湖北恩施州马鞍煤系沉积环境及聚煤规律

江振寅

(湖北煤炭地质局，武汉　430070)

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部，西面和北面邻接重庆市，南邻湖南省。管辖恩施、利川二市和巴东、来凤、咸丰、建始、鹤峰、宣恩六县。自治州首府为恩施市，面积2.4万km2。

二叠系中统栖霞组岩性分为两段:上段灰岩段；下段为马鞍煤系，是湖北省的三个重要含煤地层之一，分布范围较广。马鞍煤系主要发育于鄂西的宣恩、鹤峰、建始、巴东一带。马鞍煤系共发育四层，从下至上分别为一、二、三、四煤。一般含煤1～2层，很少见到4层煤在一个剖面中同时出现，二煤、三煤为主要可采煤层。

1　地质概况

1.1　构造

恩施州大地构造单元隶属扬子准地台的武陵山—八面山台褶带。区内构造骨架定型于侏罗纪末期的燕山运动，以褶皱为主，主要表现为一系列平行相间的北东—北北东向的背、向斜褶皱和平行轴面走向的伴生走向断层组成，以隔槽式褶皱为特征，其形成主要因素是盖层沿基底滑动或滑移，总体来说，本区地质构造中等(图1)。

1.2　地层

本区地层区划属于扬子地层区之上扬子地层分区，区内地层发育较齐全，自前震旦纪-第四纪均有出露，除缺失志留纪上统、泥盆纪下统和石炭纪下统外，其余地层皆发育完整。从震旦纪-中三叠世以广海碳酸盐岩沉积为主，夹碎屑岩；中晚三叠世至侏罗纪为连续沉积的陆相碎屑岩地层；白垩-新近纪为以陆相红色碎屑岩为主的地层，不整合于此前不同时代地层之上。

2　马鞍煤系特征

2.1　岩性特征

评价区内含煤地层为二叠系下统栖霞组马鞍煤系。含煤地层岩性主要以砂岩、粉砂岩、 泥岩为主，夹炭质泥岩和煤层等组成。含煤地层的顶部常含有腕足类、双壳类化石及动物化石碎屑的泥质岩，如含炭钙质泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩、以及钙质粉砂岩等，局部夹灰岩透镜体；含煤地层之下部泥质岩中有铝土质泥岩；底部偶见薄层透镜状砾岩或含砾泥岩。

图1　研究区构造示意图Figure 1　Study area structural schematic diagram

2.2　煤层特征

马鞍煤系共发育有四层煤，自下而上依次编为一、二、三、四煤，二、三煤为主采煤层。其中一煤主要分布在巴东县麂子岩、宝塔河一带；二煤分布在建始县茅田向斜的东翼及巴东县的绿葱坡一带；三煤分布范围扩大，在巴东县中部四渡河-绿葱坡一带及建始县分布范围扩大，但建始、巴东两县外，其它地段仅见煤线或没有煤层发育，并被铝土岩(矿)和黏土岩所取代。

一煤分布局限，仅发育在巴东县、麂子岩及宝塔河一带。它位于煤系底部，其底板为铁铝质泥岩，有时直接覆于下伏地层黄龙组之上，顶板为含铁质细粒石英砂岩；二煤空间分布亦局限，剖面上位于煤系的下部。其直接底板为灰色含植物根的黏土岩，直接顶板为深灰色泥岩，间接顶板为普遍发育的灰白色厚-中层状细粒石英砂岩；三煤位于煤系沉积剖面的中部，分布范围较二煤进一步扩大，在建始全县及巴东县的中部均可见及。但煤层发育不稳定。其直接顶板为灰黑色含较多的植物碎片，致密并具贝壳状断口的硅质泥岩，其间接顶板为灰白色中厚层状或厚层状石英砂岩，是三煤良好的对比标志层；四煤位于含煤岩系的上部，煤层分布范围较前三者广泛，其顶板为黑灰色石英砂岩、砂质泥岩或钙质粉砂岩，该层上部为深灰色具水平层理泥岩，再向上就过渡到栖霞组灰岩段的含生物化石或碎片的钙质泥岩，其底板为炭质泥岩或含植物根的根土岩，间接底板常为虫迹的石英砂岩。四个煤层上下具有不同的岩性特征，有利于煤层的对比。

