淺析吐哈盆地侏羅紀(jì)煤的煤相特征

聶浩剛，趙峰華，李玉宏（.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安70054；.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京0000）

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淺析吐哈盆地侏羅紀(jì)煤的煤相特征

聶浩剛1，趙峰華2，李玉宏1
（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安710054；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京010100）

摘要：為查明新疆吐哈盆地煤層的原始成煤環(huán)境，應(yīng)用煤巖學(xué)方法，通過GI-TPI關(guān)系圖解，劃分了吐哈盆地侏羅紀(jì)煤相類型，將煤相劃分為4種類型，即較深覆水森林沼澤相、濕地森林沼澤相、濕地草本沼澤相和湖沼低位沼澤相。通過煤相分析，進(jìn)一步在盆地內(nèi)劃分出河成沼澤體系、河湖混成沼澤體系和湖成沼澤體系3類成煤沼澤體系，為吐哈盆地成煤環(huán)境的研究提供了佐證。

關(guān)鍵詞：吐哈盆地；侏羅紀(jì)；煤巖；煤相

煤相指的是煤的原始成因類型，它取決于泥炭形成時的環(huán)境[1]。長期以來，煤相分析是煤層成因研究的重要內(nèi)容。隨著科學(xué)技術(shù)水平和測試手段地不斷發(fā)展，煤相研究的內(nèi)容不斷深入且方法多樣化[2-11]，在煤層形成機(jī)理、煤層氣勘探開發(fā)及煤的地球化學(xué)等領(lǐng)域得到了較廣泛應(yīng)用[12-15]。吐哈盆地位于新疆北部東天山地區(qū)，是西北重要含煤和油氣盆地，煤炭資源極豐富。筆者通過對采集的吐哈盆地侏羅系煤樣品的煤巖和煤相特征分析研究，結(jié)合其他資料，對吐哈盆地侏羅系煤的煤相類型進(jìn)行劃分和總結(jié)。

1　地質(zhì)背景

吐哈盆地位于我國新疆東部，東天山南麓，東西長約600 km，南北寬約60～80 km，總面積約5×104km2，為一大型內(nèi)陸山間盆地。該盆地經(jīng)歷了晚泥盆世至早二疊世的陸間裂谷階段、晚二疊世陸間裂谷關(guān)閉階段、二疊紀(jì)—早、中侏羅世的前陸盆地階段，及中晚侏羅世到現(xiàn)代的坳陷型盆地發(fā)育階段[16]。

1.1構(gòu)造單元

石油系統(tǒng)通常將吐哈盆地的構(gòu)造單元劃分為吐魯番坳陷、了敦隆起和哈密坳陷。吐魯番坳陷又劃分為北部凹陷（包括勝北凹陷、丘東凹陷和小草湖凹陷）、西部凸起-高隆帶（包括科牙依凹陷、布爾加凸起和伊拉湖-肯德基克高臺階帶）、南部凹陷（托克遜凹陷、勝南凹陷、艾丁湖斜坡（魯西凸起）和塔克泉斜坡（塔克泉凸起））。哈密坳陷又劃分為哈密凹陷和黃田凸起。石油系統(tǒng)對了敦隆起未進(jìn)行二級構(gòu)造單元劃分，鑒于了敦隆起南部沙爾湖和大南湖地區(qū)發(fā)育重要煤層，本研究基于吐哈盆地重磁資料、侏羅系基底的埋深、煤層分布等資料?中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心.新疆東部主要含煤區(qū)煤炭資源綜合評價報告，2013，對吐哈盆地構(gòu)造單元進(jìn)行重新劃分。吐哈盆地一級構(gòu)造單元劃分為吐魯番坳陷、哈密坳陷、了敦隆起和南部隆起；吐魯番坳陷可進(jìn)一步劃分為臺北凹陷、克爾堿凹陷、布爾加凸起、托克遜凹陷、艾丁湖斜坡等5個二級構(gòu)造單元；南部隆起可進(jìn)一步劃分為沙爾湖隆起、沙爾湖淺凹陷、大南湖淺凹陷、駱駝圈子淺凹陷、梧桐窩子淺凹陷、野馬泉淺凹陷等6個二級構(gòu)造單元；哈密坳陷可進(jìn)一步劃分為哈密凹陷和黃天凸起等2個二級構(gòu)造單元（圖1）。

