0 引 言
煤不仅是一种非常重要的常规化石能源，同时也是非常重要的烃源岩及非常规天然气储层。通过对不同地区成煤沼泽沉积环境演化过程的研究能够对不同环境下的成煤机理产生更深刻的认识[1-3]，在此基础上能够研究成煤环境对煤储层物性的影响[4]。国内外学者通过对煤中有机显微组分、矿物组成、成煤植物、围岩沉积岩石学特征进行深入研究建立了不同的煤相参数，DIESSEL[5-6]提出了凝胶化指数(GI)和植物保存指数(TPI)，CALDER[7]提出了地下水流动指数(GWI)和植被指数(VI)。在综合多种指标使用的基础上，程剑波等[8]对西山煤田的煤相演化特征及煤质特征进行了深入的研究；代世峰等[9-10]研究了内蒙古地区不同煤层的煤相演化规律；ZHANG等[11]在柳林盆地利用煤岩学研究划分出4种煤相，并通过建立煤储层中孔隙特征与煤相之间的关系优选出有利于煤层气开采的煤相类型；ZHAO等[12]通过对山西古交区块煤相及煤吸附解析行为的研究，探讨了煤相对煤吸附解吸行为的控制作用，分析了何种类型的煤相有更大的煤层气开发潜能；LI等[13]研究了贵州西部及云南东部地区的煤相对煤吸附能力、孔隙结构和渗流能力等的控制作用，从多个区域中优选出最为适合煤层气生产的地区。
虽然近几年国内学者进行了大量的关于煤相的研究，但是众多研究成果中只有极少针对平顶山煤田煤相特征的研究[14-15]。为了解平顶山煤田煤相特征及演化规律，笔者以平顶山煤田主采煤层为研究对象，通过对其煤岩特征的研究来重构成煤沼泽的环境特征、植物类型及其演化过程。
1 地质概况
平顶山煤田位于河南省西南部平顶山市，东西长约108.99 km，南北宽33.43 km，面积约3 643.5 km2(图1)。平顶山煤田含煤地层为晚古生代二叠纪含煤岩系。根据岩性及古植物群面貌的组合特征，含煤地层自下而上划分为二叠系下统太原组、中统山西组和下石盒子组、上统上石盒子组，含煤地层总厚756.64 m，含煤74层，煤层厚18.26 m，含煤系数2.39%[16]。依据矿井地质报告并结合相关研究成果[1]，对原图改动后绘制了含煤地层柱状图(图2)，其中庚20(一5)厚度为0.53～2.40 m、己15(二2)煤层厚度为0.20～3.30 m、戊8(四3)煤层厚度为0.2～2.82 m,采样地点煤层厚度分别为2.17、1.66、2.72 m。
平顶山煤田属华北板块豫西南分区崤熊构造区，整个平顶山煤田呈现出一系列北西向复式褶皱推覆构造，受北西向的张性应力和张扭性应力影响，形成以北西向张断裂、褶曲为主的区域构造形迹，区域构造线走向多为北西向，其次为北东向，断裂具有规模大、延展长的特点。王果寿等[18]对豫西中下二叠统的沉积环境研究发现该区域太原组沉积的早、晚期为海侵阶段,以浅海碳酸盐岩沉积为主,中期海平面下降,以潟湖、潮坪、沼泽等陆源碎屑滨岸沉积为主。总体上看,自下而上反映了一个完整的海进—海退—海进的沉积旋回。山西组受海平面升降、物源、气候等因素的影响,早期以发育潮坪和滨岸沼泽沉积为主,中晚期主要为三角洲、海湾—潟湖、障壁岛及沼泽沉积。下石盒子组沉积早期,基本上继承了山西晚期的古地貌轮廓特征。主要发育三角洲沉积环境,仅东南角局部有海湾—潟湖沉积。后期由于西北部抬升隆起,海水向东南方向退缩。
图1 平顶山煤田构造纲要
Fig.1 Structural outline of Pingdingshan Coalfield
李天宇[19]通过对禹州大风口剖面研究发现该地区太原组整体可定为陆表海亚相，一煤段为海水较浅时发育的沼泽微相，山西组二煤段发育在潟湖-海湾上的潮坪之上的泥炭沼泽，下石盒子组四煤段发育在三角洲平原之上分流间湾处的泥炭沼泽上。
2 样品采集与试验
本次煤样采集根据GB/T 482—2008规范《煤层煤样采取方法》并且结合实际的开采情况，间隔40 cm等间距采样，在平顶山煤田南部吴寨矿和六矿采集了庚20、己15、戊8煤层共13个分层样品，如图2所示自下而上进行编号，分别编为G-1～ G-4、J-1～J-3、W-1～W-6。利用Zeiss Axio Imager M1m显微光度计测量了平均镜质体反射率(Ro，avg)每个样品分别测量50个有效点位[21]。用Zeiss Axio Imager显微镜进行了显微组分及矿物含量测定和分析( 表1)。
3 结果与讨论
3.1 煤的宏观煤岩特征
