超厚煤層成因機(jī)制研究進(jìn)展

王東東，邵龍義，劉海燕，邵　凱，于得明，劉炳強(qiáng)

(1．山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島　266590;2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京　100083;3．陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西西安　710119)

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超厚煤層成因機(jī)制研究進(jìn)展

王東東1，邵龍義2，劉海燕1，邵凱3，于得明1，劉炳強(qiáng)2

(1．山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590;2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083;3．陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西西安710119)

摘要:為了研究超厚煤層(厚度大于40 m)的形成機(jī)制，許多煤地質(zhì)學(xué)家進(jìn)行了較為深入的研究，獲得了豐碩的成果。傳統(tǒng)的煤地質(zhì)學(xué)理論認(rèn)為，泥炭沼澤水面上升速度與植物遺體堆積速度長期處于均衡補(bǔ)償狀態(tài)便可以形成厚煤層，甚至厚度達(dá)數(shù)百米。將這些厚煤層按照一定的壓縮比例恢復(fù)成泥炭厚度，則可達(dá)數(shù)千米;然而現(xiàn)今見到的單層泥炭厚度最厚不超過20 m;這種超厚煤層成因解釋勢必造成古代和現(xiàn)代泥炭堆積之間的巨大矛盾。異地堆積成因模式，從泥炭(煤)再搬運(yùn)的角度解釋了一些超厚煤層的成因，這些超厚煤層大都發(fā)育在斷陷盆地內(nèi);多煤層疊加成因模式，從多期泥炭沼澤演化、泥炭層疊加的角度解釋了一些超厚煤層的成因，這些超厚煤層大都發(fā)育在坳陷盆地內(nèi)。這些模式可以用將今論古的思想解釋現(xiàn)代和古代的泥炭沼澤發(fā)育特征的一致性。一個(gè)超厚煤層的形成，也可能是一種或多種成因機(jī)制共同作用的結(jié)果。然而，是否存在其他的成因模式，上述成因模式發(fā)育的控制因素和作用機(jī)理，如何準(zhǔn)確而深入的挖掘超厚煤層內(nèi)部蘊(yùn)含的豐富地質(zhì)信息，還有待于進(jìn)一步深入研究。

關(guān)鍵詞:超厚煤層;均衡補(bǔ)償;異地堆積;多煤層疊加;層內(nèi)間斷面;成因機(jī)制

王東東，邵龍義，劉海燕，等．超厚煤層成因機(jī)制研究進(jìn)展［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(6):1487－1497．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1353

Wang Dongdong，Shao Longyi，Liu Haiyan，et al．Research progress in formation mechanisms of super-thick coal seam［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1487－1497．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1353

煤層是一種常見的固體能源，也是一種敏感的沉積物，煤的形成是古氣候、古植物、古地理和古構(gòu)造等諸多地質(zhì)條件共同作用的結(jié)果;在成煤用過程中，成煤地質(zhì)條件在煤層中或多或少的留下一些痕跡，特別是厚度較大的煤層，其中蘊(yùn)含的成煤期地質(zhì)信息更為豐富［1－2］。已有不少專家學(xué)者從不同的角度對煤層的成因機(jī)制進(jìn)行研究，提出了多種成煤模式［3－8］。研究煤層(特別是厚煤層)的成因機(jī)制，不但可以借助煤中蘊(yùn)含的地質(zhì)信息恢復(fù)成煤期的地質(zhì)環(huán)境，豐富煤田地質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論，還可以指導(dǎo)盆地內(nèi)煤炭資源的勘探與開采。因此，研究巨厚煤層的成因機(jī)制具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

從煤炭開采的角度，可采煤層的厚度可分為5個(gè)厚度級(jí):煤厚0.3～0.5 m為極薄煤層;0.5～1.3 m為薄煤層;1.3～3.5 m為中厚煤層;3.5～8.0 m為厚煤層;大于8 m為巨厚煤層［1］。有人將單層煤厚度超過60 m的稱之為超厚煤層［9］，也有人將40 m作為超厚煤層的起點(diǎn)［10］。世界各地廣泛存在著厚度巨大的超厚煤層:澳大利亞的吉普斯蘭盆地的煤層總厚700多米，單層煤厚230 m;加拿大哈溪煤田二號(hào)露天區(qū)煤厚510 m;我國勝利煤田勝利東二號(hào)露天煤礦6煤層厚244.7 m，3個(gè)煤層在聚煤中心區(qū)近于合并，煤層最厚處達(dá)320.65 m;我國吐哈盆地沙爾湖坳陷西山窯組總煤厚301 m，單層煤厚217.4 m，等等。石炭紀(jì)至新近紀(jì)，各時(shí)期都有超厚煤層發(fā)育，超厚煤層的普遍發(fā)育為研究其成因機(jī)制提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，也為研究成果的推廣提供了廣闊的空間。

