鄂尔多斯盆地彬长矿区含H<sub>2</sub>S煤层沉积环境特征及成因分析

张静非; 赵继展; 陈冬冬; 李树刚; 林海飞

doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2019.08.003

天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 1: 100 - 109

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2019.08.003

非常规天然气

鄂尔多斯盆地彬长矿区含H₂S煤层沉积环境特征及成因分析

张静非 ^,¹ ,
赵继展 ¹ ,
陈冬冬 ¹ ,
李树刚 ² ,
林海飞 ²

展开

^1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077
^2. 西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054

张静非（1993-），男，甘肃陇南人，实习研究员，硕士，主要从事矿井瓦斯与硫化氢灾害防治研究.E-mail：782356383@qq.com.

收稿日期: 2019-07-09

修回日期: 2019-08-06

网络出版日期: 2020-01-09

收起

Sedimentary environment characteristics and genesis of H₂S-bearing coal seam in Binchang mining area, Ordos Basin

Jing-fei ZHANG ^,¹ ,
Ji-zhan ZHAO ¹ ,
Dong-dong CHEN ¹ ,
Shu-gang LI ² ,
Hai-fei LIN ²

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^1. Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation, Xi’an 710077，China
^2. School of Safety Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China

Received date: 2019-07-09

Revised date: 2019-08-06

Online published: 2020-01-09

Supported by

the Fundamental Research of Scientific Instrument of the National Natural Science Foundation of China(51327007)

The National Natural Science Foundation of China(51504189)

The Science and Technology Innovation Fund Projects of Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation(2017XAYZD06)

Fold

本文亮点

为了探讨含H₂S煤层沉积环境特征，以彬长矿区小庄矿延安组4^#煤层为研究对象，借助X⁃射线衍射仪、液晶库伦定硫仪、X⁃射线荧光光谱仪、等离子体质谱分析仪、稳定同位素质谱仪等实验仪器，从煤层显微组分、矿物组分、煤体孔隙及吸附特征、古盐度、沉积环境氧化还原性、水动力学表征指数、同位素特征及煤层热演化史等方面，对该区域煤层沉积环境特征进行了研究，并明确了煤层H₂S的成因类型。研究结果表明：①研究区地质构造简单，井田中心带的南玉子向斜对H₂S的富集有一定影响，且煤层顶底板岩性以泥岩为主，透气透水性差，对H₂S富集起到封堵作用；②4^#煤层富含有机质（植物化石）、碳酸盐矿物，地层古盐度Sr/Ba值较小（<0.5），沉积环境表征（U/Th值、Cu/Zn值以及还原性指数K）为厌氧—弱还原性，以上条件为该区域煤层H₂S的生成提供了原料和环境基础；③煤层黄铁矿δ³⁴S值（ $-$ 9‰~ $-$ 0.6‰）偏负、甲烷δ¹³C₁值偏低（< $-$ 55‰），煤层热演化温度（96~113 °C）低于120 °C，综合得到研究区成因类型以生物硫酸盐还原成因（BSR）为主。

本文引用格式

张静非 , 赵继展 , 陈冬冬 , 李树刚 , 林海飞 . 鄂尔多斯盆地彬长矿区含H₂S煤层沉积环境特征及成因分析[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(1) : 100 -109 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.08.003

Highlights

In order to study the sedimentary environment characteristics of H₂S-bearing coal seam, taking 4^#coal seam of Yan’an Formation in Xiaozhuang mine, Bingchang mining area as a research object. With the help of X-ray diffractometer, liquid crystal coulomb sulfur analyzer, X-ray fluorescence spectrometer, plasma mass spectrometry, stable isotope mass spetrometer and other experimental instruments, the sedimentary environment characteristics of the study area were studied, and the genesis type of H₂S was defined, in the aspect of the coal maceral, mineral composition, salinity, oxidation reduction and water dynamic characterization of index, the sedimentary environment isotope and thermal evolution history of coal seam. The research results show that: (1) the geological structure of the study area is simple, and the Nanyuzi syncline in the central belt of the wellfield has a certain impact on the enrichment of H₂S. In addition, the lithology of the top and bottom of the reservoir is dominated by mudstone with poor permeability and water permeability, which plays a plugging role in the enrichment of H₂S. (2) No.4 coal seam is rich in organic matter (plant fossils) and carbonate minerals. The paleosalinity index Sr/Ba value of the strata is small (<0.5). (3) The δ³⁴S value of coal pyrite is negative (from -9‰ to -0.6‰), while the methane δ¹³C₁ value is negative (<-55‰)，the thermal evolution of coal seam temperature (96 ℃ to 113 ℃) below 120 ℃, therefore, the study area is dominated by biological sulfate reduction (BSR).

