内蒙古准格尔黑岱沟6号煤-矿床的特殊载体勃姆石富集条件

内蒙古准格尔黑岱沟6号煤-矿床的特殊载体勃姆石富集条件

研究煤炭相位可为成煤条件、成煤过程和成煤原始物质提供重要信息。它可以从堆积作用类型、植物群落、沉积环境（包括ph、细菌活动性和硫的补充）、氧化还原高度和地球化学条件等方面确定煤相及其发育特征。内蒙古准格尔黑岱沟6号主采区是世界上首次与煤共同（伴有）形成的大型煤矿。根据国家文物局2000年颁布的《矿产资源储量大分类标准》，储量大于2000吨，大于400.2000吨，小于400吨。准格尔大型采矿矿床的特殊装载能力是罕见的波姆石，属于沉积成因，沉积盆地北部浮力巨大的锡系列体铝土矿。对煤相及其特殊载体伯姆石的起源、迁移和富集的评价可为该矿床的开发提供理论依据，为类似矿床的发现和开发提供参考。1准格尔煤岩系内蒙古准格尔煤田地处鄂尔多斯盆地东北缘煤田南北长65km,东西宽26km,面积1700km2,它是鄂尔多斯盆地中煤层最富集的地带,也是沉积相变最明显的地带,石灰岩在煤田内全部尖灭,逐渐相变为陆相碎屑岩.准格尔煤田的含煤岩系包括上石炭统本溪组、太原组和下二叠统山西组,含煤岩系总厚110～160m,之底为中奥陶统石灰岩,之上为上石盒子组、下石盒子组、石千峰组、刘家沟组等非含煤地层.矿区主采煤层6号煤位于太原组的顶部,厚度为2.7～50m,平均厚度为30m,是在近海三角洲和潮坪-堡岛沉积体系下形成的一巨厚煤层(图1).2样品的采集和组成对内蒙古准格尔黑岱沟主采6号煤层自上而下采集了7个分层刻槽样品,煤分层自上而下的编号为ZG6-1,ZG6-2,ZG6-3,ZG6-4,ZG6-5,ZG6-6和ZG6-7.样品采集的详细描述、煤层的结构和矿物组成见参考文献.其中ZG6-2～ZG6-5是矿区的主采分层,其厚度占煤层总厚度的81.9%.需要指出的是,本次样品的采集按照GB482-1995的采样规范和矿区煤层开采的实际情况进行的,对于煤层中厚度大于3cm的夹矸样品单独采集.按照GB8899-88,对主采6号煤层各分层进行了显微组分、矿物和显微煤岩类型的定量统计,有效测点数大于500个.3结果与讨论3.1煤中金红色地层结构准格尔黑岱沟6号煤层的镜质组随机反射率为0.58%,属于低煤阶烟煤(长焰煤).按照厚度权衡的方法,计算出的全层的全硫含量均值为0.73%,灰分为17.42%,属于中灰低硫煤(表1).准格尔黑岱沟6号煤层的煤岩学特征如表1所示从中可以看出,6号煤层的显微组分含量有如下特征:(1)黑岱沟主采6号煤层的各分层明显富集惰质组,而镜质组含量较低.惰质组和壳质组含量明显高于华北聚煤盆地晚石炭世太原组的煤,据王延斌的研究,华北聚煤盆地太原组煤中镜质组含量一般为60%～85%,而惰质组含量一般小于25%,壳质组含量为5%左右,而黑岱沟6号煤层中惰质组的含量均值达37.4%(表1).(2)镜质组以基质镜质体和均质镜质体为主,个别分层(如ZG6-2)富集团块状镜质体(图2(a)).(3)惰质组以半丝质体为主,其次是碎屑惰质体和丝质体,微粒体含量较高,均值为3.5%(图2(b)),微粒体主要集中在中部分层.在中部分层,菌解半丝质体含量亦较高(图2(c)).在ZG6-3分层中,有少量的分泌体(图2(d)).(4)壳质组以孢子体为主,其次是角质体.大孢子体常聚集成群(图3(a)),而小孢子体主要分布在基质镜质体中,角质体主要是厚壁角质体,有少量的薄壁角质体,角质体主要镶嵌在镜质体的边缘(图3(b)).小孢子体和角质体有被氧化的现象(图3(c)和3(d)).在ZG6-3和ZG6-3分层中,有少量的树皮体(图3(e)).