研究区域煤层由于受后期构造作用的影响，受破坏程度相对较高。依据国标GB/T 18023—2000《烟煤的宏观煤岩类型分类》对所采煤层样品进行分类，庚组煤以光亮煤及半亮煤为主，条带状结构，层状构造；己组煤为半亮煤及半暗煤，线理状结构，层状构造；戊组煤呈片状，滑面极发育，宏观煤岩类型不可区分。
图2 含煤地层柱状
Fig.2 Columnar sections of coal-bearing strata
3.2 显微煤岩特征
图3 煤层显微组分柱状分布
Fig.3 Columnar distribution of coal maceral
试验测得平顶山煤田样品的镜质组反射率(Ro，avg)为0.80%～1.06%，属于气肥煤。显微组分及矿物含量见表1。不同层位中显微组分含量均有不同程度的变化(图3)。庚20煤层镜质组含量为75%～86%，平均值为81.5%，镜质组中以均质镜质体和基质镜质体为主，其他组分含量均较少。惰质组含量为8.2%～21.4%，平均值为14.4%，以半丝质体和碎屑惰质体为主其次为丝质体和粗粒体(图4g)，仅在G-1发现少量微粒体。未发现壳质组成分。矿物含量0.7%～6.2%，平均值为4.1%，以黄铁矿(图4b)为主。
己15煤层中镜质组含量为28.9%～66.2%，平均值为47.1%，以基质镜质体(图4e)为主，其次为结构镜质体、均质镜质体(图4i)，团块镜质体和碎屑镜质体含量很少。惰质组含量为29.0%～64.8%，平均值为47.8%，主要为半丝质体和碎屑惰质体，其次为丝质体(图4a)、粗粒体、微粒体，仅在J-1样品中发现菌类体。壳质组含量为1.3%～5.6%，平均值为3.1%，主要为孢粉体(图4j)。矿物含量为0.7%～6.2%，平均含量为1.9%，以黏土矿物(图4h)为主。
戊8煤层中镜质组含量为49.7%～83.2%，平均值为64.1%，主要为基质镜质体和均质镜质体，其次为结构镜质体(图4d)和碎屑镜质体，仅在W-4中发现团块镜质体。惰质组含量为12.0%～36.9%，平均含量为27.1%，主要由碎屑惰质体构成，菌类体仅在个别样品可见(图4c)。壳质组含量为0～4.6%，平均值为2.6%，以孢粉体为主。矿物含量为0.7%～9.4%，平均含量为5.9%，矿物以黄铁矿和黏土矿物为主，在W-1中还有较多方解石(图4f)。
表1 煤的显微组分及煤相参数
Table 1 Coal maceral and coal facies index of all samples
组分 W-1W-2W-3W-4W-5W-6J-1J-2J-3G-1G-2G-3G-4结构镜质体9.425.815.69.913.415.410.03.32.1——4.1—镜质组/%团块镜质体———1.3——0.5————0.7—均质镜质体14.114.822.413.812.830.218.64.63.524.737.237.743.2基质镜质体22.219.425.927.626.234.936.738.418.350.048.534.942.5碎屑镜质体4.04.53.47.96.72.70.5—4.90.7—2.1—半丝质体7.45.87.52.06.72.69.512.614.88.41.55.54.3丝质体7.42.61.44.64.72.03.811.38.53.31.51.42.9碎屑惰质体20.820.013.619.722.86.79.111.924.74.63.66.24.3惰质组/%粗粒体0.7—0.72.00.70.71.46.016.22.01.51.42.2微粒体——————4.38.00.73.3———菌类体0.7———0.7—1.0——————孢粉体2.00.7—1.31.32.72.41.35.6————壳质组/%角质体0.7———1.3————————沥青质体1.3——0.72.0————————树皮体—0.7—0.7—————————矿物/%矿物9.45.89.58.60.72.02.42.70.73.36.16.20.7TPI0.801.121.080.520.671.120.870.560.450.640.751.081.03VI0.771.101.100.560.641.070.870.620.540.660.771.141.08GI1.422.273.032.381.757.123.021.300.944.7613.156.217.44煤相参数GWI0.290.170.200.350.140.060.050.060.240.050.070.160.01V/I1.352.272.912.141.666.892.360.930.453.5210.55.526.26F/M0.801.121.080.530.671.120.880.560.450.690.751.091.03OI0.270.250.170.280.310.080.120.220.690.070.050.080.07