1　超厚煤層發(fā)育與分布

超厚煤層的發(fā)育與存在是較為普遍的現(xiàn)象，自石炭紀(jì)以來至新近紀(jì)，世界上煤層單層厚度超過40 m的煤田或煤礦區(qū)比較多，一些典型的超厚煤層的一些簡要情況見表1［9－19］。從超厚煤層的分布規(guī)律來看，古近—新近紀(jì)是超厚煤層發(fā)育最多的時(shí)代［20］，其次為侏羅紀(jì)，且超厚煤層主要分布在北半球，煤的變質(zhì)程度普遍較低，大都為低變質(zhì)的褐煤，其次為長焰煤、不黏煤等。

2　超厚煤層成因機(jī)制分析

煤地質(zhì)學(xué)是一門較為古老的學(xué)科，關(guān)于厚煤層的形成機(jī)理，已有許多專家學(xué)者進(jìn)行過的研究。煤層的成因有“原地堆積”和“異地堆積”之說，厚煤層的成因解釋經(jīng)歷了含煤地層“旋回說”到運(yùn)用“層序地層學(xué)”的階段。19世紀(jì)，許多國家的地質(zhì)工筆者都已注意到含煤地層沉積中的韻律旋回，“旋回”的概念在含煤地層研究中占據(jù)了近半個(gè)世紀(jì)。Moore(1957)把約代爾(Yoredale)旋回沉積解釋為三角洲沉積物，揭開了古代和現(xiàn)代沉積物對比研究的序幕［21］。由原來認(rèn)為的含煤地層是旋回沉積體系的產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹旱貙邮窃诓煌h(huán)境下形成的一系列沉積序列［22－23］。南斯拉夫數(shù)學(xué)家米蘭科維奇［24］提出著名的米蘭科維奇天文理論，基于米蘭科維奇天文理論，Weller(1930)又進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到含煤旋回層與軌道參數(shù)變化有關(guān)，地球軌道參數(shù)變化引起的冰控海(湖)平面變化是含煤旋回層的主控因素［25］;從此，拉開了含煤巖系研究史上旋回層時(shí)代的序幕［26］。Large 等(2003，2004)利用煤層的碳同位素組成及鏡質(zhì)組/惰質(zhì)組比值在煤層剖面的變化規(guī)律，來研究泥炭地的古氣候?qū)γ滋m科維奇軌道參數(shù)旋回的響應(yīng)［27－28］。邵龍義等(2011)研究了泥炭地凈初級(jí)生產(chǎn)力及其控制因素［29］。Izart等(2012)通過分析生物標(biāo)識(shí)化合物的化學(xué)特征、正烷烴的穩(wěn)定同位素特征等，對聚煤期古氣候進(jìn)行了重建，認(rèn)識(shí)到石炭二疊紀(jì)古氣候的干濕交替及其對成煤作用的重要影響［30］。眾多煤地質(zhì)學(xué)家從不同的角度，對煤的成因進(jìn)行深入剖析，均取得了豐碩的成果。

2.1長期連續(xù)均衡補(bǔ)償與超厚煤層形成

傳統(tǒng)的煤地質(zhì)學(xué)理論認(rèn)識(shí)到，植物遺體堆積速度和沼澤水面上升速度之間可能出現(xiàn)以下3種不同的補(bǔ)償方式:①沼澤水面上升速度小于植物遺體堆積加厚速度時(shí)，稱過度補(bǔ)償;②沼澤水面上升速度與植物遺體堆積加厚速度大體一致時(shí)，稱均衡補(bǔ)償;③ 沼澤水面上升速度大于植物堆積加厚速度時(shí)，稱為欠補(bǔ)償。只有泥炭層堆積界面的增高和沼澤水面的抬升保持均衡，泥炭層才能不斷增厚;這種均衡狀態(tài)一旦遭到破壞，泥炭的堆積過程就隨之終止［1，31－32］。聚煤期的泥炭沼澤是在穩(wěn)定—弱動(dòng)蕩水體或平靜而覆水很淺(一般＜2 m)的情況下持續(xù)、穩(wěn)定地下沉，并與泥炭的堆積速率長期構(gòu)成大致平衡的條件下發(fā)生的［33－35］，這種“大致平衡”長期存在才能夠形成厚度較大的煤層。也有專家認(rèn)為超厚煤層是由屬于不同地質(zhì)構(gòu)造單元、構(gòu)造活動(dòng)性差別或地殼活動(dòng)性在地質(zhì)歷史演化過程中有所不同的緣故［36］。此外，泥炭沼澤中下伏沉積物的自我壓實(shí)(self-compaction)也為泥炭堆積空間的連續(xù)產(chǎn)生起到重要作用［35，37］，利于產(chǎn)生厚度較大的煤層。當(dāng)?shù)貧こ练e速度小于或等于泥炭沉積速率時(shí)，是形成厚煤層的有利條件;在沉積面坡度大的集水盆地邊緣，往往利于泥炭帶的集中發(fā)育［38］。

