闽西南中二叠统童子岩组沉积特征及聚煤环境研究

2019-12-26邱占林黄俊南许福美翁佩娴

中国煤炭 2019年11期

邱占林黄俊南许福美,3 陈栋,3 罗城陈欢翁佩娴

(1.龙岩学院资源工程学院，福建省龙岩市，364012；2.福建师范大学地理科学学院，福建省福州市，350007；3.龙岩学院矿井水害防治研究所，福建省龙岩市，364012；4.福建省197地质大队，福建省泉州市，362018 )

闽西南是福建省主要含煤岩系赋存地区，中二叠统童子岩组(P2t)作为该区主要的含煤地层，其沉积地质问题备受关注，尤其是在地层特征、沉积环境及聚煤规律等方面，前人已开展了大量有助于找煤预测与地质勘探的基础工作，而国内相关高校、地质大队及科研机构采用传统地质工作方法也对闽西南地区童子岩组进行了综合分析研究，均取得了一系列卓有成效的研究成果[1-8]。但对于该区童子岩组沉积特征的层序精细化及聚煤环境的时空分类化研究仅有少量报道[9-10]，或仅对其局部层段展开过相关研究[11-14]。为进一步分析闽西南地区中二叠统童子岩组的沉积特征，运用沉积学与沉积地质学等理论、方法，从地层、岩性、古生物、沉积构造等方面进行较深入的总结，并据此分析其聚煤环境，以期为煤炭赋存、找煤靶区的寻找及后续研究提供思路。

1 童子岩组沉积特征

1.1 地层及古生物特征

闽西南聚煤盆地中二叠统童子岩组(P2t)地层归为一套海陆交互相含煤建造，与其上覆翠屏山组(P3cp)呈平行不整合接触(假整合)，与其下伏文笔山组(P2w)呈整合接触。根据古生物、岩矿、原生沉积构造、结核与鲕粒、含煤性与煤质、地球物理、地球化学以及岩相等诸方面的特征，自下而上将其划分为3个段5个亚段，并相应建立了5个有特征性的标志层(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3)。其中，第一段(P2t1)、第三段(P2t3)含煤，动植物化石混生；第二段(P2t2)不含煤，产动物化石，如图1所示。

1.1.1 童子岩组第一段(P2t1)

本段是一套含煤的碎屑岩沉积，可分为上亚段(P2t1-2)和下亚段(P2t1-1)。其中P2t1-1下自I标志层，上至37#煤层顶板，产大量动物化石，但植物化石较少；P2t1-2以Ⅱ标志层为顶界，主要为细砂岩和砂质泥岩，有时相变为灰质泥岩，内含丰富的动物化石，33#煤层顶板可见一些植物化石。

1.1.2 童子岩组第二段(P2t2)

本段底至Ⅱ标志层顶界，顶至Ⅲ1标志层底界，粒度由下而上总体逐渐变粗，以富含海相动物化石及大个体铁质结核为特征，为明显的整体海退式沉积，通称为海相无煤段[8]。顶部Ⅲ1标志层为厚约16.50 m的石英细砂岩，有时局部为钙质细砂岩或夹薄层泥质砂岩，发育清晰的水平纹理。

1-粉砂岩；2-细砂岩；3-中砂岩；4-粗砂岩；5-泥岩；6-砂质泥岩；7-泥质砂岩；8-钙质砂岩；9-砾岩；10-根土岩；11-动、植物化石；12-结核、鲕粒；13-根茎化石、白云母片；14-水平层理；15-板状交错层理；16-波状层理；17-槽状交错层理；18-爬升波纹层理；19-脉状层理；20-冲洗交错层理图1 童子岩组地层沉积层序

1.1.3 童子岩组第三段(P2t3)

本段归属于一套海陆交互式含煤细碎屑岩沉积，其突出特点为旋回多而小且层厚大小不一，煤层多而不稳定且诸煤层间距差异大，岩性、岩相变化迥异，但主要划分标志层可对比分为上亚段(P2t3-3)、中亚段(P2t3-2)和下亚段(P2t3-1)，三分性明显。其中P2t3-1介于Ⅲ1标志层顶界和Ⅲ2标志层底界之间，产大量海相动物化石，植物化石则主要出现在该亚段的中部；P2t3-2自Ⅲ2标志层顶界至Ⅲ3标志层底界，岩性自下而上逐渐变粗，具有大量舌形贝动物化石并产出单网羊齿(Gigantonoclea sp．)植物化石的古生物化石特征，且动、植物化石混生，数量基本相当；P2t3-3下至Ⅲ3标志层底界，上至翠屏山组底砾岩底界，以大量完整的植物化石及其根茎化石的激增为特征[9]，代表了童子岩组海退旋回序列的结束。该段古生物化石数量丰富、种属繁多，且具有明显的垂直分带性，中下部动、植物化石交替出现，上部则以植物及其根茎化石为主。

