山西平朔井工三礦煤系角礫巖特殊成因探討

石彥強

(北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040)

在以往的研究中，沉積角礫巖的成因主要被解釋為邊坡滑塌，其次是冰磧和近源泥石流，對煤系沉積角礫巖的發(fā)現(xiàn)及研究較少。目前僅在吉林省南部通化地區(qū)渾江上游的底部發(fā)現(xiàn)冰磧礫巖[1]，礫巖成分復(fù)雜、大小混雜，少數(shù)具棱角狀和次棱角狀，個別礫石一端渾圓而另一端具棱角，礫石分布不均、分選性差，礫巖中的冰川遺跡明顯，命名為“金坑嶺冰磧層”；張玉君等[2]在鄂爾多斯侏羅紀聚煤盆地西緣的甘肅華亭煤田陳家溝井田5 號煤中發(fā)現(xiàn)礫巖，礫石最大粒徑0.15 m，排列方向不定，呈似層狀不連續(xù)分布于煤層中，礫石附近煤層紋理壓彎或攪動明顯，泥質(zhì)夾層的層理也變形；吳志國等[3]在松遼盆地南緣遼寧鐵法煤田大興井田白堊系煤層中，多處見到砂巖、礫巖體，礫石含量30%～40%，礫徑最大達0.45 m，主要是次棱角狀、部分為棱角狀和次圓狀，分布不均勻，多與煤層基本頂砂巖相連，砂質(zhì)角礫巖體寬度較大者(尤其大于5 m)，以及橫剖面形態(tài)近“Δ”型的角礫巖體，與側(cè)向煤層多呈波狀或相對平直狀接觸；而寬度較小者(尤其小于1.5 m)，與側(cè)向煤層多呈凸凹不平或參差狀接觸；王宇林等[4]在大興井田4-2 煤層中發(fā)現(xiàn)一些陡傾斜產(chǎn)出的上端尖小、下部鈍大的似滴狀的含礫不等粒雜砂巖體，最大長軸直徑達300 mm，多分布于河道彎曲地段的凹岸一側(cè)，尖端均指向河道泥石流，且體積大者更靠近河道泥石流；程東等[5]、何彪太[6]、任德平[7]對平朔礦區(qū)太原組角礫巖進行研究，均認為其是泥石流沉積；王華等[8]在法國Montceau 盆地1 號厚煤層中下部發(fā)現(xiàn)多個透鏡狀角礫巖體，都有底部下凸，上部“平展”的外形，單個透鏡體一般厚1～2 m，寬不足30 m，認為是“典型的水下重力流—碎屑流沉積”，文中沒有交代源匯關(guān)系，也沒有說明角礫巖從物源搬運到湖濱的過程，那么重力流等二次搬運沉積的最大直徑可達50 cm 的“角礫”，不可能還是角礫。

平朔礦區(qū)北部距離物源區(qū)較近的井工三礦、潘家窯礦發(fā)現(xiàn)角礫巖，向南在盆地內(nèi)部消失。煤系角礫巖在平朔井工三礦時有分布[6-7]，其成分復(fù)雜、大小不一、棱角狀、分選性差，與煤層關(guān)系密切是其顯著特征。角礫巖破壞了煤層的連續(xù)性，對井工三礦的煤層開采造成嚴重影響。基于2018—2019 年山西潞安中煤資源勘查開發(fā)有限公司補勘施工的21 個鉆孔資料，加上以往285 個勘查鉆孔(鉆孔間距大多為200～500 m)資料[9]，梳理了井田地層層序；收集區(qū)域資料，針對性地進行礦井地質(zhì)觀測，對西部煤田邊界進行踏勘，定點觀測物源區(qū)巖性特征，分析井田煤系沉積環(huán)境演化和煤層沉積特征，詳細描述角礫巖成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，統(tǒng)計煤系角礫巖的層位、厚度和分布情況，圈定角礫巖在煤層中的分布范圍，研究角礫巖發(fā)育規(guī)律及成因，以期對研究區(qū)煤炭資源開發(fā)利用提供指導(dǎo)。

