閩西南中二疊統(tǒng)童子巖組沉積特征及聚煤環(huán)境研究

邱占林 黃俊南 許福美,3 陳 棟,3 羅 城 陳 歡 翁佩嫻

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，福建省龍巖市，364012；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建省福州市，350007；3.龍巖學(xué)院礦井水害防治研究所，福建省龍巖市，364012；4.福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建省泉州市，362018 )

閩西南是福建省主要含煤巖系賦存地區(qū)，中二疊統(tǒng)童子巖組(P2t)作為該區(qū)主要的含煤地層，其沉積地質(zhì)問(wèn)題備受關(guān)注，尤其是在地層特征、沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律等方面，前人已開(kāi)展了大量有助于找煤預(yù)測(cè)與地質(zhì)勘探的基礎(chǔ)工作，而國(guó)內(nèi)相關(guān)高校、地質(zhì)大隊(duì)及科研機(jī)構(gòu)采用傳統(tǒng)地質(zhì)工作方法也對(duì)閩西南地區(qū)童子巖組進(jìn)行了綜合分析研究，均取得了一系列卓有成效的研究成果[1-8]。但對(duì)于該區(qū)童子巖組沉積特征的層序精細(xì)化及聚煤環(huán)境的時(shí)空分類(lèi)化研究?jī)H有少量報(bào)道[9-10]，或僅對(duì)其局部層段展開(kāi)過(guò)相關(guān)研究[11-14]。為進(jìn)一步分析閩西南地區(qū)中二疊統(tǒng)童子巖組的沉積特征，運(yùn)用沉積學(xué)與沉積地質(zhì)學(xué)等理論、方法，從地層、巖性、古生物、沉積構(gòu)造等方面進(jìn)行較深入的總結(jié)，并據(jù)此分析其聚煤環(huán)境，以期為煤炭賦存、找煤靶區(qū)的尋找及后續(xù)研究提供思路。

1 童子巖組沉積特征

1.1 地層及古生物特征

閩西南聚煤盆地中二疊統(tǒng)童子巖組(P2t)地層歸為一套海陸交互相含煤建造，與其上覆翠屏山組(P3cp)呈平行不整合接觸(假整合)，與其下伏文筆山組(P2w)呈整合接觸。根據(jù)古生物、巖礦、原生沉積構(gòu)造、結(jié)核與鮞粒、含煤性與煤質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)以及巖相等諸方面的特征，自下而上將其劃分為3個(gè)段5個(gè)亞段，并相應(yīng)建立了5個(gè)有特征性的標(biāo)志層(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3)。其中，第一段(P2t1)、第三段(P2t3)含煤，動(dòng)植物化石混生；第二段(P2t2)不含煤，產(chǎn)動(dòng)物化石，如圖1所示。

1.1.1 童子巖組第一段(P2t1)

本段是一套含煤的碎屑巖沉積，可分為上亞段(P2t1-2)和下亞段(P2t1-1)。其中P2t1-1下自I標(biāo)志層，上至37#煤層頂板，產(chǎn)大量動(dòng)物化石，但植物化石較少；P2t1-2以Ⅱ標(biāo)志層為頂界，主要為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，有時(shí)相變?yōu)榛屹|(zhì)泥巖，內(nèi)含豐富的動(dòng)物化石，33#煤層頂板可見(jiàn)一些植物化石。

1.1.2 童子巖組第二段(P2t2)

本段底至Ⅱ標(biāo)志層頂界，頂至Ⅲ1標(biāo)志層底界，粒度由下而上總體逐漸變粗，以富含海相動(dòng)物化石及大個(gè)體鐵質(zhì)結(jié)核為特征，為明顯的整體海退式沉積，通稱(chēng)為海相無(wú)煤段[8]。頂部Ⅲ1標(biāo)志層為厚約16.50 m的石英細(xì)砂巖，有時(shí)局部為鈣質(zhì)細(xì)砂巖或夾薄層泥質(zhì)砂巖，發(fā)育清晰的水平紋理。