(5)在矿物组成上,ZG6-1富集石英(图3(f)),ZG6-7和ZG6-6富集粘土矿物,ZG6-5～ZG6-2富集勃姆石,局部富集金红石(图4).3.2tdi与gwi-vi关系用凝胶化指数(GI)、植物组织保存指数(TPI)、地下水流动指数(GWI)和植被指数(VI)可以很好地反应泥炭聚积期间的成煤植物、沼泽介质条件和沉积环境等信息.GI主要表示泥炭沼泽的潮湿程度及其持续时间,TPI表示植物组织的降解程度和原始成煤植物中木本植物所占的比例.GWI主要用来表示地下水对泥炭沼泽的控制程度、地下水位的变化和矿物含量,而VI主要用来反映成煤植被及其保存程度等.泥炭堆积过程中潮湿条件主要通过高的GI和TPI值反映,并且高的TPI值主要通过高含量的有结构的镜质组来体现,干燥沼泽条件通过低的GI和TPI值反映,并且低的TPI值主要通过低含量的有结构的惰质组(丝质体和半丝质体)来体现;根据GI-TPI关系,可以把煤层的形成环境分为陆地、山麓沉积、干燥森林沼泽、上三角洲平原、潮湿森林沼泽、湖泊和下三角洲平原.根据GWI-VI关系,可以把沼泽古环境分为开放水体草沼、树沼和藓沼等,按照把水动力条件分为低位泥炭沼泽、中位泥炭沼泽和高位泥炭沼泽.本次研究所用的这4个参数的公式表述如下:其中GI和TPI的计算公式根据Diessel,并对TPI参数做了修正.GWI和VI的计算公式根据Calder等.根据国际煤岩学和有机岩石委员会(ICCP)对显微组分新的划分方案和定义,团块镜质体是凝胶镜质体(Gelovitrinite)中的显微组分,而凝胶镜质体是镜质组的显微组分亚组(Maceralsubgroup),凝胶镜质体并不对应于某一特定的植物组织,而属于腐殖凝胶物质;碎屑镜质体属于镜质组的显微组分亚组,主要由细小的凝胶化的植物残体组成,或单独出现或被无定形的镜质组所胶结.因此,本次计算植物组织保存指数TPI时,把团块镜质体和碎屑镜质体放于公式的分母中.以此计算出的GI,TPI,GWI和VI值如表2所示,TPI-GI和GWI-VI的关系如图5和6所示.TPI-GI关系图中沉积环境的划分根据Diessel,GWI-VI关系图中泥炭沼泽类型(如高位泥炭沼泽和低位泥炭沼泽)的划分根据Calder等.代世峰等的研究表明,该主采煤层中镓及其特殊载体勃姆石的富集部位集中在ZG6-2,ZG6-3,ZG6-4和ZG6-5分层,并且以ZG6-3,ZG6-4和ZG6-5为主.结合泥炭聚积期间的陆源供给和成煤植物等因素,镓和勃姆石富集分层相对应的泥炭沼泽的介质条件和沉积环境有如下特征:(1)在ZG6-3,ZG6-4和ZG6-5分层所对应的泥炭聚积期间,地表水有丰富的水源供给,潜水位较高陆源养分供给充分,利于成煤植物的生长和大量繁殖.该阶段陆源碎屑供给主要来自盆地北偏东方向的本溪组风化壳,以三水铝石胶体溶液为主,胶体溶液带来的其他物质亦充分,在这些分层中发现有锆石、金红石(图4)、磷锶铝石等矿物;稀土元素含量亦很高,ZG6-3分层中稀土元素的含量高达685.6µg/g.(2)孢粉分析发现,6号煤层中化石孢粉组合有15属31种,其中蕨类植物孢子14属29种,属种丰富,约占组合的94%,且以三缝孢类居多;裸子植物花粉1属2种,占组合的6%,而且仅见无缝单囊类,未见双囊类花粉.由6号煤层的孢粉组合,推测成煤植物绝大多数为蕨类植物和少量种子蕨,特别是观音座莲类植物,反映当时较湿热的气候特征.(3)湿热气候条件利于铝氢氧化物的形成.不仅煤层中的孢粉组合关系反应了当时的湿热气候条件而且根据石炭纪石灰岩氧、碳同位素值及其环境意义得出石炭纪石灰岩是在正常海相环境中形成的,太原组形成期古水温平均为29～32℃,说明当时该地区气候为炎热.对该区石炭系古地磁研究表明准格尔煤田晚石炭世的古纬度在北纬14°左右.三水铝石为氧化的开放环境的产物,这种热带湿热气候利于本溪组风化壳三水铝石的形成.三水铝石的形成为煤中镓的载体勃姆石的形成提供了物质基础.勃姆石在弱氧化至弱还原的沼泽介质中更容易形成.