新疆準東煤田東部礦區西山窯組煤層煤相分析

張宇航，王德利

(1.新疆煤田地質局綜合地質勘查隊，新疆 烏魯木齊 830009；2.新疆煤田地質局煤層氣研究開發中心，新疆 烏魯木齊 830091)

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新疆準東煤田東部礦區西山窯組煤層煤相分析

張宇航1，王德利2

(1.新疆煤田地質局綜合地質勘查隊，新疆 烏魯木齊 830009；2.新疆煤田地質局煤層氣研究開發中心，新疆 烏魯木齊 830091)

該文以沉積學、煤巖學和煤相學理論為指導，運用煤相劃分參數分析煤相類型，結合宏觀和微觀煤巖特征，認為新疆準東煤田東部礦區成煤環境為相對干燥的森林沼澤，根據煤相參數的垂向變化，將研究區劃分為3種煤相類型：干燥森林沼澤、濕地森林沼澤Ⅰ和濕地森林沼澤Ⅱ。單層煤沼澤類型一般下部為淺覆水森林沼澤或濕地森林沼澤，向上過渡為干燥森林沼澤，代表泥炭沼澤環境由潮濕逐漸變為干燥，覆水程度逐漸變淺，為全區的煤層對比、聚煤規律的認識等提供了理論依據。

煤相分析；西山窯組；準東煤田；新疆

研究區位于準噶爾盆地東部隆起帶北端，沙帳斷褶帶以東，北面和南面分別以克拉美麗山和博格達山為界。包括將軍戈壁、白礫灘煤礦勘查區，面積約171km2，行政區劃屬新疆昌吉回族自治洲管轄(圖1)。

1 區域地質背景

1.1 準噶爾盆地構造背景及演化

準噶爾盆地周圍被哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和塔里木板塊包圍，呈不規則三角形，基底由前寒武紀結晶巖系和古生代褶皺基底組成，是一個具雙重結構特征的大型含煤盆地，面積約13萬km2(圖2)[1]。

準噶爾盆地自晚石炭世到第四紀先后經歷了海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構造運動作用，從而形成了多期構造旋回和成盆演化階段。其侏羅紀為典型的封閉型陸內坳陷盆地，湖平面升降主要受構造和氣候等因素控制，侏羅紀多套煤層的形成是受低幅度振蕩事件的影響，并發育多個局部不整合，經歷了多期多旋回構造運動的影響和疊加，從而形成今天的構造格局[2]。

圖1 研究區位置及構造略圖

1—板塊對接縫合線；2—逆沖斷層；3—走向滑動斷層；4—斷裂編號；5—蛇綠巖；6—盆地；7—Anε陸殼基底圖2 準噶爾盆地大地構造背景圖(據西北大學地質系1996年修改)

1.2 準噶爾盆地充填序列

石炭紀末的早海西運動是Pangea古大陸的拼合時期，該界面之下是一套基底巖系，之上自二疊紀開始進入了盆地蓋層巖系的充填演化階段，盆地充填的地層自下而上如表1。其中侏羅系中統西山窯組(J2x)為研究的目的層段[3]。

