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物探与化探, 2024, 48(6): 1577-1587 doi: 10.11720/wtyht.2024.1360

地质调查·资源勘查

伊敏盆地伊敏组煤层地球化学特征及沉积环境

李斌,1, 张跃恒2, 洪链涵1, 袁静仪1, 高婷1, 董振国2

1.韩山师范学院 地理科学与旅游学院,广东 潮州 521014

2.神华地质勘查有限责任公司,北京 102211

Geochemical characteristics and sedimentary environment of coal seams in the Yimin Formation in the Yimin Basin

Li Bin,1, Zhang Yue-Heng2, Hong Lian-Han1, Yuan Jing-Yi1, Gao Ting1, Dong Zhen-Guo2

1. Shool of Geography and Tourism, Hanshan Normal University, Chaozhou 521014, China

2. Shenhua Geological Exploration Co., Ltd., Beijing 102211, China

第一作者: 李斌(1970-),男,内蒙古化德县人,博士,2009年毕业于中国地质大学(北京),高级工程师,现从事页岩气地质勘探开发方面教学与研究工作。Email:libin9600@sohu.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-08-18   修回日期: 2023-11-19  

基金资助: 神华神东电力有限责任公司科技创新项目“宁东煤矿南部区构造特征及煤层对比控制”(SGEG-FZB-2024-D4-KX-752)
韩山师范学院重点项目(理科)“鄂尔多斯盆地大柳塔地区活鸡兔—补连塔侏罗系层序地层及聚煤规律研究”(XZ202104)

Received: 2023-08-18   Revised: 2023-11-19  

摘要

伊敏组煤系地层发育、埋藏浅且赋存稳定,煤炭资源丰富,适宜露天开采,为了查明伊敏组煤层的分布特征并揭示聚煤规律,利用地球化学方法辨识其物源区古地理背景和成煤环境具有重要地质意义。通过系统采集研究区钻孔岩心煤样,进行煤岩煤质的测试分析,对煤层形成时古地理信息和沉积环境进行恢复和综合研究,结果表明,伊敏组煤层主要为褐煤,其次为丝炭,镜煤反射率(R0)均值为0.37%,原煤含油率均值为7.66%,全硫均值为1.32%。煤样CIA均值为58.45,表示物源区经历初级—中等风化作用;w(Si)/w(Al)指标均值为2.72,表明煤中矿物质来自陆源泥质沉积物;灰分指数K为0.34,代表煤层形成于低位泥炭沼泽环境;w(Sr)/w(Cu)、w(Sr)/w(Ba)、m值和n值指标表示煤层沉积期古气候温湿,蒸发量较大,古水体盐度较高;Sr、Ba、w(Ba)/w(Ga)值指标指示煤层为陆相沉积产物;w(V)/[w(V)+w(Ni)]、w(V)/w(Cr)、w(Ni)/w(Co)、w(V)/w(Sc)指标指示煤层形成于缺氧的还原条件。研究认为,伊敏组沉积早期,陆相断陷盆地萎缩,气候湿润,湖泊淤浅,形成了三角洲平原泥炭沼泽环境,为煤炭生成和聚集提供了有利的条件。

