张集矿山西组1煤层煤相及泥炭沼泽演化特征

2022-09-08武志威郑刘根韩必武蔡有京邢大卫

安徽理工大学学报（自然科学版） 2022年3期

武志威，郑刘根*，韩必武，张军，蔡有京，邢大卫

(1.安徽大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230601；2.淮河能源控股集团有限责任公司通防地质技术部，安徽淮南 232001)

煤是我国重要的一次性能源，在我国能源生产和消费结构中占有重要地位。煤相的研究可为成煤条件、成煤过程和成煤原始物质等方面提供成因信息[1-3]，因此对煤相的探索就显得尤为重要。

煤相即煤的沉积相，是指成煤作用初始阶段由形成环境所决定的、具有一定物质成分和特征的泥炭沉积物，可通过煤岩特征和煤岩类型、煤的地球化学特征及成煤植物类型来鉴定[4-5]60。层序地层学的引入让人们认识到基准面和可容空间的变化对煤相发育特征有明显的控制作用[6]。Diessel根据沼泽类型、泥炭堆积条件和沼泽沉积环境的关系建立了联系煤相与沉积环境的煤相参数，即凝胶化指数和结构保存指数。国内外众多研究者利用煤相参数对不同煤炭聚集区煤相开展研究，通过不同煤相参数特征，对成煤期沉积环境进行判别[7-11]234-246，237。由于泥炭聚集的复杂性，采用煤相参数及地球化学指标结合的方法对成煤沉积环境的判别更具信服力。

淮南煤田是我国14个亿吨煤生产基地之一，随着浅部下石盒子组煤炭资源开采枯竭，目前已进入深部山西组煤层开采阶段。山西组在早期成煤到后期变质阶段受到了华力西运动、印支-燕山运动和喜马拉雅运动等多期构造运动的影响，含煤建造发育在下三角洲平原及三角洲间海岸带地区，沉积环境和沉积相极为复杂[4,12-14]84。本文通过煤岩煤质测试、沉积相分析等手段，结合地球化学指标，反演淮南煤田张集矿深部山西组1煤成煤环境，探讨泥炭沼泽演化特征，研究结果可为丰富煤地质学和煤中微量元素环境地球化学理论提供支撑。

1 研究区概况

淮南煤田地处安徽省中北部，位于华北型石炭二叠系聚煤区的东南缘，是一块南北长70km、东西宽25km的狭长区域，面积2 136km2，年产煤约1亿吨。含煤地层主要包括上石炭统太原组、下二叠统山西组和下石盒子组、上石盒子组。其中太原组由于含煤性差不具有开采价值，主要开采煤层为二叠系上石盒子组的13和11煤层，下石盒子组的9、8、7、6、5、4煤层，山西组的3煤层和1煤层，目前淮南煤田已进入深部山西组开采阶段[15]。张集煤矿(见图1)位于淮南煤田西南部，谢桥-古沟向斜北翼陈桥背斜的东南倾伏端，总体形态呈扇形展布的单斜构造，地层走向呈不完整的弧形转折，断裂构造较发育、褶曲构造不很发育，未见岩浆侵入，占地约71km2。张集矿山西组3煤层，由于顶板砂岩冲刷导致不可采。本文研究对象是山西组1煤层，平均厚6.46m，含煤系数9.79%。

图1 采样矿区位置图

2 样品采集与测试分析

2.1 样品采集

参照煤层宏观煤岩类型的变化，刻槽采集淮南张集煤矿山西组1煤层样品。共采集13个样品，其中煤样10个，从上往下编号为ZJ-1～ZJ-10，顶板、夹矸与底板样品各1个，编号分别为ZJ-T、ZJ-P、ZJ-B(见图2)。为避免煤样风化污染，采集的样品迅速放入聚乙烯塑封袋中保存。

图2 采样矿区地层图

2.2 样品测试与分析

水分(Mad)、灰分(Ad)、挥发分(Vdaf)采用SDTGA5000a工业分析仪测定；总硫采用SDS601型定硫仪测定；煤中各形态硫的测定参照《GB/T215-2003煤中各种形态硫的测定方法》进行；煤样通过微波消解，采用Agilent 7500 型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)对微量元素(Sr、Ba、Cu、Zn)进行测定；煤中显微组分含量及镜质体反射率参照《GB/T8899-2013煤的显微组分组和矿物测定方法》《GB/T6948-2008煤的镜质体反射率显微镜测定方法》，采用蔡司Axtoscope.A1型数字煤岩分析仪测定。