表1　世界上部分超厚煤層煤田資料［20］Table 1　Part of the super thick coal seam coal field data in the world［20］

20世紀(jì)70年代，層序地層學(xué)方法被引入到煤層成因的研究中，“可容空間”(accommodation space)概念的提出是層序地層學(xué)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在泥炭沼澤中，可容空間可定義為泥炭所能堆積的最大高度［34，39］。以前的成煤理論多是強(qiáng)調(diào)泥炭形成于與活躍的陸源碎屑沉積作用帶相鄰的低位沼澤地區(qū);事實(shí)上，泥炭沉積并不總是與局部的陸源碎屑沉積供給同時(shí)發(fā)生的;在大多數(shù)情況下，在近海(湖)地區(qū)的泥炭沼澤發(fā)育階段，局部的陸源碎屑供應(yīng)已經(jīng)被某種機(jī)理切斷了;海(湖)平面抬升不僅為泥炭聚集提供可容空間，而且可以降低河流梯度，使攜帶陸源碎屑的河流收縮到古泥炭沼澤之外［32］。Bohacs和 Suter (1997)及Holz等(2002)［40－41］提出煤層厚度取決于可容空間增長速率與泥炭聚集速率之間的相對平衡狀態(tài)。只有適度的海(湖)平面上升速率，才能保證可容空間增加速率與泥炭堆積速率之間的相對平衡關(guān)系，使泥炭能持續(xù)堆積，從而形成厚煤層;且可容空間增加速率與泥炭堆積速率比值達(dá)到1～1.18時(shí)最有利于厚煤層的形成［40－41］?？紤]到煤層聚積速率極快，4～100 a堆積1 mm［32］，所以厚煤層的發(fā)育需要有持續(xù)存在的可容空間以容納快速堆積的泥炭，適合成煤的最大可容空間的持續(xù)保持需要有潛水面和基準(zhǔn)面的不斷抬升，這種基準(zhǔn)面的抬升又離不開海(湖)平面的上升;因此，厚度較大的煤層一般都形成于最大海(湖)泛期，出現(xiàn)在最大海(湖)侵點(diǎn)處或其附近［26，34，42－44］;該時(shí)期潛水面上升以及伴隨的碎屑沉積物供給都因基準(zhǔn)面上升而中止，利于沉積厚層泥炭形成厚煤層。在靠陸地方向的一些大面積(數(shù)十平方千米)分布的厚煤層(厚度大于2 m)，代表了與最大海(湖)泛面相當(dāng)?shù)淖畲蠛?湖)泛帶的層序地層位置［32］。

在Bohacs和Suter(1997)的層序地層格架下煤層幾何形態(tài)和厚度預(yù)測模型(圖1)中，由于低位體系域可容空間產(chǎn)生速度是高位體系域可容空間產(chǎn)生速度的鏡像，因而低位體系域和高位體系域的煤層在幾何分布形態(tài)和厚度上都比較相似，都為中等厚度、連續(xù)分布的煤層;海侵體系域初期和末期，可容空間增加速率與泥炭聚集速率平衡，有利于形成厚且孤立的煤層，海侵體系域中期則因可容空間增加速率過快而形成的煤層較薄且不連續(xù)［40］。邵龍義等(2008)［26］研究認(rèn)為最大海泛面的位置并不是位于海侵體系域的中部，而是位于圖1(a)中的4和5階段相交的位置;當(dāng)沒有沉積物供給或供給速率極低時(shí)，最大海泛面位于海平面上升與下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)亦即海平面的最高點(diǎn)，而沉積物供給速率較高時(shí)，最大海泛面會(huì)逐漸靠近海平面上升拐點(diǎn)(R)，在含煤巖系中沉積物供給速率一般都相對較高，最大海泛面位置與R點(diǎn)位置一般極為接近，正常的情況下可以將2者近似地理解為同一位置，即海侵體系域和高位體系域交界的最大海泛面位置。聚煤作用強(qiáng)度圍繞著最大海泛面在海侵體系域和高位體系域表現(xiàn)為鏡像分布。在層序地層格架中，這種可容空間增加速率與泥炭堆積速率的平衡所在的時(shí)間段即是厚煤層的位置。

然而，從泥炭到煤層的演化過程中是不斷壓實(shí)的過程，即厚度不斷變小，其比例大約為11∶1［45］，當(dāng)然，這個(gè)比例的準(zhǔn)確性還有待商榷。那么，形成單層厚度大于8 m的特厚煤層，需要的單泥炭層厚度至少為88 m，而研究區(qū)富煤中心單煤層厚度可達(dá)40 m，則需要單泥炭厚度層440 m。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，世界上最厚的單泥炭層約20 m［46］，這勢必難以解釋泥炭層形成特厚煤層過程的厚度壓縮比例，同時(shí)也是對“將今論古”思想的挑戰(zhàn)。

