山西平朔井工三矿煤系角砾岩特殊成因探讨

石彦强

(北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100040)

在以往的研究中，沉积角砾岩的成因主要被解释为边坡滑塌，其次是冰碛和近源泥石流，对煤系沉积角砾岩的发现及研究较少。目前仅在吉林省南部通化地区浑江上游的底部发现冰碛砾岩[1]，砾岩成分复杂、大小混杂，少数具棱角状和次棱角状，个别砾石一端浑圆而另一端具棱角，砾石分布不均、分选性差，砾岩中的冰川遗迹明显，命名为“金坑岭冰碛层”；张玉君等[2]在鄂尔多斯侏罗纪聚煤盆地西缘的甘肃华亭煤田陈家沟井田5 号煤中发现砾岩，砾石最大粒径0.15 m，排列方向不定，呈似层状不连续分布于煤层中，砾石附近煤层纹理压弯或搅动明显，泥质夹层的层理也变形；吴志国等[3]在松辽盆地南缘辽宁铁法煤田大兴井田白垩系煤层中，多处见到砂岩、砾岩体，砾石含量30%～40%，砾径最大达0.45 m，主要是次棱角状、部分为棱角状和次圆状，分布不均匀，多与煤层基本顶砂岩相连，砂质角砾岩体宽度较大者(尤其大于5 m)，以及横剖面形态近“Δ”型的角砾岩体，与侧向煤层多呈波状或相对平直状接触；而宽度较小者(尤其小于1.5 m)，与侧向煤层多呈凸凹不平或参差状接触；王宇林等[4]在大兴井田4-2 煤层中发现一些陡倾斜产出的上端尖小、下部钝大的似滴状的含砾不等粒杂砂岩体，最大长轴直径达300 mm，多分布于河道弯曲地段的凹岸一侧，尖端均指向河道泥石流，且体积大者更靠近河道泥石流；程东等[5]、何彪太[6]、任德平[7]对平朔矿区太原组角砾岩进行研究，均认为其是泥石流沉积；王华等[8]在法国Montceau 盆地1 号厚煤层中下部发现多个透镜状角砾岩体，都有底部下凸，上部“平展”的外形，单个透镜体一般厚1～2 m，宽不足30 m，认为是“典型的水下重力流—碎屑流沉积”，文中没有交代源汇关系，也没有说明角砾岩从物源搬运到湖滨的过程，那么重力流等二次搬运沉积的最大直径可达50 cm 的“角砾”，不可能还是角砾。

平朔矿区北部距离物源区较近的井工三矿、潘家窑矿发现角砾岩，向南在盆地内部消失。煤系角砾岩在平朔井工三矿时有分布[6-7]，其成分复杂、大小不一、棱角状、分选性差，与煤层关系密切是其显著特征。角砾岩破坏了煤层的连续性，对井工三矿的煤层开采造成严重影响。基于2018—2019 年山西潞安中煤资源勘查开发有限公司补勘施工的21 个钻孔资料，加上以往285 个勘查钻孔(钻孔间距大多为200～500 m)资料[9]，梳理了井田地层层序；收集区域资料，针对性地进行矿井地质观测，对西部煤田边界进行踏勘，定点观测物源区岩性特征，分析井田煤系沉积环境演化和煤层沉积特征，详细描述角砾岩成分、结构和构造特征，统计煤系角砾岩的层位、厚度和分布情况，圈定角砾岩在煤层中的分布范围，研究角砾岩发育规律及成因，以期对研究区煤炭资源开发利用提供指导。

1 井田煤系及煤层发育特征

井工三矿位于宁武煤田平朔矿区西北端，地表大部分被新生代地层覆盖，属典型的黄土丘陵地貌。井田内及外部煤层露头附近的各大沟谷底部有零星基岩出露。根据钻孔揭露和地表露头，井田地层由下至上为奥陶系下统冶里组和亮甲山组，中统下马家沟组、上马家沟组；石炭系上统本溪组、晋祠组；二叠系下统太原组、山西组、下石盒子组，中统上石盒子组；以及新生界新近系静乐组和第四系中、上更新统、全新统地层。

