十五章.ppt

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1、第十五章,煤地质学的进展,煤田地质学,第十五章 煤地质学的进展,1 成煤作用研究进展,2 含煤地层层序地层学研究,3 煤成油,第十五章 1 成煤作用研究进展,一、陆相成煤作用 大多数煤地质研究者认为，成煤作用发生在一个水进水退旋回中的水退期，这一成煤模式的核心思想是聚煤盆地演化具有阶段性，在这一阶段的后期，沉积体系中活动碎屑系统废弃而使盆地范围内大部或全部沼泽化，进而泥炭沼泽化。在泥炭堆积适宜的区域发生成煤作用且地壳沉降区得以保存的情况下形成煤。,第十五章 1 成煤作用研究进展,解释近海成煤环境如何形成的呢？ （1）盆地沉降一直持续，且整个泥炭生成范围内发生沉降，甚至向盆地方向沉降更大，导致滨

2、海平原洼地的形成，且泥炭堆积速率与沉降容纳速率保持平衡。 （2）碎屑物质绕过泥炭沼泽或以河流穿过泥沼地的方式到达海岸边缘带，使进积三角洲前缘或障壁体系后部的泥炭向盆地方向迁移出新的泥炭聚积区。,“陆相成煤模式”更能说明成煤的环境是在陆相条件下或者是在盆地水域退却的情况下，泥炭沼泽发育而成煤。泥炭沼泽是既不是水域也不是陆地，沼泽是水域与陆地的过渡环境。在成煤作用过程中，这样的过渡环境是非常关键的。水域体制将是制约泥炭沼泽发育程度和最终成煤的最关键因素。因此，水域体制是成煤作用理论中最重要的一个因素。,第十五章 1 成煤作用研究进展,第十五章 1 成煤作用研究进展,陆相成煤理论面临的挑战 泥炭沼泽

3、环境（水域与陆地的过渡环境）在成煤作用发生和盆地演化过程中到底持续多长时间，这关系到成煤作用的最后结果，因此，水域体制将是制约泥炭沼泽发育程度和最终成煤的最关键因素。对于盆地水域体制，在以往煤地质学中很少提及，仅仅用水域的退却和泥炭沼泽向盆地中心的扩展是不够。,二、海侵过程成煤和海侵体系域成煤作用 （一）海侵过程成煤机制 海进和海退是海陆交替型煤层形成的两个控制机制，所以可由此推测许多煤层构成的变化。在许多泥炭形成环境，地表起伏决定了成年河的最优剖面，这种最优剖面是侵蚀与加积达到平衡时建立起来的。,第十五章 1 成煤作用研究进展,第十五章 1 成煤作用研究进展,图15-1 海平面升降条件下最优

4、河流剖面的侧向迁移示意图（Diessel，1991） 1T0沉积；2T0-T1A侵蚀；3T0-T1A沉积；4T0-T1B侵蚀；5T0-T1B沉积,一般说来，在特殊的成煤环境下，沉积基准面可看作与地下水面一致，而泥炭形成与地下水和地表起伏有关系，地表起伏决定了成年河的最优剖面，这种剖面是侵蚀与加积达到平衡建立起来的。,T0T1A淹没原来已有的沉积物聚空间，使河流较平坦的部分减少缩短了河流剖面。,如果海平面下降到T1B，较低的滨海平原会遭受寝室，河道侵蚀会导致上流出现冲积沉积。,第十五章 1 成煤作用研究进展,由于对地下水具有重要的控制作用，而且相对海平面变化影响到河流坡降。因此，海水动态和煤系之

5、间的联系远远多于泥炭和海水的实际接触。在低位泥炭沼泽形成的煤层中，原基准面位置表现为岩性界面，而且，许多地层面在含煤层沉积中与原基准面位置一致。通过使用基准面的概念，Sloss（1962）将碎屑岩性体的形态定义为下列参数的函数： Q单位时间内进入沉积场所的碎屑物的数量；(Q碎屑岩和Q泥炭） R接受值，用沉降速率或单位时间内沉积基准面以下所增加的空间来表示； M供给沉积场所的沉积物，反映其结构和成分； D散失系数，用于表示沉积物（沉积基准面以下不能容纳的那个部分）从沉积场所运走的速率。,Sydney盆地Wynn煤层及相关地层形成的理想模式（Diessel，1991） 1-泥炭；2-压实泥炭；3-