1.2含煤地層

吐哈盆地在早、中侏羅世為伸展盆地發(fā)育階段[17]，主要發(fā)育沖積扇、三角洲、湖泊等沉積體系[18]。侏羅系是吐哈盆地的主要含煤巖系，吐哈盆地侏羅系與下伏地層和上覆地層均為不整合接觸，吐哈盆地侏羅系分為中下統(tǒng)水西溝群（包括八道灣組、三工河組和西山窯組）、中上統(tǒng)艾爾維溝群（包括三間房組/頭屯河組、七克臺組、齊古組和喀拉扎組）。

中下侏羅統(tǒng)水西溝群為一套陸源碎屑沉積，包括八道灣組、三工河組及西山窯組，厚2 000 m，其中八道灣組和西山窯組是該盆地主要含煤地層。

八道灣組主要由砂礫巖夾粉砂巖、泥巖和厚煤層組成，主要形成于河流-三角洲環(huán)境，三工河組以厚層頁巖夾砂巖為主，主要形成于湖泊環(huán)境；西山窯組以砂巖和泥巖互層夾厚煤層為特征，主要形成于湖泊三角洲環(huán)境。

圖1　吐哈盆地主要構(gòu)造單元劃分圖Fig.1 Map showing division of major tectonic units of Turpan-Hami Basin 1.一級構(gòu)造分界;2.二級構(gòu)造分界;3.基巖出露區(qū)

2　樣品和分析方法

本次研究采集了吐哈盆地克爾堿、大河沿、七泉湖、大南湖和三道嶺勘探區(qū)的侏羅系煤層煤樣?？藸枆A勘探區(qū)樣品5件，其中KEJ-1和KEJ-5為西山窯組煤樣，KEJ-2、KEJ-3和KEJ-4為八道灣組煤樣。大河沿勘探區(qū)樣品1件，采自八道灣組（DHY）。七泉湖勘探區(qū)樣品1件，采自西山窯組（QQH）。大南湖勘探區(qū)樣品1件，采自西山窯組（DNH）。三道嶺勘探區(qū)樣品5件，采自西山窯組（SDL-1至SDL-5）。

對所采煤層煤樣在樣品制備之前，首先進(jìn)行了煤的宏觀特征描述和宏觀煤巖類型劃分。在實驗室進(jìn)行了煤樣的顯微組分和顯微巖石類型的定量分析，煤中礦物質(zhì)的X射線衍射半定量分析，煤中常量和微量元素測定。利用顯微組分計算了煤相參數(shù)凝膠化指數(shù)(GI)和植物組織保存指數(shù)（TPI）、流動指數(shù)（MI）、植被指數(shù)（WI）。應(yīng)用GI-TPI煤相圖解，對樣品所代表的煤相進(jìn)行劃分。

3　煤相分析

3.1顯微組分組成特征

克爾堿勘探區(qū)西山窯組KEJ-1和KEJ-5煤層樣品主要以鏡質(zhì)組為主，含少量的殼質(zhì)組。鏡質(zhì)組含量分別為86.2%和70.9%；殼質(zhì)組含量分別為0.3%和0.7%；礦物含量分別為13.5%和28.4%。鏡質(zhì)組大都為均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體，見少量團(tuán)塊鏡質(zhì)體，礦物主要是黃鐵礦。顯微煤巖類型主要為微鏡煤。

