_灰成分端元分析法_及其在聚煤环境分析中的应用.pdf

① 焦作工学院博士基金资助编号5905 收稿日期1999202202 收修改稿日期1999206218 文章编号10002055020000320460205 “灰成分端元分析法” 及其在聚煤环境分析中的应用 ① 郝吉生 葛宝勋 谢洪波 焦作工学院资环系 河南焦作 454159 摘 要 “灰成分端元分析法” 是以SiO2- Al2O3、CaO - MgO及Fe2O3- SO3分别作为三角图端元进行聚煤环境分析 的一种新方法。其原理是灰成分与煤中矿物质种类与含量具有成因上的相关关系- -据SiO - Al2O3端元特征,可 以判断介质的总体运动方向;由CaO - MgO端元特征,可以判断泥炭沼泽受海水影响的程度;由Fe2O3- SO3端元特 征,可以判断聚煤环境的氧化还原条件。该方法用于研究河东煤田10 煤的聚煤环境,收到了良好效果,证明其不失 为传统聚煤环境分析方法的一个有益补充。 关键词 灰成分 端元分析 聚煤环境 河东煤田 第一作者简介 郝吉生 男 1963年出生 工学博士 副教授 含煤岩系沉积学 中图分类号 P618. 11 文献标识码 A 1 引言 多年来,灰分产率Ad一直被作为聚煤环境分析 的成因标志之一而广泛使用。但由于灰分产率 “是指 煤完全燃烧后剩下来的残渣” 〔1〕,这种应用两个不足 之处显然有二 1灰分产率指标中几乎包括了煤中的各种矿物 质,因而它无法定性反映煤中所含矿物质的具体种类 及其来源; 2灰分产率是一个综合数量指标,因而它不能定 量反映煤中不同矿物质的相对含量。 上述两点决定了灰分产率这一指标在聚煤环境分 析中存在较大的局限性。为了克服这一不足,笔者提 出了一种 “灰成分端元分析法”,为聚煤环境分析中灰 分指标的合理应用展示了一条新途径。 2 灰成分分析恢复聚煤环境的可行性 不同种类的灰成分几乎皆源于煤中相应矿物质的 燃烧作用;换言之,煤在燃烧时,矿物质大部分被分 解 〔2〕,即有 1碳酸盐受热分解生成CaO ,并放出CO2 CaCO3 →CaO CO2↑ 方解石 2铁质矿物氧化或分解生成Fe2O3,并放出SO2 及CO2等 4FeS2 11O2 → △ 2Fe2O3 8SO3↑ 黄铁矿 FeCO3 → △ FeO CO2↑ 菱铁矿 4FeO O2 →2Fe2O3 氧化亚铁进一步氧化生成Fe2O3 3粘土矿物、 石膏等失去结晶水 2SiO2Al2O3H2O → △2SiO 2 Al2O3 2H2O 粘土矿物 CaSO42H2O → △CaSO 4 2H2O 石膏 显然,灰成分与煤中所含矿物质在种类、 数量上皆 具有一定的相关性。因此,可以根据各类灰成分的产 率来反推煤中所含矿物质的类型及含量;进而推断这 些矿物质的形成条件;最后再根据这些矿物质形成与 聚煤环境介质二者间的成因联系恢复聚煤环境参见 图 1 。 3 “灰成分端元分析法” 的基本原理 所谓 “灰成分端元分析法” 是以灰成分SiO2- Al2O3、CaO - MgO、Fe2O3- SO3分别作为三角图一个 第18卷 第3期 2000年9月 沉 积 学 报 ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA Vol. 18 No. 3 Sept. 2000 图1 由灰成分分析恢复聚煤环境的可行性 Fig. 1 The feasibility of analyzing coal - accumulating environment from ash - composition 端元的聚煤环境分析方法。据研究区内10 煤灰成分 产率见表 1 建立的三角端元图如图2所示。 图2中,SiO2- Al2O3端元如块段1 ,反映了以 粘土类矿物为代表的陆源矿物质类型,多与淡水介质 注入有关,属于同生～准同生成因。由于粘土类矿物 质的形成多依赖于沉积环境的搬运介质与沉积介质, 故该端元值在空间上的变化可反映介质的总体搬运方 向。远离SiO2- Al2O3端元如块段2、6、3 ,则反映煤 中的硅酸盐、 铝硅酸盐类矿物含量较低,多指示机械搬 运与沉积作用较弱,相对而言化学与生物化学搬运与 沉积作用较活跃。 同理,接近CaO - MgO端元如块段2 ,反映煤中 钙镁矿物如菱镁矿、 石膏、 绿泥石、 云母等含量较高, 图2 灰成分端元分析法三角图 Fig. 2 Triangular diagram of analysis based on ash - composition 表1 10 煤灰成分产率 Table 1 The ash - composition yield of coal seam No. 10 灰成分类别SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3SO3 产 率/ 43. 