山西同煤田太原組高嶺巖分布特征及成因分析

山西同煤田太原組高嶺巖分布特征及成因分析

根據(jù)近年來(lái)的研究，煤炭系統(tǒng)地層中富含高嶺巖（土壤）資源的煤炭。中國(guó)山西大同煤礦系提供豐富的高嶺巖，包括“大同黑砂巖”和“黃瓜石”。這是一個(gè)非常優(yōu)秀的非礦產(chǎn)資源，用于廣泛的用途。以前,由于對(duì)高嶺巖的評(píng)價(jià)與利用重視不夠,大多數(shù)被作為矸石而廢棄,不僅造成寶貴資源的浪費(fèi),而且造成嚴(yán)重的污染。隨著對(duì)煤系共伴生礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)和利用的重視,進(jìn)一步研究大同煤田高嶺巖賦存狀態(tài)、礦物巖石學(xué)等地質(zhì)特征,可以為大同煤田煤系高嶺巖的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。1巖石及含煤地層大同煤田是我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地,煤田位于山西省北部,距大同市約20km,區(qū)內(nèi)交通運(yùn)輸十分便利。煤田大致為一開(kāi)闊的長(zhǎng)方形向盆地斜構(gòu)造,走向?yàn)楸睎|—南西向,向北東傾伏。出露地層從老至新有太古界五臺(tái)群的花崗片麻巖,寒武系的砂質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、鮞狀石灰?guī)r、竹葉狀石灰?guī)r,奧陶系的石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r,石炭系的本溪組、太原組,二疊系的山西組、下石盒子組以及第四系的亞砂土、亞粘土和礫石層等。主要含煤地層為石炭系的太原組和二疊系的山西組。太原組主要可采煤層包括:上部的2#、3#、4#煤層,中部的5#煤層和下部的8#煤層。9#煤層為不穩(wěn)定煤層,尚不可采。山西組為陸相含煤地層,由泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成,夾有透鏡狀、似層狀的砂礫巖及粗礫砂巖,主要可采煤層位于山西組的下部,局部不可采。在大同煤田石炭—二疊紀(jì)地層分布區(qū)域內(nèi),只要有煤層分布,均有高嶺巖發(fā)育,但高嶺巖主要賦存在太原組地層中。由于各區(qū)勘探程度的不同以及各個(gè)勘探階段對(duì)高嶺巖認(rèn)識(shí)程度的不同,導(dǎo)致對(duì)高嶺巖層位識(shí)別和判斷的差異很大。通過(guò)對(duì)大同煤田鉆孔資料分析,將本區(qū)太原組高嶺巖分布劃分為5個(gè)主要層位(圖1)。(1)同東南角、虎林地區(qū)該層高嶺巖在平面上分布不連續(xù),較少連接成大面積的連續(xù)分布礦體。礦層主要分布在同忻、塔山勘探區(qū)以及大同北的舊高山—燕子山—萬(wàn)家咀北一帶。在鵝毛口和小峪勘探區(qū)也有較大面積分布。在北部有厚層礦體發(fā)育,可達(dá)5～8m,其余地區(qū)厚度一般在1～2m。自北向南厚度有變薄的趨勢(shì)。其余地區(qū)僅有零星鉆孔揭露。(2)大機(jī)組煤基區(qū)3#煤和5#煤是大同煤田的主要開(kāi)采煤層。煤層夾矸高嶺巖一般發(fā)育厚度薄,10～50cm,但層位多。主要分布在大同煤田東部勘探區(qū)。大同東北部的同忻勘探區(qū),3#—5#煤夾矸層數(shù)多,厚度較大,累計(jì)可達(dá)1m。南部厚度分布不均勻,既有厚達(dá)1m也有小于0.5m的夾矸高嶺巖。