泥炭沼泽类型的判定依据Diessel建立的方法进行，主要参数包括凝胶化指数(GI)、结构保存指数(TPI)、搬运指数(TI)，搬运指数TI采用马兴祥建立的参数[8,16]236，各参数的计算方法如下所示

(1)

(2)

(3)

式中：V为镜质组含量；T为结构镜质体含量；TC为均质镜质体含量；DC为基质镜质体含量；CC为团块镜质体含量；VD为碎屑镜质体含量；F为丝质体含量；Sf为半丝质体含量；Ma为粗粒体含量；ID为碎屑惰质体含量；Sp为孢粉体含量；Cu为角质体含量；Re为树脂体含量；LD为碎屑类脂体含量。

3 结果与讨论

3.1 煤岩特征

依据各分层的相对光泽强度与光亮宏观煤岩组分相对含量(国家标准GB/T18023-2000《烟煤的宏观煤岩类型分类》)，在张集矿1煤层样品中分出两种宏观煤岩类型，即半亮煤、半暗煤。除ZJ-1、ZJ-3煤样为半暗煤外，其余样品均为半亮煤。半亮煤宏观煤岩组分以亮煤为主含镜煤和暗煤条带，呈条带状结构、层状构造、贝壳状断口；半暗煤呈条带状结构、层状构造、棱角状断口。

样品煤岩组成如表1所示，山西组1煤中镜质组含量变化范围为37.97%～73.55%，平均64.5%，以基质镜质体(变化范围23.44%～57.49%，平均37.14%)为主，均质镜质体(平均22.2%)次之，碎屑镜质体(平均4.31%)、结构镜质体(平均0.5%)含量较低。镜下可观察到均质镜质体的垂向裂隙，部分结构镜质体胞腔充填黏土矿物，高含量均质镜质体和基质镜质体的存在反映了成煤沼泽凝胶化作用强烈，导致植物细胞结构保存较差[17-19]126-129。

表1 淮南煤田山西组1煤层显微煤岩组分 %

山西组1煤惰质组含量变化范围为14.13%～53.86%，平均22.42%。惰质组主要以粗粒体(平均7.86%)和半丝质体(平均6.83%)为主，碎屑惰质体(平均4.28%)次之，丝质体(平均3.35%)较少，偶见真菌体(见图3d)。镜下可观察到火焚丝质体典型的“星状”结构(见图3a)，这种结构来自于地质历史时期植物木质组织在野火作用下的不完全燃烧[20-23]。在ZJ-7煤样可见膨胀的半丝质体(见图3h)，这种结构可能与细菌或者真菌的活动有关。

壳质组含量变化范围为2.47%～15.86%，平均7.87%，以角质体(平均4.6%)为主，孢粉体(平均3.01%)次之，树脂体及碎屑类脂体含量较低。镜下观察到大孢子体堆叠在一起(见图3e)，小孢子体主要呈分散状充填于基质镜质体中(见图3g)，角质体主要为厚壁角质体。由显微组分含量占比可知山西组1煤显微煤岩类型属于微三合煤、微复矿质煤。

(a)ZJ-3中的火焚丝质体(PF)，反射单偏光，×100；(b)ZJ-10中的结构镜质体(T)，透射光，×100；(c)ZJ-1中的均质镜质体(TC)，反射单偏光，×100；(d)ZJ-6中的真菌体(Fu)，反射单偏光，×500；(e)ZJ-5中的大孢子体(MaS)，反射单偏光，×100；(f)ZJ-7中的角质体(Cu)，反射单偏光，×100；(g)ZJ-6中的小孢子体(MiS)，反射单偏光，×500；(h)ZJ-7中的半丝质体(Sf)，反射单偏光，×200；(i)ZJ-B中的莓粒状黄铁矿(Py)，反射单偏光，×500