其中，石炭系上统晋祠组和二叠系下统太原组为本矿主要含煤地层，地层总厚66.52～124.02 m，平均厚92.30 m。主要由灰色、灰白色砂岩、砾岩，灰色–灰黑色砂质泥岩、泥岩和4、5、6、7、8、9、10、11 号煤层组成，以粗碎屑岩为主，局部夹角砾岩，下部夹有薄层泥质灰岩(图1)。其中4、9、11号煤层为主要可采煤层(表1)。

表1 主要可采煤层控制情况及稳定性评价Table 1 List of minable coal seam control and stability evaluation

图1 补勘6 号孔煤系沉积环境解释及层序演化Fig.1 Sedimentary environment interpretation and sequence evolution map of borehole No.6 coal measures

研究区位于华北石炭-二叠纪聚煤盆地的北端，物源区在井田西北部，距井田很近，井田内煤系以扇三角洲沉积为主，在废弃碎屑沉积基础上发育动态泥炭沼泽。动态泥炭沼泽发育期间，气候适宜，植物繁茂，成煤物质丰富，沉积补偿作用均衡，成煤植物限制了物源碎屑侵入，抑制了海浪及潮汐对海岸植被及泥炭的冲蚀，以泥炭自身发育占主导地位，形成厚度较大的可采煤层。煤层受物源碎屑侵入影响，有规律地变薄和分岔[9-11]。

2 角砾岩沉积特征及源汇关系

2.1 沉积特征

平朔井工三矿煤系角砾岩的成分复杂。内源的，如灰白色—灰色砂岩，深灰色—黑灰色粉砂岩、泥岩、炭质泥岩，有时还能见到铝质泥岩和煤包裹体(图2a)；外源的，如奥陶系微晶石灰岩、寒武系中上部的粉晶石灰岩、寒武系底部馒头组的红色泥岩(图 2b)，震旦系的大理岩，太古界的片麻岩(图2c)等。

图2 不同钻孔钻遇煤层顶底板角砾岩特征(岩心直径为63 mm)Fig.2 Breccia characteristics of coal seam roof and floor in different boreholes(core diameter 63 mm)

砾径大小不一，最大可达1.20 m 以上(图2b)；砾石磨圆度差距甚大，棱角状到次圆状，并以前者为主(图2d)；分选性极差，颗粒之间被泥质和砂质基底式充填，基质分选更差(图2e)。下部角砾岩普遍含黄铁矿，有的黄铁矿含量较高，这些黄铁矿具有较好的晶形，是早期成岩产物，受到同期海水的影响。

角砾岩底部与煤层冲刷接触，顶部往往是泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、煤层等细碎屑沉积，即使是砂岩也是明显接触，没有过渡的趋势(图2f)。

角砾岩与煤层关系密切。井田285 口钻孔中，有76 口98 层遇角砾岩，占孔数的27%，除4 口陷落柱孔外，其余72 口94 层全部为沉积角砾岩。其中79层位于煤层中及其顶底板，占原沉积角砾岩的84%；其他距可采煤层较远的15 层，占16%。角砾岩都不同程度含有煤包裹体及炭屑，而且冲刷煤层的角砾岩中含有较多的煤包体。表明角砾岩是成煤泥炭沼泽发育期间的产物，与泥炭沼泽的破坏有直接的成因关系。

垂向上，角砾岩从本溪组到山西组均有，下部较多。厚度0.30～22.92 m (合并层)，变化较大，一般2～3 m；平面上，角砾岩分布有限，连续性差，即使200～300 m的钻孔间距都无法有效控制。11 号煤层中的角砾岩主要分布在西部和西北部，其中9 个钻孔位于煤层中间，其余位于煤层顶底板附近，连续性差(图3)；9 号煤层中的角砾岩主要分布在西部和西北部，但在井田南部也有零星分布，有13 个钻孔位于煤层中间，其余位于顶底板附近，连续性极差，与煤层间夹矸增厚有一定的横向联系(图4、图5)；4 号煤层的角砾岩主要见于井田北部，仅2 个钻孔位于煤层中间，中北部巷道揭露角砾岩宽度仅26 m。东部4 个钻孔位于4～6 煤层夹矸小于0.80 m的区域，其余角砾岩位于煤层顶底板附近，连续性差(图6)。

图3 11 号煤层及其附近角砾岩分布范围Fig.3 Distribution range of breccia in No.11 coal seam and its vicinity