1.2 岩石矿物特征

童子岩组含煤地层主要由细粒陆源碎屑物质组成，粗粒碎屑物较少，各亚段沉积物中可见形态各异的鲕粒与黄铁矿、菱铁矿结核。岩性主要由中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、钙质砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤构成。其中各类岩石在3个亚段中的比例如表1所示，二段海相无煤段泥岩含量高达52.42%，而中粒砂岩主要为岩屑石英砂岩且仅分布在三段上亚段(P2t3-3)中，细砂岩的类型以石英杂砂岩和岩屑石英砂岩为主，其次为岩屑石英杂砂岩和石英砂岩。除童子岩组二段外，细砂岩的相对含量从一段至三段略有增高的趋势，说明了沉积环境的改变，向陆相演变的趋势。其中，一段细砂岩矿物成分为石英(86.50%)、杂基(7.79%)、岩屑(3.93%)[11]；三段细砂岩为石英(88%)、杂基(7.76%)、岩屑(4.19%)[10]，此组构特征说明了童子岩组一、三段细砂岩成分成熟度属次成熟，分选性较好，磨圆度为次棱角状-次圆状，其结构、成分成熟度均较高。岩屑较少，由此表明其沉积物经过长途搬运并受到强烈磨蚀作用。而杂基含量较高，说明该沉积物是在经过二次搬运后，在水动力条件比较弱的半封闭或封闭环境中沉积的。

表1 童子岩组岩性结构 %

1.3 原生沉积构造特征

原生沉积构造属于沉积岩及其沉积环境最为重要的物证之一，与其岩性及沉积环境密切相关。中二叠统童子岩组地层中发育的主要原生沉积构造类型是层理和生物扰动构造，常见的层理有水平层理、交错层理、砂泥互层层理、块状层理和混浊层理；较为发育的生物扰动构造则以虫迹、爬痕、逃跑迹及生物潜穴等动物扰动和根茎状、发须状的植物扰动两大类为主。

1.4 结核与鲕粒特征

闽西南童子岩组煤系地层中常见鲕粒与菱铁矿、黄铁矿结核。一般黄铁矿、菱铁矿结核生成于氧化还原电位Eh<0、pH=6～10的弱酸、弱碱性至碱性、∑CO2的活度较高且富含Fe2+的还原环境[15]。而鲕粒则产生于覆水较深的Eh<0、pH=5～10的弱酸、弱碱性的还原滞水环境中[16]。菱铁矿结核主要赋存于童子岩组一段上亚段(P2t1-2)和三段中，而黄铁矿结核则主要分布于童子岩组三段中亚段(P2t3-2)的23#煤层顶板。赋存形态以透镜状、似层状和瘤状为主，并伴有多种形态，在童子岩组含煤地层中常以球粒、微晶-泥晶以及结核的形式存在，且球粒菱铁矿在正交光下可见十字消光现象。鲕粒主要产出于童子岩组煤系地层顶部(P3cp底部底砾岩底界～1#煤层顶板)，1#煤层之下仅零星分布，其赋存的鲕粒多数具同心放射状构造，矿物成分较为单一，在正交偏光下呈蓝灰异常干涉色的球形颗粒，甚至可见一些形成于覆水较深的滞水还原环境的绿泥石鲕粒。

1.5 含煤性及煤质特征

1.5.1 含煤性

闽西南地区童子岩组(P2t)共含煤16～113层，主要可采煤层31～45层，其单层可采厚度介于0.6～2.63 m之间，平均为1.97 m，平均总厚度达19.1 m，含煤系数为2.9%，有效系数2.1%[7]。多数属于薄煤层，区内总体稳定性较差。其中P2t1-1和P2t3-2是主要含煤段，P2t2是不含煤的海相泥岩段。39#煤层全区可采，局部可采煤层共21层，但含煤性差异较大。