1 井田煤系及煤層發(fā)育特征

井工三礦位于寧武煤田平朔礦區(qū)西北端，地表大部分被新生代地層覆蓋，屬典型的黃土丘陵地貌。井田內(nèi)及外部煤層露頭附近的各大溝谷底部有零星基巖出露。根據(jù)鉆孔揭露和地表露頭，井田地層由下至上為奧陶系下統(tǒng)冶里組和亮甲山組，中統(tǒng)下馬家溝組、上馬家溝組；石炭系上統(tǒng)本溪組、晉祠組；二疊系下統(tǒng)太原組、山西組、下石盒子組，中統(tǒng)上石盒子組；以及新生界新近系靜樂組和第四系中、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)地層。

其中，石炭系上統(tǒng)晉祠組和二疊系下統(tǒng)太原組為本礦主要含煤地層，地層總厚66.52～124.02 m，平均厚92.30 m。主要由灰色、灰白色砂巖、礫巖，灰色–灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖和4、5、6、7、8、9、10、11 號煤層組成，以粗碎屑巖為主，局部夾角礫巖，下部夾有薄層泥質(zhì)灰?guī)r(圖1)。其中4、9、11號煤層為主要可采煤層(表1)。

表1 主要可采煤層控制情況及穩(wěn)定性評價Table 1 List of minable coal seam control and stability evaluation

圖1 補勘6 號孔煤系沉積環(huán)境解釋及層序演化Fig.1 Sedimentary environment interpretation and sequence evolution map of borehole No.6 coal measures

研究區(qū)位于華北石炭-二疊紀聚煤盆地的北端，物源區(qū)在井田西北部，距井田很近，井田內(nèi)煤系以扇三角洲沉積為主，在廢棄碎屑沉積基礎(chǔ)上發(fā)育動態(tài)泥炭沼澤。動態(tài)泥炭沼澤發(fā)育期間，氣候適宜，植物繁茂，成煤物質(zhì)豐富，沉積補償作用均衡，成煤植物限制了物源碎屑侵入，抑制了海浪及潮汐對海岸植被及泥炭的沖蝕，以泥炭自身發(fā)育占主導(dǎo)地位，形成厚度較大的可采煤層。煤層受物源碎屑侵入影響，有規(guī)律地變薄和分岔[9-11]。

2 角礫巖沉積特征及源匯關(guān)系

2.1 沉積特征

平朔井工三礦煤系角礫巖的成分復(fù)雜。內(nèi)源的，如灰白色—灰色砂巖，深灰色—黑灰色粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖，有時還能見到鋁質(zhì)泥巖和煤包裹體(圖2a)；外源的，如奧陶系微晶石灰?guī)r、寒武系中上部的粉晶石灰?guī)r、寒武系底部饅頭組的紅色泥巖(圖 2b)，震旦系的大理巖，太古界的片麻巖(圖2c)等。

圖2 不同鉆孔鉆遇煤層頂?shù)装褰堑[巖特征(巖心直徑為63 mm)Fig.2 Breccia characteristics of coal seam roof and floor in different boreholes(core diameter 63 mm)

礫徑大小不一，最大可達1.20 m 以上(圖2b)；礫石磨圓度差距甚大，棱角狀到次圓狀，并以前者為主(圖2d)；分選性極差，顆粒之間被泥質(zhì)和砂質(zhì)基底式充填，基質(zhì)分選更差(圖2e)。下部角礫巖普遍含黃鐵礦，有的黃鐵礦含量較高，這些黃鐵礦具有較好的晶形，是早期成巖產(chǎn)物，受到同期海水的影響。

角礫巖底部與煤層沖刷接觸，頂部往往是泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、煤層等細碎屑沉積，即使是砂巖也是明顯接觸，沒有過渡的趨勢(圖2f)。

