煤炭地质学报

摘 要 运用 X 射线衍射分析( XRD) 、带能谱仪的扫描电镜( SEM-EDX) 和光学显微镜等技术，首次在鄂尔多斯盆地东北缘准格尔矿区6 号巨厚煤层中发现了超常富集的勃姆石及其特殊的矿物组合，勃姆石含量可高达13. 1%，与勃姆石伴生的矿物有磷锶铝石、锆石、金红石、菱铁矿、方铅矿、硒铅矿和硒方铅矿。重矿物的组合特征与华北地区本溪组铝土矿中的重矿物组合特征相似，高含量的勃姆石主要来源于聚煤盆地北偏东方向本溪组风化壳铝土矿，三水铝石以胶体溶液的形式从铝土矿中被短距离带入泥炭沼泽中，在泥炭聚积阶段和成岩作用早期经压实作用脱水凝聚而形成勃姆石。

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

煤中矿物是煤的重要组成部分。从成因角度来看，煤中矿物的成分和特征，既反映聚煤环境的地质背景，有时又反映煤层形成后所经历的各种地质作用过程，有助于阐明煤层的成因、煤化作用、区域地质历史演化等基本理论问题( Ward，2002) 。从煤的利用角度看，煤中矿物含量直接影响煤发热量的高低和煤的加工利用特性( 韩德馨，1996) ，也是在炼焦冶金过程中造成磨损、腐蚀、污染的主要来源。另外，煤中大部分微量有害元素的含量、存在形式及其对环境的污染也与煤中矿物有关( Vassilev et al. ，1994) ，矿物是煤中微量元素的主要载体( 唐修义等，2004) 。Gupta 等( 1999) 认为，煤利用过程中大部分问题是煤中矿物引起的，而不是煤中的有机显微组分。另一方面，煤中所富集的达到工业品位要求的稀有元素、放射性元素是伴生的有用矿产，有的矿物在煤炭利用加工过程中能起催化作用，提高了煤的经济技术价值。因此，对煤中矿物的成分、含量、成因和赋存状态的研究，具有重要的理论和现实意义。

一、煤中发现的矿物

煤中矿物主要有石英、黏土矿物( 主要是高岭石、伊利石、伊利石/蒙脱石混层矿物) 、碳酸盐矿物( 菱铁矿、方解石、白云石) 、硫化物矿物( 如黄铁矿) ( Ward，1978，2002; Harvey et al. ，1986; Palmer et al. ，1996) 。国内外学者对煤中矿物，特别是这 4 大类矿物的赋存特征和地质成因进行了较为广泛的研究( Martinez-Tarazona et al. ，1992; Patterson et al. ，1994; 黄文辉等，1999; Hower et al. ，2001; Ward，2002; Dai et al. ，2003) ，并运用低温灰化、X 射线衍射、带能谱仪的扫描电镜等方法发现了煤中许多痕量矿物，如独居石、锆石、纤磷钙铝石、水绿矾、胶磷矿、铬铅矿等( Querol et al. ，1997; Rao et al. ，1997; Ward，1989; Dill et al. ，1999; Vassilevet al. ，1998; Li et al. ，2001; 丁振华等，2002) 。根据 Finkelman( 1981) 的资料，煤中已鉴定出的矿物达 125 种以上; Bouka 等( 2000) 认为煤中可能存在 145 种矿物; 唐修义等( 2004) 汇总了国内外文献报道，列出了煤中可以鉴定出的 201 种晶体矿物。

根据前人的研究资料，煤中发现的氢氧化物矿物有: 褐铁矿、铝土矿、针铁矿、纤铁矿、硬水铝石、三水铝石、勃姆石、黑锌锰矿、水镁石，羟钙石。其中褐铁矿、铝土矿、针铁矿在煤中常见，对其成因也有较多的研究( Dill et al. ，1999) ; 纤铁矿在煤中较少见，主要存在于泥炭中( Bouka et al. ，1997) ; 硬水铝石在煤中含量较低，主要存在于有火山灰层夹矸的煤层中，且主要在火山灰层夹矸中( Burger et al. ，1971) ; 三水铝石在煤中少见( Bouka et al. ，2000) ; 勃姆石、黑锌锰矿、水镁石和羟钙石等矿物在煤中偶见或罕见( Ward，1978; Bouka etal. ，2000; 唐修义等，2004) 。

值得关注的是，虽然勃姆石可以存在于某些煤系地层的黏土岩夹矸中，并对其进行了一些研究工作( Maoyuan et al. ，1994; 梁绍暹等，1997; 刘钦甫等，1997) ，但是对煤中勃姆石的赋存、成因在国内外尚未见公开报道的资料，其主要原因就是它在煤中较为罕见。Bouka等( 2000) 认为勃姆石在煤中是非常稀少的; Ward( 1977，1984，2002) 认为在个别煤中可以存在痕量的勃姆石，但高含量的勃姆石在煤中是非同寻常的。Goodarzi 等( 1985) 、Harvey 等( 1986) 、Patterson 等( 1994) 、Vassilev( 1994) 等分别对加拿大、澳大利亚、美国、保加利亚的煤中矿物进行了研究，未发现勃姆石。Tatsuo 等( 1993，1996) ，Tatsuo( 1998) 在日本北海道的石狩湾煤田古近纪煤的低温灰化产物中发现了含量很少的勃姆石( 在所采集的 85 个煤样品中，仅 8 个样品的低温灰化产物中有勃姆石，并且其最高含量仅占低温灰化产物中矿物总量的 2. 5%) 。除此之外，国内外对煤中勃姆石的研究再无公开报道。

