大柳塔矿区延安组4-2、4-3煤岩煤质特征及古环境分析

桂学明，董振国

（1.国能大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610095；2.神华地质勘查有限责任公司，北京 100021）

煤是支撑国民经济发展的最重要的基础能源，煤是由地质历史时期的植物遗体经过复杂的成煤作用转变而成的一种固体可燃有机岩，煤的形成需要一定的地质和构造条件，具体包括古气候、古水体、古地理等条件，其中古气候决定植物繁茂程度，古水体氧化还原环境决定植物遗体堆积环境，古地理决定遗体遗体保存和成煤条件，因此分析成煤的古地理环境对成煤环境演化和聚煤规律的研究有重要意义。

煤中地球化学元素的运移和富集是多种地质因素共同作用的结果，通过对煤中元素含量、比值的研究，煤中元素含量的变化对古氧化还原条件的示踪尤为灵敏，可以反映沉积环境的变迁。受沉积环境影响，同一煤层中伴生元素的垂向分布也存在很大差异，煤中的地球化学元素对沉积环境的变化十分敏感，元素的含量及变化可以为恢复古沉积环境提供可靠的判别依据，其对古氧化还原状态的示踪尤为灵敏。通过对大柳塔矿区煤岩样品元素的分析，可获得水体的古盐度、氧化还原状态、古水深和古气候等古地理环境特征，可恢复大柳塔矿区延安组沉积期的水体的古盐度、氧化还原状态、古水深和古气候等古地理环境特征，以期为沉积、构造演化的研究和煤田的勘探开发提供理论支撑。

1 地层层序

大柳塔矿区位于陕西省神木县城西北52.5 km处，行政区划属大柳塔镇管辖，地处陕北黄土高原之北侧和毛乌素沙漠东南缘。大部分被风积沙覆盖，局部黄土分布，植被稀少，属沙丘及荒峁发育的半沙漠区。

大柳塔矿区含煤地层为中下侏罗统延安组，主要含煤层有10层，即1-2上、1-2、2-2、3-1、3-2、4-2、4-3、4-4、5-2及5-2下，其中2-2及5-2煤层为矿区主要可采煤层，1-2、4-2、4-3为局部可采煤层。

研究区位于大柳塔矿区西南部，根据煤田地质钻探资料，研究区4-2、4-3煤均属于较稳定煤层，4-2煤平均可采厚度1.04 m，4-3煤平均可采厚度1.04 m。由于大柳塔矿区大柳塔井4-2、4-3煤层较薄、厚度变化较大，钻孔控制稀疏，现有勘查程度偏低。依据煤田补充勘探钻探和分析化验资料，开展4-2、4-3煤岩地球化学特征与沉积环境辨识具有重要的现实意义，可协助查明大柳塔矿区4-2、4-3煤层平面展布特征、落实其不可采区，满足下步工作面布置需要，达到资源顺利接续的要求。

据钻孔揭露及地质填图资料，大柳塔矿区地层由老至新为三叠系上统永坪组（T3y），下侏罗统富县组（J1f），侏罗系中下统延安组（J1-2y），侏罗系中统直罗组（J2Z），第四系下更新统三门组（Q1S），中更新统离石组（Q2L），上更新统萨拉乌苏组（Q3S）与全新统风积沙（Q4eol），见表1。

表1 大柳塔矿区研究区地层简表Table 1 Stratigraphic table of Daliuta mining area

其中侏罗系中下统延安组（J1-2y）为煤系地层，假整合于永坪组或连续沉积于富县组之上，为含煤地层。其上部直罗组因河流冲刷和新生代剥蚀，有不同程度的缺失，I煤组在井田内大多保留不全，并依次划为5个岩性段，各煤组中的主要煤层大多分布在该段的上部。冲刷、剥蚀残余厚度96.62~243.50 m，平均195.24 m，岩性以灰白—浅灰色中粒长石砂岩，岩屑长石砂岩及钙质砂岩为主。次为灰—深灰色粉砂岩，砂质泥岩、泥岩及煤层、少量炭质泥岩，透镜状泥灰岩及膨胀土矿层。含煤地层为大型浅内陆湖泊三角洲沉积，横向岩性变化大，但垂向层序结构清晰

2 样品采集与分析化验

该研究的样品全部来自于研究区内的钻探取心，涉及31口钻孔，取样135件。煤样采样工作严格执行《煤炭资源勘探煤样采取规程》，设计取样的煤层采取均达到合格，煤芯煤样未污染、未磨烧。煤芯煤样不缩分全部送验，送样时详细填写了送样单，并注明分析试验项目，采样工作符合规范要求。样品测试均依国家标准或部颁标准进行，可选性大样的采取，筛分浮沉试验及钻孔煤芯简选试验、泥化试验等样品的测试分析均由陕西省煤田地质局承担，煤质测试成果可靠。

