淄博煤田煤系共生高岭石粘土岩地质特征.pdf

第2 9 卷第5 期 2 0 0 0 年9 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．2 9N o ．5 S e p ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 0 0 50 5 4 6 0 4 淄博煤田煤系共生高岭石粘土岩地质特征 余继峰“2 ，韩作振2 ，王秀英2 1 ．中国矿业大学资源与环境科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．山东科技大学地科系，山东泰安2 7 1 0 1 9 摘要；根据现场调查和钻孔资料，采用肉眼厦偏光显微镜观察、x 一射线衍射分析、岩石化学成分 分析等方法，研究了淄博煤田石炭二叠系煤系共生粘土岩分布特征、矿物学、岩石学特征，划分出 不同类型的高岭石粘土岩，并对其成因进行了探讨．结果认为，7 煤高岭石粘土岩夹矸质量好、价 值大，其特征与国外文献中提到的“T o n s t e i n ”类似，为中酸性火山友蚀变而成；伊利石化高岭石 粘土岩的发现与研究具有较高应用价值，且具有一定的理论意义． 关键词淄博；高岭石；x 射线衍射；粘土岩 中图分类号P6 1 9 ．2 3 2文献标识码A 煤炭企业一直是以煤为对象的单矿种经营企 业，对与煤共、伴生的其它矿产资源没有给予足够 的重视，将部分有用的矿产资源以煤矸石的形式弃 置于矸石堆，不仅造成矸石堆的急剧膨胀，侵占良 田、污染环境，而且造成资源严重浪费．这一现象既 与资源综合开发利用的意识不强有关，也与缺乏对 煤系共、伴生资源的系统研究有关．本文以淄博矿 区为例，探讨了石炭二叠纪煤系共生的高岭石粘土 岩资源的地质特征． 1 赋存层位及横向分布 淄博矿区各矿所采煤层均属于石炭二叠纪煤 系。且淄博一带是鲁西石炭二叠纪煤系保存最完整 的地区[ “．在这套地层中，高岭石粘土岩多以煤层 夹矸或顶底板形式出现，本矿区高岭石粘土岩的主 要赋存层位有下二叠统山西组1 煤底板、3 煤夹 矸及底板；上石炭统太原组5 煤底板、7 煤夹矸及 底板、l o 煤夹矸及底板．其中1 煤底板高岭石粘土 岩多分布于埠村矿，厚0 ．5 ～1 ．1r i l ；3 煤夹矸及底 板高岭石粘土岩在岭子矿分布稳定，夹矸厚 0 ．51 T I ，底板厚约1m ；5 煤底板高岭石粘土岩多分 布于双沟矿，厚约0 ．11 2 1 ；7 煤夹矸高岭石粘土岩 多分布于岭子矿及石谷矿，厚0 ．5 ～0 ．8m ；1 0 煤 夹矸及底板高岭石粘土岩多分布于西河矿、夏庄矿 及埠村矿等，厚数厘米至数米不等． 此外，在上石炭统太原组中发现富含伊利石的 高岭石粘土岩，本文将其称为伊利石化高岭石粘土 岩，以9 煤夹矸及1 0 煤直接底板形式出现，主要分 布于双沟矿及南定矿，9 煤夹矸厚0 ．1 ～0 ．21 1 1 ，1 0 煤直接底板伊利石化高岭石粘土岩厚度不大，且不 太稳定． 2 矿物、岩石学特征 2 ．1 肉眼夏偏光镜下特征 本矿区高岭石粘土岩一般为灰一灰黑色，含有 机质高者为黑色，风化后颜色变浅，常见炭化植物 碎片，肉眼及偏光显微镜下观察均为隐晶质结构． 个别层位 7 煤夹矸 高岭石粘土岩外观多为褐灰 色或棕褐色，致密坚硬，贝壳状断口．偏光显微镜下 观察，为斑状结构 斑晶含量1 0 ％～3 0 ％ 或稀疏 斑状结构 斑晶含量小于1 0 ％ ，可见高岭石蠕虫 状集晶和高温石英及透长石晶屑以斑晶形式散布 于隐晶质基质中．伊利石化高岭石粘土岩外观与大 多数高岭石粘土岩相似，一般为灰一灰黑色，偏光 显微镜下观察以隐晶质一鳞片状微晶结构为主，还 见以斑晶形式出现的伊利石，单偏光下为无色长条 状，具一组 0 0 1 完全解理，正交镜下为二级干涉 色． 2 ．2x 一衍射图谱特征 对研究区主要层位的粘土岩按照肉眼及偏光 收辅日期。1 9 9 9 1 2 1 4 作者筒介．余继峰 1 9 6 4 一 ，男，安徽省萧县人，山东科技大学讲师，中国矿业大学博士研究生．