山西古交礦區(qū)含煤巖系泥巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

張海濤

(宿州學(xué)院 安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000)

古交礦區(qū)含煤巖系主要包括石炭系和二疊系地層中的太原組和山西組[1]，研究區(qū)煤的頂板主要由泥巖組成，開采之前要對(duì)頂板進(jìn)行處理，但由于頂板泥巖性質(zhì)不穩(wěn)定而造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越多，因此系統(tǒng)的了解研究區(qū)內(nèi)泥巖的地球化學(xué)特征是非常必要的.通過提取采集的樣品中的稀土和微量元素，并分析這些元素的特征，可以提供一些直觀的證據(jù)去還原研究區(qū)目標(biāo)層位的沉積環(huán)境，同時(shí)通過對(duì)泥巖中元素種類、含量的變化可以讓我們進(jìn)一步了解古交礦區(qū)含煤巖系中沉積物的來源.

1　山西古交礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

1.1　古交礦區(qū)自然地理概況及構(gòu)造背景

古交礦區(qū)位于山西省省會(huì)會(huì)太原市的西部，見圖1，呂梁山東支，汾河上游[2]，礦區(qū)總面積約665 km2，區(qū)域內(nèi)地勢(shì)總體表現(xiàn)為北高南低且構(gòu)造情況復(fù)雜，地質(zhì)歷史久遠(yuǎn)[3]，總體可分為一大斷層，三個(gè)歷史時(shí)期.一大斷層：主斷層由東北向西南向延伸，在礦區(qū)西南部也就是主斷層附近還伴隨有大量的小斷層、少量的褶皺發(fā)育，具體見圖2.

圖1　古交礦區(qū)交通位置圖

圖2　古交礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

地質(zhì)歷史：1.早寒武華北地臺(tái)造陸期，地殼地幔逐漸分化，地殼抬升，形成早期華北地臺(tái)[4].2.燕山運(yùn)動(dòng)期，礦區(qū)的主體地質(zhì)構(gòu)造及格局初步形成，南面的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)受下?lián)P子板塊運(yùn)動(dòng)的影響較北面強(qiáng)烈，以至于現(xiàn)在的南部的地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜.3.喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)期，山西裂谷形成，使太原盆地下陷，造成如今的北高南低的總體格局.

1.2　古交礦區(qū)地層概述

古交礦區(qū)的地層主要包含了寒武系到第四系的地層，中間缺失志留系和泥盆系，其中比較重要的是二疊系和石炭系[5].石炭系中的太原組含有數(shù)層薄層灰?guī)r，其中形成15號(hào)煤層頂板的四節(jié)石灰?guī)r厚度比較大，大約在5～12 m左右，在礦區(qū)接近地表的淺層巖溶裂隙發(fā)育良好，含水量較大，而遠(yuǎn)離河床以后，由于泥巖的透水性很差所以當(dāng)埋藏條件較深和補(bǔ)給通道或補(bǔ)給源不好的地方會(huì)導(dǎo)致含水很少.二疊系里的山西組主要由泥巖，砂巖、煤組成，地層總厚度在60 m左右，3#煤和8#煤是主要的含煤地層，同時(shí)該區(qū)域還發(fā)育有大量古生物化石.

2　古交礦區(qū)泥巖的地球化學(xué)特征

2.1　數(shù)據(jù)的收集

測(cè)試的樣品都是來自古交礦區(qū)太原組和山西組的巖芯，樣品顏色主要是灰色﹑灰黑色.經(jīng)過處理后得出的元素含量數(shù)據(jù)見表1和表2：

表1　古交礦區(qū)泥巖微量元素測(cè)試表(μg/g)

注：UC為地殼平均含量

表2　古交礦區(qū)泥巖稀土元素測(cè)試表(μg/g)

注：δEu=EuN/(Sm* Gd)N0.5；δCe=CeN/(La* Pr)N0.5；(La/Yb)N-Haskin等(1968)[6]