角礫巖與煤層關(guān)系密切。井田285 口鉆孔中，有76 口98 層遇角礫巖，占孔數(shù)的27%，除4 口陷落柱孔外，其余72 口94 層全部為沉積角礫巖。其中79層位于煤層中及其頂?shù)装?，占原沉積角礫巖的84%；其他距可采煤層較遠的15 層，占16%。角礫巖都不同程度含有煤包裹體及炭屑，而且沖刷煤層的角礫巖中含有較多的煤包體。表明角礫巖是成煤泥炭沼澤發(fā)育期間的產(chǎn)物，與泥炭沼澤的破壞有直接的成因關(guān)系。

垂向上，角礫巖從本溪組到山西組均有，下部較多。厚度0.30～22.92 m (合并層)，變化較大，一般2～3 m；平面上，角礫巖分布有限，連續(xù)性差，即使200～300 m的鉆孔間距都無法有效控制。11 號煤層中的角礫巖主要分布在西部和西北部，其中9 個鉆孔位于煤層中間，其余位于煤層頂?shù)装甯浇?，連續(xù)性差(圖3)；9 號煤層中的角礫巖主要分布在西部和西北部，但在井田南部也有零星分布，有13 個鉆孔位于煤層中間，其余位于頂?shù)装甯浇?，連續(xù)性極差，與煤層間夾矸增厚有一定的橫向聯(lián)系(圖4、圖5)；4 號煤層的角礫巖主要見于井田北部，僅2 個鉆孔位于煤層中間，中北部巷道揭露角礫巖寬度僅26 m。東部4 個鉆孔位于4～6 煤層夾矸小于0.80 m的區(qū)域，其余角礫巖位于煤層頂?shù)装甯浇?，連續(xù)性差(圖6)。

圖3 11 號煤層及其附近角礫巖分布范圍Fig.3 Distribution range of breccia in No.11 coal seam and its vicinity

圖4 9—11 號煤層間沉積剖面Fig.4 Sedimentary cross-section of No.9-11 coal seams

圖5 9 號煤層被沖刷、分叉、角礫巖分布Fig.5 Distribution of scoured,bifurcated and breccia in No.9 coal seam

圖6 4 號煤層及其附近角礫巖分布范圍Fig.6 Distribution range of breccia in No.4 coal seam and its vicinity

2.2 源匯關(guān)系

以往都認為大同以北的陰山古陸是石炭–二疊紀盆地物源區(qū)；杜丕(1980)[12]研究發(fā)現(xiàn)，偏關(guān)至興縣間，存在軸向近似南北，長140 km，寬20 km 的呂梁古隆起 (但在后來的許多研究中，卻忽視了這一隆起的存在[13])；周安朝等[14]認為，陰山古陸是在晚石炭世–早二疊世整體平穩(wěn)隆升而轉(zhuǎn)化的物源，早二疊世晚期–晚二疊世，古陸北緣發(fā)生了較為強烈的隆升并伴隨著強烈的褶皺和沖斷作用。

通過西部煤田邊界和物源區(qū)定點踏勘，本區(qū)西、北部只是煤田保存邊界，沉積邊界在西北更遠的地方。區(qū)內(nèi)鉆孔見到的石榴石片麻巖角礫來源于太古界集寧群(Arjn)，據(jù)區(qū)域資料，集寧群石榴石片麻巖最近出露于井工三礦西北351°，距離56.62 km 的右玉縣西黃家窯村西(圖7)；大于1.2 m 的紫紅色泥巖礫來源于寒武系饅頭組，該泥巖出露于薛家窯至三層洞村一線以北，距本區(qū)34 km(圖7)。說明本區(qū)西北的呂梁古隆起[12]，在石炭–二疊紀就被擠壓隆升遭受剝蝕了，物源區(qū)不會是北距本區(qū)160 多km 的陰山古陸。

圖7 平朔井工三礦與角礫巖物源相對位置Fig.7 Relative location of Jinggong No.3 Coal Mine and breccia provenance in Pingshuo3

3 角礫巖成因辨析

研究區(qū)斷裂規(guī)模小，主要為小型斷裂，斷層帶也不發(fā)育，陷落柱只是零星分布。除補勘8、補勘10等鉆孔見陷落柱，其間角礫巖呈高度棱角狀、毫無分選[15]，可以解釋為坍塌構(gòu)造角礫巖外，其余角礫巖明顯是原始搬運沉積形成。