6、泻湖泥；4-障壁沙；5-滨面粉-粉沙；6-有冲刷表面和滞留沉积的风暴流侵蚀。MSL-平均海平面；FWWB-晴朗天气浪基面,第十五章 1 成煤作用研究进展,第十五章 1 成煤作用研究进展,(1)海侵成煤过程 在泥炭堆积之前（图A）首先沉积陆源物质 ，可形成根土岩 ,不能形成泥炭（Q泥炭-D=0）。海面的持续上升使滨海湿地向陆发展，可形成图B所示的泥炭形成条件。随着更进一步海侵，沉积盆地增大的接受值（R）和物质供应量（Q泥炭或碎屑）之差造成的沉积空间的增大不能被植物的堆积所充填。如图C所示，在图示中心区域，泥炭由于覆水过深而停止发育。,海侵、海退条件下煤层形成的不同阶段示意图（据Diessel，1

7、991） S.L.-海平面；A，B，C，D-成煤阶段,Sydney盆地Wynn煤层及相关地层形成的理想模式（Diessel，1991） 1-泥炭；2-压实泥炭；3-泻湖泥；4-障壁沙；5-滨面粉-粉沙；6-有冲刷表面和滞留沉积的风暴流侵蚀。MSL-平均海平面；FWWB-晴朗天气浪基面,第十五章 1 成煤作用研究进展,第十五章 1 成煤作用研究进展,(3)海退成煤过程 在海退型泥炭加积开始之前（图C），图中的中心参数区是被水覆盖的。当海岸线前进时，泥炭开始在分流间湾的泥沼地中聚积（图D）。当盆地继续缓慢沉降且由于压实作用而使沉降速度加快时，植物碎屑供给速度及其风化减少之间达到平衡，直到陆生沉积物

8、前缘将泥炭埋掉为止，这种情况如图E所示，这时，又回到了图A所示开始时的条件。,（4）海侵(进）型煤系特征 关于最大海泛期煤层穿时的研究：山麓环境及相对坡度角较陡的滨海平原可形成较窄的强烈穿时聚集带，而在广阔平坦的地带（如三角洲平原），穿时现象微弱，使大面积形成的煤层似乎是同时的。 海进型煤系的特征：具有陆源沉积，煤层底板发育根土岩，顶板为湖泊或泻湖沉积，后者可被海相沉积所覆盖或被侵蚀取代。,第十五章 1 成煤作用研究进展,第十五章 1 成煤作用研究进展,右图中图C的海侵煤层顶板存在几种情况？分别位于什么位置？ 共2种，一种是海相顶板，其中，位于C图中间是海相顶板。 沼泽环境与什么样的沉积环境毗

9、邻？ 过渡性的泻湖、海湾、河口湾等与海相连,第十五章 1 成煤作用研究进展,劳济茨地区在早-中中新世海侵、海退相关的单个沉积单元。 （据G. Standke J. Rascher C. Strauss,1994 ）,第十五章 1 成煤作用研究进展,两种受海水影响的煤层Seyley图解 （Diessel，1991）,（二）具有海相顶板的海侵煤层的性质,1.化学特征,（1）煤化学方法是将碳和氢元素的百分含量绘在Seyler图上。可分为三个区域： 正常带或亮煤带 多数煤 高氢区 部分煤 低氢区 部分煤,正常带（亮煤带）,高氢区,低氢区,（2）高的含硫量和低的硫同位素比。具海相层顶板的煤中硫的分布是受

10、海水影响且煤层中的高含硫量始自泥炭期。,2.矿物学特征 受海水影响的煤层的一个显著特征是高黄铁矿。 在海进过程中由于加积或洪水使得泥炭浸泡在海水中，在煤中或是独有或是集中的矿物为白云石、方解石和磷灰石。 另外，还可见到黏土云母和高岭石矿物。,第十五章 1 成煤作用研究进展,3.煤岩学特征 具有海相顶板煤层的煤岩学实体与其他煤层相比，其煤岩组分的富集程度不同，尤其是在煤层剖面的上部，其煤岩结构中的暗色煤岩类型较为丰富。 具海相顶板的海侵煤层中高荧光强度和低反射强度在煤层剖面中并不是均匀分布的，而是集中在受海水影响最近的地方，如在煤层剖面的上部。,第十五章 1 成煤作用研究进展,在Pelton煤层

