矿区含煤岩系环境研究

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太原组可分为3段(图2):①下段(K2砂岩～11号煤)存在3个旋回，发育有砂岩、暗色泥岩和11号煤，沉积了块状层理、交错层理、波状层理和水平层理等，砂岩成分以石英、长石为主，颗粒磨圆度较高，含黄铁矿结核;泥岩中见生物扰动构造，含大量植物炭化体，局部发育小规模灰岩，见海相动物化石(海百合、蜓、腕足等);②中段(11～9号煤)底部沉积厚层砂岩，中上部煤层发育，9号煤夹矸0～8层，发育有块状层理、斜层理、水平层理等;③上段(9号煤～K3砂岩)下部发育厚层砂岩，上部发育厚层泥岩。太原组中、下段显示障壁泻湖潮坪沉积特征，上段受到陆源物质的影响明显，属浅水三角洲环境［2－5］。

山西组山西组为一套以河湖相为主的含煤岩系，其岩石组成:砂岩及粉砂岩占43.09%～80.83%，泥质岩占2.69%～29.17%，不含石灰岩，煤占0～11.88%。山西组可分为2段(图2):①下段(K3砂岩—3号煤)由浅灰色石英砂岩、深灰色粉砂岩，砂质泥岩和3号煤组成，发育有交错层理、水平层理、斜层理和块状层理;②上段由灰褐色砂岩、砂质泥岩夹薄煤层组成，其特征显示出河流湖泊沉积特点。

沉积体系特征

障壁海岸沉积体系主要发育在太原组中下段，沉积相类型包括障壁岛相、潮坪相、泻湖相、沼泽相等。1)障壁岛相。发育于太原组下段，岩性以中、细粒石英砂岩为主，局部含砾石，受海浪冲刷和簸选作用，砂岩分选好，成熟度较高，发育有楔形交错层理，大型板状交错层理和波状层理等。粒度曲线呈多段式(图3)，跳跃、牵引总体含量较高，悬移总体含量很少。平均粒度Mz=3.42，标准偏差σi=0.71，偏度Sk=0.056，峰度Kg=1.03，根据萨胡(Sahu.B.K.)环境判别公式计算出判别值为－3.67，属于障壁岛向海侧海滩砂［6］。伽马曲线和电阻率曲线呈钟形、箱形及短锯齿状，反映沉积时受潮汐和波浪作用影响明显［7－9］。发育有潮道、障壁砂坝、海滩沙丘等微相，局部砂坝决口发育有冲越扇。2)泻湖相。主要发育在太原组下段、中段，岩性由灰色、深灰色粉砂质泥岩及钙质粉砂岩组成，边缘泥炭沼泽发育，化石属种单调，含腕足、腹足类及植物化石碎片，生物扰动构造发育，代表了正常海水介质条件的沉积;沉积物见水平纹理和波状层理，反映低坡度、浅水、潮汐作用为主的水动力条件，以发育菱铁质结核或条带为特征，岩心中见新鲜的细粒黄铁矿，介质沉积环境还原为主。粒度曲线以跳跃为主，牵引总体缺失，悬移总体含量较少(图3)。电阻率曲线平直或低幅微齿化，伽马曲线小幅波动，略有起伏，9号煤发育过程中受到陆源碎屑影响明显，夹矸层数较多，伽马曲线波动频繁，高幅窄频峰值连续发育。3)潮坪相。分布在障壁岛岛后及泻湖周围地带，包括泥坪相、混合坪相和砂坪相等沉积微相。沉积细粒砂岩、粉砂岩和泥岩等，受潮流簸选，颗粒分选较好，常见波状层理，交错层理等。粒度曲线表现为多段式(图3)，以跳跃和牵引总体为主，一般有2个次总体，悬移总体很少。电阻率曲线和自然伽马曲线幅值较小，曲线光滑，呈箱型或平缓变化的微锯齿状，煤层或砂岩发育时，曲线幅度增大，曲线呈长锯齿状，反映水动力条件周期性变化。4)沼泽相。沼泽相主要发育在泻湖边缘，泥炭坪随海退可进一步发展为沼泽，此外浅水三角洲体系和河流湖泊体系内都有发育，岩性以黑色、灰色泥岩和砂质泥岩为主，植物发育繁盛时沉积成煤。