2 西山窯組含煤巖系巖相特征

巖相是由一定巖石特征限定的巖石單位[4]，西山窯組含煤巖系的巖相組成有以下幾種類型：

(1)平行層理和楔狀交錯層理細—中砂巖：白色，為濱湖砂壩沉積(圖3A)。

表1 準噶爾盆地區域地層簡表

圖3 研究區含煤巖系典型巖相特征

(2)槽狀交錯層理粗砂巖：灰色，為三角洲平原分流河道沉積，單層厚度不等，夾大量碳屑和煤屑(圖3B)。

(3)砂礫巖：灰色、灰白色，成分以石英為主，槽狀交錯層理，塊狀構造，泥鈣質膠結，磨圓較差，通常為河道滯留沉積，對下伏地層具有明顯沖刷接觸(圖3C)。

(4)細砂巖：灰色，顯示水平層理，為濱淺湖相沉積(圖3D)。

(5)細砂巖：灰色，發育波狀層理，為三角洲平原分流河道邊緣沉積，含大量的碳屑和碳質團塊(圖3E)。

(6)泥巖與粉砂巖互層：灰色，發育水平層理，為三角洲前緣水下天然堤沉積(圖3F)。

(7)泥巖：灰色，水平層理發育，為淺湖相沉積(圖3H)。

(8)煤和炭質泥巖：灰黑色、黑色，單層厚度一般較大，為穩定的河漫沼澤和泥炭沼澤沉積。

3 樣品采集與實驗方法

研究樣品采集于白礫灘礦區ZK103孔的煤心煤樣，遵照連續、完整的原則，逐層分別采取煤巖樣品28件，其中B1煤層樣品7個，B1’煤層樣品5個，B2煤層樣品8個，B3煤層樣品8個。樣品在實驗室進行粉碎和縮分。煤巖光片的制備按照國家標準煤巖分析樣品制備方法進行(GB/116773-2008)，工業分析測定按照國家標準(GB/T212-2001)進行，顯微組分觀察和定量分析按照國家標準(GB/T8899-1998)進行。

4 宏觀煤巖特征

白礫灘礦區ZK103鉆孔煤層總厚56.79m，在樣品采集過程中，根據肉眼鑒定平均光澤強度的差異，對煤層的宏觀煤巖特征進行詳細的觀察和描述，劃分出各種煤巖類型(圖4)。下段B1煤層厚14.25m，宏觀煤巖類型以暗淡和半暗型煤為主，少量的半亮型；整體光澤強度顯示由暗到亮再到暗的旋回變化；煤層結構主要為條帶狀結構，次為線理狀結構。B1′煤層總厚6.23m，宏觀煤巖類型以暗淡和半暗煤為主，少量的半亮型；整體光澤強度自煤層下部向上部具有由暗到亮的變化趨勢；煤層結構可見大量的條帶狀及少量的線理狀結構。B2煤層厚19.92m，宏觀煤巖類型為暗淡和半暗交替，但煤層底部和頂部均為暗淡煤；煤層結構主要為線理狀結構。上段B3煤層厚16.39m，宏觀煤巖類型為暗淡煤、半暗煤和半亮煤交替，但煤層底部和頂部均為暗淡煤；主要為線理狀結構。整個煤層宏觀煤巖類型分布比例，暗淡煤占46.4%，半暗煤占35.7%，半亮煤占17.8%。

圖4 白礫灘礦區ZK103孔煤層宏觀煤巖類型圖

5 微觀煤巖特征

煤樣鏡質組含量為33.5%～62.6%，平均為46.6%；惰性組含量為37.4%～65.6%，平均為52.8%；殼質組含量低，一般小于2.0%。不同煤層顯微組分組成具有一定差異，B3煤層鏡質組含量最低，為34.4%～50.1%，平均41.3%；B2煤層鏡質組含量最高，為36.7%～62.6%，平均50.6%；B1煤層鏡質組含量介于兩者之間，為33.5%～60.3%，平均47.5%；由于煤樣殼質組含量低，煤層中的惰性組含量與鏡質組含量呈鏡像關系(表2、表3)。鏡質組以結構鏡質體和碎屑鏡質體為主，其次為均質鏡質體和基質鏡質體，團塊鏡質體和膠質鏡質體少見；惰性組以絲質體和半絲質體為主，其次為碎屑惰性體和粗粒體。

表2 白礫灘礦區ZK103孔各煤層顯微組分含量

續表2

注：T—結構鏡質體，TC—均質鏡質體，VC—碎屑鏡質體，CC—團塊鏡質體，DC—基質鏡質體，GC—膠質鏡質體，F—絲質體，SF—半絲質體，Ma—粗粒體，Mi—微粒體，ID—碎屑惰性體，Sc—菌類體，ΣV—鏡質組總量，ΣI—惰性組總量，ΣE—殼質組總量

表3 各編號煤層顯微組分含量成果統計

注：B1’和B1合并為B1

研究區B3，B2，B1煤層顯微組分含量相近，且絲質體含量多，而絲質體的含量和分布狀態是影響煤層明暗程度的主要原因。通常情況下，絲質體細胞結構保存完整，可作為泥炭沼澤干燥、氧化作用較強的標志，該次研究的煤巖類型大多為富惰性組暗煤，反映了成煤時泥炭沼澤中覆水較淺，為氧化、半氧化環境。同時煤中鏡質體反射率(R0max)0.26%～0.48%，平均為0.41%，變質程度屬老褐煤與煙煤的過渡階段，反映了其變質程度較低[5]。

