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摘要通过对煤相参数和煤中自生矿物(特别是煤中自生黄铁矿和黏土矿物)的分析，提出了VC/PD参数以反映煤形成时介质的酸碱度。从剖面和平面上对乌达矿区主采煤层煤相的演化和活性组分的分布进行了探讨，对煤中硫的分布及其与煤相的关系进行了分析，最后对煤中自生黏土矿物的产状与其所反映的水介质条件也进行了阐述。
任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑
乌达矿区位于内蒙古西部，该矿区9煤层和10煤层的活性组分含量较高且分布稳定，Ro，ran=～，是很好的炼焦用煤(肥煤和焦煤)，但煤中硫的含量很高，甚至洗精煤中硫含量达到以上，严重影响了煤的销售及经济效益。煤中硫的含量及其赋存特征与其聚煤环境有密切关系，研究煤聚积时的沉积环境，不仅能查明煤中硫的赋存规律，而且能为降低及脱除煤中的硫提供理论依据。
一、VC/PD参数的提出
Teichmüller(1989)认为，煤相是指煤的原始成因类型，它取决于泥炭形成的环境，即古泥炭沼泽类型［1］。一般认为，它是由煤的显微组分、显微煤岩类型、结构构造特征、煤中的矿物及某些独立于煤级的化学性质(如煤中硫的含量等)所反映出来的古泥炭类型、成煤植物组合面貌和泥炭堆积环境方面的综合特征。
1.煤相参数
煤岩工作者在工作实践经验中定义了一系列成因参数，在反映煤及煤相的成因方面显示了比较好的效果。表1列出了常用的煤相参数、公式及所代表的环境意义。但这些成因参数在反映煤形成环境时，没有考虑煤中自生矿物在反映煤层成因等方面的情况和介质条件的酸碱度问题，有一定局限性。煤中矿物特别是煤中的自生矿物能很好地反映煤聚积时的沉积环境，pH值也是反映古环境的一个很好的指标。因此，在讨论煤相参数时，有必要把煤中的自生矿物考虑在内，同时也要考虑pH值的变化。
2.反应介质酸碱度的标志
煤中的自生矿物主要有黏土矿物、碳酸盐矿物、硫化物和氧化物等。乌达矿区煤中的自生矿物主要有黏土矿物和黄铁矿。通常认为，自生黏土矿物是由注入泥炭沼泽的水流中携带的硅铝胶体，在沼泽酸性介质条件下凝聚而成(煤层中一些高岭石夹矸大多认为是由降落的火山灰演变而成)，它对环境的改变相当敏感，随着成煤环境的变化其含量和赋存特点也改变。在乌达矿区，煤中黏土矿物的扫描电镜能谱分析结果表明，其K，Fe和Mg的含量不高，均小于，为酸性介质条件下自生的高岭石。
表 1 煤相参数及其所代表的环境意义
注:SF为半丝质体;F为丝质体;Alg为藻类体;Sp为孢子体;ID为惰屑体;Ma为粗粒体;Mi为微粒体;T为结构镜质体;C1为均质镜质体;C2为基质镜质体;VD为镜屑体;V为镜质组;I为惰质组;IR为植物组织降解指数;W/D为潮湿度指数。落的火山灰演变而成)，它对环境的改变相当敏感，随着成煤环境的变化其含量和赋存特点也改变。在乌达矿区，煤中黏土矿物的扫描电镜能谱分析结果表明，其K，Fe和Mg的含量不高，均小于，为酸性介质条件下自生的高岭石。
Casagrande等(1977)通过淡水泥炭和咸水泥炭的对比，研究了煤中硫的成因，指出咸水泥炭更趋向于富含硫，黄铁矿的生成过程是H2S—S—FeS—FeS2。泥炭中的FeS2只能通过细菌的活动而形成，因为根据反应动力学，对于硫酸盐由纯化学的还原作用转变成非硫化物来说，能量是不足的。许多细菌是在中性至弱碱性中繁殖最快，泥炭的酸度越大，细菌就越少。因此黄铁矿在咸水泥炭中很丰富，大量的硫酸盐是由海水提供的。Casagrande的结论是“沉积环境条件，特别是pH值，看来对黄铁矿含量有显著的影响”。富钙煤中黄铁矿的含量高，证实了这一结论。Neuzil和Supardi(1993)在研究印度尼西亚穹丘状泥炭的无机地球化学及其煤中矿物质起源时，亦证实了煤中硫及其黄铁矿与介质pH值的关系，pH值与煤中硫的含量呈正相关。综上考虑，煤中黄铁矿的含量可以作为反映环境介质酸碱度的一个指标，高的黄铁矿含量反映了泥炭的碱性条件。
