎分别开展工业分析、硫分分析（全硫和形态硫）、元素分析、灰成分分析和微量元素分析。

基于国际煤岩学显微组分分类方案（ICCP，1976）及GB／T 8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》对各煤分层进行显微组分、矿物和显微煤岩类型的定量统计。 按照GB／T 212—2008《煤的工业分析方法》、GB／T 214—2007《煤中全硫的测定方法》、GB／T 215—2003《煤中各种形态硫的测定方法》等国家相关标准，进行各煤分层的工业分析、全硫和形态硫含量测定。 采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测试各煤分层样品中的微量及常量元素。

依据DIESSEL［3］建立的方法，基于煤岩显微组分定量统计结果，计算各样品的凝胶化指数（GI）和结构保存指数（TPI），其中GI 反映了腐植化过程中的凝胶化作用强弱和泥炭氧化还原条件，为精细表征凝胶化作用强弱及其揭示的沼泽水介质酸碱性，作者采用鲁静等［7］的公式计算GI 和TPI，可用于指示泥炭的降解程度和埋藏速度为

GI＝（T＋C4）／（T＋C1）

TPI＝（T＋C1＋F＋Sf）／（C2＋Ma＋ID）

地下水流动指数（GWI）和植被指数（VI）的计算公式根据Calder 等［4］计算，得

GWI＝（C4＋C3＋CM＋SiM＋VD）／（T＋C1＋C2）

VI＝（T＋C1＋F＋Sf＋Fu＋Se＋Re）／（C2＋ID＋Alg＋ED＋Cu）

依据马兴祥［5］建立的参数，计算煤样的搬运指数（TI）为

TI＝（ED＋VD＋ID＋C3＋Re＋Sp＋Cu）／（F＋T＋C2＋Ma）

式中：T 为结构镜质体含量；C1为均质镜质体含量；C2为基质镜质体含量；C3为团块镜质体含量；C4为胶质镜质体含量；VD 为镜屑体含量；F 为丝质体含量；Sf 为半丝质体含量；Fu 为菌类体含量；Se 为分泌体含量；Ma 为粗粒体含量；ID 为惰屑体含量；Sp为孢子体含量；Cu 为角质体含量；Re 为树脂体含量；Alg 为藻类体含量；ED 为壳屑体含量；CM 为黏土矿物含量；SiM 为石英含量。

沼 泽 水 体 的 古 盐 度（S，%） 的 计 算 借 鉴Nelson［21］的经验公式y ＝0.09 ＋0.26S，其中y ＝w（Ca）／w（Ca）＋w（Fe）［22］，同时根据分层煤样ICPMS 测试结果，计算可指示泥炭沼泽水介质盐度的Sr／Ba 和Th／U 参数。

3 煤岩组分结果

3.1 煤岩基本性质

根据国家标准GB／T12937-2008《煤岩术语》 、GB／T 18023—2000《烟煤的宏观煤岩类型分类》和各分层的相对光泽强度，在煤层分层样品中分出3种宏观煤岩类型，即半亮煤、半暗煤和暗淡煤，以半暗煤为主。 从上至下，除15、19、20、22 分层样为半亮煤，其他为半暗煤及暗淡煤。 半亮煤宏观显微组分多以亮煤为主，条带状结构，层状构造，贝壳状断口；半暗煤则多以暗亮煤为主，镜煤呈线理状出现，条带状结构，层状构造；暗淡煤主要是暗煤和丝炭，均一状构造。

