浅析吐哈盆地侏罗纪煤的煤相特征

聂浩刚，赵峰华，李玉宏（.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安70054；.中国矿业大学（北京），北京0000）



浅析吐哈盆地侏罗纪煤的煤相特征

聂浩刚1，赵峰华2，李玉宏1
（1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安710054；2.中国矿业大学（北京），北京010100）

摘要：为查明新疆吐哈盆地煤层的原始成煤环境，应用煤岩学方法，通过GI-TPI关系图解，划分了吐哈盆地侏罗纪煤相类型，将煤相划分为4种类型，即较深覆水森林沼泽相、湿地森林沼泽相、湿地草本沼泽相和湖沼低位沼泽相。通过煤相分析，进一步在盆地内划分出河成沼泽体系、河湖混成沼泽体系和湖成沼泽体系3类成煤沼泽体系，为吐哈盆地成煤环境的研究提供了佐证。

关键词：吐哈盆地；侏罗纪；煤岩；煤相

煤相指的是煤的原始成因类型，它取决于泥炭形成时的环境[1]。长期以来，煤相分析是煤层成因研究的重要内容。随着科学技术水平和测试手段地不断发展，煤相研究的内容不断深入且方法多样化[2-11]，在煤层形成机理、煤层气勘探开发及煤的地球化学等领域得到了较广泛应用[12-15]。吐哈盆地位于新疆北部东天山地区，是西北重要含煤和油气盆地，煤炭资源极丰富。笔者通过对采集的吐哈盆地侏罗系煤样品的煤岩和煤相特征分析研究，结合其他资料，对吐哈盆地侏罗系煤的煤相类型进行划分和总结。

1　地质背景

吐哈盆地位于我国新疆东部，东天山南麓，东西长约600 km，南北宽约60～80 km，总面积约5×104km2，为一大型内陆山间盆地。该盆地经历了晚泥盆世至早二叠世的陆间裂谷阶段、晚二叠世陆间裂谷关闭阶段、二叠纪—早、中侏罗世的前陆盆地阶段，及中晚侏罗世到现代的坳陷型盆地发育阶段[16]。

1.1构造单元

石油系统通常将吐哈盆地的构造单元划分为吐鲁番坳陷、了敦隆起和哈密坳陷。吐鲁番坳陷又划分为北部凹陷（包括胜北凹陷、丘东凹陷和小草湖凹陷）、西部凸起-高隆带（包括科牙依凹陷、布尔加凸起和伊拉湖-肯德基克高台阶带）、南部凹陷（托克逊凹陷、胜南凹陷、艾丁湖斜坡（鲁西凸起）和塔克泉斜坡（塔克泉凸起））。哈密坳陷又划分为哈密凹陷和黄田凸起。石油系统对了敦隆起未进行二级构造单元划分，鉴于了敦隆起南部沙尔湖和大南湖地区发育重要煤层，本研究基于吐哈盆地重磁资料、侏罗系基底的埋深、煤层分布等资料❶中国地质调查局西安地质调查中心.新疆东部主要含煤区煤炭资源综合评价报告，2013，对吐哈盆地构造单元进行重新划分。吐哈盆地一级构造单元划分为吐鲁番坳陷、哈密坳陷、了敦隆起和南部隆起；吐鲁番坳陷可进一步划分为台北凹陷、克尔碱凹陷、布尔加凸起、托克逊凹陷、艾丁湖斜坡等5个二级构造单元；南部隆起可进一步划分为沙尔湖隆起、沙尔湖浅凹陷、大南湖浅凹陷、骆驼圈子浅凹陷、梧桐窝子浅凹陷、野马泉浅凹陷等6个二级构造单元；哈密坳陷可进一步划分为哈密凹陷和黄天凸起等2个二级构造单元（图1）。

1.2含煤地层

吐哈盆地在早、中侏罗世为伸展盆地发育阶段[17]，主要发育冲积扇、三角洲、湖泊等沉积体系[18]。侏罗系是吐哈盆地的主要含煤岩系，吐哈盆地侏罗系与下伏地层和上覆地层均为不整合接触，吐哈盆地侏罗系分为中下统水西沟群（包括八道湾组、三工河组和西山窑组）、中上统艾尔维沟群（包括三间房组/头屯河组、七克台组、齐古组和喀拉扎组）。

