大同煤田白洞矿区5号煤层煤相特征 .pdf

第 23 卷 5 期 2011 年 5 月 中国煤炭地质 C 0 AL GE 0 L 0 GY 0F C HIN A V o1 23 N o 0 5 M ay 20 11 doi 10 39696 i ssn 1674 1803 201 1 05 01 文章编号 1674 1803 20 11 05 0001 04 大 同煤 田白洞矿区 5 号煤层煤相特征 刘东娜 周安朝 马美玲 太原理工大学 山西 太原030024 摘要 采用光学 显微 镜 X 射 线荧光光谱 X FS 和电感耦 合等离子体质谱 ICP M S 等方 法测定 了大 同煤 田塔山井 田太 原组 5 号煤 的宏观煤岩类型 显微煤岩类型和地球化学参数 探讨 了煤 的煤 岩学 煤地球化学及煤相特征 系统 地分析 了煤层 的原始成煤泥炭沼泽环境及演化规律 研究结果表明 5 号煤层有 4 种煤 相类 型 即湖沼相 泥炭沼泽 相 潮湿森林沼泽相和较干燥 森林 沼泽 相 相应表现为湖泊 障壁 岛后渴湖 上三 角洲平 原和洪泛盆地含煤沉积体系 特征 煤层 自下而上存在 5 次 比较明显的沉积旋 回韵律 与之相随 的水介质环境也发生了相应的海陆 咸水 淡水交 替变化 从而形成 了一套 以陆相 为主 海 陆交互 的成 煤泥炭沼泽环 境 沉 积环境逐渐从 海相 海 陆过渡相 向陆相演 化 关键词 5 号煤层 白洞矿区 煤相特征 煤岩学 煤地球化学 中图分类号 P618 11 文献标 识码 A C oal F aci es C h aracteri sti cs of N o 5 C oal S eam i n B ai d on g Mi ne A rea D aton g C oa l fi el d Li u D ongn a Zh ou A n chao and M a M ei l i ng Tai yuan U ni versi ty of Technol ogy Tai yuan Shanxi 030024 A bstract M ethods of opti cal m i croscope X ray fl uorescence spectrom etry x FS and i nducti vel y coupl ed pl asm a m ass spectrom etry ICP M S have been used to determ i ne m acrol i thotype and m i crol i thotype of coal geochem i cal param eters of the N o 5 coal seam i n the T ai yu an Form ati on T ashan m i nefi el d D ato ng coal fi el d co al p etrol ogy geoche m i cal and coal faci es c haracteri sti cs d i scussed and coal seam pri m ary coal form i ng peat bog envi ronm ent and evol uti onary pattern system ati cal l y ana zed as wel 1 The resul ts have d em on strated th at N o 5 coal seam has fou r faci es typ es n am el y l i m n eti c faci es peat bo g fac i es hu m i d an d rath er dry forest sw am p faci es correspon di ngl y sh ow n as l acus back b arri er l agoon u pp er d el ta p l ai n and fl ood b asi n coal b eari n g sy ste m s characteristi cs F rom bos om to top c oal seam s sh ow 5 d i sti nct sedi m entary cycl i c rh yth m s corre spon di ngl y en vi ron m ent aqu eou s m edi a vary fro m ocea ni c con ti n ental b ri n e fresh w ater al tern ati vel