西山C—P煤系地层剖面

太原西山石炭～二叠纪煤系地层简介

西山煤田位于山西省中部，地跨太原市万柏林区、晋源区、古交市、清徐县、交城县、文水县。面积1898.4 平方公里，南北长约75 km，东西宽约20~50km，呈不规则长方形。该煤田包括古交（697 km2）、西山（223 km2）、清交（400 km2）和东社（533 km2）等4个矿区。资源量233.67亿吨，产量3158万吨，为肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤煤类。区内主要煤矿为西山煤电集团，产量占整个煤田的一半以上。西山煤田位于山西陆台中部，为一个两翼不对称的复式向斜构造。

太原西山石炭～二叠纪煤系地层标准剖面位于西山煤田西铭井田内，距太原市中心20km。地理坐标：北纬37°50′47″，东经112°23′15″。剖面全长2.44km。本区交通便利，经太（原）古（交）公路东可至太原市，西可抵古交市。区内最高点标高1440m，最低点标高1065m，最大相对高差375m。

华北石炭～二叠纪地层平行不整合于中奥陶统峰峰组之上，层序自下而上为：中石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二叠统山西组和下石盒子组、上二叠统上石盒子组和石千峰组。剖面上保留着丰富的沉积构造、生物化石等地质遗迹，它们反映了当时海陆变迁的沉积环境，并记录了该地区晚古生代的古地理、古气候、古生物、古构造以及成矿作用的地质信息。这些地质遗迹是自然宝库中极为稀少的、不可再生的无价资源，它在沉积学理论及成煤作用研究上均具重要的实际意义，是人类的宝贵遗产。

太原西山西铭矿～七里沟一带现场教学内容概述踏勘路线：学校步行→16路公交→斜坡再坐缆车→步行至西铭矿→七里沟→骆驼脖沟→原路返回观测内容：太原西山月门沟煤系，即华北地区C～P煤系地层标准剖面

No.1

点位：西铭矿机电科以西50米，电车道北侧。

点性：C2b／O2f地层接触关系以及C2b第一段的岩性、岩相特征。

内容：华北古生代地层特征。中奥陶世后，华北地区地壳整体抬升，成为陆地，遭受剥蚀，历经大约1.5亿年，致使缺失地层O3、S、D、C1，直到中石炭世才又复下沉，再度接受新的沉积。

奥陶系中统峰峰组O2f主要为灰色、深灰色厚层致密状石灰岩夹白云岩和薄层泥灰岩，顶部夹有两层石膏层，含动物化石头足类珠角石。由于长期风化剥蚀，O2f顶面形成凹凸不平的剥蚀面，非常明显，与上覆地层C2b呈平行不整合接触关系。

平行不整合接触关系特征：新老地层平行接触产状一致，但其间存在明显的剥蚀面，表明沉积有间断，地层有缺失，生物突变。平行不整合接触表明地壳发生了上升（剥蚀）、下降（沉积）的过程；其意义在于：有助于我们了解该地区地质构造运动的性质和时代，是划分地层、建立地层顺序的重要依据；同时，剥蚀面是地质发展阶段性的一个重要标志，它是个软弱带，成矿带，并且还是储油储水的良好场所。

上覆地层中石炭统本溪组C2b平行不整合于O2灰岩之上，根据沉积特征分为两段：下段—铁铝岩段，6～8米；上段—畔沟段，16米。铁铝岩段主要由红褐色、褐黄色的铁铝岩、浅灰白色的铝土岩、灰中带红色的铝土质页岩、细砂岩、粉砂岩和粘土矿物组成。

铁铝岩工业类型叫“山西式铁矿”，即褐铁矿，以窝状储存。黄褐色，形态为多孔状、块状或土状，硬度2～5，随含铁量多少以及风化程度而变化。褐铁矿含铁量较低，一般<30%。

铝土岩灰白色，鲕状、豆状结构。铝土岩能否成为工业矿床，需看Al2O3的含量，若Al2O3的含量大于40%，或者铝硅比值Al2O3/SiO2大于2.6，即可称为铝土矿。此处所见铝土矿俗称“G层铝土矿”。由上至下编号，ABCDEFG，此层为G层，故称“G层铝土矿”。

