塔里木盆地东南缘下—中侏罗统煤层煤岩、煤质特征分析

2018-10-31田继军陆星宇

现代地质 2018年5期

王迪，田继军，冯烁，陆星宇

(新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

0 引言

我国西北地区侏罗纪的煤炭资源量占全国煤炭资源总量的39.6%[1]，且煤质优良，是低灰、低硫、低磷的“优质煤”[2]。在20世纪80至90年代，张泓等针对西北地区侏罗纪煤的成煤地质条件进行了总结[2-6]；杨起和韩德馨对西北侏罗纪煤做过相关论述[7-8]。西北地区侏罗纪煤以富惰、贫壳为特征，黄文辉等[9]指出西北侏罗纪煤最明显的特征是富含惰性组分，多数西北侏罗纪煤中惰质组超过35%，甚至高达60%，煤的成分与性质具有明显的特色，与我国东部石炭纪—二叠纪煤存在很大差异。吴传荣[6]认为西北早—中侏罗世煤的宏观煤岩类型在不同矿区不同煤层中变化较大，早侏罗世比中侏罗世光亮、半亮煤含量高。白向飞等[10]指出与同变质程度的其它地区煤相比，西北地区侏罗纪弱还原程度煤中惰质组及过渡组分含量较高，导致其挥发分产率较低。傅雪海等[11]认为新疆地区煤炭资源以低煤级煤为主，粘结性相对较差、惰质组相对较高，建议加强煤炭微生物转化、液化、气化等多元化利用研究。姚素萍等[12]认为基质镜质体在新疆侏罗系煤中具有很高的含量，是煤成烃的重要有机显微组分。

但是，针对塔里木盆地东南缘煤岩、煤质特征的分析相对缺乏，文献中鲜有报道，前人也未对此展开深入分析。因此，在前人工作基础之上，近年来笔者所在的研究团队针对塔里木盆地东南缘各矿区主采煤层样品进行煤岩、煤质鉴定及煤化指标等综合分析，发现塔里木盆地东南缘煤以富镜为主，其煤岩、煤质与典型的西北地区侏罗纪煤具有明显不同，煤岩的壳质组和惰质组分含量较低，镜质组分含量较高。镜质组平均含量为88.18%，惰质组平均含量为3.11%，壳质组平均含量均低于3%。灰分、硫分、挥发分亦有规律性变化，其成因有待进一步揭示。

1 区域地质背景

塔里木盆地东南缘(下文简称为塔东南地区)即塔里木盆地与阿尔金山的山前地带，西起洛浦—布雅—皮西一线，东至米兰河—红柳沟一带，东西长约1 000 km[13]。侏罗纪煤层呈断续分布，在民丰、且末、红柳沟一带，侏罗系自下而上分为莎里塔什、康苏、杨叶、塔尔尕、库孜贡苏5个组，含布雅、于田普鲁、其格勒克、红柳沟等煤矿(图1)。

由于新生代强烈的挤压变形，塔里木东南缘中生界被抬升至地表遭受大量剥蚀，前人针对塔东南地区含煤地层的研究较少，仅有少量学者从沉积环境、古生物、构造演化等方面做了少量工作[13-17]。塔东南地区煤层变质程度较高，可采煤层煤牌号齐全，区内煤类既有中煤阶的气、焦-瘦煤，又有以低煤阶为主的长焰煤、不粘煤分布，煤类分布独具特色。

塔东南地区下—中侏罗统含煤建造较为发育，以康苏—杨叶聚煤期为主。其含煤2～12层，可采煤层1～9层；含煤系数为0.36%～4.10%，可采含煤系数为0.20%～3.89%。可采煤层多为薄煤层及中厚煤层，一般厚1～3 m，富含大量动植物化石。煤层多属复杂结构，部分矿区主煤层属简单结构，煤层稳定性一般较差，较稳定至极不稳定都存在。下—中侏罗统聚煤期在和田布雅、于田普鲁、且末煤矿、红柳沟等地区形成聚煤中心，但由于盆地不同部位基底沉降差异、湖平面变化和物源碎屑供应所产生的可容空间变化，在盆地的不同部位和演化阶段有利聚煤带存在较大差异。