6 成煤環境研究

6.1 煤相劃分參數

煤層的顯微組分含量是煤層成因的重要標志，也是劃分煤相的主要依據。該文采用顯微組分定量分析來劃分煤相類型的成因參數法，是目前較為普遍的煤相分析方法。

從顯微組分組合與礦物質含量ABC三角相圖可以看出(圖5)，樣品投點非常集中地位于淺沼相A的區域內，表明沼澤類型為淺沼，處于淺水地帶，植物的結構保存較為完好。與結構保存指數-凝膠化指數(TPI-GI)相圖以及地下水影響指數-植被指數(GWI-VI)相圖所展現的泥炭沼澤環境相一致，同時各點非常集中，說明其泥炭沼澤類型單一，沼澤環境也非常穩定[7-9]。

圖5 各編號煤層顯微組分ABC三角圖解

各編號煤層在WRD-TFD三角圖解中一致顯示木質組分占絕對優勢，且在TFD三角圖中(圖6)，大部分點都投在了(T+F)/D>1及T/F<1的區域，顯示以木質組分為主的森林沼澤相且植物組織凝膠化程度偏低[4]。多數的點投在干燥森林沼澤相，其次為湖沼-淺沼相及淺沼相，而與開闊沼澤環境相差較遠，與ABC三角圖相互印證，反映當時成煤環境為偏干旱環境。

搬運指數(TI)判別水體活動性強度，此參數反映泥炭沼澤水動力活動的強弱，比值大則水動力活動強。計算結果各個樣品之間的結果波動范圍不大，搬運指數TI的計算結果未在表中列出，其數值整體較低，在0.12～0.45之間，波動范圍較小，平均值為0.34，反映沼澤水動力活動很微弱。各煤巖樣品特征參數含量如表4所示。

圖6 各編號煤層顯微組分WRD-TFD圖解

樣號TPIGIGWIVIV/IABCWDRTFDS1011.531.221.421.611.0257.7610.066.760.580.070.350.200.370.42S1022.120.890.412.270.8066.915.5517.000.670.170.160.310.360.33S1031.221.030.941.530.6752.2917.9216.090.520.160.320.200.320.48S1042.540.830.193.490.5467.7910.2213.950.680.140.180.280.390.32S1051.490.920.711.880.5956.6811.1915.520.570.160.280.210.360.43S1061.371.190.871.630.8153.8314.1213.770.540.140.320.230.300.46S1071.950.600.412.120.5265.356.1520.800.650.210.140.240.410.35S1081.321.770.551.990.8953.5524.1811.520.540.120.350.280.250.46S1091.291.020.711.790.5854.1916.9215.590.540.160.300.210.330.46S1104.011.540.214.051.5380.041.609.380.800.090.100.500.300.20S1112.191.770.302.281.6768.621.7015.500.690.160.160.480.210.31S1121.391.600.651.701.0655.7114.7012.890.560.130.310.300.250.44S1133.870.820.344.890.6878.216.475.940.780.060.160.290.490.22S1141.521.910.451.871.3058.4612.7813.910.580.140.280.380.200.42S1153.551.630.303.971.4878.0210.245.880.780.060.160.460.320.22S1161.091.540.871.890.6249.4125.299.730.490.100.410.200.290.50S1171.590.772.411.690.6558.604.916.770.590.070.350.120.470.41S1181.412.260.751.701.5256.1918.928.240.560.080.360.340.220.44S1191.541.290.521.910.9059.339.2414.970.590.150.260.310.280.41S1201.141.410.861.670.7450.2928.1512.810.500.130.370.220.280.50S1212.111.390.442.291.2265.6113.9413.200.660.130.210.370.280.34S1221.480.990.452.360.5158.2418.4614.700.580.150.270.220.360.42S1231.481.270.681.870.9058.8616.4612.980.590.130.280.280.310.41S1242.331.600.612.421.5269.5319.636.090.700.060.240.370.320.30S1251.361.210.601.880.6854.0418.3814.640.540.150.310.250.290.46S1262.041.250.722.201.1265.644.408.340.660.080.260.300.360.34S1272.400.671.022.560.6169.286.508.870.690.090.220.180.510.31S1281.302.100.761.751.2053.2722.038.430.530.080.380.300.230.47平均1.881.300.682.260.9461.2813.2211.940.610.120.270.290.320.39