11、，被海相沉积物直接覆盖，向上镜质组反射率减小（A、 B 、 C ）、 镜质体荧光性增强 （ D） 一般较高的黄铁矿（G）和镜质组含量（E），后者也是海侵成煤的一个特征。 黄铁矿主要以小的同生结石保存于碎屑镜质体的基质中，而在接近黄铁矿时显示高的荧光性。,第十五章 1 成煤作用研究进展,新南威尔士Greta煤系中受海水影响的Greta和Pelton煤层垂直剖面中几种煤岩组分的分布（Diessel，1991）,F,三、幕式成煤作用 （1）产生背景： 中国南方石炭二叠纪海陆交互环境中的一些厚煤层横跨不同相区分布; 大面积连续展布煤层形成环境与下伏沉积物沉积环境没有必然联系。,第十五章 1 成煤作用研

12、究进展,（2）幕式成煤作用内容 由于海侵过程成煤的聚煤作用主要发生于海平面上升阶段，且此时区域基准面随着海平面的上升而上升，从而提供了有利于成煤的可容空间，使得厚煤层得以聚集。因此，在海泛期可能形成一个沉积旋回中分布最广泛的煤层，而且在最大海泛期可能形成沉积旋回中最厚的煤层或灰岩层。这种大范围的聚煤作用是由区域性的甚至全球性的海平面(基准面)变化引起的，它可以跨越不同的亚环境、不同的沉积相带甚至不同的盆地。 来源于海侵过程成煤，是海侵过程成煤理论的发展。,第十五章 1 成煤作用研究进展,幕式成煤作用与海平面变化关系密切相关 在幕式成煤作用发生期间，一次沉积事件和其中所包含的若干个次一级的沉积事

13、件都可能形成具有一定分布规模的煤层。大规模海侵事件形成煤层具有大区域的或盆地范围的分布范围规模（相当于层序地层学和成因层序地层学中的最大海泛期），而次一级海侵过程中形成的煤层具有较小区域分布规模（相当于正常的海泛沉积）。,第十五章 1 成煤作用研究进展,第十五章 1 成煤作用研究进展,幕式成煤作用与层序地层学原理相结合，可以划分出对应于不同级别海平面变化的成煤作用幕，并在层序地层格架中预测一次海平面变化旋回中聚煤中心的迁移规律及煤层的展布规模等。,陆表海环境下含煤旋回（准层序）形成过程与海平面变化 （据邵龙义，1997）,第十五章 1 成煤作用研究进展,Coal depositional mo

14、del of carbonate platform for the Late Permian coal bearing carbonate successions in Guizhou and Guangxi, Southern China.,海平面上升滨岸地区造成较稳定沉积序列,四.事件成煤作用 产生背景：我国华北陆表海充填中浅海相突然大面积覆盖在陆相沉积物之上，两者有明显相序缺失，看不到海水逐渐侵进的沉积记录。且华北盆地具备下列条件： 特殊古地理背景，海侵快速侵进，具有事件性； 海平面变化具有高频率和复合性； 海侵沉积涉及全盆地，海侵事件对盆地具有深刻影响。,第十五章 1 成煤作用研究进展

15、,a. 山东及邻区海相沉积与煤层的等时对比剖面,b. 柳林-阳泉间下煤组剖面形态图,c. 大同-阳城间下煤组剖面形态图,第十五章 1 成煤作用研究进展,鉴于在不少地区发现海侵组合与煤层具有密切关系，而不少海侵沉积被认为是事件海侵沉积，李增学等（1995）提出了海侵事件成煤作用的观点。,海侵事件成煤作用的基本内容是：海相沉积与煤层的组合受海平面变化周期的控制，海侵开始之初，可能导致在原有暴露的土壤基础上发育泥炭沼泽；这种泥炭沼泽是在陆表海盆地海水退出一个时期后，由于暴露土壤化，或者海水退出不是十分彻底，而使盆地处于一个浅水但不是一种典型水域的环境，这实际上是一种特殊的沼泽环境；由于这种环境持续相