2 主采煤层煤岩特征

2.1 宏观煤岩特征

塔东南地区下—中侏罗统为陆相腐植煤类，这奠定了煤层的基本物理性质和煤岩的物质基础。宏观煤岩类型以光亮煤、半亮煤为主，其次是半暗煤、暗淡煤。煤中条痕色一般多为黑褐色，光泽较强，表面常具玻璃光泽或沥青光泽，断口以贝壳状-参差状为主，呈沥青光泽或油脂光泽。煤的硬度适中且脆度较小，裂隙较为发育，多为均一状及细条带状结构，以层状构造居多，其次为块状构造。

根据光泽将研究区的宏观煤岩类型分为光亮型煤和半亮型煤，光亮型煤以透镜状、均一条带状发育在煤层中且横向连续性较差；半亮型煤条带状结构更加显著，表现为较暗淡的部分与较光亮的部分互层出现。煤层中可见黄铁矿、菱铁矿、方解石和黏土等无机矿物，以粒状、透镜状和结核状等形态发育于各煤层或充填于裂隙和层理面中。

2.2 显微煤岩特征

研究区显著的煤岩特征是以镜质组为主，壳质组分含量少，变质程度较高，中-高镜惰比。于田普鲁、乌鲁克赛、其格勒克、且末红柳沟煤矿的煤层显微组分以镜质组为主，含量较高，平均含量为90.56%，覆水条件好，凝胶化作用强是镜质组含量比较高的主要原因。惰质组平均含量为2.28%，主要以丝质体、半丝质体及碎屑惰质组为主(图2)。部分矿区煤岩中受火焚成因的影响，出现少量保存完整的火焚丝质体(图2(f)和(g))，呈现高突起高反射率的亮白色，这与沼泽期发生的古火灾事件密切相关，植物遗体焚烧后形成含大量火焚丝质体的丝煤化组分[18]。壳质组平均含量为1.54%，以小孢子体为主(图2(i))，树脂体次之，角质体甚少(图2(j))。矿物质含量较低，成分以黏土类、黄铁矿为主(图2(k))。硫化物类、氧化物类及碳酸盐类含量较低，主要为同生黏土，呈粒状、条带状和团块状，沿裂隙有次生充填的方解石及黏土矿物。

(a)碎屑镜质体(油浸反射单偏光×500，和田布雅煤矿)；(b)基质镜质体(油浸反射单偏光×500，于田普鲁煤矿)；(c)基质镜质体、碎屑惰质体(油浸反射单偏光×500，和田布雅煤矿)；(d)均质镜质体(油浸反射单偏光×500，和田布雅煤矿)；(e)基质镜质体、碎屑惰质体(油浸反射单偏光×500，于田普鲁煤矿)；(f)火焚丝质体(油浸反射单偏光×500，和田布雅煤矿)；(g)火焚丝质体(油浸反射单偏光×500，红柳沟煤矿)；(h)小孢子体(反射蓝色荧光×500，和田布雅煤矿)；(i)小孢子体、碎屑壳质体(反射蓝色荧光×500，红柳沟煤矿)；(j)角质体、小孢子体(反射蓝色荧光×500，于田普鲁煤矿)；(k)黄铁矿(油浸反射单偏光×500，红柳沟煤矿)；(l)黏土矿物(油浸反射单偏光×500，和田布雅煤矿)图2 煤岩显微组分显微结构特征Fig.2 Photomicrographs showing microstructural features of macerals in the coal

和田布雅煤惰质组分、无机组分含量较高，惰质组平均含量为8.1%～9.1%，主要是碎屑惰质组、半丝质体及火焚丝质体(图2(f))。镜质组分与半镜质组分平均含量为68.9%～77.8%。镜质组分主要以无结构镜质体为主，包括碎屑镜质体和基质镜质体(图2(a)和(c))，半镜质组分主要由碎屑半镜质体组成。壳质组平均含量为2.8%～3.7%，以小孢子体为主(图2(h))，树脂体次之，角质体甚少。无机组分平均含量为12.5%～23.4%，以原生黏土矿物为主(图2(l))，次生方解石和次生黄铁矿次之。壳质组含量少，这与吐哈盆地壳质组含量高并大量生油有明显差异。