青龙寺井田5-2煤层各煤分层的基本化学性质见表1，挥发分产率（Vdaf）为32.51%～49.27%，平均38.99%，属于高挥发分煤。 灰分（Ad）为5.28%～24.67%，平均13.70%，其中10 个分层样为特低灰，占41.7%；9 个分层样为低灰，占37.5%；5 个分层样为中灰，占20.8%。 全硫含量（St，d）为0.16% ～0.50%，全部属于特低硫煤。 分析结果见表1，镜质组含量（V）为48.0%，惰质组含量（I）为46.5%，壳质组含量（E）为1.5%，矿物质体积含量（M），具惰质组含量高、镜质组含量低的特点。 在镜质组中，基质镜质体的含量最高（46.4%），少量结构镜质体（1.1%）、均质镜质体（0.2%）和团块镜质体（0.3%）；惰质组主要由半丝质体（39.2%）、丝质体（4.8%）组成，含少量惰屑体和粗粒体等；壳质组主要由孢粉体（1.0%）、角质体（0.3%）和树脂体（0.1%）组成。 各煤分层中显微组分的构成变化较大（图2），以第22、18、13、8 和4 分层为界，显微组分垂向呈多个向上镜质组含量不断降低、惰质组含量逐渐增加的变化趋势，即向上变暗。 垂向上镜质组与惰质组的周期式波动，指示了沼泽水体由滞流向活性氧含量增加的演化过程。 因为沼泽水体滞流海侵作用增强使水体盐度增高，导致沉积水介质还原性增强，煤中镜质组含量增高；水动力条件越强，水中活性氧的氧化作用或水流异地沉积作用就越大，会使煤或泥炭中惰质组及碎屑组分含量增高。 同时煤中的灰分呈近乎相同的变化趋势，通常，沼泽水介质动力条件越弱，由水流带入沼泽水体中的陆源物质就越少，煤中灰分就会越低［1］。 垂向上煤中灰分的变化，指示了沼泽水介质动力条件由弱到强的周期性演化。 据此，从底板至顶板方向，5-2煤显微组分含量构成6 个演化旋回（图2）。

表1 神府矿区青龙寺井田5-2煤层基础煤质分析数据Table 1 Data of basic coal quality of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefiled of Shen-Fu Mining Area

图2 青龙寺井田5-2煤层显微组分及煤相类型演化剖面Fig.2 Columnar section of maceral group composition and coal facies from No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

3.2 煤中微量元素的分布特征

神府矿区青龙寺井田主采煤层5-2煤层部分微量元素测试结果见表2 ，煤中微量元素富集特征常用富集系数CC［23］（CC ＝元素含量／世界煤中元素含量均值，CC＜0.5 为亏损或缺失，0.5＜CC＜2.0 为正常水平，2＜CC＜5 稍富集，5＜CC＜10 富集，10＜CC＜100显著富集，CC＞100 异常富集），青龙青井田5-2煤层煤样中微量元素与我国煤中微量元素含量值相比，仅Mn 为富集状态，Sr 和Cs 属正常范围，其他元素均处于亏损水平；与世界煤中微量元素含量值相比，Mn 为富集状态，Be、Sr、Cs 属正常范围，其他元素也均处于亏损水平（图3）。

表2 青龙寺井田5-2煤层部分微量元素分析数据Table 2 Data of element analysis of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

图3 青龙寺井田5-2煤层各煤分层中微量元素富集系数Fig.3 Enrichment coefficients of race elements from each layer of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

3.3 煤相特征

依据GI-TPI 图解（图4），形成于河流-三角洲背景下的神府矿区青龙寺井田5-2煤层的不同煤分层主体形成于湿地草本沼泽相。

图4 青龙寺井田5-2煤层的煤相类型判别图解［3］Fig.4 Coal facies types of various layers of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield［3］

同时显示出低位沼泽和干燥森林沼泽等煤相类型，它是分别发育在湖泊、下三角洲平原和山前冲积平原背景之上。 由此，构成了煤相的3 种基本类型，下三角洲平原低位沼泽相（A）、湖泊湿地沼泽相（B）和山前冲积平原干燥森林沼泽（C）。

4 分析与讨论

4.1 煤相演化

进一步分析，煤相的发展演化经历了6 个阶段，其中第Ⅰ阶段至第Ⅲ阶段，成煤作用由B 相开始，至A 相或C 相结束。 第Ⅳ阶段至第Ⅵ阶段，成煤作用主体经历了B 相，在发育了湖泊背景下的湿地沼泽相后结束了5-2煤古泥炭沼泽的形成作用。

上述6 个阶段，揭示了5-2煤层煤相演化过程具有以下特征：①每个演化阶段均为半旋回，从湖泊湿地沼泽相，演化为下三角洲平原低位沼泽相或山前冲积平原干燥森林沼泽相，指示水体由相对较深转变为相对较浅；②第Ⅳ阶段至第Ⅵ阶段，煤相变化简单，指示煤层沉积后期古泥炭沼泽环境相对稳定；③阶段内部煤相存在周期性变化，揭示沼泽水面可能发生周期性变化，或古盐度／古水介质条件发生周期性改变。