中下侏罗统水西沟群为一套陆源碎屑沉积，包括八道湾组、三工河组及西山窑组，厚2 000 m，其中八道湾组和西山窑组是该盆地主要含煤地层。

八道湾组主要由砂砾岩夹粉砂岩、泥岩和厚煤层组成，主要形成于河流-三角洲环境，三工河组以厚层页岩夹砂岩为主，主要形成于湖泊环境；西山窑组以砂岩和泥岩互层夹厚煤层为特征，主要形成于湖泊三角洲环境。

图1　吐哈盆地主要构造单元划分图Fig.1 Map showing division of major tectonic units of Turpan-Hami Basin 1.一级构造分界;2.二级构造分界;3.基岩出露区

2　样品和分析方法

本次研究采集了吐哈盆地克尔碱、大河沿、七泉湖、大南湖和三道岭勘探区的侏罗系煤层煤样。克尔碱勘探区样品5件，其中KEJ-1和KEJ-5为西山窑组煤样，KEJ-2、KEJ-3和KEJ-4为八道湾组煤样。大河沿勘探区样品1件，采自八道湾组（DHY）。七泉湖勘探区样品1件，采自西山窑组（QQH）。大南湖勘探区样品1件，采自西山窑组（DNH）。三道岭勘探区样品5件，采自西山窑组（SDL-1至SDL-5）。

对所采煤层煤样在样品制备之前，首先进行了煤的宏观特征描述和宏观煤岩类型划分。在实验室进行了煤样的显微组分和显微岩石类型的定量分析，煤中矿物质的X射线衍射半定量分析，煤中常量和微量元素测定。利用显微组分计算了煤相参数凝胶化指数(GI)和植物组织保存指数（TPI）、流动指数（MI）、植被指数（WI）。应用GI-TPI煤相图解，对样品所代表的煤相进行划分。

3　煤相分析

3.1显微组分组成特征

克尔碱勘探区西山窑组KEJ-1和KEJ-5煤层样品主要以镜质组为主，含少量的壳质组。镜质组含量分别为86.2%和70.9%；壳质组含量分别为0.3%和0.7%；矿物含量分别为13.5%和28.4%。镜质组大都为均质镜质体和基质镜质体，见少量团块镜质体，矿物主要是黄铁矿。显微煤岩类型主要为微镜煤。

八道湾组KEJ-2、KEJ-3和KEJ-4煤层样品主要以镜质组为主，惰质组次之，少量的壳质组。3个样品的镜质组含量分别为65.4%，43.3%，46.2%；惰质组含量分别为17.6%，21.5%，15.4%；半镜质组含量分别为2.9%，18.0%，6.4%；壳质组含量分别为1.2%，6.4%，8.1%；矿物含量分别为12.9%，10.9%，23.8%。显微煤岩类型以微镜惰煤为主。

大河沿勘探区八道湾组DHY煤层样品镜质组含量54.2%，惰质组15.4%，半镜质组11.9%，壳质组6.7%，矿物含量11.9%。镜质组以基质镜质体为主，有明显破碎现象。显微煤岩类型主要为微镜惰煤。

七泉湖勘探区西山窑组QQH煤层样品镜质组含量45.7%，惰质组20%，壳质组2.9%，半镜质组1.0%，矿物含量30.5%。惰质组以半丝质体为主；镜质组多为碎屑镜质体。显微煤岩类型主要为微镜惰煤。

大南湖勘探区西山窑组DNH煤层样品镜质组含量44.4%，惰质组26.1%，半镜质组3.7%，壳质组3.3%，矿物含量22.5%。惰质组主要是丝质体和半丝质体，镜质组主要是结构镜质体和团块镜质体，壳质组主要是孢子体。显微煤岩类型主要为微镜惰煤。