2.3 惰质组与镜质组关系

图3 塔东南下—中侏罗统煤层镜质组与惰质组含量分布图Fig.3 Distribution map of the vitrinite and inertinite contents of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

各主采煤层的镜质组平均含量除民丰凹陷和田布雅煤矿低于80%，其余煤矿普遍在80%之上。和田布雅煤煤岩惰质组含量高于8%，于田普鲁煤矿在1.5%～3.5%之间，乌鲁克赛煤矿在2%～8%之间，其余地区均在2%以下。一般来说，镜质组形成于潮湿还原的环境，而惰质组形成于干燥氧化的环境[19]。成煤沼泽的氧化还原程度与沼泽覆水情况有密切联系，故其镜惰比能较直观地反映气候的干湿状况与成煤沼泽的覆水程度[20]。

瓦石峡凹陷煤层形成于扇三角洲-湖泊的过渡环境，凝胶化作用相对较强，镜质组含量高。而民丰凹陷的和田布雅煤矿远离湖泊，成煤沼泽处于弱氧化的浅覆水沉积环境，主要以丝炭化作用为主，惰质组含量相对较高，反映了整体受到沉积水体深度的影响(图3)。

3 煤化指标及煤质特征

3.1 实验方法及煤质特征

本研究通过对塔里木盆地东南缘目前开采煤矿的调查，共采取5个煤矿井口煤样84件。全部样品按照国家标准GB474—2008[21]粉碎，并用直径1.0 mm组合筛筒缩分制作煤砖光片进行煤显微组分鉴定及镜质组反射率测量。煤岩光片制备严格按照国家标准GB/T16773—2008[22]进行。煤的工业分析测定依据国家标准GB/T482—2008[23]完成。煤的显微组分定量统计和观察按照国家标准GB/T8899—2013[24]进行。其中显微组分、矿物的识别及定量统计，保证观测有效点数大于500个。测试工作由新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所(新疆维吾尔自治区煤炭产品质量检测中心)完成，测试结果如表1所示。

3.2 煤质特征及相关性分析

在民丰、瓦石峡凹陷煤岩、煤质分析的基础上，对各个煤矿之间煤的灰分、硫分、挥发分等指标间的相互关系进行了分析，两个凹陷的硫分、灰分、挥发分亦有规律性变化(图4)。

3.2.1 硫分与灰分

煤层硫分与灰分整体具有明显的负相关关系，在硫分相对增加的区域，灰分则相对减少，但在硫分达到一定值时灰分将不再减少[25]。施龙青等[26]指出煤层中的无机物质主要是水流自陆源方向带入泥炭沼泽，当水流活动频繁和强烈时，无机物质带入量越大，灰分则越高。而煤层中的硫分以黄铁矿硫为主，来自湖水中的硫酸根SO42-被厌氧菌分解形成H2S，这时就可以把泥炭中Fe3+还原成FeS。黄铁矿形成时介质条件为pH>7、Eh<0的还原环境，与凝胶化作用呈正相关关系，与水动力条件呈负相关关系。当湖水侵入时，形成硫高灰低，而湖水退出时，硫低灰高的特点[26-27]。

民丰凹陷硫分与灰分呈负相关性，但在硫分达到1.15%时，灰分不再减少。民丰凹陷硫分主要是硫化物(黄铁矿)为主的无机硫，硫酸盐硫及有机硫含量甚微。其中和田布雅煤矿A3煤层顶部有一层厚10～15 cm的由黄铁矿团块稠密聚集而成的黄铁矿薄层，A1煤层含有较多的黄铁矿团块，这些团块由粒径约为1 mm的细小晶粒密集堆积在煤层中形成，黄铁矿沿裂隙延伸，充填于煤层的裂隙中，偶见呈薄膜状附着在煤块表面[28]；而且沿煤层倾向由浅至深，全硫含量有逐渐增大的趋势，从而推断煤层受到了后期岩浆侵入的影响。

