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第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Energy Group Research Institute, Xi’an 710061, China; 3. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 4. China Shenhua Oversea Company Limited, Beijing 100011, China Abstract In order to study the paleoclimatic characteristics of the Carboniferous-Permian and its relationship with coal ation in eastern margin of Ordos basin, XRD diffraction analysis and SEM s are used to study the composition of clay minerals and its geological significance. The results show that the mixed layer of kaolinite , illite and smectite are the major clay minerals in argillaceous rock, followed by illite and chlorite. The vertical distribution of clay minerals in argillaceous rock reflects that kaolinite in Shanxi ation of Qiaotou section, Palougou section, upper of Chengjiazhuang section has high content. And the bottom of Taiyuan ation of Qiaotou section, the upper of Taiyuan ation and the middle of Benxi ation in Chengjiazhuang section have high content of kaolinite too. Illite has high content in Shanxi ation of each section. Chlorite has higher content in the middle and the upper of Shanxi ation and lower content in Taiyuan ation. Under the SEM, clay minerals are in regular shape and do not have obvious erosion marks. Illite crystallinity is 0.42Δ2θ0.63Δ2θ, with an average of 0.47Δ2θ, which has good crystallization, I/S interstratified ratio has an average value of 25.1. According to the characteristics of authigenic clay minerals, the overall paleoclimate was warm and humid, short-term dry-cold climate existed in early Taiyuan ation and middle-late Shanxi ation. Paleoclimate and sedimentary environments reflected mutually the change process of ChaoXing 40 煤田地质与勘探 第 45 卷 coal accumulation, and are the key factors to control coal accumulation in the study area. Keywords clay mineral; crystallinity; paleoclimate; coal accumulation 黏土矿物种类多样，主要存在于沉积岩和碎屑 岩低温变质岩中，通过黏土矿物的含量、组合类型 和其他地球化学指标可以研究母源区古气候、成岩 期古气候、沉积过程中的水介质性质、水动力条件 和岩石成岩演化阶段[1-4]。 