三道岭勘探区西山窑组SDL-1、SDL-2、SDL-3、SDL-4和SDL-5煤层样品具高的镜质组含量，惰质组次之，壳质组含量总体高于其他矿区煤层。镜质组含量分别为53.5%，76%，47.2%，60.4%和62.9%，由下部煤层向上部煤层呈2个镜质组含量向上降低的旋回；惰质组含量分别为18.3%，11.4%，26.6%，0.7%和15.2%；半镜质组含量分别为11.4%，1.1%，2.6%，2.0%和4.0%；壳质组含量分别为7.2%，6.3%，16.1%，18.5%和9.9%；矿物含量分别为9.6%，5.1%，7.5%，18.5%和8.0%。除SDL-4主要为微亮煤外，其余煤样品显微煤岩类型主要为微镜惰煤。

表1　吐哈盆地煤样显微组分定量统计结果Table 1 Quantitative maceral statistical results of coal samples of Turpan Hami Basin　　单位：%

3.2矿物组成特征

对研究煤样和选择性低温灰化煤样（KEJ-2和SDL-5）进行X射线衍射半定量分析成果见表2。

克尔碱勘探区除KEJ-2煤样品低温灰化灰中具高的粘土矿物和石英含量（58.1%，36.3%），少量方解石含量（5.6%）外，其他样品均具高的碳酸盐含量。KEJ-1样品中白云石含量47.1%，方解石含量19.3%，粘土矿物含量16.9%，黄铁矿12.3%，石英4.6%。KEJ-3样品中菱铁矿含量66.5%，石英14.5%，白云石9.7%，方解石9.4%。KEJ-4样品中方解石60.5%，白云石24.9%，菱铁矿14.6%。KEJ-5样品中方解石55.3%，菱铁矿16.4%，石英12.6%，白云石12.4%，黄铁矿3.3%。大河沿勘探区DHY煤样品中白云石92.1%，黄铁矿6.4%，方解石1.5%。七泉湖勘探区QQH煤样品中粘土矿物80%，石英19.6%，石膏0.4%。三道岭勘探区SDL-3煤样品中粘土矿物63.4%，石英23.8%，方解石6.5%，菱铁矿6.3%；SDL-4煤样品中菱铁矿95.2%，石英3.2%，方解石1.6%；SDL-5煤样品低温灰化灰中粘土矿物49.8%，石英39%，硬石膏11.2%。

表2　吐哈盆地煤样的XRD定量分析结果Table 2 Results of the XRD quantitative analysis of the coal samples　单位：%

3.3硫含量

本研究的13个煤样全硫（St.d）含量大多小于0.5%，属低硫-特低硫煤。只有克尔碱地区KEJ-1、KEJ-5和KEJ-4煤样的全硫含量大于1%，分别是1.59%、1.29%和1.16%。

表3　煤样的低温灰化灰XRD定量分析结果Table 3 Low temperature ashing ash XRD quantitative analysis results of the coal samples单位：%

3.4 Sr/Ba比值

克尔碱勘探区八道湾组KEJ-2、KEJ-3和KEJ-4煤层样品Sr/Ba比值分别为0.72、0.97和1.03；西山窑组KEJ-1和KEJ-5煤层样品分别为0.77和0.27。大河沿勘探区八道湾组DHY煤层样品和七泉湖勘探区西山窑组QQH煤层样品Sr/Ba比值分别为0.95 和0.89。大南湖勘探区西山窑组DNH煤层样品和三道岭勘探区西山窑组SDL-1、SDL-2、SDL-3、SDL-4和SDL-5煤层样品Sr/Ba比值相对较高，范围在1.43～4.74。

3.5煤相划分

3.5.1煤相划分参数

煤的显微组分及组合是煤成因的重要标志。镜惰比（V/(SV+I)）、凝胶化指数（GI）、植物组织保存指数（TPI）是目前应用最广的煤相指标。镜惰比是成煤泥炭遭受氧化程度的参数，小于1.0一般反映成煤泥炭曾暴露于氧化环境。凝胶化指数GI是凝胶化组分与非凝胶化组分之比，它是古泥炭沼泽覆水程度的反映。植物组织保存指数（TPI）是植物遗体遭微生物降解及凝胶化作用程度，某种程度上TPI值能反映pH值。因为pH值低，微生物活动弱，植物保存好，而pH值高至中偏碱性，则微生物活动强烈，细菌的繁殖最快。

