宁东煤田红墩子矿区沉积环境对煤岩煤质的影响

华芳辉，刘志飞，张 劲，崔茂林，贾 煦

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

鄂尔多斯盆地是多矿种的能源盆地，煤炭资源丰富，盆地西缘发育有石炭二叠系和侏罗系两套煤系[1]。近几十年来，国内外专家学者对该盆地做了大量的研究工作，如陈全红、邵龙义等从沉积方面研究了石炭二叠纪聚煤规律，王双明，曹代勇等从构造方面分析了盆地构造演化及控煤作用[2-5]。为了研究沉积环境对煤岩煤质的影响，本文以宁东煤田红墩子矿区为研究区，以太原组和山西组煤层为研究对象，根据钻孔岩心及测井曲线等资料划分层序、恢复古地理环境，结合煤岩煤质的数据，探讨太原组和山西组不同沉积环境对煤岩煤质的影响。

1 区域地质背景

红墩子矿区位于鄂尔多斯盆地西缘的贺兰山逆冲推覆构造带内[5]，矿区地层总体向东倾伏，主要以近南北向和北北东向的断裂及近南北向的褶皱为主，次一级断层和褶曲均不发育，构造简单。含煤岩系主要是石炭二叠纪太原组和二叠纪山西组，山西组含煤5层，编号自上而下依次为1、2、3、4、5煤，煤层总厚6.69m，可采煤层为2、4、5煤。太原组含煤6层，编号自上而下依次为7、8、9-1、9、10、11煤，煤层总厚平均为14.61m，可采煤层为8、9、9-1、10煤，煤类主要为气煤[6]。

图1 红墩子矿区构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Hongdunzi mine area

2 层序划分及古地理环境

以区内钻孔岩心资料为基础，从岩相组成、沉积旋回、沉积构造、测井曲线等方面进行综合分析，根据区域不整合面、岩性突变等标志[2]，研究区石炭二叠系共识别出4个层序界面(图2)，划分出3个三级层序，并进一步划分为低位体系域、海侵体系域和高位体系域。

层序SIII1对应于太原组中下段，底部以中、细粒砂岩为主，与土坡组整合接触，顶界为10煤顶。该层序仅发育高位体系域，岩性主要为中、细粒的石英砂岩及灰岩，具有大型及小型的交错层理发育。矿区北部的钻孔801、1201(图3)，岩性以粉砂岩为主且发育有煤层。

层序SIII2对应于太原组中上段，底部为10煤顶，顶界为K7砂岩底，该层序发育海侵-高位体系域，岩性以泥岩及细砂岩为主，由下至上粒度增大，煤层主要发育在矿区中、南部钻孔1701、2501(图3)。

层序SIII3对应山西组的全部，底界为山西组和太原组的分界，顶界为山西组与下石盒子组的整合界面。该层序发育低位-海侵-高位体系域，岩性主要为中粗砂岩为主，泥岩及粉砂岩次之，煤层主要发育在矿区中南部钻孔1201、2501(图3)。

古地理沉积环境分析是研究沉积环境及煤岩煤质特征的重要基础，选取研究区内17口揭露地层较全、分布均匀的典型钻孔数据，进行单剖面和对比剖面沉积相的分析，以砂泥比等值线为主，结合其他相关参数综合分析，恢复石炭二叠含煤岩系三级层序的岩相古地理[2]。

层序SIII1时期(图4a)，整体沉积环境以障壁岛-潟湖为主，在研究区内仅有局部可采的10和11煤层。

层序SIII2时期(图4b)，沉积环境为海相到陆相的过渡环境，前期为海相的泥炭沼泽，后期为陆相的三角洲沉积，煤层主要发育在前期受潮汐影响的潮坪上，以8煤、9煤为主，后期三角洲前缘环境由于受到河流及潮汐的影响，仅形成不稳定的薄煤层，如6、7煤层。

层序SIII3时期(图4c)，沉积环境完全过渡为河流三角洲，全区发育有近NW-SE的河流，沉积环境受河流影响，主要成煤环境为河道边缘沼泽、分流间湾及泛滥盆地沼泽为主，发育有多层煤包括2煤层、4煤层和5煤层。

研究区太原组及山西组为海陆过渡环境，主要的沉积环境为两种，即障壁海岸沉积环境及河流三角洲沉积环境：障壁岛海岸沉积环境下的煤层主要形成在障壁岛后的潟湖、潮坪沼泽化的地区。河流三角洲沉积环境的主要为下三角洲的分流间湾和上三角洲的分流河道的两侧以及河道边缘地带。