注：TPI为结构保存指数；GI为凝胶化指数；VI为植被指数；GWI为地下水指数；V/I为镜惰比；F/M为骨基比；OI为氧化指数。
3.3 煤相特征
煤相的研究主要依据煤岩组成对煤相进行分类，从而还原成煤时期泥炭沼泽的古环境[22]。SCOTT[23]认为火焚丝质体对沼泽分析而言并不是一个可靠的指标，但是在本次研究中经过镜下观察发现绝大多数丝质体为氧化丝质体，仅有少数为火焚丝质体，故煤相指标具有指标意义。
3.3.1 GI-TPI煤相关系图
DISSEL[5-6]最早提出了GI-TPI煤相图，通过显微组分数据计算得出相应的指数来区分不同的沼泽环境。其中凝胶化指数(GI)是凝胶化组分与非凝胶化组分的比值，反映了泥炭积累过程中泥炭沼泽的湿润程度和持续时间[11-13]。泥炭形成环境潮湿则GI值较高，若泥炭形成于比较干燥的环境则GI值较低。结构保存指数(TPI)表示成煤植物的植物组织降解强度和植物细胞保存程度，也可以用来反应pH值得变化。TPI低表示遭受降解的强度高，结构保存较差，TPI较高表示遭受降解的强度低，植物细胞保存完好。计算公式为
TPI=(R1+R2+R3+R4)/(r1+r2+r3+r4+r5+r6)
式中：R1为结构镜质体含量；R2为均质镜质体含量；R3为丝质体含量；R4为半丝质体含量；r1为基质镜质体含量；r2为碎屑镜质体含量；r3为胶质镜质体含量；r4为团块镜质体含量；r5为碎屑惰质体含量；r6为粗粒体含量。
图4 煤岩显微组分照片(油侵反射光，500×)
Fig.4 Photomicrographs of macerals (Oil-immersed reflected light,500×)
GI=(R0+r6)/(R3+R4+r5)
式中：R0为镜质组含量。
根据GI、TPI参数建立GI-TPI煤相图(图5)。庚20煤层中，从底部到顶部TPI指数逐渐增加，由底部湿地草本沼泽相过度到中部芦苇沼泽相，至顶部时转化为较浅覆水森林沼泽相。己15环境相对稳定，均为湿地草本沼泽相。戊8煤层由底部湿地草本沼泽相向上演变为潮湿森林沼泽相，到达中上部时再次转变回湿地草本沼泽相，至顶部时环境转变为较浅覆水森林沼泽相。
图5 GI-TPI煤相
Fig.5 GI-TPI coal facies
3.3.2 GWI-VI 煤相关系图
CALDER[7]定义了植被指数(VI)和地下水指数(GWI)，GWI是基于凝胶化和矿物输入的指标，代表泥炭沼泽形成时的水位，高的GWI通常代表煤显微组分发生更强的降解作用和矿物输入。VI为保留细胞结构的组分与基质、碎屑物质和粒状组分的比值，主要反映成煤植被类型及其保存程度。高VI表示为木本的森林沼泽，低VI表示以草本为主的湖泊环境。计算公式如下：
GWI=(r3+r4+W+r2)/(R1+R2+r1)
VI=(R1+R2+r4+R3+R4+Rs+rs)/(r1+r2+r5+r7+rc)
式中：W为矿物含量；Rs为树脂体含量；rs为木栓质体含量；r7为孢子体含量；rc为角质体含量。
从GWI-VI煤相图得出研究区VI较低，表明平顶山煤田目标煤层成煤植物主要以草本植物为主，仅有5个样品中的VI值大于1，以木本植物为主(图6)。GWI均小于1表示地下水动力条件很弱[13]。
图6 GWI-VI煤相
Fig.6 GWI-VI coal facies
3.3.3 镜惰比
HARVEY[24]提出镜惰比(V/I)，由于镜质组通常代表一种潮湿还原的环境，惰质组通常代表一种干燥氧化的环境，所以镜惰比可以较为直观地反映沼泽的覆水程度及气候的干湿情况。①V/I>4，代表强覆水；②1<V/I≤4，代表极潮湿-覆水；③0.25<V/I≤1，代表潮湿-弱覆水；(4)V/I≤0.25，则表明有火灾发生。计算公式如下：
V/I=R0/r0
