鄂尔多斯盆地中侏罗系煤系中煤的宏观煤岩特征

鄂尔多斯盆地中侏罗系煤系中煤的宏观煤岩特征

1沉积特征在聚煤区的应用中国西北地区的龙舌煤炭储量很大，煤炭变质程度很低，具有特殊的性质和广泛的用途。煤炭的工业利用要求对煤的显微组分及煤中矿物质种类与含量有基本了解,比如煤炭直接液化工艺对煤质就有特殊要求,其中的两条要求是:煤的元素组成中的氢含量要高,H/C原子比要大于0.8;煤岩成分中惰质组含量要低,一般低于20%为好。我国自主开发的“神华煤直接液化工艺”已获得成功,这与煤中的过渡性组分半镜质组或半惰性组还存在活性有直接关系。西北地区侏罗纪煤有的还具生油能力,如吐哈盆地赋存有具工业价值的煤成油,西山窑组的煤是主要生油源岩之一。煤岩学界关心吐哈盆地煤中哪些煤岩组分是主要生油母质。壳质组里的木栓质体曾被认为是生油的主要组分,含有超微类脂组分的基质镜质体也被当成生油的主要贡献者。金奎励教授和他的学生们在吐哈、准噶尔、塔里木等盆地都做过研究,他们也认为,壳质组(包括藻类体、沥青质体)和具有荧光性的基质镜质体是主要产烃组分。前人研究均指出西北侏罗纪煤的组分大多是贫壳质组。与西北其他地区类似,鄂尔多斯盆地侏罗纪也具有高惰性组分特点,但各种显微煤岩组分含量很大,壳质组含量有时也会富集。煤岩组分含量的变化明显受到成煤环境控制,由此可见,研究盆地的古地理格局及其各煤层的沉积环境背景将有利于对不同煤层进行显微组分含量预测,并且对不同煤田与不同煤层资源合理利用具有指导意义。鄂尔多斯盆地是我国罕见的巨型含多能源矿产盆地,蕴藏有丰富的煤、石油、天然气资源,在世界上也称得上是巨型聚煤盆地。它位于华北地台西缘,面积约40万km2,发育于稳定克拉通之上。从地理位置上看,它包括吕梁山以西、贺兰山与六盘山以东、渭河平原以北、黄河河套以南的广大区域。从地貌上看,它表现为西高东低的黄土高原,横跨陕、甘、宁、蒙、晋等省(区),盆地中心沉积岩厚度可达6000m,一般都在4000m以上。从盆地构造演化上看,它经历了古生代地台阶段和中、晚三叠世类似前陆盆地机制的挠曲盆地阶段以及侏罗纪相对稳定的坳陷阶段。叠合盆地长期发展,使得区内发育有石炭—二叠系煤系、三叠系瓦窑堡组煤系及侏罗系延安组煤系,这些不同时代的煤系共存,但是各区的分布有所侧重。从煤炭资源量上看,在盆地内埋深2000m以浅的煤炭资源中,侏罗系煤炭资源量最大,达1487.66Gt,占盆地内总资源的75%。鄂尔多斯盆地最主要的含煤地层是侏罗系中下统地层,其分布比较广泛。长期以来,国内不同学者对鄂尔多斯盆地侏罗纪煤岩特征做了细致的研究,取得了丰富的研究成果。鄂尔多斯盆地侏罗系煤系分布范围广阔,但是盆地内部不同部位其含煤性和聚煤作用变化较大。总体而言,鄂尔多斯盆地可以划分出早侏罗世—中侏罗世早期、中侏罗世、晚侏罗世和早白垩世4个演化阶段,第一演化阶段——早侏罗世—中侏罗世早期为重要的聚煤期。含煤地层总厚度约300m,下部称富县组,上部为延安组。在近几年来的勘查中又发现侏罗系直罗组也存在具有一定分布面积的可采煤层,但鄂尔多斯盆地的侏罗系延安组仍为鄂尔多斯盆地中最主要的含煤岩系,在盆地内发育齐全,分布范围最广,保存最为完好,可采煤层结构简单,煤层厚度一般较大,具有重要经济价值。构造作用与沉积作用的共同影响,使得盆地内各个演化阶段的沉积环境配置及沉降中心不同(图1、图2)。由此,聚煤区围绕盆地的煤层层数、厚度及横向变化规律在盆地不同部位表现出不同特点。