基于此，不少專家和學(xué)者基于不同的實(shí)例、從不同的角度對超厚煤層成因機(jī)制進(jìn)行了研究，獲得了較為豐碩的成果，并提出了一些理論和模式，以“異地堆積成因模式”和“多煤層疊加成因模式”最具代表性。

圖1　層序地層格架基準(zhǔn)面變化速率與在給定泥炭聚集速率的情況下的煤層厚度及幾何形態(tài)關(guān)系的預(yù)測模型［40］Fig.1　Relation of rate of change of base level to coal thickness and geometry for a given peat production rate in a sequence stratigraphic framework［40］

2.2異地堆積與超厚煤層形成

一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在超厚煤層在形成過程中，風(fēng)暴、重力流、水下泥石流等引起的泥炭異地堆積對特厚煤層的發(fā)育起到非常重要的作用，甚至是主要的作用。在現(xiàn)代沉積中也可以見到泥炭等異地搬運(yùn)的現(xiàn)象;Stach等(1982)［47］描述在佛羅里達(dá)西海岸湖泥炭島上的大塊泥炭順流搬運(yùn)，在搬運(yùn)過程中逐漸破碎變細(xì)爾后堆積在湖被障壁的部分或是在海岸附近。泥炭地的崩塌及其形成的流動(dòng)狀態(tài)要往低處傾瀉，湖海和海灣無疑成為漂流泥炭的淤積場所，這在波羅的海德意志海岸等地方屢見不鮮［48］。

Courel等(1986)、吳沖龍等(1996)、Djarar等(1997)、王華等(1999，2000，2001)［49－52］通過研究法國、中國典型斷陷盆地特厚煤層成因機(jī)制，在煤層中發(fā)現(xiàn)了重力碎屑流、稀性泥石流，包卷層理、滑塌、破碎、揉皺等變形構(gòu)造，以及滑積煤(撫順盆地)等，均反映了泥炭(煤)堆積于一個(gè)不穩(wěn)定的沉積環(huán)境中，并經(jīng)歷了再搬運(yùn)的過程，并在此基礎(chǔ)上提出了超厚煤層深水環(huán)境異地堆積的成因模式。如法國Montceau盆地第1號(hào)煤層為最厚(達(dá)100 m)該煤層內(nèi)夾有大量透鏡狀角礫巖體、薄層狀及透鏡狀砂巖體及一層火山凝灰?guī)r層。存在于煤層底部，粒序性不明顯的薄層狀砂巖體，一般單層厚＜50 cm，含大量結(jié)晶黃鐵礦，見有波紋和小型水平層理、包卷層理及巖脈狀構(gòu)造(圖2);撫順煤田超厚煤層中滑塌事件(形成滑積煤)和腐植型碎屑泥炭沉積的垂向相序類型(圖3)。

圖2　法國Montceau盆地第1號(hào)超厚煤層的沉積層序及內(nèi)部構(gòu)成特征［17］Fig.2　Sedimentary sequence and architecture characteristics of the 1st ultra-thick coal seam of the Montceau basin(France)［17］

圖3　撫順盆地超厚煤層中碎屑腐植煤和腐植－腐泥混合煤的相序類型［50］Fig.3　Super thick coal seam clastic humic coal and humic-sapropel coal mix phase sequence types in Fushun Basin［50］

吳 沖 龍 等 (1994，1996，2001，2003，2006)［9，11－12，50，53］通過對我國典型斷陷盆地超厚煤成因進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了巨厚煤層中存在大量被搬運(yùn)過的證據(jù)，認(rèn)為了異地堆積對超厚煤層形成的控制作用，并先后建立起斷陷盆地4種超厚煤層異地堆積亞模式:“撫順亞模式”、“阜新亞模式”、“先鋒亞模式”和“小龍?zhí)秮喣Ｊ健?并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步概括出較為完整的中國中、新生代內(nèi)陸斷陷盆地特厚煤層的“異地－微異地2次湖泊復(fù)合堆積模式”，即“腐植型植物碎屑河流遠(yuǎn)源搬運(yùn)→植物碎屑扇三角洲或植物碎屑三角洲沉積+湖泊漂浮異地植物碎屑沉積+湖濱沼澤泥炭微異地堆積+湖泊原地藻類泥炭原地堆積+泥質(zhì)碎屑或砂質(zhì)碎屑或生物殼屑沉積→洪水弱風(fēng)暴流或水下重力流的混合和搬運(yùn)作用→植物碎屑與無機(jī)碎屑的機(jī)械分異和再沉積。

