登封煤田山西組黏土礦物類(lèi)型及沉積環(huán)境

登封煤田山西組黏土礦物類(lèi)型及沉積環(huán)境許軍【摘要】為了對(duì)豫西登封煤田山西組黏土礦物類(lèi)型及沉積特征進(jìn)行研究，以巖石學(xué)、沉積學(xué)等方法為依據(jù)，運(yùn)用X射線-衍射分析、差熱分析、掃描電鏡及能譜分析對(duì)豫西登封煤田山西組黏土礦物類(lèi)型進(jìn)行了鑒定.結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)黏土礦物以高嶺石、伊利石為主，其次為蒙脫石及綠泥石，表明山西組的沉積環(huán)境是以溫暖潮濕的酸性介質(zhì)為主，次為溫暖干燥的堿性介質(zhì)條件.該成果可為豫西登封煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用提供重要的基礎(chǔ)地質(zhì)資料.【期刊名稱(chēng)】《中州煤炭》【年(卷)，期】2016(000)007【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P137-142)【關(guān)鍵詞】山西組;黏土礦物;沉積環(huán)境【作者】許軍【作者單位】河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作454003;河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南鄭州I450052【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】P618.11礦物的環(huán)境標(biāo)志是沉積環(huán)境分析常用的方法之一，也是進(jìn)行區(qū)域地層對(duì)比的重要依據(jù)。為了對(duì)豫西登封煤田山西組黏土礦物類(lèi)型及沉積特征進(jìn)行研究，本文依托登封煤田煤炭、煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)報(bào)告，對(duì)山西組泥質(zhì)巖黏土礦物類(lèi)型及特征進(jìn)行了綜合研究，可較好反映地層形成時(shí)的環(huán)境介質(zhì)條件。登封煤田煤炭資源豐富，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)該區(qū)域地質(zhì)特征進(jìn)行了大量研究：陳書(shū)龍等［1-6］對(duì)豫西登封煤田山西組含煤巖系海綿巖、礦物學(xué)及地球化學(xué)特征、二疊紀(jì)早期海岸線形態(tài)、沉積相序及沉積環(huán)境進(jìn)行了分析研究；姚庚云等［7］對(duì)豫西登封煤田白坪井田〃山西組”的植物化石進(jìn)行了介紹；翟玉?。?］對(duì)豫西登封煤田暴雨山井田上石盒子組第四含煤段沉積環(huán)境及聚煤特征進(jìn)行了闡述分析；蘇現(xiàn)波等［9］對(duì)河南山西組二1煤古泥巖沼澤的類(lèi)型及演化進(jìn)行了研究；劉欽甫等［10］利用X射線衍射和等離子光譜分析技術(shù)對(duì)鄭州超化煤礦山西組泥質(zhì)巖中黏土礦物和微量元素進(jìn)行了分析；張建奎等［11］對(duì)登封煤田白坪井田層滑構(gòu)造進(jìn)行了研究；劉順喜［12］對(duì)河南省西部中二疊統(tǒng)山西組聚煤環(huán)境及沉積演化特征進(jìn)行了研究；宋建軍等［13］對(duì)河南登封晚古生代層序地層及聚煤特征進(jìn)行了分析；王水利等［14］分別采用電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP-AES)和中子活化法(INAA)對(duì)華北北部山西組煤系黏土巖進(jìn)行了稀土元素含量測(cè)定；胡斌等［15］對(duì)河南省中二疊世山西期古地理特征進(jìn)行了研究；楊延偉等［16］對(duì)登封煤田龐窯詳查區(qū)煤巖層對(duì)比與沉積環(huán)境進(jìn)行了分析。