二、地质背景和实验方法

准格尔煤田地处鄂尔多斯盆地的东北缘，煤田南北长 65km，东西宽 26km，面积1700km2，已探明的煤炭地质储量为 268 亿吨。它是鄂尔多斯盆地煤层最富集的地带，也是沉积相变最明显的地带，石灰岩在煤田内全部尖灭，逐渐相变为陆源碎屑岩。准格尔煤田的含煤岩系包括上石炭统本溪组、太原组和下二叠统山西组，含煤岩系总厚 110 ～160 m，煤系地层的底板为中奥陶统石灰岩，其上覆地层为下石盒子组、上石盒子组、石千峰组、刘家沟组等非含煤地层。该区主采煤层6 号煤位于太原组的顶部，厚度一般在2. 7 ～35 m 之间，平均厚度为 30m，最厚可达 50 m，是在三角洲沉积体系的背景下形成的一巨厚煤层( 刘钦甫等，1997) 。

按照 GB 482-1995 和 MT 262-91 的采样规范和矿区煤层开采的实际情况，对准格尔矿区黑岱沟矿6 号煤层煤样进行了分层样品的采集。样品的编号、厚度及特征如图 1 所示。煤层自上而下的编号为 ZG6-1、ZG6-2、ZG6-3、ZG6-4、ZG6-5、ZG6-6 和 ZG6-7。用 X 射线衍射分析( XRD) 对该煤层进行了矿物组成研究，用带能谱仪的扫描电镜( SEM-EDX) 和 MPV-Ⅲ显微镜光度计对矿物的形貌特征进行观察。按照 GB 8899-88 对煤的显微组分和矿物进行了定量统计，测试结果的单位为体积百分数( vol. %) ，两次测试结果的允许差小于4. 5% 。

图 1 研究区 6 号煤层柱状及分层矿物组成

三、勃姆石及其特殊矿物组合的发现和赋存特征

在矿物组成上，准格尔 6 号煤层 d 剖面自上而下明显分成 4 段，第 1 段由 ZG6-1 组成，第 2 段由 ZG6-2、ZG6-3 和 ZG6-4 组成，第 3 段由 ZG6-5 组成，第 4 段由 ZG6-6 和 ZG6-7 组成。这 4 段的矿物组成有很大差别( 图 1) 。自上而下的特征如下:

( 1) X 射线衍射分析( 图 2a) 和光学显微镜下测定 ZG6-1 分层的矿物组成以石英为主，含量高达 16. 4%( 表 1) ，呈分散状( 图版Ⅰ-1) ，石英造成煤的矿化现象比较严重( 图版Ⅰ-2) 。从石英形态特征来看，其边缘棱角明显，粒度均匀，大多为 5 ～ 10μm ( 图版Ⅰ-3) ，主要分布在基质镜质体中，也存在于同生黏土矿物中，在均质镜质体中也有分布。黏土矿物( 主要是高岭石) 的含量为5. 5%( 表1) 。该分层的石英和黏土矿物的 SEM-EDX 测试结果如表2 所示。

表 1 准格尔煤田 6 煤层的煤岩组成

注: bdl 为低于检测极限。

图 2 研究区 6 号煤层分层样品的 XRD 图

( 2) ZG6-2、ZG6-3、ZG6-4 的组成以超常富集的勃姆石为主，其含量分别为 11. 9% 、13. 1% 和 11% ( 图 2b、c、d; 表 1) ，如此高含量的勃姆石存在于煤中，在国内外尚无报道。另外，这 3 个分层中高岭石含量分别为 4. 3%、3. 6%和 4. 4%。勃姆石在该煤层中呈隐晶状产出，其赋存状态多样，但主要以团块状分布于基质镜质体中，有的以单独的团块状或不规则的团块状出现( 图版Ⅰ-4 ～6) ，有的以连续的团块状或串珠状出现，也有的充填在成煤植物的胞腔中( 图版Ⅰ-7) 。呈团块状分布的勃姆石的粒度差别很大，为 1 ～ 300μm。在偏光显微镜下，勃姆石与黏土矿物的区别主要是: 勃姆石致密，而黏土矿物比较松散( 图版Ⅰ-8) ，勃姆石的反射色比黏土矿物浅，并且勃姆石的突起较高( 图版Ⅰ-6) ，黏土矿物不显突起( 图版Ⅰ-8) 。在这些勃姆石富集的煤层中，与勃姆石伴生的矿物组合也较特殊，这些矿物包括金红石、磷锶铝石、锆石、菱铁矿、方铅矿、硒铅矿和硒方铅矿。在 ZG6-2 中，有较高含量的金红石( 1. 6%) ，金红石以单晶或膝状双晶形式出现，并有环带结构的现象( 图版Ⅱ-1，2) 。在ZG6-2 和 ZG6-3 中有磷锶铝石，磷锶铝石主要充填在丝质体的胞腔中，呈圆粒状出现，粒度为1 ～2μm( 图版Ⅰ-7，图版Ⅱ-3) 。在 ZG6-3 中有方铅矿、硒铅矿和硒方铅矿，这3 种矿物呈浑圆状产出( 图版Ⅱ-4) ，其内部结构比较特殊，有许多孔洞，似明显的菌藻类等低等生物矿化的迹象( 图版Ⅱ-5) 。在 ZG6-2 和 ZG6-3 中，有锆石，其破碎的痕迹表明来源于物源区( 图版Ⅱ-6，7) 。此外，在勃姆石富集的层位还有少量的菱铁矿( 图版Ⅱ-8) 。由于金红石、磷锶铝石、锆石和菱铁矿的含量不高，X 射线衍射分析未能检测出，主要是通过偏光显微镜和带能谱仪的扫描电镜( SEM-EDX) 所观察的晶体形态和物质成分加以鉴定。