八道灣組KEJ-2、KEJ-3和KEJ-4煤層樣品主要以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，少量的殼質(zhì)組。3個樣品的鏡質(zhì)組含量分別為65.4%，43.3%，46.2%；惰質(zhì)組含量分別為17.6%，21.5%，15.4%；半鏡質(zhì)組含量分別為2.9%，18.0%，6.4%；殼質(zhì)組含量分別為1.2%，6.4%，8.1%；礦物含量分別為12.9%，10.9%，23.8%。顯微煤巖類型以微鏡惰煤為主。

大河沿勘探區(qū)八道灣組DHY煤層樣品鏡質(zhì)組含量54.2%，惰質(zhì)組15.4%，半鏡質(zhì)組11.9%，殼質(zhì)組6.7%，礦物含量11.9%。鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，有明顯破碎現(xiàn)象。顯微煤巖類型主要為微鏡惰煤。

七泉湖勘探區(qū)西山窯組QQH煤層樣品鏡質(zhì)組含量45.7%，惰質(zhì)組20%，殼質(zhì)組2.9%，半鏡質(zhì)組1.0%，礦物含量30.5%。惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體為主；鏡質(zhì)組多為碎屑鏡質(zhì)體。顯微煤巖類型主要為微鏡惰煤。

大南湖勘探區(qū)西山窯組DNH煤層樣品鏡質(zhì)組含量44.4%，惰質(zhì)組26.1%，半鏡質(zhì)組3.7%，殼質(zhì)組3.3%，礦物含量22.5%。惰質(zhì)組主要是絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體，鏡質(zhì)組主要是結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和團(tuán)塊鏡質(zhì)體，殼質(zhì)組主要是孢子體。顯微煤巖類型主要為微鏡惰煤。

三道嶺勘探區(qū)西山窯組SDL-1、SDL-2、SDL-3、SDL-4和SDL-5煤層樣品具高的鏡質(zhì)組含量，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量總體高于其他礦區(qū)煤層。鏡質(zhì)組含量分別為53.5%，76%，47.2%，60.4%和62.9%，由下部煤層向上部煤層呈2個鏡質(zhì)組含量向上降低的旋回；惰質(zhì)組含量分別為18.3%，11.4%，26.6%，0.7%和15.2%；半鏡質(zhì)組含量分別為11.4%，1.1%，2.6%，2.0%和4.0%；殼質(zhì)組含量分別為7.2%，6.3%，16.1%，18.5%和9.9%；礦物含量分別為9.6%，5.1%，7.5%，18.5%和8.0%。除SDL-4主要為微亮煤外，其余煤樣品顯微煤巖類型主要為微鏡惰煤。

表1　吐哈盆地煤樣顯微組分定量統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Quantitative maceral statistical results of coal samples of Turpan Hami Basin　　單位：%

3.2礦物組成特征

對研究煤樣和選擇性低溫灰化煤樣（KEJ-2和SDL-5）進(jìn)行X射線衍射半定量分析成果見表2。

克爾堿勘探區(qū)除KEJ-2煤樣品低溫灰化灰中具高的粘土礦物和石英含量（58.1%，36.3%），少量方解石含量（5.6%）外，其他樣品均具高的碳酸鹽含量。KEJ-1樣品中白云石含量47.1%，方解石含量19.3%，粘土礦物含量16.9%，黃鐵礦12.3%，石英4.6%。KEJ-3樣品中菱鐵礦含量66.5%，石英14.5%，白云石9.7%，方解石9.4%。KEJ-4樣品中方解石60.5%，白云石24.9%，菱鐵礦14.6%。KEJ-5樣品中方解石55.3%，菱鐵礦16.4%，石英12.6%，白云石12.4%，黃鐵礦3.3%。大河沿勘探區(qū)DHY煤樣品中白云石92.1%，黃鐵礦6.4%，方解石1.5%。七泉湖勘探區(qū)QQH煤樣品中粘土礦物80%，石英19.6%，石膏0.4%。三道嶺勘探區(qū)SDL-3煤樣品中粘土礦物63.4%，石英23.8%，方解石6.5%，菱鐵礦6.3%；SDL-4煤樣品中菱鐵礦95.2%，石英3.2%，方解石1.6%；SDL-5煤樣品低溫灰化灰中粘土礦物49.8%，石英39%，硬石膏11.2%。