y A ccord i n gl y a set of m ai n l y terrestri al and transi ti onal m ari n e to l i m n i c faci es coal formi ng p eat b og envi ronm en t formed and gradu al l y evol ved from m arine m ari n e l i m ni c to terrestri al faci es K ey w o rd s N o 5 coa l seam B ai don g m i ne area coal faci es characteri sti cs coal p etrol ogy coa l geochem i stry 0引言 煤相又称煤的沉积相 是指在某一成煤沼泽中 所形成的煤的原始成 因类型 煤相分析就是根据对 煤的岩石学 成煤植物及煤的地球化学等特征的研 究 确定所研究煤层的成煤泥炭沼泽类型及其演化 规律 煤相研究不仅在煤 的成 因等基础理论方面意 义重大 在煤质预测 煤层对 比以及油气地质等领域 也具 有 广 阔的应 用前 景f11 欧美等西方 国家对 于煤相 的研究 系统深入 起 步较早 2 51 相对而言 我国作为煤炭储量大 国 各煤 田的煤相研究工作起步晚 涉及的研究 区域和对象 作者简介 刘东娜 1982一 女 内蒙古赤峰人 助教 博 士 主要 从事 煤 田地 质研究 收稿 日期 20 11 04 09 责 任编辑 唐 锦秀 比较散乱嘲 具体到大同煤 田 以往 的研究重点也都 集中在侏罗纪含煤岩系 为此 本文选择大同煤 田 塔山井 田白洞矿区石炭系太原组 5 号煤为研究对 象 分析了该煤层 的煤岩学 煤地球化学和煤相特 征 旨在探讨该煤层的原始成煤泥炭沼泽环境及演 化规律 并提出相应的研究模式 1样品采集及实验 塔山井 田位于大同煤 田中东部边缘地带 井 田 内赋存有侏罗系和石炭一 二叠系两个煤系 太原组 5 号煤为石炭一二叠 系煤系的 巨厚煤层 平均厚度 9 33m 8J 含煤岩系属三角洲平原相的泛滥盆地沉积 本次研究的煤层样品 均按从上到下的顺序逐 层刻槽采取 并采集 了煤层中的夹矸 采用油浸偏光 显微镜 1Ox5O 定了宏观煤岩特征和显微煤岩特 征 并利用 X 射线衍射法 X RD 检测 了煤 中矿物 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 5 期 刘东娜 等 大同煤田白洞矿区 5 号煤层煤相特征 3 注 T一 结构镜质体 C一 无结构镜质体 Vd一 碎 屑镜质体 F一 丝质体 Sf一 半丝质体 Fu一真菌体 M a一 粗粒 体 M i 一 微粒体 Id一 碎屑惰质体 Sp一 孢 粉 体 Cu一 角质体 Re一 树脂体 Ba一 树皮体 Cl ay一 粘土矿物 CM 碳酸盐矿物 P一 黄铁矿 OM 其他矿物 包括石英 金红石和褐铁矿 洪水影响 因成煤植物主要以蕨类植物石松纲鳞木 目为主 孢子异形 故孢子体便成为该煤层中壳质 组中的主要显微组分 实验结果和成煤期的主要植 物类型特征是相吻合 的 2 1 3 镜质 组反 射 率 经测定 5 号煤镜质组反射率测定为 0 79 属 中变质程度烟煤 2 2 煤 相特 征 TPI Ti ssue Preservati on Index 一G fGe1i fi cati 0n Index 概念最早 由 D essel 提出并改进 5 111 结构保存 指数 是镜质组和惰性组组分 中结构显微组分 和无 结构 显微 组 分 的 比值 它反 映 了泥炭 沼泽 中植 物体遭受搬运及氧化作用 的程度 删 值 高表明其 含有大量保存较好的植物组织 形成于干燥氧化或 极端潮湿条件下的煤 唧值均低 凝胶化指数 G 是凝胶化物质和非凝胶化物质 的比值 指示沼泽的 相对湿度和氧化程度 G 值小表示 相对干燥 G 值 大表示泥炭沼泽相对潮湿l 1 在 D i essel 的原始相图 中 不 同的 G 和 唧 值指示 了八种不 同的沉积环 境 湖沼 淡水芦苇沼泽 芦苇沼泽 低位 沼泽 湿地 沼泽 泥炭沼泽 潮湿森林沼泽 干燥森林沼泽和陆 地 图 2 为 5 号煤的基于显微组分分析 的结构保存 籁 靼 餐 0 1 2 3 4 结构保 存指数 rpx 图 2 P 一 6 相 图 F i gu re 2 TP I G I F aci es D i agram 指数 TPI 一 凝胶化指数 GI 相图 其 中 G 镜质 体 粗粒体 半丝质体 丝质体 碎屑惰性体 TPI 结构镜质体 半丝质体 