2.3　沉积学特征

(1)粒度分析。马鞍煤系砂岩在恩施州广泛分布，其粒径一般2～0.63mm，以细粒为主，有时底部为中粒或粗粒，呈灰白、灰色，风化后多呈褐色；碎屑组分主要为石英、长石，其次是岩屑、云母及少量重矿物。对砂岩薄片粒度进行统计，然后利用福克和活德的计算公式，求得马鞍煤系砂岩的粒度平均值为2.29～4.04；标准偏差为0.29～0.91，一般为0.35～0.70；偏度为-0.45～0.45，一般为-0.20～0.10；峰态为0.90～1.40，一般为0.95～1.20。总体表明，马鞍煤系砂岩是由波浪流与潮汐流充分作用下碎屑滨岸的沉积产物。

运用本省马鞍煤系的砂岩粒度参数，作成偏度对标准偏差的散点图(图2)，从图中样品投落点分布来看，大约80%的样品点分布在海滩砂区，这说明马鞍煤系砂岩沉积于滨海环境中，其与砂岩粒度参数分析的结论相吻合。

图2　马鞍煤系砂岩偏度对标准偏差散点分布图Figure 2　Maan coal measures sandstone deviation to standard deviation scatter point distribution

(2)沉积构造。马鞍煤系构造主要发育有冲洗交错层理、楔形交错层理、脉状层理、透镜状层理等。其中冲洗交错层理是障壁岛相和滩相的典型层理，而楔形交错层理则多由波浪作用而形成，脉状层理则反映了在潮汐作用较强的条件下，砂质供给与保存比泥质更为有利的水动力条件。其他还有波状层理、水平波状层理、水平层理等，反映水动力条件强弱交替或者水动力弱的条件。此外马鞍煤系中还可见黄铁矿、菱铁矿结。

(3)锶钡比分析(Sr/Ba)。对马鞍煤系各种岩石的微量元素进行分析(表1)，从表中得出除风化壳锶钡比值小于1外，煤层及煤层的上下岩层锶钡比值大多数大于1，由煤层往上或往下均有变大的趋势，这反映出马鞍煤系形成于咸水-半咸水的环境中，其垂向上有一海侵过程。

表1　恩施州马鞍煤系Sr/Ba平均值统计表

2.4　古生物特征

马鞍煤系含煤段生物化石的空间分布较为明显，下部含植物化石，上部含动物化石。动物化石有腕足、双壳、介形虫、三叶虫等共28属33种，都是咸水的海生动物 ，在鄂西地区保存较完整；植物化石有7属10种，以植物茎干类为主，羽叶类较少，普遍保存较差。马鞍煤系动物植物化石的特点表明，成煤时地处温暖潮湿的气候环境，动物化石的原地保存则表明马鞍煤系形成于半咸水-咸水环境。

3　马鞍煤系古地理及沉积环境

3.1　聚煤前古地理背景[4]

石炭纪末期，湖北省南半部为一个北西向的海域，恩施州中部建始-官店口一带是一个大型的波状坳陷，属于其中一部分。云南运动后，本区逐渐上升成陆，依次形成了一个以建始及巴东中部为中心的障壁岛-澙湖-潮坪沉积区，滩-潮坪沉积区，恩施南部的鹤峰、来凤、咸丰、利川及巴东之长江以北地区地势稍高剥蚀区三大地貌单元。根据地质调查可以看出：其一建始、巴东至本区西南边部，马鞍煤系超覆沉积在黄龙组(C2h)到志留系(S)和泥盆系(D2+3)之上；其二马鞍煤系在建始巴东一带，沉积厚度20.00m左右，最厚达50m，沉积旋回发育较全，而到本区的西南和东北，厚度仅有3.00～5.00m，有的甚至见不到煤系沉积，沉积旋回一般发育不完整的单一旋回。从而也证明了聚煤前古地理古地貌单元之现状。

