山西同煤田太原组高岭岩分布特征及成因分析

山西同煤田太原组高岭岩分布特征及成因分析

根据近年来的研究，煤炭系统地层中富含高岭岩（土壤）资源的煤炭。中国山西大同煤矿系提供丰富的高岭岩，包括“大同黑砂岩”和“黄瓜石”。这是一个非常优秀的非矿产资源，用于广泛的用途。以前,由于对高岭岩的评价与利用重视不够,大多数被作为矸石而废弃,不仅造成宝贵资源的浪费,而且造成严重的污染。随着对煤系共伴生矿产资源开发和利用的重视,进一步研究大同煤田高岭岩赋存状态、矿物岩石学等地质特征,可以为大同煤田煤系高岭岩的开发利用提供科学依据。1岩石及含煤地层大同煤田是我国重要的煤炭生产基地,煤田位于山西省北部,距大同市约20km,区内交通运输十分便利。煤田大致为一开阔的长方形向盆地斜构造,走向为北东—南西向,向北东倾伏。出露地层从老至新有太古界五台群的花岗片麻岩,寒武系的砂质、粉砂质泥岩、泥质条带灰岩、鲕状石灰岩、竹叶状石灰岩,奥陶系的石灰岩、白云质灰岩及泥质灰岩,石炭系的本溪组、太原组,二叠系的山西组、下石盒子组以及第四系的亚砂土、亚粘土和砾石层等。主要含煤地层为石炭系的太原组和二叠系的山西组。太原组主要可采煤层包括:上部的2#、3#、4#煤层,中部的5#煤层和下部的8#煤层。9#煤层为不稳定煤层,尚不可采。山西组为陆相含煤地层,由泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩组成,夹有透镜状、似层状的砂砾岩及粗砾砂岩,主要可采煤层位于山西组的下部,局部不可采。在大同煤田石炭—二叠纪地层分布区域内,只要有煤层分布,均有高岭岩发育,但高岭岩主要赋存在太原组地层中。由于各区勘探程度的不同以及各个勘探阶段对高岭岩认识程度的不同,导致对高岭岩层位识别和判断的差异很大。通过对大同煤田钻孔资料分析,将本区太原组高岭岩分布划分为5个主要层位(图1)。(1)同东南角、虎林地区该层高岭岩在平面上分布不连续,较少连接成大面积的连续分布矿体。矿层主要分布在同忻、塔山勘探区以及大同北的旧高山—燕子山—万家咀北一带。在鹅毛口和小峪勘探区也有较大面积分布。在北部有厚层矿体发育,可达5～8m,其余地区厚度一般在1～2m。自北向南厚度有变薄的趋势。其余地区仅有零星钻孔揭露。(2)大机组煤基区3#煤和5#煤是大同煤田的主要开采煤层。煤层夹矸高岭岩一般发育厚度薄,10～50cm,但层位多。主要分布在大同煤田东部勘探区。大同东北部的同忻勘探区,3#—5#煤夹矸层数多,厚度较大,累计可达1m。南部厚度分布不均匀,既有厚达1m也有小于0.5m的夹矸高岭岩。(3)山勘探区和小峪地质区5#煤底板高岭岩分布范围较小,主要局限于大同煤田东部的同忻勘探区、塔山勘探区的东部和小峪勘探区的中部。最厚地带位于北部,可达6～9m,向南逐渐变薄,一般厚度在1～3m。同忻勘探区和塔山东部矿体连在一起,自北向南呈条带状分布。小峪勘探区高岭岩矿层厚度较薄,一般为1～2m。(4)口、层序地层分布8#煤底板高岭岩比5#煤底板高岭岩分布范围扩大,主要分布在小峪—吴家窑、鹅毛口、大同北勘探区,其分布面积由向南和西南扩大的趋势。矿层厚度区达2～7m。有两条成矿带自北向南穿过本区,这两个条带基本上在北部呈席状分布,向南呈弯曲条带状分布。大同煤田西南部的左云南勘探区和玉井勘探区,高岭岩呈零星孤立矿体分布。(5)煤层底板高岭岩9#煤底板高岭岩与8#煤底板高岭岩分布范围基本一致,主要分布在小峪—吴家窑和大同北勘探区,其余地区零星分布。大同北勘探区,高岭岩呈大面积连续层状分布,最厚可达5～7m,一般在1～3m。