1.5.2 煤质

闽西南聚煤盆地构造运动活跃，岩浆活动频繁，尤其是燕山构造期的大规模岩浆岩侵入造成全区煤变质程度加深。全区二叠纪含煤地层煤种单一，均属中高变质程度的无烟煤。童子岩组煤中所含水分介于0.79%～12.66%，平均为4.33% ；原煤灰分产率在3.02%～42.19%之间，平均为16%，属低中灰型；原煤挥发分产率为2.46%～6.52%，平均为3.98%；固定碳变化范围为44.36%～90.28%，平均为77.64%；全硫含量为0.07%～3.37%，平均约为1%，属亚低硫煤；磷含量为0.003%～0.087%，平均为0.017%，属低磷煤；而发热量介于16.82～39.76 MJ/kg之间，其均值为23.97 MJ/kg，属中高热值煤。此外，童子岩组含煤段煤层煤灰组分以SiO2(55%)为主，Al2O3(21%)次之，且SiO2+Fe2O3含量一段略高于三段，Al2O3的含量三段高于一段，含硫量及灰分随着古地形的起伏而变化，煤层结构较为复杂，其宏观煤岩类型以半亮型煤或半暗型煤为主，其次为光亮型煤或暗淡型煤。

1.6 地球物理特征

岩石的地球物理特征在一定程度上反映了其成岩时所处的环境条件，因此可以借助主要的沉积相物性参数来推测当时的古地理环境。由于童子岩组(P2t)煤系地层的原生沉积较稳定，其物性总体特征表现较为平稳，且呈现出随着粒度的增大、泥质含量的减少，视电阻率值增高，相应的自然伽玛值、散射伽玛值、声波时差降低的变化趋势。但煤层表现出明显的散射伽玛高异常、低视电阻率、自然伽玛低异常、髙声波时差异常，且呈现密度小、泊松比小的特征。作为煤系地层童子岩组(P2t)与非煤系地层翠屏山组(P3cp)分界的底砾岩(标志层)视电阻率值一般介于1000～8000 Ω·m之间，低自然伽玛异常、高密度，其物性特征响应也较为明显。而且，物性变化在粒度、泥质含量以及岩性上具有较好的响应，间接指示了沉积环境的变化。

1.7 地球化学特征

硼含量、硼镓比(B/Ga)以及古盐度作为沉积环境的重要沉积相指标，常被用来还原古地理环境及区分沉积环境。选取童子岩组的该3项指标作为分析闽西南聚煤盆地的煤相参数，分析样品主要取自童子岩组各亚段可采或局部可采煤层顶板。

1.7.1 硼含量与硼镓比(B/Ga)

童子岩组二段的硼含量平均值(87.53×10-3mg/L)高于一段(71.27×10-3mg/L)和三段(64.81×10-3mg/L)，且一段略高于三段，这与沉积环境分析的结果是吻合的，同时也说明沉积物硼含量的大小主要取决于水介质中的硼含量。一般来说，海洋沉积物中的硼含量高，而淡水沉积物中的镓含量高，因此可以利用两者的相对比值来鉴别沉积环境。陈钟惠等[2]提出大陆沉积物硼镓比值(B/Ga)一般小于3.3，海洋沉积物B/Ga一般大于4.5～5.0，而过渡(交互)环境介于两者之间。童子岩组硼含量(B)、硼镓比(B/Ga)及古盐度测试结果如表2所示。从测试结果来看，童子岩组的B/Ga值均比较符合实际情况，但由于本区硼含量值偏低，所以硼镓比值(B/Ga)也偏低。

表2 闽西南童子岩组硼含量(B)、硼镓比(B/Ga)及古盐度测试结果一览表

1.7.2 古盐度

古盐度具有较好的沉积相功能，可以反映当时沉积时的水介质情况，进而识别沉积环境。而对于盐度的划分标准，秦勇等[17]认为：淡水盐度<1.0%；咸水(海水)盐度>3.2%；介于两者之间的微咸水和半咸水盐度分别为1.0%～1.8%和1.8%～3.2%。在通常情况下，海水盐度的变化在3.2%～3.7%之间，平均值为3.47%[10]。应用上述标准对测试结果(表2)进行划定，二段(3.347%)为咸水环境，一、三段(1.241%～2.734%)则形成于微咸水-半咸水环境。值得注意的是童子岩组一段下亚段(P2t1-1)的古盐度(1.253%)与童子岩组三段上亚段(P2t3-3)(滨岸湖泊相)的古盐度(1.241%)相近，这是由于童子岩组一段下亚段在总体海退的背景下，陆源碎屑物质供应充分，地表小型水系注入造成的结果。