总体说，马鞍煤系沉积前，建始、巴东一带，地势较低，其西南和东北地势稍高，形成以建始、巴东为中心、北西向展布的古地理环境(图3)。

云南运动后，本区地壳下沉，在建始及巴东的中部率先接受沉积，并形成障壁—澙湖—潮坪较为复杂的沉积体系，在适合地方，发育范围较小的泥炭坪。由于地壳的振荡运动，早期三次海水的进退，形成三个沉积旋回，并发育三层煤层(一、二、三煤)。只是一煤的范围最小，而二、三煤范围逐渐扩大。而此时的恩施州其它地区，仍在遭受剥蚀。马鞍煤系中的陆源碎屑组分，一部分来自江南古陆及江北高地的剥蚀物，另一部分来自遭受剥蚀的下伏地层(志留系、泥盆系)的陆源碎屑物，这两部分是马鞍煤系中的陆源碎屑物的主要来源。

马鞍煤系沉积期地处陆表海、水体浅，坡度缓。具有向周围高地超覆的特征，反映出其形成于海进的总趋势下。总体来说，马鞍煤系厚度较薄，但垂向上和平面上沉积环境仍随海平面变化而发生变化和迁移，即在同一地点不同时间沉积相是有差别的。但某一地段沉积 体系变化不大，且不同沉积体系的含煤性有较明显的差异。

3.2　沉积环境分析

马鞍煤系是二叠世主要的成煤时期之一，形成于碎屑滨海岸带，砂质沉积的分布和形态，构成了各种沉积环境的骨架，主要有浅海相、滩相、障壁岛相、潮坪相、澙湖相、泥炭坪相，局部有残积相。

3.2.1浅海(远滨)相

为浪基面以下的沉积，岩性为泥岩、粉砂质泥岩；层理类型主要有水平层理、块状层理等，为远滨或开阔潮下沉积，呈东西向展布，向东过渡为碳酸盐台地沉积。

3.2.2滩相

包括临滨和前滨的沉积，岩性以细砂岩为主，有时可见中、粗粒砂岩，碎屑岩组分中以石英为主，结构成熟度和成分成熟度都很高，分选性和磨圆度好，砂岩中有自生海绿石、黄铁矿晶体及结核。具冲洗交错层理、楔状层理、波状交错层理及波状层理，层面具近乎对称的波痕。

图3　恩施州马鞍煤系聚煤前古地理图Figure 3　Enshi Autonomous Prefecture Maan coal measures paleogeographic map before coal accumulation

3.2.3障壁岛相

主要岩性为灰、灰黄色石英砂岩，粒级从粗粉砂至中粒均有，并含一定的泥质。结构和成分成熟度相对较低，剖面上具向上变粗的趋势，偶可见自生海绿石。具冲洗交错层理、楔形交错层理和沙纹层理。平面上呈长条形岛状分布。

3.2.4潮坪相

是区内广泛发育的一种岩相，有高中低潮坪亚相，其与瀉湖、海湾、海滩、障壁岛组成极其复杂的垂向、横向组合。主要岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩，亦可有少量的细砂岩。自生矿物有黄铁矿晶粒，具含动植物碎片和生物扰动痕迹，具潮汐层理、水平层理、透镜状层理、脉状层理、波状层理及沙纹层理等。

3.2.5澙湖相

主要岩性为深灰色泥岩、粉砂质泥岩，含大量的黄铁矿结核及晶体，偶可形成黄铁矿的工业矿床。有时夹透镜状的石灰岩或钙质泥岩。具极薄水平层理、断续水平层理和缓波状层理。产腕足类、双壳类、腹足类和植物碎屑。

3.2.6泥炭坪相[6]

主要为煤层和炭质泥岩，含黄铁矿团块及条带。交错层理及波状层理较为发育。煤层原煤灰分、全硫含量高。生长于半咸水-咸水环境下，发育于潮间带，是本区的主要海相成煤环境。

