江振寅

(湖北煤炭地質(zhì)局，武漢　430070)

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部，西面和北面鄰接重慶市，南鄰湖南省。管轄恩施、利川二市和巴東、來(lái)鳳、咸豐、建始、鶴峰、宣恩六縣。自治州首府為恩施市，面積2.4萬(wàn)km2。

二疊系中統(tǒng)棲霞組巖性分為兩段:上段灰?guī)r段；下段為馬鞍煤系，是湖北省的三個(gè)重要含煤地層之一，分布范圍較廣。馬鞍煤系主要發(fā)育于鄂西的宣恩、鶴峰、建始、巴東一帶。馬鞍煤系共發(fā)育四層，從下至上分別為一、二、三、四煤。一般含煤1～2層，很少見(jiàn)到4層煤在一個(gè)剖面中同時(shí)出現(xiàn)，二煤、三煤為主要可采煤層。

1　地質(zhì)概況

1.1　構(gòu)造

恩施州大地構(gòu)造單元隸屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的武陵山—八面山臺(tái)褶帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造骨架定型于侏羅紀(jì)末期的燕山運(yùn)動(dòng)，以褶皺為主，主要表現(xiàn)為一系列平行相間的北東—北北東向的背、向斜褶皺和平行軸面走向的伴生走向斷層組成，以隔槽式褶皺為特征，其形成主要因素是蓋層沿基底滑動(dòng)或滑移，總體來(lái)說(shuō)，本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造中等(圖1)。

1.2　地層

本區(qū)地層區(qū)劃屬于揚(yáng)子地層區(qū)之上揚(yáng)子地層分區(qū)，區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較齊全，自前震旦紀(jì)-第四紀(jì)均有出露，除缺失志留紀(jì)上統(tǒng)、泥盆紀(jì)下統(tǒng)和石炭紀(jì)下統(tǒng)外，其余地層皆發(fā)育完整。從震旦紀(jì)-中三疊世以廣海碳酸鹽巖沉積為主，夾碎屑巖；中晚三疊世至侏羅紀(jì)為連續(xù)沉積的陸相碎屑巖地層；白堊-新近紀(jì)為以陸相紅色碎屑巖為主的地層，不整合于此前不同時(shí)代地層之上。

2　馬鞍煤系特征

2.1　巖性特征

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系下統(tǒng)棲霞組馬鞍煤系。含煤地層巖性主要以砂巖、粉砂巖、 泥巖為主，夾炭質(zhì)泥巖和煤層等組成。含煤地層的頂部常含有腕足類、雙殼類化石及動(dòng)物化石碎屑的泥質(zhì)巖，如含炭鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、以及鈣質(zhì)粉砂巖等，局部夾灰?guī)r透鏡體；含煤地層之下部泥質(zhì)巖中有鋁土質(zhì)泥巖；底部偶見(jiàn)薄層透鏡狀礫巖或含礫泥巖。

圖1　研究區(qū)構(gòu)造示意圖Figure 1　Study area structural schematic diagram

2.2　煤層特征

馬鞍煤系共發(fā)育有四層煤，自下而上依次編為一、二、三、四煤，二、三煤為主采煤層。其中一煤主要分布在巴東縣麂子巖、寶塔河一帶；二煤分布在建始縣茅田向斜的東翼及巴東縣的綠蔥坡一帶；三煤分布范圍擴(kuò)大，在巴東縣中部四渡河-綠蔥坡一帶及建始縣分布范圍擴(kuò)大，但建始、巴東兩縣外，其它地段僅見(jiàn)煤線或沒(méi)有煤層發(fā)育，并被鋁土巖(礦)和黏土巖所取代。

一煤分布局限，僅發(fā)育在巴東縣、麂子巖及寶塔河一帶。它位于煤系底部，其底板為鐵鋁質(zhì)泥巖，有時(shí)直接覆于下伏地層黃龍組之上，頂板為含鐵質(zhì)細(xì)粒石英砂巖；二煤空間分布亦局限，剖面上位于煤系的下部。其直接底板為灰色含植物根的黏土巖，直接頂板為深灰色泥巖，間接頂板為普遍發(fā)育的灰白色厚-中層狀細(xì)粒石英砂巖；三煤位于煤系沉積剖面的中部，分布范圍較二煤進(jìn)一步擴(kuò)大，在建始全縣及巴東縣的中部均可見(jiàn)及。但煤層發(fā)育不穩(wěn)定。其直接頂板為灰黑色含較多的植物碎片，致密并具貝殼狀斷口的硅質(zhì)泥巖，其間接頂板為灰白色中厚層狀或厚層狀石英砂巖，是三煤良好的對(duì)比標(biāo)志層；四煤位于含煤巖系的上部，煤層分布范圍較前三者廣泛，其頂板為黑灰色石英砂巖、砂質(zhì)泥巖或鈣質(zhì)粉砂巖，該層上部為深灰色具水平層理泥巖，再向上就過(guò)渡到棲霞組灰?guī)r段的含生物化石或碎片的鈣質(zhì)泥巖，其底板為炭質(zhì)泥巖或含植物根的根土巖，間接底板常為蟲跡的石英砂巖。四個(gè)煤層上下具有不同的巖性特征，有利于煤層的對(duì)比。

