層序地層學在聚煤規(guī)律研究中的應用

層序地層學在聚煤規(guī)律研究中的應用

自20世紀80年代以來，該層序地層學得到了廣泛的應用，取得了良好的實際效果并豐富。1從盆地的演化過程來分析煤炭聚集和保存問題1930年,Weller提出的“旋回層”是層序地層學出現前解釋煤層的旋回性現象的重要概念從20世紀60年代開始到80年代初,煤田地質學家們把煤層的形成與具體的沉積環(huán)境結合在一起進行研究20世紀80年代,地質學家們開始從盆地的整個演化過程去分析煤層的形成過程,并通過對盆地的水平面變化、構造因素及氣候因素等方面的研究,理清了一些以前煤田地質學家們沒有搞清的煤炭聚集和保存問題。地質學家們又開始關注旋回層中煤層的分布和發(fā)育位置,如Ryer和陳鐘惠在研究不同盆地的含煤旋回層時都認為煤層主要形成于海侵與海退之間的海平面最大位置2沉積物供應速率預測層序地層學是基于全球海平面變化具有全球周期性及層序地層的發(fā)育樣式受海平面變化、構造沉降、氣候變化及沉積物供應速率4個因素控制的基礎上發(fā)展起來的,具有預測功能的地層學分支學科。層序地層學為地質人員研究相對等時地層單元內的巖相的分布及空間配置提供了一種有效手段,以往對于含煤巖系中存在的一些問題,應用層序地層學的基本原理都能較好地解決,例如,最厚煤層的發(fā)育位置及煤中各種煤巖組分在垂向的變化關系等。2.1海侵和海退過程地層1992年,Diessel基于經典層序地層學的概念模型,在研究近海含煤巖系層序地層基礎上,分析了煤層的厚度在海侵和海退過程中的變化,并且論述了煤層在不同體系域的變化情況。從圖2可以看出,在最大海泛時的4級層序的海退過程也能形成很厚的煤層。從那以后,煤田地質學家們開始用新的地層學觀點思考老的煤田地質學問題,比如現在泥炭沼澤不能反映的最厚煤層的分布問題。另外,Diessel及其他地質學家還詳細研究了煤層中化學成分及礦物成分在海侵和海退過程中的變化情況,例如,在含鹽海水影響過的煤層頂、底板的鏡質體反射率均有減小的現象,并把這種現象解釋為含炔烴海水的滲慮作用造成的,炔烴在泥炭演化過程中抑制了有機酸的形成,從而為厭氧細菌的生長提供了有利的環(huán)境,厭氧細菌死亡后與鏡質體結合在一起增加了鏡質體的氫含量,進而造成鏡質體反射率較小。在Diessel的一個層序的海侵和海退聚煤模式中,海侵體系域底部的煤層多發(fā)育于次級層序的海侵過程,而海退過程往往缺失;最大海泛時期和高位體系域早期形成的煤層,既有次級層序海水升高時形成的煤層,也有海水降低時形成的煤層;這些時期形成的煤層往往隨著海平面向陸地遷移而向陸地方向移動,早期形成的泥炭多被后期海水淹沒,由這種海侵造成的泥炭向后遷移形成的煤層是一個穿時界面;最大海泛時期和高位時期形成的次級層序的海退煤層也是跟隨海平面的下降而向海遷移,形成的煤層會被陸相的沖積環(huán)境所沖刷,且整個煤層是不等時的。在Diessel的層序地層聚煤模式中所描繪的最大海泛面附近形成的最厚煤層,實際上是很多高頻的層序形成煤層的復合體我國學者何起祥根據我國北方石炭紀海陸交互沉積及形成的海相層在大區(qū)域內具有較好的穩(wěn)定性和等時性2.2可容空間變化對煤層厚度、形態(tài)及連續(xù)性的影響一般情況下,海平面被近似看作基準面,在基準面之下的沉積物可以被保存下來,基準面之上的部分遭受侵蝕?？