鄂尔多斯盆地是我国重要的综合性能源盆地，岩 浆岩、 构造发育较少， 盆地东缘现今保留着石炭-二叠 纪含煤岩系，为一套典型的海陆交互相沉积地层，岩 石类型多样，以砂岩、泥质岩、石灰岩和煤为主。泥 质岩类包括泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、铝土质泥 岩等，蕴含着丰富的地质信息，是研究古气候和指示 沉积环境的天然介质。笔者以泥质岩中黏土矿物为研 究对象， 重点分析鄂尔多斯盆地东缘石炭-二叠系泥质 岩类黏土矿物特征、地球化学指标等，并结合沉积环 境的演变， 恢复沉积期古气候， 对研究华北地台石炭- 二叠纪古气候和聚煤作用具有重要的意义。 1 地质概况 鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，受构造活动影 响较小，仅有几条较大断裂将盆地分割为 6 个二级构 造单元图 1， 分别为伊陕斜坡、 伊盟隆起、 天环拗陷、 西缘褶皱冲断带、渭北断隆区和河东断褶带[5-7]。 图 1 鄂尔多斯盆地东缘大地构造位置与实测剖面位置图 Fig.1 Tectonic location of east margin of Ordos basin and measured section 研究区位于河东断褶带内图 1， 其主体隶属于 山西省河东煤田，砂岩、煤层及海相石灰岩等标志 层发育，是对比实测剖面地层的理想依据[6]。根据 野外露头剖面岩相变化特征，在研究区内识别出区 域性风化壳、晋祠砂岩、北岔沟砂岩及骆驼脖子砂 岩等主要标志层，将该套地层划分为上石炭统本溪 组、上石炭统下二叠统太原组和下二叠统山西组 图 2，厚煤层主要发育于太原组中下部8、9 煤、 太原组上部6 煤和山西组中上部4、5 煤。 图 2 研究区地层划分与主要标志层示意图 Fig.2 Diagrammatic sketch of stratigraphic classification and the main marker beds the study area 2 采样与实验方法 鄂尔多斯盆地东缘总体构造为一 SN 走向，向 西倾斜的大型单斜构造， 野外石炭-二叠系剖面出露 较好。本次实测了 3 条地质剖面，分别为保德县桥 头镇桥头剖面、保德县以南的扒楼沟剖面和柳林县 成家庄剖面，共采集新鲜泥质岩类样品 22 件。采 用 X 射线衍射分析方法，提取粒径0.002 mm 的黏 土矿物颗粒，制作成自然定向片N 片、乙二醇蒸 气处理片EG 片和加热处理550/2h定向片T 片， 对黏土矿物相对含量进行定量分析；并使用扫描电 镜观测黏土矿物的形貌及赋存状态。 3 黏土矿物类型及组合 从自然定向片N 片、乙二醇蒸气处理定向片 EG 片、 加热处理定向片T 片的 XRD 衍射图谱可 以看出， N 片中伊利石的 d0011.0 nm0.9951.016 nm衍射峰峰高较低， 经过乙二醇蒸气和加热处理之 后位置基本不变，说明样品中含有伊利石矿物。N 片和 EG 片的对比发现，伊利石的 d001衍射峰附 ChaoXing 第 2 期 李明培等 鄂尔多斯盆地东缘泥质岩黏土矿物特征及其地质意义 41 近呈锯齿状不对称形态、低角度扩散，说明样品中 存在较多的 I/S混层矿物图3， I/S混层矿物的d001 衍射峰受到伊利石和蒙皂石的混层比影响较大，无 特定峰。高岭石与绿泥石在自然定向片中衍射峰较 强烈，且高岭石 d0010.715 nm 0.7010.722 nm、 绿泥石 d0010.710 nm 0.7010.722 nm衍射峰位 置相近，不易区分。乙二醇蒸气处理后，依靠绿泥 石 d0030.353 nm 与高岭石 d0020.358 nm 两种 衍射峰的位置不同，可将两者区分开来，从图谱分 析中可知部分样品中含有绿泥石[8]。 扫描电镜下黏土矿物晶体形态规则，未见明显 磨蚀痕迹，表现为自生黏土矿物形态。高岭石以书 本状为主，附着在长石颗粒的表面图 4a 和图 4b； 伊利石呈弯曲片状，I/S 混层矿物亦为弯曲的片状， 但单个晶体直径略小于伊利石，充填于岩石缝隙中 或矿物表面图 4c；绿泥石含量较少，形态以规则 图 3 研究区泥质岩典型黏土矿物 XRD 衍射图谱 Fig.3 XRD patterns of the typical clay minerals in argillaceous rock in the study area a书本状高岭石，样品 ZC1，保德桥头剖面本溪组；b长石蚀变高岭石，样品 ZC3，保德桥头剖面太原组；c弯曲状伊利石及 I/S 混层矿物，样品 ZC8，柳林成家庄剖面山西组；d碎屑表面花朵状绿泥石，样品 ZC8，柳林成家庄剖面山西组 图 4 研究区泥质岩典型黏土矿物扫描电镜 ChaoXing 42 煤田地质与勘探 第 45 卷 Fig.4 The SEM of the typical clay minerals in argillaceous rock in the study area 片状形式组合成为花朵状， 附着在矿物表面图 4d。 