2.3　沉積學(xué)特征

(1)粒度分析。馬鞍煤系砂巖在恩施州廣泛分布，其粒徑一般2～0.63mm，以細(xì)粒為主，有時(shí)底部為中?；虼至?，呈灰白、灰色，風(fēng)化后多呈褐色；碎屑組分主要為石英、長(zhǎng)石，其次是巖屑、云母及少量重礦物。對(duì)砂巖薄片粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后利用福克和活德的計(jì)算公式，求得馬鞍煤系砂巖的粒度平均值為2.29～4.04；標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.29～0.91，一般為0.35～0.70；偏度為-0.45～0.45，一般為-0.20～0.10；峰態(tài)為0.90～1.40，一般為0.95～1.20。總體表明，馬鞍煤系砂巖是由波浪流與潮汐流充分作用下碎屑濱岸的沉積產(chǎn)物。

運(yùn)用本省馬鞍煤系的砂巖粒度參數(shù)，作成偏度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的散點(diǎn)圖(圖2)，從圖中樣品投落點(diǎn)分布來(lái)看，大約80%的樣品點(diǎn)分布在海灘砂區(qū)，這說(shuō)明馬鞍煤系砂巖沉積于濱海環(huán)境中，其與砂巖粒度參數(shù)分析的結(jié)論相吻合。

圖2　馬鞍煤系砂巖偏度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差散點(diǎn)分布圖Figure 2　Maan coal measures sandstone deviation to standard deviation scatter point distribution

(2)沉積構(gòu)造。馬鞍煤系構(gòu)造主要發(fā)育有沖洗交錯(cuò)層理、楔形交錯(cuò)層理、脈狀層理、透鏡狀層理等。其中沖洗交錯(cuò)層理是障壁島相和灘相的典型層理，而楔形交錯(cuò)層理則多由波浪作用而形成，脈狀層理則反映了在潮汐作用較強(qiáng)的條件下，砂質(zhì)供給與保存比泥質(zhì)更為有利的水動(dòng)力條件。其他還有波狀層理、水平波狀層理、水平層理等，反映水動(dòng)力條件強(qiáng)弱交替或者水動(dòng)力弱的條件。此外馬鞍煤系中還可見(jiàn)黃鐵礦、菱鐵礦結(jié)。

(3)鍶鋇比分析(Sr/Ba)。對(duì)馬鞍煤系各種巖石的微量元素進(jìn)行分析(表1)，從表中得出除風(fēng)化殼鍶鋇比值小于1外，煤層及煤層的上下巖層鍶鋇比值大多數(shù)大于1，由煤層往上或往下均有變大的趨勢(shì)，這反映出馬鞍煤系形成于咸水-半咸水的環(huán)境中，其垂向上有一海侵過(guò)程。

表1　恩施州馬鞍煤系Sr/Ba平均值統(tǒng)計(jì)表

2.4　古生物特征

馬鞍煤系含煤段生物化石的空間分布較為明顯，下部含植物化石，上部含動(dòng)物化石。動(dòng)物化石有腕足、雙殼、介形蟲、三葉蟲等共28屬33種，都是咸水的海生動(dòng)物 ，在鄂西地區(qū)保存較完整；植物化石有7屬10種，以植物莖干類為主，羽葉類較少，普遍保存較差。馬鞍煤系動(dòng)物植物化石的特點(diǎn)表明，成煤時(shí)地處溫暖潮濕的氣候環(huán)境，動(dòng)物化石的原地保存則表明馬鞍煤系形成于半咸水-咸水環(huán)境。

3　馬鞍煤系古地理及沉積環(huán)境

3.1　聚煤前古地理背景[4]

石炭紀(jì)末期，湖北省南半部為一個(gè)北西向的海域，恩施州中部建始-官店口一帶是一個(gè)大型的波狀坳陷，屬于其中一部分。云南運(yùn)動(dòng)后，本區(qū)逐漸上升成陸，依次形成了一個(gè)以建始及巴東中部為中心的障壁島-澙湖-潮坪沉積區(qū)，灘-潮坪沉積區(qū)，恩施南部的鶴峰、來(lái)鳳、咸豐、利川及巴東之長(zhǎng)江以北地區(qū)地勢(shì)稍高剝蝕區(qū)三大地貌單元。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查可以看出：其一建始、巴東至本區(qū)西南邊部，馬鞍煤系超覆沉積在黃龍組(C2h)到志留系(S)和泥盆系(D2+3)之上；其二馬鞍煤系在建始巴東一帶，沉積厚度20.00m左右，最厚達(dá)50m，沉積旋回發(fā)育較全，而到本區(qū)的西南和東北，厚度僅有3.00～5.00m，有的甚至見(jiàn)不到煤系沉積，沉積旋回一般發(fā)育不完整的單一旋回。從而也證明了聚煤前古地理古地貌單元之現(xiàn)狀。

