岳立孝，石彥強

(1.山西省煤炭地質114勘查院，山西 長治 046000； 2.北京大地高科煤層氣工程技術研究院，北京 10041)

0 引言

玉溪井田位于山西省沁水煤田南部，沁水縣胡底鄉(xiāng)境內，含煤地層為石炭二疊系，勘查中我們對鉆孔巖心進行了認真觀測編錄，將巖心資料與測井曲線進行了詳細對比分析，編制了各種分析圖件，運用先進的沉積學理論深入研究，對本區(qū)的聚煤規(guī)律有了較為清晰的認識。

1 含煤地層的時代劃分

近來研究發(fā)現(xiàn)石炭二疊系的各個階都含有牙形刺分布，且化石量多、演化快、分布廣。其中Streptognathodusisolatus即見于盆地相也見于臺地相，分布廣泛，廣于亞洲(包括中國)、北美和歐洲各個地區(qū)[2]，因此以牙形刺Streptognathodusisolatus的出現(xiàn)作為二疊系的開始，得到了國際地層委員會和國際地科聯(lián)確定并推廣使用[3]。

在以往的牙形刺化石鑒定中，由于標準不統(tǒng)一，當時并沒有正確命名Streptognathodusisolatus這一標準化石，以致山西石炭二疊系的界線一直飄忽不定。2000年王成源、康沛泉在研究王志浩、李潤蘭(1984)山西太原西山剖面東大窯灰?guī)r(L5)．斜道灰?guī)r(L4)，毛兒溝灰?guī)r(K2)和廟溝灰?guī)r(L1)等灰?guī)r中的牙形刺，發(fā)現(xiàn)原定名為S.gracilis.，其實就是S.isolatus，認為太原組的這四層灰?guī)r應全部屬二疊系，太原組廟溝灰?guī)r(L1)的底界已非常接近二疊系的底界。又在王志浩、文國忠(1987)晉東南地區(qū)太原組的K4灰?guī)r和K5灰?guī)r牙形刺化石中，見到S.isolatus[6]。因此本區(qū)二疊系的底界應該在K2灰?guī)r的底板以下，到K0后寺灰?guī)r頂板以上。

動態(tài)聚煤模式認為煤系石灰?guī)r底板與下伏煤層是連續(xù)沉積，一般不會出現(xiàn)沉積間斷；而煤層底板常見古土壤層和根土巖，橫向可見后生的下切河谷，是很好的暴露標志[7]，即沉積間斷標志。因此推薦將晉東南石炭、二疊系分界線定在牙形刺Streptognathodusisolatus首現(xiàn)的K2灰?guī)r下伏的15號煤層底板與根土巖之間。

依據上述劃分標準，采用新的石炭系二分、二疊系三分的方案，對照國際地層表(2008-2009)將本區(qū)含煤地層劃分為石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)、晉祠組(C2j)和二疊系下統(tǒng)太原組(P1t)、山西組(P1s)。

2 含煤地層沉積特征、環(huán)境演化及聚煤規(guī)律

2.1 石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)(O2f頂-K1砂巖底)

(1)沉積特征。本組與下伏奧陶系峰峰組(O2f)為平行不整合接觸，厚度3.25(1202孔)～3.80m(13—1孔)，平均3.53m為灰-深灰色含鋁質泥巖，含鮞粒具星散狀黃鐵礦，均勻層理為主。底部0.8m±透鏡狀鐵礦層(山西式鐵礦)。上部含較多的植物化石。巖礦鑒定：含鋁鐵礦球粒。水化白云母片定向排列，并環(huán)繞菱鐵球粒顯示旋轉構造及鄒紋狀層理。為澙湖沉積(圖1)。