16、当长的时间，植物茁生蔓延，泥炭沼泽进一步发展；这种泥炭沼泽不同于大陆上的泥炭沼泽，时常受到海水的侵扰；泥炭在后来大规模的海侵发生后被保存。,第十五章 1 成煤作用研究进展,晚石炭世至早二叠世中国北方晚古生代盆地海侵表现为快速侵进的过程。快速海侵对陆表海盆地泥炭沼泽的发育与中止、泥炭的堆积与保存起到了关键性控制作用。根据海侵持续的时间和规模以及聚煤作用的强弱，煤层与海相灰岩的组合具以下4种关系：,厚层灰岩与薄层煤层,薄层灰岩与薄层煤层,中厚层灰岩与薄层煤层,厚层灰岩与较厚层煤层,第十五章 1 成煤作用研究进展,海侵事件成煤发生示意图,第十五章 1 成煤作用研究进展,第十五章 1 成煤作用研究进展

17、,以上4种成煤理论的异同点： 第一，立论基础，均变论和突变论； 第二，煤层分布范围特点； 第三，等时性的运用 第四，沉积相过渡性,2 含煤地层层序地层研究,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,一、层序地层、海（湖）平面变化与聚煤作用 从我国聚煤作用与全球海平面变化的关系看，聚煤作用总体上发生在一级和二级海平面的下降期。 海陆交互相聚煤盆地聚煤作用同海平面的变化密切相关，海平面变化控制着富煤单元的形成和富煤带的迁移。 泥炭沼泽体系或泥炭沼泽相是层序地层的一个建造块，在空间上，与其他沉积体系或沉积相相互联系、相互毗邻；在时间上，煤层厚度是构造运动、海平面变化、沉积物供给的函数。,第十五章 2含煤地

18、层层序 地层研究,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,厚度大、分布广的全盆性的煤层，一般与三级海平面变化周期有关，形成于构造稳定期和调整阶段，即体系域的转化期，如LST和TST转化期，TST和HST转化期。 厚度及分布范围相对较小的煤层，主要与周期性准层序有关，一般发育于准层序的界面附近，与四级海平面变化有关，煤层泥炭沼泽体系覆盖在不同的沉积体系之上，煤层较薄。 次要煤层与幕式准层序、沉积体系的迁移有关，煤层发育在废弃的三角洲朵叶之上，侧向上相变为其他的沉积体系。薄煤层、煤线与沉积体系中的相有关，是活动碎屑环境下的产物。,陆相聚煤盆地，尽管有着不同的构造样式，但盆地都经历了初始充填、盆地扩张、

19、盆地萎缩三个构造阶段，所对应的盆地初始充填体系域、盆地扩张体系域和盆地萎缩体系域的聚煤作用具有明显的差异，其转换期一般为聚煤阶段，这一充填特征和聚煤特征在中新生代盆地具有相似性。,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,盆地初始充填阶段，以冲积扇和残积物的堆积为主，仅在废弃的冲积平原或其他长期积水洼地有局部的混炭堆积，形成薄煤层或煤线。伴随盆地构造活动的缓和，坑洼不平的古地形被填平补齐，在盆地初始充填体系域的后期，即盆地初始充填体系域和盆地扩张体系域的转换期，炭沼泽在已废弃的冲积扇、扇三角洲、河流、三角洲之上大面积发育，可容纳空间的形成速率和泥炭堆积速率基本相等

20、，形成较厚的煤层。 盆地扩张体系域中期，盆地持续沉降、扩张，湖平面快速上升，准层序向滨岸超覆迁移，煤层也向盆缘超覆迁移，聚煤范围明显缩小，有的盆地甚至终止聚煤作用，完全为湖相沉积所替代。,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,盆地扩张体系域和萎缩体系域的转化期以及盆地萎缩体系域的早期，为陆相盆地的第二个重要聚煤期。湖平面由快速上升转换为缓慢上升并开始下降，盆地由扩张期进入萎缩期，陆表暴露面逐步扩大，泥炭沼泽逐渐由滨湖带向湖心扩展，形成分布范围广、厚度大的煤层。 陆相断路盆地和大型拗陷盆地层序地层和聚煤作用的关系尚存在着一定的区别。,二、成煤环境的层序地层解释 以往的研究中，没有较多地考虑煤层组成