( 3) ZG6-5 的矿物组成以高岭石为主，含量为 11. 4% ，含少量勃姆石( 3. 3% ) 及痕量的黄铁矿。

( 4) ZG6-6 和 ZG6-7 的矿物以高岭石为主，含量分别为 22% 和 19. 5% ，有痕量的黄铁矿、石英和方解石，未见勃姆石( 图 2e、f) 。

四、勃姆石及其伴生矿物成因初探

勃姆石是硅酸盐岩石的风化产物，常与三水铝石、硬水铝石、高岭石、迪开石、玉髓、铵云母等矿物共生，此外，还可能是低温热液产物，与泡沸石共生( Kondakov et al. ，1975; Hrinko，1986; 梁绍暹等，1997; Banerji，1998; 程东等，2001) 。但在勃姆石富集的煤层中，除高岭石外，没有发现上述共生矿物，也没有发现任何低温热液矿物或热液活动的证据。

根据王双明等( 1996) 的研究表明，在准格尔煤田 6 号煤层的形成初期( 对应的煤层编号为 ZG6-7 和 ZG6-6) ，准格尔煤田北偏西方向地势高，而南偏东地势低，陆源碎屑物质主要来自北西方向的阴山古陆广泛分布的中元古代钾长花岗岩，因此在 ZG6-7 和 ZG6-6 分层中所形成的矿物和鄂尔多斯盆地其他地区煤的矿物组成差别不大，以陆缘碎屑的黏土矿物为主。在煤层形成的中期( 相对应的煤层编号为 ZG6-5、ZG6-4、ZG6-3 和 ZG6-2) ，煤田的北东部开始隆起，并有本溪组铝土矿出露，煤田处于北偏西的阴山古陆和北偏东本溪组隆起的低洼地区，聚煤作用持续进行，古河流的方向为北偏东( 王双明等，1996) ，表明陆源碎屑主要来自北偏东的隆起。根据石炭纪石灰岩氧、碳同位素值代表的环境意义，得出石炭纪石灰岩是在正常海相环境中形成的，并计算出太原组形成期古水温平均为 29 ～ 32℃，说明当时该地区气候为炎热( 刘焕杰等，1991; 程东等，2001) 。根据林万智( 1984) 和程东等( 2001) 对该区石炭纪古地磁研究推测，准格尔煤田晚石炭世的古纬度在北纬 14°左右。这种热带湿热气候有利于本溪组风化壳三水铝石的形成( 程东等，2001) 。三水铝石为氧化的开放环境的产物。三水铝石以及少量的黏土矿物在水流的作用下，以胶体的形式经过短距离的搬运到准格尔泥炭沼泽中。根据王双明等( 1996) 的研究，准格尔煤田距离风化壳仅为50km 左右。随着泥炭的持续聚积，到对应的煤层为 ZG6-1 时，北偏东方向的本溪组隆起下降，陆源碎屑的供给又转变为北偏西方向的阴山古陆的中元古代钾长花岗岩，除在 ZG6-1分层中的大量石英外，主要为黏土矿物。在泥炭聚积和成岩作用早期阶段，ZG6-5、ZG6-4、ZG6-3 和 ZG6-2 分层中三水铝石胶体溶液在上覆沉积物的压实作用下，发生脱水作用形成勃姆石。从勃姆石的赋存形态来看，大部分勃姆石呈絮凝状，也反映了它的胶体成因的特点。刘长龄等( 1985) 认为，勃姆石形成主要与成岩阶段的弱酸性与弱氧化至弱还原的介质环境有关，勃姆石在泥炭沼泽中更易形成。山西河曲本溪组铝土矿富含勃姆石，山西和河南铝土矿的重矿物组成有锆石、金红石、方铅矿等，和富勃姆石煤层中的重矿物组合相似( 刘长龄等，1985) ，也是 6 号煤层中勃姆石来源于本溪组铝土矿的佐证。6 号煤中高含量勃姆石的形成与含煤岩系高岭岩中的勃姆石或勃姆石岩的形成不同，刘钦甫等( 1997) 的研究表明，含煤岩系高岭岩中的勃姆石或勃姆石岩中勃姆石的形成主要是高岭石在介质的酸度( pH < 5) 增大时脱硅形成的，并且具有高岭石的假象。而在该煤层中的勃姆石没有交代高岭石的现象。

表2 勃姆石及其伴生矿物的SEM-EDX 测试结果

注: Min 为最小值; Max 为最大值; AM 为算术均值; bdl 为低于检测极限。

研究区晚古生代煤中高含量勃姆石的出现并不是一个简单、孤立的地质事件，它独特的赋存状态、成因、伴生矿物组合关系与其周围的地质体、煤层的形成演化、煤层形成时的古地理和古气候具有不可分割的联系。