关键词： 下白垩统; 煤层煤质; 元素丰度; 沉积环境; 伊敏盆地

Abstract

The Yimin Formation hosts shallow and stable coal seams, which are rich in coal resources and suitable for open-pit mining. To ascertain the distributions of coal seams in the Yimin Formation and reveal the coal accumulation patterns, it holds critical geological significance to identify the provenance setting and coal-forming environment using geochemical methods. This study systematically collected coal samples from drilling cores in the study area for testing and analysis of coal quality.Furthermore, this study reconstructed the paleogeographic information and sedimentary environment during the formation of coal seams for comprehensive research. The results show that:(1) The coal seams of the Yimin Formation are primarily composed of lignite, with durain being the dominant component, followed by fusain. Their coal samples exhibited average vitrinite reflectance (R0) of 0.37%, average oil content of 7.66% in raw coal, and average total sulfur content of 1.32%; (2) The average CIA value of 58.45 suggests that the source area experienced primary to moderate weathering. The average w(Si)/w(Al) ratio of 2.72 indicates that minerals in the coal originated from terrestrial argillaceous sediments. The ash index (K) of 0.34 implies that the coal seams formed in a low-level peat swamp environment. The w(Sr)/w(Cu), w(Sr)/w(Ba), w(Mg)/w(Al) (m), and w(Ca)/w(Fe) (n) ratios signify warm and humid paleoclimate, significant evaporation, and high salinity of ancient water bodies during the coal seam sedimentation stage. The Sr, Ba, and w(Ba)/w(Ga) values denote that the coal seams resulted from continental sedimentation. The w(V)/[w(V)+w(Ni)], w(V)/w(Cr), w(Ni)/w(Co), and w(V)/w(Sc) ratios demonstrate that the coal seams formed under anoxic reducing conditions. This study posited that the early sedimentary stage of the Yimin Formation saw the reduced continental faulted basin, humid climate, and lake siltation, forming a peat swamp environment in the deltaic plain, thus creating favorable conditions for coal generation and accumulation.

Keywords： lower Cretaceous; coal seam quality; element abundance; sedimentary environment; Yimin Basin

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本文引用格式

李斌, 张跃恒, 洪链涵, 袁静仪, 高婷, 董振国. 伊敏盆地伊敏组煤层地球化学特征及沉积环境[J]. 物探与化探, 2024, 48(6): 1577-1587 doi:10.11720/wtyht.2024.1360

Li Bin, Zhang Yue-Heng, Hong Lian-Han, Yuan Jing-Yi, Gao Ting, Dong Zhen-Guo. Geochemical characteristics and sedimentary environment of coal seams in the Yimin Formation in the Yimin Basin[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(6): 1577-1587 doi:10.11720/wtyht.2024.1360

0 引言

煤炭是中国能源供应的基石,由于“富煤、少气、缺油”的地质条件,决定了我国能源结构长期以煤炭为主。内蒙古地区煤炭资源丰富,为我国煤炭产量第二大省[1],且该区煤炭资源具有煤层厚度大、分布广、储量丰富、埋藏浅、易开采、煤种齐全等特征,被称为“露天煤矿”之乡,也是北方地区重要的煤电一体化能源基地。

蒙东煤矿位于内蒙古呼伦贝尔市鄂温克族旗,该煤矿于2008年12月16日开工建设,煤炭可采储量达7×108 t,设计服务年限100年。蒙东煤矿采取煤电联营,通过建设坑口电厂,将褐煤就地转化成电力输出[2]。

早白垩世是我国地质历史上重要的聚煤和成煤期,在东北地区形成了丰富的煤炭资源,但在煤炭开采和生产实践中,人们发现该地区煤层空间变化较大,煤层对比和追踪困难,煤炭资源勘探和评价工作遇到了困境。前人曾对该地区的层序地层、沉积环境、盆地演化进行了研究[3-4],但缺少针对性的地球化学佐证,难以指导煤矿开采和资源评价。

蒙东煤矿主力开采煤层为下白垩统伊敏组。对蒙东煤矿的主力煤层煤样的地球化学分析,可恢复成煤期的沉积环境,追溯成煤物质在地壳中的形成、演化过程,丰富地质学基础理论,对于揭示东北地区煤层赋存规律具有重要意义,也可为东北地区的油气勘探提供理论支持。但因白垩纪煤层分布局限,埋藏较浅,易于开采,其理论研究和关注度不够,前人主要对该地区地质构造特征、地层、聚煤作用、煤岩煤质特征等进行研究,对煤系地层尚缺乏系统的地球化学分析和成煤环境研究。