盆地东缘石炭-二叠系泥质岩类黏土矿物成分 主要为高岭石Kao、伊利石/蒙皂石混层矿物I/S、 伊利石It和绿泥石C表 1，结果中含有高岭石的 样品为 22 个、含混层矿物的为 20 个、含伊利石的 为 13 个、含绿泥石的为 10 个，黏土矿物组合类型 总体为 KaoI/SItC 型。高岭石的相对质量分数为 2897，平均 64.95，混层矿物的相对质量分数 为 059，平均 22.73，伊利石相对质量分数为 018， 平均 5.14， 绿泥石相对质量分数为 069， 平均 7.18。从单剖面分析来看，I/S 混层矿物由北 向南逐渐增多，伊利石、高岭石和绿泥石变化规律 不明显，垂向上，高岭石在 3 个剖面上部山西组地 层中普遍较高，另外桥头剖面太原组底部、成家庄 剖面太原组上部及本溪组中部高岭石含量偏高；伊 利石/蒙皂石混层矿物在 3个剖面山西组中上部含量 较高，扒楼沟剖面太原组下部以及成家庄剖面太原 组中部也较高；伊利石仅在各个剖面的山西组地层 中有较高含量，绿泥石在山西组中上部、太原组下 部含量较高。 表 1 鄂尔多斯盆地东缘泥质岩类黏土矿物含量测试结果 Table 1 Test results of clay minerals content in argillaceous rock in eastern margin of Ordos basin 黏土矿物相对质量分数/ 剖面 样品 编号 岩性简述 层位 I/S It Kao C 混层比S/ 伊利石结晶 度 ICj/Δ2θ ZC7 灰色粉砂质泥岩 山西组上部 17 7 69 7 20 0.43 ZC6 灰色粉砂质泥岩 山西组中部 3 97 25 ZC5 灰黑色炭质泥岩 山西组中下部 23 8 63 6 20 0.42 ZC4 灰色泥岩 山西组中下部 17 83 16 ZC3 深灰色泥岩 太原组下部晋祠砂岩之上 26 5 55 14 25 0.43 ZC2 深灰色泥岩 太原组下部晋祠砂岩之上 2 84 14 10 桥头 剖面 ZC1 灰色泥岩 本溪组上部 31 58 11 10 ZC23 灰色泥岩 山西组上部 36 5 59 70 0.56 ZC22 灰色粉砂质泥岩 山西组上部 15 10 75 30 0.42 ZC21 灰色粉砂质泥岩 山西组上部 28 7 47 18 35 0.42 ZC20 灰色泥岩 山西组中部 27 13 51 9 25 0.43 ZC28 灰色粉砂质泥岩 山西组下部 24 76 16 扒楼 沟剖 面 ZC24 灰色铝土岩 本溪组中部 3 28 69 0.42 ZC10 灰色泥岩 山西组上部 59 11 30 25 0.63 ZC9 灰色泥岩 山西组上部 3 97 30 ZC11 灰黑色炭质泥岩 山西组上部 15 11 74 30 0.48 ZC12 灰色泥岩 山西组上部 13 87 15 ZC8 灰色泥岩 山西组中部 40 18 36 6 35 0.54 ZC14 灰色含铝土质泥岩 太原组上部东大窑灰岩上部 19 5 76 30 0.42 ZC16 深灰色泥岩 太原组中部猫儿沟灰岩下部 59 10 31 25 0.46 ZC13 灰色铝土岩 本溪组中上部 96 4 成家 庄剖 面 ZC15 灰色粉砂质泥岩 本溪组下部 43 57 10 4 讨 论 4.1 黏土矿物组合与古气候关系 黏土矿物形成和转化的影响因素较多，其中气 候因素起主要的作用。利用黏土矿物的含量、组合 类型以及结晶度等地球化学指标来研究古气候条 件，常常与生物遗迹、孢粉、氢氧同位素反映的古 气候信息吻合[9]。 高岭石多形成于潮湿的热带和亚热带地区，在 酸性介质条件下由长石风化淋滤而成，主要分布于 陆上及海洋盆地近岸地区[7-10]。伊利石形成于干冷 气候环境，温暖条件下亦可形成，多由古老页岩经 风化作用形成[4,8]。当经历干湿交替的环境时，伊利 石可经历伊/蒙混层矿物转变为蒙皂石的过程，伊/ 蒙混层矿物的出现则代表气候逐渐转变为潮湿环 境。绿泥石主要形成于碱性环境中，在化学风化受 到抑制的环境下才能形成，它与高岭石为截然相反 的两种气候环境下形成。 