贵州织金县大明矿区龙潭组煤中元素地球化学特征及其沉积环境指示意义

2022-07-26罗顺社吕奇奇

贵州地质 2022年2期

龙宇，罗顺社，吕奇奇

(1.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州贵阳，550006；2.长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉，430100；3.长江大学地球科学学院，湖北武汉，430100)

沉积岩在形成过程中，与水介质之间发生着密切的地球化学平衡，不同的沉积环境，其元素地球化学的分散和聚集规律也不相同(李敏等，2010；梁文君等，2015)。前人利用岩石中的常量元素、微量元素对古气候、古水深、古氧相、物源的识别方面做了大量的研究工作(陈小军等，2010；罗顺社等，2011；吕奇奇等，2011；王峰等，2017；彭治超等，2018)，并取得了丰硕的成果。煤炭作为非常重要的沉积矿产，成煤环境及聚煤规律也是当前的研究热点之一(金军等，2010；郭立君等，2011；任海鹰等，2016；温书鹏.2017；张文斌等，2020)，不同的成煤环境中形成的煤层地球化学元素特征也不相同，因此，煤层中的地球化学元素特征记录了可靠的成煤环境信息(程伟等，2013；Baoqing Li.et al.2017.马小敏.2019；杨旭等，2021)。

贵州地区蕴含了丰富的煤炭资源，其煤炭主要分布在西部及西北部地区，特别是织纳煤田是我省重要的煤炭开采基地之一，大多数学者对织纳煤田的研究主要致力于地质构造和沉积环境方面的研究(潘青青等，2017；梁剑等，2019；王云等，2020；周培明等，2020)，而对煤层中元素地球化学的研究较少。作者在前人的研究基础上，以织纳煤田东部的大明矿区为例，通过钻探工程取样和煤炭样品实验室分析测试技术，对该地区煤炭中常量元素、微量元素的特征进行研究，并根据其组合特征探讨了研究区二叠系上统龙潭组沉积时期的古水深、古气候和氧化-还原环境。

1 地质概况

图1 研究区地理位置及构造纲要图Fig.1 Geographical location and tectonic outline of the study area (modified from Guo Lijun et al.2011；Liang Jian et al.2019)1—地名；2—织纳煤田；3—研究区

2 沉积相类型及特征

研究区龙潭组为一套海陆过渡相沉积岩(郭立君等，2011；梁剑等，2019)，根据岩性、沉积构造、矿物、化石特征及相序在纵向上的变化，将其划分为三角洲平原、三角洲前缘、混积潮坪3个8个沉积微相(如图2)。

图2 二叠系上统龙潭组岩性柱状及沉积划分图Fig.2 Lithologic column and sedimentary division of upper Permian Longtan formation1—泥质粉砂岩；2—粉砂质泥岩；3—泥岩；4—粉砂岩；5—细砂岩；6—灰岩；7—铝土岩；8—玄武岩

2.1 三角洲平原

三角洲平原可分为沉积亚相及分流河道、分流间湾、泥炭沼泽三个沉积微相，其沉积物要比前缘粒度细，分选性、磨圆度均较三角洲平原差，代表还原沉积环境的泥炭、煤、黄铁矿及菱铁矿的发育，是区分三角洲平原和前缘的主要识别标志。三角洲平原植物生长繁茂，沉积环境闭塞，沉积物以泥岩为主，也是煤炭发育的主要场所。

2.2 三角洲前缘

主要发育在龙潭组三段SQ3海侵体系域(TST)的开始阶段，在海水及河流的双重作用下，沉积物在分选性、磨圆度上要优于三角洲平原砂岩，岩性以细砂岩、粉砂岩为主，夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，其羽状、鱼骨状交错层理是识别三角洲前缘的重要标志。

2.3 混积潮坪

在该区龙潭组上部发育碎屑岩-碳酸盐岩混积潮坪亚相，岩性在宏观上表现为碎屑岩与碳酸盐岩互层，沉积环境相当于障壁型海岸相潮坪，可划分为潮上带、潮间带、潮下带三个沉积微相。形成的主要原因为随着海平面的上升，陆源碎屑物减少，处于碎屑岩和碳酸盐岩沉积过渡的阶段(张鹏飞等，2013；宋章强等，2020；李泉泉等，2021)。

3 测试结果及分析

3.1 样品采集与测试

测试样品均为钻孔样，在大明煤矿钻探施工中，选取了ZK101、ZK201、ZK402、ZK502钻孔中稳定可采的8层可采煤层的19件煤炭样品，进行了常量元素、微量元素测试，微量元素测试采用电感耦合等离子体质谱仪(ECP-MS)，常量元素依据GB/T1574-2007测定，煤中全硫及各种形态硫依据GB/T214-2007测定，样品在贵州省煤田地质局实验室完成测试(误差小于10%)。为保证数据的可靠性，同一煤层中测试数据采用其算数平均值。