3 煤岩煤质特征

3.1 煤岩特征

（1）煤的宏观特征。

区内4-2、4-3、5-2煤呈黑色，条痕为褐黑色，弱沥青光泽，阶梯状断口，条带状结构，层状构造。宏观煤岩类型以暗煤为主，夹亮煤条带，含少量丝炭，属半暗型煤。

（2）显微煤岩特征。

显微煤岩组分以惰质组为主，其次为镜质组，去矿物杂质中平均含量4-2煤镜质组42.7%，惰质组在57.3%；4-3煤镜质组45.3%，惰质组在54.7%（表2）。

表2 煤层显微煤岩组分统计Table 2 Coal seam maceral statistics table

煤中矿物杂质含量较低，成分以粘土组为主，平均值在4.2%～4.3%；4-2煤硫化物矿物和碳酸盐矿物含量均为零，4-3煤中硫化物含量平均值为0.4%、碳酸盐矿物平均值为0.1%。

依据《国家标准显微煤岩类型分类》(GB/T15589—1995)，4-2、4-3煤镜质组与惰质组含量之和均大于95%，两层煤均为微镜惰煤。

（3）变质阶段。

区内4-2、4-3煤的镜煤最大反射率（R0,max）在0.475%~0.480%，变质阶段为烟煤Ⅰ阶段。

区内地质构造简单，无岩浆岩侵入，因此，煤变质的主要因素是区域变质作用。

（4）煤的物理性质。

井田各煤层视密度(ARD)在1.31~1.32g/cm3，真密度(TRD)在1.44~1.46 g/cm3，块体密度在1.32~1.36g/cm3；煤层孔隙率在10.78~13.69%，含水率在8.97~10.74%，吸水率在6.58~7.09%（表3）。

表3 煤的物理性质统计Table 3 Coal physical properties statistics table

3.2 煤的化学性质

3.2.1 工业分析

各煤层原煤水分（Mad）在3.24%～17.40%，其中4-2煤原煤水分平均值为8.34%；4-3煤原煤水分平均值为7.92%；5-2煤原煤水分平均值为9.46%，3层煤的水分平均值小于20%（表4），为中低水分煤。

表4 工业分析成果统计Table 4 Statistics of industrial analysis results

各煤层煤层原煤灰分（Ad）在2.43%~42.26%，其中4-2煤原煤灰分平均值为9.81%，4-3煤原煤灰分平均值为10.00%，5-2煤原煤灰分平均值为8.43%，为特低灰分煤。

各煤层原煤挥发分值（Vdaf）在27.40%~43.80%，其中4-2煤原煤挥发分平均值为36.78%，4-3煤原煤挥发分平均值为35.55%，5-2煤原煤挥发分平均值为35.18%，为中高挥发分煤。

各煤全硫（St,d）含量为0.23%～0.33%，三层煤原煤均为特低硫煤。原煤中硫以有机硫（So）和硫化物硫（Sp）为主，硫酸盐硫（Ss）含量较低。浮煤中硫主要以有机硫(So)形态存在，其次为硫化物硫(Sp)，硫酸盐硫(Ss)含量甚微（表5）。

表5 各硫测试成果Table 5 Sulphur test results

3.2.2 元素分析

各煤层碳、氢、氧元素含量均较高且变化稳定，但氮含量较低；其中碳含量（Cdaf）为80.95%～81.93%；氢含量(Hdaf)平均值为4.23%～4.76%；氧含量（Odaf）平均值为12.06%～12.85%；氮(Ndaf)为1.01%～1.11%。

3.2.3 常量元素

煤中无机矿物质经高温灼烧均变为金属和非金属的氧化物及盐类。根据化验分析，研究区煤层煤灰成分主要是SiO2、Al2O3，其次为CaO、Fe2O3、SO3等。三煤层煤灰成分中SiO2的含量最高，平均值为53.5%，其次Al2O3含量，平均值为15.21%，TiO2含量平均值为0.83%；Fe2O3含量平均值分别为7.23%，氧化钙（CaO）含量平均值为12.18%,氧化镁（MgO）含量平均值为0.81%，煤灰成分以酸性氧化物(SiO2+Al2O3)含量为主（68.71%），碱性氧化物（Fe2O3+CaO+MgO）含量较低（20.23%），通过灰分常量元素氧化物组成，可以间接地研究古湖泊的氧化还原条件、古气候和含盐度等（表6、图1）。