浅水三角洲沉积体系发育在太原组中、上段及山西组下段部分，沉积时极浅的陆表海环境使三角洲前缘发育规模较小，显示出浅水三角洲典型特征，发育有三角洲平原，三角洲前缘等沉积相［10］。1)三角洲前缘相。分布局限，岩性以灰黑色粉砂岩和灰白色中细粒砂岩为主，磨圆中等，分选较差，砂体厚度大，内部见多个冲刷面，具大型板状交错层理和块状层理。测井曲线波动频繁，一般在潮道沉积底界突变，向上幅度逐渐减小，顶部渐变。2)三角洲平原相。发育有分流河道、分流间湾、泛滥平原、决口扇、泥炭沼泽等亚相。分流河道沉积中细粒砂岩，底部含砾，分选较差，具板状、槽状交错层理，正粒序。分流间湾以灰色、深灰色粉砂质泥岩为主，岩心中见大量菱铁矿结核和蠕虫状黄铁矿，具水平层理、波状层理及生物扰动构造。决口扇为中细粒砂岩和粉砂岩，分选磨圆较差，具板状交错层理和逆粒序;泛滥平原主要是泥岩和粉砂岩，具水平层理和透镜状层理，含丰富植物化石;泥炭沼泽在本区形成煤层。测井曲线高幅窄频变化频繁。

河流湖泊沉积体系主要发育在山西组，沉积厚层砂岩和薄层泥岩、砂质泥岩，局部含砾石。受陆源物质影响明显，沉积煤层夹矸较多，层厚较薄。1)河流相。岩性以砂岩为主，夹薄层泥岩、粉砂岩，发育有板状层理、楔状层理、斜层理和块状层理。垂向上发育典型的正粒序(图2)，发育有边滩、河漫滩、河床滞留等沉积微相。分流明显，间湾发育，沉积了不连续煤层。粒度曲线多为二段式、三段式。例如K3砂岩(图4)粒度曲线三段式，百分含量曲线双峰态，标准偏差σi=0.41，分选较差;频率曲线偏度Sk=0.048，正偏;峰度Kg=1.28，为典型河流沉积，电阻率曲线多表现为钟形，少数为漏斗形。2)湖泊相。规模不大，水体较浅，边缘沼泽发育，沉积了较厚砂岩、砂泥岩和泥岩，洪涛山剖面内发现较大云母片，发育有水平层理、交错层理、微波状层理等。可见生物潜穴，富含植物炭化体。

煤层展布特征

由于沉积环境差异性，不同沉积期形成的煤层展布规律各异，太原组中下段属于障壁泻湖潮坪环境，该时期海侵作用强烈，持续时间长，潮坪广布，形成了发育连续稳定的11号、9号煤，11号煤形成于海退末期，海水自西北向东南逐步退却，西部、北部潮坪、泻湖广布，因此11号煤整体上西部偏厚东部偏薄、北部偏厚南部偏薄;受海侵影响9号煤在矿区南东部分叉出8号煤，使得9号煤整体上呈现西部偏薄东部偏厚的局面;6号煤、4号煤形成水下分流间湾，沼泽环境，受河流作用影响，其砂体展布呈鸟足状，形成的6号煤、4号煤不连续，仅在局部发育;山西组3－1煤、3－2煤形成于分流间湾、湖岸沼泽环境，在研究区发育规模较小，仅个别矿区有所发育。表1为金海洋矿区276个钻孔中所见煤层统计信息，部分钻孔未钻遇按零值处理。此外，元素分析结果也表明，太原组煤层形成时受海水影响比山西组显著，V、Mn、U、P等微量元素在太原组煤中总体含量比山西组煤高，常量元素Fe、S含量在太原组煤中也高于山西组煤。就太原组而言，U、V、Fe等表现出从北到南逐渐增加，这与沉积相的分异特征吻合。

结论

1)金海洋矿区含煤岩系主要为石炭系太原组和二叠系山西组，发育有障壁海岸沉积体系、浅水三角洲沉积体系和河流湖泊沉积体系，主要沉积相包括障壁岛、泻湖、潮坪、沼泽、三角洲、河流、湖泊等。2)成煤期间发生多次海侵旋回，主要煤层形成于海退末期，成煤条件较好，煤层夹矸较多，反映了成煤期环境变化较为频繁。3)矿区可见8层煤，11号，9号煤层发育稳定连续，其他煤层局部发育。由于海侵作用影响，9号煤在矿区南东部分叉形成8号煤层，6号、4号形成时受三角洲分布控制，发育不连续。4)金海洋矿区沉积相南北分异，东西展布，主要煤层发育与沉积相对应。受沉积环境分异影响，研究区煤层厚度西部、北部较大，发育稳定，东部、南部较薄，分叉尖灭，此外整个区域厚煤带和薄煤带条带分布，有煤带及无煤带相间排列。

作者：张海涛朱炎铭王义海蔡图王怀勐张建胜单位：中国矿业大学资源与地球科学学院