本溪组C2b沉积环境为滨海相、泻湖相，由于风化林滤作用，使Fe2O3、Al2O3富集，因其胶体带电，与海水发生化学反应，于是沉积下来，鲕状、豆状结构是受到波浪、潮汐的影响所致。

此段基本没有化石，至少说没有标准的海生生物化石。

No.2

点位：西铭矿仓库后边西北角。

点性：本溪组C2b上段—畔沟段的岩性及岩相特征。

内容；本段厚度16米。主要是一套由海陆交互相的砂岩、页岩、粉砂岩、煤层和灰岩组成的岩系，因为其中既有海生的、又有陆生的动植物化石，既有海相的、又有陆相的岩层故称海陆交互相；因其中含煤，所以称为煤系地层。畔沟段自下而上有灰岩三层，且每一层灰岩下面都有一层煤，这是太原西山月门沟煤系地层的特点。畔沟段煤层大多为薄煤层，达不到可采厚度。化石有脉羊齿、蜓类、腕足类、牙形刺等。沉积环境为沙坝—潮坪沉积。

No.3

点位：机房背后西侧山坡之上。

点性：上石炭统太原组C3t晋祠段的岩性及岩相特征。

内容：太原组C3t分为三段，晋祠段、毛儿沟段、东大窑段，厚度110米左右。晋祠段因晋祠砂岩发育而得名，厚25米，起于晋祠砂岩底面，止于西铭砂岩底面，整合接触于本溪组之上。本段岩性特征为一套海陆交互相沉积，由砂页岩、薄煤层和灰岩组成。晋祠砂岩是由石英、岩屑和火山凝灰物质组成，为一标志层，代号K1，意味关键层Key。

标志层是指煤系地层中那些岩性特殊、层位稳定、分布普遍、易于识别的煤岩层。其作用在于划分和对比地层，进一步可指导井下采煤。

吴家峪灰岩L0灰色，藕节状，其中含大量的蜓类化石—麦粒蜓，是太原组的下部化石带。L是石灰岩的英文名称的第一个字母的大写，Limestone。

太原组沉积环境为潮坪沉积，滨岸、海滨环境。

No.4

点位：位于No.3以西30米处。

点性：太原组毛儿沟段岩性及岩相特征。

内容：从西铭砂岩起，顶界止于七里沟砂岩K2底面，厚度40—50米，因毛儿沟灰岩发育而得名。主要岩性为砂岩、页岩、煤层、灰岩互层，三层灰岩含丰富的动物化石，蜓类主要有纺锤蜓、假希瓦格蜓、希瓦格蜓；牙形刺有隆脊曲颚齿刺、微小近颚齿刺；腕足类有网格长身贝属、戟贝、棘刺贝、太原府网格长身贝、巴甫洛夫唱贝等；植物化石有卵脉羊齿、镰脉羊齿等。毛儿沟段底界西铭砂岩，为灰色中粗粒石英砂岩，高岭土质胶结，其层面上可见波痕构造，波峰较缓，不对称，系干涉波痕，由两个方向的波浪叠加造成。

毛儿沟期为太原组沉积时海侵最广泛时期，故而海相灰岩发育，含煤性好。标志层自下而上有9#煤（八尺，全区可采）、8#煤（丈五，全区可采）、庙沟灰岩L1、毛儿沟灰岩L2、7#煤（下三尺，全区可采）、斜道灰岩L3、6#煤（七尺，局部可采）。

沉积环境为河口坝、远沙坝沉积，其特征是砂泥互层理频繁交替。

No.5

点位：七里沟煤窑废弃坑口北侧。

点性：庙沟灰岩L1、岩性特征。

内容：庙沟灰岩L1厚度2米，黑灰色、致密块状，含丰富的蜓类、腕足类化石；其下为8#丈五煤，是太原组主要可采煤层。灰岩沉积环境为—潮汐坪。

No.6

点位：距No.5点80米，沟北一侧。

点性：毛儿沟灰岩L2岩性。

内容：毛儿沟灰岩L2位于该段中部，是标志的海相层，灰色，致密块状，厚度8米左右，层位稳定，结构复杂，上下为灰岩，中间夹硅质岩，为沉凝灰岩。由火山灰等细粒物质经过搬运沉积而成。其节理发育，遇酸不起泡。镜下鉴定有火山结构，矿物颗粒呈弓状、弯钩状、骨针状，不同于石英类呈滚圆状、棱角状的特征。毛儿沟灰岩L2在太原地区比较稳定，代表海侵广泛，为浅海沉积；富含腕足类德比贝、蜓类等动物化石。