图1 4-2、4-3、5-3煤层煤灰成分含量Fig.1 Ash content of 4-2,4-3,5-3 coal seams

表6 煤灰成分试验成果Table 6 Coal ash composition test results table

4 古成煤环境分析

煤是由植物遗体堆积埋藏后经成煤作用转变而成，煤的形成需要一个还原环境，能较好地保留了原始沉积环境信息，利用煤的显微组分、常量元素等，可开展地球化学追踪和沉积时古气候、古盐度、覆水条件等的分析，为古地理环境恢复提供依据。

4.1 碳氮比（C/N）

Cernusak等通过对近代裸子植物的C/N比值的研究，发现裸子植物的C/N值(64.7%)高于被子植物的C/N值(49.6%)。

煤样具有高碳、低氮、贫氢的特点，其中C/N比值为72.89%～78.03%，H/C比值为0.06，C/N比值高、H/C比值低，说明4-2、4-3煤古沉积环境为湿润气候，成煤植物以裸子植物为主。

4.2 镜惰比(V/I)

煤显微组分镜质组、惰质组含量及镜惰比(V/I)与泥炭沉积时的温度、湿度关系密切。在温暖、潮湿的还原环境下，凝胶化作用占优势中，镜质组含量增加；在高温、干燥的氧化环境下，丝炭化作用占优势，惰质组含量增加。

其中镜惰比(V/I)是良好的成煤环境判断指标，镜惰比(V/I)可直观地反映成煤沼泽水位变化区块；V/I值高，表明为覆水深、强还原环境的泥炭沼泽；V/I值低，表明为覆水低、弱还原环境的泥炭沼泽。一般认为，V/I＜0.25反映干燥环境，0.25＜V/I＜1反映潮湿—弱覆水环境，V/I为1～4为极潮湿环境，V/I＞4为强覆水环境；研究区煤层的V/I为0.75~0.83，V/I值较低，表示泥炭沼泽为潮湿气候，弱覆水环境。

4.3 化学风化指数CIA

不同环境条件下化学风化作用强度不同，随着化学风化的进行，不稳定的氧化物（CaO+Na2O+K2O）逐渐减少（长石被风化），稳定氧化物（Al2O3）逐渐增加（黏土矿物的形成），利用化学风化指数（Chemical Alternation Index，CIA）来表征源区化学风化强度。

CIA表示长石矿物向黏土矿物转化的程度，能很好地反映物源区化学风化的情况，可作为判别硅酸盐矿物风化程度的良好指标，CIA与风化作用强度成正比，CIA＜65，说明当时处于寒冷干燥的气候，指示低等化学风化强度。

各煤层CIA为47.08%~63.79%，平均值为56.19%，表示母岩来自气候相对干燥弱风化物源区（表7）。

表7 煤灰中常量元素比值和指标Table 7 Ratio and index of major elements in coal ash

4.4 灰分指数K

煤灰中氧化物可反映成煤沼泽环境的地球化学特征及古地理环境，湖泊中的SiO2、Al2O3主要来源于陆源河流及尘土的碎屑，CaO、MgO主要来自陆源碳酸盐岩和湖泊内生沉淀，Fe主要是由陆地搬运而来的，还原环境中铁以Fe2+的形式，咸水的沉积环境有助于将Fe2+从溶解相移除，变为固体相沉淀下来存在泥岩中。在低位沼泽的弱还原环境中，灰分以SiO2、Al2O3为主，在高位沼泽的强还原环境中，Fe2O3、CaO、MgO含量较高。煤的灰分指数与还原性成反比，煤的灰分指数越低，还原性越强。灰分指数K由下式计算。

灰分指数K值较低，平均值为3.71，表明煤层成煤期处于高位泥炭沼泽环境，指示为缺氧的还原环境，为较有利的成煤环境。

4.5 m、n值

岩石中Mg、Al、Fe等金属元素含量与沉积环境关系密切，实验发现，镁为亲水性元素，铝为亲陆性元素，镁、铝元素含量与古盐度相关，用m公式可辨别海陆相沉积环境：

当m＜1时为淡水环境，1＜m＜10时为半咸水环境，m＞10时为咸水环境。

岩石的组分发生迁移主要是通过水体溶液来实现，水体中K、Na、Ca、Fe2+等元素离子活性较强，容易被有机质、伊利石、黏土等吸附沉积下来，在碱性环境中，K、Na、Ca、Fe2+含量与水体介质盐度成正比关系。因此，根据Ca、Fe2+等元素含量可以大体判断古盐度；研究表明，Ca/Fe2+比值为反映古盐度的敏感指标，用n公式可判别古盐度。