(3)山勘探區(qū)和小峪地質(zhì)區(qū)5#煤底板高嶺巖分布范圍較小,主要局限于大同煤田東部的同忻勘探區(qū)、塔山勘探區(qū)的東部和小峪勘探區(qū)的中部。最厚地帶位于北部,可達(dá)6～9m,向南逐漸變薄,一般厚度在1～3m。同忻勘探區(qū)和塔山東部礦體連在一起,自北向南呈條帶狀分布。小峪勘探區(qū)高嶺巖礦層厚度較薄,一般為1～2m。(4)口、層序地層分布8#煤底板高嶺巖比5#煤底板高嶺巖分布范圍擴(kuò)大,主要分布在小峪—吳家窯、鵝毛口、大同北勘探區(qū),其分布面積由向南和西南擴(kuò)大的趨勢(shì)。礦層厚度區(qū)達(dá)2～7m。有兩條成礦帶自北向南穿過(guò)本區(qū),這兩個(gè)條帶基本上在北部呈席狀分布,向南呈彎曲條帶狀分布。大同煤田西南部的左云南勘探區(qū)和玉井勘探區(qū),高嶺巖呈零星孤立礦體分布。(5)煤層底板高嶺巖9#煤底板高嶺巖與8#煤底板高嶺巖分布范圍基本一致,主要分布在小峪—吳家窯和大同北勘探區(qū),其余地區(qū)零星分布。大同北勘探區(qū),高嶺巖呈大面積連續(xù)層狀分布,最厚可達(dá)5～7m,一般在1～3m。大面積3m以上的區(qū)域主要分布在東北部。第二個(gè)較大面積連續(xù)分布區(qū)域?yàn)樾∮獏羌腋G勘探區(qū),礦體呈南—北向樹(shù)枝狀分布,一般厚度在1～3m。左云南南區(qū)和玉井勘探區(qū),高嶺巖分布不連續(xù),呈南北向孤立礦體分布,厚度也較薄,一般為1～2m?？傮w上,9#煤底板高嶺巖具有自北向南,厚度逐漸變薄,分布面積逐漸變小,發(fā)育程度逐漸變低的趨勢(shì)。綜上所述,大同煤田高嶺巖各礦層自北向南均具有變薄的趨勢(shì),煤層底板高嶺巖厚度較大,分布范圍較廣,但巖石中含有較多的石英等碎屑礦物,對(duì)其應(yīng)用開(kāi)發(fā)有較大的影響。而煤層夾矸高嶺巖,雖然厚度薄,但質(zhì)量純,高嶺石礦物含量高,具有極大的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。目前在大同地區(qū)已經(jīng)開(kāi)發(fā)利用,并已經(jīng)大量工業(yè)化生產(chǎn)的原料,主要是來(lái)自高嶺巖夾矸。這些夾矸在煤炭開(kāi)采過(guò)程中就可順帶采出,因此開(kāi)采成本也較低,同時(shí)也有利于資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)。2煤系高嶺巖的類(lèi)型通過(guò)利用偏光顯微鏡觀察大量巖芯薄片發(fā)現(xiàn),大同礦區(qū)煤系高嶺巖的主要類(lèi)型有:內(nèi)碎屑高嶺巖、團(tuán)塊狀高嶺巖、晶粒高嶺巖、隱晶高嶺巖和砂質(zhì)高嶺巖。(1)砂屑高嶺巖小在大同煤田5#煤夾矸中發(fā)現(xiàn)。根據(jù)內(nèi)碎屑粒徑的大小分為礫屑高嶺巖、砂屑高嶺巖、粉砂高嶺巖。內(nèi)碎屑本身由隱晶高嶺石組成。在內(nèi)碎屑之間的孔隙中充填隱晶或微晶高嶺石基質(zhì)及暗色有機(jī)組分(圖2)。(2)高嶺石團(tuán)圖像團(tuán)塊是顆粒的一種,形態(tài)為透鏡狀、橢圓狀或不規(guī)則狀,其長(zhǎng)軸往往平行層面排列。巖石呈深灰色—灰黑色,致密塊狀,粗糙或顆粒狀斷口,主要由橢球狀高嶺石團(tuán)塊組成,縱斷面為橢圓狀,橫斷面近于圓形,邊緣規(guī)則,與基質(zhì)界線(xiàn)清晰,橢圓的長(zhǎng)寬比為2:1～3:1,橢球彼此平行排列,并平行于層理面,在正交偏光顯微鏡下為隱晶—微晶粘粒集合體(圖3)。(3)高嶺石的組成、特征包括蠕蟲(chóng)狀晶粒高嶺巖和假象型晶粒高嶺巖。