No.7

点位：No.6点30米处，沟北一侧。

点性：7#煤（下三尺）与斜道灰岩L3岩性特征。

内容：7#煤（下三尺）全区可采，为泥炭沼泽相沉积，其顶板为斜道灰岩L3，岩性特征为深灰色厚层状，富含腕足类、蜓类化石。沉积环境为前三角洲的前缘，浅海环境。

沿沟前行可见6#煤，局部可采。6#煤含硫较高，其底板为黑色泥页岩，顶板为七里沟砂岩K2。6#煤因风化，致使硫酸析出，呈黄色。

No.8

点位：骆驼脖沟，沟口东侧。

点性：太原组第三段东大窑段岩性特征。

内容：东大窑段起于七里沟砂岩K2底面，止于山西组底界北岔沟砂岩K3底面，厚度33米左右，因东大窑灰岩发育而得名。东大窑段沉积时，已接近晚石炭世海侵运动的尾声，海相层已不稳定，灰岩相变为页岩。主要岩性为砂岩、砂质泥岩、页岩、煤层互层。

七里沟砂岩K2，厚度18米，浅灰白色、灰白色，为含砾的中粗粒厚层状砂岩，由下而上颗粒变细，

主要成分石英、岩屑，胶结物CaCO3占15%左右；分选性中等，半滚圆状、次棱角状；具斜层理、交错层理，上界面平缓，下界面凸凹不平，之下是6#煤。七里沟砂岩沉积环境为三角洲相的分流河道，属于水上平原沉积，海侵时被淹没，海退时又露出水面，砂体不稳定，有的厚，有的薄，有的相变为页岩，由于河流分道，产生斜层理、交错层理。

No.9

点位：骆驼脖沟纵深100米，沟坡北侧。

点性：东大窑海相层L4岩性特征。

内容：东大窑期已接近晚石炭世海侵的尾声，沉积环境已不太稳定，在骆驼脖沟相变为海相页岩，厚约8米。沉积环境为泻湖相，还原、弱还原环境，含菱铁矿结核，夹灰岩透镜体。

在斜道沟东大窑处为浅海相石灰岩，故称东大窑灰岩L4。含丰富的海相动物化石，为太原组上部化石带，即假希瓦格蜓带，为C标准化石。

标准化石：在地质历史中，那些生存时间短，演化快，分布广，数量多，保存好的生物种属所形成的化石称之为标准化石；其用途作为划分与对比地层，进一步可研究生物演化史。

标准化石在时间分布上限于某一地质时段，在空间分布上达到广大地区。不标准的化石可作为辅助因素，来研究某一地质时期整个生物群的特征。

动物化石：腕足类—太原府长身贝、戟贝、网格长身贝、瓣腮、唱贝（分喙石燕）；

蜓科—假希瓦格蜓、希瓦格蜓、长似纺锤蜓等，肉眼可见，但确定属难。

植物化石：卵脉羊齿、编羊齿、丽羊齿等。

东大窑海相层下部为纸状页岩，无化石，再下为5#煤，不可采，本处没有出露。

煤层自燃现象

煤在常温下能吸附空气中的氧，并在煤的表面生成不稳定的氧化物，含氧官能团（－OH）羟基和（－COOH）羧基等，此时，氧化放热量很少，并能及时把热量散发掉，煤层温度并不升高，通常这一阶段称为潜伏期。经过潜伏期煤层的氧化速度加快，不稳定的氧化物先后分解成水、二氧化碳、一氧化碳，此时氧化放热加快，来不及放散热量煤温就逐渐升高，当达到350—400℃时，煤层就自己燃烧起来，进入第二阶段自燃期。从地表往下至一定深度（氧化带下限），当没有空气补给时，煤层燃烧就自行熄灭。由于热量烘烤，将周边的页岩、砂岩烧变成红色，故称烧变岩。由于氧化、自燃，煤层露头厚度变薄。