在蒙东煤矿的勘探和开采过程中,积累了大量的煤岩地球化学资料,利用指相元素和地球化学指标,能较好地反映沉积环境条件。在收集研究区钻孔主采煤层地球化学测试数据的基础上,开展元素地球化学研究和分析,可揭示成煤期的古地理沉积环境和古盐度、古气候、古氧化还原条件。

1 地质背景

白垩纪早期,受控于燕山运动,在海拉尔沉降区形成了众多一系列NE—SW向雁行式排列的内陆坳陷盆地。伊敏盆地位于黑龙江省大兴安岭隆起带西坡,是海拉尔沉降区东部的一个凹陷盆地,该地区因其丰富的煤炭资源而闻名,也被称为伊敏煤田[3]。伊敏煤田在平面总体呈NNE走向,北西及南东两侧分别被具有同沉积性质的阿吉图伊洪德断裂(F60)和伊敏河断裂(F10)两条较大的断层所控制(图1),为一轴向N45°E的宽缓向斜,地层倾角一般在5°左右,由轴部向两翼逐渐变陡,且东南翼稍陡于西北翼,沿走向及倾向均具有缓波状起伏。蒙东煤矿(研究区)位于伊敏煤田的东北部,为一单斜构造形态,区内正断层广泛分布,在成煤期后持续活动,将原本完整的含煤盆地切成若干块段,由于断层的上升盘含煤地层抬升作用,致使部分煤层遭受剥蚀。

图1

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图1   海拉尔沉降区构造纲要和采样位置

Fig.1   The structural outline of Hailar settlement area and sample location


根据钻探揭露,区内地层系统由老至新依次为白垩系下统龙江组、大磨拐河组、伊敏组以及第四系[4](图2)。伊敏组(K1y)为煤系地层,岩性主要为灰—灰白色砾岩,灰—深灰色粉砂岩、泥岩,灰—浅灰色细砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩、中粒砂岩,多为凝灰质胶结,较松散,发育15、16两个煤组。伊敏组地层厚度为184.98~549.05 m,平均352.38 m,总的趋势是西南部较薄,向东南部逐渐变厚,与下伏大磨拐河组呈整合接触,上覆第四系不整合于伊敏组地层之上。

图2

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图2   白垩系下统含煤地层综合柱状图

Fig.2   The comprehensive histogram of lower Cretaceous coal bearing strata


2 采样与化验测试

样品全部来自于研究区内的钻井煤样取心,涉及 65 口钻孔,样品共计925件。依照《煤炭资源勘探煤样采取规程》规定要求,可采煤层(褐煤>1.50 m、烟煤>0.8 m)及临界可采煤层均进行采样。采样厚度不大于3 m,复煤层中各煤层单独采样,夹矸及炭质泥岩单独采样,夹矸厚度大于0.1 m时,只采0.1 m。样品按规定要求分层描述,整理净化后,计算长度和质量采取率,填写送样说明书和煤样汇总表后,包好装箱发往测试单位内蒙古煤田地质局科研所实验室进行测试。

依据《煤灰成分分析方法》(GB/T 1574—2007)中硅钼兰分光光度法测试二氧化硅,使用库仑滴定法测试三氧化硫、氧化镁、氧化钙、二氧化钛、氧化锰、三氧化二铝、氧化钠、三氧化二铁、氧化钾,测试仪器为可见分光光度计(722N),分析误差小于3%;依据《煤中锗的测定方法》(GB/T 8207—2007)中蒸馏分离—苯芴酮分光光度法测试锗等微量元素,测试仪器为原子吸收仪(Z-5000),测试精度优于5% 。

3 分析结果

3.1 煤层特征

研究区煤的颜色为深褐—黑褐色,条痕为棕深—褐色,光泽暗淡,断口为不规则或参差状,裂隙不发育,真密度为1.53~1.63 g/cm3,视密度为1.30~1.38 g/cm3。15、16煤组煤岩成分以暗煤为主,丝炭次之,层状或块状构造,条带状或均一状结构,以暗淡型煤为主,半暗淡型煤次之。