1-粉砂巖；2-細(xì)砂巖；3-中砂巖；4-粗砂巖；5-泥巖；6-砂質(zhì)泥巖；7-泥質(zhì)砂巖；8-鈣質(zhì)砂巖；9-礫巖；10-根土巖；11-動(dòng)、植物化石；12-結(jié)核、鮞粒；13-根莖化石、白云母片；14-水平層理；15-板狀交錯(cuò)層理；16-波狀層理；17-槽狀交錯(cuò)層理；18-爬升波紋層理；19-脈狀層理；20-沖洗交錯(cuò)層理圖1 童子巖組地層沉積層序

1.1.3 童子巖組第三段(P2t3)

本段歸屬于一套海陸交互式含煤細(xì)碎屑巖沉積，其突出特點(diǎn)為旋回多而小且層厚大小不一，煤層多而不穩(wěn)定且諸煤層間距差異大，巖性、巖相變化迥異，但主要?jiǎng)澐謽?biāo)志層可對(duì)比分為上亞段(P2t3-3)、中亞段(P2t3-2)和下亞段(P2t3-1)，三分性明顯。其中P2t3-1介于Ⅲ1標(biāo)志層頂界和Ⅲ2標(biāo)志層底界之間，產(chǎn)大量海相動(dòng)物化石，植物化石則主要出現(xiàn)在該亞段的中部；P2t3-2自Ⅲ2標(biāo)志層頂界至Ⅲ3標(biāo)志層底界，巖性自下而上逐漸變粗，具有大量舌形貝動(dòng)物化石并產(chǎn)出單網(wǎng)羊齒(Gigantonoclea sp．)植物化石的古生物化石特征，且動(dòng)、植物化石混生，數(shù)量基本相當(dāng)；P2t3-3下至Ⅲ3標(biāo)志層底界，上至翠屏山組底礫巖底界，以大量完整的植物化石及其根莖化石的激增為特征[9]，代表了童子巖組海退旋回序列的結(jié)束。該段古生物化石數(shù)量豐富、種屬繁多，且具有明顯的垂直分帶性，中下部動(dòng)、植物化石交替出現(xiàn)，上部則以植物及其根莖化石為主。

1.2 巖石礦物特征

童子巖組含煤地層主要由細(xì)粒陸源碎屑物質(zhì)組成，粗粒碎屑物較少，各亞段沉積物中可見(jiàn)形態(tài)各異的鮞粒與黃鐵礦、菱鐵礦結(jié)核。巖性主要由中粒砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤構(gòu)成。其中各類(lèi)巖石在3個(gè)亞段中的比例如表1所示，二段海相無(wú)煤段泥巖含量高達(dá)52.42%，而中粒砂巖主要為巖屑石英砂巖且僅分布在三段上亞段(P2t3-3)中，細(xì)砂巖的類(lèi)型以石英雜砂巖和巖屑石英砂巖為主，其次為巖屑石英雜砂巖和石英砂巖。除童子巖組二段外，細(xì)砂巖的相對(duì)含量從一段至三段略有增高的趨勢(shì)，說(shuō)明了沉積環(huán)境的改變，向陸相演變的趨勢(shì)。其中，一段細(xì)砂巖礦物成分為石英(86.50%)、雜基(7.79%)、巖屑(3.93%)[11]；三段細(xì)砂巖為石英(88%)、雜基(7.76%)、巖屑(4.19%)[10]，此組構(gòu)特征說(shuō)明了童子巖組一、三段細(xì)砂巖成分成熟度屬次成熟，分選性較好，磨圓度為次棱角狀-次圓狀，其結(jié)構(gòu)、成分成熟度均較高。巖屑較少，由此表明其沉積物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途搬運(yùn)并受到強(qiáng)烈磨蝕作用。而雜基含量較高，說(shuō)明該沉積物是在經(jīng)過(guò)二次搬運(yùn)后，在水動(dòng)力條件比較弱的半封閉或封閉環(huán)境中沉積的。