注：TPI—結構保存指數；GI—凝膠化指數；GWI—地下水影響指數；VI—植被指數；V/I—鏡惰比；TI—搬運指數

6.2 煤相類型及特征

參考成因參數的定量計算和綜合分析，各編號煤巖樣品的TPI值和VI值普遍都大于1，說明木本親緣顯微組分占優勢，成煤原始物質主要來源于高等木本植物，為森林泥炭沼澤；根據地下水影響指數、凝膠化指數以及鏡惰比參數大小又可將森林沼澤按覆水程度劃分為兩種，即干燥森林沼澤和濕地森林沼澤，其中濕地森林沼澤又劃分為3個亞相，即濕地森林沼澤I和濕地森林沼澤II(圖7)[10-12]，其定量特征見表5。

圖7 白礫灘ZK103孔編號煤層成煤沼澤環境類型劃分TPI-GI和GWI-VI相圖

煤相煤相劃分參數三角端元組分含量V/IGITPIA+DBCWFSI0.58～1.521.02～2.261.09～1.540.59～0.830.09～0.280.07～0.16WFSII1.12～1.671.25～1.772.04～4.010.73～0.890.02～0.200.06～0.16DFS0.51～0.800.60～0.991.48～3.870.67～0.880.05～0.180.06～0.21

(1)干燥森林沼澤相(DFS)

具有較低的GI值和GWI值，TPI值和VI值變化較大，V/I值最小。以暗淡煤和半暗型煤為主，反映成煤沼澤環境屬于十分干燥的以木本植物為主的森林沼澤，覆水較淺或泥炭層表面常暴露于空氣中，因而具有較高的惰性組含量和低的灰分含量，此煤相相當于分流河道成煤環境。

(2)濕地森林沼澤相I(WFSI)

V/I和GI值較高，TPI值最低，成煤沼澤環境屬于覆水程度中等的以木本植物為主且水流通暢的森林沼澤環境。與干燥森林沼澤相比，覆水程度略高，泥炭沼澤表面處于水面以下附近，長期遭受機械破碎或化學降解作用較強，因此大量鏡質組份無結構或結構保存很差，相當于上三角洲平原沉積環境。

(3)濕地森林沼澤相II(WFSII)

較高的V/I和GI值，TPI值最高，代表成煤沼澤環境為覆水程度相對較深且水流不暢的十分潮濕的以木本植物為主的森林泥炭沼澤，泥炭堆積速度較快，增加了煤中結構鏡質組的含量，植物細胞結構保存較好，該煤相類型相當于下三角洲平原或濱湖沉積[13]。

6.3 煤相類型垂向演化

3種煤相在垂向上的演化特征在沉積環境條件之間存在一定的變化規律，煤沼澤類型一般下部為濕地森林沼澤向上過渡為干燥森林沼澤，即WFSII—WFSI—DFS的演化趨勢，代表以木本植物為主的森林泥炭沼澤環境由潮濕逐漸變為干燥，覆水程度逐漸變淺；垂向上鏡質組含量(V)，V/I，TPI，VI值向上由大變小，惰性組含量(I)向上由小變大，且向上隨著覆水逐漸變淺，煤層的灰分也呈現明顯的下降趨勢，而GWI值的變化則無規律[14](圖8)。

圖8 白礫灘礦區ZK103孔煤相類型垂向演化特征

湖擴體系域形成的B1和B2煤宏觀煤巖類型以暗淡、半暗型煤為主，少量半亮煤，成煤沼澤類型主要為干燥森林沼澤和濕地森林沼澤(DFS+WFS)；高位體系域形成的B3煤則以干燥森林沼澤(DFS)成煤環境為主，其中B3煤主要是暗淡型煤，含有大量絲炭[15]。