3.1 角礫巖地質(zhì)對比

繼在吉林省南部的上石炭統(tǒng)底部發(fā)現(xiàn)了冰磧礫巖[1]之后，近年來，大多數(shù)研究者也認為石炭–二疊紀有冰期—間冰期的存在[16]。王向東等[17]認為，全球石炭紀大量植物的繁盛導(dǎo)致了強烈的氣候分異而形成冰室，是顯生宙以來最大的冰室氣候時期，冰期和間冰期頻繁交替，全球海平面升降更迭。由此推斷：華北石炭–二疊紀海陸交互相含煤沉積與晚古生代冰川作用導(dǎo)致的海水進退有關(guān)。然則，本文研究區(qū)至今并沒有發(fā)現(xiàn)礫巖中的冰川擦痕、漂礫、冰筏墜石等冰川作用的特征痕跡，以及其他相關(guān)證據(jù)[5-7,9]。

常規(guī)的山洪泥石流不可能完整地搬運直徑大于1.20 m、而硬度又不是太大的泥巖巨礫；搬運距離大于34～60 km、而角礫又未曾遭受應(yīng)有的磨蝕，保持棱角狀到次棱角狀的結(jié)構(gòu)，與一般泥石流沉積特征不符；角礫巖頂?shù)捉缑婷黠@，上下均沒有過渡關(guān)系，特別是頂板直接突變?yōu)槟鄮r、炭質(zhì)泥巖、煤層等，也不是典型泥石流的垂向?qū)有蛱卣?；角礫巖規(guī)模很小，井下巷道揭露角礫巖體最小寬度僅26 m，間距200～500 m 的密集勘查鉆孔都控制不了角礫巖的平面連續(xù)形態(tài)，說明角礫巖的成因也不能用常規(guī)的山洪泥石流來解釋。綜合分析認為，研究區(qū)角礫巖多發(fā)育于煤層中或煤層頂?shù)装?，與煤層密切相關(guān)，并且主要集中在4、9、11 號厚煤層附近，因此，角礫巖的沉積過程與成煤植物及泥炭沼澤有直接的關(guān)系。

3.2 植被錨固作用及“碎屑庫”的構(gòu)建

動態(tài)聚煤模式認為，成煤泥炭沼澤是泥炭沼澤及其植被規(guī)模化動態(tài)發(fā)育的結(jié)果，其主要表現(xiàn)在對基底和物源區(qū)碎屑的控制[10]；現(xiàn)代干旱扇和濕地扇也存在明顯差異。

1) 現(xiàn)代植物根系的錨固作用

早在1591 年我國先人就用柳樹栽培加固保護河岸邊坡。17 世紀用植被保護黃河堤岸；19 世紀法國和奧地利就用植被防治泥石流；馬來西亞、泰國等利用香根草根系發(fā)達、抗拉強度大、根扎很深等特點來加固溝渠和公路邊坡[18]。

一般認為地下草根密集層在20 cm 左右，最大深度不超過2 m；樹根密集層在1 m 左右，最大根深不超過10 m；灌叢根系介于二者之間。但是棉花根可達2.0～2.2 m；甘草根長1 m 多，最長者達3～4 m；香根草根長4 m 多；荒漠上的駱駝刺高度只有20 cm 左右，而根部可達十幾米深；非洲的巴惡巴蒲樹，根能到達三十多米深的地層中；美國一棵15 m 高樹的根伸進了將近50 m 深的礦井；南非奧里斯達德附近的回聲洞的一顆無花果樹，估計根深入地下有120 m[19]。

根的抗拉力與根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系，桉樹根系的平均抗拉拔強度達到5.53 MPa。粗而長的根系能穿過滑體，深入滑床，將滑坡錨固到深處穩(wěn)定的巖土體上。須根系的固結(jié)纏繞效應(yīng)和軸根系的抗拉拔效應(yīng)均提高了邊坡的穩(wěn)定系數(shù)[18]。