致谢: 感谢中国科学院地质与地球物理研究所曾荣树研究员和中国石油大学( 北京) 钟宁宁教授给予的悉心指导和大力帮助。

参 考 文 献

程东，沈芳，柴东浩 . 2001. 山西铝土矿的成因属性及地质意义 . 太原理工大学学报，32( 6) : 576 ～579

丁振华，Finkelman R B，Belkin H E 等 . 2002. 煤中发现镉矿物 . 地质地球化学，30( 2) : 95 ～96

韩德馨 . 1996. 中国煤岩学 . 徐州: 中国矿业大学出版社，67 ～78

黄文辉，杨起，汤达祯等 . 1999. 陶枣煤田晚古生代煤中硫及伴生有害元素分布特征 . 地学前缘，6( 增刊) : 45 ～51

梁绍暹，任大伟，王水利等 . 1997. 华北石炭—二叠纪煤系黏土岩夹矸中铝的氢氧化物矿物研究 . 地质科学，32( 4) :478 ～ 485

林万智 . 1984. 中朝板块晚古生代的古地磁特征 . 物探与化探，( 5) : 297 ～305

刘长龄，时子祯 . 1985. 山西、河南高铝黏土铝土矿矿床矿物学研究 . 沉积学报，3( 2) : 18 ～36

刘焕杰，张瑜瑾，王宏伟等 . 1991. 准格尔煤田含煤建造岩相古地理研究 . 北京: 地质出版社

刘钦甫，张鹏飞 . 1997. 华北晚古生代煤系高岭岩物质组成和成矿机理研究 . 北京: 海洋出版社，24 ～38

唐修义，黄文辉等 . 2004. 中国煤中微量元素 . 北京: 商务印书馆

王双明 . 1996. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价 . 北京: 煤炭工业出版社

Banerji P K. 1998. A plea for systematic study on some unusual aspects of bauxite at Salal，Jammu and Kashmir. Indian Miner- als，42( 1) : 65 ～ 70

Bouka V，Dvoˇrák Z. 1997. Minerals of the North Bohemian lignite Basin. Nakl. Dick，Praha，1 ～ 159

Bouka V，Peek J，Sykorova I. 2000. Probable modes of occurrence of chemical elements in coal. Acta Montana，Ser. B. Fuel， Carbon，Mineral Process，Praha，( 10) : 53 ～ 90

Burger K，Stadler G. 1971. Monographie des Kaolin-Kohlenton-steins Zollverein 8 in den Eissener Schichten ( Westfal B1) des niederrheinisch-westfalischen Steinkohlenreviers. I und II，Forschungsber. Nordrhein，Westfalen，Nr. 2125，Westdeutscher Verlag，Koln. ，1 ～ 96 ( in German)

Dai S F，Hou X Q，Ren D Y et al. 2003. Surface analysis of pyrite in the No. 9 coal seam，Wuda Coalfield，Inner Mongolia，

China，using high-resolution time-of-flight secondary ion mass-spectrometry. International Journal of Coal Geology，55( 2 ～4) : 139 ～ 150

Dill H G，Wehner H. 1999. The depositional environment and mineralogical and chemical compositions of high ash brown coal resting on early Tertiary saprock. International Journal of Coal Geology，39: 301 ～ 328

Finkelman R B. 1981. Modes of occurrence of trace elements in coal. US Geol. Surv. Open-File Rep. ，81 ～ 99，322

Goodarzi F，Foscolos A E，Cameron A R. 1985. Mineral matter and elemental concentrations in selected western Canadian coals. Fuel，64: 1599 ～ 1605

Gupta R，Wall T F，Baxter L A. 1999. The Impact of Mineral Impurities in Solid Fuel Combustion. Plenum，New York，768

Harvey R D，Ruch R R. 1986. Mineral matter in Illinois and other US coals. In: Vorres K S，ed. Mineral Matter in Coal Ash and Coal. American Chemical Society Symposium Series 301，10 ～ 40

Hower J C，Williams D A，Eble C F et al. 2001. Brecciated and mineralized coals in Union County，Western Kentucky coal field. International Journal of Coal Geology，47: 223 ～ 234

Hrinko V. 1986. Technological， chemical， and mineralogical characteristics of bauxites and country rocks near Drie- novec. Mineralia Slovaca，18( 6) : 551 ～ 555

Kondakov I V，Korobeinikov R A. 1975. Bauxite occurrence in the northern Caucasus. Litol. Polezn. Iskop. ，( 1) : 124 ～ 127( in Russian)

Li Z，Moore T A，Weaver S D，Finkelman R B. 2001. Crocoite: an unusual mode of occurrence for lead in coal. International Journal of Coal Geology，45: 289 ～ 293

Liu Qinfu，Zhang Pengfei. 1997. Compositions and mechanism of kaolin in the Late Paleozoic Coal-bearing Strata of North Chi- na. Beijing: Ocean Press，24 ～ 38

Maoyuan Ya N，Gromov A V，Pavlov E G. 1994. Mineralogy of tonsteins in Chungou coal basin ( China) . Geologiya i Razved- ka，( 2) : 47 ～ 54 ( in Russian)

Martinez-Tarazona M R，Spears D A，Palaicios J M et al. 1992. Mineral matter in coals of different rank from the Asturian Central Basin. Fuel，71: 367 ～ 372

Palmer C A，Lyons P C. 1996. Selected elements and major minerals from bituminous coal as determined by INAA: implica- tions for removing environmentally sensitive elements from coal. International Journal of Coal Geology，32: 151 ～ 166

Patterson J H，Corcoran J F，Kinealy K M. 1994. Chemistry and mineralogy of carbonates in Australian bituminous and sub-bi tuminous coals. Fuel，73: 1735 ～ 1745

Querol X，Whateley M K G，Fernández-Turiel J L et al. 1997. Geological controls on the mineralogy and geochemistry of the Beypazari lignite，Central Anatolia，Turkey. International Journal of Coal Geology，33: 255 ～ 271