湖擴體系域成煤沼澤環境具有自下而上由DFS—WFS的演化趨勢，鏡質組含量、灰分、TPI，V/I等參數由大變小，說明隨著湖平面不斷震蕩上升，早期泥炭沼澤中具有相對較高的地下水位，且不時的受到洪水的影響，形成的煤具有較高的灰分，同時高的地下水位也提高了結構保存程度和凝膠化程度，泥炭沼澤發育后期，凸起的泥炭表面高出地下水面遭受氧化，增加了煤中惰性組的含量，灰分含量大大降低，從而演化為相對干燥的泥炭沼澤。但不斷上升的基準面(湖平面)使泥炭沼澤總體保持在濕地森林沼澤成煤環境。高位體系域湖平面處于相對緩慢下降期，形成的沼澤類型早期可能為濕地森林沼澤或淺覆水森林沼澤，之后由于湖平面下降或泥炭沼澤表面生長趨于形成凸起沼澤，泥炭層表面多處位于地下水位之上或周期性地暴露在空氣中，從而增加了惰性組含量，降低了凝膠化程度和鏡惰比(V/I)[16-17]。

從下部的B1到上部的B3煤層，干燥森林沼澤所占比例逐漸增加，說明準東煤田中侏羅世成煤期間氣候由潮濕逐漸向干燥轉化。從剖面上看，半暗和暗淡型煤所占比例及惰性組含量自下而上不斷增加得到驗證。

7 結論

(1)研究區煤層宏觀煤巖類型以暗淡型煤為主，其次為半暗型煤及半亮型煤，主要發育條帶狀和線理狀結構。煤層有機顯微組分以惰性組含量占優勢，鏡質組次之，殼質組含量較低。

(2)研究區劃分為三種煤相類型，即干燥森林沼澤、濕地森林沼澤I和濕地森林沼澤II。單層煤沼澤類型一般下部為淺覆水森林沼澤或濕地森林沼澤向上過渡為干燥森林沼澤，即WFSII—WFSI—DFS的演化趨勢，代表以木本植物為主的森林泥炭沼澤環境由潮濕逐漸變為干燥，覆水程度逐漸變淺。

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Analysis on Coal Facies of Xishanyao Coal Strata in Eastern Mining Area of Zhundong Coalfield in Xinjiang Uygur Autonomous Region

ZHANG Yuhang，WANG Deli

(1.Comprehensive Geological Exploration Team of Xinjiang Coal Geological Bureau, Xinjiang Urumqi 830009, China; 2. Coalbed Gas Research and Development Center of Xinjiang Coalfield Geology Bureau, Xinjiang Urumqi 830091, China)

Based on the theory of sedimentology, coal petrology and coal petrography, using the coal facies classification parameter, coal facies types have been analyzed. According to coal and rock macroscopic and microscopic characteristics of coal strata, it is summarized that the coal forming environment is a relatively dry forest swamp. According to the vertical coal facies parameters change, the study area is divided into three types of coal facies: dry forest swamp, wetland forest swampⅠand wetland forest swamp Ⅱ. Single coal swamp types are generally lower for shallow overburden water forest or swamp wetland forest swamp transition to dry up the forest swamp. It represents the peat swamp environment gradually become dry, wet water level becomes shallow gradually. It will provide the theory basis for coal strata contrast and the recognition of coal accumulating law.

Coal facies analysis; Xishanyao formation; eastern Junggar coalfield; Xinjiang

2017-01-17；

2017-06-06；編輯：曹麗麗 作者簡介：張宇航(1987—)，女，河南南陽人，工程師，主要從事礦產普查與勘探工作；E-mail：441835889@qq.com

張宇航，王德利.新疆準東煤田東部礦區西山窯組煤層煤相分析[J].山東國土資源，2017,33(7)：17-24.ZHANG Yuhang，WANG Deli.Analysis on Coal Facies of Xishanyao Coal Strata in Eastern Mining Area of Zhundong Coalfield in Xinjiang Uygur Autonomous Region[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(7)：17-24.

P618.13

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