3.2 煤相特征及演化

在煤层显微组分定量分析的基础上，计算了各煤样的GI、TPI、TI的参数值(见表2)。对张集矿山西组1煤进行GI-TPI相图(见图4)分析。由图4可知，形成于河控三角洲背景下的山西组1煤层主体表现为低位沼泽相、湿地草本沼泽相，个别煤样呈干燥森林沼泽相、潮湿森林沼泽相的煤相类型。

图4 淮南煤田山西组1煤层煤相图

表2 淮南煤田山西组1煤层煤岩参数

各煤样显微组分含量变化较大，以ZJ-3、ZJ-7样品为界，剖面上显微组分表现为多个镜质组向上减少，惰质组向上增加的序列。剖面上镜质组与惰质组的阶段性变化反映了成煤沼泽的转变，据此，将山西组1煤层煤相的发展划分为3个阶段。其中第Ⅰ阶段成煤作用从湿地草本沼泽B相开始以B相结束，代表了一个完整的演化旋回；第Ⅱ和第Ⅲ阶段均从低位沼泽A相开始，最终以潮湿森林沼泽C相结束了山西组1煤层的泥炭聚集。

除第Ⅰ阶段外，Ⅱ、Ⅲ阶段均为半旋回，从湿地草本沼泽相演化为低位沼泽相，指示水体由浅到深的转变；第Ⅰ至第Ⅲ阶段煤相变化简单且存在规律性重复，指示煤层发育期间泥炭沼泽变化稳定，沼泽水面发生周期性变化。

图5 淮南煤田山西组1煤层煤相演化图

3.3 泥炭沼泽水动力条件及演化

张集矿山西组1煤层煤质参数及镜质体反射率如表3所示，其中水分、灰分、挥发分、总硫、发热量的均值分别为2.20%、12.99%、31.76%、0.5%、25.62 MJ/kg。参照标准《GB/T15224-2010煤炭质量分级》，张集矿山西组1煤属于特低全水分、低灰、中高挥发分、特低硫、中高发热量煤，属于烟煤大类中的1/3焦煤。山西组1煤层镜质体反射率的均值为0.89%。

表3 淮南煤田山西组1煤层煤质参数及镜质体反射率

通常滞留状态的沼泽植物受到的凝胶化作用较强，表现为煤中植物遗体结构保存较差，镜质组(均质镜质体、基质镜质体)含量更高，在海水的影响下，导致了成煤沼泽的盐度和还原性进一步增强，煤层硫分和镜惰比增加，煤光泽变亮，宏观上表现为以半亮煤为主。

水动力条件越强水中活性氧的含量越高，水体迁移引起的异地堆积作用越强，煤中惰质组和碎屑组分含量越高，灰分产率也由此提高，煤层光泽变暗，宏观上表现为半暗煤和暗淡煤[10,30-31]171。因此，Ad、镜惰、TPI、GI、TI、有机硫(So)等参数可指示沼泽水动力条件。

各煤样灰分产率和GI、镜惰、有机硫含量3个参数负相关性良好，与TI正相关性良好，与TPI相关性显著(见图6)。山西组1煤沼泽水体水介质条件同样表现出与煤相、煤岩组分一致的3个演化阶段(见图7)。在第Ⅰ阶段，镜惰、GI由小变大再变小，TPI和TI变化趋势相反，表明水动力条件由强变弱再变强，第Ⅱ、Ⅲ阶段镜惰、GI由大变小，表明水动力条件由弱变强。

图6 淮南煤田山西组1煤层煤相参数、灰分、有机硫相关性图

图7 淮南煤田山西组1煤层煤相参数

3.4 泥炭沼泽古盐度及氧化还原条件

不同元素在沉积物中的赋存迁移规律不同，利用这些元素所组成的地球化学指标对沉积物形成时的环境具有一定的指示意义(见表4)。

Sr/Ba比值可用于反映古水体的盐度变化特征[32]。当Sr/Ba值大于1时指示海相的咸水沉积环境，Sr/Ba值小于0.6时指示陆相的淡水沉积环境，当Sr/Ba值介于0.6～1之间时指示过渡相的半咸水沉积环境[33-34]。由表4可知张集矿山西组1煤层Sr/Ba介于0.32～1.61之间，平均为0.97，沉积相整体表现为海陆过渡相沉积。ZJ-1与ZJ-3表现为受淡水影响的海陆过渡相和陆相沉积环境，该结果与煤相参数的分析结果吻合。文献[4]84通过不同沉积相的指示标志研究指出淮南煤田山西组1煤层形成于三角洲间海岸带、下三角洲分流间地区，这与Sr/Ba值指示的环境具有一致性。