0 引言

随着煤炭开采深度及广度的不断扩大，煤层构造及沉积环境越显复杂，煤层中异常富集的H₂S气体对煤矿的生产造成较多不利影响。近年来，新疆阜康矿区、陕西彬长矿区、铜川崔家沟煤矿、内蒙古乌达矿区以及山西部分地区的煤矿都不同程度受到了H₂S的威胁^[1]，对含H₂S煤层沉积环境特征及成因分析的研究具有重要意义^[2,3]。

众多专家学者从煤层异常地质构造^[4]、沉积环境^[5]、同位素特征、矿物组分特征^[6,7]等方面对H₂S的生成、富集及异常涌出规律进行了深入研究。煤层H₂S由含硫矿物及有机质在一定条件下发生还原作用而得，因此杨曙光等^[8]基于灰成分指数（AI）表征法，探究了煤层沉积环境的还原性强弱程度；傅雪海等^[9]通过分析枣庄八一煤矿异常地质因素，得出该区域H₂S异常为岩浆岩热力作用的结果；汤达祯等^[10]以华北晚古生代成煤环境为研究对象，探究了不同成煤阶段生成的H₂S与含硫矿物含量的相关性；罗陨飞等^[11]则通过探究煤层沉积环境的硫同位素特征，发现生物硫酸盐还原作用（BSR）下产生的黄铁矿以及H₂S的δ³⁴S平均值为负值，其中黄铁矿的δ³⁴S值常被用作鉴别煤层H₂S气体成因的重要指标之一。

可见对含H₂S煤层沉积环境特征进行系统分析有助于揭示H₂S的富集规律与成因类型。本文以彬长矿区小庄矿延安组4^#煤层为研究对象开展研究，该煤层含硫量较低（不超过0.9%），属低含硫煤层。工作面采掘过程中发生了H₂S异常涌出的现象，最大涌出浓度为15×10^-6。本文基于研究区地质背景，通过煤层有机显微组分、矿物组分、煤层吸附及孔隙特征、古盐度、沉积环境氧化还原性、水动力学条件及同位素特征等分析煤层沉积环境特征，并明确研究区煤层H₂S成因类型。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地南缘彬长矿区划属华北地台区鄂尔多斯盆地分区。侏罗系中统延安组为该矿区主要含煤地层，其中延安组下部4^#煤层分布稳定，煤层厚度大，为主要采煤层，属湖泊、河流、三角洲环境下的陆源碎屑岩地层，富含石膏矿物与黄铁矿，顶、底板以泥岩为主，渗透性差，煤体直接充水层埋藏深并且含水层的封闭性良好，导水性较弱，以上这种地质环境为H₂S的生成和富集提供了有利基础。

在延安组沉积时期，煤层地质条件稳定，厚度大，有利于H₂S等气体的生成与保存；随着地质演化过程加剧（图1），燕山运动致使延安组煤系地层遭受严重剥蚀，封存在煤体中的H₂S大量散逸，这也是造成该区域实际H₂S浓度较低的原因之一。

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图1 彬长矿区地质构造与延安组柱状图

Fig.1 Geological structure and Yan'an Formation histogram of Binchang mining area

本文分析以小庄矿延安组4^#煤层为研究对象，整体构造简单，埋深在350~850 m之间，煤系地层绝对温度范围为16~39 °C；南玉子向斜处于井田聚煤中心，轴部应力集中，受该褶曲构造扰动作用，造成此处透气性较差，有利于H₂S的富集（图1）。