表2　吐哈盆地煤樣的XRD定量分析結(jié)果Table 2 Results of the XRD quantitative analysis of the coal samples　單位：%

3.3硫含量

本研究的13個煤樣全硫（St.d）含量大多小于0.5%，屬低硫-特低硫煤。只有克爾堿地區(qū)KEJ-1、KEJ-5和KEJ-4煤樣的全硫含量大于1%，分別是1.59%、1.29%和1.16%。

表3　煤樣的低溫灰化灰XRD定量分析結(jié)果Table 3 Low temperature ashing ash XRD quantitative analysis results of the coal samples單位：%

3.4 Sr/Ba比值

克爾堿勘探區(qū)八道灣組KEJ-2、KEJ-3和KEJ-4煤層樣品Sr/Ba比值分別為0.72、0.97和1.03；西山窯組KEJ-1和KEJ-5煤層樣品分別為0.77和0.27。大河沿勘探區(qū)八道灣組DHY煤層樣品和七泉湖勘探區(qū)西山窯組QQH煤層樣品Sr/Ba比值分別為0.95 和0.89。大南湖勘探區(qū)西山窯組DNH煤層樣品和三道嶺勘探區(qū)西山窯組SDL-1、SDL-2、SDL-3、SDL-4和SDL-5煤層樣品Sr/Ba比值相對較高，范圍在1.43～4.74。

3.5煤相劃分

3.5.1煤相劃分參數(shù)

煤的顯微組分及組合是煤成因的重要標(biāo)志。鏡惰比（V/(SV+I)）、凝膠化指數(shù)（GI）、植物組織保存指數(shù)（TPI）是目前應(yīng)用最廣的煤相指標(biāo)。鏡惰比是成煤泥炭遭受氧化程度的參數(shù)，小于1.0一般反映成煤泥炭曾暴露于氧化環(huán)境。凝膠化指數(shù)GI是凝膠化組分與非凝膠化組分之比，它是古泥炭沼澤覆水程度的反映。植物組織保存指數(shù)（TPI）是植物遺體遭微生物降解及凝膠化作用程度，某種程度上TPI值能反映pH值。因為pH值低，微生物活動弱，植物保存好，而pH值高至中偏堿性，則微生物活動強(qiáng)烈，細(xì)菌的繁殖最快。

煤中的礦物質(zhì)主要來源于物源碎屑和水介質(zhì)中的化學(xué)沉淀。煤中粘土礦物和石英主要以碎屑礦物的形式沉積于煤層中，而碳酸鹽礦物和黃鐵礦主要以化學(xué)沉淀形式富集于煤層中，可與泥炭同期形成，也可以形成于泥炭的成巖和后期變質(zhì)階段。因此，煤中粘土礦物和石英含量總和可反映地表水系對泥炭沼澤的影響，而同期形成的碳酸鹽礦物和黃鐵礦含量總和可反映沼澤水體介質(zhì)的性質(zhì)。

鍶（Sr）與鋇（Ba）是堿土金屬中化學(xué)性質(zhì)較相似的2種元素，與鍶相比，鋇的化合物溶解度更低。在沉積水體中，隨著蒸發(fā)的不斷進(jìn)行，在低鹽度早期形成的沉積物中富鋇貧鍶，而低鹽度晚期形成的沉積物中富鍶貧鋇。鍶含量增高及鋇含量減小，說明水體蒸發(fā)作用加強(qiáng)，鹽度增高，因此，利用Sr/ Ba值來確定古鹽度。一般來講,淡水沉積物中Sr/Ba值小于1，咸水沉積物中Sr/Ba值大于1。

