淮南新集二矿11-2煤含黄铁矿砂岩顶板特征及其沉积环境分析

2018-12-27王志根

中国煤炭地质 2018年11期

王志根

(中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001)

0 引言

黄铁矿是地壳中分布最为广泛的硫化物，不仅发育于砂岩、页岩及灰岩等沉积地层，同时也是火成岩和变质岩中最常见的金属矿物之一。煤系地层中黄铁矿的赋存一直是地质学家关注的焦点[1-3]，一方面对于煤矿安全开采带来重大的安全隐患；另一方面，煤燃烧所排放的SO2是造成大气污染的重要因素之一，其中黄铁矿燃烧释放的SO2可达80%以上，成为污染物的主要来源[2-4]。因此，国内外学者针对煤系地层中黄铁矿的赋存状态、形成时期及其成因机制等开展了广泛的科学研究工作[1-4]。

淮南新集二矿为煤与瓦斯突出矿井，前期工作发现，可采煤层11-2煤坚硬致密的砂岩顶板中含有黄铁矿矿石，由于采空区砂岩顶板发生位移、冒落和撞击，摩擦过程产生的火花引发了矿井瓦斯燃烧事故。为了厘清黄铁矿的赋存规律及其与相关沉积地层的成因联系，本文选取新集二矿11-2煤层顶板含黄铁矿砂岩地层为研究对象，分析含黄铁矿砂岩的岩石学及地球化学特征，探讨该套地层形成的沉积环境，该项工作将为深入研究新集二矿煤系地层的沉积学特征、有效预防和治理由黄铁矿引发的矿井灾害事故提供重要的地质依据。

1 区域地质背景

淮南煤田位于华北板块南缘，北邻蚌埠隆起，南靠合肥坳陷，东西由郯庐断裂和商丘—府城断裂相隔，呈现近东西向展布的复向斜构造[5]。新集二矿位于淮南复向斜谢桥向斜南翼，该地区发育一系列沿东西向延伸的逆冲断层，构成以阜凤逆冲断层为主体的逆冲推覆构造体系(图1)。矿区内，基岩被新近系和第四系覆盖，露头较差，根据钻孔资料显示，主要发育地层包括：下元古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界。其中，二叠系山西组和上、下石盒子组为该区重要含煤地层，具有如下沉积特征。

a.淮南煤矿区域构造纲要图 b.新集二矿构造纲要图(据参考文献[6-7]修改) 图1 矿井构造纲要图Figure 1 Structural outline map of coalmine

①山西组(P1sh) 平均厚度57m，下部主要为海相泥岩沉积，上部主要为中、粗粒石英砂岩、砂质泥岩和粉砂岩沉积，该组地层中下部含煤两层。

②下石盒子组(P1x) 平均厚度146m，由深灰色泥岩、砂质泥岩、砂泥岩互层、粉砂岩和石英砂岩组成，该组中上部含煤8～12层，为二叠系第二含煤段。

③上石盒子组(P2s) 平均厚度546m，由深灰色粉砂岩、泥岩、灰白色中细粒砂岩及石英砂岩组成，夹菱铁矿和黄铁矿结核；该组包含煤21～29层，根据沉积特征、岩性组合和含煤情况，该组共包含五个含煤段。

11-2煤层位于上石盒子组第三含煤段，总体倾向为NNE方向，煤岩性质为动力煤中的灰煤，属特低硫煤。该煤层往上依次为泥岩、细砂岩和中砂岩，其中泥岩厚度变化范围为0～2.82m，总体沉积较薄，煤层顶板以砂岩为主要特征，平均厚度为28.8m；煤层底板为泥岩，平均厚度为2.35m，泥岩之下为砂质泥岩，厚度变化不均。

2 含黄铁矿砂岩顶板特征

2.1 岩石学和岩相学特征

11-2煤层顶板砂岩呈坚硬厚层状产出，颜色为灰白色，主要成岩矿物为石英和斜长石；显微镜下特征显示，砂岩中碎屑矿物占全岩95%，其中70%以上为石英碎屑，其余组分为长石和岩屑；碎屑颗粒之间分选较好，呈次棱角-次圆状，并具有孔隙式胶结特征。可见，11-2煤层顶板砂岩具有较高的成分成熟度和结构成熟度，往往形成于水动力作用较强的易受双向水流影响的滨海沉积环境[8]。砂岩中节理和裂隙十分发育，其间由黄铁矿呈脉状和粉晶状充填。根据X-衍射全岩检测结果，11-2顶板砂岩样品中黄铁矿成分含量可达3%左右。

2.2 地球化学特征

地层中不易受次生变化影响的元素，可用于示踪古沉积环境特征[9]。本次研究针对11-2煤层顶板砂岩全岩样品进行主量元素和微量元素测试分析，测试工作在安徽理工大学完成，主量元素利用原子荧光分光光度计(RF-5310PC)测定，微量元素测试采用电感耦合等离子质谱法，测试仪器选用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)。