2 样品测试及结果

彬长矿区小庄矿主采4^#煤层，为探究含H₂S煤层的沉积环境特征及成因，选取具备条件的40202工作面为取样区域，在回风巷一侧，间隔50 m采集煤样及气样（顺煤层打钻取样），为保证数据论述具有一致性，选取8组典型煤样，所有后续测试分析均采用该序列样品。实验借助X⁃射线衍射仪、液晶库伦定硫仪、X⁃射线荧光光谱仪、等离子体质谱分析仪、稳定同位素质谱仪等仪器对样品进行了分析。样品的煤岩/煤质特征测试数据如表1所示，样品的微量元素及同位素测试结果如表2所示，孔隙及吸附特征如表3所示。其中，表1的煤岩及煤质特征参数、表3的吸附及孔隙特征参数、表2的微量元素及同位素测试参数（除甲烷δ¹³C外），采用煤样测试分析，甲烷δ¹³C采用气样进行测试分析；文中H₂S浓度采用在线H₂S浓度快速探测仪进行监测，来源于样品点煤层瓦斯；孔隙度通过测定煤体真密度及视密度继而计算而来；吸附常数采用等温吸附实验获得；分形维数通过低温氮吸附实验并采用FHH分形模型得出。

表1 4^#煤的煤岩及煤质特征测试结果

Table 1 Test results of coal rock and coal quality characteristics of No. 4 coal seam

样品编号	H₂S浓度/10^-6	煤灰成分/%					显微组分/%			镜质体最大反射率/%	全硫 S_t,ad/%	形态硫/%
样品编号	H₂S浓度/10^-6	Fe₂O₃	SiO₂	Al₂O₃	MgO	CaO	镜质组含量	惰质组含量	壳质组含量	镜质体最大反射率/%	全硫 S_t,ad/%	S_s,ad	S_p,ad	S_o,ad
XZ-1	6	5.32	39.17	30.39	2.13	16.67	37.2	46.1	8.4	0.639	0.88	0.03	0.62	0.23
XZ-2	4	5.07	36.52	28.87	1.09	16.4	39.5	43.8	8.3	0.644	0.46	0.02	0.29	0.15
XZ-3	3.5	6.12	45.77	22.67	0.97	16.29	39.4	45.7	7.9	0.642	0.41	0.03	0.26	0.12
XZ-4	3	6.34	47.16	20.69	2.54	12.9	37.1	45.6	8.5	0.692	0.37	0.02	0.24	0.11
XZ-5	2	7.33	51.43	19.81	3.1	11.88	40.5	43.2	8.2	0.696	0.33	0.03	0.22	0.08
XZ-6	1	6.45	49.17	19.97	2.8	11.99	40.2	41.5	9.3	0.705	0.32	0.02	0.21	0.1
XZ-7	0.88	7.84	48.12	28.51	1.54	13.38	38.8	42.2	10.9	0.712	0.28	0.02	0.17	0.09
XZ-8	0.8	6.01	53.48	21.17	3.01	12.33	38.6	44.7	8.1	0.728	0.21	0.02	0.11	0.08

表2 4^#煤层微量元素及同位素测试结果

Table 2 Trace elements and isotope test results of No. 4 coal seam

编号	XZ-1	XZ-2	XZ-3	XZ-4	XZ-5	XZ-6	XZ-7	XZ-8
H₂S浓度/10^-6	6	4	3.5	3	2	1	0.88	0.8
Sr/%	73.2	83.6	73.8	65.5	78.12	72.27	83.52	68.82
Ba/%	610	380	180	131	651	219	174	186
U/%	1.31	1.22	1.61	1.33	1.01	1.72	1.14	1.43
Th/%	1.64	1.61	1.29	1.32	0.71	1.25	0.84	1.63
Cu/%	51.12	43.54	50.42	45.41	44.33	56.86	40.97	55.62
Zn/%	150.35	136.06	458.36	162.18	164.19	406.14	186.23	292.74
氧元素含量（O）/%	13.8	15.7	12.6	12.5	12.8	11.2	11.8	10.3
氢元素含量（H）/%	3.7	4.6	4.1	5.2	5.2	4.4	6.2	7.2
黄铁矿(δ³⁴S)/‰	$-$ 6.7	$-$ 3.2	$-$ 9	$-$ 1.2	$-$ 0.8	$-$ 0.6	$-$ 4	$-$ 5.1
甲烷(δ¹³C)/‰	$-$ 80.6	$-$ 70.1	$-$ 69.1	$-$ 73.14	$-$ 75.3	$-$ 69.6	$-$ 71.1	$-$ 73.1