高的镜质组含量常常指示了一种酸性环境［5］(Cecil et )。Nowak(1996)在研究波兰下西里西亚煤田时也证实了这一结论［6］。Cohen和Spackman(1977)通过对佛罗里达州东南部微咸水-咸水泥炭与淡水泥炭的比较，发现细胞和细胞碎片在咸水泥炭中比淡水泥炭中少见，黄铁矿在咸水和微咸水中达到了最高值，这些观测结果与受海水影响煤的典型特征是一致的，这种煤的特点是植物遗体受到广泛的原始分解作用，并且硫含量高。这说明在弱碱性的泥炭沼泽中细菌活动强烈，从而植物的结构保存得不好。乌达矿区9煤层和10煤层结构镜质体含量较少，自生黄铁矿含量较高，这与泥炭沼泽的碱性条件不无关系。
参数的提出
据乌达矿区的实际情况，提出VC/PD参数以反映古泥炭沼泽的酸碱度，其公式为:(自生高岭石+结构镜质体+均质镜质体)/(自生黄铁矿+碎屑惰性体)。其中，自生高岭石反映了一种酸性介质条件，不包括由火山灰降落演化而形成的高岭石夹矸。在酸性介质条件下细菌活动受到抑制，结构镜质体和均质镜质体保存较好，而基质镜质体也可能是碱性条件下细菌的强烈活动所致，因此分子为自生高岭石、结构镜质体和均质镜质体之和，代表酸性条件。在有利于黄铁矿形成的碱性条件下，结构镜质体和均质镜质体含量较少，碎屑惰性体可能是细菌分解所致(但也不排除机械和氧化崩解所致)，所以分母为自生黄铁矿和碎屑惰性体之和，代表一种碱性条件。因此，此公式既把反映煤形成环境的自生矿物考虑在内，而且又反映了煤形成时介质的酸碱度。
二、乌达矿区主采煤层的煤相分析
用凝胶化指数(GI)和植物组织保存指数(TPI)的关系可以反映泥炭沼泽的沉积环境［6，7］(Diessel，1983，1986;Nowak，1996)。笔者据乌达矿区9煤层和10煤层显微组分的特点，把GI和TPI参数稍作修改，即
任德贻煤岩学和煤地球化学论文选辑
镜屑体在乌达矿区9煤层和10煤层中有一定的含量，因此它出现在TPI的分母上;其中丝质体和半丝质体大部分发生不同程度的膨化，甚至演变为粗粒体，9煤层和10煤层是在潮控下三角洲平原上形成的煤层，表明在潮汐流带来的氧在氧化以前，粗粒体已经历较强的凝胶化作用，但终归是一种惰质组分，所以粗粒体同时出现在GI的分子和分母中。图1是乌达矿区9煤层和10煤层依此计算出的GI和TPI关系。可以看出，煤层形成的总体演化趋势是一致的(图中粗实线方向)，即TPI增加和GI减小的趋势，经历了由低位泥炭沼泽到潮湿森林沼泽，最后演化为潮湿—干燥森林沼泽。这说明9煤层和10煤层形成时的宏观地质背景即聚煤环境是相同的，反映在活性组分［8］(活性组分=镜质组+壳质组+半镜质组×1/3)含量在平面的分布上是相似的(图2)。这与彭苏萍研究乌达矿区的沉积环境得出的结论是一致的，即认为乌达矿区9煤层和10煤层都是在下三角洲平原形成的［9］(彭苏萍，1995)。细实线为9煤层和10煤层的GI和TPI实际演化方向，结合它们在剖面上的变化(图3)，可以看出煤层垂向层序的重复和再现，反映了泥炭沼泽演化过程中泥炭堆积条件的多变性和复杂性。
图3中显示出VC/PD参数、有机硫和黄铁矿含量在剖面上的变化，反映了介质条件酸碱度的变化与煤中硫形成的关系。在9煤层和10煤层中发现了大量的黄铁矿化菌藻类［10］，进一步证实了菌藻类等低等生物在黄铁矿形成过程中的作用。活性铁离子与有机质相比，对还原硫有更大的竞争能力，当存在活性铁离子的情况下，硫离子会优先与其结合成硫化物，只有在铁离子受限时，多余的H2S才结合成有机硫。基质镜质体中有机硫含量在剖面上由高变低再变高。在泥炭发育初期，酸性的介质条件限制了铁离子和H2S的结合，从而可能形成了较高的有机硫含量。9煤层和10煤层是在海侵的条件下形成的，在泥炭发育的后期，海水的影响使碱性条件促使铁离子和H2S反应形成高的黄铁矿含量，多余的H2S进入有机质形成有机硫，从而形成高的有机硫含量。
图 1 GI 和 TPI 关系
图 2 煤层活性组分等值线