3.1.1 固定碳和挥发分含量

煤的固定碳(FCad)是测定煤岩挥发分后残留下来的有机物质的产率。根据固定碳含量可以判断煤化程度,进行煤的分类。通常固定碳含量越高,挥发分越低,煤化程度越高;固定碳含量高,煤的发热量也越高。根据煤岩样的工业分析结果,15、16煤组原煤样品FCad含量均值为27.56%,属于特低固定碳煤SLFC;挥发分(Vdaf)含量均值为45.36%,属于高挥发分煤HV;基本特点是随着深度的加深,煤化作用和变质程度提高,煤的固定碳含量逐渐增加,煤的挥发分逐渐降低(表1)。

表1   煤质特征和显微组分

Table 1  The coal quality characteristics and macerals

煤层煤质特征显微组分类型指数
TI值		镜惰比
V/I		反射率
R0/%
FCad/%Mad/%Ad/%Vdaf/%透光率
PM		镜质
组V/%		半镜
质组/%		惰性
组I/%		壳质
组E/%		矿物质/%
15-5下23.7910.7219.1346.363559.930.590.6638.83-45.21101.580.34
16-123.239.8020.3346.643655.277.050.7735.40-48.127.840.36
16-2下27.109.8217.1045.983675.711.590.5022.08-58.1247.620.38
16-3上30.378.7016.2944.643762.642.521.370.4634.85-48.1245.720.39
16-333.3012.0111.4943.204172.159.146.690.5611.46-60.5210.780.39

注:FCad为固定碳,Mad为水分,Ad为灰分,Vdaf为挥发分。

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3.1.2 成煤母质

显微煤岩特征:根据煤显微组分分析,15、16煤组中煤的镜质组含量为55.27%~75.71%,半镜质组含量为2.52%~9.14%,惰性组含量为0.59%~7.05%,矿物质含量为11.46%~38.83%,透光率PM平均值为37。根据类型指数计算结果,烃源岩干酪根类型指数TI均小于0,成煤母质为典型的β型干酪根。对比煤显微组分含量,上部煤层中煤的镜质组含量低于下部煤层,而矿物质含量高于下部煤层,各煤层其他组分的含量变化不大。

元素分析:煤元素分析结果表明,煤主要由C、H、O等元素组成,其中C平均含量71.04%,H平均含量4.67%,O平均含量23.47%,具有H低、O高、H/C原子比低的特点(表2)。15、16煤组H/C原子比值为0.07,O/C原子比值为0.33,根据低成熟度(R0 <1%)条件下干酪根元素分类(表3),成煤母质为腐殖型干酪根(β型)。

表2   煤元素组成和原子比

Table 2  The elemental composition and atomic ratio of coal

煤层w(C)/%w(H)/%w(O)/%w(N)/%w(S)/%H/C原子比O/C原子比
15-5下72.094.7822.410.681.040.070.31
16-169.954.4324.670.81.710.070.33
16-270.114.8224.240.711.000.060.32
16-3上71.024.6923.220.791.160.070.31
16-372.054.6322.820.820.800.060.35

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表3   低温干馏600 ℃原煤焦油产率

Table 3  The raw coal tar yield at low temperature dry distillation 600 ℃

煤层腐殖酸苯萃取物产率/%低温干馏/%
Tar.adCR.adWater.ad气体损失
15-5下14.340.507.0759.6419.4715.00
16-113.660.727.6860.8718.3914.00
16-2下16.680.749.4761.9520.4313.84
16-3上17.000.697.2262.2015.3415.24
16-317.201.656.8463.5415.3414.62