从事煤田地质学，沉积学研究． 万方数据 第5 期 余继峰等淄博霸I 田煤系共生亮岭石敬土岩地璜特征 显微镜下观察特征进行分组并分别选取代表样品 进行x 射线衍射分析，衍射图谱按特征可分为3 类如匿i ～3 所示． 其中第l 类离岭石粘士岩的衍射图谱 豳1 孛霹见嚣英 0 4 3 ，0 。3 3n m ， 、囊蛉石 0 ．7 2 ， 0 ．3 6n m 的基面艨射强衍射峰，另外还见石夔及 高岭石的其它特雒峰，说明主要由石英、高岭石矿 物组成，此外还见伊剩菪 1 ，0 ．5n m 、黄铁矿 o ．3 1 ，0 ．2 7n m 、锐钛矿 0 ．3 5n m 、长石 o ．3 2r i m 等矿物的部分特征峰，说明其中含少量 该类矿物． 2 0 3 0 4 0 5 0 2 疆。} 豳1淄博煤田CP 煤荣共生高岭石粘土岩X 射线衍射图谱 F i g ．1 X R Ds p e c t r ao fk a o l i n i t i cc l a y s t o n ei nC Pc o a lb e a r i n gm e a s u r e si nZ i b oc o a lf i e M 1 ．取捣矿5 煤底扳} 2 ．蠢答矿7 燃底板；3 ．辫海矿l o 攥鬓援l4 。衰臻矿l o 媒褒捱 s ．辞子矿3 艨亮矸{ 6 ．埠村矿1 蒜底援 5l O1 5 2 0 2 53 03 54 04 5 5 0 5 5 2 口玎。1 爆2 淄博煤田岭予矿7 煤亮蛉石 糖主者蹙矸x 一射线街射餐谱 F i g ．2 X R Ds p e c t r u mo fp a r t i n gi nc o a ls e a m7 i nL i n g z iC o a lM i n e 获第2 类x 射线鹰裁嚣灌 垂2 巾可看窭，褒 岭石衍射峰峰数齐愈，峰形尖锐对称，分裂清楚，说 明高岭石有序度较高或结晶良好，其溅面反射强， d 0 0 1 0 ．7 2r i m ，d 0 0 2 一0 ．3 6n m ，菇在 0 0 1 和 0 0 2 之间分裂出3 ～4 条衍射峰，此外，图谱中 逐出现石夔、黄铁矿等的特缎峰，峰形较弱，说明含 少量该类矿物． 第3 炎x 瓣线蒸谱 萤3 孛主要凄瑗d 0 0 1 一1r i m ，d 0 0 2 一0 ．5r i m ，d 0 2 7 一0 ．4 4r i m ，d 0 0 3 一0 ．3 3r i m ，d 2 0 2 0 ．2 6T i m 簿伊剥石的 l O 2 0 3 0∞s 0 b 】南定矿9 煤央矸 2 口“4 图3 淄博煤田伊利石化高岭群 粘土岩央矸x 一射线衍射图谱 F i g ．3 X R D8 ”t 1 “ 1 1o fi l l i n i z 毹k a o l i n i t i cd a y s t o n e p a r t i n gi nZ i b oc o a lf i e l d 万方数据 中国矿业大学学报 第2 9 卷 强特征峰及0 ．3 5 。0 ．3 1 。0 ．2 5n m 的弱峰，说明其 中以伊利石为主．1 0 左右的衍射峰普遍宽阔且不 对称，强度明显弱，说明伊利石结晶度较低．此外， 还出现部分高岭石、石英的特征峰，说明伊利石化 不彻底． 2 ．3 化学特征 在上述分析的基础上，对三类不同的高岭石粘 土岩分别进行了岩石化学成分分析．结果显示，第 l 类高岭石粘土岩的S i O 。含量较高，一般为 w S i 0 2 一5 1 ．2 8 ％～5 8 ．7 3 ％，平均为5 4 ．6 3 ％， A 1 2 0 。的含量较低。一般为w A 1 2 0 3 一2 4 ．4 7 ％～ 3 0 ．0 7 ％之间，平均为2 6 ．3 7 ％，其它氧化物的含量 范围依次是w F e O 一0 5 6 ％～0 ．9 6 ％， W F e 2 0 3 一0 ．5 9 ％～2 ．7 0 ％，∞ T i 0 2 一1 ．0 2 ％～ 1 ．4 4 ％，t ￡， C a O 0 ．1 ％～0 ．