扇菁{空間是沉積物潛在堆積的空間,它受控于基準面的變化。在泥炭堆積過程中,只有泥炭的生產速率與可容納空間的增長速率相近時才有利于泥炭的堆積和保存,而泥炭的生產速率低于可容納空間的增長速率時,泥炭沼澤將會被水體淹沒而終止,泥炭的生產速率高于可容納空間的增長速率時,泥炭沼澤將會暴露于氧化條件下而遭受分解和沖蝕。Bohacs和Suter認為,控制煤層形成的最根本因素是可容納空間的變化速率和泥炭的生產率之間的比值。他們還討論了在可容納空間的變化速率和泥炭的生產率比值的變化過程中煤層厚度、幾何形態(tài)及連續(xù)性的變化,并根據基準面的變化速率劃分為6種情況a.當可容納空間的增長速率小于零時,即低位體系域早期海平面的迅速下降期,泥炭堆積在垂向上很難連續(xù)進行,由于較低的可容納空間常出現沉積過路和陸上的河道侵蝕作用,很難有很厚的泥炭被保存下來,因此形成的煤層多是相對較薄的、孤立的及灰分較高的煤層。b.在低位體系域晚期海平面相對上升期和高位體系域晚期,此時的可容納空間的增長速率低到中等,這種情況下由于可容納空間的增長速率變?yōu)檎祷蛘谠黾?所以為泥炭聚集提供了穩(wěn)定的發(fā)育條件及上升的潛水面,因此泥炭迅速填滿發(fā)育地的可容納空間,并向側向擴展到合適的地方進行聚集(遠離碎屑沉積物),此時形成的煤層厚度中等,但連續(xù)性好。c.在海侵體系域發(fā)育早期和晚期及高位體系域早期,此時的可容納空間的增長速率中等到高,與泥炭的生長速率相近或略高,泥炭堆積場所的可容納空間足夠泥炭進行堆積,因此泥炭的側向擴展較差,此時形成的煤層厚度較大,但多是孤立的煤層。d.在海侵體系域發(fā)育中期,由于可容納空間的增長速率非常大,泥炭的堆積速率遠不及可容納空間的增長速率,因此泥炭在垂向上迅速演變?yōu)樗樾汲练e,多形成薄的不連續(xù)煤層。Bohacs和Suter通過對可容納空間對煤層厚度、幾何形態(tài)及連續(xù)性控制作用的討論認為,泥炭大量堆積的條件是可容納空間的增長速率與泥炭的生長速率相近或略大,這種條件下形成的煤層多是孤立的和很厚的煤層,這樣的條件多出現在低位體系域晚期至海侵體系域早期以及海侵體系域晚期至高位體系域早期;另外可容納空間的增長速率和泥炭的生長速率之比較小時,形成的泥炭多被剝蝕,較高時泥炭的聚集作用多被水體的增高所抑制?？扇菁{空間的變化對煤層形成的控制作用不僅適合于近海含煤巖系,而且也適合于陸相湖盆發(fā)育的含煤巖系中,這在我國東部中新生代含煤斷陷盆地中表現較明顯;我國東北中新生代含煤盆地形成的煤層多發(fā)育于盆地演化的湖泊擴張期和湖泊萎縮階段邵龍義在研究我國海相煤系層序地層學時認為,煤層發(fā)育于海相層滯后時段無論海相盆地還是陸相盆地,適量的可容納空間是泥炭大規(guī)模堆積的前提,沒有足夠的可容納空間,泥炭堆積將會出露地表,遭受氧化分解和剝蝕,可容納空間過大泥炭堆積會被水體的擴張所抑制,因此,可容納空間是泥炭堆積過程的關鍵因素。2.3巨厚煤層的地質模型一些地層學專家比較支持在以不整合面及與之相對應的整合面為邊界的經典層序中研究煤層的聚集;一些地層學專家則支持以最大海泛面為邊界的成因層序地層學中研究煤層的聚集,因為巨厚煤層多是在最大海泛面附近聚集,而且在聚煤時期缺少成因層序地層學家描述的碎屑沉積物的流入。