(2)環(huán)境演化。本區(qū)位于華北聚煤盆地中南部，晚古生代含煤沉積體系的形成和演化受華北聚煤盆地沉積動力學控制。中奧陶世末期，受西伯利亞板塊(北部)和揚子板塊(南部)雙向俯沖，華北板塊巖石圈在擠壓撓曲中整體抬升，遭受長達約125Ma的風化剝蝕及地球化學作用，形成了凹凸不平的古喀斯特地貌，并殘積了大量鐵鋁質黏土，當中石炭世本溪期海侵來臨之時，對殘積物進行改造運移，凹凸地形已逐漸“填平補齊”。

2.2 石炭系上統(tǒng)晉祠組(C2j) (K1砂巖底-15號煤層底)

(1)沉積特征。本組厚3.40(1601孔)～11.92m(0801孔)，平均厚度6.41m，呈北厚南薄的趨勢。至下而上為：

K1為細粒砂巖，厚1.0～1.80m，平均1.43m，灰白色薄層狀，石英為主，硅質膠結，脈狀層理，夾泥巖條帶。巖礦鑒定：為石英砂巖、含少量高嶺石及黃鐵礦、分選差，不等粒結構，為障壁島沙坪沉積。

K1頂-15號煤底：深-黑灰色泥巖粉砂巖、含鋁泥巖、中夾中粒砂巖，含星散狀黃鐵礦，及黃鐵礦結核，較多不完整植物化石，上部含菱鐵礦結核，頂部豐富植物根化石。礦巖鑒定：泥巖主要為高嶺石，砂巖以細粒結構為主，碎屑占85%主要為石英，偶見云母及電氣石。為澙湖，潮坪及砂壩沉積。

(2)環(huán)境演化。根據地層沉積厚度及區(qū)域分析，本區(qū)海侵來自北部，區(qū)內以障壁島-澙湖體系沉積為主，對有限的碎屑進行改造運移，地形已逐漸“填平”，為大規(guī)模泥炭沼澤發(fā)育奠定了良好的基礎。

圖1 玉溪3-1孔含煤地層沉積層序圖Figure 1 Coal-bearing strata sedimentary sequence in borehole Yuxi No.3-1

2.3 二疊系下統(tǒng)太原組(P1t) (15號煤層底-K7砂巖底)

為主要含煤地層，厚76.65(13-1孔)～87.35m(1202孔)，平均厚度82.99m，為典型的海陸交互相旋回沉積，根據巖性特征自下而上可分為二段。

2.3.1 太原組一段(P1t1) (15號煤層底-黃水溝砂巖底)

(1)沉積特征。本段標志層橫向穩(wěn)定，沉積結構清楚，以海侵石灰?guī)r發(fā)育為特征。厚25.56～26.40m，平均28.98m,

底部為15號煤厚1.20m(1202孔)～2.00m(13-1孔)平均1.60m，全區(qū)可采。煤層為中條帶狀結構，亮煤為主，鏡煤、暗煤次之，可見黃鐵礦結核，煤質由下而上變好，原煤灰分(Ad)為15.35%～22.36%，平均18.86%，變化不大，下部灰分較高，中灰煤區(qū)(Ad>20%)位于西北角0801孔和西南角1602孔；原煤硫分(St,d)為4.93%～6.65%，平均5.79%，上部明顯高于下部。為動態(tài)泥炭沼澤堆積。

(2)環(huán)境演化及聚煤規(guī)律。底部15號煤層形成于北海南陸向南海北陸的轉換開始海水向北退出后廢棄的廣闊平坦的澙湖潮坪之上，地殼運動轉為穩(wěn)定、周邊地勢和緩、氣候濕潤、植物生長茂盛，為成煤提供了有利條件，連續(xù)廣布縱橫向動態(tài)發(fā)育的泥炭沼澤，由于早期距海岸比較近，偶然性風暴潮海水侵入泥炭沼澤，導致15號煤下部灰分、硫分較高；隨著動態(tài)泥炭沼澤的進一步發(fā)育，泥炭沼澤內部已經基本脫離了海水及陸源碎屑侵入的影響，表現(xiàn)為淡水雨源泥炭沼澤堆積；早二疊世華北最大的海侵K2終止了本次泥炭堆積，并導致煤層上部硫分增高。