3 3 ％，w N a 2 0 一 0 ．1 8 ％～0 ．4 4 ％，W K 2 0 一1 ．2 7 ％～2 ．6 0 ％， w M g O 一0 ．7 3 ％～1 ．5 9 ％，w M n O 一0 ．0 1 ％～ 0 ．0 4 ％，W P 2 0 5 一0 ．0 6 0 ％～1 0 ％；w 烧失物 一 8 ．4 6 ％～1 2 ．9 5 ％；月 S i 0 2 n A 1 2 0 3 一2 ．9 2 ～ 3 ．9 9 ．第2 类高岭石粘土岩的s i 0 。含量为w S i O 。 一4 8 ．3 1 ％，略高于高岭石的理论值 4 6 ．5 4 ％ ， A l 。o 。含量为w A 1 2 0 3 一3 5 ．1 4 V o ，略低于高岭石 的理论值 3 9 6 ％ ．其它氧化物的含量分别是 w F e 2 0 3 一0 ．1 8 ％，W F e O 一0 ．1 4 ％，w C a O 一 0 ．1 ％，w N a z O 一0 ．7 1 ％，“ K 2 0 一1 ．4 2 ％， ∞ M g O 0 ．7 3 ％，w T i 0 2 一0 ．3 7 ％，w M n O 一 0 ．0 4 ％，w P 。0 5 一0 ．0 3 ％，Ⅲ 烧失物 一1 2 ．7 8 ％； n S i O n A 1 O 。 一2 ．3 3 ．第3 类伊利化高岭石 粘土岩的岩石化学成分为w S i O 4 5 ．1 8 ％， ∞ A 1 2 0 a 一2 4 ．7 7 ％，w F e 2 0 3 一2 ．0 4 ％，w F e O 一0 ．2 3 ％，“ C a O 一0 ．2 6 ％，“ N a 2 0 一0 ．8 1 ％， w K 2 0 2 ．0 8 ％，∞ M g O 一1 ．3 4 ％，w T i O z 一 0 ．7 8 ％，w M n O 一0 L0 3o A ，“ P 2 0 5 一0 ．0 9 ％， “ 烧失物 1 ．7 5 ％；n S i 0 2 n A 1 2 0 3 3 ．0 9 ． 3 成因分析 从上述特征分析可知，研究区高岭石粘土岩可 明显分为3 大类 1 第1 类分布最普遍，为正常沉积形成，即在 弱水动力条件下粘土质点沉积而成，并伴随一定数 量的细粉砂粒级的石英碎屑颗粒．尽管肉眼及偏光 显微镜下难以辨认，但在x 射线衍射图谱中得到 清楚反映，且岩石化学成分分析结果显示S i O 含 量偏高，A l O 。含量偏低也说明了其中游离石英的 存在． 2 第2 类高岭石粘土岩夹于煤层中问，外观 带棕褐色调，致密坚硬，与第1 类明显不同，偏光显 微镜下可见蠕虫状高岭石集晶，显然不是原生沉积 而成．其中还见高温石英和透长石晶屑．因此可以 推测该层夹矸的形成与火山活动有关[ z ] ．据研究只 有中酸性火山物质在偏酸性介质中才能转变成高 岭石，而泥炭堆积环境的水介质是偏酸性的，高温 石英和透长石也常出现在中酸性火山物质中，所以 认为该层高岭石粘土岩为中酸性火山灰在泥炭沼 泽中蚀变而成．蚀变的主要过程包括在偏酸性条件 下长石、黑云母等矿物的分解和玻屑、火山灰的蚀 变．下面以钾长石为例说明其分解蚀变过程． 钾长石在碳酸或有机酸 甲酸、乙酸 的作用下 分解析出K ，N a ，C a 等阳离子，同时脱硅水化转变 为高岭石．反应式如下 2 K A l S i 3 0 8 2 H 2 C 0 3 9 H 2 0 A 1 2 S i 2 0 5 O H 4 2 K 4 H ‘S i 0 4 2 H C O a 2 K A l S i 3 0 8 2 H C o o H 9 H 2 0 A 1 2 S i 2 0 5 O H 。 2 K 4 H 4 S i 0 4 2 H C 0 7 2 K A l S j 3 0 8 2 C H 3 C o O H 9 H 2 0 A 1 2 S i a 0 5 o H { 2 K 十4 H 4 S i 0 4 2 C H 3 C O O 一 非晶质玻屑及火山尘的蚀变过程是在泥炭沼 泽水介质作用下首先发生水化作用，即火山玻璃 水含水火山玻璃．