马家滩矿区延安组层序–古地理对煤岩煤质的控制_刘志飞.pdf

第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Aerophotogrammetry and Remote Sensing Bureau of China National Administration of Coal Geology, Xi’an 710199, China Abstract With Majiatan mining area as the research area, the sequence stratigraphic framework of Yan’an ation in Majiatan mining area is established by the division and comparison of sequence, and then the sedimentation paleo- geographic features of each third-order sequence were reconstructed. With the study on the distribution of coal petrology and quality, it is found that the plane and vertical distribution characteristics of coal petrology and quality are obviously controlled by sequence and palaeogeography. On the plane the vitrinite content of the coal seam is higher in the delta plain environment in the south of the mining area, and the ash content is decreasing from the north to the south gradually by the control of the source area. Vertically, the composition and ash of the coal are changing in different sequences with the evolution of sedimentary environment. In the same sequence, the influence of different system tracts on the content of coal and rock components is segmented. The most favorable vitrinite ation is in the later stage of transgressive sys- tem tract, and the low level system tract is the most unfavorable to the ation of vitrinite. Keywords sequence stratigraphy; lithofacies paleogeography; coal petrology; coal quality; Majiatan mining area 煤炭资源清洁高效利用是我国煤炭工业的发展 方向， 而煤岩煤质则是决定煤炭利用方向、 方式的重 要因素[1]，其中煤岩有机组分是加工利用的主要对 象， 煤质特别是灰分， 硫分等影响着转化加工过程。 煤岩煤质特征受控于复杂的成煤环境和后期煤化作 用过程。 成煤过程与煤结构、 煤组成和性质等特性之 间的内在联系已有众多学者关注[2-4]，本文以我国宁 东煤化工基地的重要原料煤生产矿区马家滩矿区的 聚煤期层序–古地理研究为切入点，重点讨论层序地 层下岩相古地理对煤岩煤质的控制作用。 1 区域地质背景 马家滩矿区在区域构造上位于鄂尔多斯盆地西 缘图 1。地理上位于宁夏东部，灵武市东南，行政 ChaoXing 第 3 期 刘志飞等 马家滩矿区延安组层序–古地理对煤岩煤质的控制 29 区划属灵武市管辖。矿区南北长约 42 km，东西宽 约 610 km，面积约 275 km2。 图 1 研究区构造位置图 Fig.1 The tectonic position of the study area 矿区内全部被新生界所覆盖。根据钻孔揭露， 区内地层由老至新依次有上三叠统上田组，中侏 罗统延安组、直罗组与安定组，古近系和第四系。 矿区主要含煤地层为侏罗系延安组，地层平均厚 347.06 m。主要煤层属特低低灰、特低硫、高发 热量、较高活性、含油富油的环保型煤炭资源， 可作动力、气化、炼油用煤[5]。 