3.5.2煤相類型

據(jù)重點(diǎn)樣品的分析結(jié)果，參考前人煤巖煤質(zhì)的分析結(jié)果，綜合各種煤相標(biāo)志（表4,圖2），可將吐哈盆地早、中侏羅世八道灣組和西山窯組煤層劃分為4種煤相。

表4　吐哈盆地侏羅系重點(diǎn)煤樣的煤相參數(shù)值Table 4 Coal facies parameters of Jurassic coal samples in Turpan-Hami Basin

圖2　吐哈盆地侏羅系煤層的GI—TPI煤相圖解Fig.2 GI-TPIdiagram of Jurassic coals in Turpan-Hami Basin

較深覆水森林沼澤相克爾堿勘探區(qū)西山窯組KEJ-1和KEJ-5煤層樣品可劃分為該煤相類型。顯微組分均為鏡質(zhì)組，具高的凝膠化指數(shù)（GI）和鏡惰比（V/(SV+I)），植物組織保存指數(shù)（TPI）相對較高（0.8～1.61），流動指數(shù)（MI）相對較低（0.01～0.07），植被指數(shù)（WI）相對較高（0.8～1.61），礦物含量分別為13.5%和28.4%，礦物組成以碳酸鹽和黃鐵礦為主，全硫含量相對較高（1.29%～1.59%），Sr/Ba比小于1。反映一種潮濕、覆水較深、水流活動較差，相對閉塞的以木本植物為主體的還原環(huán)境。

濕地森林沼澤相克爾堿勘探區(qū)八道灣組KEJ-3和KEJ-4、大南湖勘探區(qū)西山窯組DNH煤層樣品可劃分為該煤相類型。凝膠化指數(shù)（GI）為2.1～ 3.34，植物組織保存指數(shù)（TPI）為0.91～1.29，殼質(zhì)組含量相對較高，流動指數(shù)（MI）和植被指數(shù)（WI）相對較高，分別為0.56～2.61和1.09～1.67，礦物含量較低，礦物組成以碳酸鹽和黃鐵礦為主，全硫含量變化較大（0.26%，1.16%），Sr/Ba比變化較大。反映一種覆水相對較淺、水流活動性較強(qiáng)、沼澤水體周期性變淺、以木本植物為主體的相對氧化的氧化還原環(huán)境。

濕地草本沼澤相克爾堿勘探區(qū)八道灣組KEJ-2、七泉湖勘探區(qū)西山窯組QQH、三道嶺勘探區(qū)西山窯組SDL-1、和SDL-3煤層樣品可劃分為該煤相類型。凝膠化指數(shù)GI值小于5，一般為2.5～4.86，植物組織保存指數(shù)（TPI）小于1，一般為0.16～0.73，流動指數(shù)（MI）變化較大，植被指數(shù)（WI）相對較低（0.07～ 0.41），礦物含量變化較大，礦物組成以粘土礦物和石英為主，全硫含量較低（0.15%～0.38%），Sr/Ba比變化較大。反映一種覆水相對較淺、水流活動性較強(qiáng)、沼澤水體周期性變淺，以草本植物為主體的相對氧化的氧化還原環(huán)境。

湖沼低位沼澤相大河沿勘探區(qū)八道灣組DHY、三道嶺勘探區(qū)西山窯組SDL-2、SDL-4和SDL-5煤層樣品可劃分為該煤相類型。凝膠化指數(shù)（GI）大于5，植物組織保存指數(shù)（TPI）小于1，為0.13～0.48，流動指數(shù)（MI）變化較大，植被指數(shù)（WI）相對較低（0.1～0.38），殼質(zhì)組含量相對較高，礦物含量較低，礦物組成變化較大，全硫含量相對較低（0.27%～0.92%），Sr/Ba比相對較高，一般大于1。反映一種覆水相對較深、水流活動性較強(qiáng)、沼澤水體周期性變淺，以草本植物為主體的相對還原的氧化還原環(huán)境。