测试结果显示(表1,表2)，砂岩样品SiO2含量较高，为83.58%，Fe2O3为3.59%，MgO为1.39%，CaO为4.44%；微量元素中富集Fe、K、Ca和S四种元素，其次为Ti和Mn，其中Fe和S元素大量富集与黄铁矿的赋存密切相关。V在氧化环境中很容易富集，Ni则易于在还原环境下富集，V/(V+Ni)的值可体现沉积环境的氧化还原特征，然本次测试未测得Ni元素；另外，V/Cr比值为0.27～2.0时指示富氧环境，大于4.25时为厌氧环境，2.0～4.25时为贫氧环境[10]，石英砂岩样品中的V/Cr值在1.39左右；元素Co、Cu在缺氧环境下以硫化物形式沉淀，在氧化环境下呈现溶解态[11-12]，实验测得Co、Cu元素亏损，S及其硫化物较为富集；综合以上元素特征，反映砂岩沉积区承载较弱的古氧化环境信息。

表1 11-2煤层顶板砂岩样品主量元素平均值

表2 11-2煤层顶板砂岩样品微量元素平均值

3 含黄铁矿砂岩沉积环境分析

3.1 黄铁矿成因分析

原生黄铁矿多为自形、半自形或莓粒状，成岩期的黄铁矿多为结核状或脉状，后生黄铁矿多为脉状或裂隙、丝炭充填[2]。根据前人研究资料，淮南地区煤系地层中可见黄铁矿和菱铁矿结核，具有鲕状、似层状及椭圆状等特征[13-15]。但在11-2煤层顶板砂岩中，黄铁矿大多以脉状或者长条状充填于节理或裂隙，充填形态不规则，自形程度低，与后生阶段形成的黄铁矿特征基本一致[3]。

从黄铁矿形成过程来看，Fe2+在富氧条件下极不稳定，容易被氧化为Fe3+；S2-来源相对复杂，往往与沉积环境中水溶液、火山岩浆热液、有机质脱硫等作用相关[1,3,16]。因此，黄铁矿沉积形成需要经历如下过程：①在游离氧存在条件下，Fe2+被氧化形成Fe(OH)3胶体，并以溶液的形式搬运到沉积盆地；②在还原环境下，胶体中的Fe3+被还原成Fe2+；③有机质或硫酸盐类经过生物化学反应，被硫酸盐还原菌还原；④S2-与Fe2+最终结合形成黄铁矿[4]。前人针对淮南煤田13-1和8煤层中的黄铁矿结核开展研究，进一步确认了石盒子组中赋存的黄铁矿形成于弱还原环境[14,17]。由此推测，11-2煤层顶板中黄铁矿结晶形成时，沉积环境具有相似的还原特征，这一特征与砂岩沉积成岩于氧化环境的认识明显不同。

综上分析，11-2煤层顶板砂岩中的黄铁矿可能是在成岩后期，在流体作用下充填而形成的后生黄铁矿，石英砂岩底部的11-2煤层无疑为有机质脱硫作用的发生提供了物质基础；同时，该套含黄铁矿石英砂岩指示了沉积盆地具有由早期氧化环境逐渐向后期还原环境演化的特征。

3.2 沉积环境分析

华北地区晚古生代期间沉积环境和盆地演化的研究，一直备受地质学家的关注[5,18-22]。大部分研究者认为华北地区晚古生代太原组沉积之后，沉积环境由海相逐渐转为陆相沉积[5,21]，但随着研究工作的深入，在上石盒子组中陆续发现了海绵岩和海绿石等指示海相环境的证据[18-19, 22-23]，使得对于沉积环境的准确判定变得复杂。

研究区太原组由一套深灰色石灰岩、生物碎屑灰岩及砂泥岩组成，这套以碳酸盐岩为主的沉积地层代表浅海相沉积。山西组由砂岩、泥岩和粉砂岩组成，底部沉积海相泥岩，砂岩中发育水平层理构造，代表山西组沉积期间，沉积环境已由海相转为水下三角洲沉积[5]。下石盒子组由砂岩、砂泥岩互层和泥岩组成，楔形和板状交错层理发育，底部为一套高岭岩矿床，具有斑状和鲕状特征，其形成与三角洲分流间湾沉积相关[24-25]。上石盒子组中、下部煤系地层沉积厚度较大，分布稳定，上部煤层厚度变化大，底部花斑状泥岩逐渐向上过渡为砂泥岩互层，煤层和泥岩层沉积厚度的变化，代表沉积环境已逐渐由海湾相向潮坪相、泥沼相变迁；沉积构造方面，上石盒子组厚层砂岩中发育大型槽状交错层理、平行层理，在较薄的砂岩中发育小型交错层理或砂纹层理，均反映较好的水动力条件。由此可见，上石盒子组沉积时，海洋潮汐作用已十分微弱，河流地质作用进一步增强，属于三角洲平原上河道沉积。

上石盒子组11-2煤层煤质较好，厚度发育稳定，在新谢和顾桥等地厚度可达到4.0m，是本区主要可采煤层之一[26]。此时，三角洲平原分流河道发育，水系连通，地形低平，在三角洲平原上形成了大范围的沼泽环境，控制煤系地层的厚度和横向稳定发育；当地壳下降速度增大，植物的堆积与水面上升速度不再协调一致后，水动力显著增强，沼泽沉积环境被破坏，经过河流长期侵蚀搬运的陆源碎屑物在三角洲分流河道环境发生沉积，形成该套石英砂岩。此后，随着沉积环境频繁变化，二叠纪末期河流地质作用进一步增强，潮汐作用增大，不利于有机质聚集，造成上石盒子组晚期泥岩中有机质含量相对较低，煤层厚度变化大，煤质较差。