煤中的矿物质主要来源于物源碎屑和水介质中的化学沉淀。煤中粘土矿物和石英主要以碎屑矿物的形式沉积于煤层中，而碳酸盐矿物和黄铁矿主要以化学沉淀形式富集于煤层中，可与泥炭同期形成，也可以形成于泥炭的成岩和后期变质阶段。因此，煤中粘土矿物和石英含量总和可反映地表水系对泥炭沼泽的影响，而同期形成的碳酸盐矿物和黄铁矿含量总和可反映沼泽水体介质的性质。

锶（Sr）与钡（Ba）是碱土金属中化学性质较相似的2种元素，与锶相比，钡的化合物溶解度更低。在沉积水体中，随着蒸发的不断进行，在低盐度早期形成的沉积物中富钡贫锶，而低盐度晚期形成的沉积物中富锶贫钡。锶含量增高及钡含量减小，说明水体蒸发作用加强，盐度增高，因此，利用Sr/ Ba值来确定古盐度。一般来讲,淡水沉积物中Sr/Ba值小于1，咸水沉积物中Sr/Ba值大于1。

3.5.2煤相类型

据重点样品的分析结果，参考前人煤岩煤质的分析结果，综合各种煤相标志（表4,图2），可将吐哈盆地早、中侏罗世八道湾组和西山窑组煤层划分为4种煤相。

表4　吐哈盆地侏罗系重点煤样的煤相参数值Table 4 Coal facies parameters of Jurassic coal samples in Turpan-Hami Basin

图2　吐哈盆地侏罗系煤层的GI—TPI煤相图解Fig.2 GI-TPIdiagram of Jurassic coals in Turpan-Hami Basin

较深覆水森林沼泽相克尔碱勘探区西山窑组KEJ-1和KEJ-5煤层样品可划分为该煤相类型。显微组分均为镜质组，具高的凝胶化指数（GI）和镜惰比（V/(SV+I)），植物组织保存指数（TPI）相对较高（0.8～1.61），流动指数（MI）相对较低（0.01～0.07），植被指数（WI）相对较高（0.8～1.61），矿物含量分别为13.5%和28.4%，矿物组成以碳酸盐和黄铁矿为主，全硫含量相对较高（1.29%～1.59%），Sr/Ba比小于1。反映一种潮湿、覆水较深、水流活动较差，相对闭塞的以木本植物为主体的还原环境。

湿地森林沼泽相克尔碱勘探区八道湾组KEJ-3和KEJ-4、大南湖勘探区西山窑组DNH煤层样品可划分为该煤相类型。凝胶化指数（GI）为2.1～ 3.34，植物组织保存指数（TPI）为0.91～1.29，壳质组含量相对较高，流动指数（MI）和植被指数（WI）相对较高，分别为0.56～2.61和1.09～1.67，矿物含量较低，矿物组成以碳酸盐和黄铁矿为主，全硫含量变化较大（0.26%，1.16%），Sr/Ba比变化较大。反映一种覆水相对较浅、水流活动性较强、沼泽水体周期性变浅、以木本植物为主体的相对氧化的氧化还原环境。

湿地草本沼泽相克尔碱勘探区八道湾组KEJ-2、七泉湖勘探区西山窑组QQH、三道岭勘探区西山窑组SDL-1、和SDL-3煤层样品可划分为该煤相类型。凝胶化指数GI值小于5，一般为2.5～4.86，植物组织保存指数（TPI）小于1，一般为0.16～0.73，流动指数（MI）变化较大，植被指数（WI）相对较低（0.07～ 0.41），矿物含量变化较大，矿物组成以粘土矿物和石英为主，全硫含量较低（0.15%～0.38%），Sr/Ba比变化较大。反映一种覆水相对较浅、水流活动性较强、沼泽水体周期性变浅，以草本植物为主体的相对氧化的氧化还原环境。