2.2　元素特征

2.2.1微量元素的特征

分析表1中關(guān)于古交礦區(qū)含煤巖系泥巖樣品中微量元素含量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再和上地殼中這些元素的平均含量數(shù)據(jù)相比，發(fā)現(xiàn)Cr、Zr、Th、U等親石元素以及Ti、Zr、Th等高場(chǎng)強(qiáng)元素的含量較高，呈富集狀態(tài)，而Co和Ni等親鐵元素以及Cu和Pb等親銅元素的含量在樣品中測(cè)試出來的結(jié)果變化較大，但平均值相對(duì)上地殼來說比較接近或略高，另外研究區(qū)的Rb、Sr、Nb、Ta等元素比上地殼含量明顯低出現(xiàn)了嚴(yán)重虧損，造成這種現(xiàn)象可能是由于沉積的背景或沉積物來源引起的.

2.2.2稀土元素的特征

通過對(duì)表2的數(shù)據(jù)的分析并繪制稀土元素配分曲線圖，具體見圖3，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)稀土元素的總量在148.46～573.52之間變化，整體平均值為277.95，其中太原組的平均值為242.26，山西組的平均值為308.16，兩者的平均值均超過了上地殼中稀土元素含量的平均值，這說明了研究區(qū)內(nèi)含煤巖系整體表現(xiàn)為稀土元素富集.

研究輕重稀土元素分異程度可以用輕重稀土元素的比值(∑LREE/∑HREE)這個(gè)指標(biāo)[7,8]，該值越大說明分異現(xiàn)象越明顯，而測(cè)量整體結(jié)果在 8.51～16.32之間，平均值大約為11.92，對(duì)比太原組、山西組的平均值12.56、11.40來看，太原組的輕稀土元素與山西組比較起來更加集中.δEu 平均值0.63，太原組在該項(xiàng)數(shù)值為0.70，山西組為0.55，與北美頁巖的該項(xiàng)數(shù)據(jù)0.69相比太原組接近而山西組表現(xiàn)出明顯的負(fù)異常，(La/Yb)N的比值可以反映出稀土元素經(jīng)處理標(biāo)準(zhǔn)化后分布曲線的偏移程度，從圖3中可以看出曲線整體近乎于水平狀態(tài)，說明太原組和山西組中稀土元素分餾程度低，研究區(qū)該值范圍在 6.09～21.56之間，平均值為13.45，高于北美頁巖的平均值，同時(shí)通過數(shù)據(jù)結(jié)果顯示太原組平均14.35而山西組平均12.63，證明太原組的輕稀土元素富集現(xiàn)象比山西組更明顯一些.

圖3　古交礦區(qū)含煤巖系稀土元素配分圖

3　古交礦區(qū)泥巖的地質(zhì)意義

3.1　古氣候

沉積物中微量元素Sr/Cu的比值可以作為判斷古氣候的依據(jù)[9]，據(jù)研究表明，當(dāng)該值大于5時(shí)反映當(dāng)時(shí)的氣候?yàn)楦蔁釟夂颍?dāng)比值在1～5之間時(shí)反映當(dāng)時(shí)為溫?zé)釢駶?rùn)的氣候，而研究區(qū)內(nèi)該項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值檢測(cè)的結(jié)果11.65遠(yuǎn)大于5，其中太原組、山西組樣品的測(cè)試結(jié)果也均大于5，且太原組的平均值較山西組大，由此說明形成含煤巖系太原組和山西組時(shí)此地的氣候應(yīng)該是干熱氣候，由太原組到山西組時(shí)氣候開始逐漸濕潤(rùn)，但是在形成煤層時(shí)該值略小，說明發(fā)生成煤作用時(shí)此地的氣候有所轉(zhuǎn)變，應(yīng)該為濕潤(rùn)氣候，這樣會(huì)為形成煤層提供有利條件.

3.2　沉積環(huán)境

泥巖的顏色及元素分布特征可以反映一定的沉積環(huán)境，當(dāng)泥巖表現(xiàn)紅褐色時(shí)一般是氧化鐵引起的，由于鐵受到潮濕炎熱的氣候影響，鐵質(zhì)在地面被氧化后進(jìn)入沉積物并最終沉淀形成紅褐色泥巖，當(dāng)泥巖出現(xiàn)黑色這一般代表該類泥巖是在泥炭沼澤的沉積環(huán)境中形成.