水化作用进一步进行，火 山玻璃发生分解形成含水的铝硅酸盐矿物． 岩石化学成分分析结果显示该层粘土岩s i O 。 和A l 。O 。的含量均接近高岭石的理论值，x 一射线衍 射图谱特征也表明其中高岭石具有高的有序度，所 以该层粘土岩的高岭石化较彻底． 3 第3 类粘土岩中含有大量的伊利石，在偏 光镜下及x 射线衍射图谱中都有显示．伊利石斑 晶的存在说明该类粘土岩曾发生过明显的后生变 化．笔者研究发现，研究区内双沟、南定两矿的9 煤、1 0 煤的煤化程度高达无烟煤阶段，并已查明为 岩浆岩体烘烤所致．又据A l t h a n s 1 9 6 6 的实验研 究，在3 9 0 ℃中性环境下，若有钾离子存在及水的 参与，高岭石和石英可反应形成伊利石高岭石 K S i O z H z o 伊利石．因此认为区内该类粘 土岩是在较高温度条件下由高岭石粘土岩加钾水 化转变而成．转化过程中所需的S i O 。和K 的来源 可能有3 个a ．原岩 高岭石粘土岩 本身；b ．岩浆 热液揖煤层围岩成岩及后生变化的产物．从岩石 化学成分分析结果看出，伊利石粘土岩中的K z o 含量比一般高岭石粘土岩中高，但又低于其它成因 的伊利石粘土岩，说明伊利石形成时碱金属的供应 万方数据 第5 期 余继峰等淄博煤田煤系共生高岭石粘土岩地质特征 5 4 9 可能不足．这与其x 射线衍射图谱反映的伊利石 结构有序度较差的结果是一致的．丌Ba a p H u K n f i 19 8 3 在研究粘土岩夹矸的矿物化学成分变化与 煤变质程度的关系时发现，煤层的围岩中烟煤发育 地区的杂色粘土质岩，到了无烟煤地区就被绿泥石 水云母岩所代替[ 3 1 ．周义平等“1 1 9 9 0 在对滇东 二叠纪煤田粘土岩夹矸的研究中也得出在高级变 质烟煤及无烟煤区粘土岩夹矸中高岭石向伊利石 转化的结论． 4 结束语 综上所述，淄博矿区石炭二叠纪煤系中共生的 高岭石粘土岩较为丰富，是重要的非金属矿产．7 煤粘土岩夹矸特征与国外文献中提到的 “T o n s t e i n - E s , 6 ] 类似，质量好、价值大，与此层位相 当的高岭石粘土岩夹矸在新汶、肥城矿区已得到回 收利用．伊利石化高岭石粘土岩的发现与研究，不 仅具有应用价值，而且具有理论意义． G e o l o g i c a lC h a r a c t e r i s t i c so f i nP e r m o C a r b o n i f e r o u sC o a l 参考文献 [ 1 ] 韩德馨，杨起．邵震杰，等．中国煤田地质学 下 册 [ M ] ．北京煤炭工业出版社，1 9 8 0 ．1 5 1 ． [ 2 ] 徐兴，张广忠，韩作振．等．鲁西石炭纪煤系中的 火山事件[ J ] ．沉积学报，1 9 9 3 ，1 1 3 9 31 0 4 ． E 8 ]3 a p u a K a f l 兀B ．粘土岩夹矸的矿物一化学成分变化与 煤变质程度的关系[ A ] ．宋学良译．煤系粘土岩夹矸 译文集[ c ] ．北京地质出版社，1 9 8 9 ．1 0 3 ． [ 4 ] 周义平．滇东黔西晚二叠世吉煤沉积中火山灰蚀变 形成的伊利石粘土岩夹矸[ J ] ．沉积学报．1 9 9 0 ，8 4 8 5 9 4 ． [ 5 ] A d d i s o nR ，H a r r i s o nRK ，V o l c a n o g e n i et o n s t e i n f r o mT e r t i a r yc o a lm ㈣r e [ J ] ．E a s tK a l i m a n t a a ， I n d o n e s i aI mJC o a lG c 0 1 ．1 9 8 3 3 1 3 0 ． [ 6 ] K u r tB u r g e r ．至1 9 8 3 年全世界煤田中粘土岩夹矸的 研究现状[ A ] ．汤大忠译．煤系粘土岩夹矸译文集 [ c ] ．北京地质出版社．1 9 8 9 ．