聚煤作用

煤地质学术语

古代植物在古气候、古地理和古构造等有利条件下，聚集而形成煤矿床（最初为泥炭）的作用。

简介

古植物为聚煤作用提供物质原料，只有大量的植物繁殖才有可能发生聚煤作用。而古植物的大量繁殖又需要合适的古气候和古地理条件，温暖潮湿的气候最有利于植物大量生长，低洼积水的沼泽是植物大量繁殖的理想地理环境。堆积的大量植物遗体能否保存，决定于古构造活动状况，地壳活动强烈或过于缓慢都不利于聚煤作用。强烈的地壳活动使有利聚煤沼泽的环境不易长期保持，过于缓慢的地壳活动又因堆积的植物遗体暴露在水面以上，受风化而被破坏掉。因此只有地壳的沉降速度与植物遗体堆积长期保持平衡的情况下，植物遗体才能够大量堆积并保存下来，形成一定厚度的泥炭层。由于自然界的聚煤条件并不总是有利的，因此在地史上才多次分别出现聚煤的强盛期和衰退期。

控制因素

盆地构造演化对聚煤作用的控制

李思田等(1988)对中国东北晚侏罗世—早白垩世断陷盆地的研究表明受盆缘同沉积断裂控制的断陷盆地的沉积充填演化和聚煤作用具有明显的规律性。虽然这些断陷盆地是相互孤立的，但是由于它们的盆地构造演化具有同步性，其盆地充填序列具有普遍特征。以元宝山，平庄和阜新盆地为例(图1)，其盆地充填序列可明显的划分为五段：底部粗碎屑冲积物段(Fm)、含煤碎屑岩段和湖相段(Cm-Lm)、湖相细碎屑岩段(Lm)、含煤碎屑岩段(Cm)和顶部粗碎屑冲积物段。这表明了断陷盆地初始裂陷，快速沉降和热衰减沉降的整个构造演化过程。很明显在盆地初始裂陷期，由于物源供应比较充足，冲积和洪积体系发育，主要由扇泥石流沉积和砾质河道沉积组成，垂向上总体向上变细。横向上厚度变化剧烈，通常在近盆缘断裂的边缘很厚，向盆地中心迅速变薄，泥炭沼泽极不稳定，仅局部形成薄煤层或煤线。在快速沉降初期含煤碎屑岩段和湖相段，在垂向上为明显的水进序列。盆地中心出现了持续存在和逐渐扩大的湖区。在周围物源供应比较充分的盆地中，含煤碎屑岩段较厚，含有具有开采价值的煤层，例如：阜新盆地。含煤碎屑岩段一般分布于盆地的周缘。

湖相段由浅湖和较深水湖泊交替沉积组成，一般不含重要煤层。在快速沉降湖相细碎屑岩段，由巨厚的浅湖和深湖细碎屑沉积组成。本段形成时盆地内湖泊面积达到最大，湖泊面积可覆盖全盆地的 80% ～90%，有时还可能漫过盆缘断裂与邻近盆地连通。该段的泥岩一般富含有机质，其底部和顶部以Ⅲ型干酪根为主，泥岩总有机碳含量一般为 0.6% ～2%;中部以Ⅱ型干酪根为主，泥岩总有机碳含量一般2.0% ～4.5%以上。这些泥岩均是很好的烃源岩。在热衰减沉降含煤碎屑岩段，盆地的构造沉降明显减慢，强烈的扇三角洲和三角洲进积使湖盆水体变浅，收缩。盆地边缘冲积扇，扇三角洲和小型三角洲广泛发育。盆地中心主要发育浅水湖泊和沼泽，以及河流沉积。垂向上旋回性明显，一般可分为 6～8个含煤旋回。晚中生代断陷盆地中的巨厚煤层和大面积分布的煤层多赋存于此段。可采煤层累计厚度大于 50m者常见。在盆地衰亡顶部粗碎屑冲积物段，主要为冲积扇沉积，以砂岩和砾岩为主，夹薄煤层。

在我国东北和西南线状断裂带内的一些古近纪和新近纪小型断陷盆地，其盆地充填序列与东北晚中生代断陷盆地具有很好的相似性(Zhuang，1999a;邵震杰等，1995;张强等，1997)，同样可明显地划分为五段。但它们之间的差别在于，古近纪和新近纪小型断陷盆地主要富煤段出现在湖相细碎屑岩段之下，例如我国东北古近纪抚顺、梅河口盆地，主要富煤段出现在厚层油页岩之下，煤层单层厚度一般 20～50m，最大厚度可达 100余米。次要富煤段出现在最大湖相段之上，例如梅河口盆地次要富煤段含有局部可采煤层。我国西南新近纪先锋盆地主要富煤段出现在湖相硅藻土和硅藻土泥岩之下，煤层最大厚度可达 100余米。