图4 9—11 号煤层间沉积剖面Fig.4 Sedimentary cross-section of No.9-11 coal seams

图5 9 号煤层被冲刷、分叉、角砾岩分布Fig.5 Distribution of scoured,bifurcated and breccia in No.9 coal seam

图6 4 号煤层及其附近角砾岩分布范围Fig.6 Distribution range of breccia in No.4 coal seam and its vicinity

2.2 源汇关系

以往都认为大同以北的阴山古陆是石炭–二叠纪盆地物源区；杜丕(1980)[12]研究发现，偏关至兴县间，存在轴向近似南北，长140 km，宽20 km 的吕梁古隆起 (但在后来的许多研究中，却忽视了这一隆起的存在[13])；周安朝等[14]认为，阴山古陆是在晚石炭世–早二叠世整体平稳隆升而转化的物源，早二叠世晚期–晚二叠世，古陆北缘发生了较为强烈的隆升并伴随着强烈的褶皱和冲断作用。

通过西部煤田边界和物源区定点踏勘，本区西、北部只是煤田保存边界，沉积边界在西北更远的地方。区内钻孔见到的石榴石片麻岩角砾来源于太古界集宁群(Arjn)，据区域资料，集宁群石榴石片麻岩最近出露于井工三矿西北351°，距离56.62 km 的右玉县西黄家窑村西(图7)；大于1.2 m 的紫红色泥岩砾来源于寒武系馒头组，该泥岩出露于薛家窑至三层洞村一线以北，距本区34 km(图7)。说明本区西北的吕梁古隆起[12]，在石炭–二叠纪就被挤压隆升遭受剥蚀了，物源区不会是北距本区160 多km 的阴山古陆。

图7 平朔井工三矿与角砾岩物源相对位置Fig.7 Relative location of Jinggong No.3 Coal Mine and breccia provenance in Pingshuo3

3 角砾岩成因辨析

研究区断裂规模小，主要为小型断裂，断层带也不发育，陷落柱只是零星分布。除补勘8、补勘10等钻孔见陷落柱，其间角砾岩呈高度棱角状、毫无分选[15]，可以解释为坍塌构造角砾岩外，其余角砾岩明显是原始搬运沉积形成。

3.1 角砾岩地质对比

继在吉林省南部的上石炭统底部发现了冰碛砾岩[1]之后，近年来，大多数研究者也认为石炭–二叠纪有冰期—间冰期的存在[16]。王向东等[17]认为，全球石炭纪大量植物的繁盛导致了强烈的气候分异而形成冰室，是显生宙以来最大的冰室气候时期，冰期和间冰期频繁交替，全球海平面升降更迭。由此推断：华北石炭–二叠纪海陆交互相含煤沉积与晚古生代冰川作用导致的海水进退有关。然则，本文研究区至今并没有发现砾岩中的冰川擦痕、漂砾、冰筏坠石等冰川作用的特征痕迹，以及其他相关证据[5-7,9]。

常规的山洪泥石流不可能完整地搬运直径大于1.20 m、而硬度又不是太大的泥岩巨砾；搬运距离大于34～60 km、而角砾又未曾遭受应有的磨蚀，保持棱角状到次棱角状的结构，与一般泥石流沉积特征不符；角砾岩顶底界面明显，上下均没有过渡关系，特别是顶板直接突变为泥岩、炭质泥岩、煤层等，也不是典型泥石流的垂向层序特征；角砾岩规模很小，井下巷道揭露角砾岩体最小宽度仅26 m，间距200～500 m 的密集勘查钻孔都控制不了角砾岩的平面连续形态，说明角砾岩的成因也不能用常规的山洪泥石流来解释。综合分析认为，研究区角砾岩多发育于煤层中或煤层顶底板，与煤层密切相关，并且主要集中在4、9、11 号厚煤层附近，因此，角砾岩的沉积过程与成煤植物及泥炭沼泽有直接的关系。

