寧夏紅墩子礦區(qū)富油煤賦存特征及其沉積環(huán)境研究

黃鵬程，王力圓，王 貝,梁永平，毛興軍，趙振明,郭偉勇

(1.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，銀川 750001；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074；3.福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院，福州 350108)

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)的能源稟賦特點(diǎn)是“相對(duì)富煤、貧油、少氣、缺鈾”[1]，2020年，我國(guó)石油和天然氣對(duì)外依存度升至73.5%和43.2%[2]。面對(duì)國(guó)內(nèi)油氣對(duì)外依存度持續(xù)攀升的不利局面，立足我國(guó)煤炭資源優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)煤炭清潔高效利用已然成為保障國(guó)家能源安全和實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略選擇[3-4]。煤田地質(zhì)學(xué)中將焦油產(chǎn)率大于7%的煤定義為富油煤，富油煤通過(guò)低溫干餾熱解方式可以實(shí)現(xiàn)“提油煉氣”[5]。王雙明院士也明確指出“富油煤不僅是煤，更是煤基的油氣資源，若在煤炭熱解技術(shù)和規(guī)?；l(fā)展上取得突破，西部地區(qū)豐富的煤炭資源可替代一至兩個(gè)大油田”。因此，查明我國(guó)富油煤賦存規(guī)律對(duì)合理高效使用富油煤資源推進(jìn)煤炭清潔高效利用和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要意義[4-6]。

寧夏紅墩子礦區(qū)煤炭資源豐富，但目前針對(duì)該區(qū)富油煤賦存特征方面的研究相對(duì)欠缺，這在一定程度上限制了紅墩子礦區(qū)富油煤的清潔高效利用。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，全面收集紅墩子礦區(qū)地質(zhì)勘探資料和煤樣化驗(yàn)測(cè)試資料，以山西組4煤和太原組 8煤為研究對(duì)象，以煤焦油產(chǎn)率為切入點(diǎn)，探討富油煤時(shí)空分布規(guī)律，并從沉積環(huán)境演化的角度分析富油煤賦存特征的地質(zhì)成因。旨在為該區(qū)富油煤的理論研究、勘探開發(fā)和高效利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)

紅墩子礦區(qū)位于寧夏寧東煤田北部，隸屬寧夏回族自治區(qū)銀川市管轄，礦區(qū)西距銀川市約30km(圖1)。礦區(qū)呈南北向條帶狀展布，西以黃河斷裂和煤層隱伏露頭為界，東部及南部以寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)界為界，南北長(zhǎng)約30km，東西寬約7km，面積約為200km2。

圖1 紅墩子礦區(qū)位置Figure 1 Hongdunzi mining area position

礦區(qū)無(wú)基巖出露，全部被第四系(Q)和古近系(E)所覆蓋，地層由老至新分別為：石炭系上統(tǒng)土坡組(C2t)；石炭二疊系太原組(C2P1t)；二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、石盒子組(P2sh)、上統(tǒng)孫家溝組(P3sj)；古近系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組(E3q)；第四系(Q)[7]。

礦區(qū)含煤地層為石炭二疊系太原組(C2P1t)和二疊系山西組(P1s)。山西組平均總厚89.99m，含煤5層，煤層編號(hào)自上而下依次為1、2、3、4、5煤，其中可采煤層為2、4、5煤，總厚5.64m，可采含煤系數(shù)為6.27%。太原組地層平均總厚102.65m，含煤6層，煤層編號(hào)自上而下依次為7、8、9-1、9、10、11煤，其中可采煤層為8、9-1、9、10煤，總厚8.97m，可采含煤系數(shù)為8.74%。礦區(qū)內(nèi)4、5、8、9-1、9、10煤層可采范圍大，分布范圍和厚度較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—復(fù)雜，煤質(zhì)變化不大，煤層穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定，2煤為不穩(wěn)定煤層。宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，夾鏡煤條帶和絲炭薄層，宏觀煤巖類型以半亮型煤和半暗型煤為主，暗淡型煤次之(表1)。