3 煤岩煤质特征

研究区主采煤层，宏观煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，夹镜煤条带和丝炭薄层[6]。显微组分以镜质组为主17.4%～73.0%平均为48.61%，惰质组次之27.0%～74.2%，平均为46.25%，壳质组最少0%～11.8%，平均为5.14%。水分含量为0.52%～4.33%，平均为1.42%；灰分含量为4.71%～49.87%，平均为26.7%，属于中灰-高灰煤；挥发分含量为32.02%～53.11%，平均为40.55%；固定碳含量为8.36%～61.01%，平均为43.71%；全硫含量介于0.23～5.62%之间，平均为1.83%，属于中高硫煤(表1)。

太原组可采煤层为8、9、10煤层，显微煤岩组分以惰质组为主，平均为51.55%，自下而上有减少趋势；水分平均为1.28%，变化不明显；灰分含量较高，平均为25.01%，硫分平均为2.59%，为中高硫煤。

山西组可采煤层为2、4、5煤层，与太原组煤相比，显微煤岩组分以镜质组为主，平均含量为54.88%，自下而上，镜质组呈上升趋势；灰分平均含量略高于太原组煤层，达到28.96%，而硫分含量则远远低于太原组含量，只有0.81%。

图2 HD801太原-山西组沉积相及层序地层柱状图Figure 2 Sedimentary facies and sequence stratigraphic column of Taiyuan and Shanxi formations in borehole HD801

图3 石炭二叠纪近南北向沉积相及层序地层对比Figure 3 Permo-Carboniferous near NS section sedimentary facies and sequence stratigraphic correlation

a层序I古地理图 b层序II古地理图 c层序III古地理图图4 不同层序下的古地理图Figure 4 Paleogeographic map of different sequences

煤层编号镜质组惰质组壳质组MadAdVdafFCd%Std248.9～73.062.2(5)27.0～45.836.2(5)0～5.41.6(5)0.76～2.431.52(25)17.7～48.731.24(25)37.15～49.1942.25(25)28.36～48.9439.1(25)0.28～2.290.80(25)434.3～65.453.2(4)27.4～60.342.5(4)4.4～11.87.4(4)0.66～3.091.61(74)10.26～49.8726.89(74)32.02～47.9439.67(74)30.3～61.0144.76(74)0.23～2.410.79(74)538.8～56.647.40(4)32.5～59.645.30(4)3.5～11.37.30(4)0.67～4.331.57(83)6.34～44.7330.11(83)34.59～44.3039.07(83)31.46～55.2542.50(83)0.26～2.480.84(83)838.3～53.946.10(5)36.6～56.546.60(5)4.1～9.57.30(5)0.56～4.191.42(75)5.47～45.3524.29(75)36.65～53.1141.84(75)31.17～58.9644.22(75)0.51～5.622.38(75)930.5～55.241.10(4)42.5～65.454.60(4)3.2～4.94.30(4)0.61～4.141.25(96)4.71～43.6822.19(96)36.25～51.3040.70(96)31.16～57.746.21(96)0.82～4.872.77(96)1017.4～37.438.90(4)53.6～74.254.70(4)3.5～8.36.40(4)0.52～2.261.18(71)9.49～46.0729.61(71)35.48～47.6941.03(71)29.78～51.2241.74(71)0.69～5.402.57(71)

4 沉积环境对煤岩煤质的影响

沉积环境是影响煤岩煤质变化的重要因素，红墩子矿区太原组及山西组煤的煤岩煤质在时空展布上呈现规律性变化，本文通过对红墩子矿区沉积环境分析，结合煤岩煤质变化特征，探讨不同沉积环境对煤岩煤质特征的影响[7]。

4.1 沉积环境对煤岩的影响

通常认为镜质组的形成与强覆水、气流不畅的封闭泥炭沼泽有关，惰质组多形成于弱覆水或周期性暴露的泥炭沼泽中，壳质组的成因与成煤植物种类关系密切[8-10]。

太原组、山西组共划分为三个层序，不同层序之间由于沉积环境的不同，显微煤岩组分含量存在差异，同一层序下，不同位置形成的煤层镜惰比不一。在研究区选取6口钻孔，以层序为单位绘制镜惰比图(图5)。

层序Ⅰ、层序Ⅱ中，矿区煤层主要发育在障壁岛-潟湖沉积体系，成煤作用受海水的影响较大。研究区南部的煤层(如HK706)，受潮汐作用影响，成煤沼泽周期性暴露，氧化环境强，丝炭化作用占主导，镜惰比小于1；研究区北部煤层(如1303、902、1706)，发育于障壁岛后的潟湖-潮坪带，封闭的泥炭沼泽区，水流活动小，覆水稳定，还原环境为主，镜惰比大于1。