鄂尔多斯盆地侏罗系富煤带具有一定分布规律,富煤中心与沉积中心不全为重叠关系,而具有平行关系;厚煤层分布总体表现为一个宽缓的向斜式曲面,轴线位于乌审旗—环县一线,呈N35°E,代表了鄂尔多斯盆地区域富煤带的展布方向。乌审旗附近为盆地富煤中心,最大煤厚达24m,以此为核心,煤厚向四周递减。平凉、华亭和盆地东北部还出现了一些近东西向和NEE向的小型向斜式曲面,显示了局部性小型富煤带的存在。从盆地总体上看,鄂尔多斯盆地从北部到南部,煤系厚度具有逐渐减薄趋势,北部煤层厚度一般大于20m,而到了盆地南部煤层厚度减至10m,煤层稳定性也表现出由北向南逐渐降低的趋势。从盆地东西方向变化上看,富煤带分布也具有一定的分带性。从盆地西缘到盆地东部地区,含煤岩系厚度具有逐渐减薄趋势,同样含煤层数和煤层累计厚度也表现出由西向东逐渐减少的趋势。但是到了盆地的最西缘,煤系厚度虽然大、但是煤层单层厚度变小、分叉合并现象常见,说明富煤带只能在离沉积中心一定部位最发育,在盆地边缘靠近物源的地区,成煤沼泽发育受到限制,不利于厚煤层的形成。北部地区的富煤中心位于新召、乌审旗和东胜一带。盆地北部西缘部位的灵武地区煤系厚且含煤层数最多、厚度最大,是全盆地的富煤中心(图3、图4)。其含煤厚度超过22m,往南至环县、庆阳地区,煤层层数逐渐减少,厚度也逐渐变薄;但在盆地南缘也发育一些富煤带,如平凉、华亭,铜川、黄陵地区分别出现局部煤厚超过20m的富煤区;盆地在大理河以南、葫芦河以北、吴旗以东的地区开始无煤沉积,充分显示沉积环境和沉积微相对煤层发育具有重要的控制作用。2岩特征2.1低位沼泽还原型鄂尔多斯盆地中侏罗系延安组煤的宏观煤岩类型也具有明显的分带性,表现为两种基本类型。一种是高位沼泽氧化型,主要发育在靠近物源方向的河流体系上部沼泽环境中。煤层下部砂体发育,颗粒粗,底板泥岩层薄,宏观煤岩类型以半暗煤和暗淡煤为主;另具少量半亮煤和光亮煤。这种类型主要分布在东胜以北地区,越往北部,暗淡煤比例越高,一般情况下半暗煤和暗淡煤可以占到60%～75%或以上,往南则有逐渐减少的趋势。这里需要特别指出的是,在以往许多文献中提到在宁夏汝箕沟地区,以光亮煤和半亮煤居多,约占90%以上,认为是一种特别类型,其实这是由于本区煤变质程度高,达到无烟煤阶段,已经无法通过常规方法来区分镜质组、稳定组和惰性组,在高变质阶段已经无法用煤岩类型或显微煤岩组分来判断沼泽环境类型。其他正常变质程度的矿区则仍以半暗煤和暗淡煤占绝对优势。但是观察还发现,在煤层底部一般有半亮煤和光亮煤分布,约占20%～30%。另一种类型为低位沼泽还原型,主要发育在湖泊相或靠近湖泊相的河流体系上部沼泽环境中。煤层下部砂体发育较差,颗粒较细,顶底板泥质页岩和炭质泥岩等细粒沉积层比较发育,泥炭埋藏之后很快处于缺氧还原环境中,泥炭经历了比较充分的凝胶化作用阶段,所以镜质组含量比较高。宏观煤岩类型主要以光亮煤和半亮煤为主,暗淡煤和半暗煤比例少于50%。在盆地中南部的陕西神府、榆横地区和东南部的富县地区这种类型比较发育。宏观煤岩类型中半亮煤和光亮煤含量虽然较多,但也发现局部层位仍以半暗煤和暗淡煤为主,沉积微相变化仍然控制了煤岩类型分布。宏观煤岩类型在纵向发育上也有一定的演化规律。在单个含煤岩系系列上,一般下部煤层发育的是第一种氧化类型煤层,上部发育第二种还原类型煤层,即单个层序中,先发育氧化型煤层,再发育还原型煤层。这种现象实际上也是与微相变化相一致的,沼泽覆水条件一般情况下在泥炭沼泽初期为流水通畅状态,晚期变成滞留还原性质。整个沉积旋回均表现为正粒序,韵律明显。不管是河流体系上部泥炭沼泽还是湖泊体系上部泥炭沼泽,只要覆水条件好,凝胶化作用过程都比较充分,镜质体含量就会高。