表1 紅墩子礦區(qū)可采煤層情況Table 1 Mineable coal seams status in Hongdunzi mining area m

2 富油煤的賦存特征

根據(jù)《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)(2014 修訂版)》中焦油產(chǎn)率的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，煤炭可分為高油煤(Tard>12%)、富油煤(Tard=7%～12%)和含油煤(Tard≤7%)三類，廣義的富油煤包括高油煤和富油煤[8]。通過(guò)對(duì)紅墩子礦區(qū)勘查資料中原煤的焦油產(chǎn)率進(jìn)行分級(jí)劃分發(fā)現(xiàn)，紅墩子礦區(qū)4煤和8煤層主要以富油煤為主，局部分布高油煤。分類結(jié)果見表2。

表2 紅墩子礦區(qū)低溫干餾 600℃原煤焦油產(chǎn)率Table 2 Low temperature pyrolysis 600℃ raw coal tar yields in Hongdunzi mining area %

根據(jù)原煤的焦油產(chǎn)率分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，4煤焦油產(chǎn)率為2.1%～15.3%，平均值為7.6%，屬于富油—高油煤，其高油煤主要分布在紅墩子礦區(qū)的南部，分布特征如圖2所示。8煤焦油產(chǎn)率為2.4%～13.6%，平均值為8.5%，屬于富油—高油煤，其富油煤主要分布在紅墩子礦區(qū)的西北部，東南部煤層焦油產(chǎn)率較低，其分布特征如圖3所示。紅墩子礦區(qū)4煤的焦油產(chǎn)率值小于8煤。

圖2 4煤層富油煤分布特征Figure 2 Coal No.4 oil-rich coal distribution features

圖3 8煤層富油煤分布特征Figure 3 Coal No.8 oil-rich coal distribution features

3 富油煤的沉積環(huán)境及物質(zhì)來(lái)源

3.1 富油煤的沉積環(huán)境

3.1.1 顯微煤巖組分分析

顯微煤巖組分是分析煤層成因環(huán)境的良好標(biāo)志，鏡質(zhì)組是成煤植物遺體在覆水的還原條件下，經(jīng)凝膠化作用而形成，惰質(zhì)組主要形成于缺水多氧、森林火災(zāi)或微生物腐解等條件。成煤植物的組織在溫暖和潮濕的還原條件下以凝膠化作用為主，所以鏡惰比(V/I)在一定程度上可以反映成煤環(huán)境的覆水程度、氧化還原程度及成煤期的溫度、濕度等古氣候條件[9-11]。一般鏡惰比(V/I)高則沼澤覆水較深,處于較還原環(huán)境；反之鏡惰比(V/I)低則沼澤覆水較淺，處于較氧化環(huán)境[9]。紅墩子礦區(qū)4煤鏡惰比為1.2、8煤鏡惰比為1.1(表3)，均大于 1，表明4煤和8煤成煤環(huán)境屬于覆水較深的還原環(huán)境，且成煤的古氣候條件形比較溫暖、潮濕。

表3 紅墩子礦區(qū)煤顯微組分Table 3 Coal macerals in Hongdunzi mining area

3.1.2 灰成分參數(shù)分析

代世峰等研究表明煤的灰分與煤中所含礦物質(zhì)具有一定的相關(guān)性[12]，灰分參數(shù)對(duì)古鹽度、古氣候、氧化還原條件、水動(dòng)力條件等聚煤環(huán)境信息有較好的指示意義[12-14]。目前主要用SiO2+Al2O3、Fe2O3+CaO+MgO、K值、SO3+Fe2O3、CaO/MgO、CaO/Fe2O3等灰成分特征參數(shù)反映成煤環(huán)境和沉積介質(zhì)條件[15]。