表1 童子巖組巖性結(jié)構(gòu) %

1.3 原生沉積構(gòu)造特征

原生沉積構(gòu)造屬于沉積巖及其沉積環(huán)境最為重要的物證之一，與其巖性及沉積環(huán)境密切相關(guān)。中二疊統(tǒng)童子巖組地層中發(fā)育的主要原生沉積構(gòu)造類(lèi)型是層理和生物擾動(dòng)構(gòu)造，常見(jiàn)的層理有水平層理、交錯(cuò)層理、砂泥互層層理、塊狀層理和混濁層理；較為發(fā)育的生物擾動(dòng)構(gòu)造則以蟲(chóng)跡、爬痕、逃跑跡及生物潛穴等動(dòng)物擾動(dòng)和根莖狀、發(fā)須狀的植物擾動(dòng)兩大類(lèi)為主。

1.4 結(jié)核與鮞粒特征

閩西南童子巖組煤系地層中常見(jiàn)鮞粒與菱鐵礦、黃鐵礦結(jié)核。一般黃鐵礦、菱鐵礦結(jié)核生成于氧化還原電位Eh<0、pH=6～10的弱酸、弱堿性至堿性、∑CO2的活度較高且富含F(xiàn)e2+的還原環(huán)境[15]。而鮞粒則產(chǎn)生于覆水較深的Eh<0、pH=5～10的弱酸、弱堿性的還原滯水環(huán)境中[16]。菱鐵礦結(jié)核主要賦存于童子巖組一段上亞段(P2t1-2)和三段中，而黃鐵礦結(jié)核則主要分布于童子巖組三段中亞段(P2t3-2)的23#煤層頂板。賦存形態(tài)以透鏡狀、似層狀和瘤狀為主，并伴有多種形態(tài)，在童子巖組含煤地層中常以球粒、微晶-泥晶以及結(jié)核的形式存在，且球粒菱鐵礦在正交光下可見(jiàn)十字消光現(xiàn)象。鮞粒主要產(chǎn)出于童子巖組煤系地層頂部(P3cp底部底礫巖底界～1#煤層頂板)，1#煤層之下僅零星分布，其賦存的鮞粒多數(shù)具同心放射狀構(gòu)造，礦物成分較為單一，在正交偏光下呈藍(lán)灰異常干涉色的球形顆粒，甚至可見(jiàn)一些形成于覆水較深的滯水還原環(huán)境的綠泥石鮞粒。

1.5 含煤性及煤質(zhì)特征

1.5.1 含煤性

閩西南地區(qū)童子巖組(P2t)共含煤16～113層，主要可采煤層31～45層，其單層可采厚度介于0.6～2.63 m之間，平均為1.97 m，平均總厚度達(dá)19.1 m，含煤系數(shù)為2.9%，有效系數(shù)2.1%[7]。多數(shù)屬于薄煤層，區(qū)內(nèi)總體穩(wěn)定性較差。 其中P2t1-1和P2t3-2是主要含煤段，P2t2是不含煤的海相泥巖段。39#煤層全區(qū)可采，局部可采煤層共21層，但含煤性差異較大。

1.5.2 煤質(zhì)

閩西南聚煤盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，巖漿活動(dòng)頻繁，尤其是燕山構(gòu)造期的大規(guī)模巖漿巖侵入造成全區(qū)煤變質(zhì)程度加深。全區(qū)二疊紀(jì)含煤地層煤種單一，均屬中高變質(zhì)程度的無(wú)煙煤。童子巖組煤中所含水分介于0.79%～12.66%，平均為4.33% ；原煤灰分產(chǎn)率在3.02%～42.19%之間，平均為16%，屬低中灰型；原煤揮發(fā)分產(chǎn)率為2.46%～6.52%，平均為3.98%； 固定碳變化范圍為44.36%～90.28%，平均為77.64%；全硫含量為0.07%～3.37%，平均約為1%，屬亞低硫煤；磷含量為0.003%～0.087%，平均為0.017%，屬低磷煤；而發(fā)熱量介于16.82～39.76 MJ/kg之間，其均值為23.97 MJ/kg，屬中高熱值煤。此外，童子巖組含煤段煤層煤灰組分以SiO2(55%)為主，Al2O3(21%)次之，且SiO2+Fe2O3含量一段略高于三段，Al2O3的含量三段高于一段，含硫量及灰分隨著古地形的起伏而變化，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其宏觀煤巖類(lèi)型以半亮型煤或半暗型煤為主，其次為光亮型煤或暗淡型煤。