这种变化规律虽然具有普遍性,但是也不是所有含煤旋回都是如此。如图5所示,对各矿区收集的152个样品的宏观煤岩类型进行了鉴定,各个矿区宏观煤岩类型表现出一定的差异性。但是这里需要特别指出的是,现有资料上均显示宁夏汝箕沟的煤岩类型以光亮煤为主,这与其变质程度达无烟煤程度有关,变质程度高而使得壳质组和镜质组难以区分造成统计误差是其主要原因,应注意不能认为是原始沼泽环境所致。许多研究者单纯从显微煤岩组分统计数据来分析其原始成煤环境,造成的推断是错误的。盆地内不同地区由于沉积环境背景不同,使得有的地区不具备完全的覆水沼泽条件,或者覆水沼泽环境存在的时间短,使得第二种类型的煤层没能充分发育。在许多含煤岩系单个层序上,也常常表现为下部暗淡煤和半暗煤占优势,至中部则半亮煤和光亮煤增多,再往上则半暗煤和暗淡煤又增加的现象,就是上部覆水条件较好的沼泽环境很快被中断,又被氧化型沼泽环境所取代的缘故。总之,在许多发育不完整的含煤层序上,煤层光泽表现出由暗—亮—暗,均与旋回发育呈一一对应关系(图4)。研究还发现在盆地东南部地区的黄陵矿区,中侏罗统延安组下部的4号煤层中有腐泥煤-浊煤存在,黑色,具黑色条痕,光泽较暗,一般具油脂状和似丝绢状光泽,当镜质组含量不同时,显玻璃状或土状光泽。烛煤密度小,手感轻,韧性大,断口为平坦状、贝壳状或似贝壳状。在显微镜下,腐泥煤特别以其缺乏层理而区别于腐殖煤,其他特性是具有均一的结构和很大的强度。这表明盆地东南部的黄陵地区是含煤岩系沉积期的盆地低洼部位,湖水较深,虽然不利于成煤沼泽发育,但是长期的深湖半深湖环境也能形成腐泥煤。腐泥煤的分布范围就是当时沉积盆地中深水湖泊的分布范围。2.2显微煤岩类型及生烃作用前人已对鄂尔多斯盆地中个别矿区煤的显微特征做了很多的研究工作[13,14,15,16,17,18,19,20,21],但对于鄂尔多斯整个盆地的综合研究发现,鄂尔多斯盆地石炭—二叠系煤的显微组成多以镜质组占绝对优势,惰性组次之,壳质组极少,其性质与华北其他地区石炭—二叠系煤基本相似。但是到了侏罗纪,由于沉积环境发生了重大变化,内陆型大型湖泊和河流体系为主要沉积背景,气候和植物类型也发生重要变化,使得鄂尔多斯盆地侏罗系煤中的显微组分转化,以惰性组居多,镜质组次之,壳质组极少。鄂尔多斯盆地侏罗系煤的显微煤岩类型主要以微惰煤为主,含较多富镜质组的微镜惰煤。镜质组以结构镜质体、均质镜质体、基质镜质体最为常见,惰性组中丝质体、半丝质体、粗粒体等常见,壳质组中小孢子体、角质体和沥青质体比较常见;另外还有树脂体和木栓质体等,大孢子体少见。值得注意的是壳质组在厚煤层的中部会局部富集,其生烃能力强,而且生烃之后就在煤层的丝质体中保存,不易流失,所以意义特别重大。丝质体常常作为基质出现,但在大多数情况下,丝质组、镜质组以条带状、线理状、不规则透镜状共生,少量以复杂的斑块状、散布状等分布。丝质组由于其刚性强,孔隙发育,有利于烃类物质运移和储存,所以笔者认为丝质组在煤层中起到了储集作用。而镜质组和壳质组生烃能力强,孔隙不甚发育,在煤层中生烃作用强,其作用类似于烃源岩。所以进一步研究厚煤层中各种煤岩组分的分布与配置,将有利于评价整体煤层的生烃能力,也有利于评价不同煤岩组成煤层的最佳利用方向。2.2.1不同地区煤的显微组分在平面分布的总趋势对比,其镜质组含量在20%80%;鄂尔多斯盆地侏罗系延安组煤的显微组分以镜质组和惰性组为主,但镜质组比惰性组含量较低,壳质组极少,矿物质少。如图6所示,全区除汝箕沟矿区之外,其他矿区煤的镜质组含量一般在32%～60%之间。