Rao P D，Walsh D E. 1997. Nature and distributions of phosphorus minerals in Cook Inlet coals，Alaska. Internaitonal Journal of Coal Geology，33: 19 ～ 42

Tatsuo K. 1998. Relationships between inorganic elements and minerals in coals from the Ashibetsu district，Ishikari coal field， Japan. Fuel Processing Technology，56( 1 ～ 2) : 1 ～ 19

Tatsuo K，Makoto K. 1993. Mineral matter in the Ashibetsu coals. Shigen to Kankyo，2( 5) : 491 ～ 499

Tatsuo K，Makoto K. 1996. Mineralogical composition of the Ashibetsu coals in the Ishikari coalfield，Japan. Shigen Chishitsu，46( 1) : 13 ～ 24

Vassilev S V，Yossitora M G，Vassileva C G. 1994. Mineralogy and geochemistry of Bobov Dol coals，Bulgaria. International Journal of Coal Geology，26: 185 ～ 213

Vassilev S V，Christina G. 1998. Comparative chemical and mineral characterization of some Bulgarian coals. Fuel Processing Technology，55: 55 ～ 69

Ward C R. 1977. Mineral matter in the Harrisburg-Springfield ( No. 5 ) Coal Member of the Carbondale Formation，Illinois Basin. Illinois State Geological Survey，Circular 498，35

Ward C R. 1978. Mineral matter in Australian bituminous coals. Proceedings，Australasian Institute of Mining and Metallurgy，267: 7 ～ 25

Ward C R. 1984. Coal Geology and Coal Technology. Blackwell，Oxford，345

Ward C R. 1989. Minerals in bituminous coals of the Sydney basin ( Australia) and the Illinois basin ( USA) . International Jour- nal of Coal Geology，13: 455 ～ 479

Ward C R. 2002. Analysis and significance of mineral matter in coal seams. International Journal of Coal Geology，50:135 ～ 168

图版说明

图版Ⅰ

1. ZG6-1 中的石英( SEM ) 。

2. ZG6-1 中的石英，矿化现象严重( 油浸，反射单偏光，320 × ) 。

3. ZG6-1 中的石英，棱角明显，粒度均匀( SEM ) 。

4. ZG6-2 中规则的团块状勃姆石( SEM ) 。

5. ZG6-2 中不规则团块状勃姆石( SEM ) 。

6. ZG6-3 中不规则团块状勃姆石，突起高( 油浸，反射单偏光，320 × ) 。

7. ZG6-3 中充填于丝质体胞腔的勃姆石和磷锶铝石( SEM ) 。

8. ZG6-5 中黏土矿物，不显突起( 油浸，反射单偏光，320 × ) 。

图版Ⅱ

1. ZG6-2 中的金红石晶体( 油浸，反射单偏光，320 × ) 。

2. ZG6-2 中金红石的膝状双晶( SEM ) 。

3. ZG6-3 中充填于胞腔的磷锶铝石( SEM ) 。

4. ZG6-3 中呈浑圆状产出的硒方铅矿( SEM ) 。

5. ZG6-3 中硒铅矿的内部结构( SEM ) 。

6. ZG6-2 中的锆石( SEM ) 。

7. ZG6-3 中的锆石( SEM ) 。

8. ZG6-3 中的菱铁矿( SEM ) 。

代世峰等: 鄂尔多斯盆地东北缘准格尔煤田煤中超常富集勃姆石的发现

图版Ⅰ

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

代世峰等: 鄂尔多斯盆地东北缘准格尔煤田煤中超常富集勃姆石的发现

图版Ⅱ

任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑

A discovery of extremely-enriched boehmite from coal in the Junger coalfield，the northeastern Ordos Basin.

DAI Shifeng1，2，REN Deyi1，2，LI Shengsheng2，Chen Lin CHOU3

( 1. Key Laboratory of Coal Resources of CUMT，Beijing，100083; 2. Department of Resources and Earth Science， China University of Mining and Technology，Beijing，100083; 3. Illinois State Geological Survey，IL61820，USA)

Abstract: The authors found an extremely-enriched boehmite and its associated minerals for the first time in the super-thick No. 6 coal seam from the Junger Coalfield in the northeastern Ordos Basin by using technologies including the X-ray diffraction analysis ( XRD ) ，scanning electron microscope equipped w ith an energy dispersive X-ray spectrometer，and optical micro- scope. The content of boehmite is as high as 13. 1% ，and the associated minerals are goyazite， zircon，rutile，goethite，galena，clausthalite，and selenio-galena. The heavy minerals assem- blage is similar to that in the bauxite of the Benxi Formation from North China. The high boehmite in coal is mainly from w eathering crust bauxite of the Benxi Formation from the north- eastern coal-accumulation basin. The gibbsite colloidstone solution w as removed from bauxite to the peat mire，and boehmite w as formed via compaction and dehydration of gibbsite colloid- stone solution in the period of peat accumulation and early period of diagenesis.