前人盡管對(duì)豫西晚古生代地層進(jìn)行了大量研究工作，但是還未有專(zhuān)門(mén)針對(duì)登封煤田山西組地層黏土礦物分布特征及沉積演化研究，本文通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合勘探鉆孔資料及樣品分析，對(duì)該區(qū)含煤地層沉積環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)分析，該成果可為登封煤炭資源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供重要的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。登封煤田位置在河南主要產(chǎn)煤地中部，含煤面積占河南省含煤面積的5.3%。主要可采煤層為山西組二1煤層，煤類(lèi)為貧煤。大地構(gòu)造上位于華北板塊南緣，地層分區(qū)屬華北地層區(qū)豫中分區(qū)，地層出露較全。區(qū)內(nèi)山西組下自太原組頂部灰?guī)r或菱鐵質(zhì)泥巖頂面，上至砂鍋窯砂巖底界面，含煤2~6層，厚48.84~122.50m，平均厚82.05m，可分為4個(gè)巖性段：二1煤段、大占段、香炭段和小紫段。(1)下部二1煤段，含煤2~3層，為主要可采煤層，除煤層外含有深灰色一黑色含菱鐵質(zhì)結(jié)核的泥巖、炭質(zhì)泥巖或薄層條帶狀粉砂巖和細(xì)砂巖，炭質(zhì)泥巖具植物根化石。(2)中部為大占砂巖，石英組分95%，含少量巖屑。偶有極薄層硅質(zhì)泥巖、含海綿骨針，砂巖分選較好，膠結(jié)物為高嶺石和再生石英，是二1煤層的良好標(biāo)志層。⑶向上過(guò)渡香炭段，主要為黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖及1~2層不穩(wěn)定的薄煤層。⑷頂部為小紫泥巖，位于該組頂部，為灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部夾薄層細(xì)粒砂巖，含紫斑、暗斑及菱鐵質(zhì)鮞狀泥巖。本組含豐富的植物化石，主要有Emplectopteristriangularis-Emplectopteridiumalatum-CathaysiopteriswhiteiAssemblage(三角織羊齒一翅編羊齒一華夏羊齒組合)，而且含海相動(dòng)物化石。該組整合于太原組灰?guī)r或黑色海相菱鐵質(zhì)泥巖上。礦物的環(huán)境標(biāo)志是沉積環(huán)境分析常用的方法之一，也是進(jìn)行區(qū)域地層對(duì)比的主要依據(jù)。黏土礦物形成因素很多，自生黏土礦物在受陸源影響小，堆積速度緩慢的沉積區(qū)有明顯的指相意義。高嶺石與含F(xiàn)e2+綠泥石間呈反比關(guān)系，在淡水河流砂巖中的黏土礦物以高嶺石為主，有少量伊利石，而海成的則綠泥石較多，有大量伊利石。黏土礦物可以提供一些有關(guān)水介質(zhì)酸堿度和古氣候資料：潮濕氣候條件下，海相泥巖富含蒙脫石、水云母和綠泥石；潟湖成因的黏土巖富含水云母和高嶺石，湖相和沼澤相泥巖含較多的高嶺石，在干燥氣候條件下，陸相和潟湖相沉積物都有可能富含蒙脫石。高嶺石一般形成于溫暖潮濕氣候條件下的酸性介質(zhì)的大陸環(huán)境中，蒙脫石和伊利石形成于溫暖干燥氣候堿性介質(zhì)的海洋環(huán)境中。