235. 85. 20. 848. 65. 1 多反映向半干燥气候转化的半潮湿气候条件与弱氧化 ～弱还原环境,如泻湖、 海湾、 障壁岛后等。类似地有 愈接近Fe2O3- SO3端元如块段3 ,反映煤中黄铁矿 含量愈高,常代表闭塞～半闭塞、 还原强还原的覆水 闭流盆地环境,如局限海湾、 泻湖、 分流间湾、 三角洲间 湾等演化而成的泥炭沼泽环境。 除图中各过渡块段反映一些过渡情形外,对每个 双组分端元而言尚可以做相对含量比较分析。如对 SiO2- Al2O3端元而言,SiO2/ Al2O3高值时,指示煤中 含较多的石英、 玉髓等陆源硅质碎屑,反映水动力条件 较强的稳定环境。同样对Fe2O3- SO3端元而言,若 SO3/ Fe2O3比值偏低,反映煤中铁质矿物以菱铁矿为 主,黄铁矿含量低,指示淡水介质弱氧化～弱还原环 境,常为冲积平原、 三角洲平原和其它内陆浅水盆地泥 炭沼泽环境的典型特征;而如果SO3/ Fe2O3值偏高, 常反映煤中的硫主要为成煤植物带来的有机硫,指示 成煤植物群落为咸水介质的类红树林属耐盐植物,多 与海水影响有关。对CaO - MgO端元而言亦有 CaO/ MgO高值,指示煤中矿物质以方解石及腐植酸 钙盐为主,反映温暖潮湿～半潮湿气候条件;而CaO/ MgO值偏低,则反映煤中钙镁矿物以白云石、 石膏等 为主,常指示半干燥气候条件。另外,CaO/ MgO比值 由大到小的变化也反映了沉积环境由陆到海的递变过 程。 综上所述,灰成分端元分析能够反映聚煤环境以 下方面的特征 A.介质的总体搬运方向 B.古盐度与海陆分布 C.氧化还原条件 D.聚煤期古气候 E.水动力条件强弱 F.成煤植物群落 G.泥炭沼泽的类型等。 4 “灰成分端元分析法” 的应用举例 实际应用 “灰成分端元分析法” 时,可将其与传统 聚煤环境分析方法如沉积相、 煤相的鉴定标志等结 合起来,遵循 “先端元分析,再参照分析,最后综合定 164第3期 郝吉生等“灰成分端元分析法” 及其在聚煤环境分析中的应用 相” 的原则,可以取得较好的应用效果。 下面以鄂尔多斯盆地东缘的河东煤田离石～中阳 勘探区10 煤层聚煤环境的研究为例,对 “灰成分端元 分析法” 的应用步骤予以说明。 4. 1 端元分析 第一步先绘制出端元组分及各种单一灰成分的 等值线图图3、 图4、 图 5 。 第二步SiO2- Al2O3端元分析 图3 SiO2 Al2O3端元分析 Fig. 3 SiO2- Al2O3end - member analysis 由图3可知1 SiO2 Al2O3等值线总体走向北 西,且有自北东向南西递减的规律,说明本区介质总体 搬运方向为自北东向南西 ;2 北东部212孔- 8孔联 线周围为区内SiO2 Al2O3高值区,反映煤中粘土矿 物后证实主要为高岭石、 水云母含量高,代表了近陆 一侧淡水介质泥炭沼泽环境 ;3 中部32孔- 40孔- 10孔- 20孔联线周围SiO2为高-较高值、Al2O3中高 值,反映除含一定量的粘土矿物外尚含少量的石英碎 屑矿物,指示受淡水影响的过渡带泥炭沼泽环境 ; 4 南西部9孔- 13孔联线及其南西地区为SiO2 Al2O3 低值区,指示粘土矿物含量低,说明机械沉积与分异作 用较弱,化学与生物化学作用占优势,推测为深覆水～ 半深覆水的泥炭沼泽环境 ;5 从等值线间距看,研究 区内中部密、 北部与南部均较稀,反映了中部过渡带地 区矿物质数量变化大、 沉积分异速率高以及环境变迁 较快的特点。 上述特征显示,研究区内发育一自北东近陆一侧 向南西覆水盆地方向推进的沉积环境体系,该体系控 制了本区10 煤的聚煤作用。 第三步CaO - MgO端元分析 由图4可知 1 CaO MgO等值线总体走向为 亦为北西～南东方向,且有自北东向南西递减的规律; 高值区位于研究区南西部,且呈开口南西的扇状,由此 推断本区主要是受来自南西方向海水的影响,且西南 部为湾状环境。2自北东向南西,CaO值变化由低到 高,MgO值则呈现 “中-低-高” 的变化规律,呈过渡 带泥炭沼泽的特点; 3 40孔- 11孔- 20孔联线以 东区域为CaO MgO低值区,表明化学与生物化学沉 积作用不发育,指示近陆浅覆水的泥炭沼泽环境 ; 4 南西部以9孔为中心的CaO MgO高值扇区,反映煤 中含有较高的方解石、 白云石等钙镁矿物质,化学与生 物化学沉积作用活跃,指示与海沟通较好的咸-半咸 水泥炭沼泽环境或滨海泥炭沼泽环境; 5 9孔与 212孔之间CaO、MgO值的极差分别为 ΔCaO 12. 