異地堆積形成的特厚煤層，無疑是特厚煤層形成的一種重要類型，且這種類型大都出現(xiàn)在斷陷盆地中，較為活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以為泥炭(煤)的再搬運(yùn)提供前提條件。

2.3多煤層疊加與超厚煤層形成

研究發(fā)現(xiàn)，異地堆積形成的超厚煤層大都發(fā)育在斷陷盆地內(nèi)部，強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)為泥炭(煤)的再次搬運(yùn)提供了條件。然而，所有的超厚煤層都是異地搬運(yùn)形成的?坳陷盆地中的超厚煤層基本不具備大規(guī)模再搬運(yùn)的條件，那其內(nèi)部的超厚煤層成因怎樣呢? Jerrett等(2011)［54］認(rèn)為，對于超厚煤層的成因存在一個(gè)普遍的誤解:“超厚煤層是由一個(gè)古泥炭沼澤體形成，且為連續(xù)、等時(shí)的泥炭聚積記錄”。事實(shí)并非簡單如此。

王國力等(1995)［55］在研究鄂爾多斯盆地西南部華亭煤田延安組超厚煤層的凝膠化指數(shù)、結(jié)構(gòu)保存指數(shù)和灰分產(chǎn)率、顯微組分類型等的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，超厚煤層是由“填積型”和“退積型”煤層疊加而成的。李晶等(2012)［56］在研究新疆準(zhǔn)東煤田西山窯組超厚煤層的煤巖煤質(zhì)、煤相特征及成煤環(huán)境時(shí)發(fā)現(xiàn)，在超厚煤層內(nèi)部識(shí)別出了若干水進(jìn)水退含煤小旋回，認(rèn)為該超厚煤層形成于覆水較淺、水體活動(dòng)性較弱的穩(wěn)定泥炭沼澤環(huán)境，垂向上由這些水退水進(jìn)含煤小旋回疊加構(gòu)成。莊軍(1995)［15］通過研究鄂爾多斯盆地南緣延安組超厚煤層的成煤過程認(rèn)為，在特定的同沉積構(gòu)造、古地理、潛水面、沼澤覆水情況、水化學(xué)性質(zhì)等條件下，不同泥炭沼澤類型(低位沼澤、中位沼澤、高位沼澤)相互演化、疊加，使得成煤沼澤環(huán)境長期存在，進(jìn)而發(fā)育形成了超厚煤層。

國外學(xué)者Shearer等(1994)［57］在研究超厚煤層的成因時(shí)，提出了疊置沼澤序列理論(theory for stacked mire sequence);將超厚煤層劃分為非有機(jī)質(zhì)層段(inorganic parting)、氧化層段(oxidized parting)和降解－非氧化有機(jī)層段(degradative non-oxidized organic parting)。圖4為泥炭沼澤終止的類型及其演化過程:沼澤中聚積著泥炭，沼澤的水平面不斷下降(圖4(a))，水平面逐漸降低導(dǎo)致了泥炭的自壓實(shí)和泥炭表面的縮小(圖4(b))。一種情況，泥炭可能被洪泛沉積的無機(jī)物覆蓋(圖4(c)中的(1))，形成非有機(jī)質(zhì)層段;另一種情況，泥炭露出水面后，經(jīng)過長期的氧化分解形成一個(gè)氧化層段(圖4(c)中的(2));還有一種情況，泥炭表面一直被浸沒，泥炭的上部發(fā)生長期的非氧化降解，形成一個(gè)非氧化降解層段(圖4(c)中的(3))。在形成有機(jī)或無機(jī)沉積物之后，泥炭可能不再發(fā)育，沼澤也可能被無機(jī)沉積物掩埋?；蛘呤?，一個(gè)新的泥炭沼澤重新發(fā)育，泥炭重新生成并繼續(xù)堆積;這樣便形成了一個(gè)疊置的沼澤序列。如果疊置的泥炭最終發(fā)生煤化作用(圖4(e))，識(shí)別這些獨(dú)立沼澤的方法只能是通過識(shí)別有機(jī)和無機(jī)層段來劃分這些獨(dú)立的沼澤層序。