注：甲烷δ¹³C值采集样品编号为XZ⁃a—XZ⁃h，其余测试均采用煤样进行实验分析

表3 4^#煤层吸附及孔隙特征参数测试分析结果

Table 3 Adsorption and pore characteristics of No.4 coal seam in Binchang mining area on the southern margin of Ordos Basin

编号	H₂S浓度 /10^-6	吸附常数	孔隙率 (P)/%	BET比表面积/（m²/g）	平均孔隙直径/nm	BJH孔隙体积/（10^-4cm³/g）	分形维数(D)	镜质体最大反射率/%
XZ-1	6
XZ-2	4
XZ-3	3.5
XZ-4	3
XZ-5	2
XZ-6	1
XZ-7	0.88
XZ-8	0.8

3 结果分析与讨论

3.1　显微组分特征

4^#煤层中有机质显微组分整体含量高，测试样品中，镜质组含量分布于37.1%~40.5%之间，平均值为39.9%；惰质组含量占比较大，分布于41.5%~46.1%之间，平均值为44.1%；壳质组处于7.9%~10.9%之间，平均值为8.7%。所测样品中，惰质组占比最高，壳质组含量最低，具有显著的富惰性，如图2所示，根据相关学者研究，富惰质组是西北地区侏罗系煤层较为典型的煤岩特征^[12]，反映出一种氧化性较弱的湖泊、河流、三角洲沉积环境，一般受海水侵蚀较少；同时，镜质组含量不高，在成煤阶段凝胶化作用不明显，沉积环境相对稳定，对该区域形成厚煤层及硫化氢的保存是有利的。

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图2 4^#煤层有机显微组分分布特征

Fig.2 Distribution diagram of organic maceral in No. 4 coal seam

3.2　煤体吸附及孔隙特征

通过实验分析（表3），延安组4^#煤层镜质体最大反射率处于0.639%~0.728%之间，变质程度为Ⅱ级，煤质以低变质程度的弱黏煤和不黏煤为主；取样点煤层H₂S浓度变化范围处于（0.8~6）×10^-6之间，其对应吸附常数、孔隙率、BET比表面积以及孔隙分形维数变化量分别为28.8~36.2、2.33%~2.67%、0.412 5~0.986 4 m²/g、2.42~2.65；而平均孔隙直径变化范围为8.456 0~13.538 9 nm。分形维数越大，表明煤体孔隙类型越复杂，随着煤体孔隙及比表面积的增大，吸附性能也随之增大，导致该区域聚集H₂S气体的可能性也有所提高。

3.3　矿物组分特征

4^#煤层具有H₂S异常富集的现象，含硫矿物对该研究区沉积环境特征的分析具有重要意义。与H₂S生成相关的含硫矿物主要为硫酸盐矿物及硫化铁矿物，研究区中硫酸盐矿物主要以石膏为主，另含有微量的硫酸钡等；硫化铁矿物主要以黄铁矿为主，其生成与生物硫酸盐还原作用（BSR）有直接关系。

如图3所示，经过测定采集样品的矿物组分（XRD），4组采集煤样的XRD图谱具备相似性，统计分析结果如表4所示。

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图3 X⁃射线衍射图谱

Fig.3 X-ray diffraction pattern

表4 XRD图谱矿物分析

Table 4 Mineral analysis by XRD

矿物名称	峰值
黄铁矿	28.56°（中等峰）、33.16°（弱峰）等
石膏矿物	14.67°（弱峰）、54.77°（弱峰）等
石英	21.11°（强峰）、26.70°（强峰）、46.11°（弱峰）等
方解石	48.11°（弱峰）

煤系地层中富含的Fe³⁺离子主要以Fe(OH)₃胶体溶液形式存在，地质演化过程中被带出沉积地层，Fe³⁺离子与腐殖酸(HA)反应而得的络合产物会进入含煤地层，在此过程中Fe³⁺离子被还原为Fe²⁺离子^[13]；与生物硫酸盐还原作用（BSR）产生的H₂S气体反应生成水陨硫铁（FeS·nH₂O），进而再次经过复杂反应转变为黄铁矿（FeS₂）。