2) 聚煤期植物及“碎屑庫”的構(gòu)建

根據(jù)化石鑒定，平朔礦區(qū)石炭系上統(tǒng)晉祠組和二疊系下統(tǒng)太原組的植物主要有：Le pidodendron posthumiiJongm，ct Goth.斜方鱗木；L.szeinumLee梭鱗木；L.oculus-felis(Abb.) Zeiller.貓眼鱗木；Cathaysiodend ron nanpiaoenseLee.南票華夏木；Le pidostrobo phyllumsp.鱗孢葉(未定種)；Le pidophylloidessp.鱗 葉(未 定 種) ；Stigmaria ficoides(Sternb.) Brongn 臍根座；S pheno phyllum oblongifoliumGerm.et Kaulf.) Ung.橢圓楔葉；S.verticilatum(Schloth.) Brongn 輪生楔葉；S.minor(Sterz.) Gu et Zhi 寬卵楔葉；Calamites(St ylocalamites)cistiiBrongn.細尖蘆木(柱蘆木)；C.(Di plocalumites)carinatusSterab.突肋蘆木(對枝蘆木)；Calamites(Calamitina)goe ppertii Fttingshausen.葛伯特蘆木(環(huán)蘆木)；Annularia pseudostellataPot.假星輪葉；A.ste11ata(Sch1oth.) Wood 星輪葉；A.radiata(Brongn.) Sternb.雷迪輪葉；Annthlaria muc ronata Schenk.尖頭輪葉；Asiopieris huairenensisgen.et sp nov.懷仁亞洲羊齒(新屬、新種)；S phenopteris neuro pteroides(Bou1ay) Zeili，脈楔羊齒；Pecopteris candolleancBrongn.長舌櫛羊齒；P.arborsceens(Schioth.) Sternberg.小羽櫛羊齒；P.(Acitheca) polymor pha(Brongn.) Sterz.多形櫛羊齒(尖囊蕨)；Paratingia dctongensis gen.ct sp.nov 大同擬齒葉(新屬，新種)；N euro pteris ouataHoffm.卵脈羊齒；N.plicataStcrnberg.鐮脈羊齒；N.shanxiensissp.nov.山西脈羊齒(新種)；N.sp.脈羊齒(未定種)；Nilssonia nobilis sp.nov.顯赫蕉羽葉(新種)；Aletho pteris httianaLee 櫛座延羊齒；Cyclo.pteris orbicularisBrongn.腎圓異葉。

以上植物屬于斜方鱗木—卵脈羊齒組合帶[9,20]。這些植物比現(xiàn)在的同類植物高很多，如蘆木高可達20～30 m，鱗木高達38 m，根系也更加發(fā)達。

石炭–二疊紀聚煤期是植物大爆發(fā)的時代，植物繁盛堪比現(xiàn)代桉樹、水葫蘆、大米草等物種入侵，尚未遭受天敵、病害等阻礙，繁衍茂盛，快速擴展到整個盆地和物源區(qū)。植被減弱了地表沖刷；植物主根和粗根的錨固和支撐、須根的加筋，提高了邊坡巖土體的抗剪強度，陸源山前滑坡、崩塌、散落以及山口沖積扇等松散堆積物，只能在限定的范圍內(nèi)垂向加積，累積成邊坡較陡的“碎屑庫”(圖8)。

圖8 邊坡扇與煤層空間分布關(guān)系剖面圖(引自焦養(yǎng)泉[15]、據(jù)李思田[21])Fig.8 Profile of spatial distribution relationship between slope fan and coal seam(from Jiao Yangquan[15],according to Li Sitian[21])

3.3 動態(tài)泥炭沼澤發(fā)育與煤系角礫巖的形成

1) 動態(tài)泥炭沼澤

與陸源碎屑橫向相接的動態(tài)泥炭沼澤，由于得到豐富的物源營養(yǎng)成分的滋育，生長較快，泥炭表面坡度也在不斷增加。泥炭沼澤表層為尚未腐朽的植物殘骸和生長植物根，與表面縱橫交錯的植被相互交織在一起，構(gòu)成較穩(wěn)定的地毯式泥炭網(wǎng)。