煤的显微组分在平面分布的总趋势为,由盆地边缘到盆地中心镜质组含量增加,丝质组含量减少。盆地北缘的东胜地区煤的镜质组含量最低,一般在27.5%～40.0%之间,这是因为靠近北部陆源成煤沼泽覆水条件变差的缘故;往盆地中心的陕西神府、榆横地区煤的镜质组含量较高,镜质组含量在60%～70%之间。盆地西缘汝箕沟、石炭井、华亭等矿区因变质程度增高而导致镜质组含量大于60%外,其他地区均在40%左右。在垂向上,延安组煤的镜质组含量由低变高再变低,而惰性组含量则表现为由高变低再变高的过程。2.2.2体为主要成分,其主要有丝质体和培养基镜下观察表明,煤岩显微组分中的镜质组以结构镜质体和均质镜质体为主,其次是基质镜质体。惰质组中以丝质体为主,微粒体、菌类体等含量较小。壳质组中的主要成分是孢子体和角质体,少见树脂体。总体看来,本区煤中,丝质组(惰质组)含量多,矿物质含量少。2.2.2.煤岩中团块的形态特征结构镜质体,其细胞壁在透射光下呈棕红-褐红色、橙红-褐红色,细胞结构保存完好、排列规则、清晰或部分朦胧可见;有的细胞壁膨胀,细胞腔逐渐缩小。有的细胞腔中空(图版Ⅰ(a)、(b)),而有的则往往被无结构镜质体或者经常被树脂体、微粒体或粘土所充填。常见胞腔结构的挤压变形现象,偶见角质体碎片充填结构镜质体的细胞腔。均质镜质体,显微镜下呈均一状,油浸反光下呈不同程度的灰色色调,透射光下为橙红色至棕褐色,其在镜下多呈宽窄不等的条带状、透镜状分布,局部呈橙黄色。较均一,偶见垂直内生裂隙(图版Ⅰ(a)中橙黄色组分为均质镜质体),局部可见角质体镶边或散布有橙黄色角质化小团块。均质镜质体是本区煤中常见的显微组分之一。基质镜质体,透射光下呈片状分布或呈其他组分的“胶结物”出现(图版Ⅰ(b)),中部条带状胶结物为大孢子体,反射蓝光下呈暗褐色的组分为基质镜质体,有时呈橙红色-橙黄色,无固定形态和细胞结构痕迹,另有部分基质镜质体胶结粗立体及粘土矿物杂质等(图版Ⅰ(c))。基质镜质体是本区的主要显微组分之一,在大多数煤样中其含量均在30%以下;团块镜质体,主要来源于植物树皮中的鞣质,其产出状态常孤立出现或作为细胞充填物产出。本区煤岩中团块镜质体也较少见,呈棕红-褐红色,呈圆形、椭圆形、浑圆形、透镜状等形态分布。根据形态和成因,有时还划分出无结构镜质体,本区无结构镜质体主要含有均质镜质体和基质镜质体,团块镜质体较少。无结构镜质体是由植物的木质纤维组织和其他成分经过凝胶化作用形成的胶状物演变而来。2.2.2.中性组煤的成分及形态惰性组中的丝质体具有较清晰的细胞结构,透射光下呈黑色、褐黑色(图版Ⅰ(d)中褐黑色条带),呈条带状、透镜状、长条状、不规则状分布,油浸反射光下细胞壁呈白色(图版Ⅰ(k)、(l))。粗粒体无原始细胞结构,以大小不等的圆形、椭圆形颗粒出现;粗粒体在煤中还可以以基质状态与基质镜质体混杂分布出现(如图版Ⅰ(f))。半丝质体的反射率较丝质体的低,介于镜质体和丝质体之间,其细胞结构不如丝质体保存得好。本区煤岩中半丝质体较为发育,多呈与结构镜质体的过渡形式出现,反射光下呈红黑-褐黑色(图版Ⅰ(e))。微粒体在油浸反射光下,以白色微粒集合体形式分布,常呈条带状或充填细胞腔形式出现。本区还出现少量菌类体(图版Ⅱ(j)),油浸反射光下呈白色空心圆圈,含黑色菌核,常分布于基质镜质体中。白向飞等对西北侏罗纪低变质煤进行的研究认为,西北侏罗纪煤惰质组和过渡组分含量较高的原因与弱还原环境有关,其成煤沼泽主要为高位沼泽,由于比较干旱,有的地区伴随有森林火灾发生,使得煤中偶有火焚丝质体成夹层出现。