注:Tar.ad为焦油产率;CR.ad为半焦产率;Water.ad为水分。

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3.1.3 变质阶段

各煤层镜煤最大反射率(R0,max)在0.34%~0.39%,变质程度低,为低阶褐煤,随着埋深的增加,煤变质程度有所提高。

3.1.4 低温干馏

按照煤质指标分级详细标准,可将煤岩化分为含油煤(焦油产率Tar.ad <7%)、富油煤(7%<Tar.ad<12%)和高油煤(Tar.ad>12%)3类。研究区煤层原煤含油率为6.84%~9.47%,除16-3煤层含油率<7%,为含油煤外,其余各层均>7%,为富油煤(表3)。

3.2 煤灰成分

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,按其赋存形态可以划分为主量元素和微量元素,其在煤层中的富集与元素的性质、物质来源、沉积环境以及煤的变质程度等密切相关。

3.2.1 主量元素

根据煤岩样品实验,研究区煤灰成分以SiO2和Al2O3为主,其次为CaO、Fe2O3和SO3,其余成分含量较低(表4)。

表4   煤灰主量元素含量

Table 4  The main element content of coal ash

煤层煤灰元素/%酸性氧化物
(SiO2 +
Al2O3)/%		碱性氧化物
(Fe2O3+
CaO+MgO)/%		w(Fe2O3)/
w(Al2O3)		煤厚/m
SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOTiO2SO3
15-5下47.034.6519.5710.872.720.857.5166.6018.240.242.83
16-149.146.5419.518.282.110.786.8768.6516.930.342.64
16-2下47.734.8716.3010.861.820.738.4964.0317.550.303.16
16-3上45.048.4716.0614.532.371.707.8061.1025.370.537.50
16-339.6411.5013.1515.592.581.817.2252.7929.670.8721.50
平均值45.727.2116.9212.032.321.177.5862.6321.550.457.53

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3.2.2 微量元素

目前,在中国的煤中已查明了微量元素有63种,其中有些元素可在煤中富集,形成工业矿床。伊敏组原煤中微量元素的富集系数Ef为0.06~0.55,说明原煤微量元素含量均低于地壳克拉克值和世界煤的微量元素含量,表明伊敏褐煤中微量元素明显不富集(表5)[5]。

表5   煤灰微量元素含量[5]

Table 5  The treace element content of coal ash [5] 10-6

煤层样号ScVCrCoNiCuGaRbSrMoBaThU
15上M64.4230.5011.201.314.595.111.300.49257.000.12137.002.120.76
M50.2028.408.412.297.005.371.080.53156.000.3475.600.750.14
M44.7438.4022.500.923.1329.605.222.30244.000.71153.006.942.28
16下M32.6020.906.851.583.352.301.320.6246.001.9774.700.240.17
M21.4718.4010.101.513.5412.001.140.42117.000.28274.000.780.22
M16.1416.9013.804.223.5714.503.766.0496.301.55191.003.701.00
平均值3.2625.5812.141.974.2011.482.301.73152.720.83150.882.420.76
地壳克拉克值2213510025755515903751.54259.62.7
富集系数Ef0.150.190.120.080.060.210.150.020.410.550.360.250.28
中国煤
(侏罗系—白垩系)[6]		3131281194779215042
世界褐煤[6]3.8637.3854.5332.0154.1735.325.2232.64206.826.18249.913.36.06

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4 成煤环境辨识

4.1 显微组分和V/I比值

煤显微组分中镜质组、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,凝胶化作用占优势,镜质组含量增加;在高温干燥的氧化环境,丝炭化作用占优势,惰质组含量增加[6-7]。镜惰比 (V/I)是成煤环境判断的重要指标,可指示成煤沼泽水位变化情况:V/I 比值高,表示为覆水深、强还原环境的泥炭沼泽;V/I 比值低,表示为覆水浅、弱还原环境的泥炭沼泽。研究区煤层的V/I为7.84~101.58,平均值为42.71(表1),V/I值较高,表示泥炭沼泽覆水较深,凝胶化作用强烈,为有利的成煤环境。

4.2 主量元素丰度和比值

4.2.1 化学风化指数(CIA)