煤中CaO、MgO、Fe2O3大部分是泥炭聚積時(shí)海水入侵的產(chǎn)物，而SiO2、Al2O3主要源于泥炭聚積時(shí)陸源碎屑的供給[12]。因此Fe2O3+CaO+MgO值可反應(yīng)泥炭沼澤受到海水影響程度，SiO2+Al2O3值可反映泥炭沼澤接受陸源物質(zhì)的供給程度。由表4可得，紅墩子礦區(qū)4煤和8煤Fe2O3+CaO+MgO為10.24%和12.54%、SiO2+ Al2O3為83.37%和80.28%。表明紅墩子礦區(qū)4煤泥炭沼澤陸源物質(zhì)供給豐富，受到海水影響較小，而8煤泥炭沼澤陸源物質(zhì)供給少，受到海水影響較大[16-17]。

灰成分指數(shù)(K)=(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+ Al2O3)，K的變化可以反映成煤期沉積環(huán)境的還原性強(qiáng)弱，即煤的灰成分指數(shù)越高，還原性越強(qiáng)[13-15]。由表4可得，紅墩子礦區(qū)4煤和8煤灰成分指數(shù)K分別為0.13和0.17，表明8煤的還原性強(qiáng)于4煤，且紅墩子礦區(qū)成煤期沉積環(huán)境的還原性在逐漸減弱。

一般而言，SO3+ Fe2O3的值越大表明煤中含有較多的硫鐵礦，成煤環(huán)境還原程度越高[4]；CaO/MgO的值越大表明煤中礦物質(zhì)以方解石及腐殖酸鈣鹽為主，反映溫暖潮濕—半潮濕氣候條件[14]；CaO/Fe2O3的值越高，反映沉積水介質(zhì)的鹽度越高[15]。由表4可得，紅墩子礦區(qū)4煤和8煤SO3+Fe2O3的值分為4.16和9.65，表明8煤的還原性強(qiáng)于4煤，這與灰成分指數(shù)(K)指示的結(jié)果相同；4煤和8煤CaO/Fe2O3為1.77和0.47，表明4煤的成煤環(huán)境鹽度高于8煤；4煤和8煤CaO/MgO為3.35和5.03，表明8煤的成煤氣候較4煤溫暖潮濕。

表4 紅墩子礦區(qū)主要煤層灰成分參數(shù)Table 4 Main coal seams ash component parameters in Hongdunzi mining area

3.2 成油物質(zhì)來(lái)源

干酪根是沉積巖中主要的有機(jī)質(zhì)和生油母質(zhì)，在不同沉積環(huán)境中，不同來(lái)源有機(jī)質(zhì)形成的干酪根的性質(zhì)和生油氣潛能差別較大[18-19]。根據(jù)元素組成將干酪根分為三類五型，即Ⅰ1型(標(biāo)準(zhǔn)腐泥型)、Ⅰ2型(含腐殖腐泥型)、Ⅱ型(混合型)、Ⅲ1型(含腐泥腐殖型)和Ⅲ2型(標(biāo)準(zhǔn)腐殖型)[16]。目前廣泛采用范氏圖(VanKrevelen)劃分干酪根特征，進(jìn)而確認(rèn)成烴母質(zhì)類型[13]。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)紅墩子礦區(qū)山西組4煤和延安組8煤的H /C原子比在1.0～0.8、O /C 原子比均<0.2，則紅墩子礦區(qū)4煤與8煤干酪根以含腐泥的腐殖型Ⅲ1為主(表5)。腐泥質(zhì)組分主要由水中浮游生物及一些底棲生物、水生植物等在滯水盆地條件下沉積演化而來(lái)，是成油的主要物質(zhì)來(lái)源[13]。因此，紅墩子礦區(qū)含腐泥型母質(zhì)是成油的主要物質(zhì)來(lái)源。由于太原組為海陸交互相含煤沉積，其成煤物質(zhì)除了大量的植物遺體外，還包括對(duì)生烴具有一定促進(jìn)作用的浮游生物，因此紅墩子礦區(qū)太原組8煤焦油產(chǎn)率較山西組4煤偏高。

表5 紅墩子礦區(qū)原煤元素分析Table 5 Hongdunzi mining area raw coal ultimate analysis results