泥炭沼澤上部為深度不大的過渡層；中下部為還原層，覆水隔氧，植物組織吸水膨脹，細胞結(jié)構(gòu)變形、破壞，逐漸分解為獨立的高分子體，分子間再交聯(lián)聚合形成凝膠化基質(zhì)。因此，自上而下，泥炭組織結(jié)構(gòu)由殘骸碎屑狀到海綿狀、纖維狀、小塊狀、小粒狀；泥炭中腐殖酸含量由低到高，形成強吸水和蓄水的膠體物質(zhì)。厚層泥炭的下部為深度降解、含水量大、膠質(zhì)的膏狀體泥炭，潤滑性能好[22]。

2) 泥炭筏載運移模式

偶然洪泛、差異沉降以及泥炭化過程中析出的黏土夾層，含大量親水礦物，也是很好的潤滑層。

當(dāng)泥炭層累積到幾十米至上百米，側(cè)向被禁錮的碎屑也垂向加積到更大的高度，集聚了高聳的勢能。在大暴雨、大地震、陸源構(gòu)造隆升等突發(fā)事件作用下，泥炭吸水膨脹，被泥炭植物禁錮的“碎屑庫”突然垮塌，部分邊坡塊體/碎屑沖越到泥炭層頂部，撕裂泥炭網(wǎng)，形成規(guī)模宏大的泥炭流和漂浮其上大小不等的泥炭筏。巖石碎屑被泥炭筏載，沿著泥炭流/底部膠質(zhì)潤滑層滑向泥炭沼澤內(nèi)部；部分滑入沼澤水道中，當(dāng)泥炭筏包括載物總體平均密度小于沼澤水道的水體密度時，泥炭筏就能夠漂浮運移更遠，斷續(xù)沉積保存；部分小塊泥炭筏，在河流轉(zhuǎn)彎處再漫越到泥炭沼澤內(nèi)部。

因此，形成的角礫塊體較大，磨圓度、分選性均差。角礫巖體零星分布，常呈橫向和垂向均不連續(xù)的透鏡狀產(chǎn)出，長軸指向物源方向。研究區(qū)煤系沉積角礫巖成因，用泥炭筏載運移模式解釋才更為合理。

4 結(jié)論

a.平朔井工三礦煤系沉積角礫巖成分復(fù)雜、大小不一，其中泥巖礫徑最大可達1.20 m；棱角–次圓狀，分選性極差，頂?shù)捉缑婷黠@，與煤層關(guān)系密切，平面上連續(xù)性差。角礫巖體零星分布，常呈橫向和垂向均不連續(xù)的透鏡狀產(chǎn)出，長軸指向物源方向。

b.基于角礫巖沉積特征研究，角礫巖成因為：在植被的禁錮下，陸源碎屑只能在限定的范圍內(nèi)垂向加積，累積成邊坡較陡的“碎屑庫”；泥炭沼澤表層為植被泥炭交織在一起的泥炭網(wǎng)，底部為高成熟、潤滑性能好的膏狀泥炭。區(qū)內(nèi)煤系角礫巖是物源區(qū)邊坡和碎屑庫崩塌，沖越到泥炭網(wǎng)上，撕裂成泥炭筏，被泥炭筏載運移，斷續(xù)沉積，并遭受后來改造形成的，是突變事件的產(chǎn)物。

c.研究區(qū)煤系沉積角礫巖破壞了煤層的連續(xù)性，但其北多南少，分布有限，角礫巖的分布規(guī)律對煤層成因及厚度變化、煤炭資源/儲量估算、井田采區(qū)布置和煤炭開采具有重要指導(dǎo)意義。但角礫巖特征顯著，成因特殊，是否有區(qū)域代表性還有待新的發(fā)現(xiàn)和進一步研究。

致謝：陳浩高級工程師進行了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和平面圖繪制，姚文濤總工程師也給予了幫助和支持，常鎖亮教授審閱了初稿，提出了許多寶貴的修改意見，編輯和審稿老師進行了多次細致的潤色和修改，在此一并致以衷心的感謝！