84 ΔMgO 2. 97 如此高的CaO、MgO极差及递变的同方向性,又 一次反映了 “北东陆、 南西海” 的古地理格局。 图4 CaO - MgO端元分析 Fig. 4 CaO - MgO end - member analysis 第四步Fe2O3- SO3端元分析 从图5可以看出 1 Fe2O3 SO3等值线总体特 征为北部宽缓、 稀疏,南西部为一扇形高值区,且开口 南西,反映受来自南西方向的海水影响,使得南西部煤 层中富含黄铁矿,这与沉积介质中硫细菌的强活动性 及硫的高富集是分不开的,造成这种现象通常与富 Ca2 海水的直接补给及还原环境有关 〔3〕; 2 Fe2O3 值 呈以32孔、5孔及13孔分别为中心的扇形分布, Fe2O3的这种高值区通常与陆源淡水的注入有关,因 为淡水的介入带来了丰富的Fe3 离子;SO3值则呈 264 沉 积 学 报 第18卷 “南西高、 北东低” 的变化规律,反映海水影响南西强、 北东弱的特点 ;3 北部以32孔为中心的Fe2O3高值 扇,反映了腐植质丰富的近陆淡水泥炭沼泽环境 ; 4 以8孔- 10孔联线为中心的SO3低值扇应为淡水水 体楔入所致,该扇北东-南西的走向指示了淡水水体 的推进方向。5本区南东部以为受海水影响的还原 性的滞流覆水泥炭沼泽环境,北部、 北东部为受淡水影 响为主的弱氧化-弱还原性的开放淡水泥炭沼泽环 境。总的看,本区属于兼受淡水与海水影响的过渡带 泥炭沼泽环境。6扇状展布的Fe2O3与SO3等值线 显示成煤环境主要发育于湾状微环境基础之上。 图5 Fe2O3- SO3端元分析 Fig. 5 Fe2O3- SO3end - member analysis 4. 2 参照分析 10 煤层底板砂体图图 6 显示,研究区北部发育 了一系列的复合扇形砂体,砂体推进方向均为自北东 向南西,尤以复合扇南端的主扇形砂体发育最好,其前 方的席状砂体被改造成喙状。上述特征再次证实自北 东向南西存在着一个三角洲沉积环境体系,聚煤环境 便是在此基础上演变而成的。 从煤层厚度看,呈 “三薄三厚” 的变化规律,即扇根 薄,扇前缘厚;扇内薄,扇间厚;北东、 南西薄,中部地区 厚 〔4〕。 从硫成分看,SG L T 1. 09 ,SGL Y 0. 26 ,SGY J 1. 22 ,即煤中的硫主要来自成煤植物,其次为黄铁矿, 反映受海水影响的闭塞～半闭塞泥炭沼泽聚煤环境。 从煤岩特征看为光亮～半亮型煤,条带状结构,显 微煤岩组分中以镜质组分占绝对优势75 以上 , 反 映成煤植物群落以森林木本植物为主。 4. 3 综合分析 综上推知,研究区10 煤的聚煤环境总格局是在 自北东向南西推进的浅水三角洲图 7 基础上发育而 成的,该三角洲沉积环境体系的发展与演化控制了聚 煤环境空间配置、 演变及迁移的全过程。区内10 煤 聚煤环境尚可进一步划分为以下几个微环境分区 1.等值线;2. 10 煤层露头线;3.正断层;4.勘探边界 图6 10 煤层底板砂岩厚度等值线图 Fig. 6 Isogram of the footwall sandstone thickness of coal No. 10 1.分流河道;2.分流间湾泥炭沼泽;3.前缘砂体; 4.前三角洲砂泥质沉积;5.障壁滩地;6.潮坪泥炭沼泽;7.泻湖 图7 10 煤层聚煤模式图 Fig. 7 The coal accumulatlng model of coal seam No. 10 1 北、 北东部浅水三角洲平原淡水介质泥炭沼 泽聚煤区。 聚煤作用主要发生于河泛盆地、 废弃砂坝及天然 364第3期 郝吉生等“灰成分端元分析法” 及其在聚煤环境分析中的应用 堤等微环境演化而成的泥炭沼泽环境。煤中的矿物质 主要是一些机械沉积成因的粘土矿物及少量陆源碎 屑,黄铁矿含量低。 2 中部浅水三角洲前缘半咸水介质泥炭沼泽 聚煤区 聚煤作用主要发育于三角洲前缘分流间湾、 三角 洲间湾及被改造的河口砂坝泥炭沼泽环境,以覆水较 深、 较闭塞及偶尔遭受海水侵扰为特点,是区内聚煤最 佳的地区。 3 南西部前三角洲、 泻湖、 海湾咸-半咸水介 质泥炭沼泽聚煤区 聚煤作用主要发生于局限泻湖、 海湾及前三角洲 半深水环境上。咸水-半咸水介质、 覆水较深、 成煤植 物以耐盐的类红树林木本植物占优势,决定了煤中的 硫及钙镁矿物含量高,聚煤作用较差 〔5〕。 归结以上讨论,绘制出研究区10 煤层的聚煤模 式如图7所示。 5 结语 “灰成分端元分析法” 作为一种新方法虽然还不尽 完善,但事实证明它在聚煤环境分析中有着广阔的应 用前景,有待于在今后的应用中进一步发展和完善。 