Key words: coal; boehmite; Late Paleozoic period; Junger Coalfield

( 本文由代世峰、任德贻、李生盛合著，原载《地质学报》，2006 年第 80 卷第 2 期)

陈振宏1 王一兵1 苏现波2

(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，廊坊065007;2.河南理工大学资源环境工程学院，焦作454000)

摘要:煤体变形与煤层气储层渗透性存在密切联系。查明含煤岩系岩体结构，定量评价煤岩体变形，对煤储层渗透性预测具有重要指导意义。通过大量野外观测、结合室内扫描电镜、光学显微镜及原子力显微镜探测，研究了沁水盆地南部煤层气藏储层变形特征及空间展布，探讨了构造形迹、煤体变形程度与岩体结构之间的内在关系，并揭示了其成因。研究结果认为，沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理大部分被方解石充填，对储层渗透性贡献不大;煤岩体变形取决于岩体强度与结构，特别是软煤发育厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。同时研究发现，含煤岩系节理和煤层裂隙走向NE－SW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。在煤层气下一步开发施工中，应尽力避免在软煤强烈发育区布井。

关键词:煤层气 岩体结构 脆性变形 强度因子 软煤

基金项目: 国家 973 项目 “高丰度煤层富集机制及提高开采效率基础研究”( 2009CB219607) 。

作者简介: 陈振宏，男，1979 年生，湖南桃源人，博士，主要从事石油天然气地质及煤层气地质方面的研究。地址: 河北省廊坊市万庄廊坊分院煤层气研究所。电话: 010 － 69213542 1 E － mail: cbmjimcoco@126. com

Deformation Characters and Formation Mechanism of Coal Seams in South Qinshui Basin

CHEN Zhenhong1，WANG Yibing1，SU Xianbo2

( 1. Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development， CNPC，Langfang 065007，China; 2. Institute of Resource and Environment Engineering; Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract: The coal deformation is a critical controlling factor of coal reservoir permeability. Researching the coal construction and quantitatively evaluating coal deformation，essential parts of the reservoir permeability pre- diction，are significant. Through abundant field reconnalssance，SEM，OM and AFM，the reservoir deformation characters，spatial distribution＆ formation mechanism of coalbed methane and the relationship between the region- al structure ＆ coal deformation and rocks construction，were analyzed＆discussed here. It was proved that in the south，Qinshui basin，the brittle deformation was dominant and cleat permeability was litter，in which filled cal- cite. The coal deformation was decided by the strength and construction of rock mass. Especially，the soft coal thickness and rate are associated with strength divisor＆fractal dimensionality. Moreover， the strike of coal fractures＆joints is main NE － SW，as current main stress field，and Sitou fault litter affects the coal deforma- tion. So in the future CBM developing，wells in the intense soft coal area were avoided.

Keywords: coalbed methane; construction of rock mass; brittle deformation; strength divisor; soft coal

引言

煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊岩石，发生韧性变形所需的温度、压力远远低于无机岩石。正是由于煤的这种特殊的变形行为，使得煤体变形与煤层气储层渗透性和煤与瓦斯突出存在密切联系。煤岩体在地质演化过程中的变形受岩体强度、构造应力场、温度和边界条件等的控制［1～4］。在同一构造应力场中不同岩性岩层或岩性组合的岩体会表现不同的岩体力学性质和形变特征，即在局部范围内控制煤岩体变形的主导因素是岩体结构。

对于沁南地区无烟煤储层，割理严重闭合或被矿物质充填，外生裂隙是煤层气运移产出的通道［5～8］。而外生裂隙是煤体变形的结果，适中的煤体变形形成的碎裂煤是本区渗透性最好的储层。因此，根据勘探、开发阶段的煤层气井资料，查明含煤岩系的岩体结构，定量评价煤岩体变形特征，可以为煤储层渗透性评价做出借鉴，预测未开发区储层渗透性，为勘探开发部署提供依据。

1 沁水盆地南部地区煤岩宏观变形特征

沁南地区山西组3#煤层下部通常发育有一层不足1m的软煤，多为鳞片状的糜棱煤，局部发育碎粒煤，个别地区还存在整层均为糜棱煤的透镜体，透镜体一般不超过20m×50m。

图1 沁水盆地南部煤岩割理发育特征

通过钻井煤心、井下煤壁观测，结合测井响应，发现煤体宏观变形以脆性变形为主，其主要变形标志为割理形成初始阶段的格里菲斯裂隙(图1a)、被方解石充填的雁行排列的割理(图1b)。割理成因很复杂，一般认为是同沉积压实作用、成岩作用、侧向古构造应力、干缩作用和煤化作用等综合作用的结果［9～12］。

煤中另一种脆性变形标志是外生裂隙。当外生裂隙不发育时，煤体保持原生结构;当外生裂隙发育时，煤体破坏为碎裂煤，这类煤的煤心往往为碎块状，但碎块有强度。

2 沁南地区煤岩微观变形特征

借助扫描电镜，系统观测煤的微观孔隙结构，发现煤岩割理被方解石充填(图2a)，或者割理闭合(图2b)，基质孔隙(气孔)发育(图2c)。

图2 沁南地区煤岩的微观特征(SEM)

光学显微镜下，煤体脆性变形标志主要为一些外生裂隙(图3)。

图3 光学显微镜下沁南地区煤岩外生裂隙，反光，×15。

扫描电镜下，煤中韧性变形标志主要为褶皱、残斑和SC构造等(图4)。

值得注意的是，煤岩脆韧性变形识别与观测尺度有关，宏观上观测的韧性变形，在微观上仍可发现脆性变形现象(图5)。但在超微条件下，很难观测到韧性变形现象。

3 沁南地区煤岩变形空间展布

煤心观测和测井响应显示，沁南地区樊庄区块软煤普遍发育在煤层的下部，夹矸层将其与上部的硬煤隔开，厚度0～，平均，所占煤层总厚的比率为0～，平均(图6)。

北部的固县地区软煤厚度和比率最高，特别是从G12－9～G7－12软煤厚度超过1m、比率超过，向东软煤发育程度逐渐降低，其软煤相对发育的主要控制因素为褶皱的影响，软煤发育基本沿着背斜的轴部展布。寺头断层并没有对煤体结构造成严重影响，位于寺头断层附近的G4－7，G2－7，G2－6等井软煤的厚度和比率还没有褶皱轴部高，且北西向褶皱与软煤发育的关系最密切。固县地区是整个樊庄区块软煤最发育的地区，且分布在本区的煤层气井距寺头断层最近，可见寺头断层或多或少对煤体变形有一定影响。