總體說(shuō)，馬鞍煤系沉積前，建始、巴東一帶，地勢(shì)較低，其西南和東北地勢(shì)稍高，形成以建始、巴東為中心、北西向展布的古地理環(huán)境(圖3)。

云南運(yùn)動(dòng)后，本區(qū)地殼下沉，在建始及巴東的中部率先接受沉積，并形成障壁—澙湖—潮坪較為復(fù)雜的沉積體系，在適合地方，發(fā)育范圍較小的泥炭坪。由于地殼的振蕩運(yùn)動(dòng)，早期三次海水的進(jìn)退，形成三個(gè)沉積旋回，并發(fā)育三層煤層(一、二、三煤)。只是一煤的范圍最小，而二、三煤范圍逐漸擴(kuò)大。而此時(shí)的恩施州其它地區(qū)，仍在遭受剝蝕。馬鞍煤系中的陸源碎屑組分，一部分來(lái)自江南古陸及江北高地的剝蝕物，另一部分來(lái)自遭受剝蝕的下伏地層(志留系、泥盆系)的陸源碎屑物，這兩部分是馬鞍煤系中的陸源碎屑物的主要來(lái)源。

馬鞍煤系沉積期地處陸表海、水體淺，坡度緩。具有向周圍高地超覆的特征，反映出其形成于海進(jìn)的總趨勢(shì)下?？傮w來(lái)說(shuō)，馬鞍煤系厚度較薄，但垂向上和平面上沉積環(huán)境仍隨海平面變化而發(fā)生變化和遷移，即在同一地點(diǎn)不同時(shí)間沉積相是有差別的。但某一地段沉積 體系變化不大，且不同沉積體系的含煤性有較明顯的差異。

3.2　沉積環(huán)境分析

馬鞍煤系是二疊世主要的成煤時(shí)期之一，形成于碎屑濱海岸帶，砂質(zhì)沉積的分布和形態(tài)，構(gòu)成了各種沉積環(huán)境的骨架，主要有淺海相、灘相、障壁島相、潮坪相、澙湖相、泥炭坪相，局部有殘積相。

3.2.1淺海(遠(yuǎn)濱)相

為浪基面以下的沉積，巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖；層理類型主要有水平層理、塊狀層理等，為遠(yuǎn)濱或開闊潮下沉積，呈東西向展布，向東過(guò)渡為碳酸鹽臺(tái)地沉積。

3.2.2灘相

包括臨濱和前濱的沉積，巖性以細(xì)砂巖為主，有時(shí)可見(jiàn)中、粗粒砂巖，碎屑巖組分中以石英為主，結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度都很高，分選性和磨圓度好，砂巖中有自生海綠石、黃鐵礦晶體及結(jié)核。具沖洗交錯(cuò)層理、楔狀層理、波狀交錯(cuò)層理及波狀層理，層面具近乎對(duì)稱的波痕。

圖3　恩施州馬鞍煤系聚煤前古地理圖Figure 3　Enshi Autonomous Prefecture Maan coal measures paleogeographic map before coal accumulation

3.2.3障壁島相

主要巖性為灰、灰黃色石英砂巖，粒級(jí)從粗粉砂至中粒均有，并含一定的泥質(zhì)。結(jié)構(gòu)和成分成熟度相對(duì)較低，剖面上具向上變粗的趨勢(shì)，偶可見(jiàn)自生海綠石。具沖洗交錯(cuò)層理、楔形交錯(cuò)層理和沙紋層理。平面上呈長(zhǎng)條形島狀分布。

3.2.4潮坪相

是區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的一種巖相，有高中低潮坪亞相，其與瀉湖、海灣、海灘、障壁島組成極其復(fù)雜的垂向、橫向組合。主要巖性為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，亦可有少量的細(xì)砂巖。自生礦物有黃鐵礦晶粒，具含動(dòng)植物碎片和生物擾動(dòng)痕跡，具潮汐層理、水平層理、透鏡狀層理、脈狀層理、波狀層理及沙紋層理等。