1.6 地球物理特征

巖石的地球物理特征在一定程度上反映了其成巖時(shí)所處的環(huán)境條件，因此可以借助主要的沉積相物性參數(shù)來(lái)推測(cè)當(dāng)時(shí)的古地理環(huán)境。由于童子巖組(P2t)煤系地層的原生沉積較穩(wěn)定，其物性總體特征表現(xiàn)較為平穩(wěn)，且呈現(xiàn)出隨著粒度的增大、泥質(zhì)含量的減少，視電阻率值增高，相應(yīng)的自然伽瑪值、散射伽瑪值、聲波時(shí)差降低的變化趨勢(shì)。但煤層表現(xiàn)出明顯的散射伽瑪高異常、低視電阻率、自然伽瑪?shù)彤惓?、髙聲波時(shí)差異常，且呈現(xiàn)密度小、泊松比小的特征。作為煤系地層童子巖組(P2t)與非煤系地層翠屏山組(P3cp)分界的底礫巖(標(biāo)志層)視電阻率值一般介于1000～8000 Ω·m之間，低自然伽瑪異常、高密度，其物性特征響應(yīng)也較為明顯。而且，物性變化在粒度、泥質(zhì)含量以及巖性上具有較好的響應(yīng)，間接指示了沉積環(huán)境的變化。

1.7 地球化學(xué)特征

硼含量、硼鎵比(B/Ga)以及古鹽度作為沉積環(huán)境的重要沉積相指標(biāo)，常被用來(lái)還原古地理環(huán)境及區(qū)分沉積環(huán)境。選取童子巖組的該3項(xiàng)指標(biāo)作為分析閩西南聚煤盆地的煤相參數(shù)，分析樣品主要取自童子巖組各亞段可采或局部可采煤層頂板。

1.7.1 硼含量與硼鎵比(B/Ga)

童子巖組二段的硼含量平均值(87.53×10-3mg/L)高于一段(71.27×10-3mg/L)和三段(64.81×10-3mg/L)，且一段略高于三段，這與沉積環(huán)境分析的結(jié)果是吻合的，同時(shí)也說(shuō)明沉積物硼含量的大小主要取決于水介質(zhì)中的硼含量。一般來(lái)說(shuō)，海洋沉積物中的硼含量高，而淡水沉積物中的鎵含量高，因此可以利用兩者的相對(duì)比值來(lái)鑒別沉積環(huán)境。陳鐘惠等[2]提出大陸沉積物硼鎵比值(B/Ga)一般小于3.3，海洋沉積物B/Ga一般大于4.5～5.0，而過(guò)渡(交互)環(huán)境介于兩者之間。童子巖組硼含量(B)、硼鎵比(B/Ga)及古鹽度測(cè)試結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，童子巖組的B/Ga值均比較符合實(shí)際情況，但由于本區(qū)硼含量值偏低，所以硼鎵比值(B/Ga)也偏低。