煤( 分) 层中大量的黏土矿物通常被当作成煤泥炭沼泽中水流比较活动的证据，笔者认为不仅应根据煤( 分) 层中黏土矿物的含量，而且要根据煤( 分) 层中黏土矿物的产状和赋存特点来推断水流活动的强弱。在研究区，黏土矿物在煤层中的状态多样: ①条带状: 表现在显微结构构造上多是条带状结构-平行状构造，显微组分结构保存较好，镜屑体、惰屑体和壳屑体以及粗粒体含量较少，反映了一种弱的流水条件或静水条件。这种产状的黏土矿物常和微粒体共生。②透镜状、团块状及充填于煤中有机显微组分胞腔的黏土矿物: 表现在显微结构构造上，斑块状结构-斑块状平行构造及条带状结构-平行状( 亚平行状) 构造发育，基质镜质体含量较高，粗粒体也常见，充填于胞腔的黏土矿物常和微粒体共生。反映了一种弱的流水介质条件。有时是平行状构造和板块状构造交替出现。③细分散状: 有两种情况，一是表现出碎粒状结构-碎粒状构造和复合结构-交织构造的结构构造，惰屑体、镜屑体含量较高，各种组分分散杂乱，氧化丝质体含量较高，并可见清晰的氧化裂纹，反映了一种水流较强的介质条件。二是各种碎屑体含量甚少，黏土矿物虽然呈细分散状，但各种组分排列为平行状结构-平行状构造，这可能反映了一种静水条件。
图 3 煤层 TPI，GI，VC/PD，有机硫及黄铁矿在剖面上的变化
三、结语
煤相参数在反映煤层成因等方面有比较好的效果。VC /PD 参数的提出，既考虑了煤中自生矿物对煤相参数的影响，又考虑了古聚煤环境介质的酸碱度。由于地质现象的复杂性和多变性，每一个煤相参数在具体的煤盆地分析时有其优点和局限性，这需要在实践中加以修正和改进。同时在使用煤相参数和进行煤相分析时，不仅要注意观察煤显微结构构造特征及其在剖面和平面上的变化规律，而且应结合宏观的地质背景加以考虑，从三维空间研究其演化过程。
本文承蒙中国矿业大学北京研究生部张鹏飞教授、彭苏萍教授热情指导和帮助，在此深表谢意!
参 考 文 献
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The evolution and characteristic of peat swamp in Wuda coalfield
Dai Shifeng Ren Deyi Tang Yuegang Hou Huimin Mao Heling
( Beijing Graduate School，China University of Mining And Technology)
Abstract: According to the analysis of coal parameters and authigenic mineral in coal ( es- pecially the authigenic pyrite and authigenic kaolinite in coal) ，the VC / PD parameter is put for- w ard to reflect the acidity and alkalinity of medium w hen the coal w as accumulating. The coal facies evolution of main coal and the distribution of active components are discussed. The distri- bution of sulfur in coal and the relationship betw een the sulfur and coal facies are analyzed. At last，the occurrence model of clay minerals in coal and its reflectance of medium condition of w ater are also expounded.
Keywords: coal facies，VC /PD parameter，pyrite，clay，acidity and alkalinity
( 本文由代世峰、任德贻、唐跃刚、侯慧敏、毛鹤龄合著，原载《煤炭学报》，1998 年第 23卷第 1 期)
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