4　成煤沼澤體系

成煤沼澤是含煤盆地中一個重要的沉積相單元，其沉積演化受控于盆地的沉積環(huán)境格局和演化，根據(jù)吐哈盆地侏羅紀(jì)煤系的沉積環(huán)境特征，可識別出如下幾種成煤沼澤體系。

4.1河成沼澤體系

發(fā)育于廢棄的上三角洲平原，形成于陸地沼澤化，主要煤相類型由較深覆水森林沼澤相和濕地森林沼澤組成。濕地森林沼澤一般分布于洪泛平原湖邊緣，而較深覆水森林沼澤相分布于洪泛平原湖中部。

4.2河湖混成沼澤體系

發(fā)育于曲流河下三角洲平原，形成于三角洲間灣、廢棄的河口壩沼澤化，沼澤類型種類多，主要煤相類型有較深覆水森林沼澤相、濕地森林沼澤、濕地草本沼澤。

4.3湖成沼澤體系

發(fā)育于濱淺湖和半深湖，形成于湖泊淤淺的水體沼澤化。主要煤相類型由湖沼低位沼澤和濕地草本沼澤組成。

5　結(jié)論

（1）吐哈盆地主要煤層顯微組分以鏡質(zhì)組為主，具較高含量的惰質(zhì)組，部分煤層樣品具較高含量的殼質(zhì)組。礦物含量低-中等，主要由碳酸鹽礦物、粘土礦物和石英組成，少量煤層樣品具相對高的黃鐵礦含量。

（2）據(jù)所分析的煤層煤樣，劃分出較深覆水森林沼澤、濕地森林沼澤、濕地草本沼澤、湖沼低位沼澤4種煤相類型。

（3）較深覆水森林沼澤、濕地森林沼澤主要發(fā)育于三角洲平原河成沼澤體系、濕地草本沼澤主要發(fā)育于三角洲前緣河湖混成沼澤體系，湖沼低位沼澤主要發(fā)育于前三角洲湖成沼澤體系。

致謝：文章寫作過程中得到了西安地質(zhì)調(diào)查中心盧進(jìn)才教授級高級工程師、董福辰教授級高級工程師的精心指導(dǎo)，另外，項目組參加野外調(diào)查和樣品采集的同事們也付出了辛勤的勞動，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實驗室對煤樣進(jìn)行了測試分析，在此一并表示誠摯的謝意。

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Analysis on Coal Facies Characteristics of J urassic Coal in Turpan-Hami Basin,Xinjiang

Nie Haogang1,Zhao Fenghua2,Li Yuhong1
（1.Xi an Institute of Geology and Mineral Resources,Xi an,Shaanxi,710054,China; 2.China University of Mining and Technology,Beijing,100083,China）

Abstract:In order to identify the original coal forming environment of Turpan-Hami Basin,Xinjiang region.This article utilizing the coal-petrographic method,Through the GI-TPI relation diagram,the petrographic characteristics of Jurassic coal in Turpan-Hami Basin are discussed.Four coalfacies are divided,i.e.Deep overlying water forest swamp facies,wetland forest swamp facies,Wetland marsh facies and Low lake marsh facies.By the coal facies analysis,three kinds of coal forming swamp system are divided in the basin,they are river swamp system,hybrid swamp system and lacustrine swamp system.And an evidence is provided for the coal-forming environment in Turpan-Hami Basin．

Key words:Turpan-Hami Basin;Jurassic;Coal Petrography;Coal Facies

作者簡介:第一聶浩剛（1973-），男，陜西大荔人，高級工程師，碩士，2000年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京），從事煤田地質(zhì)調(diào)查與研究

收稿日期:2015-02-12;

修訂日期:2015-03-02;作者E-mail:nhaogang@163.com

中圖分類號:P534.52；P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號：1000-8845(2016)01-144-06

項目資助：中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查項目“新疆東部主要含煤盆地煤炭資源綜合評價”（1212011085499）項目資助