ChaoXing 第 2 期 李明培等 鄂尔多斯盆地东缘泥质岩黏土矿物特征及其地质意义 43 通过研究伊利石结晶度的好坏可以推测其成岩 过程中的形成环境、划分成岩期、岩石变质程度等。 伊利石的结晶度采用[001]晶面 d0011 nm 0.995 1.016 nm衍射峰的半高宽FWHM测定[11-12]，通过标 准样品矫正后，建立如下回归方程。 ICj0.685 1 ICs0.122 7 R20.961 3 式中 ICj为标样的结晶度，Δ2θ；ICs为实测样品 的结晶度，Δ2θ。 根据泥质岩中的黏土矿物含量、伊利石结晶度 校正的实验结果，除本溪组样品外，其余样品的黏 土矿物中 I/S 混层矿物中伊利石平均质量分数较高， 达到 74.9；13 件样品含有伊利石，结晶度为 0.42Δ2θ0.63Δ2θ，平均值为 0.47Δ2θ，结晶度较 好，为自生黏土矿物。说明样品受到的成岩改造作 用较弱，可以利用黏土矿物结晶度反映古气候的短 周期变化[13-15]。 4.2 研究区古气候演化 鄂尔多斯盆地东缘泥质岩黏土矿物的成分、微 观形态、混层比以及伊利石的结晶度的测定显示， 自生黏土矿物在沉积岩中占据绝对优势。高岭石含 量最高，表明古气候以温暖潮湿为主，次为 I/S 混 层矿物，代表为潮湿气候，而伊利石、绿泥石含量 较少，且分布不均匀，可能存在短周期干冷气候。 因此鄂尔多斯盆地东缘石炭-二叠纪的古气候总体表 现为温暖潮湿，并在太原组早期和山西组中-晚期伴 有较短周期的干冷气候。这与河北南部晚古生代黏土 矿物类型及表现的古气候极为相似[5-6]，反映了华北板 块西部与中东部在沉积演变、古气候变化的一致性。 古气候的变化与植被生长及泥炭的堆积形成有 良好的正相关关系。经历了太原组早期的短暂干冷 气候之后，气候开始转变为温暖潮湿，植被大量生 长，为泥炭的堆积提供了大量的物质来源，形成了 广泛发育的 8、 9 号厚煤层以及太原组上部的 6 号煤 层图 5；至山西组早期，该地区依然以温暖潮湿气 候为主，在沼泽地区堆积了大量的植物残体，富集 形成 4、5 号煤层，山西组中期之后气候逐渐过渡为 干冷气候条件，植被生长受到限制，聚煤作用变弱 直至结束，未能形成大面积具有工业价值的煤层。 鄂尔多斯盆地东缘石炭-二叠纪经历了多次海 侵事件[3,6,16-18]图 5。研究区太原组 8、9 号煤层形 成于海侵初始阶段[3]，在高可容空间背景下，海侵 初始阶段植物遗体堆积的速率与海平面的上升速率 大致相同，导致植物遗体能够长期保持在还原环境 中，有利于泥炭的堆积[19]；随着海侵作用的逐渐加 强，海平面上升速率明显高于植物遗体堆积速率， 无法保证充足的植物遗体堆积，聚煤强度变弱，间 或在数次小规模的海退过程中形成若干薄煤层；早 二叠世山西组早-中期，海水逐渐退去，演化为以河 流-三角洲为主的低可容空间环境，海湖侵体系域 末期植物遗体堆积的速率与海湖平面的上升速率 大致相同，形成规模较大的 4、5 号煤层，至山西组 中-晚期逐渐被曲流河-湖泊取代，成煤环境较差， 无法形成具有工业价值的煤层， 聚煤作用急剧减弱。 图 5 研究区海侵作用、古气候与聚煤作用的关系 Fig.5 Relationship of transgression, paleoclimate and coal accumulation in the study area 通过对鄂尔多斯盆地东缘古气候、沉积环境的 研究与对比，认为研究区内古气候、沉积环境的综 合响应与聚煤作用的强度曲线基本吻合，在古植物 类型和古构造条件一定的条件下，古气候和古地理 对聚煤作用起到控制因素。 5 结 论 a. 鄂尔多斯盆地东缘石炭-二叠系泥质岩所含 的黏土矿物均为自生黏土矿物，以高岭石和伊/蒙混 层矿物为主，伊利石、绿泥石次之，组合类型为 KaoI/SItC 型。 b. 利用黏土矿物的矿物成分、微观形态、混层 比以及伊利石的结晶度等指标，指出鄂尔多斯盆地 东缘石炭-二叠纪古气候总体以温暖潮湿为主， 间或 在太原组早期和山西组中-晚期伴有短周期干冷气 候，并与聚煤作用呈正相关关系。 c. 石炭-二叠纪古气候特征反映的聚煤作用与 该时期沉积环境两者指示的聚煤作用存在着天然的 联系，从不同的角度相互印证了古气候、古地理在 ChaoXing 44 煤田地质与勘探 第 45 卷 鄂尔多斯盆地东缘成煤过程中起到的决定性作用。 致谢 中国矿业大学北京煤炭资源与安全开 采国家重点实验室、河南工程学院石松林博士对伊 利石结晶度标样校正给予了指导和帮助，在此表示 感谢 参考文献 [1] 邵龙义， 张鹏飞. 湘中下石炭统黏土矿物组合特征[J]. 沉积学 报，1992，10487–93. 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