2 马家滩矿区延安组层序地层格架 根据岩性组合及测井曲线特征分析，在区内延 安组识别出河流、三角洲两种沉积相类型图 2。研 究采用“Vail”学派的观点[6]，根据区域不整合面、河 道下切谷、地层颜色、岩性突变等标志，本区延安 组共识别出 10 个层序界面，划分为 3 个三级层序， 9 个四级层序，并进一步划分为低位体系域、湖侵 体系域及高位体系域，各层序发育特征分述如下。 2.1 三级层序 SⅢ1 SⅢ1 大致对应于延安组 12 段。层序底界面 为延安组与三叠系上田组的区域不整合面。三级层 序 SⅢ1 进一步划分为 4 个四级层序SⅣ1SⅣ4。 低位体系域以曲河流为主，岩性为粗、中粒砂岩。 湖侵体系域以三角洲为主，岩性为细砂岩、粉砂岩 和泥岩；在研究区北部地区钻孔 1903、504 地层沉 积中以粒度较粗的砂岩为主，主要是三角洲平原的 分流河道沉积，其余钻孔地层皆以粒度较细的粉砂 岩、泥岩为主，为三角洲平原的分流间湾、沼泽沉 积。高位体系域则是以三角洲为主，岩性为细粒砂 岩、粉砂岩和泥岩，由北向南粒度逐渐变细。 2.2 三级层序 SⅢ2 SⅢ2 大致对应于延安组 34 段，可进一步划 分为 3 个四级层序SⅣ5SⅣ7。层序底界面为三 角洲平原分流河道底部冲刷面。该低位体系域主要 以河流为主，岩性以粗粒砂岩为主。湖侵体系域主 要为三角洲中砂岩和沼泽沉积；高位体系域晚期沉 积环境主要为三角洲平原的泥岩沉积。 2.3 三级层序 SⅢ3 SⅢ3 对应于延安组 5 段，可进一步划分 2 个四 级层序SⅣ8、SⅣ9。层序底界面为三角洲平原分 流河道底部冲刷面。该层序沉积环境自下而上，由 湖侵和高位体系域的三角洲平原环境向上过渡为辫 状河环境，平面上也由北部的辫状河向南部的三角 洲平原沉积过渡。 综上所述，延安组的沉积环境总体上是以河流 作用为主的浅湖三角洲面貌。从其沉积演化的情况 来看，延安组的形成经历了冲积平原、三角洲又恢 复向冲积平原过渡的演化过程。 3 层序地层格架下的岩相古地理 选取研究区内 17 口揭露地层较全、 分布均匀的 典型钻孔数据，在单剖面和对比剖面沉积相分析的 基础上，绘制各层序的地层厚度、砂泥比等值线图， 以砂泥比等值线为主， 结合其他相关参数综合分析， 恢复出各层序的岩相古地理。 SⅢ1 期发育一条 NW–SE 向的河流图 3a，沉 积环境是以典型的冲积河道为格架的冲积平原环 境，在河道两侧发育泛滥盆地和漫滩沼泽。煤层的 发育受古河道的控制。 SⅢ2 期， 湖泊向 NW 方向扩张， 河流作用减弱， 三角洲平原上水系纵横发育，形成易于成煤的泥炭 沼泽环境图 3b。 SⅢ3 期，河流回春，湖向东南收缩，区内三角 洲已总体废弃图 3c，在此基础上发育的冲积平原 具有良好的聚煤条件， 随着冲积河道的大规模废弃， 形成厚而稳定的煤层。在 2 煤之后，随着冲积河道 广泛发育，泥炭沼泽发育程度明显变差，延安期的 聚煤作用结束。 4 层序–古地理对煤岩组分的影响 通常认为，镜质组的形成与强覆水、气流不畅 的泥炭沼泽有关；惰质组多形成于弱覆水或周期性 暴露的森林泥炭沼泽中；壳质组的成因与成煤植物 种类关系密切，而与堆积环境的关系较小[7]。本研 ChaoXing 第 3 期 刘志飞等 马家滩矿区延安组层序–古地理对煤岩煤质的控制 31 图 3 不同层序下的岩相古地理 Fig.3 Lithofacies palaeogeography of different sequence 究区煤层壳质组体积分数少2以下，镜质组和惰 质组含量此消彼长。下面重点讨论层序地层横向展 布变化、不同层序间沉积环境演化、同一层序的不 同体系域对煤岩显微组分的影响。 平面上， 通过钻孔统计发现双马井田 1903、 203 和 502 井；金家渠井田 1508、1313 和 1414 井，矿 区北部双马井田所有煤层的镜惰比都＜1，南部金 家渠井田所有煤层的镜惰比都＞1图 4。发育于冲 积平原环境的北部煤层， 受冲积河道的影响， 水动力 条件强，氧气供应充足，丝炭化作用占主导，惰质组 含量多。发育于三角洲平原环境的煤层，在停滞、覆 水不太深的条件下， 水动力较弱， 镜质组含量相对高。 纵向上， 位于矿区北部的 1903 井含煤层段沉积 环境多次更替，其显微组分的含量受层序影响较为 明显。 SⅢ1 期， 沉积环境由河流相向三角洲相演变， 沼泽覆水性逐渐增强，镜质组含量从下至上，增加 趋势明显；SⅢ2 期，成煤环境为三角洲相，形成的 煤层显微组分含量整体较为稳定；SⅢ3 期，泥炭沼 泽受河流作用影响增大，水动力逐渐增强，沼泽覆 水性减弱，镜质组含量再次整体降低图 5。 同一个层序中，体系域通过控制沼泽的覆水程 度，影响凝胶化作用强度，进而影响显微组分含量 表 1。通过不同体系域对沼泽覆水性强弱影响对 比，总结了如下一般性规律，一个层序旋回中，不 同成煤阶段镜质组含量具有以下特征ⅢⅣⅡ ⅤⅠ图 6。 