大面积3m以上的区域主要分布在东北部。第二个较大面积连续分布区域为小峪—吴家窑勘探区,矿体呈南—北向树枝状分布,一般厚度在1～3m。左云南南区和玉井勘探区,高岭岩分布不连续,呈南北向孤立矿体分布,厚度也较薄,一般为1～2m。总体上,9#煤底板高岭岩具有自北向南,厚度逐渐变薄,分布面积逐渐变小,发育程度逐渐变低的趋势。综上所述,大同煤田高岭岩各矿层自北向南均具有变薄的趋势,煤层底板高岭岩厚度较大,分布范围较广,但岩石中含有较多的石英等碎屑矿物,对其应用开发有较大的影响。而煤层夹矸高岭岩,虽然厚度薄,但质量纯,高岭石矿物含量高,具有极大的开发利用价值。目前在大同地区已经开发利用,并已经大量工业化生产的原料,主要是来自高岭岩夹矸。这些夹矸在煤炭开采过程中就可顺带采出,因此开采成本也较低,同时也有利于资源综合利用和环境保护。2煤系高岭岩的类型通过利用偏光显微镜观察大量岩芯薄片发现,大同矿区煤系高岭岩的主要类型有:内碎屑高岭岩、团块状高岭岩、晶粒高岭岩、隐晶高岭岩和砂质高岭岩。(1)砂屑高岭岩小在大同煤田5#煤夹矸中发现。根据内碎屑粒径的大小分为砾屑高岭岩、砂屑高岭岩、粉砂高岭岩。内碎屑本身由隐晶高岭石组成。在内碎屑之间的孔隙中充填隐晶或微晶高岭石基质及暗色有机组分(图2)。(2)高岭石团图像团块是颗粒的一种,形态为透镜状、椭圆状或不规则状,其长轴往往平行层面排列。岩石呈深灰色—灰黑色,致密块状,粗糙或颗粒状断口,主要由椭球状高岭石团块组成,纵断面为椭圆状,横断面近于圆形,边缘规则,与基质界线清晰,椭圆的长宽比为2:1～3:1,椭球彼此平行排列,并平行于层理面,在正交偏光显微镜下为隐晶—微晶粘粒集合体(图3)。(3)高岭石的组成、特征包括蠕虫状晶粒高岭岩和假象型晶粒高岭岩。蠕虫状晶粒高岭岩以粗大蠕虫状晶体为特征(图4)。研究区有名的“大同黑砂石”就是由粗晶蠕虫状高岭石组成的。晶粒高岭石呈褐灰—黑灰色,砂状断口,外似砂岩,晶粒在显微镜下无色,因有机质浸染常呈浅褐色、深褐色,切面形态为柱状、桶状、蠕虫状,常见呈长石和黑云母假象,晶粒中常见无色微晶高岭石集合体团块,晶粒间为不等量的褐色高岭石基质充填。根据晶粒大小可分为粗晶、中晶、细晶、粉晶等。此种高岭岩较为常见,也是最为重要的矿床类型,质量较好。目前该区许多高岭土厂所用原料主要就是此种类型的高岭岩。(4)单偏光镜显微弱光性岩石呈褐灰、褐灰黑色,致密块状,易破碎为带棱角的碎块,具贝壳状断口。单偏光镜下常为较均一的淡褐—褐色,偏光下显微弱光性,在高倍镜下可见模糊的细小晶粒,粒径小于0.005mm。隐晶高岭石也常为基质充填于晶粒和颗粒之间。此类高岭岩在研究区内十分发育,为最常见的一种高岭岩岩石类型。(5)边缘磨蚀痕迹研究区较为常见,有时可见碎屑矿物平行定向排列现象。砂质碎屑颗粒一般呈次棱角状,有时边缘具有磨蚀痕迹。此种高岭岩多存在于煤层底板,在夹矸中有时也可见到。主要由隐晶高岭石基质组成,碎屑矿物主要为石英和长石,其含量为10%～30%不等,此外还有一些锆石和电气石等矿物碎屑,以及少量方解石、菱铁矿球粒等。3煤系高岭岩的组成及成分通过对研究区的煤系高岭岩样品进行了X射线衍射、红外吸收光谱、偏光显微镜等手段测试分析。得出其矿物成分除了主要以高岭石外,还有较多的石英,少量的长石、云母、锐钛矿、菱铁矿、硬水铝石等物质。高岭石:为煤系高岭岩的主要成分,其含量在60～90%之间。其中如3#煤顶底板、5#煤底板和8#煤底板以及6#煤、7#煤层夹矸的高岭石含量达90%以上,是十分优质的高岭岩矿床。通过大量的X射线衍射形态比较,将大同煤系高岭岩的有序度划分为4个等级。高度有序、有序、较无序、无序。