3.2 植被锚固作用及“碎屑库”的构建

动态聚煤模式认为，成煤泥炭沼泽是泥炭沼泽及其植被规模化动态发育的结果，其主要表现在对基底和物源区碎屑的控制[10]；现代干旱扇和湿地扇也存在明显差异。

1) 现代植物根系的锚固作用

早在1591 年我国先人就用柳树栽培加固保护河岸边坡。17 世纪用植被保护黄河堤岸；19 世纪法国和奥地利就用植被防治泥石流；马来西亚、泰国等利用香根草根系发达、抗拉强度大、根扎很深等特点来加固沟渠和公路边坡[18]。

一般认为地下草根密集层在20 cm 左右，最大深度不超过2 m；树根密集层在1 m 左右，最大根深不超过10 m；灌丛根系介于二者之间。但是棉花根可达2.0～2.2 m；甘草根长1 m 多，最长者达3～4 m；香根草根长4 m 多；荒漠上的骆驼刺高度只有20 cm 左右，而根部可达十几米深；非洲的巴恶巴蒲树，根能到达三十多米深的地层中；美国一棵15 m 高树的根伸进了将近50 m 深的矿井；南非奥里斯达德附近的回声洞的一颗无花果树，估计根深入地下有120 m[19]。

根的抗拉力与根径均呈幂函数关系，桉树根系的平均抗拉拔强度达到5.53 MPa。粗而长的根系能穿过滑体，深入滑床，将滑坡锚固到深处稳定的岩土体上。须根系的固结缠绕效应和轴根系的抗拉拔效应均提高了边坡的稳定系数[18]。

2) 聚煤期植物及“碎屑库”的构建

根据化石鉴定，平朔矿区石炭系上统晋祠组和二叠系下统太原组的植物主要有：Le pidodendron posthumiiJongm，ct Goth.斜方鳞木；L.szeinumLee梭鳞木；L.oculus-felis(Abb.) Zeiller.猫眼鳞木；Cathaysiodend ron nanpiaoenseLee.南票华夏木；Le pidostrobo phyllumsp.鳞孢叶(未定种)；Le pidophylloidessp.鳞 叶(未 定 种) ；Stigmaria ficoides(Sternb.) Brongn 脐根座；S pheno phyllum oblongifoliumGerm.et Kaulf.) Ung.椭圆楔叶；S.verticilatum(Schloth.) Brongn 轮生楔叶；S.minor(Sterz.) Gu et Zhi 宽卵楔叶；Calamites(St ylocalamites)cistiiBrongn.细尖芦木(柱芦木)；C.(Di plocalumites)carinatusSterab.突肋芦木(对枝芦木)；Calamites(Calamitina)goe ppertii Fttingshausen.葛伯特芦木(环芦木)；Annularia pseudostellataPot.假星轮叶；A.ste11ata(Sch1oth.) Wood 星轮叶；A.radiata(Brongn.) Sternb.雷迪轮叶；Annthlaria muc ronata Schenk.尖头轮叶；Asiopieris huairenensisgen.et sp nov.怀仁亚洲羊齿(新属、新种)；S phenopteris neuro pteroides(Bou1ay) Zeili，脉楔羊齿；Pecopteris candolleancBrongn.长舌栉羊齿；P.arborsceens(Schioth.) Sternberg.小羽栉羊齿；P.(Acitheca) polymor pha(Brongn.) Sterz.多形栉羊齿(尖囊蕨)；Paratingia dctongensis gen.ct sp.nov 大同拟齿叶(新属，新种)；N euro pteris ouataHoffm.卵脉羊齿；N.plicataStcrnberg.镰脉羊齿；N.shanxiensissp.nov.山西脉羊齿(新种)；N.sp.脉羊齿(未定种)；Nilssonia nobilis sp.nov.显赫蕉羽叶(新种)；Aletho pteris httianaLee 栉座延羊齿；Cyclo.pteris orbicularisBrongn.肾圆异叶。

以上植物属于斜方鳞木—卵脉羊齿组合带[9,20]。这些植物比现在的同类植物高很多，如芦木高可达20～30 m，鳞木高达38 m，根系也更加发达。

石炭–二叠纪聚煤期是植物大爆发的时代，植物繁盛堪比现代桉树、水葫芦、大米草等物种入侵，尚未遭受天敌、病害等阻碍，繁衍茂盛，快速扩展到整个盆地和物源区。植被减弱了地表冲刷；植物主根和粗根的锚固和支撑、须根的加筋，提高了边坡岩土体的抗剪强度，陆源山前滑坡、崩塌、散落以及山口冲积扇等松散堆积物，只能在限定的范围内垂向加积，累积成边坡较陡的“碎屑库”(图8)。