井下煤层自燃对煤矿的安全生产影响很大，堆放在地面的煤时间久了也会自燃，既浪费资源又污染空气，百害而无一利。所以，防止煤层自燃是一项重要的研究课题。

No.10

点位：同No.9

点性：山西组地层P1s结构。

内容：山西组地层起于北岔沟砂岩K3，止于下石盒子组骆驼脖砂岩K4底面，厚约26米，整合接触于C3t之上。山西组地层P1s结构是以过渡相为主的含煤岩系，主要有砂岩、粉砂岩、页岩、煤层，局部夹半咸水的页岩（泻湖、海湾相），有化石；其中3#（丈八煤）、2#（九尺炭）为主要可采煤层，二者都夹有1—2层夹石；4#不可采，以上三层煤含硫少，俗称香煤；1#（上三尺）局部可采。

山西组地层可分两个旋回：1.从北岔沟砂岩开始到冀家沟砂岩截止，称为下煤段，含有4#、3#、2#煤。北岔沟砂岩为细砂岩，厚1.5米，沉积环境为三角洲前缘沉积。下煤段含丰富的植物化石：三角织羊齿、编羊齿、多脉带羊齿、中国半轮叶等；动物化石有舌形贝、瓣腮、海扇、腹足类螺等，种属单调，数量贫乏，代表泻湖、海湾相沉积。2.冀家沟砂岩以上至骆驼脖砂岩K4以下为上煤段，含有1#煤（上三尺），局部可采。对面白色砂岩即为冀家沟砂岩，其下为2#煤。山西组已没有海相灰岩，这是区别太原组的特征。

下石盒子组P1x与山西组P1s呈整合接触，以骆驼脖砂岩开始，灰白色块状粗粒砂岩，为一套砂岩组，中间夹有薄层砂岩、黑色页岩，页岩中含植物化石。本组主要岩性为黄绿色、杏黄色、褐黄色的砂岩、粉砂岩和页岩，煤层多不可采。再往上为红黄色、紫色砂页岩互层，表明气候越来越炎热、干旱，已不适应造煤植物的生长，聚煤作用也逐渐终止。煤系地层上面为第四纪现代沉积物——坡积物。

总结：O

峰峰组→C2b本溪组→下段：铁铝岩段；上段：畔沟段→C3t太原组→下段：晋祠段；中段：

2f

毛儿沟段；上段：东大窑段→P1s山西组→P1x下石盒子组→P2s上石盒子组→P2sh石千峰组。附西山煤田煤系地层柱状示意图，标志层代号取自原始创建。

主要标志层：晋祠砂岩K1、吴家峪灰岩L0、西铭砂岩K2、庙沟灰岩L1、毛儿沟灰岩L2、斜道灰岩

L3、七里沟砂岩K3、东大窑灰岩L4、骆驼脖砂岩K4。

主要可采煤层：1#局部可采、2#九尺、3#丈八为“香煤”、4#不可采、5#没见到、6#七尺局部可采、7#下三尺、8#丈五和9#八尺为全区可采、10#不可采、11#局部可采。

地质罗盘的使用

一、地质罗盘的结构

1.磁针：磁针中央为一镶有玛瑙的轴片，安装在底盘中央的顶针上，这样磁针可以自由转动，待静止后，磁针的指向便是磁子午线的方向。在北半球，由于磁北针向下倾斜，使磁针失去平衡，因此在磁南针上缠上一段细铜丝，使磁针保持水平，借此也可以区分磁针的南北针。

2.刻度盘：

上刻度盘由0—360°组成，上刻度盘用来测量方位角、岩层的走向和倾向等。0°代表N，180°代表S。为了读数方便，刻度盘的东西方向调换，其原理是：磁针永远指向南北，是不动的，罗盘向东转动，磁针相对向西转动，为了读数方便，故而将E、W方向调换，刻度按逆时针方向增加。