次要富煤段出现在最大湖相段之上。这种差异主要受控于盆地基底的沉降速率。小型断陷盆地快速沉降初期盆地基底沉降速率能够保持比较长时期与泥炭沼泽的堆积速率相一致。

沉积环境演化对聚煤作用的控制

人们通常所说聚煤沉积环境实际上是指泥炭沼泽形成前的沉积环境(即泥炭沼泽形成的背景环境)。有关聚煤盆地聚煤沉积环境与含煤性研究的成果较多。对于盆地构造活动较弱的大型聚煤坳陷盆地或克拉通盆地，盆地的沉积环境演化对聚煤作用起作直接的控制作用。在某一特定的成煤时期，聚煤作用与沉积体规模及成因相分布密切相关。河流体系聚煤作用主要发生于河流间泛滥平原，这样富煤单元范围与泛滥平原面积有关。三角洲体系聚煤作用较广泛，但最为有利的聚煤作用发育于废弃三角洲朵体，因此，三角洲废弃朵体的规模及范围直接控制富煤单元的边界条件及范围。图2为鄂尔多斯盆地早、中侏罗世代表性含煤充填系列(李思田等，1992)，含煤的延安组在垂向上由五个三角洲体系单元组成，聚煤作用形成于每个三角洲体系的废弃阶段。右概括了鄂尔多斯盆地东北部延安组第四成因单元富煤单元与沉积体系关系。在北部罕台窑附近为河流体系沉积，富煤单元分布于河流间泛滥平原区，其富煤单元面积较小，仅 1.8～3.0km2 ;在东胜及其以南地区为湖泊三角洲体系沉积，富煤单元分布于废弃三角洲朵体之上，其面积相对较大，约 250～1200km2 。在盆地整个充填演化过程中，三角洲体系的发育和侧向迁移对聚煤作用具有重要影响。

海平面变化对聚煤作用的控制

大陆边缘近海或陆表海聚煤盆地的聚煤作用除受古构造和古地理条件控制外，海平面变化对聚煤作用产生着重要的影响(解习农等，1992)。对我国华南晚二叠世陆表海盆地西部织纳煤田的聚煤作用研究表明，在大陆边缘盆地或陆表海充填过程中，每个亚层序的形成与海平面变化有着密切的关系，而海平面变化又受控于基底构造沉降和同期海平面升降。在海陆交替含煤地层中，沉积空间的变化直接决定沉积物及成因相的变化。在补偿沉积区，在海平面上升期间，随着沉积体系的不断进积，逐渐从泥质向砂质过渡;当沉积界面接近或超出海平面后，即可形成沼泽或泥炭沼泽(图3中(a));而在欠补偿沉积地区，在海平面上升期间，沉积界面总是低于海平面，沉积滨浅海或潮下灰岩或泥岩(图3中(b))。很明显在华南晚二叠世陆表海盆地的西部贵州六盘水一带，由于充足的物源供给条件，三角洲体系和滨岸碎屑体系的发育，形成了中国南方晚二叠世最重要的富煤带(李思田等，1990)。

煤质特征的地质控制

煤质特征从广义上说包括煤的岩石学特征、矿物学特征、煤化学特征和地球化学特征，其主要取决于煤的前身———泥炭沼泽形成时的构造和沉积环境背景、植物群落以及后期的煤化作用、热液和岩浆活动。

煤的岩石学特征受植物群落和沉积环境背景的影响。植物群落一方面与自身的时代演替和古气候演替有关，其主要受沉积环境背景的影响。覆水较深的泥炭沼泽易于形成以草本植物为主体的泥炭沼泽或以低等藻类植物为主的腐泥，煤常以线理状和块状为特征。覆水较浅的泥炭沼泽易于形成以木本植物为主体的泥炭沼泽，煤常以条带状和透镜状为特征。抚顺盆地是我国一个非常著名的古近纪含煤盆地，其煤的类型丰富多彩，包括腐殖煤、腐泥煤、腐殖 -腐泥混合煤和琥珀残殖煤。以煤的类型和煤的结构构造类型为基础建立抚顺煤田煤的岩性相类型，发现煤的岩性相类型与煤的显微组分组成和形成条件，以及植物群落类型和泥炭的堆集机制有着密切的关系(庄新国等，1999b)。