当n＜0.2时为低盐度，0.2＜n＜0.5时为中盐度，n＞0.5时为高盐度。

研究区m值为4.78～6.5，平均5.35，整体上属半咸水环境；n值为0.61～0.65，平均为0.63，反映湖水蒸发量较大，古盐度较高。

4.6 c值

潮湿气候条件下，沉积岩中Fe、Mn、Cr、V、Ni和Co元素含量相对富集，而Ca、Mg、K、Na、Sr和Ba元素容易在干旱气候条富集，因此，C值=(Fe+Mn+Cr+V+Co+Ni)/(Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na)可用于表征气候变化。当C值介于0～0.2时，指示干旱气候，0.2～0.4时为半干旱气候，0.4～0.6为半湿润气候，大于0.8时则指示湿润气候。煤层的C值为0.49～0.60，均值0.55，指示半湿润气候。

4.7 CaO/(MgO×Al2O3)和MgO/CaO比值

CaO/(MgO×Al2O3)和MgO/CaO对气候的变化也具有指示意义，高值对应干热气候,低值指示潮湿气候。

该研究的数据分析表明，样品的CaO/(MgO×Al2O3)值为0.75~1.61，平均1.03，Mg/Ca值 为0.04～0.09，平均0.07，反映延安组沉积时期为潮湿气候。

5 古成煤环境演化

鄂尔多斯盆地是在漫长的地质构造事件中发展演变而形成的内陆坳陷盆地，它的根基是由华北深变质岩系构成的结晶基底，在此基础上经历了前寒武纪基底发育阶段及早古生代拗拉槽形成发展和升降运动，进入中生代在滨太平洋构造域和特提斯构造域的共同影响下形成的大型内陆坳陷盆地。盆地内构造简单，岩层近水平，总体为一向西倾伏的单斜地质体。坳陷盆地在陆源供给和补偿充分的情况下，发育了巨厚的内陆碎屑沉积。

大柳塔矿区位于鄂尔多斯盆地东北部，在燕山运动控制的陆内坳陷的形成与发展过程中，适当的古气候条件，使盆地内产生大量植物残骸为有机沉积作用提供了物质基础，大地构造背景作用下的构造转折期为植物残骸的搬运和沉积创造了条件。因此，古气候和构造转折期的有机匹配是决定有机质沉积作用的主要因素，有机沉积作用强度决定了能否成煤及煤层的质量。

研究区内主要含煤岩系为延安组。延安组主要为一套河湖过渡的灰色一深灰色含煤碎屑岩建造，含有可采煤5层，煤层形态简单，层位稳定，分布面广，煤层的形成及聚煤特征与当时沉积环境有十分密切的关系。大柳塔矿区延安组组成煤植物以裸子植物为主,古环境为温暖湿润气候，4-2、4-3煤主要形成于三角洲平原沉积环境中的泥炭沼泽和湖泊沉积环境（图3），水体为半咸水相的淡水环境，还原性较强，煤层顶、底板多为多期分流河道、分流涧湾、洪积平原等沉积微相，形成粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩的叠置组合体。

图2 大柳塔矿区延安组沉积环境分布Fig.2 Sedimentary environment distribution of Yan'an Formation in Daliuta mining area

6 结 论

（1）大柳塔矿区延安组4-2、4-3煤水分、灰分含量较低，为特低灰煤，挥发分含量较高，属于中挥发分烟煤，煤中硫含量较低，属于特低硫煤；镜质组反射率平均为0.475～0.480%，变质阶段为烟煤Ⅰ阶段。

（2）4-2、4-3、5-2煤灰成分特征具有相似性，煤灰成分主要是SiO2、Al2O3，其次为CaO、Fe2O3、SO3等，其他氧化物含量相对较低。

（3）研究区煤层化学风化指数（CIA)平均值为56.19%，表示物源区经历初等强度的风化作用；煤灰成分中酸性氧化物(SiO2+Al2O3)含量为68.71%，碱性氧化物（Fe2O3+CaO+MgO）含量为20.23%，K值较低（3.71），表明煤层成煤期整体为覆水较深的泥炭沼泽环境，还原性较强，为较有利的成煤环境。

（4）研究区煤样具有高碳、低氮、贫氢的特点，C/N、H/O比值指示4-2、4-3煤古沉积环境为湿润气候，成煤植物以裸子植物为主。

（5）研究认为研究区延安组组沉积期间伴随着陆源碎屑物的不断输入，利用煤灰常量元素含量和比值等辨别延安组煤系地层主要发育湖泊三角洲沉积体系，古气候湿润，古水体较为稳定，为半咸水相的淡水环境，沉积条件较为稳定，沉积环境为有利于煤炭的聚集和演化。