石英:除高岭石之外,石英是研究区煤系高岭岩常见的含量较高的矿物,研究区里有的含量甚至超过高岭石,可达70%以上而成为主要成分。研究区内煤层夹矸中还有一种特殊类型的石英,即火山石英。其特点是边缘未经过磨蚀,棱角分明,石英内部或边缘常出现熔蚀而出现黑点或港湾状熔蚀边。此外还发现有些石英被溶蚀现象,其原因可能是在夹矸形成后,由于岩浆侵入作用使石英发生部分溶蚀。重矿物:研究区内样品中常见的重矿物是锆石、电气石和金红石。重矿物在样品中的含量一般较少,在显微镜下偶尔可观察到高突起,二级红绿干涉色的重矿物颗粒存在。此外,研究区还有少量的绿泥石、锐钛矿、白云母等组分,但是含量甚微。有的夹矸高岭岩中,还发现了一定量的菱铁矿,呈鲕状,偏光显微镜下为花瓣状放射状构造,其铁质含量高达5%(图5)。4sq1型粒序层理研究区高岭岩一般呈现致密、均匀的块状构造。在一些细粒的隐晶高岭岩断面可以出现贝壳状断口。研究区高岭岩中主要发现的构造类型如下:(1)粒序构造。此类型比较常见,多存在于晶粒高岭岩中。一般底部为中晶,向上逐渐变为细晶甚至是隐晶高岭石。粒序层一般厚度不大,为几个厘米,有时在显微镜薄片中即可见到粒序层的分界线。(2)小型交错层理。层理由黑色富含有机质的纹层与晶粒层交替排列显示,在假象型晶粒高岭岩中发育,肉眼下可见。(3)有机质—粘土互层层理。该层理主要表现在镜下很多的有机质和粘土矿物交替出现,一般出现在夹矸与煤层的分界处,它体现了原始沉积时的特点。5高岭石高岭石的化学式为Al2O3、2SiO2、2H2O或Al4[Si4O10](OH)8。以重量百分比表示:SiO2——46.54%,Al2O3——39.5%,H2O——13.96%。SiO2/Al2O3摩尔比为2。但含有杂质的高岭岩则因含杂质的数量和种类不同,其化学成分也各异,往往偏离高岭石的理论值。根据高岭岩的化学成分及其比值可以大致看出高岭岩质量的好坏及所含杂质。若化学成分中存在一定数量的K2O、Na2O、CaO、MgO,含这种杂质的矿石,其耐火度和熔化点会降低。因此岩石的化学成分对其用途有着重要的影响。根据研究区代表性样品地球化学分析结果,SiO2含量从37.18%变化到63.45%,Al2O3含量从18.48%变化到44.46%,SiO2/Al2O3的摩尔比值在1.42～5.64之间。其中SiO2/Al2O3的摩尔比值大于二者,主要是含有石英或伊利石及其他粘土矿物所致。粘土矿物和石英的百分比含量较高,约20～40%,而且多为隐晶质。夹矸中的SiO2/Al2O3的摩尔比值一般在1.90～2.40之间,为质量优异的高岭岩,主要分布在3#—5#煤层的顶底板及夹矸、8#煤、9#煤的底板处。研究区的铁含量:Fe2O3从0.05%到1.41%,FeO从0.16%到6.03%。TiO2含量从0.36%到1.45%,含量为中等水平。6高岭岩岩石特征(1)煤系高岭岩分布特征。平面上,主要分布在东北部的小峪—吴家窑、鹅毛口、塔山、同忻及其余的大同北勘探区,西部及西南部呈零星孤立块段分布。垂向上,高岭岩主要分布在5个层位:9#煤底板、8#煤底板、5#煤底板、5#煤(3—5煤)夹矸、2#煤底—3#煤顶之间。其中以3#—5#号煤层夹矸及顶底板、8#煤层底板和9#煤层底板的高岭岩较为优质,具有开采价值。煤田高岭岩各矿层自北向南均具有变薄的趋势,煤层底板高岭岩厚度较大,分布范围较广,但岩石中含有较多的石英等碎屑矿物,对其应用开发有较大的影响。而煤层夹矸高岭岩,虽然厚度薄,但质量纯,高岭石矿物含量高,具有极大的开发利用价值。(2)大同煤系高岭岩岩石显微结构组分主