Jerrett等(2011)［54］在研究超厚煤層成因時(shí)發(fā)現(xiàn)，超厚煤層中存在許多不同類型的間斷面(hiatal surfaces)。在沒有碎屑物質(zhì)供應(yīng)的情況下，可容空間產(chǎn)生速率RA小于泥炭生產(chǎn)速率RPP(RA/RPP＜1)，并持續(xù)下降，泥炭持續(xù)堆積但堆積速率降低，直到可容空間產(chǎn)生速率變?yōu)榱恪Ｈ绻矫嫦陆档侥嗵勘砻嬉韵?RA/RPP＜0)，水面以上的泥炭就會(huì)分解導(dǎo)致沼澤表面風(fēng)蝕或侵蝕，結(jié)果是形成暴露間斷面(“exposure”hiatus)(圖5(a)，(b))，該界面以下為降解、氧化層，其內(nèi)部富含惰質(zhì)組、殼質(zhì)組以及無機(jī)組分。如果長期的可容空間堆積速率超過泥炭堆積速率(RA/ RPP＞1)，泥炭堆積將會(huì)停止，沼澤被淹沒，取而代之的是海相或湖相沉積。在沒有碎屑物質(zhì)沉積的情況下，會(huì) 形 成淹 沒 間 斷 面(“drowing” hiatus)(圖5(a)，(c))，該界面以下為降解、腐殖化層，其內(nèi)部富含無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、殼質(zhì)組等，這代表了水下條件泥炭表面生物分解的殘余物。這時(shí)候由于浮游生物較多，可能在這個(gè)界面以上形成一層富類脂組層(腐泥黑泥或腐泥)［54］。這些間斷面代表了成煤環(huán)境的間斷，即超厚煤層是多個(gè)煤層的復(fù)合體，超厚煤層的沉積經(jīng)歷了多次沉積間斷，而并非是長期連續(xù)沉積的過程。

如果這個(gè)過程存在碎屑物質(zhì)供應(yīng)，則往往會(huì)形成夾矸;當(dāng)水平面下降到泥炭表面以下，泥炭沉積會(huì)被陸源碎屑沉積所代替，形成夾矸;同樣，當(dāng)水平面上升，泥炭沼澤被淹沒，泥炭堆積也會(huì)被相對深水沉積的陸源物質(zhì)所帶取代，形成煤層夾矸。

Diessel等(1992)、Wadsworth等(2002)、邵龍義等(2003)、Turner和 Richardson(2004)、Davies等(2005)、Izart等(2006)［3，5，30，59－61］在研究不同古地理背景及不同體系域中厚煤層的發(fā)育特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，可容空間增加速率與泥炭產(chǎn)生速率之間平衡關(guān)系的不同，導(dǎo)致形成煤層的煤巖煤質(zhì)特征也有較大差異，如當(dāng)可容空間增加速率大于泥炭堆積速率時(shí)，煤層剖面會(huì)表現(xiàn)出一系列海侵的特征，鏡質(zhì)體反射率、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量、煤中硫的同位素比值及TPI指數(shù)等指標(biāo)向上減少;結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體的熒光強(qiáng)度、鏡質(zhì)體含量、黃鐵礦及硫含量、煤中的碎屑顯微組分(如反映異地和微異地搬運(yùn)的碎屑惰性體和碎屑鏡質(zhì)體)、揮發(fā)分產(chǎn)率以及H/C原子比等指標(biāo)向上增加，煤層頂板經(jīng)常為深覆水海相細(xì)粒沉積(如泥巖、頁巖、碳酸鹽巖等);可容空間變化使得煤中的顯微煤巖組分及煤質(zhì)表現(xiàn)出的規(guī)律性變化，可以指導(dǎo)在超厚煤層中識(shí)別各類沉積間斷面。

圖4　泥炭內(nèi)部的有機(jī)層段和無機(jī)層段可能的形成方式圖解［57］Fig.4　Schematic of possible ways for the formation of inorganic and organic partings within peat(see text for full explanation)［57］

圖5　巨厚煤層內(nèi)部間斷面的成因機(jī)制與識(shí)別標(biāo)志Fig.5　Genetic mechanism and identification marks of hiatal surface in super-thick coal seam

筆者對鄂爾多斯盆地南部延安組一段的超厚煤層進(jìn)行研究，認(rèn)為煤層內(nèi)部“間斷面”的叫法不夠確切，建議改為“界面”，包括水進(jìn)型、水退型間斷面和水進(jìn)型、水退型連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面;間斷面主要為水體變淺、泥炭暴露時(shí)形成的界面或碎屑沉積形成的夾矸，以及水體變深時(shí)形成較深水碎屑物夾矸;連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面是與之對應(yīng)的界面，該界面處水體變深或變淺的趨勢發(fā)生了轉(zhuǎn)化，但是沒有出現(xiàn)沉積間斷，屬于連續(xù)沉積界面。如圖6所示，鄂爾多斯盆地南部彬長地區(qū)大佛寺礦延安組一段的4號(hào)煤層，煤層內(nèi)部沒有夾矸，通過煤巖顯微組分分析發(fā)現(xiàn)，煤層內(nèi)部的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、礦物質(zhì)等含量在垂向上表現(xiàn)為旋回式變化，反映了成煤期沼澤水體的深淺變化，即存在水進(jìn)型和水退型連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面，但不能排除存在水退型間斷面。鄂爾多斯盆地南部華安礦區(qū)紅旗礦延安組一段的4號(hào)煤層內(nèi)則存在許多夾矸，均為水進(jìn)時(shí)期形成的湖相泥巖，反映了若干水進(jìn)型間斷面;根據(jù)煤巖顯微組分類型及含量變化，又可以劃分出若干水進(jìn)型沉積轉(zhuǎn)換面、水進(jìn)型間斷面、水退型沉積轉(zhuǎn)換面;這兩個(gè)地區(qū)煤層整體反映出的整體的水退和水進(jìn)旋回是可以大致對比的。