該區(qū)黏土礦物以高嶺石、伊利石為主，其次為蒙脫石及綠泥石，表明山西組的沉積環(huán)境是以溫暖潮濕的酸性介質(zhì)為主，次為溫暖干燥的堿性介質(zhì)條件(圖1)。(1)二1煤段。據(jù)巖性組合特征區(qū)內(nèi)二1煤底可分為東西兩段。①西段：中下部主要為灰色、中厚層狀，中粒長(zhǎng)石石英砂巖，分選中等，含菱鐵質(zhì)結(jié)核和泥質(zhì)透鏡體，見(jiàn)波痕、具板狀、楔形交錯(cuò)層理、羽狀交錯(cuò)層理，見(jiàn)硅化木，與下伏巖層多沖刷接觸；中上部為灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及根土巖等，含菱鐵質(zhì)結(jié)核，具潮汐層理，多見(jiàn)垂直斜交和平行層面的生物潛穴及植物葉部化石。砂體斷面形態(tài)為透鏡狀，古流向142°，具正粒序和雙向遞變序列，粒度概率曲線為2-3段式，由跳躍總體和懸浮總體組成，視電阻率曲線為圣誕樹(shù)形和倒圣誕樹(shù)形，箱形等。沉積環(huán)境為三角洲分流河道、河口沙壩、潮坪（圖2）。②東段：中下部為灰色細(xì)粒砂巖，上部多為粉砂巖，較為純凈，石英含量較高，在90%以上，含菱鐵質(zhì)結(jié)核及植物化石碎片，發(fā)育潮汐層理及多種生物潛穴，多以砂泥互層出現(xiàn)，具正粒序，視電阻率曲線為圣誕樹(shù)形，砂體厚度較西部薄，且出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象。平面形態(tài)席狀，斷面形態(tài)為細(xì)條帶狀，平均古流向?yàn)槟衔?。沉積環(huán)境為潮坪、沼澤相。二1煤層夾砰黏土礦物為高嶺石一伊利石一蒙脫石組合，這反映二1煤泥炭層沉積環(huán)境為以酸性介質(zhì)為主。二1煤層頂板巖性大多是含植物碎屑的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、發(fā)育不連續(xù)的煤層。在二1煤層到大占砂巖之間還不同程度地發(fā)育有煤。煤也只在西部局部可采，上下多為富含有機(jī)質(zhì)的含植物葉部和根部化石的灰黑色泥巖。沉積環(huán)境為分流河流之間，分流間灣之上的沼澤和泥炭沼澤（圖3）。（2）大占段。巖性主要為灰色細(xì)碎屑巖和煤層等。底部為大占砂巖，中上部發(fā)育有二2、二3兩層煤。大占砂巖為灰色中一細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑石英砂巖，富含白云母碎片，含菱鐵質(zhì)和黃鐵礦結(jié)核，泥質(zhì)包體具大型板狀、楔狀、槽狀交錯(cuò)層理和緩波狀層理，粒度概率曲線為2~3段式，主要由跳躍總體和懸浮總體組成，曲線形態(tài)為箱型，多正粒序，底部常具沖刷面，砂體平面形態(tài)為鳥(niǎo)足狀，斷面形態(tài)為透鏡狀和條帶狀，古水流在西部為南東向，白坪井田為北東向。沉積環(huán)境為三角洲前緣和下三角洲平原河口砂壩，分流河道（圖4）。大占砂巖上部多為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，夾薄層細(xì)粒砂巖，具波狀，水平層理和小型交錯(cuò)層理，含菱鐵質(zhì)結(jié)核和鮞粒、植物化石和其他碎片?；礁浇径紊喜磕鄮r中見(jiàn)Limgnlasp（舌形貝、未定種）還見(jiàn)有平行和垂直巖層層面的生物潛穴。環(huán)境屬天然堤、決口扇和分流間灣沉積。本段中、上部發(fā)育二2、二3煤，二2煤僅在中部局部可采，其他多為煤線或?yàn)樘抠|(zhì)泥巖所代替。其上、下巖性多為灰黑色植物葉部和根部化石的泥巖，環(huán)境為分流間沼澤和泥炭沼澤沉積。⑶香炭段。巖性與大占砂巖相似，含二4煤。