石膏作为煤体中最常见的硫酸盐矿物，在煤层中一般含量较少，主要赋存于煤体裂隙或者含水层中，能够适度解离为H₂S生成提供SO₄ ^2-。

方解石作为煤体中常见的碳酸盐矿物，常常和石膏共生，这是由于石膏矿物中的硫酸根离子会参与进H₂S的生成反应进而产生碳酸钙（方解石），所以研究区4^#煤层中方解石与石膏矿物常常夹杂在一起。

进一步通过形态硫分析不同含硫矿物组分特征可知（图4），煤样形态硫以硫化铁硫（主要为黄铁矿）为主，取样点H₂S浓度与煤体硫化铁硫含量具备正相关关系，硫化铁硫含量分布于0.11%~0.62%之间；有机硫含量变化规律类似，最大值为0.23%；硫酸盐硫（主要为石膏矿物）含量稳定在0.2%~0.3%之间。煤层中黄铁矿的生成与富集需要3个条件：硫酸盐硫（提供原料）、有利于还原菌活动的沉积环境以及维持硫酸盐还原菌生成的有机质与活性铁离子的供给。生成黄铁矿的同时也会得到大量有机硫，而以上条件与生物硫酸盐还原作用（BSR）反应机理最为贴切，因此煤层黄铁矿与有机硫含量偏大是生物硫酸盐还原作用（BSR）的重要特征之一^[14]。

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图4 样品形态硫分布特征

Fig.4 Morphological sulfur distribution characteristics of samples

3.4　古盐度特征

古盐度特征值常作为区分海相与陆相沉积环境的重要指标之一，Sr/Ba值可以反映沉积环境的古盐度大小。根据相关学者研究发现，Sr/Ba值与古盐度具有显著的正相关性。当Sr/Ba值大于1时，为海相沉积；Sr/Ba值处于0.5~1之间，为海陆交汇相沉积；Sr/Ba值小于0.5时，为陆相沉积^[15,16]。根据表2采集样品元素分析计算得到图5。

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图5 4^#煤层沉积环境古盐度分布

Fig.5 Paleosalinity distribution of No.4 coal seam sedimentary environment

由图5可知，延安组4^#煤层Sr/Ba值基本低于（或等于）0.5，盐度较小，说明该区域为陆相沉积环境，主要发育湖泊相地层。鄂尔多斯盆地延安组作为陆源碎屑岩地层，受海水侵蚀少，造成了古盐度较小的情况。

钡元素易与水体中的SO₄ ^2-反应生成硫酸钡（重晶石）。由于钡元素的离子半径大，水合能小，会被黏土矿物吸附，延安组4^#煤层作为陆相沉积环境，比海相和海陆过渡相黏土矿物含量高，造成研究区钡元素富集，Sr/Ba值较低。

在该研究区沉积时期，古生产力较高，BaSO₄大量溶解，SO₄ ^2-离子中可能会有一部分参与进H₂S生成的反应中，由于陆相沉积环境产生的H₂S气体远低于海相沉积环境，造成了研究区4^#煤层H₂S浓度并不高。

3.5　沉积环境氧化还原特征

煤层沉积环境的还原性特征对分析H₂S的产生机理有重要作用，这是因为从煤层H₂S成气模式可以看出，H₂S的产生本质上均属于还原反应，即SO₄ ^2-得到电子经过一系列复杂的物化反应生成H₂S。

分析煤层沉积环境氧化还原性的指标主要有U/Th值、Cu/Zn值以及还原性指数K等，其大小均可以反映沉积环境氧化还原条件，选择不同指标进行对比分析能够更好保证结果准确性。

灰成分指数（AI）以及还原性指数（K）计算的经验公式为式（1）、式（2）。

A I = F e 2 O 3 + M g O + C a O S i O 2 + A l 2 O 3

（1）

K = I % × 0.8 + O % - A I - H % × 2

（2）

式中:I%为煤体惰质组含量；O%为氧含量；H%为氢含量；根据表1、表2测试结果计算可得表5，其中样品灰成分指数AI与还原性指数K分别介于0.286~0.347、3.1~8.5之间，数值偏小，呈现弱还原特性。