在K2石灰?guī)r最大海侵基礎上，盆地可容納空間較大，沉積物注入量較小，盆地長期處于饑餓狀態(tài)，泥炭沼澤只能在海退后期廢棄的三角洲前緣及潮坪短暫發(fā)育，由于海侵海退頻繁，不久就被下一次海侵淹沒，未形成可采煤層。K4后海退作用加強，基準面下降，河流下切作用導致頂部K4石灰?guī)r常受后期沖刷缺失。

2.3.2 太原組二段(P1t 2)

(2)環(huán)境演化及聚煤規(guī)律。本段開始盆地處于低水位時期，河流下切作用較強，沖刷早期10號煤、K4石灰?guī)r至11號煤頂，由于海侵作用減弱，碎屑注入量增強，盆地經常處于半飽和狀態(tài)，過渡型三角洲平原廣布，本區(qū)位于分流河道發(fā)育帶附近，決口頻繁，未形成可采煤層。

2.3.3 山西組(P1s)(K7砂巖底-K8砂巖底)

(1)為主要含煤地層，厚45.74～66.24m，平均51.73m。是在太原組最后一次海侵K6基礎上發(fā)育的陸源碎屑過渡相沉積。厚煤層3號形成于沉積體系轉換階段。其層序自下而上為(圖2)。

①K7砂巖厚0.60～9.30m，平均4.07m。主要為細粒砂巖、粉砂巖，局部為中粒砂巖，含黃鐵礦結核及散晶，潮薄-微層狀，層面含較多植物碎屑，潮汐層理發(fā)育。巖礦鑒定：碎屑65%，以石英為主，巖屑次之，含云母具少量菱鐵礦。黏土泥含量20%，小團粒狀的菱鐵質占15%, 不規(guī)則狀黃鐵礦結核。

圖2 山西組沉積剖面圖Figure 2 Shanxi Formation sedimentary section

為潮坪沉積；厚砂體屬潮道沉積。潮道沖刷下部K6石灰?guī)r。

②K7頂-3號煤底，厚7.90～13.50m,平均11.20m。為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖及中細粒砂巖。薄層狀，微層狀潮汐，含菱鐵礦結核及植物化石碎片。砂體較薄，大多能連成片，垂向多呈逆粒序，巖礦鑒定：下部泥質以水云母為主高嶺石次之，含炭屑。中上部泥質含量40%以高嶺石為主，水云母次之含炭屑。粉砂屑占30%，以石英為主，少量細條帶狀白云母，30%為小斑狀微晶質鐵礦；砂巖中為細粒結構，碎屑占65%，石英為主。巖屑次之，含長石。雜基占35%，主要為黏土礦物團塊的有機炭屑。系受潮汐強烈改造的三角洲前緣狀砂沉積。

③3號煤厚5.12～6.56m，平均5.91m，層位及厚度均很穩(wěn)定，煤層為中條帶狀結構，鏡煤、亮煤為主，夾少量暗煤，屬光亮型煤，顯微組分以鏡質組為主占81.6%，絲質組占18.4%。原煤灰分(Ad)為11.74%～16.52%，平均14.33%，變化不大，低灰?guī)а?0-2孔和13-1孔呈NNW向分布；原煤硫分(St,d)為0.31%～0.40%，平均0.37%，主要為有機硫。系廢棄潮汐三角洲前緣基礎上發(fā)育的動態(tài)泥巖沼澤，東南條帶狀變薄，為后期河流沖刷所致。