表2 閩西南童子巖組硼含量(B)、硼鎵比(B/Ga)及古鹽度測(cè)試結(jié)果一覽表

1.7.2 古鹽度

古鹽度具有較好的沉積相功能，可以反映當(dāng)時(shí)沉積時(shí)的水介質(zhì)情況，進(jìn)而識(shí)別沉積環(huán)境。而對(duì)于鹽度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，秦勇等[17]認(rèn)為：淡水鹽度<1.0%；咸水(海水)鹽度>3.2%；介于兩者之間的微咸水和半咸水鹽度分別為1.0%～1.8%和1.8%～3.2%。在通常情況下，海水鹽度的變化在3.2%～3.7%之間，平均值為3.47%[10]。應(yīng)用上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試結(jié)果(表2)進(jìn)行劃定，二段(3.347%)為咸水環(huán)境，一、三段(1.241%～2.734%)則形成于微咸水-半咸水環(huán)境。值得注意的是童子巖組一段下亞段(P2t1-1)的古鹽度(1.253%)與童子巖組三段上亞段(P2t3-3)(濱岸湖泊相)的古鹽度(1.241%)相近，這是由于童子巖組一段下亞段在總體海退的背景下，陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)充分，地表小型水系注入造成的結(jié)果。

2 童子巖組聚煤環(huán)境

二疊系中統(tǒng)童子巖組(P2t)是一套海陸過(guò)渡相細(xì)碎屑濱岸帶含煤沉積，依據(jù)其主要沉積特征，可將其聚煤環(huán)境分為障壁島—瀉湖、潮坪—潮道、淺海、濱岸湖泊環(huán)境，相應(yīng)出現(xiàn)障壁島—瀉湖、障壁島、瀉湖、潮坪—潮道、淺海、濱岸湖泊等沉積相，形成海退—海侵8個(gè)沉積期事件[18]。其中第一段(P2t1)是一套以淺海相、障壁島—瀉湖相和潮坪—潮道相沉積體系為主的含煤碎屑巖沉積建造；第二段(P2t2)是一套不含煤的淺海相泥巖沉積建造；第三段(P2t3)是一套以障壁島—瀉湖相、潮坪—潮道相以及濱岸湖泊相(泥炭沼澤相)沉積體系為主的海陸交互(過(guò)渡)式含煤碎屑巖沉積建造(圖1)。

2.1 障壁島—瀉湖聚煤環(huán)境

主要受波浪與潮汐雙重作用的影響，障壁島相、瀉湖相沉積組合在童子巖組第一段(P2t1)和第三段(P2t3)中占主導(dǎo)地位，37#～45#，32#、33#，25#～30#，4#～18#等煤層(線(xiàn))均具有該組合特征。碎屑沉積物粒度自下而上由細(xì)變粗，反復(fù)出現(xiàn)，巖石組合上呈現(xiàn)煤層(線(xiàn))、根土巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖所組成的完整的粒度旋回。發(fā)育有沖洗交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理(波浪作用)、脈狀層理、波狀層理(潮汐作用)、爬升波紋層理、槽狀交錯(cuò)層理、水平層理等原生沉積構(gòu)造。含有較多瘤狀、透鏡狀、似層狀黃鐵礦、菱鐵礦及綠泥石結(jié)核，出現(xiàn)較豐富的動(dòng)植物化石。隨著海退的加劇，岸線(xiàn)不斷向海一側(cè)推移，形成障壁島—瀉湖混合式進(jìn)積型聚煤環(huán)境。

2.2 潮坪—潮道聚煤環(huán)境

主要受潮汐作用的影響，以潮坪相、潮道相沉積組合為主，在童子巖組第一段上亞段(P2t1-2)和第三段中、上亞段(P2t3-2、P2t3-3)中占有比較重要的地位，34#～36#，19#～24#，1#～3#等煤層(線(xiàn))均具有碎屑濱岸帶沉積特征，煤層數(shù)多但間距較小。巖性以細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖為主，具有正向粒序的特征。伴有爬升波紋層理、水平層理發(fā)育，出現(xiàn)潮汐雙粘土層及菱鐵質(zhì)鮞粒，可能與陸表海域逐漸封閉縮小為局限海或?yàn)秤嘘P(guān)[2,10]，并以舌形貝動(dòng)物化石及植物化石為代表的沉積環(huán)境。