以 1903 井中层序 SⅣ8 为例图 5， 形成于高位 体系域早期的 4-2号煤镜质组含量高于位于湖侵体 系域早期的 4-3号煤， 同时形成于高位体系域晚期的 4-1号煤镜质体含量最低。层序 SⅣ1，SⅣ2，SⅣ7 皆有类似规律。 5 层序–古地理对煤质的影响 在平面上，以矿区目前主采煤层 18 号煤为例， 编制灰分、硫分等值线图。矿区灰分北部较高，向 南递减图 7a，由 SⅢ1 期古地理图可知图 3a，矿 ChaoXing 32 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 4 马家滩矿区南部、北部煤层显微组分含量对比 Fig.4 The comparison of maceral content in coal seams between the southern and northern parts of Majiatan mining area 图 5 1903 井层序地层划分及对煤岩煤质垂向变化的控制 Fig.5 Sequence stratigraphic division of well No.1903 and its control on the vertical change of coal petrology and quality ChaoXing 第 3 期 刘志飞等 马家滩矿区延安组层序–古地理对煤岩煤质的控制 33 表 1 不同体系域对煤岩组分的影响 Table 1 Influence of different system on the coal component 煤层发育阶段 对应体系域 可容空间变化 覆水强度 凝胶化作用 镜质组含量 Ⅰ 低位体系域 呈增加趋势 较弱，呈增强趋势 最弱 最低 Ⅱ 湖侵体系域早期 呈增强趋势，增加速率逐渐变快 中等，呈增强趋势 中等 中等 Ⅲ 湖侵体系域晚期 呈增加趋势，直至最大 逐渐增强，最大湖泛面处达到最大 最强 最高 Ⅳ 高位体系域早期 湖退初期，呈减小趋势 较强，由最大覆水强度逐渐减弱 较强 较高 Ⅴ 高位体系域中晚期呈逐渐减小趋势 中等，呈减弱趋势 较弱 较低 图 6 基准面变化及基准面变化速率与煤岩组分关系据 杨兆彪等[10]修改 Fig.6 The change of datum surface and the relationship between the rate of datum change and the coal component 图 7 马家滩矿区 18 号煤层灰分和硫分等值线 Fig.7 Coal ash and sulfur content isoline of No.18 coal seam in Majiatan mining area 区的物源区位于西北，灰分平面分布明显受物源的 控制。矿区硫分北部低，向南递增图 7b。全硫质 量分数为 0.51.6，中低硫煤1.01.5集中于 矿区南部，且有机硫占主体。随着凝胶化程度增强， 组分有机硫含量会增加[9]，由该区背景资料可知， 煤沉积过程中未受海水影响[10]，故推测由于矿区南 部在相对还原环境下泥炭沼泽中凝胶化作用强，故 硫含量也随之增高。 各煤层灰分的垂向变化， 总体受控于沉积环境的 演化， 沉积环境演变由河流相到三角洲相， 再到河流 作用逐渐增强， 灰分也随之表现为高→低→高的变化 规律。 4-1号煤层不符合此变化规律， 灰分值异常10 以上，可能是由于其形成于高位体系域晚期，此时 泥炭沼泽内可容纳空间增加速率小于泥炭产生速率， 造成泥炭暴露，部分氧化，导致灰分增加。硫分的垂 向变化， 大部分与凝胶化强度变化的相关性较好， 但 是影响硫分含量的因素较多[11]，4-2号、17 号等煤层 的非规律性变化，需要进一步研究分析。 6 结 论 a. 宁东煤田马家滩矿区中侏罗统延安组共识 别出 10 个层序界面， 将延安组划分出 3 个三级层序 和 9 个四级层序。 b. 延安组的沉积环境总体上是以河流作用为 主的浅湖三角洲体系，经历了冲积平原、三角洲又 复向冲积平原过渡的演化过程。 c. 沉积环境的演化对煤岩变化特征具有明显 控制作用，形成于湖侵体系域后期的煤层多具有高 镜质组的特征，低位体系域的煤层惰质组含量相对 升高。发育于冲积平原的北部煤层的镜惰比普遍低 于发育于三角洲平原的南部煤层的镜惰比。 d. 平面上，马家滩矿区灰分北高南低，受物源 控制作用明显；硫分分布受凝胶化作用强弱影响， 发育于冲积平原的北部煤层的凝胶化作用弱，硫分 低，向南增高。 参考文献 [1] 张鸣林. 中国煤的洁净利用[M]. 北京化学工业出版社， 2007. 下转第 40 页 ChaoXing 40 煤田地质与勘探 第 46 卷 [9] 黄庆国. 塔山煤矿特厚煤层综放开采关键技术[J]. 煤炭科学 技术，2009，37222–24. 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