丝质体 碎屑镜质体十 粗 粒 体 碎 屑 惰 性 体 5 号煤 层 为 高 G 群 体 0 84 值较分散 植物结构保存程度不一 根据 相图 可以将 5 号煤的煤相分为 4 种类型 即湖沼 相 泥炭沼泽相 潮湿森林沼泽相 较干燥森林沼泽 相 其中较干燥森林沼泽相和湖沼相为该煤层的主 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 4 中 国 煤 炭 地质 第23卷 体煤相 在沼泽演化过程中 占有主导地位 较干燥 森林 沼泽相一I 6 个分层 18 17 15 12 G 值 0 84 2 26 删值为 3 4 4 75 植物结构保 存程度好 基本上成煤初期的分层都集 中在该相 内 由于其超出了 D i ssel 的原始相图结构 笔者根据成 煤环境分析 将其确定为洪泛盆地沉积体系的较干 燥森林沼泽相 潮 湿森林 沼 泽相一 3 个 分 层 6 10 l 1 G1 值 1 5 2 7 唧值为 1 27 1 44 植物结构保存程度 较好 属上三角洲平原沉积体系 泥炭 沼泽相 一 4 个 分层 7 9 4 16 G I 值 1 85 4 02 值为 0 75 1 04 植物结构保存程度较 差 属障壁岛后漏湖沉积体系 湖沼相一 5 个分层 1 2 3 8 19 和夹矸层 5 G 值为 2 93 11 33 值为 0 09 0 36 植物结 构保存程度差 属湖泊沉积体系 根据结构保存指数的变化 可将整个煤层从下 而上划分出 5 次比较明显的沉积旋 回韵律 旋回 1 过渡一 跳跃式 分层 18 l 7一 l 6 煤相特征从 I 相 跳跃到 相 沉积体系特征也由洪泛盆地直接演变 到障壁岛后溻湖环境 旋 回 2 稳定式 分层 15 14 为 I 相体系内微弱变动 旋 回 3 过渡式 分层 13 12 l 1 1O一9 8 其煤相变化最为频繁 由 I 一 一 一 沉积体系特征由洪泛盆地逐渐演变到上 三角洲平原 障壁 岛后 湖泊环境 旋 回 4 过渡一 跳 跃式 分层 7 6 5 的 一 一 相变 沉积体系 特征先是 由障壁岛后过渡到上三角洲平原 然后又 跳跃 回湖泊环境 旋 回 5 过渡式 分 层 4 3 2 1 的 一 相变 即由障壁岛后过渡为湖泊环境 泥炭 沼泽发育及泥炭沼泽类型的过渡一 跳跃式演化反映 了当时比较动荡的沼泽环境 即在成煤过程中不只 是受到来 自内陆方面的单因素影响 2 3 煤地球化学特征 不同的泥炭沼泽环境形成不 同的煤相 具有不 同的地球化学特征 煤灰成分 中 Si O A 120 C aO M gO 等氧化物的含量及相互 消长关 系可用来鉴定 煤相 灰成分 中 C a0 M gO Fe20 3 Si O 2 A 120 3 比值 可作为海水对泥炭影响的评价指标 受海水影响的 泥炭沼泽 中其 中其值比较大 此外煤 中微量元素 St Ba 的比值也可以反映其形成环境中介质的盐度 从 而推断成煤环境是否受海水影响 由于判定沉积环 境的元素指标数值具有地区差异 3 J41 笔者根据 5 号 煤中 sr B a 元素的测试分析 并结合 已有的岩相资 料 认 为研究 区 内fCaO M gO Fe203 si o 2 A 120 3 为 0 23 可以作为海陆相分界值 Sr Ba 比为 0 6 可 以作 为成水淡水分界值 硫含量 S 和磷含量 P 0 可以作 为辅助依据 5 号煤 的地球化学参数统计结果显示 表 2 共 有 9 个分层的灰成分 比大于 0 23 即成煤时沼泽环 境受到海水影响 其 中 7 个分层的 Sr Ba 大于 0 6 沼泽水介质环境为半咸水一 咸水 受海水影 响的分 层 中 Js 含量均大于 0 45 P 含量均大于 0 03 明 显未受海水影响而呈现高 P 值 的 1 2 3 5 14 分层 中由于矿物含量大于 25 影响了以高 P 作为判断 海相的依据 所以只能将 P 含量看作辅助参数 综 合沉积旋 回特征 表明该煤层在其形成过程中不断 受到海 陆两方面的影响 从而形成 了一套以陆相为 主 海陆交互的成煤沼泽环境 表 2 5 号煤地球化学参数统计 T ab l e 2 G eo chem i cal param eters sta ti sti cs of N o 5 coal seam 沉积旋 回韵律在受海水影响和水介质环境方面 的旋 回对应为 旋 回 1 对应 的水介质环境为海淡一 海咸一 陆淡 旋 回 2 海咸 陆淡 旋 回 3 海咸一 海 咸一 海咸一海淡一陆淡一 陆淡 旋回 4 海咸一 陆 淡 陆淡 旋 回 5 海咸一 陆淡一陆淡一陆淡 可以 看到 每次旋回的水介质环境均以海相咸水 