4.2 水介质条件及演化

沼泽水介质条件可指示陆源碎屑物质的输入（即灰分产率）和水体盐度的改变（进而影响煤中镜质组含量及V／I 比值）。 5-2煤各煤分层Ad与V／I、GI、有机硫含量等整体呈负相关，与TPI 呈明显的正相关（图5）。 因此，V／I、GI、有机硫含量及TPI 可作为5-2煤层泥炭沼泽水动力条件的指示标志。

图5 青龙寺井田5-2煤层灰分产率与有关参数之间的关系Fig.5 Plots of relative parameters of ash yield from No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

时间序列上，5-2煤层的沼泽水体的水介质条件呈现出波动式变化（图6），且这种波动式变化与煤相阶段及煤岩组分垂向分段具有高度吻合，即水动力条件同样呈现出6 个演化阶段。 第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅳ阶段，St，d、GI、古盐度由小变大，TPI 和VI 的变化趋势相反，指示水动力条件经历了由强变弱的演化过程。 第Ⅲ阶段，St，d、GI、古盐度由小变大再减小的变化趋势，TPI 和VI 的变化趋势相反，指示水动力条件经历了由强变弱再增强的演化过程。 第Ⅴ阶段至第Ⅵ阶段，指相参数指示水动力条件由弱至强的演化趋势，阶段内部存在不同程度的波动变化。 且这种变化特征与之前分析的沼泽特征相吻合。

4.3 水介质古盐度特征及演化

表1 计算结果表明，5-2煤层的沼泽水体的古盐度变化于0.161%～3.033%，指示古泥炭层聚集于淡水～半咸水沼泽环境。 这一盐度特征，与该煤层形成时的古地理背景吻合。 垂向上表现为，煤层底部的古盐度相对较高，向上古盐度呈降低趋势（图6）。单个旋回多表现为底部沼泽水体古盐度多小于1.8%，上部多大于1.8%，几乎均呈现出底部盐度低顶部盐度高的特征，表明煤层总体形成于湖进或湖平面上升的沉积背景。 且各演化阶段盐度变化的趋势与煤岩学参数指示的水动力条件变化趋势基本一致，内部仍存在多个波动式变化。

图6 青龙寺井田5-2煤层煤相参数及地球化学参数演化剖面Fig.6 Coal phase parameters and evolution profile of geochemical parameters of No.5-2 coal seam in Qinglongsi Minefield

Sr／Ba 值常用来指示沉积水体的水介质条件，研究区5-2煤层各煤分层Sr／Ba 值均大于1，其中17和20 分层Sr／Ba 值达6，指示古泥炭层形成于半咸水介质为主的沼泽水体，间或受咸化的湖水影响。且Sr／Ba 值指示的煤层古盐度总体变化趋势在6 个煤相发展阶段内的演化规律，与钙-铁元素法的结果基本一致。

5 结 论

1）从5-2煤层底板至顶板方向，显微组分含量构成6 个演化旋回，对应煤相演化的6 个阶段。 其中第Ⅰ阶段至第Ⅲ阶段，成煤作用由湖泊湿地沼泽相开始，至下三角洲平原低位沼泽相或山前冲积平原干燥森林沼泽相结束。 第Ⅳ阶段至第Ⅵ阶段，成煤作用主体经历了湖泊湿地沼泽相，在发育了湖泊背景下的湿地沼泽相后结束了5-2煤古泥炭沼泽的形成作用。

2）时间序列上，5-2煤层的沼泽水体的水介质条件呈现出波动式变化，第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅳ阶段水动力条件经历了由强变弱的演化过程，第Ⅲ阶段水动力条件经历了由强变弱再增强的演化过程，第Ⅴ阶段至第Ⅵ阶段水动力条件由弱至强的演化趋势，阶段内部存在不同程度的波动变化。

3）单个旋回多表现为底部盐度低顶部盐度高的特征，且各演化阶段盐度变化的趋势与煤岩学参数指示的水动力条件变化趋势基本一致。