2 童子岩组聚煤环境

二叠系中统童子岩组(P2t)是一套海陆过渡相细碎屑滨岸带含煤沉积，依据其主要沉积特征，可将其聚煤环境分为障壁岛—泻湖、潮坪—潮道、浅海、滨岸湖泊环境，相应出现障壁岛—泻湖、障壁岛、泻湖、潮坪—潮道、浅海、滨岸湖泊等沉积相，形成海退—海侵8个沉积期事件[18]。其中第一段(P2t1)是一套以浅海相、障壁岛—泻湖相和潮坪—潮道相沉积体系为主的含煤碎屑岩沉积建造；第二段(P2t2)是一套不含煤的浅海相泥岩沉积建造；第三段(P2t3)是一套以障壁岛—泻湖相、潮坪—潮道相以及滨岸湖泊相(泥炭沼泽相)沉积体系为主的海陆交互(过渡)式含煤碎屑岩沉积建造(图1)。

2.1 障壁岛—泻湖聚煤环境

主要受波浪与潮汐双重作用的影响，障壁岛相、泻湖相沉积组合在童子岩组第一段(P2t1)和第三段(P2t3)中占主导地位，37#～45#，32#、33#，25#～30#，4#～18#等煤层(线)均具有该组合特征。碎屑沉积物粒度自下而上由细变粗，反复出现，岩石组合上呈现煤层(线)、根土岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、钙质砂岩、细砂岩所组成的完整的粒度旋回。发育有冲洗交错层理、板状交错层理(波浪作用)、脉状层理、波状层理(潮汐作用)、爬升波纹层理、槽状交错层理、水平层理等原生沉积构造。含有较多瘤状、透镜状、似层状黄铁矿、菱铁矿及绿泥石结核，出现较丰富的动植物化石。随着海退的加剧，岸线不断向海一侧推移，形成障壁岛—泻湖混合式进积型聚煤环境。

2.2 潮坪—潮道聚煤环境

主要受潮汐作用的影响，以潮坪相、潮道相沉积组合为主，在童子岩组第一段上亚段(P2t1-2)和第三段中、上亚段(P2t3-2、P2t3-3)中占有比较重要的地位，34#～36#，19#～24#，1#～3#等煤层(线)均具有碎屑滨岸带沉积特征，煤层数多但间距较小。岩性以细砂岩、砂质泥岩及泥岩为主，具有正向粒序的特征。伴有爬升波纹层理、水平层理发育，出现潮汐双粘土层及菱铁质鲕粒，可能与陆表海域逐渐封闭缩小为局限海或湾有关[2,10]，并以舌形贝动物化石及植物化石为代表的沉积环境。

2.3 浅海聚煤环境

主要发育于童子岩组第二段(P2t2)、第一段上亚段(P2t1-2)顶部及第三段Ⅲ2标志层位置。一般为不含煤的浅海相碎屑沉积，但31#煤层属于第三沉积期海侵初期事件，强度不大，其余分别为第四、六沉积期。主要沉积砂质泥岩、钙质细砂岩、泥岩和粉砂岩，从下往上表现为细—粗—细—粗的粒度特征，代表在总体海侵的背景下，地壳也经历了小幅度振荡运动，但区域上处于海相相对稳定期，该段硼含量、硼/镓比(B/Ga)及古盐度地球化学特征可指示。同时出现表征水动力条件比较稳定的静(滞)水环境且由垂向加积作用所致的水平层理，并出现白云母片顺层排列，绿泥石、菱铁矿结核次发育，富含个体较为粗大的海相动物化石。

2.4 滨岸湖泊聚煤环境

主要形成于童子岩组第三段上亚段(P2t3-3)上部，除了受波浪、潮汐作用外，还受到湖泊作用，以滨岸相、湖泊相沉积组合为主，局部出现煤线，层位密集且较不稳定，结构复杂且难以对比[5]。沉积以砂质泥岩、中砂岩、泥质砂岩和石英细砂岩为主的岩性组合，以大量完整的植物化石及其根茎化石的激增为特征，地层内腕足类等动物化石急剧减少，富含菱铁质鲕粒及结核。该组合与前述障壁岛—泻湖聚煤环境在垂向上及横向上密切共生，既包含滨岸带及呈环带状分布的湖泊沉积物，又包含周围水系所形成的湖滨三角洲乃至小型河流沉积物，以及岸后湖泊淤积变浅后所引起的泥炭沼泽相沉积物。粒度总体由下而上逐渐变粗，呈现逆向粒序的沉积特征，但沉积旋回不够清晰，可能是障壁岛后泻湖随着岸线的侧向迁移而逐渐淡化或收缩封闭的结果，代表了童子岩组海退旋回序列的结束，预示着东吴运动[19]的来临。