CIA是反映物源区化学风化程度的指标。根据稳定氧化物(Al2O3)和不稳定氧化物(CaO+Na2O+K2O)含量比值可以,判别物源区化学风化强度[8],其计算公式如下:

CIA=w(Al2O3)/[w(Al2O3)+w(CaO)+w(Na2O)+w(K2O)]×100 。

其中: CIA值代表硅酸盐矿物中在K、Na、Ca、Mg等活泼性元素的淋失程度,与风化作用强度成正比,CIA值越大,风化强度越大。研究区东部大兴安岭隆起带为物质来源方向,煤层物源区化学风化指数为45.76~70.21,均值为58.45,表示物源区经历初级—中等风化作用(图3a)。自下而上(16~15煤层),物源区风化作用有增强趋势。

图3

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图3   伊敏组15、16煤组CIA值(a)、w(Si)/w(Al)值(b)、K值(c)、m值(d)、n值(e)特征

Fig.3   Characteristics of CIA value(a), w(Si)/w(Al) value(b), K value(c), m value(d) and n value(e) of coal groups 15 and 16 of Yimin Formation


4.2.2 w(SiO2)/w(Al2O3)

煤灰中的Si、Al为陆源物质的指示元素,通常Si来自黏土和页岩,而Al的相对富集可指示受陆源的影响程度。w(SiO2)/w(Al2O3)比值与气候条件、水介质有关,在暖湿气候条件下,w(SiO2)/w(Al2O3)比值低;在干冷气候条件下,w(SiO2)/w(Al2O3)比值高[9]。

当煤层中w(SiO2)/w(Al2O3)>2时,为偏碱性水介质环境,此时Si大量转化迁移,Al相应增加。研究区煤层w(SiO2)/w(Al2O3)比值为2.40~3.01(图3b),远低于纯硅质岩(w(SiO2)/w(Al2O3)=80~1 400),表明煤中矿物质来自陆源泥质沉积物,其沉积环境主要为陆相。

4.2.3 K值

沉积环境的变化对成煤影响明显,煤中灰分氧化物含量可反映成煤沼泽环境的地球化学特征及古地理环境。煤灰中酸性氧化物(SiO2+Al2O3)占优势时,成煤环境属于弱还原性;煤灰中碱性氧化物(Fe2O3+CaO+MgO)占优势时,成煤环境属于强还原性。灰分指数K可以作为判别煤层形成时的地球化学环境和相环境的指标[10]。灰分指数K计算公式为:

K=[w(SiO2)+w(Al2O3)]/[w(Fe2O3)+w(CaO)+w(MgO)] 。

煤的灰分指数与覆水程度、还原性成反比,煤的灰分指数越低,覆水越深,还原性越强。研究区煤灰成分中酸性氧化物(SiO2 +Al2O3)含量为52.79%~68.65%,碱性氧化物(Fe2O3+CaO+MgO)含量为17.55%~29.67%,灰分指数K为0.25~0.56,均值为0.34,K值较低,表明15、16煤层成煤期整体为覆水较深的泥炭沼泽环境(图3c)。自下而上煤层(16~15煤)K值逐渐降低,说明沼泽水体有变深的趋势。

4.2.4 m、n值

Ca、P、Fe、Mn、Mg、Al等可用于古盐度判别。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,利用m=w(MgO)/w(Al2O3)×100、n=w(CaO)/[w(CaO)+w(Fe2O3)]等比值,可以有效地判断古盐度[11⇓-13],当m>10时,指示为咸水环境;n>0.5时,指示为高盐环境。

研究区煤层m值为10.81~19.62,均值13.71,属咸水环境;n值为0.58~0.70,均值0.63,属高盐度水体范围(图3d、e)。自下而上(16~15煤),m、n值变化较稳定,代表水体介质基本为咸水环境。