表5 煤层沉积环境氧化还原特征参数

Table 5 Analysis on the characteristic value of redox of coal seam sedimentary environment

序号	灰成分指数(AI)	U/Th值	Cu/Zn值	还原性指数(K)
XZ-1	0.347	0.8	0.34	8.5
XZ-2	0.345	0.76	0.32	7.1
XZ-3	0.342	1.25	0.11	6.8
XZ-4	0.321	1.01	0.28	6.4
XZ-5	0.313	1.42	0.27	5.7
XZ-6	0.307	1.38	0.14	4.7
XZ-7	0.297	1.36	0.22	3.4
XZ-8	0.286	0.88	0.19	3.1

U/Th值能够反映煤层沉积环境水体的氧化还原性，从表5数据可以看出，U/Th值分布于0.8~1.42之间，根据前人研究得到当U/Th值大于1.25时，呈现厌氧特性；当其处于0.75~1.25时，呈现贫氧特性^[17]。因此，可以得出4^#煤层沉积环境为厌氧—贫氧过渡特性。

在古煤体环境发生物化反应过程中，Cu、Zn作为铜族元素会发生差异性分离，导致水介质氧逸度发生差别，形成随介质氧逸度的降低由Cu富集向Zn富集过渡的差异性沉积分带，由此可分析煤体沉积环境的氧化还原特征。从表5中看出，Cu/Zn值介于0.11~0.34之间，当Cu/Zn值小于0.21时，表征为厌氧环境；当其处于0.21~0.38之间时，表征为弱还原性环境^[18]。

综合U/Th值、Cu/Zn值以及还原性指数K等指标数据可知，研究区延安组4^#煤层为厌氧—弱还原性沉积环境，厌氧条件有利于生物硫酸盐还原菌（SRB）大量生存与繁殖，而弱还原性条件对H₂S的生成起到正向推动作用。

3.6　水动力学特征

煤层沉积环境的水动力学参数可以反映含水层及地层水流的运动特征，对于4^#煤层H₂S的溶解、散逸及运移有重要作用。常以煤的酸碱指数（AAI）、盐度指数（SI）以及滞留指数（RI）作为分析指标^[19]，计算公式如式（3）、式（4）、式（5）所示，根据表1实验测定得到表6。

A A I = S i O 2 + A l 2 O 3 M g O + C a O

（3）

S I = M g O + C a O F e 2 O 3 + S i O 2 + A l 2 O 3

（4）

R I = F e 2 O 3 + S t, d S i O 2 + A l 2 O 3 + M g O + C a O

（5）

表6 4^#煤层水动力学特征参数

Table 6 Hydrodynamic characteristic parameters of No.4 coal seam

序号	酸碱指数（AAI）	盐度指数（SI）	滞留指数（RI）
XZ-1	3.700	0.251	0.070
XZ-2	3.739	0.248	0.067
XZ-3	3.965	0.231	0.076
XZ-4	4.394	0.208	0.081
XZ-5	4.756	0.191	0.089
XZ-6	4.675	0.196	0.081
XZ-7	5.136	0.177	0.089
XZ-8	4.866	0.190	0.069

由表6可以得出，煤体H₂S体积浓度与全硫含量成正相关关系，当H₂S体积浓度变化范围为（0.8~6）×10^-6，对应全硫含量变化范围为0.21%~0.88%。

酸碱指数（AAI）可以表征沉积环境水体的酸碱性大小，其数值与水体酸度具备成正相关关系。从表6,图6中可以看到，水体酸碱指数（AAI）较低（≤5.136），呈碱性水体环境，这是由于煤层生成H₂S同时会产生CaCO₃，在碱性的水体环境更有利于硫酸盐还原菌（SRB）生存，对H₂S的生成较为有利。

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图6 水动力学指数三维标示图

Fig.6 Three-dimensional plot of hydrodynamic index

实验发现4^#煤层水体盐度指数分布在0.177~0.251之间，滞留指数分布在0.069~0.089之间（图6），呈现出盐度指数、滞留指数均偏高的环境条件，造成了水体盐度大且水动力学条件较低，有利于硫酸盐还原菌（SRB）生存与繁殖，对H₂S的生成有重要作用。