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合對鄂爾多斯盆地南部延安組一段超厚煤層的成因機(jī)制研究，筆者建立了多煤層疊加形成超厚煤層的成因模式，如圖7所示。煤層形成過程中，隨著水體的進(jìn)退，泥炭沼澤向陸地、向水體方向不斷遷移;水退階段，泥炭沼澤向水體方向遷移，在向陸一側(cè)，如位置A，可能會(huì)暴露出來，如果沒有碎屑素質(zhì)供應(yīng)，則形成水退型間斷面，表現(xiàn)為煤的惰質(zhì)組含量極高，鏡質(zhì)組含量極低;如果有碎屑物質(zhì)供應(yīng)，則形成煤層夾矸;在 B位置，表現(xiàn)為泥炭(煤)的連續(xù)堆積，但存在水退型連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面(不排除存在水退型間斷面的可能)，在煤巖顯微組分上表現(xiàn)為惰質(zhì)組含量很高，而鏡質(zhì)組含量很低; 在C位置，泥炭(煤)連續(xù)堆積，存在水退型連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面，表現(xiàn)為惰質(zhì)組含量很高，而鏡質(zhì)組含量很低。在水進(jìn)階段，泥炭沼澤整體向陸地方向遷移;在C位置，表現(xiàn)為相對深水的碎屑物質(zhì)暫時(shí)替代泥炭堆積形成夾矸;如果沒有碎屑物質(zhì)供應(yīng)，則表現(xiàn)為水進(jìn)型連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面，煤巖顯微組分表現(xiàn)為鏡質(zhì)組含量很高，而惰質(zhì)組含量很低;在B和A位置，表現(xiàn)為泥炭(煤)的連續(xù)堆積，存在水進(jìn)型連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面，煤巖顯微組分表現(xiàn)為鏡質(zhì)組含量很高，而惰質(zhì)組含量很低。圖6中大佛寺煤礦的煤層大致位于圖7中的B位置，而紅旗礦的煤層大致位于圖7中的 C位置。隨著水體的進(jìn)退，泥炭沼澤隨之發(fā)生橫向遷移，表現(xiàn)為煤層內(nèi)部存在相應(yīng)的間斷性面或連續(xù)沉積轉(zhuǎn)換面，可以根據(jù)這些界面劃分煤層發(fā)育的期次，進(jìn)而解釋原地堆積超厚煤層的成因機(jī)制。

圖6　鄂爾多斯盆地南部延安組4煤層內(nèi)水進(jìn)型、水退型界面劃分Fig.6　Water retreat and water inlet interface in Yan’an Formation No.4 coal seam in south of Ordos Basin

圖7　多煤層疊加形成超厚煤層模式Fig.7　Super thick coal seam formation model of multiple coal seam overlay

上述研究可見，超厚煤層并不能簡單的視為一個(gè)連續(xù)的沉積體，其內(nèi)部可能包含了許多反映水平面升降的信息，其內(nèi)包含了許多間斷面或沉積轉(zhuǎn)換面，因此可以將其視為一個(gè)煤層復(fù)合體，它的形成是由多個(gè)煤層相互疊加的結(jié)果，即在同一地區(qū)曾間斷的發(fā)育過多期泥炭沼澤，識(shí)別這些疊置的泥炭沼澤序列，可以幫助我們用將今論古的思想解釋現(xiàn)代和古代的泥炭沼澤發(fā)育［54，57］，也解釋了現(xiàn)存的單泥炭與超厚煤層之間厚度壓縮比例的矛盾。

3　認(rèn)識(shí)與展望

上述分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)理論所認(rèn)為的“泥炭沼澤水面上升速度與植物遺體堆積加厚速度長期處于均衡補(bǔ)償狀態(tài)”，乃至層序地層學(xué)理論所揭示的“泥炭堆積速率與可容空間產(chǎn)生速率長期處于均衡狀態(tài)”，并不能很好的解釋超厚煤層的成因，畢竟現(xiàn)在可以看到的泥炭層厚度最大不超過20 m(不排除世界上存在巨厚的泥炭層現(xiàn)在還沒有被發(fā)現(xiàn)的可能性)，這與將今論古的思想是相悖的。此外這種均衡狀態(tài)長期存在、構(gòu)造長期穩(wěn)定沉降的地質(zhì)條件也是非?？量痰?，是非常難以達(dá)到的。但不排除在超厚煤層發(fā)育期內(nèi)的某個(gè)階段長期存在這樣的“均衡狀態(tài)”。