致谢该方法提出后,曾得到韩德馨院士、 沙庆安 研究员、 赵师庆教授审阅并提出宝贵意见,在此一并表 示衷心的感谢。 参 考 文 献 1 杨起,韩德馨主编.中国煤田地质学上册 [ M].北京煤炭工业出 版社,1979 ,56～57 2 武汉地质学院.地球化学[ M].北京地质工业出版社,1979 132 - 140 3 赵师庆.我国腐植煤的还原性质及其与沉积环境的关系[J ].沉积学 报,1984 ,22 53～64 4 郝吉生.河东煤田中部C2b - C3t含煤段沉积环境及太原组聚煤特 点[J ].山西地质,1993 ,2 198～202 5 郝吉生,葛宝勋.河东煤田中部石炭系灰岩中钙球的形态结构类型 及沉积环境意义[J ].焦作矿业学院学报,1991 ,3 53～57 The Analysis Based on Ash - Composition and Its Application in Coal - Accumulating Environment Reconstruction HAO Ji2sheng GE Bao2xun XIE Hong2bo Jiaozuo Institute of Technology Jiaozuo Henan 454159 Abstract The Analysis Based on Ash - Composition is a new in coal - accumulating environment analy2 sis and reconstruction. Principles of the are that all ash composition comes from the minerals and clasts in coal seams , so it is possible to reversely infer the sorts , contents and grading law of the minerals and clasts of coal seam from the sorts , contents and grading law of ash composition ,in advance to judge the coal ing environ2 ment. Main points are as follows 1 According to the end - member SiO2- Al2O , analyze the sort , content and its grading law of clay miner2 als and land - source clasts in coal seams ,in advance to judge the main direction of trasportion. 2 According to the end - member CaO - MgO , analyze the sort and content of calcium - magnesium mineral in coal , in advance to judge the distance between coal - accumulating environment and the marine. 3 According to the end - member Fe2O3- SO3, analyze the sort and content of iron mineral esp. pyrite , in advance to judge the oxidation - reduction condition of coal - accumulating environment. This was applied in studying accumulating environment of coal seam No. 10 in Taiyuan Group , He2 dong Coal Basin , and achieved satisfactory result ,which proved that the analysis based on ash - composi2 tion is a valuable way in reconstructing coal ing environment. Key words ash - composition environment analysis coal accumulation Hedong Coal Basin 464 沉 积 学 报 第18卷