底部香炭砂巖的各種特征與大占砂巖基本相同，發(fā)育羽狀交錯(cuò)層理，古流向顯示雙向水流，主流向西段為南東，中段為南西。沉積環(huán)境為分流河道及河口砂壩相。中、上部多為細(xì)碎屑巖，含菱鐵質(zhì)結(jié)核和鮞粒，具波狀層理，二4煤底板泥巖中見(jiàn)平行和垂直層面的生物潛穴，頂部含粉砂的硅質(zhì)泥巖中見(jiàn)完整的海綿骨針，西段馬嶺山井田香炭砂巖上部泥巖中見(jiàn)瓣鼬'類(lèi)化石碎片，X-衍射、差熱分析泥巖中黏土礦物為高嶺石一伊利石一蒙脫石組合，環(huán)境為天然堤、決口扇、分流間灣沉積（圖5）。二4煤不發(fā)育，多以煤線出現(xiàn)或炭質(zhì)泥巖所代替，其上部多為含植物化石的灰黑色泥巖、下部多為根土巖。沉積環(huán)境為分流間沼澤和泥炭沼澤相。（4）小紫段。巖性主要為砂巖、泥巖等，含二5煤，厚15-30m。頂?shù)撞繋r性為灰一灰綠色長(zhǎng)石石英砂巖，分選中等，圓度較差，含泥質(zhì)包體，具板狀楔形交錯(cuò)層理和平行、波狀層理，粒度曲線為2-3段式，與下伏巖層多沖刷接觸，其曲線形態(tài)多為箱狀、圣誕樹(shù)形和加積式，砂坪平面形態(tài)為鳥(niǎo)足狀，斷面形態(tài)為透鏡狀，古水流方向多為南東和南西向。環(huán)境為分流河道和決口扇沉積。泥巖主要為小紫泥巖，全區(qū)分布較為穩(wěn)定，為煤巖層對(duì)比一輔助標(biāo)志。巖石特征主要為灰、灰綠、灰紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖，常具云朵狀，不規(guī)則狀灰綠色、灰紫色斑塊，含菱鐵質(zhì)結(jié)核，植物葉部、根部化石碎片，夾煤線。經(jīng)差熱、掃描電鏡及能譜分析，黏土礦物為高嶺石，少量伊利石和蒙脫石，環(huán)境為淡水漫灘湖泊和沼澤相沉積（圖6）。⑸沉積演化。早二疊世末，海水逐漸從本區(qū)向南東方向退縮，廣闊的陸表海演化為半咸水海灣，而來(lái)自北、北西方向的河流攜帶大量的泥砂，經(jīng)濟(jì)源下冶、洛陽(yáng)西部注入海灣潟湖水盆地中。由于水體展寬和潮汐的頂托作用，河流負(fù)載沉積成水下淺灘（多在分流河口兩種相反水流的劇烈交鋒帶），且不斷重復(fù)增強(qiáng)，三角洲發(fā)育。又因盆地基底穩(wěn)定，水體較淺，蓄水體動(dòng)力即主要為潮汐能量（東部此時(shí)已在海灣潟湖基礎(chǔ)上發(fā)育潮坪沉積）大于河水動(dòng)力，也可能因陸源區(qū)基底穩(wěn)定，陸海地勢(shì)差異減小，物源供應(yīng)不足等原因，該三角洲很快被潮汐等海水動(dòng)力改造和破壞，并廣泛發(fā)育潮坪沉積，進(jìn)而在全區(qū)形成三角洲一堡島潮坪的復(fù)合沉積。隨著三角洲和潮坪沉積的充填以及海水退出，區(qū)內(nèi)海灣潟湖逐漸淤平沼澤化和泥炭沼澤化，在各種有利條件下，在這一濱海平原上廣泛堆積并保存了較厚的泥炭層（二1煤）。由于沉積基底緩慢沉降，泥炭層不斷被壓實(shí)等原因，二1煤泥炭層形成之后，該區(qū)又遭受一次短暫的海侵，形成半咸水海灣環(huán)境，并為以后三角洲的發(fā)展提供受水盆地。該三角洲依然是由北、北西向南、南東方向進(jìn)積，區(qū)內(nèi)先期廣泛形成較薄的前三角洲海灣相泥炭沉積，進(jìn)而形成三角洲前緣河口砂堤，遠(yuǎn)砂堤粗碎屑和分流間灣細(xì)碎屑復(fù)合沉積。中二疊世隨著三角洲的進(jìn)一步向前推進(jìn)，下三角洲開(kāi)始沉積，本區(qū)逐漸淤淺，河道淤塞決口，充溢分流間灣。分流間灣完全擺脫海水的影響，并演化為漫灘湖泊。下三角洲平原沉積為上三角洲平原沉積所代替。（1） 根據(jù)巖性特征將豫西登封煤田山西組劃分為4個(gè)段：二1煤段、大占