西北侏罗纪主要煤种是不黏煤和弱黏煤,由于属于弱还原程度,使得煤的挥发分产率和氢含量较低,而氧含量普遍较高。侏罗纪煤的镜质组反射率一般介于0.5%～0.8%之间,属于低变质烟煤阶段,白向飞等的研究认为,侏罗纪低变质阶段煤的挥发分产率及元素组成与镜质组反射率的相关性不好,也是由于还原程度不同所致。本次研究也发现,西北侏罗纪煤特殊的煤岩特征是过渡性组分,特别是半丝质体含量偏高,从而导致了煤的化学性质与煤的工艺性质等方面有别于其他地区同等变质程度的煤,对这些过渡性组分深入的成因研究,将有助于更好地预测侏罗纪煤的工艺性质变化趋势。李小彦研究了神东矿区富惰质组煤认为,干燥氧化的低水位高位沼泽以及泥炭表层大气风化的弱氧化条件是富惰质组煤的主要形成条件,而且认为这种条件下植物遗体还经受了真菌活动的影响,并提出成煤沼泽的真菌交替作用是惰质组分的重要成因机制。但是本次研究发现(图版Ⅱ(j)),真菌体并不与细胞结构完整的丝质体共生,而是在暗煤和半暗煤条带中与半镜质体和小颗粒的角质体及小孢子体共生,说明真菌体与火焚丝质体不能共生。本次研究发现,在盆地内煤中惰性组分也是有变化的,这主要取决于成煤环境与沼泽类型。靠近盆地北部,惰性组含量最高,可以超过80%。到了偏南部的焦坪、黄陵及彬长一带,情性组含量往往为60%左右,并且半丝质体的成分较多,但是火焚丝质体已经较少,而火焚丝质体已经完全丧失活性,其清晰的细胞结构和容易破碎的特点(图版Ⅱ(l))与半丝质体和半镜质体还有很大区别。值得注意的是,以往研究中都划归到惰性组分的半丝质体或半镜质体实际上还具有很大活性,这一部分不应该全部划归为惰性组,而是要根据其演化程度按照一定百分比重新定量,否则就会造成惰性组含量估算过高。在鄂尔多斯盆地的中间地带,过渡性组分含量比较高,应引起重视。2.2.2.煤中的下质体及含烃质体(1)孢子体,一般呈较强的黄色荧光,具有很强的荧光正变化,一般呈压扁的长条状,以小孢子群的状态分布于基质镜质体或沥青质体中,并且在本区煤中分布很普遍但含量较少。大孢子体在本区煤中少见,荧光较弱(图版Ⅰ(b))。(2)角质体,在油浸反光下呈灰黑色,细长条状,有单体产出,亦有成层分布。荧光下具黄绿-褐黄色荧光,具光滑边或锯齿边,后者锯齿状边缘特别清晰;反射光下呈黄色、橙黄-黄色,透射光下呈亮黄色-亮白色。呈条带状、镶边状、碎片状展布。角质体在本区煤中分布普遍但含量少,常充填于镜质体中(图版Ⅱ(g))。(3)树脂体,在本区煤层中,一般呈长椭圆形、椭圆形、肾形、粗短条状或不规则状散布,局部呈充填细胞腔形式出现,偶见挤压变形现象。透射光下呈均匀亮黄色,反射光下为深灰色-黑色,反射蓝光激发下,荧光颜色变化很大,从褐黄色到黄绿色荧光均有分布。(4)树皮体(木栓质体),是本区煤中重要的显微组分之一,其细胞结构保存较好,排列规则程度不一,大多呈叠瓦状排列,长条状顺层分布,可见清晰的木栓结构。油浸反光下呈深灰-浅灰色,如图版Ⅱ(h)所示,蓝光激发下具黄-褐黄色-黄绿色荧光。(5)渗出沥青质体,在本区煤中十分常见,它具有低反射率。大多呈微弱的浅褐色荧光,反射蓝光下呈深灰色-黄色荧光。沿裂隙、孔隙充填,有时可见流动现象(图版Ⅱ(i))。鄂尔多斯盆地壳质组含量在盆地的南部增高,局部比较富集。壳质组对生烃的贡献率最大,虽然其含量在煤层中不如其他组分,但是只要略有升高,其整体的生烃能力就会大大加强。研究发现,壳质组常常在煤层的中间部位局部富集,虽然整个煤层中其平均含量不高,但是对煤层的总体生烃能力会有很大提高,值得特别重视。以往的研究成果中,壳质组含量常常被