2.3 淺海聚煤環(huán)境

主要發(fā)育于童子巖組第二段(P2t2)、第一段上亞段(P2t1-2)頂部及第三段Ⅲ2標(biāo)志層位置。一般為不含煤的淺海相碎屑沉積，但31#煤層屬于第三沉積期海侵初期事件，強(qiáng)度不大，其余分別為第四、六沉積期。主要沉積砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖、泥巖和粉砂巖，從下往上表現(xiàn)為細(xì)—粗—細(xì)—粗的粒度特征，代表在總體海侵的背景下，地殼也經(jīng)歷了小幅度振蕩運(yùn)動(dòng)，但區(qū)域上處于海相相對(duì)穩(wěn)定期，該段硼含量、硼/鎵比(B/Ga)及古鹽度地球化學(xué)特征可指示。同時(shí)出現(xiàn)表征水動(dòng)力條件比較穩(wěn)定的靜(滯)水環(huán)境且由垂向加積作用所致的水平層理，并出現(xiàn)白云母片順層排列，綠泥石、菱鐵礦結(jié)核次發(fā)育，富含個(gè)體較為粗大的海相動(dòng)物化石。

2.4 濱岸湖泊聚煤環(huán)境

主要形成于童子巖組第三段上亞段(P2t3-3)上部，除了受波浪、潮汐作用外，還受到湖泊作用，以濱岸相、湖泊相沉積組合為主，局部出現(xiàn)煤線(xiàn)，層位密集且較不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以對(duì)比[5]。沉積以砂質(zhì)泥巖、中砂巖、泥質(zhì)砂巖和石英細(xì)砂巖為主的巖性組合，以大量完整的植物化石及其根莖化石的激增為特征，地層內(nèi)腕足類(lèi)等動(dòng)物化石急劇減少，富含菱鐵質(zhì)鮞粒及結(jié)核。該組合與前述障壁島—瀉湖聚煤環(huán)境在垂向上及橫向上密切共生，既包含濱岸帶及呈環(huán)帶狀分布的湖泊沉積物，又包含周?chē)邓纬傻暮I三角洲乃至小型河流沉積物，以及岸后湖泊淤積變淺后所引起的泥炭沼澤相沉積物。粒度總體由下而上逐漸變粗，呈現(xiàn)逆向粒序的沉積特征，但沉積旋回不夠清晰，可能是障壁島后瀉湖隨著岸線(xiàn)的側(cè)向遷移而逐漸淡化或收縮封閉的結(jié)果，代表了童子巖組海退旋回序列的結(jié)束，預(yù)示著東吳運(yùn)動(dòng)[19]的來(lái)臨。

3 結(jié)論

(1)閩西南中二疊統(tǒng)童子巖組隸屬于一套復(fù)雜的海陸過(guò)渡相含煤細(xì)碎屑巖沉積建造。依據(jù)地層、巖礦及古生物等沉積特征，可劃分為3個(gè)段5個(gè)亞段，三分性特征明顯，可比性強(qiáng)。

(2)根據(jù)童子巖組沉積特征及海退—海侵脈沖事件，可劃分成8期4體系的沉積(聚煤)環(huán)境，且期內(nèi)各體系由若干個(gè)沉積相組成。其中障壁島—瀉湖、潮坪—潮道、淺海及濱岸湖泊相沉積體系與各亞段交叉對(duì)應(yīng)，對(duì)地層劃分對(duì)比具有重要的輔助作用。

(3)從童子巖組海相層位、古生物化石、巖礦粒度及原生構(gòu)造等變化，可知其沉積特征和聚煤環(huán)境明顯受巖相、古地理環(huán)境影響控制?？稍诮Y(jié)核與鮞粒等示硫參數(shù)，地震波、電磁等地球物理參數(shù)與B含量、B/Ga、古鹽度等地球化學(xué)參數(shù)，以及含煤性與煤質(zhì)等沉積相參數(shù)中得到進(jìn)一步證實(shí)。