蠕蟲(chóng)狀晶粒高嶺巖以粗大蠕蟲(chóng)狀晶體為特征(圖4)。研究區(qū)有名的“大同黑砂石”就是由粗晶蠕蟲(chóng)狀高嶺石組成的。晶粒高嶺石呈褐灰—黑灰色,砂狀斷口,外似砂巖,晶粒在顯微鏡下無(wú)色,因有機(jī)質(zhì)浸染常呈淺褐色、深褐色,切面形態(tài)為柱狀、桶狀、蠕蟲(chóng)狀,常見(jiàn)呈長(zhǎng)石和黑云母假象,晶粒中常見(jiàn)無(wú)色微晶高嶺石集合體團(tuán)塊,晶粒間為不等量的褐色高嶺石基質(zhì)充填。根據(jù)晶粒大小可分為粗晶、中晶、細(xì)晶、粉晶等。此種高嶺巖較為常見(jiàn),也是最為重要的礦床類(lèi)型,質(zhì)量較好。目前該區(qū)許多高嶺土廠(chǎng)所用原料主要就是此種類(lèi)型的高嶺巖。(4)單偏光鏡顯微弱光性巖石呈褐灰、褐灰黑色,致密塊狀,易破碎為帶棱角的碎塊,具貝殼狀斷口。單偏光鏡下常為較均一的淡褐—褐色,偏光下顯微弱光性,在高倍鏡下可見(jiàn)模糊的細(xì)小晶粒,粒徑小于0.005mm。隱晶高嶺石也常為基質(zhì)充填于晶粒和顆粒之間。此類(lèi)高嶺巖在研究區(qū)內(nèi)十分發(fā)育,為最常見(jiàn)的一種高嶺巖巖石類(lèi)型。(5)邊緣磨蝕痕跡研究區(qū)較為常見(jiàn),有時(shí)可見(jiàn)碎屑礦物平行定向排列現(xiàn)象。砂質(zhì)碎屑顆粒一般呈次棱角狀,有時(shí)邊緣具有磨蝕痕跡。此種高嶺巖多存在于煤層底板,在夾矸中有時(shí)也可見(jiàn)到。主要由隱晶高嶺石基質(zhì)組成,碎屑礦物主要為石英和長(zhǎng)石,其含量為10%～30%不等,此外還有一些鋯石和電氣石等礦物碎屑,以及少量方解石、菱鐵礦球粒等。3煤系高嶺巖的組成及成分通過(guò)對(duì)研究區(qū)的煤系高嶺巖樣品進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射、紅外吸收光譜、偏光顯微鏡等手段測(cè)試分析。得出其礦物成分除了主要以高嶺石外,還有較多的石英,少量的長(zhǎng)石、云母、銳鈦礦、菱鐵礦、硬水鋁石等物質(zhì)。高嶺石:為煤系高嶺巖的主要成分,其含量在60～90%之間。其中如3#煤頂?shù)装濉?#煤底板和8#煤底板以及6#煤、7#煤層夾矸的高嶺石含量達(dá)90%以上,是十分優(yōu)質(zhì)的高嶺巖礦床。通過(guò)大量的X射線(xiàn)衍射形態(tài)比較,將大同煤系高嶺巖的有序度劃分為4個(gè)等級(jí)。高度有序、有序、較無(wú)序、無(wú)序。石英:除高嶺石之外,石英是研究區(qū)煤系高嶺巖常見(jiàn)的含量較高的礦物,研究區(qū)里有的含量甚至超過(guò)高嶺石,可達(dá)70%以上而成為主要成分。研究區(qū)內(nèi)煤層夾矸中還有一種特殊類(lèi)型的石英,即火山石英。其特點(diǎn)是邊緣未經(jīng)過(guò)磨蝕,棱角分明,石英內(nèi)部或邊緣常出現(xiàn)熔蝕而出現(xiàn)黑點(diǎn)或港灣狀熔蝕邊。此外還發(fā)現(xiàn)有些石英被溶蝕現(xiàn)象,其原因可能是在夾矸形成后,由于巖漿侵入作用使石英發(fā)生部分溶蝕。重礦物:研究區(qū)內(nèi)樣品中常見(jiàn)的重礦物是鋯石、電氣石和金紅石。重礦物在樣品中的含量一般較少,在顯微鏡下偶爾可觀察到高突起,二級(jí)紅綠干涉色的重礦物顆粒存在。此外,研究區(qū)還有少量的綠泥石、銳鈦礦、白云母等組分,但是含量甚微。有的夾矸高嶺巖中,還發(fā)現(xiàn)了一定量的菱鐵礦,呈鮞狀,偏光顯微鏡下為花瓣?duì)罘派錉顦?gòu)造,其鐵質(zhì)含量高達(dá)5%(圖5)。