3.2 常量元素特征

经测试，有机硫含量平均0.52%，表明介质中有限的S元素在优先形成无机硫后，过剩的S元素从有机物进入煤中的地球化学元素较少(黄鹏程等，2020)，对本次研究的影响可忽略。而SiO2、Fe2O3在变化规律上存在异常，主要原因是成煤时期的强还原环境与硅化作用，对Fe、Si含量的影响较大，本次研究不作探讨。

表1 研究区煤中常量元素(%)分析及计算结果Table 1 Major elements (%) analysis in coal and calculation resultsin the study area

图3 研究区常量元素变化趋势图Fig.3 Variation trend of major elements in the study areaA—Al2O3、TiO2、K2O变化关系图；B—CaO、MgO、MnO2变化关系图；C—S与Al2O3、TiO2、K2O变化关系图

3.3 微量元素特征

表2 研究区煤中微量元素(10-6)分析及计算结果Table 2 Trace elements (10-6) analysis in coal and calculation results in the study area

4 地球化学元素与沉积环境关系讨论

4.1 与古水深的关系

研究区34煤层中Al2O3出现异常高值，TiO2、K2O、S含量也较高(见图3)，表明陆源碎屑物活动频繁，虽然在经历了以铝土岩为代表的古风化壳沉积之后，海平面有所上升，但沉积速率大于盆地下沉速率，高的Al2O3含量也说明了沉积物源与铝土岩古风化壳有关，此时水深仍然较浅；而33煤层中Al2O3、TiO2、K2O、S含量下降，说明海平面上升，而陆源碎屑物较少，沉积盆地可容空间增大，在33煤层上部的碳酸盐岩潮坪沉积环境也说明了此时为欠补偿状态，水深相对较深；到29煤层沉积时期，得到了大量物源碎屑物的补充，沉积盆地为弱过补偿状态，虽然相对海平面上升，但可容空间减小，水深变浅。总体上，34煤层-33煤层-29煤层沉积时期古水深为浅-深-浅，这与Al、Ti、K、S含量的变化趋势呈负相关。

虽然21、16、14煤层均形成于泥炭沼泽，但沉积时期古水深具有明显不同：21煤层形成于SQ1结束时期，处于地壳构造抬升阶段，海平面下降，水深也变浅，此时，研究区沉淀了较高含量的Al、Ti、K、S；21煤层-16煤层、16煤层-14煤层为两个小旋回，21煤层-16煤层的沉积旋回中，沉积盆地为欠补偿，可容空间增大，水深不断加深(如图4)，形成了下粗上细的正粒序，至16号煤层时Al、Ti、K、S含量降低；16煤层-14煤层的沉积旋回中，沉积盆地为过补偿，可容空间减小，水深变浅，形成了下细上粗的逆粒序，14号煤层中Al、Ti、K、S含量较高。在沉积时的水深方面，21、14煤层水深浅于16煤层，这与Al、Ti、K、S含量高-低-高的变化规律呈负相关，正好验证了同一结论。

4.2 与古气候的关系

通常以MgO/Al2O3、Mg/Ca的比值、Mn的含量来反应古气候的变化(田洋等，2014；孟昊等，2016)。研究区Mg/Ca比值与MgO/Al2O3、Mn含量负相关，图4，说明Mg/Ca比值适用于极度干旱条件下的变化规律[10]，即Mg/Ca高值代表温湿环境，低值表示干旱环境，而MgO/Al2O3、Mn的高值表示干旱，低值表示温湿环境。

研究区34、29、14煤层具有较高的Mg/Ca比值和较低的Mn含量、MgO/Al2O3比值，说明此时三角洲平原环境中的Mn析出量较低，Mg的析出量大于Ca，而较高Al2O3含量表示陆源碎屑物活动增多，研究区淡水活动频繁，气候相对温暖潮湿。32、16煤层具有较低的Mg/Ca比值和较高的Mn含量、MgO/Al2O3比值，说明此时三角洲平原环境中的Ca析出量大于Mg，高Mn含量和低Al2O3含量表明水介质蒸发量大，陆源碎屑物活动减少，淡水活动影响降低，气候相对干旱炎热。总的来说，研究区34煤层-14煤层气候为温湿-干热-温湿-干热-温湿的变化过程(如图4)。

图4 煤层中地球化学元素特征与古水深、古气候变化规律关系示意图Fig.4 Relationship diagram between elements geochemical characteristics in coal seam，paleobathymetric and paleoclimate variation law