湖沼低位沼泽相大河沿勘探区八道湾组DHY、三道岭勘探区西山窑组SDL-2、SDL-4和SDL-5煤层样品可划分为该煤相类型。凝胶化指数（GI）大于5，植物组织保存指数（TPI）小于1，为0.13～0.48，流动指数（MI）变化较大，植被指数（WI）相对较低（0.1～0.38），壳质组含量相对较高，矿物含量较低，矿物组成变化较大，全硫含量相对较低（0.27%～0.92%），Sr/Ba比相对较高，一般大于1。反映一种覆水相对较深、水流活动性较强、沼泽水体周期性变浅，以草本植物为主体的相对还原的氧化还原环境。

4　成煤沼泽体系

成煤沼泽是含煤盆地中一个重要的沉积相单元，其沉积演化受控于盆地的沉积环境格局和演化，根据吐哈盆地侏罗纪煤系的沉积环境特征，可识别出如下几种成煤沼泽体系。

4.1河成沼泽体系

发育于废弃的上三角洲平原，形成于陆地沼泽化，主要煤相类型由较深覆水森林沼泽相和湿地森林沼泽组成。湿地森林沼泽一般分布于洪泛平原湖边缘，而较深覆水森林沼泽相分布于洪泛平原湖中部。

4.2河湖混成沼泽体系

发育于曲流河下三角洲平原，形成于三角洲间湾、废弃的河口坝沼泽化，沼泽类型种类多，主要煤相类型有较深覆水森林沼泽相、湿地森林沼泽、湿地草本沼泽。

4.3湖成沼泽体系

发育于滨浅湖和半深湖，形成于湖泊淤浅的水体沼泽化。主要煤相类型由湖沼低位沼泽和湿地草本沼泽组成。

5　结论

（1）吐哈盆地主要煤层显微组分以镜质组为主，具较高含量的惰质组，部分煤层样品具较高含量的壳质组。矿物含量低-中等，主要由碳酸盐矿物、粘土矿物和石英组成，少量煤层样品具相对高的黄铁矿含量。

（2）据所分析的煤层煤样，划分出较深覆水森林沼泽、湿地森林沼泽、湿地草本沼泽、湖沼低位沼泽4种煤相类型。

（3）较深覆水森林沼泽、湿地森林沼泽主要发育于三角洲平原河成沼泽体系、湿地草本沼泽主要发育于三角洲前缘河湖混成沼泽体系，湖沼低位沼泽主要发育于前三角洲湖成沼泽体系。

致谢：文章写作过程中得到了西安地质调查中心卢进才教授级高级工程师、董福辰教授级高级工程师的精心指导，另外，项目组参加野外调查和样品采集的同事们也付出了辛勤的劳动，中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室对煤样进行了测试分析，在此一并表示诚挚的谢意。

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Analysis on Coal Facies Characteristics of J urassic Coal in Turpan-Hami Basin,Xinjiang

Nie Haogang1,Zhao Fenghua2,Li Yuhong1
（1.Xi an Institute of Geology and Mineral Resources,Xi an,Shaanxi,710054,China; 2.China University of Mining and Technology,Beijing,100083,China）

Abstract:In order to identify the original coal forming environment of Turpan-Hami Basin,Xinjiang region.This article utilizing the coal-petrographic method,Through the GI-TPI relation diagram,the petrographic characteristics of Jurassic coal in Turpan-Hami Basin are discussed.Four coalfacies are divided,i.e.Deep overlying water forest swamp facies,wetland forest swamp facies,Wetland marsh facies and Low lake marsh facies.By the coal facies analysis,three kinds of coal forming swamp system are divided in the basin,they are river swamp system,hybrid swamp system and lacustrine swamp system.And an evidence is provided for the coal-forming environment in Turpan-Hami Basin．

Key words:Turpan-Hami Basin;Jurassic;Coal Petrography;Coal Facies

作者简介:第一聂浩刚（1973-），男，陕西大荔人，高级工程师，硕士，2000年毕业于中国地质大学（北京），从事煤田地质调查与研究

收稿日期:2015-02-12;

修订日期:2015-03-02;作者E-mail:nhaogang@163.com

中图分类号:P534.52；P618.11

文献标识码:A

文章编号：1000-8845(2016)01-144-06

项目资助：中国地质调查局国土资源大调查项目“新疆东部主要含煤盆地煤炭资源综合评价”（1212011085499）项目资助