4　马鞍煤系的聚煤规律

4.1　聚煤作用受古地理控制

栖霞早期，全省西高东低、东部南高北低，西部两隆夹一坳，是总体格局。栖霞早期主要是武当隆起和江南隆起。物源主要来自于江南隆起。

由北西西向南东东，马鞍煤系沉积基底地层分别是S-D-C1，而且主要以石炭统黄龙灰岩为主。就陆盆而言，由南向北，由西向东海水逐渐加深。

4.2　基底隆坳对聚煤的控制作用

(1)基底坳隆控制海进方向，限定了海水分布范围，即控制着聚煤条带展布方向和聚煤空间。聚煤空间只能在基底坳陷中，而聚煤条带、尤其是富煤条带取决于物源和陆缘斜坡的陡缓。

(2)基底坳陷中低序次凸起与凹陷直接控制着成煤系的沉积厚度、煤系岩性组合及含煤性。马鞍煤系的聚煤过程，明显地受成煤前古基底控制。当海水抵达低次序隆起部位时，煤系往往只有很薄的铝质泥岩，无煤层沉积；而当海水抵达低次序低凹部位时，煤系沉积厚度大，含煤性好，但煤系岩性组合复杂。通过对矿山井下开采工作面观察发现，煤层顶板与底板相比较要平整一些，底板的起伏控制着煤系的煤层的发育。

(3)控制富煤带的展布和含煤丰度的迁移 基底的隆、坳限定了聚煤期为海进式成煤、退移式聚煤。缓慢的海进过程中，海水由沉降中心向陆缘斜坡侵漫，低缓的陆缘斜坡比陡的斜坡有利于聚煤；再者海水由于抵达不同部位的陆缘斜坡的时间早晚，控制着同一聚煤期含煤丰度。

4.3　基底断裂的特征及控煤作用

聚煤前的基底隆、坳对聚煤的控制作用主要表现在控制聚煤盆地的发展与演化，而基底断裂着重在含煤建造上控制建造过程中具体环节如沉积物质的分异、赋煤带展布及煤系厚度等。

4.4　聚煤作用受成煤后侵蚀作用的影响

马鞍煤系的煤是海进式成煤，煤层形成后，由于海浪的冲刷和侵蚀，导致煤层的形态和厚度发生变化，表现在煤层顶部有深度不等的凹坑，一些地段煤层部分或全部缺失。

5　结论

(1)马鞍煤系总体来说，煤层层数少、厚度薄而且变化大，煤体形态多变而复杂，常呈透镜状、串珠状、鸡窝状、藕节状等。含煤0～4层，局部可采1～2层。煤层属极不稳定、不稳定煤层，局部较稳定，含煤性较差。4 层煤中，三煤较发育、二煤次之，一煤与四煤极不发育。二、三煤属于可采煤层，但多属不稳定型，局部为较稳定型。

(2)马鞍煤系成煤环境为泥炭坪，位于高地边缘低缓斜坡的潮间坪地带，聚煤作用发生于海进过程中。

(3)马鞍煤系聚煤作用的控制因素不是单一的，而是多因素叠加的结果。马鞍煤系的聚煤作用受古构造、古地理、基底起伏、成煤后侵蚀作用的影响等因素控制：总体而言，古构造和古地理是主要的控制因素，它决定了聚煤作用的总体框架，而基底起伏，成煤后侵蚀作用是造成局部聚煤作用差异的重要因素。

参考文献:

[1]湖北省煤田地质局.湖北省煤炭资源预测与评价报告(第三次煤田预测)[R].武汉：湖北省煤田地质局，1994,12.

[2]湖北煤炭地质勘查院.湖北省恩施州煤炭资源远景调查成果报告[R].武汉：湖北煤炭地质勘查院，2010,12.

[3]江振寅,吴先文,等.湖北恩施州吴家坪成煤环境与聚煤规律[J].中国煤炭地质,2010,4.

[4]湖北省地质矿产局.湖北省区域地质志[M].北京： 地质出版社. 1990,2.

[5]湖北煤田地质局.湖北省二叠纪含煤地层沉积环境及聚煤规律[R].武汉：湖北省煤田地质局，1994,09.

[6]刘焕杰,桑树勋.成煤环境的比较沉积学研究：海南岛红树林潮坪与红树林泥炭[M].江苏 徐州：中国矿业大学出版社，1997.