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煤中硫的赋存特点及成因研究是重建古环境的重要依据,而现代泥炭沼泽中硫分特征又可反映古代煤在泥炭化阶段硫的聚集过程。本文以滨海红树林泥炭、山间盆地淡水泥炭与乐平煤为研究对象,通过煤及泥炭中硫的对比研究,综合运用煤岩学、煤化学、有机地球化学、元素地球化学、沉积学等方面的方法与手段,研究了煤中硫的形成与分布,系统地总结了各种形态硫在煤剖面与泥炭剖面中的变化;分析了黄铁矿、各形态硫的同位素在煤及泥炭中的赋存特征及其差异;剖析了乐平煤中硫的成因控制因素;探讨了海相煤中硫的聚积过程并提出了成因模式。取得了如下主要成果:
1.通过样品的化学实验分析表明,滨海红树林沉积物和泥炭中的硫以硫化铁硫为主,有机硫次之,硫酸盐硫含量最低。淡水泥炭以硫酸盐硫为主,有机硫次之,硫化铁硫含量最低。滨海红树林泥炭沉积物中硫的赋存形式和特点与沉积环境以及有机质供应密切相关。其中高硫泥炭中有机质含量丰富,有机硫与有机质存在一定的线性关系,硫化铁硫与有机质无相关性;低硫泥炭中有机质含量较低,有机硫与有机质无相关性,而硫化铁硫与有机质含量关系密切。此外,处于泥炭坪静水环境的泥炭沉积物,其硫含量明显比潮道附近或潮道环境的高。煤质资料分析结果表明,乐平煤为受海水影响的海相煤,煤中硫含量普遍较高,以黄铁矿为主。乐平煤从下到上分为A煤组,B煤组和C煤姐,其中,A煤组为淡水沉积环境,硫含量较低,总硫含量一般不超过2%;B煤组和C煤组为海水环境,硫含量普遍较高,B煤组总硫含量平均3.73%,C煤组更高,平均为6.20%。从下到上,各煤层受海水影响程度逐渐增高,硫含量也随之增高。
2.显微分析表明,乐平煤中以多形态形式产生的黄铁矿主要分布于镜质组的基质镜质体、均质镜质体,以及壳质组的树皮体、孢子体中,惰质组中黄铁矿含量极少。煤中赋存的黄铁矿和现代滨海红树林泥炭地沉积物中的黄铁矿的类型和形态比较接近。所不同的是,与泥炭相比,煤中黄铁矿赋存形式更为复杂,样式更多。滨海红树林泥炭中黄铁矿主要以莓球状、晶粒状为主,偶见团块状黄铁矿,而交代状、充填状黄铁矿很少,无裂隙状黄铁矿。乐平煤中黄铁矿除莓球状、晶粒状外,团块状黄铁矿也比较常见,偶见交代状、充填状黄铁矿,裂隙状黄铁矿极少,一般在低硫煤中才可发现。
3.同位素测试结果表明:滨海红树林泥炭中的硫化铁硫δ34S值变化范围在-23.04‰CDT~-4.01‰CDT之间,平均为-14.28‰CDT,硫酸盐硫δ34 S值为-18.57‰CDT~+8.95‰CDT,平均.1.24‰CDT。从剖面上看,浅层泥炭中的硫化铁硫δ34S值要比深部泥炭的高,从上到下,整体递增,而硫酸盐硫则相反。中甸的淡水泥炭中硫化铁硫δ34 S值为-10.66‰CDT~-1.76‰CDT,平均-5.40‰CDT,硫酸盐硫δ34 S值为-13.85‰CDT~+31.27‰CDT,平均-0.44‰CDT。而腾冲的淡水泥炭硫化铁硫与硫酸盐硫的δ34 S值均偏正值,分别为+5.27‰CDT和+7.76‰CDT,这一特殊现象可能与黄铁矿以及硫酸盐矿物形成的时间和模式有关,腾冲地区的泥炭中的黄铁矿可能是后期形成。整体而言,海水泥炭中的各形态硫的δ34 S值均比淡水泥炭的低。而且不管是海水泥炭还是淡水泥炭,硫化铁硫均比硫酸盐硫的低得多,且两者均偏负值。乐平煤中硫化铁硫δ34 S值变化范围为-15.39‰CDT~+1.15‰CDT,平均-8.85‰CDT。整体而言,硫化铁硫δ34 S值越小,硫含量越高,反之亦然。如δ34 S值最低的样品出现在硫含量最高的801井C8煤层,最高的样品则出现在硫含量最低的丰城尚庄煤矿B4煤层。
4.煤中硫的富集受多种地质因素的影响,其中硫源为首要因素。而硫源能否在沉积物中富集或者在各形态硫的分配形式,主要取决于沉积物的微环境以及原始质料。因此,沉积物的微环境与原始质料是控制煤中硫富集程度的两大主要因素。煤中硫的聚积从泥炭化阶段开始,到成岩阶段甚至变质阶段才最终定型。而不同阶段形成的形态硫也存在一定差异,早期生成的黄铁矿颗粒较小,分布较散。随着成岩作用不断进行,泥炭化程度不断提高,后期生成的黄铁矿团块较大,类型更复杂。后期生成的有机硫结构比早期稳定。