图4 煤体韧性变形微观标志(SEM)

图5 煤体韧脆性变形标志(SEM)

樊庄地区软煤发育受北西向褶皱控制，厚度一般不超过1m，比率多在之下，最发育区位于褶皱轴部(F14－13，F13－14)，翼部最低(F12－9)。

图6 沁南地区樊庄区块软煤厚度等值线图

蒲池玉溪地区软煤最不发育，软煤厚度一般不超过1m，多数在以下，比率多在以下。同样沿北西向褶皱轴部软煤发育，但因近东西向褶皱的叠加使得软煤分布复杂化。

总体上，整个樊庄区块固县软煤最发育，其次为樊庄，蒲池玉溪地区最不发育。软煤发育程度与北西向褶皱关系最为密切，多位于褶皱轴部。寺头断层对煤体结构有一定的影响，但不严重。

4 成因分析

岩体结构对煤岩变形的控制作用

研究区除了边界断层—寺头断层外，区内稀疏分布三组小断层:近南北向、近东西向和北东向。褶皱非常发育，大体可区分出北西向和近东西向两类。这些褶皱的形成与岩体结构有着密切关系。褶皱的形成严格受岩体强度和结构的控制，易于发生强烈变形的低强度因子和分形维数岩体均位于褶皱的轴部。强度因子最高的蒲池玉溪地区，通过断层形式来吸收应力，形成了密集的褶皱;强度因子最低的固县地区褶皱不如蒲池玉溪发育，这是该地区通过形成软煤的顺煤层剪切吸收应力的结果。

煤层具有低杨氏模量、高泊松比，相对含煤岩系统计层段内其他岩层，在相对较低的温度和较弱的构造应力作用下也可达到较深的变形程度。因此煤层中记录的构造应力场演化信息要比其围岩详细和全面。对比软煤厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数和褶皱的关系，发现:

Ⅰ:低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区，含煤岩系以韧性变形为主，位于多褶皱轴部，煤体变形程度深，以顺煤层剪切使煤体发生韧性变形、形成“软煤”来消减构造应力。

Ⅱ:高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区，一般位于褶皱的轴部，含煤岩系以脆性变形为主，软煤不发育。

Ⅲ:区域上，固县地区强度因子和分形维数最低，但褶皱和断层不发育，唯一吸收构造应力的途径是顺煤层剪切变形形成软煤。因此，固县地区是本区软煤最发育的地区。蒲池玉溪地区强度因子和分形维数最高，但吸收构造应力的途径不是形成断层，而是密集发育的褶皱，软煤最不发育。樊庄地区介于二者之间。

也就是说，在局部范围内构造应力的性质与大小基本一致的前提下，岩体强度与结构决定了煤岩体的变形，不同地区的煤岩体可通过不同的变形途径来吸收应力。

应力场对煤岩变形的影响

节理发育特征

通过对樊庄区块含煤岩系露头大量野外观测，发现本区含煤岩系，尤其是二叠系下石盒子组中细砂岩、上石盒子组粉砂岩发育多组高角度共轭剪节理，以NESW向和NWSE向为主，倾角平均为82°，甚至有些节理倾角达90°。节理沿走向延伸有从几个厘米到几米的，部分达几十米。节理密度从2条/米到20条/米不等，平均密度为10条/米。一般来说，脆性岩层中的节理密度要比同一厚度的韧性岩层中的节理密度大，节理密度的大小直接受到岩层所受构造应力大小的控制，在构造应力集中的地带，如褶曲转折部位及断层带附近，节理的密度相对要大得多。

节理之间多有切割，反映出力学性质的多样性和形成的多阶段性。据节理的切割关系、分期配套分析结果，厘定为四套共轭剪节理(图7)。第一期共轭剪节理由Ⅰ组和Ⅱ组配套组成，锐夹角指示近SN向的挤压，形成最早;第二期由Ⅰ组和Ⅲ组配套组成，锐夹角指示NWSE向的挤压;第三期由Ⅰ组和Ⅳ组配套组成，锐夹角指示NNESSW向的挤压;第四期由Ⅱ组和Ⅴ组配套组成，锐夹角指示NESW向的挤压，形成时间最晚。

图7 节理的分期配套

构造应力场分析

通过大量的野外观测，在上述含煤岩系节理特征系统描述的基础上，综合前人的研究成果［13～16］，恢复了中生代以来构造应力场期次:

①印支期近SN向挤压应力场

印支期近SN方向的挤压作用，形成近EW向褶皱，伸展作用表现为近NE和NS向的正断层，褶皱和断层规模都很小，此时的寺头断层已经开始发育。

②燕山喜马拉雅早期的NWSE向的水平挤压应力场

燕山喜马拉雅早期NWSE向挤压应力场，在沁水盆地普遍存在。挤压作用使本区整体成为NE向向斜，西部的寺头正断层进一步强化，与之平行的近NE、NNE向的、规模较小的正断层形成。