4.3 微量元素丰度和比值

4.3.1 沉积相

煤的生成和演化是受沉积环境控制,具体包括古地理位置、古气候和古水体等条件。古气候决定植物发育程度,古水体还原环境决定植物遗体保存条件,古地理位置决定植物的堆积和保存条件,Sr、Ba、Ga等元素丰度和比值是判别沉积相的有效指标[14⇓⇓⇓-18]。通常情况下认为w(Sr)=(100~300)×10-6、w(Ba)>150×10-6、w(Ba)/w(Ga)>16为典型的陆相沉积环境[19]。

研究区煤层Sr均值152.72×10-6,Ba均值150.88×10-6、w(Ba)/w(Ga)均值为92.07(图4),指示16、15煤组形成于以陆相为主的沉积环境,但存在短暂的海侵现象。

图4

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图4   伊敏组15、16煤组Sr(a)、Ba(b)含量及w(Ba)/w(Ga)值(c)特征

Fig.4   The contents of Sr(a),Ba(b) and w(Ba)/w(Ga) value(c) characteristics of coal groups 15 and 16 of Yimin Formation


4.3.2 古氧相

一般认为还原的水体环境是有利于泥炭的堆积、保存和成煤演化。采用w(V)/w(Ni)、w(V)/w(Cr)、w(Ni)/w(Co)、w(V)/w(Sc)等指标比值可以恢复古水体的还原条件,通常当w(V)/w(Ni)>1、w(V)/w(Cr)>2、w(Ni)/w(Co)>2.5、w(V)/w(Sc)>9.1时,代表贫氧—缺氧的还原环境[20-21]。

研究区煤层w(V)/w(Ni)为4.06~12.27,均值为6.52;w(V)/w(Cr)值为0.83~0.92,均值为2.32;w(Ni)/w(Co)值为0.85~3.40,均值为2.55;w(V)/w(Sc)值为2.75~142.00,均值为30.05(图5),表明成煤期水体整体处于贫氧的还原条件,并伴随着多次短暂富氧条件。根据 Co含量 (<3×10-6、(3~10)×10-6、>10×10-6 )可以判断泥炭沼泽的类型(高 、中 、低 ),研究区Co含量平均值为1.97×10-6,为高位泥炭沼泽。

图5

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图5   伊敏组15、16煤组w(V)/w(Ni)值、w(V)/w(Cr)值及Co含量特征

Fig.5   Characteristics of V/Ni value, V/Cr value and Co value of coal groups 15 and 16 of Yimin Formation


4.3.3 古气候

某些岩石的形成和元素丰度与古气候相关,可恢复和重建古气候。微量元素识别古气候的常用方法有w(Sr)/w(Cu)、w(Rb)/w(Sr)比值等。

煤层中Sr含量可以反映古气候特征,Sr含量高代表干旱炎热气候条件,Sr含量低代表潮湿气候背景。w(Sr)/w(Cu)=1~10指示为温湿气候;w(Sr)/w(Cu)>10指示为干燥气候。w(Rb)/w(Sr)比值低指示干旱和寒冷气候条件[22]。

研究区煤层w(Sr)/w(Cu)比值为6.64~50.29,自下而上(16~15煤层)w(Sr)/w(Cu)明显增加,反映古气候由湿润向干旱过渡(图6);w(Rb)/w(Sr)为0~0.06,平均值0.016,w(Rb)/w(Sr)比值较低,表明古气温较高。

图6

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图6   伊敏组15、16煤组w(Sr)/w(Cu)值特征

Fig.6   w(Sr)/w(Cu) value characteristics of coal groups 15 and 16 of Yimin Formation


4.3.4 古盐度

在陆相淡水沉积环境下,沉积岩中Ba、Th较高,Sr、U较低,利用w(Sr)/w(Ba)、w(Th)/w(U)可判别水体介质的性质[23]。一般来讲,w(Sr)/w(Ba)=0.5~1.0为半咸水,w(Sr)/w(Ba)>1.0为咸水沉积环境;陆相沉积的煤岩w(Th)/w(U)>2.0,海相沉积的泥页岩w(Th)/w(U)<2.0[24]。