式中:r0为惰质组含量。
由图7a可知，在庚20煤层中镜质组含量占优势，总体上由底部到顶部覆水程度逐渐增加。己15煤层中由底部到顶部覆水程度逐渐降低，底部镜质组占优势，显示出极潮湿-覆水环境，中上部时惰质组含量占优势，表示沼泽环境以潮湿-弱覆水的环境。因此可以将己15煤层的煤相划分为湿地草本沼泽相和弱覆水湿地草本沼泽相。戊8煤层中以镜质组占优势，沼泽环境以极潮湿-覆水环境为主，其中煤层顶部为强覆水环境。
3.3.4 骨基比
骨基比(F/M)即骨架组分和基质组分的比值，主要反映植物细胞受破坏程度和沼泽水流活动性的强弱，当F/M>1，代表水流活动性较弱的滞留环境；F/M≤1，代表水流活动性较强的活水环境[25-26]。公式如下：
F/M=(R1+R2+R3+R4)/(r2+r5+r6+r1)
骨基比的结果如图7a所示，研究区戊8煤层中滞留环境与活水环境交替出现，顶部及中下部呈滞留环境，中上部及底部为活水环境。己15煤层为活水环境。庚20煤层中底部为活水环境，上部为滞留环境。
3.3.5 氧化指数
氧化指数反映了成煤泥炭沼泽的氧化、还原程度，OI值越高氧化性越强。OI>1为氧化环境，OI<1为还原环境[27]。公式如下：
OI=(r6+r5)/R
式中：R为其他显微组分。
由图7a可以看出，所采样品均属于还原环境。庚20煤层整体较为稳定，且还原性较强。己15煤层从底部到顶部还原强度逐渐减弱。戊8煤层中整体上氧化还原程度较为一致，有2个样品所表现出来的沼泽还原程度变强。
3.4 成煤环境
所采样品GWI指均比较低，显示当时地下水动力条件较弱。VI指数显示戊8煤层中顶部和底部以木本植物为主，中部以草本植物为主。己15煤层中以草本植物为主。庚20煤层中底部以草本植物为主，顶部以木本植物为主。OI反映研究区域煤层均属于还原环境，但还原程度存在一定的差异。
综合不同煤相参数将研究区域煤相划分为：A-较浅水覆水森林沼泽相;B-湿地草本沼泽相;C-弱覆水湿地草本沼泽相;D-潮湿森林沼泽相;E-低位沼泽相五种类型。煤相演化过程如图7b所示，庚20煤层由湿地草本沼泽转变为低位沼泽再转变为较浅覆水森林沼泽，煤相指标反映出成煤时期该煤层由于水进造成水位由下至上逐渐变深，植物由草本逐渐转变为木本植物，这与生态学中所提到的水生演替序列基本一致。己15煤层为从底部湿地草本沼泽向上转变为弱覆水湿地草本沼泽，覆水程度自下而上降低，煤相指标显示从底部到顶部表现出了一个水退的过程，但整体环境相对稳定并未发生较大变化，所得结果与陈洪伟对平煤八矿己组煤分析结果基本一致[28]，这也与对该煤层沉积在潮坪浅水稳定环境的沉积背景一致[22]。
图7 研究区煤层垂向煤相演化过程
Fig.7 The vertical coal facies evolution of the coal seam in the study area
戊8煤层经历了从湿地草本沼泽到潮湿森林沼泽再转变回湿地草本沼泽最后形成较浅水覆水沼泽等4个沉积阶段，煤相分析显示出该煤层形成环境具有周期性，这与李天宇[19]所得出的下石盒子组时期发生多次水体进退，沉积环境具有旋回性的研究成果一致。
4 结 论
1)平顶山煤田庚20煤层以镜质组为主要成分，显微煤岩组成较为均一；己15煤层以惰质组为主，镜质组含量自下而上逐渐减少；戊8煤层以镜质组为主要成分，镜质组含量自下而上呈上升趋势。矿物以黏土矿物为主，其次为黄铁矿。不同层位显微组分的不同主要原因是不同层位的沉积环境发生了变化。
2)F/M指数显示较浅水覆水森林沼泽和潮湿森林沼泽相为滞留环境；湿地草本沼泽相、弱覆水湿地草本沼泽相和低位沼泽相为活水环境。OI指数反应了该地区环境均为还原环境，但还原程度有一定差异。V/I指数反应较浅水覆水森林沼泽相和低位沼泽相为强覆水环境；湿地草本沼泽相和潮湿森林沼泽相为极潮湿-覆水环境，弱覆水湿地草本沼泽相为潮湿-弱覆水环境。
3)综合多种煤相指标将平顶山煤田主采煤层煤相划分为5种类型。庚20煤层沉积期经历了由湿地草本沼泽到低位沼泽再转换为较浅水覆水森林沼泽；己15煤层由底部湿地草本沼泽变为中上部弱覆水湿地草本沼泽；戊8煤层从底部的湿地草本沼泽转变为潮湿森林沼泽，后转变为湿地草本沼泽，最终转化为较浅水覆水森林沼泽。
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