煤的矿物学特征包括有机显微组分和无机矿物质两部分。有机显微组分主要来自成煤植物，可划分为三大类，即镜质组、壳质组和惰质组。煤中有机显微组分的构成主要受泥炭沼泽类型、埋藏速率、氧化还原条件和水介质条件等因素影响。将中国北方相对快速沉降的断陷盆地与缓慢沉降的大型坳陷盆地对比研究，发现相对快速沉降的断陷湖盆内煤多以富镜质组和贫惰质组为特征，例如：东北早白垩世阜新盆地海州组不同煤层的显微组分组成，中间层、太平层和孙家湾层煤层均以高的镜质组(86% ～94%)、低的惰质组(1.7% ～6.5%)和壳质组(4.6% ～7.5%)含量为特征;东北古近纪抚顺盆地古城子组煤层以腐殖煤为主，并夹多层腐泥煤。腐殖煤的镜质组含量平均可达96%以上(庄新国等，1999)。云南新近纪先锋盆地煤的显微组分以腐殖组占绝对优势，平均为 91.6%(邢军等，1999)。而在缓慢沉降的大型坳陷盆地中，由于盆地基底处于一种相对的稳定阶段，泥炭沼泽在缓慢沉降背景下发育，易于形成高位化表盖突起而遭氧化。例如：早、中侏罗世鄂尔多斯盆地延安组煤层煤多以富惰质组为特征，常夹有富惰质组的分层，煤中惰质组含量一般大于 30%(李思田等，1992);煤中惰质组的含量分布受沉积体系类型的控制，冲积平原煤层的惰质组含量通常高于三角洲体系。除了中、新生代断陷盆地具有快速沉降条件外，一些中生代前陆盆地、新生代大型裂谷以及大陆边缘裂陷也都具有快速沉降、充填和埋藏的有利条件，因而有利于形成富镜质组煤。

煤中的无机矿物相组成主要有硅酸岩类、碳酸岩类和硫化物类，其次是磷酸盐类和硫酸盐类等。煤中矿物质的来源主要有四个方面：即，主要通过水流的机械搬运进入泥炭沼泽的陆源碎屑;通过水流机械搬运或通过火山喷发直接进入泥炭沼泽的火山碎屑;在泥炭沼泽中沉积的生物骨骼颗粒;在泥炭沼泽或泥炭层孔隙中溶液物质的沉淀;在后期地质作用(包括煤化作用、热液作用、岩浆作用和风化作用等)过程中，由于煤层中离子的迁移和相互作用形成的矿物质。煤中矿物质的类型和丰度受泥炭沼泽形成时的构造环境、沉积环境、物源条件、沼泽水介质条件以及后期的地质作用控制。

特征

煤化学特征包括煤的水分、灰分、挥发分、碳、氢、氧、氮和煤化程度等。煤化学特征取决于煤的矿物学特征和煤化作用。煤中的灰分含量主要来自煤中的无机矿物质。对于相同变质程度的煤来说，煤的挥发分、碳、氢和氧含量与煤的有机显微组分有关，富镜质组和壳质组的煤具有相对高的挥发分和氢、氧含量;富惰质组的煤具有相对低的挥发分含量和高的碳含量。随着煤化作用程度的增高，煤的挥发分产率、氢和氧元素含量减少，碳含量增高。

煤的地球化学特征主要包括煤中常量和微量元素的丰度和赋存状态，其主要受控于泥炭沼泽形成时的沉积环境背景、物源区的岩石组成和火山喷发，以及煤化作用和岩浆侵入过程中的热液活动。大量研究表明不同地区和不同煤层煤中常量和微量元素的丰度变化较大，但总体与煤中的矿物质有关。因此，煤中常量和微量元素的总量一般与煤的灰分产率具有明显的相关性。常量元素是构成煤中常见矿物的主要元素，Si、Al、Na和 K主要来自硅酸盐矿物;Ca和 Mg主要来自碳酸盐矿物;S主要来自硫化物矿物(黄铁矿)，部分硫与有机质和硫酸盐有关;煤中的硫含量主要与泥炭沼泽形成时海水的影响有关，局部地区与物源条件和岩浆侵入有关。

大量研究表明一般受海水影响的泥炭沼泽，而后形成的煤中硫含量较高;硫化物矿物含量较高的物源区和岩浆侵入煤层也可形成煤层中硫含量的局部增高。Fe主要来自硫化物矿物(黄铁矿)和碳酸盐矿物(菱铁矿);P主要来自磷酸盐矿物。江西乐平晚二叠和晚三叠世煤的矿物学和地球化学研究表明晚三叠世煤中 Si、Al、Ca、P、K和 Mg含量明显高于晚二叠世煤，主要由于晚三叠世煤中具有相对较高含量的高岭石、石英、伊利石、菱铁矿和白云石矿物;而受海水影响明显的晚二叠世煤中 S和 Fe含量较高主要由于煤中具有相对较高含量的黄铁矿和白铁矿矿物。

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