研究区煤层w(Sr)/w(Ba)均值为1.18,w(Th)/w(U)均值为3.31,综合判别为陆相半咸水—咸水沉积环境(图7)。自下而上(16~15煤层),w(Sr)/w(Ba)比值逐渐增加,表明水体介质的含盐量变高。

图7

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图7   伊敏组15、16煤组w(Sr)/w(Ba)值(a)、w(Th)/w(U)值(b)特征

Fig.7   w(Sr)/w(Ba) value(a) and w(Th)/w(U) value(b) characteristics of coal groups 15 and 16 of Yimin Formation


5 沉积环境演化与聚煤规律

在早白垩世沉积初期,构造运动减缓,研究区沉积了大磨拐河组底部的凝灰质碎屑岩段,将沉积盆地填平补齐。由于SE方向的断层F10的活动强度大于NW 方向的断层F60,造成盆地沉积不对称,靠近F60一侧沉降速度较慢,水体较浅,而靠近F10一侧沉降速度则较快,水体较深,因此,从F60到F10,沉积环境由浅部位的洪积扇、冲积扇相过渡到湖泊沼泽相,再到浅水—深水湖相,在水深适中、水体相对稳定的地带,即盆地的北西翼和中北部为聚煤中心,沉积了煤系地层。在浅部则沉积了砾岩、砂砾岩、含砾粉砂岩等碎屑岩,而在深部,即靠近F10一侧沉积了以粉砂岩为主的细碎屑岩,中间夹有薄层砾岩及砂砾岩及砂砾岩,在靠近F10一侧大磨拐河组的泥岩段下部发育一套较厚的以粉砂岩为主的煤系地层,粉砂岩中发育波状层理、斜层理及交错层理,反映出当时沉积水体较为动荡,水动力较大,受控于F10的震荡性活动[25]。在大磨拐河组沉积晚期,F60活动加剧,致使全区水域加深,深水湖相沉积广泛发育,此时盆地持续稳定下沉,沉积了大磨拐河组上部的巨厚泥岩[26]。

进入伊敏组沉积时期,燕山运动加剧,盆地的断陷萎缩,气候湿润,古植物繁盛,古地理单元经历了从以三角洲平原为主到以瓣状河道为主的水体变浅的演化过程,三角洲平原泥炭沼泽相发育,水体相对稳定,使持续的泥炭堆积成为可能,古盐度较高,水体以长期缺氧还原环境为主,使堆积泥炭能够长期保存,聚煤作用较好,形成了厚层煤层(图8)。

图8

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图8   大磨拐河组—伊敏组沉积演化模式

Fig.8   Sedimentary evolution model of Damoguaihe Formation and Yimin Formation


6 结论

1)伊敏组煤层颜色为深褐—黑褐色,煤成分以暗煤为主,其次为丝炭,具有特低固定碳、高挥发分、富油、低硫的特点。

2)煤层埋深较浅,厚度较厚,煤的变质程度较低,R0=0.37%,煤层煤类为未变质的褐煤。

3)主量元素成分以SiO2和Al2O3为主,其次为CaO、Fe2O3和SO3,灰分指数K(均值0.34)较低,推测煤层沉积时水体覆水程度较深,为还原性较强的沼泽环境。

4)煤岩的主量元素指标表明伊敏组煤层物源区经历初级—中等风化作用,主要成煤期为低位泥炭沼泽环境;微量元素指标判别煤层形成于以陆相为主的沉积环境,是温湿气候条件下的产物,底层水环境为长期缺氧的还原条件,并伴随着多次短暂的贫氧,古水体为淡水—半咸水。

5)大磨拐河期湖泊在逐渐淤浅(由深到浅、由大到小)的演化基础上,形成了伊敏期大面积、平坦的三角洲平原沼泽环境,泥沙不断充填、植物遗体的堆积为泥炭的形成提供了物质条件和堆积、保存空间,伊敏早、中期聚煤作用较好,煤层发育。

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