元素的分布特征可以作為一種更加精確的依據(jù)來判定沉積環(huán)境，由于沉積作用發(fā)生是在水體中，沉積環(huán)境即指沉積時(shí)的水體環(huán)境.樣品中V/(V + Ni)的比值能夠反映沉積時(shí)的氧化還原環(huán)境，一般當(dāng)該值范圍在0.4～0.6之間時(shí)，沉積環(huán)境則判定為貧氧環(huán)境；當(dāng)該值范圍在 0.60～0.84之間時(shí)，沉積環(huán)境可以判定為厭氧環(huán)境；若該值大于0.84，該區(qū)域的沉積環(huán)境可以判定為厭氧環(huán)境[10]；研究區(qū)該值為0.82，這就說明此地泥巖的沉積區(qū)處在地下水體分層不強(qiáng)的還原環(huán)境中，同時(shí)也說明研究區(qū)地下水聯(lián)系密切，能夠互相補(bǔ)給但補(bǔ)給量較少.同時(shí)Sr和Ba含量的比值即Sr/Ba的值也可以為沉積環(huán)境的判別提供佐證，當(dāng)該值大于1時(shí)可以判定所處的環(huán)境為海相沉積環(huán)境，反之當(dāng)該值小于1時(shí)沉積環(huán)境則為陸相，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示樣品測(cè)試后該值在0.197～0.978之間變化，最大值接近1且均值0.405，同時(shí)太原組中樣品該值大于山西組中樣品的測(cè)試值，說明研究區(qū)在含煤巖系形成的時(shí)期沉積環(huán)境應(yīng)該為海陸交互沉積，太原組偏海相而山西組偏陸相，這與眾多研究中論述華北地區(qū)二疊紀(jì)時(shí)期陸表海的沉積環(huán)境相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.

3.3　沉積物來源

稀土元素的參數(shù)特征及其分布可以用來分析沉積物的來源[11]，當(dāng)沉積物來源于上地殼時(shí)會(huì)有輕稀土元素富集，而重稀土元素虧損且Eu含量表現(xiàn)出明顯的負(fù)異常的現(xiàn)象，研究區(qū)該特征與上地殼的特征幾乎一致，這說明古交礦區(qū)含煤巖系中太原組和山西組的沉積物基本都來自上地殼，另一方面從具體數(shù)據(jù)來看太原組δEu的平均值0.70與上地殼(0.69)相差不大，山西組的平均值0.55則明顯小于上地殼含量，這說明太原組和山西組的沉積物來源是不同的.若沉積物主要來源為花崗巖，沉積巖地化特征多出現(xiàn)負(fù)Eu異常的現(xiàn)象，母巖如果為玄武巖，沉積巖地化特征一般表現(xiàn)出無Eu 異常，根據(jù)樣品測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出研究區(qū)含煤巖系物源應(yīng)該以花崗巖和碎屑巖為主，同時(shí)太原組物源中有玄武巖的混入，而山西組物源中花崗巖的含量較高，根據(jù)花崗巖的形成條件推測(cè)含煤巖系的物源背景應(yīng)該處于活動(dòng)大陸邊緣及海陸接觸處.

4　結(jié)　　論

(1) 通過以上對(duì)研究泥巖元素的分析可以得出研究區(qū)泥巖的微量元素及稀土元素特征，其中微量元素中親石元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素的含量較高，而親銅和親鐵元素與地殼中含量接近.稀土元素整體含量較高且輕稀土元素比較重稀土元素呈富集狀態(tài).

(2) 研究區(qū)含煤巖系形成時(shí)的氣候有干熱向濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，沉積環(huán)境具有華北典型的陸表海特征，且研究區(qū)泥巖基本沉積在地下水體分層不強(qiáng)的還原環(huán)境中，物源以花崗巖和碎屑巖為主，同時(shí)山西組形成時(shí)有花崗巖作為物源混入較多，可能由于含煤巖系的物源區(qū)處于活動(dòng)大陸邊緣及海陸接觸處的緣故.

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