21、与推断的层序地层型式之间的关系。但是，将煤层放在层序地层模式中，考虑其附近沉积物的性质和成因、煤层组成和及其特征（包括光学性质），以及煤层是侧向同生的还是穿时的等都是重要的。如果这些问题解决不好，不仅失去了重要信息资源，而且会导致严重的解释错误。,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,图15-8给出了煤层在层序地层配置中的位置。模式中的重叠顺序是假设的，但也是可以实现的。小层序内之字模式被认为是次级的自旋回或异旋回的相对海平面变化的反映。,图15-8 层序地层环境中成煤模式图解 （据Diessel，1991） 1煤层；2冲击扇或冲积平原；3三角洲或潮间平原；4三角洲前缘或障壁砂坝；5近滨和远滨H

22、ST-高水位体系域;TST-海侵体系域；mfs-最大海泛面,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,在层序地层格架中，海侵体系域的煤层位于海侵体系域的底部，而海退成因的煤层则位于高位体系域的顶部。 煤层的发育都与海平面升降变化中的转折期有关，而海侵成煤成为陆表海盆地成煤的重要特色。在低级别的海平面变化周期内，适合泥炭沼泽发育的时间持续相对较长，尽管海平面波动对泥炭堆积产生重要影响，但泥炭堆积得以较稳定的进行且最终成煤。,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,海相成煤层序地层学研究总结,第十五章 2含煤地层层序 地层研究,盆地初始充填体系域和盆地扩张体系域的转换期，炭沼泽在已废弃的冲积扇、扇三角洲、河

23、流、三角洲之上大面积发育，可容纳空间的形成速率和泥炭堆积速率基本相等，形成较厚的煤层。 盆地扩张体系域和萎缩体系域的转化期以及盆地萎缩体系域的早期，为陆相盆地的第二个重要聚煤期。,陆相湖盆成煤层序地层学研究,3 煤成油,第十五章 煤地质学的进展,第十五章 3煤成油,一、煤成油概念及其基本热演化模式 （一）概念的由来 本书采用1990年的美国化学学会地球化学分会召开的会议提出的概念，即将煤成油理解为“煤和陆源有机质成油”。与煤系成油的区别，煤成油来源于沼泽相，而煤系总是或多或少包含其它相的。,只要煤的组分组成和成熟度适合，煤将表现为图15-9所示的演化规律,（二）基本热演化模式,图15-9 煤成

24、烃演化模式,第十五章 3煤成油,二、煤成油早期研究理论与实践 有关煤和油、气成因的记载最早可能是由俄罗斯学者罗蒙诺索夫1759年提出来的（波达波夫，1962）。本世纪30年代，我国学者不仅提出了煤和含煤岩系中的泥岩可能是生油岩的观点，还运用和创立了煤组分特征、实验方法和煤地球化学方法相结合的煤成油综合研究方法，这与当前煤成油研究中采用的研究手段颇为近似。,第十五章 3煤成油,通过原油的研究，人们也得出了煤能生油的结论。事实上，煤能成油的观点没有得到公认和重视，其最根本的原因是煤炭的储量和油田的形成之间太不成比例。从上述的讨论可以看出，在20世纪60年代以前，虽有像西北爪哇盆地这样的真正由腐泥煤

25、为主形成的有工业意义的油田，但人们并没有从理论上讨论煤层能形成有工业意义的油田的问题。,第十五章 3煤成油,三、20世纪70年代以来煤成油研究理论与实践 20世纪60年代中期，在澳大利亚吉普斯兰盆地含煤岩系内油田的发现为煤成油研究带来了新的动力。 自20世纪80年代以来，国际上煤成油的研究一直是一个热门的课题。,第十五章 3煤成油,90年代以来，专门论及煤成油气方面的专集（Law et al.，1993;Scott et al.，1994）和层出不穷的文章使人目不暇接，其中不乏煤成油研究的总结性文章（Murchison，1987；黄第藩等，1992；胡社荣等，1995，1996，1997；侯慧敏等，1997；Huang et al.，1997）。,第十五章 3煤成油,总结,一、成煤作用进展主要表现的方面 二、海侵过程成煤机制分析 三、幕式成煤机理及其应用 四、事件成煤机制 五、含煤地层层序分析中煤层的作用,本章重点,一、海侵过程成煤机制分析 二、事件成煤机制 三、含煤地层层序分析中煤层的作用,