③喜马拉雅晚期的NNESSW向的近于水平的挤压应力场

喜马拉雅晚期NNESSW方向的挤压作用，形成区内规模较大、叠加在燕山喜马拉雅早期NE向褶皱之上的NW向褶皱，此时的寺头断层由原来的张性逐渐转化为压性。

④第四纪以来新构造期的NESW向的近水平挤压应力场。

第四纪以来的新构造运动期，伴随着霍山和太行山的不断隆起，在沁水块坳中产生的NESW向的近水平挤压应力场，形成了NW向小褶皱，这种构造应力场一直持续到现今。

本区岩石节理和煤层裂隙NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致。

应力场对煤岩变形的影响

煤层中外生裂隙的产状与上下围岩中的节理产状基本一致。山西组3号煤储层中的大裂隙系统具有明显的方向性，表现为NESW和NWSE两个优势方向，且以NESW向更为发育。这与岩石节理走向的优势方向基本一致，煤层主裂隙的方向与现今应力场最大主应力的方向也基本一致。

这一裂隙与应力场的耦合关系，造成了在煤层气井不断排采、流体压力不断降低过程中，裂隙张开度逐渐增加，进而导致煤层渗透率随最大主应力差的增大而呈现数量级的增大现象。

这正是本区煤层气井稳定高产的主要控制因素之一。

断层对煤体变形的影响

根据固县地区寺头断层附近煤层气井的揭露情况，发现该断层对煤体严重变形的影响有限。

(1)紧靠断层的煤层气井显示煤体没有严重破坏为软煤;

(2)北部固79井，储层压力还有，产能就达2700m3/d，而且周围的井固610、固710、固711、固712、固89产能都达2000m3/d以上。但固78、固88的产能较低，不足400m3/d。由产能分析可知寺头断层对煤体变形有影响，在固县地区，由于断层落差较小，影响范围有限，一般不超过100m。随断层落差的增加，影响范围将增加;

(3)寺头断层影响构造应力场在本区的展布，进而控制着区内构造的形成和展布。对煤体变形的影响为:沿断层形成软煤条带，其宽度与断层的落差有关，落差越大，软煤宽度越大，一般不超过500;向东逐渐过渡为碎裂煤分布区，也是储层渗透性最佳区，这一区域的宽度难以准确确定。根据目前煤层气井的测试和排采资料，这个条带的宽度在1～2km左右;进一步向东为基本不受影响的带，原生结构煤发育。

结论与建议

(1)沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理被方解石充填，对储层渗透性贡献不大;韧性变形标志包括褶皱、残斑和SC构造等。

(2)岩体强度与结构决定了煤岩体的变形。软煤发育程度与北西向褶皱关系密切，其厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。

(3)含煤岩系节理和煤层裂隙走向NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。

参考文献

［1］ Guidish T M，Kendall CG C Kendall，Lerche I et al. 1985. Basin evaluation using burial history calculations: an over- view. AAPG Bulletin，69 ( 1) : 92 ～ 105

［2］ Law B E. 1993. The relationship between coal rank and cleat spacing: Implications for the prediction of permeability in coal. In: Proceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium，Birmingham，AL，May 17 － 21，PP: 435 ～ 441

［3］ 苏现波，谢洪波，华四良 . 2003. 煤体脆 韧性变形识别标志 . 煤田地质与勘探，31 ( 6) : 18 ～ 21

［4］ 刘俊来，杨光 . 2005. 高温高压实验变形煤流动的宏观与微观力学表现 ［J］ . 科学通报，50 ( B10) : 56 ～ 63

［5］ 傅雪海，秦勇 . 2001. 煤割理压缩实验及渗透率数值模拟 ［J］ . 煤炭学报，26 ( 6) : 573 ～ 577

［6］ 张建博，秦勇，王红岩等 . 2003. 高渗透性煤储层分布的构造预测 ［J］ . 高校地质学报，9 ( 3) : 359 ～ 364

［7］ 苏现波，林晓英，柳少波等 . 2005. 煤层气藏边界及其封闭机理 ［J］ . 科学通报，50 ( 10) : 117 ～ 120

［8］ 陈振宏，贾承造，宋岩 . 2007. 构造抬升对高低煤阶煤储层物的不同影响及机理 ［J］ . 石油勘探与开发，26( 2) : 62 ～ 67

［9］ Mckee C R，Bumb A C，Way S C et al. 1986. Use of the correlation of permeability to depth to evaluate the production potential of the natural gas in coal seam. Quarterly Review of Methane form Coal Seams Technology，4 ( 1) : 35 ～ 62

［10］ Close J C. 1993. Natural Fracture in Coal. In: Hydrocarbons from Coal，Law B E and Rice D D，AAPG Studies in Geology #38，119 ～ 132

Gayer Rand Harris I. 1996. Coalbed Methane and Coal Geology，The Geological Society，London，1 ～ 338

［11］ 陈振宏，贾承造，宋岩等 . 2008. 高、低煤阶煤层气藏物性差异及其成因 ［J］. 石油学报，2 ( 印刷中)

［12］ 秦勇，张德民，傅雪海等 . 1999. 山西沁水盆地中、南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨 ［J］ . 地质评论，45 ( 6) : 576 ～583

［13］ 赵孟军，宋岩，苏现波等 . 2005. 决定煤层气地球化学特征的关键地质时期 ［J］ . 天然气工业，25 ( 1) :51 ～ 54

［14］ 秦勇，宋党育 . 1997. 山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征 ［J］ . 煤炭学报，22 ( 3) : 230 ～ 235

［15］ 陈振宏，宋岩 . 2007. 高、低煤阶煤层气藏成藏过程及优势地质模型 ［J］ . 新疆石油地质，26 ( 3) : 275 ～278