图8 边坡扇与煤层空间分布关系剖面图(引自焦养泉[15]、据李思田[21])Fig.8 Profile of spatial distribution relationship between slope fan and coal seam(from Jiao Yangquan[15],according to Li Sitian[21])

3.3 动态泥炭沼泽发育与煤系角砾岩的形成

1) 动态泥炭沼泽

与陆源碎屑横向相接的动态泥炭沼泽，由于得到丰富的物源营养成分的滋育，生长较快，泥炭表面坡度也在不断增加。泥炭沼泽表层为尚未腐朽的植物残骸和生长植物根，与表面纵横交错的植被相互交织在一起，构成较稳定的地毯式泥炭网。

泥炭沼泽上部为深度不大的过渡层；中下部为还原层，覆水隔氧，植物组织吸水膨胀，细胞结构变形、破坏，逐渐分解为独立的高分子体，分子间再交联聚合形成凝胶化基质。因此，自上而下，泥炭组织结构由残骸碎屑状到海绵状、纤维状、小块状、小粒状；泥炭中腐殖酸含量由低到高，形成强吸水和蓄水的胶体物质。厚层泥炭的下部为深度降解、含水量大、胶质的膏状体泥炭，润滑性能好[22]。

2) 泥炭筏载运移模式

偶然洪泛、差异沉降以及泥炭化过程中析出的黏土夹层，含大量亲水矿物，也是很好的润滑层。

当泥炭层累积到几十米至上百米，侧向被禁锢的碎屑也垂向加积到更大的高度，集聚了高耸的势能。在大暴雨、大地震、陆源构造隆升等突发事件作用下，泥炭吸水膨胀，被泥炭植物禁锢的“碎屑库”突然垮塌，部分边坡块体/碎屑冲越到泥炭层顶部，撕裂泥炭网，形成规模宏大的泥炭流和漂浮其上大小不等的泥炭筏。岩石碎屑被泥炭筏载，沿着泥炭流/底部胶质润滑层滑向泥炭沼泽内部；部分滑入沼泽水道中，当泥炭筏包括载物总体平均密度小于沼泽水道的水体密度时，泥炭筏就能够漂浮运移更远，断续沉积保存；部分小块泥炭筏，在河流转弯处再漫越到泥炭沼泽内部。

因此，形成的角砾块体较大，磨圆度、分选性均差。角砾岩体零星分布，常呈横向和垂向均不连续的透镜状产出，长轴指向物源方向。研究区煤系沉积角砾岩成因，用泥炭筏载运移模式解释才更为合理。

4 结论

a.平朔井工三矿煤系沉积角砾岩成分复杂、大小不一，其中泥岩砾径最大可达1.20 m；棱角–次圆状，分选性极差，顶底界面明显，与煤层关系密切，平面上连续性差。角砾岩体零星分布，常呈横向和垂向均不连续的透镜状产出，长轴指向物源方向。

b.基于角砾岩沉积特征研究，角砾岩成因为：在植被的禁锢下，陆源碎屑只能在限定的范围内垂向加积，累积成边坡较陡的“碎屑库”；泥炭沼泽表层为植被泥炭交织在一起的泥炭网，底部为高成熟、润滑性能好的膏状泥炭。区内煤系角砾岩是物源区边坡和碎屑库崩塌，冲越到泥炭网上，撕裂成泥炭筏，被泥炭筏载运移，断续沉积，并遭受后来改造形成的，是突变事件的产物。

c.研究区煤系沉积角砾岩破坏了煤层的连续性，但其北多南少，分布有限，角砾岩的分布规律对煤层成因及厚度变化、煤炭资源/储量估算、井田采区布置和煤炭开采具有重要指导意义。但角砾岩特征显著，成因特殊，是否有区域代表性还有待新的发现和进一步研究。

致谢：陈浩高级工程师进行了大量基础数据的统计和平面图绘制，姚文涛总工程师也给予了帮助和支持，常锁亮教授审阅了初稿，提出了许多宝贵的修改意见，编辑和审稿老师进行了多次细致的润色和修改，在此一并致以衷心的感谢！