Cu/Zn比值可随介质氧逸度的变化产生分带的性质，被用来指示沉积环境的氧化还原状态[35]。由表4可知山西组1煤的Cu/Zn值介于0.13～1.45之间，平均为0.43，整体处于氧化～还原过渡状态。进一步分析在煤相的不同发展阶段氧化还原状态也发生周期性转变。在煤相发展的第Ⅰ阶段Cu/Zn比值指示沉积环境处于还原～弱还原态，同时泥炭沼泽也表现为湿地草本沼泽相和低位沼泽相；在第Ⅱ阶段泥炭沼泽由低位沼泽相转变为干燥森林沼泽相，沼泽变得越来越氧化，这与Cu/Zn比值指示的结果一致；在第Ⅲ阶段泥炭沼泽由海相转变为过渡相沉积，同时沼泽的氧化还原状态也发生相应转变。

表4 淮南煤田山西组1煤层微量元素

4 泥炭沼泽演化模式

根据山西组1煤层煤相演化及地球化学特征，提出山西组1煤层泥炭沼泽的演化模式。

山西组1煤层泥炭沼泽的发育明显受到海水入侵的影响。煤层整体处于海陆过渡相的沉积环境(见图8)且多数煤样具有三角洲间海岸带背景下低位沼泽和潮湿森林沼泽特征，富有机硫，反映出山西组1煤层在发育时期被海水入侵。

图8 地球化学指标

山西组1煤层泥炭沼泽发育期间经历了快速海退、先海进然后海退、快速海退3个阶段的海水进退事件。从底板到顶板，沼泽水体的还原性呈逐渐降低的趋势，水动力趋于增强，煤相类型从低位沼泽相、湿地草本沼泽相，转化为潮湿森林沼泽相、干燥森林沼泽相，这个过程揭示了整体海退的演化背景，这与文献[36-37]使用岩相古地理图所揭示的结果一致。在沼泽发育末期，泥炭沼泽由低位沼泽相过渡到潮湿森林沼泽相，沼泽类型及Sr/Ba比值的变化揭示了一次快速海退事件的存在，这次海退同时结束了山西组1煤泥炭的聚集。

山西组1煤层泥炭沼泽发育期间的海退过程呈现出波动式特征。下部煤层(ZJ-7～ZJ-10)的泥炭沼泽为咸水环境，水介质处于还原的状态，水动力由强变弱再变强，因此镜质组和有机硫相对富集。惰质组以半丝质体和粗粒体为主，相对较高的惰质组含量可能是由于三角洲间海岸带动荡的环境引起成煤母质遭受氧化所致。同时粗粒体的存在也证明细菌及真菌活动对惰质组的贡献[38-39]。上部煤层(ZJ-1～ZJ-6)的水介质还原性减弱而水动力增强，镜质组和有机硫含量相对降低，惰质组增加。惰质组以丝质体、半丝质体、粗粒体为主，较高的惰质组含量一方面与泥炭沼泽向着氧化状态转变有关，另一方面与古森林大火有关，火焚丝质体(见图3a)的存在就是证据[19,40-42]123-125。

次级快速海进事件构成了泥炭沼泽发育Ⅰ→Ⅱ和Ⅱ→Ⅲ转换时期，代表了泥炭沼泽由陆向海的转变，沼泽类型从湿地草本沼泽和干燥森林沼泽转换为低位沼泽；次级快速海退事件引起了泥炭沼泽由海向陆的转变，如第Ⅱ阶段后期沼泽由低位沼泽转变为干燥森林沼泽；由泥炭沼泽发育期间最后一次海退事件，结束了山西组1煤泥炭沼泽的发育历史。