貴州織金縣大明礦區(qū)龍?zhí)督M煤中元素地球化學(xué)特征及其沉積環(huán)境指示意義

龍 宇，羅順社，呂奇奇

(1.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州 貴陽，550006；2.長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢，430100；3.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢，430100)

沉積巖在形成過程中，與水介質(zhì)之間發(fā)生著密切的地球化學(xué)平衡，不同的沉積環(huán)境，其元素地球化學(xué)的分散和聚集規(guī)律也不相同(李敏 等，2010；梁文君 等，2015)。前人利用巖石中的常量元素、微量元素對古氣候、古水深、古氧相、物源的識別方面做了大量的研究工作(陳小軍 等，2010；羅順社 等，2011；呂奇奇 等，2011；王峰 等，2017；彭治超 等，2018)，并取得了豐碩的成果。煤炭作為非常重要的沉積礦產(chǎn)，成煤環(huán)境及聚煤規(guī)律也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一(金軍 等，2010；郭立君 等，2011；任海鷹 等，2016；溫書鵬.2017；張文斌 等，2020)，不同的成煤環(huán)境中形成的煤層地球化學(xué)元素特征也不相同，因此，煤層中的地球化學(xué)元素特征記錄了可靠的成煤環(huán)境信息(程偉 等，2013；Baoqing Li.et al.2017.馬小敏.2019；楊旭 等，2021)。

貴州地區(qū)蘊(yùn)含了豐富的煤炭資源，其煤炭主要分布在西部及西北部地區(qū)，特別是織納煤田是我省重要的煤炭開采基地之一，大多數(shù)學(xué)者對織納煤田的研究主要致力于地質(zhì)構(gòu)造和沉積環(huán)境方面的研究(潘青青 等，2017；梁劍 等，2019；王云 等，2020；周培明 等，2020)，而對煤層中元素地球化學(xué)的研究較少。作者在前人的研究基礎(chǔ)上，以織納煤田東部的大明礦區(qū)為例，通過鉆探工程取樣和煤炭樣品實(shí)驗(yàn)室分析測試技術(shù)，對該地區(qū)煤炭中常量元素、微量元素的特征進(jìn)行研究，并根據(jù)其組合特征探討了研究區(qū)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M沉積時(shí)期的古水深、古氣候和氧化-還原環(huán)境。

1 地質(zhì)概況

圖1 研究區(qū)地理位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Geographical location and tectonic outline of the study area (modified from Guo Lijun et al.2011；Liang Jian et al.2019)1—地名；2—織納煤田；3—研究區(qū)

2 沉積相類型及特征

研究區(qū)龍?zhí)督M為一套海陸過渡相沉積巖(郭立君 等，2011；梁劍 等，2019)，根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造、礦物、化石特征及相序在縱向上的變化，將其劃分為三角洲平原、三角洲前緣、混積潮坪3個(gè)8個(gè)沉積微相(如圖2)。

圖2 二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M巖性柱狀及沉積劃分圖Fig.2 Lithologic column and sedimentary division of upper Permian Longtan formation1—泥質(zhì)粉砂巖；2—粉砂質(zhì)泥巖；3—泥巖；4—粉砂巖；5—細(xì)砂巖；6—灰?guī)r；7—鋁土巖；8—玄武巖

2.1 三角洲平原

三角洲平原可分為沉積亞相及分流河道、分流間灣、泥炭沼澤三個(gè)沉積微相，其沉積物要比前緣粒度細(xì)，分選性、磨圓度均較三角洲平原差，代表還原沉積環(huán)境的泥炭、煤、黃鐵礦及菱鐵礦的發(fā)育，是區(qū)分三角洲平原和前緣的主要識別標(biāo)志。三角洲平原植物生長繁茂，沉積環(huán)境閉塞，沉積物以泥巖為主，也是煤炭發(fā)育的主要場所。

2.2 三角洲前緣

主要發(fā)育在龍?zhí)督M三段SQ3海侵體系域(TST)的開始階段，在海水及河流的雙重作用下，沉積物在分選性、磨圓度上要優(yōu)于三角洲平原砂巖，巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，其羽狀、魚骨狀交錯(cuò)層理是識別三角洲前緣的重要標(biāo)志。