4sq1型粒序?qū)永硌芯繀^(qū)高嶺巖一般呈現(xiàn)致密、均勻的塊狀構(gòu)造。在一些細(xì)粒的隱晶高嶺巖斷面可以出現(xiàn)貝殼狀斷口。研究區(qū)高嶺巖中主要發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造類(lèi)型如下:(1)粒序構(gòu)造。此類(lèi)型比較常見(jiàn),多存在于晶粒高嶺巖中。一般底部為中晶,向上逐漸變?yōu)榧?xì)晶甚至是隱晶高嶺石。粒序?qū)右话愫穸炔淮?為幾個(gè)厘米,有時(shí)在顯微鏡薄片中即可見(jiàn)到粒序?qū)拥姆纸缇€(xiàn)。(2)小型交錯(cuò)層理。層理由黑色富含有機(jī)質(zhì)的紋層與晶粒層交替排列顯示,在假象型晶粒高嶺巖中發(fā)育,肉眼下可見(jiàn)。(3)有機(jī)質(zhì)—粘土互層層理。該層理主要表現(xiàn)在鏡下很多的有機(jī)質(zhì)和粘土礦物交替出現(xiàn),一般出現(xiàn)在夾矸與煤層的分界處,它體現(xiàn)了原始沉積時(shí)的特點(diǎn)。5高嶺石高嶺石的化學(xué)式為Al2O3、2SiO2、2H2O或Al4[Si4O10](OH)8。以重量百分比表示:SiO2——46.54%,Al2O3——39.5%,H2O——13.96%。SiO2/Al2O3摩爾比為2。但含有雜質(zhì)的高嶺巖則因含雜質(zhì)的數(shù)量和種類(lèi)不同,其化學(xué)成分也各異,往往偏離高嶺石的理論值。根據(jù)高嶺巖的化學(xué)成分及其比值可以大致看出高嶺巖質(zhì)量的好壞及所含雜質(zhì)。若化學(xué)成分中存在一定數(shù)量的K2O、Na2O、CaO、MgO,含這種雜質(zhì)的礦石,其耐火度和熔化點(diǎn)會(huì)降低。因此巖石的化學(xué)成分對(duì)其用途有著重要的影響。根據(jù)研究區(qū)代表性樣品地球化學(xué)分析結(jié)果,SiO2含量從37.18%變化到63.45%,Al2O3含量從18.48%變化到44.46%,SiO2/Al2O3的摩爾比值在1.42～5.64之間。其中SiO2/Al2O3的摩爾比值大于二者,主要是含有石英或伊利石及其他粘土礦物所致。粘土礦物和石英的百分比含量較高,約20～40%,而且多為隱晶質(zhì)。夾矸中的SiO2/Al2O3的摩爾比值一般在1.90～2.40之間,為質(zhì)量?jī)?yōu)異的高嶺巖,主要分布在3#—5#煤層的頂?shù)装寮皧A矸、8#煤、9#煤的底板處。研究區(qū)的鐵含量:Fe2O3從0.05%到1.41%,FeO從0.16%到6.03%。TiO2含量從0.36%到1.45%,含量為中等水平。6高嶺巖巖石特征(1)煤系高嶺巖分布特征。平面上,主要分布在東北部的小峪—吳家窯、鵝毛口、塔山、同忻及其余的大同北勘探區(qū),西部及西南部呈零星孤立塊段分布。垂向上,高嶺巖主要分布在5個(gè)層位:9#煤底板、8#煤底板、5#煤底板、5#煤(3—5煤)夾矸、2#煤底—3#煤頂之間。其中以3#—5#號(hào)煤層夾矸及頂?shù)装濉?#煤層底板和9#煤層底板的高嶺巖較為優(yōu)質(zhì),具有開(kāi)采價(jià)值。煤田高嶺巖各礦層自北向南均具有變薄的趨勢(shì),煤層底板高嶺巖厚度較大,分布范圍較廣,但巖石中含有較多的石英等碎屑礦物,對(duì)其應(yīng)用開(kāi)發(fā)有較大的影響。而煤層夾矸高嶺巖,雖然厚度薄,但質(zhì)量純,高嶺石礦物含量高,具有極大的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。(2)大同煤系高嶺巖巖石顯微結(jié)構(gòu)組分主