层序Ⅲ时期，研究区演变为河流三角洲沉积体系，煤层主要发育在三角洲平原地区，相对于层序Ⅰ、层序Ⅱ，沼泽水动力普遍降低，煤中镜惰比总体上升高。矿区东南部三角洲平原分流间湾发育的煤层(如HK706、1706)，覆水较深，水面波动小，凝胶化作用为主，镜惰比大于1，发育于矿区西北部的河道边缘沼泽中的煤层由于受河流作用影响，沼泽水动力较强，丝炭化作用占主导，镜惰比小于1。

4.2 沉积环境对灰分和硫分的影响

沉积环境对煤中灰分、硫分的影响十分显著，其中，灰分主要是由流水搬运到泥炭沼泽和成煤植物一起沉积的陆源碎屑物质，其高低与沼泽水位的变化和水动力的强弱有关，硫分主要受沼泽水化学环境及物源的影响，在海水影响下聚集的泥炭往往比淡水环境聚集的泥炭含更多的硫[11-14]。选取山西组4煤和太原组10煤，以井田为单位，绘制硫分、灰分分布图，进行时空上的对比分析(图6)。

图5 红墩子矿区石炭二叠纪不同层序镜惰比平面分布Figure 5 Planar distribution of Permo-Carboniferous different sequences V/I ratio in Hongdunzi mine area

图6 红墩子矿区4煤和10灰分、硫分平面分布图Figure 6 Coal Nos.4 and 10 ash and sulfur contents distribution in Hongdunzi mine area

10煤发育于障壁岛-潟湖环境，受海水的影响较大，沼泽水化学环境为半咸水—微咸水，使煤中硫分含量普遍较高；由于矿区东南部距海岸较近，中高硫煤主要集中在红二井田、红三井田，自南向北呈现出递减的趋势。灰分的含量主要受到沼泽水动力及覆水条件的影响，矿区南部由于受潮汐作用，沼泽覆水不稳定且水动力较强，煤中灰分含量较高，西北部潮坪泥炭沼泽中形成的煤层，由于稳定的覆水及较弱的水动力条件，灰分含量相对较低，低灰煤主要集中在矿区北部的红五井田、红六井田。

4煤层发育于河流三角洲沉积环境，成煤环境主要受到河流的影响，以淡水沼泽为主，相较于10煤，硫分含量整体较低，以低硫煤为主；矿区南部红二井田、红三井田的煤层由于成煤时更靠近滨海环境，硫分含量略微比其他井田含量高，矿区中部红四井田、红五井田成煤环境为三角洲平原分流间湾的淡水泥炭沼泽，煤层硫分含量最低，而形成于河道边缘泥炭沼泽矿区北部红六井田的煤层，由于河流影响较大且靠近物源，受物源中含硫矿物的影响，硫分含量相对较高。4煤成煤环境受河流影响，水动力较强，灰分含量整体上较10煤略高，高灰煤主要集中在矿区的南端的红一井田、红三井田以及北段的红六井田，可以解释为煤层受到河流作用及物源影响，水流搬运的陆源碎屑物质沉积到沼泽中，使得煤中灰分含量较高，而形成于矿区中部分流间湾的煤层，由于沼泽覆水稳定且水动力较弱，煤中灰分含量相对较低。

5 结论

(1)通过对红墩子矿区太原组和山西组沉积层序的分析，共识别出四个层序界面，划分为三个三级层序。太原组与山西组沉积环境经历了从障壁岛-潟湖-潮坪到河流三角洲的演化过程。

(2)煤岩方面，障壁岛-潟湖-潮坪沉积体系成煤沼泽受潮汐作用的控制，成煤不稳定，氧化作用占主导，形成的煤层较河流三角洲沉积体系下形成的煤层镜惰比低。平面上，障壁岛-潟湖-潮坪沉积体系下，由于距岸的远近，镜惰比南低北高，河流三角洲沉积体系下，靠近河道的北部地区，河流作用影响较大，镜惰比低于南部地区。

(3)煤质方面，障壁岛-潟湖-潮坪沉积体系下形成的10煤，由于海水的影响，硫分含量整体上高于河流三角洲体系下形成的4煤，而灰分则由于河流影响下的成煤环境水动力较强，4煤含量略大于10煤。平面上，10中的硫分、灰分含量由于距海岸的远近，都呈现出南高北低的规律，4则因为河流作用及海水的共同影响，灰分、硫分都出现南北两端高，中部低的现象。