表1 塔东南主采煤层煤质指标

注：表中煤质指标均为加权平均值。

图4 塔东南含煤地层与煤质对比图Fig.4 Comparison of the coal-bearing strata and coal quality in southeast Tarim basin

瓦石峡凹陷灰分则具有逐渐降低的趋势。镜质组含量较高，一般在80%以上，凝胶化作用相对较强，灰分与硫分呈明显负相关性(图5)。

3.2.2 硫分与挥发分

挥发分的测定往往受到矿物质的影响，从而挥发分的大小与硫分有一定的关系[29]。图6显示，当1.5%

3.2.3 灰分之间的关系

煤中灰分在一定程度上反映了成煤沼泽环境的地球化学特征及古地理环境，在中-高位沼泽中，灰分以SiO2、Al2O3为主，当泥炭受湖平面升高影响时，Fe2O3、CaO、MgO含量较高[31-32]。灰分指数K由下式计算：

(1)

灰分指数的变化能够较好地反映灰分的来源情况。SiO2、Al2O3主要来源于大陆，由地表流水及大气飞尘带入泥炭堆积区。CaO、MgO主要由湖水供给。低位沼泽中Fe3+由Fe(OH)3搬运而来，无论来源于何处，必须有适当的电解质，即在半咸水或咸水中，才能使胶体的动电位趋于零，Fe3+才能沉淀下来[26]。

民丰凹陷煤层的灰分指数K值都很高，在13.58%～50.67%之间。而瓦石峡凹陷煤层的K值较低，平均值为19.74%，但瓦石峡凹陷的其格勒克煤矿灰分有明显增高的趋势，平均值为32.97%，最高值可达45.99%(图7)，可见瓦石峡凹陷沼泽环境潜水面要比民丰凹陷高得多，覆水深度的变化对成煤影响十分明显[33]。

4 讨论

4.1 煤的有机组分

本研究还是沿用国际标准将有机显微组分重新划分为镜质组、惰质组、壳质组三大类，其中半惰质组归类于惰质组，半镜质组归类于镜质组。

图5 塔东南下—中侏罗统煤层硫分与灰分变化趋势图Fig.5 Diagram showing the trend of the sulfur and ash contents of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

图6 塔东南下—中侏罗统煤层硫分与挥发分变化趋势图Fig.6 Diagram showing the trend of the sulfur and volatile contents of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

图7 塔东南下—中侏罗统煤层灰分指数变化趋势图Fig.7 Diagram showing the ash index variation trend of the Lower-Middle Jurassic coal seams in southeast Tarim basin

半镜质组过渡性组分发育于弱还原环境下，半惰质组是丝炭化过程作用在半凝胶化基础上形成的[34]。过渡组分在反射率和结构上存在着过渡现象，给显微组分的鉴别带来了困难，而且过渡组分的归属对煤岩、煤相的划分有重要影响。黄文辉等[35]在探讨淮南煤与鄂尔多斯富惰煤的研究中，提出过渡组分应该根据其演化程度按照一定百分比重新定量, 否则将会造成惰质组或镜质组含量估算过高的情况。如何合理地划分过渡组分的归属应该是新疆侏罗纪煤层值得重视的问题。

4.2 富镜贫惰煤的指示意义

研究区富镜贫惰的煤岩特征与新疆其它地区的煤岩有显著的区别，这也是对原型盆地的直接反映。新疆准噶尔、吐哈含煤盆地为大型坳陷型湖盆，而塔里木盆地东南缘为走滑拉张背景下的断陷湖盆[36]。覆水深度变化对成煤影响十分明显，断陷盆地陡坡带沉降速率大、盆地地势低、水体较深；煤层形成于扇三角洲-湖泊的过渡环境，镜质组含量高，凝胶化作用相对强。这其中，和田布雅煤矿处于断陷盆地缓坡带，盆地沉降速率小，古地势相对偏高，覆水深度较浅，成煤沼泽处于弱氧化的浅覆水沉积环境。因此，其惰质组含量偏高，镜质组含量相对较低，显然成煤沼泽环境及其覆水条件是其主要因素。