11 0 ． A c c o m p a n y i n gK a o l i n i t i cC l a y s t o n e B e a r i n gM e a s u r e si nZ i b oC o a lF i e l d Y Uj i f e n 9 1 ”，H A NZ u oz h e n 2 ，W A N GX i u y i n 9 2 1 ．C o l l e g eo fM i n e r a lR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 - C h i n a ； 2 ．G e o s e i e n e eD e p a r t m e n t ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ．T a i a n ，S h a n d o n g2 7 1 0 1 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h eo c c u r r e n c e ，d i s t r i b u t i o n ，m i n e r a l o g i c a la n dp e t r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fk a o l i n i t i cc l a y s t o n eo f C Pc o a lm e a s u r e si nZ i b oc o a lf i e l dw e r es t u d i e d ．B a s e do nf i e l di n s p e c t i o na n dd r i l l i n gd a t a ，b ym e a n so f n a k e de y e s ，p o l a r i z i n gm i c r o s c o p e ，Xr a yd i f f r a c t i o na sw e l la sc h e m i c a la n a l y s i s ，t h ek a o l i n i t i cc l a y s t o n ew a s c l a s s i f i e di n t od i f f e r e n tt y p e sa n dt h e i rg e n e ．sw e r ed i s c u s s e d ．T h ek a o l i n i t i ce | a y s t o n ep a r t i n gi nc o a ls e a m7 i sp u r ea n dv a l u a b l e ，t h ep r o p e r t i e so fw h i c ha r es i m i l a rt ot h o s eo f “T o n s t e i n ”，ak i n do fc l a yo f t e ns e e ni n f o r e i g nl i t e r a t u r e s ，o r i g i n a t i n gf r o mt h ea l t e r a t i o no fm i d a c i d i cv o l c a n i ca s h ．T h ed i s c o v e r ya n dr e s e a r c ho f i l l i n i z e dk a o l i n i t i cc l a y s t o n ea r eo fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nb o t hp r a c t i c ea n dt h e o r y ． K e yw o r d s Z i b olk a o l i n i t e ；X r a yd i H r a c t i o n ；c l a , , s t o n e 万方数据