3.2.5澙湖相

主要巖性為深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，含大量的黃鐵礦結(jié)核及晶體，偶可形成黃鐵礦的工業(yè)礦床。有時(shí)夾透鏡狀的石灰?guī)r或鈣質(zhì)泥巖。具極薄水平層理、斷續(xù)水平層理和緩波狀層理。產(chǎn)腕足類、雙殼類、腹足類和植物碎屑。

3.2.6泥炭坪相[6]

主要為煤層和炭質(zhì)泥巖，含黃鐵礦團(tuán)塊及條帶。交錯(cuò)層理及波狀層理較為發(fā)育。煤層原煤灰分、全硫含量高。生長(zhǎng)于半咸水-咸水環(huán)境下，發(fā)育于潮間帶，是本區(qū)的主要海相成煤環(huán)境。

4　馬鞍煤系的聚煤規(guī)律

4.1　聚煤作用受古地理控制

棲霞早期，全省西高東低、東部南高北低，西部?jī)陕A一坳，是總體格局。棲霞早期主要是武當(dāng)隆起和江南隆起。物源主要來(lái)自于江南隆起。

由北西西向南東東，馬鞍煤系沉積基底地層分別是S-D-C1，而且主要以石炭統(tǒng)黃龍灰?guī)r為主。就陸盆而言，由南向北，由西向東海水逐漸加深。

4.2　基底隆坳對(duì)聚煤的控制作用

(1)基底坳隆控制海進(jìn)方向，限定了海水分布范圍，即控制著聚煤條帶展布方向和聚煤空間。聚煤空間只能在基底坳陷中，而聚煤條帶、尤其是富煤條帶取決于物源和陸緣斜坡的陡緩。

(2)基底坳陷中低序次凸起與凹陷直接控制著成煤系的沉積厚度、煤系巖性組合及含煤性。馬鞍煤系的聚煤過(guò)程，明顯地受成煤前古基底控制。當(dāng)海水抵達(dá)低次序隆起部位時(shí)，煤系往往只有很薄的鋁質(zhì)泥巖，無(wú)煤層沉積；而當(dāng)海水抵達(dá)低次序低凹部位時(shí)，煤系沉積厚度大，含煤性好，但煤系巖性組合復(fù)雜。通過(guò)對(duì)礦山井下開采工作面觀察發(fā)現(xiàn)，煤層頂板與底板相比較要平整一些，底板的起伏控制著煤系的煤層的發(fā)育。

(3)控制富煤帶的展布和含煤豐度的遷移 基底的隆、坳限定了聚煤期為海進(jìn)式成煤、退移式聚煤。緩慢的海進(jìn)過(guò)程中，海水由沉降中心向陸緣斜坡侵漫，低緩的陸緣斜坡比陡的斜坡有利于聚煤；再者海水由于抵達(dá)不同部位的陸緣斜坡的時(shí)間早晚，控制著同一聚煤期含煤豐度。

4.3　基底斷裂的特征及控煤作用

聚煤前的基底隆、坳對(duì)聚煤的控制作用主要表現(xiàn)在控制聚煤盆地的發(fā)展與演化，而基底斷裂著重在含煤建造上控制建造過(guò)程中具體環(huán)節(jié)如沉積物質(zhì)的分異、賦煤帶展布及煤系厚度等。

4.4　聚煤作用受成煤后侵蝕作用的影響

馬鞍煤系的煤是海進(jìn)式成煤，煤層形成后，由于海浪的沖刷和侵蝕，導(dǎo)致煤層的形態(tài)和厚度發(fā)生變化，表現(xiàn)在煤層頂部有深度不等的凹坑，一些地段煤層部分或全部缺失。

5　結(jié)論

(1)馬鞍煤系總體來(lái)說(shuō)，煤層層數(shù)少、厚度薄而且變化大，煤體形態(tài)多變而復(fù)雜，常呈透鏡狀、串珠狀、雞窩狀、藕節(jié)狀等。含煤0～4層，局部可采1～2層。煤層屬極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定煤層，局部較穩(wěn)定，含煤性較差。4 層煤中，三煤較發(fā)育、二煤次之，一煤與四煤極不發(fā)育。二、三煤屬于可采煤層，但多屬不穩(wěn)定型，局部為較穩(wěn)定型。

(2)馬鞍煤系成煤環(huán)境為泥炭坪，位于高地邊緣低緩斜坡的潮間坪地帶，聚煤作用發(fā)生于海進(jìn)過(guò)程中。

(3)馬鞍煤系聚煤作用的控制因素不是單一的，而是多因素疊加的結(jié)果。馬鞍煤系的聚煤作用受古構(gòu)造、古地理、基底起伏、成煤后侵蝕作用的影響等因素控制：總體而言，古構(gòu)造和古地理是主要的控制因素，它決定了聚煤作用的總體框架，而基底起伏，成煤后侵蝕作用是造成局部聚煤作用差異的重要因素。

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