(4)由于地表水供给充分,带入了沼泽中充分的氧,丝炭化作用进行强烈,导致煤中惰质组含量较高有的显微组分有被明显氧化的痕迹,如角质体和小孢子体(图3(d))、树脂体和树皮体(图3(c)),树脂体遭受氧化后,可见外圈和内圈的反射色深浅不一.除了壳质组外,镜质组也留下了被氧化的痕迹,在ZG6-2中,团块状镜质体残留有氧化裂隙(图7(a)).在基质镜质体中有石膏(图7(b)),属于氧化环境的产物.6号煤层中间分层中高含量的微粒体与这些分层形成的偏氧化的环境相对应,暗示微粒体可能是次生细胞壁或细分散的腐植碎屑在泥炭化作用早期经过氧化作用形成.ZG6-3分层中存在分泌体,可能是树脂体的氧化产物(图2(d)).在显微煤岩类型上,ZG6-3～ZG6-5分层以微亮暗煤为主,说明这些分层是在干燥沉积条件下或潜水面高低交替变化使泥炭表面周期性干燥环境下形成的.(5)GI-TPI,GWI-VI以及矿物组合特征所反映出的略偏碱性的沼泽介质条件以及充足氧的供给,利于细菌的活动,部分半丝质体被细菌分解,形成菌解半丝质体,细胞结构变得模糊(图2(c)).同时,由于地表水供给充分,沼泽向潮湿方向发展,丝质体和半丝质体可以吸水膨胀后发生彭化现象,甚至演化为粗粒体,图7(c),7(d)中显示的是经过膨化后的半丝质体,图7(c)中未膨化的丝质体和图7(d)中彭化的丝质体相比,膨化的丝质体中部的反射色高,而未彭化的丝质体的反射色较为均一.同时,这些分层中高含量粗粒体的存在,亦可能是成煤母质先经历了凝胶化作用,再经历了丝炭化作用后的产物.(6)泥炭沼泽演化至ZG6-2阶段,地下水流动指数很高,水动力条件较强,植物组织保存指数很低形成了以森林沼泽沉积的微暗亮煤为主的显微煤岩类型,所形成的各种组分排列较为杂乱,表现出混杂堆积的特征(图3(e)),较为强烈的水动力条件可以使从物源区搬运来的微碳质泥岩发生再沉积作用(图8)再沉积的微碳质泥岩亦证实该聚煤盆地的物源区不远,根据中国煤田地质总局研究,物源区距泥炭沼泽约50km.(7)泥炭沼泽演化至煤层顶部分层ZG6-1,覆水加深,GI达到最大值,经充分凝胶化作用形成的基质镜质体含量很高,达到40.1%;而GWI和VI均达到最小值,整个沼泽处于下三角洲平原中,以石英为主的陆源碎屑供给加快,煤的矿化现象严重(图3(f))石英的含量高达16.4%,泥炭堆积作用显著减弱并逐渐停止.从以上分析可以看出,镓矿床中镓的富集除了充分的陆源供给以外,镓和勃姆石在泥炭沼泽中富集的最佳条件为3个过渡带:(ⅰ)从GI和TPI反映的煤相特征来看,主采6号煤层经历了由干燥森林沼泽向潮湿森林沼泽演变的过程,镓和勃姆石的富集处于潮湿森林沼泽和干燥森林沼泽的过渡阶段,但偏向于干燥森林沼泽,并处于一种弱碱性和弱氧化环境;(ⅱ)整个煤层经历了由山麓沉积、上三角洲平原到下三角洲平原的演变,镓和勃姆石的富集主体上处于过渡带的上三角洲平原沉积;(ⅲ)镓和勃姆石富集于森林密度和森林指数处于由大变小的过渡带;整个煤层演化的过程,也是植被指数减小的过程并且镓和勃姆石富集的部位集中在植被指数最大值向最小值转变的中间阶段;(ⅳ)在泥炭周期性堆积中,镓和勃姆石富集的分层居于2个高位泥炭沼泽转折处的低位泥炭沼泽.准格尔黑岱沟主采6号煤层的煤相演替特征,与中国煤田地质总局所研究的层序地层分布与煤层在层序地层格架中的充填特征相一致.6号煤层位于海侵体系域与高位体系域的转折阶段,此时海平面下降,海水已经向盆地东、西两侧后退,盆地北部隆升加剧,导致本溪组风化壳铝土矿的出露.4煤中和的特殊载体勃姆石利用的地质环境.煤(1)准格尔黑岱沟6号主采煤层的显微组分明显富集惰质组,与华北聚煤盆地煤的显微组分组成有明显差别;显微煤岩类型以微亮暗煤为主.显微组分和显微煤岩类型表明该煤层是干燥沉积条件下或潜水面高低交替变化使泥炭表面周期性干燥环境下形成的.(2)该煤层中镓及其特殊载体勃姆石的最佳富集背景是一种弱氧化的和弱碱性的介质条件,并处于山麓沉积和下三角洲平原的过渡带的