圖3 3號煤層厚度等值線圖Figure 3 Isopach map of coal No.3

圖4 3號煤層直接頂板泥巖厚度等值線圖Figure 4 Isopach map of coal No.3 immediate roof mudstone

④三號煤頂板以深-黑灰色泥巖、粉砂巖為主、中厚層狀、含豐富植物化石。厚0～17.58m,平均4.66m，不穩(wěn)定。巖礦鑒定：偽頂炭質泥巖以高嶺石為主，炭屑次之，含水云母；直接頂泥巖以水云母為主，高嶺石次之，含炭屑。系三角洲分流間灣沉積。其上的K砂巖，厚0～8.91m，(12-1孔)，平均3.93m，以中細粒結構為主、分選較好，含較多白云母片及菱質鮞粒，多為逆粒序，交錯層理及脈狀、波狀層理。砂體為朵狀重疊，橫切面為透鏡狀。巖礦鑒定：碎屑含量40%，石英為主云母次之，含長石黏土礦物、有機炭泥質、呈條帶狀。菱鐵礦含量，呈斑點與小團塊呈半定向排列。屬河口壩沉積。局部(12-1孔)正粒序，具大型交錯層理、平行層理，底部夾泥巖包體。為分流河道沉積，東南部河道下切沖刷直至3號煤頂，對煤層有輕微的沖刷作用。

⑤K砂巖頂-K8底：為淺灰-灰色中細粒砂巖夾深-黑灰色泥巖、粉砂巖，1、2號等薄煤層及炭質泥巖。含植物化石。巖礦鑒定：泥巖高嶺石為主，水母次之，含炭屑云母。為三角洲分流河道，決口扇，分流間灣等沉積。

(2)環(huán)境演化及聚煤規(guī)律。早二疊世早期為海侵作用末期，可容納空間減小，潮汐作用增強，對有限的物源碎屑廣泛運移、改造形成廣闊平坦的海岸平原。隨著海水進一步退出,泥炭沼澤廣泛發(fā)育，由于海退作用較強，無旋回往返之動力，泥炭沼澤幾乎未受海水影響，硫分較低；同時廣布的沼澤植被被限制了物源碎屑注入，地表水細流化，能量降低，碎屑河流 只能在很窄的條帶中垂向發(fā)育。泥炭沼澤得以在良性循環(huán)中可持續(xù)發(fā)展，形成層位及厚度均很穩(wěn)定的3號煤層。其后構造作用增強，物源碎屑大范圍侵入終止了本次泥炭聚積，同時局部河流下切沖刷導致煤層條帶狀變薄。此后碎屑注入量增大，三角洲分流河道發(fā)育，側向決口，環(huán)境改變頻繁。區(qū)內從此不再有可觀的聚煤作用發(fā)生。

3 結論

(1)玉溪井田位于華北聚煤盆地中南部，含煤地層為石炭二疊系。

(2)為了與國際接軌，根據國際地層委員會和國際地科聯(lián)確定并推廣使用的，以牙形刺Streptognathodusisolatus的出現(xiàn)作為二疊系的開始及動態(tài)聚煤規(guī)律，推薦將本區(qū)石炭、二疊系分界線定在15號煤層底板與根土巖之間，便于推廣和使用。

(3)對本區(qū)沉積特征進行了詳細研究，對環(huán)境演化和聚煤規(guī)律進行了系統(tǒng)分析。

(4)本溪組以海侵為主的瀉湖海灣鐵鋁巖沉積，晉祠組以海退為主的障壁島-澙湖沉積，太原組為典型的海陸交互相旋回沉積，山西組為海侵末三角洲體系沉積。

(5)煤層形成于廢棄碎屑沉積之上的動態(tài)泥炭沼澤，可采煤層的形成是成煤泥炭沼澤自身發(fā)育并對周圍環(huán)境限制、引導的結果—動態(tài)聚煤模式。煤層厚度變化與基底環(huán)境關系不是太大，主要是繼承其遺留的地貌垂向發(fā)育；后期環(huán)境的影響可能會更大一些，主要表現(xiàn)在對成煤泥炭層的下切沖刷作用，海侵下滲導致煤中硫分增高。

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