基于以上分析可知，由于4^#煤层水体酸碱指数较小、盐度指数和滞留指数偏高，造成了煤层沉积环境以还原性条件为主（中等程度），对H₂S的产生起到了正向推动作用；同时在成煤阶段，研究区沉积环境水面抬升，外部的矿物质尤其是Fe元素的加入会产生黄铁矿，这也是研究区煤层黄铁矿大量富集的重要原因之一^[20]。

3.7　同位素特征

同位素特征是分析煤层地球化学特性的重要指标，对于含H₂S煤层而言，分析含硫矿物及甲烷碳同位素可确定H₂S、甲烷等煤层气体的成因类型。一般生物硫酸盐还原作用（BSR）的含H₂S煤层中，黄铁矿的δ³⁴S平均值为负值；CH₄碳同位素值偏低表明甲烷具有生物成因特征^[21,22]。小庄矿4^#煤层黄铁矿与CH₄气体同位素测试数据如表2所示。

煤层中黄铁矿δ³⁴S值分布于

-

9‰~

-

0.6‰之间，数值基本偏向于负值，是生物硫酸盐还原作用（BSR）的典型特征之一。煤层中的硫酸盐被还原为H₂S时，S—O键断裂速率的不同会使硫同位素产生差异性分馏，由于³⁴S比³²S性质活泼，³⁴S—O形成的键更为牢固，破坏它所需的能量也越高，在硫酸盐还原菌（SRB）的催化作用下，³⁴S与氢离子形成的一部分H₂S会继续参与后续反应形成黄铁矿，造成³⁴S亏损较大，分馏值较小，形成的黄铁矿δ³⁴S值普遍偏负，这是H₂S生物硫酸盐还原作用（BSR）的典型特征之一。

在学术界普遍将

-

55‰作为生物成因气与热成因气的分界值^[23]，而甲烷δ¹³C₁数值介于

-

80.6‰~

-

69.1‰之间，普遍偏低，呈现出生物成因气特征。

由于燕山运动致使延安组煤系地层遭受严重剥蚀和抬升，且4^#煤层富含有机质、黄铁矿且生物硫酸盐还原作用显著（硫酸盐还原菌存在），样品镜质体最大反射率R _O _, _max值分布在0.639%~0.728%之间，以上现象均呈现出次生生物气成因现象；在这种沉积环境下，生物细菌在降解和代谢的过程中将煤层中的湿气和正烷烃还原转变为CH₄和CO₂，在这个进程中会导致¹³C₁值变低，甲烷δ¹³C₁数值偏负（低于

-

55‰）。

3.8　煤层热演化史

煤系地层的热演化史对于煤层H₂S、甲烷等气体的生成、富集与运移起着至关重要的作用。镜质体反射率作为煤层有机质成熟度表征指标之一，可用来推算含煤地层热演化温度。按GB/T—16773所述方法制备煤岩光片，通过显微镜测定样品最大镜质体反射率，并采用由BARKER等^[24]提出的温度推算公式（式6）进行煤层热演化温度推算，适用条件为：样品的R _O值处于0.2%~4.0%之间^[25]，且对应的T _max数值在25~325 °C的范围内，关系式如下：

L n R O = 0.007 8 T m a x - 1.2

（6）

如式(6)所示，T _max为最大热演化温度;R _O为镜质体反射率。根据表1实验测定结果可知，样品镜质体最大反射率R _O,max值处于0.639%~0.728%之间，由式（6）推算得到数据关系如图7所示。

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图7 4^#煤层热演化特征

Fig.7 Thermal evolution characteristics of No.4 coal seam

从图7看出，样品镜质体反射率与其对应点热演化温度具有正相关关系，对应的热演化温度处于96~113 °C之间（<120 °C），属于生物硫酸盐还原成因（BSR）作用范围^[26]。