2.3 混積潮坪

在該區(qū)龍?zhí)督M上部發(fā)育碎屑巖-碳酸鹽巖混積潮坪亞相，巖性在宏觀上表現(xiàn)為碎屑巖與碳酸鹽巖互層，沉積環(huán)境相當(dāng)于障壁型海岸相潮坪，可劃分為潮上帶、潮間帶、潮下帶三個(gè)沉積微相。形成的主要原因?yàn)殡S著海平面的上升，陸源碎屑物減少，處于碎屑巖和碳酸鹽巖沉積過渡的階段(張鵬飛 等，2013；宋章強(qiáng) 等，2020；李泉泉 等，2021)。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 樣品采集與測試

測試樣品均為鉆孔樣，在大明煤礦鉆探施工中，選取了ZK101、ZK201、ZK402、ZK502鉆孔中穩(wěn)定可采的8層可采煤層的19件煤炭樣品，進(jìn)行了常量元素、微量元素測試，微量元素測試采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ECP-MS)，常量元素依據(jù)GB/T1574-2007測定，煤中全硫及各種形態(tài)硫依據(jù)GB/T214-2007測定，樣品在貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室完成測試(誤差小于10%)。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，同一煤層中測試數(shù)據(jù)采用其算數(shù)平均值。

3.2 常量元素特征

經(jīng)測試，有機(jī)硫含量平均0.52%，表明介質(zhì)中有限的S元素在優(yōu)先形成無機(jī)硫后，過剩的S元素從有機(jī)物進(jìn)入煤中的地球化學(xué)元素較少(黃鵬程 等，2020)，對本次研究的影響可忽略。而SiO2、Fe2O3在變化規(guī)律上存在異常，主要原因是成煤時(shí)期的強(qiáng)還原環(huán)境與硅化作用，對Fe、Si含量的影響較大，本次研究不作探討。

表1 研究區(qū)煤中常量元素(%)分析及計(jì)算結(jié)果Table 1 Major elements (%) analysis in coal and calculation resultsin the study area

圖3 研究區(qū)常量元素變化趨勢圖Fig.3 Variation trend of major elements in the study areaA—Al2O3、TiO2、K2O變化關(guān)系圖；B—CaO、MgO、MnO2變化關(guān)系圖；C—S與Al2O3、TiO2、K2O變化關(guān)系圖

3.3 微量元素特征

表2 研究區(qū)煤中微量元素(10-6)分析及計(jì)算結(jié)果Table 2 Trace elements (10-6) analysis in coal and calculation results in the study area

4 地球化學(xué)元素與沉積環(huán)境關(guān)系討論

4.1 與古水深的關(guān)系

研究區(qū)34煤層中Al2O3出現(xiàn)異常高值，TiO2、K2O、S含量也較高(見圖3)，表明陸源碎屑物活動(dòng)頻繁，雖然在經(jīng)歷了以鋁土巖為代表的古風(fēng)化殼沉積之后，海平面有所上升，但沉積速率大于盆地下沉速率，高的Al2O3含量也說明了沉積物源與鋁土巖古風(fēng)化殼有關(guān)，此時(shí)水深仍然較淺；而33煤層中Al2O3、TiO2、K2O、S含量下降，說明海平面上升，而陸源碎屑物較少，沉積盆地可容空間增大，在33煤層上部的碳酸鹽巖潮坪沉積環(huán)境也說明了此時(shí)為欠補(bǔ)償狀態(tài)，水深相對較深；到29煤層沉積時(shí)期，得到了大量物源碎屑物的補(bǔ)充，沉積盆地為弱過補(bǔ)償狀態(tài)，雖然相對海平面上升，但可容空間減小，水深變淺?？傮w上，34煤層-33煤層-29煤層沉積時(shí)期古水深為淺-深-淺，這與Al、Ti、K、S含量的變化趨勢呈負(fù)相關(guān)。

雖然21、16、14煤層均形成于泥炭沼澤，但沉積時(shí)期古水深具有明顯不同：21煤層形成于SQ1結(jié)束時(shí)期，處于地殼構(gòu)造抬升階段，海平面下降，水深也變淺，此時(shí)，研究區(qū)沉淀了較高含量的Al、Ti、K、S；21煤層-16煤層、16煤層-14煤層為兩個(gè)小旋回，21煤層-16煤層的沉積旋回中，沉積盆地為欠補(bǔ)償，可容空間增大，水深不斷加深(如圖4)，形成了下粗上細(xì)的正粒序，至16號煤層時(shí)Al、Ti、K、S含量降低；16煤層-14煤層的沉積旋回中，沉積盆地為過補(bǔ)償，可容空間減小，水深變淺，形成了下細(xì)上粗的逆粒序，14號煤層中Al、Ti、K、S含量較高。在沉積時(shí)的水深方面，21、14煤層水深淺于16煤層，這與Al、Ti、K、S含量高-低-高的變化規(guī)律呈負(fù)相關(guān)，正好驗(yàn)證了同一結(jié)論。