除旋回 1 外 为起点 再逐渐 向陆相淡水演化 体现在沉积 环境上则为海相 海陆过渡相逐渐 向陆相变化即浅 海 滨海 河湖环境的变化 正是这种陆相为主 海陆 不断交替 的水介质环境导致了泥炭沼泽环境频繁发 生过渡跳跃式演化 下转第 52 页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 5 2 中 国 煤 炭 地 质 第23卷 4结论与讨论 突出煤层与非突出煤层在煤体结构 物性特 征和力学性质等方面 存在着明显的差异 利用地震 资料圈定煤与瓦斯突出区域具有一定 的理论基础 基 于双相介质理论 的地震正演模拟结果表 明 煤与瓦斯突出部位煤层地震反射波的传播时间 能量和频率特征 与正常煤层存在明显差异 通过对以往突出煤层的地面地震实际资料分 析 发现突出煤层地震资料上表现出地震波至时问 加长 振 幅减弱 频率降低等特征 这与地震波场正 演模拟结果是一致的 综上所述 综合利用地震资料 圈定煤与瓦斯突 出区域在理论上是可行的 结合正演模拟结果与实 际资料分析认为 地震反射波的履行时间 振幅和频 率变化 以及杂散反射的出现等特征 可以作为利用 地面地震资料确定煤与瓦斯突出区域的地震判识标 志 但在进行实际应用时还应对地震资料进行保真 处理 在解释时还需与实际资料和钻井资料相结合 以减少 地 震解 释 的多解性 参考 文献 1 杨陆武 彭立 世 以煤体结构 为基础 的煤与瓦斯 突出简化力 学模 型 J1 焦作工学院学报 1997 16 2 57 62 2 郭 德勇 韩德馨 王新义 煤与瓦斯 突出的构造物理 环境 及其应用 北京科技 大学学报 2002 24 6 581 587 3 孟 庆生 何樵登 朱建伟 等 基于 BISQ 模 型双相 各向同性介质中 地震波数值模拟 J1 吉林大学学报 2003 33 2 217 221 4 张会 星 何 兵寿 宁书年 双相介质 中纵波方 程的高阶有 限差分法 J 物探与化探 2004 28 4 307 309 5 张许 良 彭苏 萍 杨瑞昭 等 瓦斯突 出危 险带的三 维地震探测 技 术 J 煤 炭科学技术 2003 31 12 12 15 6 杨双安 宁书年 张会星 基于双相介质理论 的煤层 甲烷预测技术 J1 煤炭学报 200 5 30 增 66 69 7 杨 双安 宁书年 张会 星 等 三 维地 震勘探技 术预测 瓦斯的可行 性研究 J 煤 田地质与勘探 2006 34 3 72 75 上接第 4 页 3结论 5 号煤层宏观煤岩类 型中无光亮煤 出现 由 底部至顶部总体上存在 由半亮煤逐渐 向半暗煤 暗 淡煤 的变化 且镜质组质量分数呈逐渐减少 惰质组 质量分数和矿物含量呈逐渐增多趋势 煤层包括 4 种类型煤相 即湖沼相 泥炭沼泽 相 潮湿森林沼泽相 较干燥森林 沼泽相 其 中较干 燥森林沼泽相和湖沼相为该煤层 的主体煤相 在沼 泽演化过程中占有主导地位 煤层从下而上存在 5 次 比较明显的沉积旋回 韵律 与之相随的水介质环境也相应的发生海陆 咸 水淡水交替变化 从而形成了一套 以陆相为主 海陆 交互的成煤沼泽环境 含煤沉积体系包括洪泛盆地 上三角洲平原 障壁岛后溻湖 湖泊及 冲积平原 参 考文 献 1 韩德馨 任德 贻 王延 斌 中国煤岩学 M 江苏 徐 州 中国矿业 大学 出版社 1996 2 Kalkreuth W D Coal faci es studi es i n Canada j Internati onal Journal of C oal G eol ogy 2004 58 23 30 3 Janet Dehmer A short report of the i nvesti gati ons m ade on the faci es of German coal deposi ts J Intern ati onal Journ al of Coal Geol ogy 2004 5 8 4 1 5 1 4J Zu l ei ka C arretta C orre a da Si l va C oal faci es studi es i n B razi ha short revi ew Internati onal Journal of C oal G eol ogy 2004 58 1 19 12 4 5 5 D i essel C F K On the correl ati on between coal faci es and deposi ti onal envi ronm ents C H Proceedi ngs sym posi um on adv