4 成因分析

彬长矿区侏罗系延安组4^#煤层的H₂S富集、成藏不仅与研究区的多种地质构造有关，还与沉积环境特征等多方面因素密切相关。

地质构造方面，南玉子向斜处于井田聚煤中心，向斜轴核部应力集中，受到该褶曲构造扰动影响，导致此处的透气性变差，有利于H₂S气体的富集；煤层底板岩性虽以炭质泥岩或砂质泥岩为主，但渗透率低，透气性差，对硫化氢的生成保存有利。

煤系地层绝对温度范围为16~39 °C，宜于硫酸盐还原菌（SRB）生存，富含有机质、硫酸盐矿物，为H₂S的生成提供了原料基础；基于古盐度特征、水动力学特征、氧化还原特征、同位素特征以及热演化史等因素，4^#煤层呈现出一种厌氧—弱还原性沉积环境，对H₂S的生成起到了推动作用。种种现象均表明研究区H₂S成因类型以生物硫酸盐还原成因（BSR）为主。化学成因机理如式（7）所示。

∑CH[或C]+CaSO₄→（硫酸盐还原菌SRB）CaCO₃+H₂S↑+H₂O （7）

但生物成因的H₂S产气量一般较低，对沉积环境要求严格，从硫酸盐转变为H₂S的过程转化率较低，导致4^#煤层采掘过程中H₂S浓度并不高。

5 结论

（1）4^#煤层有机质显微组分呈现出富惰性，惰质组含量分布于41.5%~46.1%之间，属于西北地区侏罗系煤层的典型煤岩特征；矿物组分及硫含量特征显示出高含硫化铁硫的特性，形态硫占比分布于0.11%~0.62%之间，主要以黄铁矿形式存在，常常作为H₂S生成的后续伴生产物之一。

（2）Sr/Ba值、U/Th值、Cu/Zn值、灰成分指数(AI)与还原性指数(K)分别介于0.12~0.37、0.8~1.42、0.11~0.34、0.286~0.347、3.1~8.5之间；水体酸碱指数（AAI）较小，盐度指数（SI）和滞留指数（RI）偏高；以上特征均表征出厌氧—弱还原性沉积条件，为H₂S的生成提供了基础沉积环境。

（3）煤层赋存黄铁矿硫同位素值偏负（-9‰~-0.6‰）、甲烷碳同位素值偏低（-80.6‰~-69.1‰），推算热演化温度为96~113 °C（低于120 °C临界温度），揭示出彬长矿区小庄矿4^#煤层H₂S成因类型以生物硫酸盐还原成因（BSR）为主；但由于生物硫酸盐还原作用（BSR）发生条件严格，且物化反应转化率低等因素，会普遍造成煤层富集H₂S浓度较低。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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Highlights

0 引言

1 区域地质背景

图1 彬长矿区地质构造与延安组柱状图

2 样品测试及结果

表1 4#煤的煤岩及煤质特征测试结果

表2 4#煤层微量元素及同位素测试结果

表3 4#煤层吸附及孔隙特征参数测试分析结果

3 结果分析与讨论

3.1 显微组分特征

图2 4#煤层有机显微组分分布特征

3.2 煤体吸附及孔隙特征

3.3 矿物组分特征

图3 X⁃射线衍射图谱

表4 XRD图谱矿物分析

图4 样品形态硫分布特征

3.4 古盐度特征

图5 4#煤层沉积环境古盐度分布

3.5 沉积环境氧化还原特征

表5 煤层沉积环境氧化还原特征参数

3.6 水动力学特征

表6 4#煤层水动力学特征参数

图6 水动力学指数三维标示图

3.7 同位素特征

3.8 煤层热演化史

图7 4#煤层热演化特征

4 成因分析

5 结论

参考文献

表1 4^#煤的煤岩及煤质特征测试结果

表2 4^#煤层微量元素及同位素测试结果

表3 4^#煤层吸附及孔隙特征参数测试分析结果

3.1　显微组分特征

图2 4^#煤层有机显微组分分布特征

3.2　煤体吸附及孔隙特征

3.3　矿物组分特征

3.4　古盐度特征

图5 4^#煤层沉积环境古盐度分布

3.5　沉积环境氧化还原特征

3.6　水动力学特征

表6 4^#煤层水动力学特征参数

3.7　同位素特征

3.8　煤层热演化史

图7 4^#煤层热演化特征