下刻度盘由两个0—90°组成，用来测量岩层倾角、地形坡角（俯角和仰角）。

3.水准器：罗盘中设有圆水准器和长水准器各一个。圆水准器供罗盘调整水平时用，即供上刻度盘使用；长水准器供测量岩层倾角和地形坡角时用，即供下刻度盘使用。

4.照准器：罗盘中有一折叠式照准觇板，供瞄准用。

二、地质罗盘的使用

地质工作者在野外要经常辨别方向，需要一个准确的方位，这就必须依靠地质罗盘。其用途主要有：

1.测方位

在使用前，首先要校准当地的磁偏角。太原地区为-4°12′。校准方法是：转动罗盘外侧螺丝，上刻度盘即旋转，将355°48′对准N上方的黑色短线（位于玻璃片下面）即可，而不是对准0°。即360°减去4°12′，等于355°48′。

操作方法：首先打开罗盘，把罗盘上印有“N”字的一端指向前进方向，然后在前方选出一个待测的目标（如山峰、树木、塔等），这时，将照准器竖直，两臂夹紧，握稳罗盘，使圆水泡居中，慢慢转动罗盘，将目标、照准器同时反映在镜面上的平分线上，待磁针停稳后，读取磁北针所指示的度数，这就是观测目标的方位角。当观测的目标仰角大于45°或者俯角大于15°时，前述方法不可能在镜中见到目标的像，这时需要掉转罗盘方向，反过来用照准器的尖和经过玻璃镜下方的椭圆孔中的平分线来瞄准目标。同样使罗盘水平，眼睛一边看准目标，一边从镜中读取磁南针稳定后所指示的度数，即为所测方位。

2.测地形坡度（俯角与仰角）

操作方法：先把罗盘上的照准器打开平放，再把照准器的尖扳直，然后将罗盘侧立起来，把盘盖向里折回成45°角，之后，通过照准器尖上的小孔及玻璃镜上的椭圆孔中线找到目标，并让镜孔中线平分目标，同时扳动罗盘背后的倾斜仪，使长水泡居中（从镜中看水泡居中与否），读取倾斜仪所指示的下刻度盘的度数，即为该地形坡度。俯角与仰角测量方法与之相同。

3.测岩层产状

岩层产状包括：走向、倾向、倾角。它们是在岩层层面上进行测量，这一点必须非常清楚。因为，一切面状地质体均可测量其产状三要素，如岩层面、断层面、节理面、轴面、片理面等等。所以测量岩层产状，首先应该选择有代表性的岩层面，这一点很重要。不要把节理面当成岩层面，或是把山上滚落下来的大石头平面当成岩层面。如果岩层面不平整，可以把记录本放在岩层面上加以调整，然后在记录本上测量。

具体操作方法：

(1)测岩层走向时，将罗盘的顶盖与底座扳直，使底座长边的底棱紧贴岩层面，然后使圆水泡居中，这样，罗盘的水平面就与倾斜的岩层面两面相交，该交线即为岩层的走向线，走向线的方向称为走向。这时读取北针（南针亦可）所指的度数就是岩层的走向。走向有两个数值，相差180°。

(2)测岩层倾向时，将罗盘印有“S”的一端底棱紧贴岩层面，然后使圆水泡居中，这时，罗盘的北针所指示的读数即为岩层的倾向。注意：此法适用于岩层的顶面测量；若在岩层的底面测量，情形正好相反。倾向只有一个数值，与走向的关系是相差90°。倾向加减90°即可得到两个走向数值。

(3)测岩层的倾角时，将罗盘的顶盖与底座扳直，使长边侧立于岩层面上，并且与岩层的走向垂直，然后扳动罗盘底座背后的制动仪，使长水泡居中，游标所指的下刻度盘上的度数即为岩层的倾角。

4.产状要素的表示方法

⑴方位角表示法：只记录倾向和倾角，走向可以不记录。

如：120°∠15°

其中，120°表示倾向，15°表示倾角。

②象限角表示法：S60°E ∠15°

太原西山C---P煤系地层柱状示意图