4 結(jié)果及討論

紅墩子礦區(qū)4煤和8煤均形成于比較溫暖、潮濕的古氣候條件下，且8煤的成煤氣候較4煤溫暖潮濕，表明溫暖、潮濕的古氣候有利于富油煤的形成；8煤的覆水深度、還原性均高于4煤，且8煤的焦油產(chǎn)率高于4煤，表明覆水深度大，還原性強(qiáng)的成煤環(huán)境有利于富油煤的富集。綜合而言，越是溫暖、潮濕、高還原的沉積環(huán)境，越利于富油煤賦存[4]。

晚石炭世晚期—早二疊世早期寧東煤田發(fā)育潟湖-潮坪沉積體系，早二疊世早期末地殼緩慢抬升，海水逐漸退卻，此時(shí)河流作用明顯增強(qiáng)，寧東煤田開始陸相碎屑巖沉積。到早二疊世晚期，海水的影響基本消失，煤田內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)化為陸相河流體系，形成河流-三角洲沉積體系。

8煤形成于障壁島-潟湖沉積體系(圖4)，成煤作用受海水的影響較大[17]。礦區(qū)東南部由于距海岸較近，受潮汐作用影響，成煤沼澤覆水不穩(wěn)定且周期性暴露，還原性較低，而礦區(qū)西北部煤層發(fā)育于障壁島后的潟湖-潮坪帶，成煤沼澤覆水較深且穩(wěn)定，還原性較強(qiáng)，最終形成了8煤在礦區(qū)西北部以富油—高油煤為主，而東南部煤層焦油產(chǎn)率較低的特征。

圖4 8煤成煤期古地理環(huán)境示意[17]Figure 4 Schematic diagram of coal No.8 coal-forming stage paleogeographic environment (after reference[17])

4煤形成于河流三角洲沉積體系(圖5)，成煤環(huán)境主要受到河流的影響，以淡水沼澤為主[17]。礦區(qū)南部成煤時(shí)更靠近濱海環(huán)境，其覆水深度深，還原性較強(qiáng)，為4煤在礦區(qū)南部形成富油煤提供了有利的沉積環(huán)境；向北由于成煤環(huán)境為三角洲平原分流間灣的淡水泥炭沼澤，覆水深度逐漸變淺，其還原性也隨之降低，導(dǎo)致4煤在礦區(qū)北部煤層焦油產(chǎn)率較低。在垂向上，自下而上，沉積環(huán)境由海相逐漸過(guò)渡到陸相，沉積環(huán)境的覆水深度逐漸降低，還原性隨之逐漸減弱，所以8煤的焦油產(chǎn)率大于4煤。

圖5 4煤成煤期古地理環(huán)境示意[17]Figure 5 Schematic diagram of coal No.4 coal-forming stage paleogeographic environment (after reference[17])

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)紅墩子礦區(qū)原煤的焦油產(chǎn)率分級(jí)劃分，4煤焦油平均值為7.6%，屬于富油—高油煤，其高油煤主要分布在礦區(qū)的南部；8煤焦油產(chǎn)率平均值為8.5%，屬于富油—高油煤，其富油煤主要分布在紅墩子礦區(qū)的西北部。

2)紅墩子礦區(qū)太原組至山西組成煤環(huán)境由障壁島-潟湖沉積體系逐漸過(guò)渡到河流三角洲沉積體系，在垂向上，自下而上，沉積環(huán)境的覆水深度逐漸降低，還原性隨之逐漸減弱，所以8煤的焦油產(chǎn)率比4煤的焦油產(chǎn)率高。

3)紅墩子礦區(qū)石炭—二疊世較為溫暖、濕潤(rùn)的環(huán)境為富油煤的富集提供了良好的古氣候條件，含腐泥型母質(zhì)為生油提供了良好的物質(zhì)來(lái)源，由于太原組為海陸交互相含煤沉積，成煤物質(zhì)除了大量的植物遺體外，還包括對(duì)生烴具有一定促進(jìn)作用的浮游生物，因此太原組8煤焦油產(chǎn)率較山西組4煤偏高。