超厚煤層的異地堆積理論和多煤層疊加理論，能夠從不同的角度解釋不同地質(zhì)環(huán)境中超厚煤層的成因機(jī)制。在斷陷盆地內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，可以為泥炭(煤)的再搬運(yùn)提供條件，常見異地堆積形成的超厚煤層，但不能排除多期泥炭沼澤演化形成的多煤層疊加;在拗陷盆地中，一般不具備泥炭(煤)再搬運(yùn)的條件，超厚煤層多為多煤層疊加形成，也不能完全排除異地搬運(yùn)的可能。雖然這兩種成因模式能夠較好的解釋超厚煤層的形成機(jī)制，但是一個(gè)超厚煤層的形成，可能存在一種或多種成因機(jī)制，并非只是有一種成因機(jī)制而成，因此超厚煤層的多元性成因，似乎更有利于解釋超厚煤層的形成過程。除了上述3種成因模式，還有沒有其他的成因模式，還有待于進(jìn)一步研究與完善。

此外，控制泥炭(煤)發(fā)生再搬運(yùn)的因素是什么?特別是多期泥炭沼澤為什么能夠在同一地區(qū)多期發(fā)育并相互演化，其控制因素是什么?他們的作用機(jī)理怎樣?查清了這新因素才能從根源上揭示超厚煤層的成因機(jī)制，而這些方面還有待遇進(jìn)一步研究。

煤作為一種重要而常見的地質(zhì)信息載體，成煤期的氣候條件、沼澤類型、成煤物質(zhì)、碎屑物質(zhì)注入、水平面變化、營養(yǎng)條件、構(gòu)造特征、極端事件、天體周期旋回等信息都輸入到該時(shí)期形成的煤中。因此，煤層是一個(gè)巨大的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，特別是超厚煤層，蘊(yùn)含著更為豐度的地質(zhì)信息。通過多手段、多方法挖掘煤層中的地質(zhì)信息，就可以恢復(fù)成煤期的基準(zhǔn)面變化、古氣候、古生物、古植物、古生態(tài)、煤相、火災(zāi)事件、氧化條件、構(gòu)造信息、時(shí)間信息等等，對古環(huán)境的認(rèn)識(shí)與重建，具有重要的指導(dǎo)意義。

因此，只有對煤層特別是超厚煤層的成因機(jī)制研究清楚了，才能更為準(zhǔn)確的去挖掘古環(huán)境信息、恢復(fù)古環(huán)境特征，才能最大限度的為地質(zhì)研究服務(wù)。

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中圖分類號(hào):P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253－9993(2016)06－1487－11

收稿日期:2015－09－14修回日期:2016－02－08責(zé)任編輯:韓晉平

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402086，41572090);山東省高等學(xué)?？蒲杏?jì)劃資助項(xiàng)目(J14LH06)

作者簡介:王東東(1983—)，男，山東濰坊人，講師，博士。Tel:0532－86057229;E－mail:wdd02_1@163．com。通訊作者:邵龍義(1964—)，男，河南靈寶人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:010－62339303，E－mail:shaoL@cumtb．edu．cn

Research progress in formation mechanisms of super-thick coal seam

WANG Dong-dong1，SHAO Long-yi2，LIU Hai-yan1，SHAO Kai3，YU De-ming1，LIU Bing-qiang2
(1．College of Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao266590，China;2．College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Science and Technology(Beijing)，Beijing100083，China;3．Shannxi Coalbed Methane Development Company Limited，Xi’an710119，China)

Abstract:In order to study the super-thick coal seam(thickness greater than 40 m)formation mechanism，many coal geologists have carried out some thorough researches，and have gained some fruitful results．Based on the traditional coal geology theory，if the peat mire water rising rate and plant body accumulation rate were in a state of equilibrium compensation for a long-term，it can form a thick coal seam，even the thickness can reach hundreds of meters．The peat thickness，according to certain compression ratio，can amount to thousands of meters，and the modern single peat thickness was no more than 20 m．This causes a huge contradiction between ancient and modern peat accumulation．The allochthonous accumulation genetic model，from the perspective of peat(coal)rehandling，explains the formation of some super thick coal seam，which are mostly developed in the fault basin．And the more stacked coal seam genetic model，from the angle of peat layer overlay，explains the formation of some super thick coal seam，which are mostly de-veloped in the depression basin．These models can help to reconcile the Law of Uniformitarianism with modern and ancient peat mire development．The formation of a super thick coal seam，also may be the result of the joint action of one or more genetic mechanism．However，many ways have yet to be studied in-depth，for example，whether there are other genetic models，the control factors and the mechanism of genetic models，and the abundant geological information contained in super thick coal seams．

Key words:super thick coal seam;isostatic compensation;allochthonous accumulation;more stacked coal seam;hiatal surfaces within coal seam;formation mechanism