4.2 與古氣候的關(guān)系

通常以MgO/Al2O3、Mg/Ca的比值、Mn的含量來反應(yīng)古氣候的變化(田洋 等，2014；孟昊 等，2016)。研究區(qū)Mg/Ca比值與MgO/Al2O3、Mn含量負(fù)相關(guān)，圖4，說明Mg/Ca比值適用于極度干旱條件下的變化規(guī)律[10]，即Mg/Ca高值代表溫濕環(huán)境，低值表示干旱環(huán)境，而MgO/Al2O3、Mn的高值表示干旱，低值表示溫濕環(huán)境。

研究區(qū)34、29、14煤層具有較高的Mg/Ca比值和較低的Mn含量、MgO/Al2O3比值，說明此時(shí)三角洲平原環(huán)境中的Mn析出量較低，Mg的析出量大于Ca，而較高Al2O3含量表示陸源碎屑物活動(dòng)增多，研究區(qū)淡水活動(dòng)頻繁，氣候相對溫暖潮濕。32、16煤層具有較低的Mg/Ca比值和較高的Mn含量、MgO/Al2O3比值，說明此時(shí)三角洲平原環(huán)境中的Ca析出量大于Mg，高M(jìn)n含量和低Al2O3含量表明水介質(zhì)蒸發(fā)量大，陸源碎屑物活動(dòng)減少，淡水活動(dòng)影響降低，氣候相對干旱炎熱?？偟膩碚f，研究區(qū)34煤層-14煤層氣候?yàn)闇貪?干熱-溫濕-干熱-溫濕的變化過程(如圖4)。

圖4 煤層中地球化學(xué)元素特征與古水深、古氣候變化規(guī)律關(guān)系示意圖Fig.4 Relationship diagram between elements geochemical characteristics in coal seam，paleobathymetric and paleoclimate variation law

4.3 與氧化-還原環(huán)境的關(guān)系

U在氧化環(huán)境下以游離態(tài)存在，但在還原環(huán)境中易形成沉淀，Th則較為穩(wěn)定，因此，通常用U/Th比值法、δU值來判別氧化-還原環(huán)境(王峰 等，2017；彭治超 等，2018)。

圖5 U值、U/Th比值變化曲線圖Fig.5 Change curves of U value and U/Th ratio

5 結(jié)論

本文通過沉積學(xué)、地球化學(xué)分析方法，討論了二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤層中常量元素、微量元素在垂向上的變化規(guī)律，結(jié)合沉積環(huán)境特征，得出如下結(jié)論：

(1)通過對研究區(qū)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M巖石特征、沉積構(gòu)造、古生物化石特征的分析，將其劃分為三角洲平原、三角洲前緣、混積潮坪3個(gè)沉積亞相及8個(gè)沉積微相。

(2)通過對煤層中陸源元素Al2O3、TiO2、K2O、S含量變化規(guī)律的分析，古水深經(jīng)歷了兩次淺-深-淺的旋回，分別為34-33-29煤層、21-16-14煤層沉積時(shí)期，其含量總體上呈減少趨勢，說明隨著海侵的持續(xù)進(jìn)行水體不斷加深，其含量與沉積時(shí)的古水深呈負(fù)相關(guān)。

(3)根據(jù)MgO/Al2O3、Mg/Ca、Mn的變化規(guī)律可知，研究區(qū)古氣候經(jīng)歷了溫濕-干熱-溫濕-干熱-溫濕的變化過程。

(4)根據(jù)U/Th、δU的在縱向上的變化，雖然泥炭沼澤水體滯留，一般為還原環(huán)境，但淡水活動(dòng)可導(dǎo)致水介質(zhì)中的游離態(tài)氧含量增加，成為氧化環(huán)境，總體上，研究區(qū)經(jīng)歷了氧化-還原-弱氧化環(huán)境的變化過程。