Hamilton和Tadros在其研究中認為,主要的、分布范圍廣的煤層可以作為最大海泛面即成因層序地層學的邊界李思田在研究我國東北中新生代斷陷湖盆的聚煤特征時發(fā)現,巨厚煤層的存在和煤層的強烈分叉是斷陷盆地典型特征,煤層最厚的部位厚度從數十米至200余m,但厚煤層僅分布于盆地一定范圍內,向周圍數百米距離即迅速分叉(圖5),有時分叉后出現數十層乃至百余層薄煤層;并且他認為煤體的形態(tài)特征在橫向上的變化是有規(guī)律的,且可以分出下列3帶Banerjee在研究加拿大西部晚白堊世含煤盆地時建立了互偶煤層出現的地質模型(圖6)。在該地質模型中,突出顯示了海侵與海退兩個時期形成的煤層為一對互偶煤層Banerjee的四級層序互偶煤層地質模型解釋了煤層分叉和合并現象在層序地層學上的表現,多個四級層序在各自的最大海泛面附近形成的煤層在向陸地的同一地點附近的疊覆形成巨厚煤層。但Banerjee的四級層序互偶煤層地質模型的海侵煤層底面和海退煤層頂面并不一定等時,如果在理想情況下兩個四級層序形成的煤層相互疊覆,那么后期形成的四級層序的海侵煤層應該與前一個層序的海退煤層直接接觸或夾雜一些碎屑沉積,則這些四級層序的頂底界面存在于煤層中間。巨厚煤層不能簡單的作為成因層序的最大海泛面,但在巨厚煤層中可應用有機巖石學和地球化學方面在垂向上特征的變化,來確定厚煤層或巨厚煤層內小層序的變化特征,從而確定可容納空間及海平面的變化情況。Diessel在研究加拿大西部白堊紀Gates組厚煤層時,應用有機巖石學和地球化學方面特征在厚煤層中識別出可容納空間的轉換面(ARS)及泥炭沼澤開始發(fā)育時的泥炭開始聚集面和泥炭沼澤發(fā)育過程中海泛停止面3層序地層研究從層序地層學應用到泥炭聚集研究的20a間,國內外含煤巖系層序地層研究已經取得了巨大成就,但還存在許多不足之處,應從下面幾個方面對含煤巖系層序地層學著重研究:a.應加強含煤盆地中分布范圍小、厚度薄、層數多以及具生烴能力的煤層在層序地層中分布位置的研究,以及這些具有生烴能力的煤層與控制層序地層發(fā)育的各因素之間關系的研究。b.層序地層學的觀點是在海相地層研究中提出的,過去研究含煤巖系層序地層也多是在海相含煤地層中進行,而在陸相湖盆以層序地層學觀點去研究煤層的分布、厚度和形態(tài)還較少。因此,加強對陸相湖盆含煤巖系層序地層及其與海相含煤巖系層序地層學差異的研究,從而大大促進了含煤巖系層序地層學的發(fā)展。c.煤田地質學家們多研究煤層在高級別層序中的發(fā)育位置和分布,但對煤層在低級別層序中的位置和低級別層序劃分過程中的作用研究較少,比如煤層是發(fā)育在小層序的界面還是在小層序內部等問題。d.在我國陸相含煤層序地層學研究中,應加強地球化學和煤巖學參數在含煤巖系層序地層學劃分中的應用。4巨厚煤層在盆地層序地層界面的地位a.對含煤地層的研究最早是在旋回層中進行的,當時人們只是簡單地認識到含煤地層多具有旋回性,并且煤層多發(fā)育于旋回層的一定部位,但并不明白其中的控制因素;20世紀60—80年代,煤田地質學家們開始重點研究煤層在具體沉積環(huán)境中的聚集作用,并且建立了不同沉積環(huán)境的聚煤模式;20世紀80—90年代,人們開始從盆地角度去研究煤層的形成過程,并在構造因素和氣候因素方面對泥炭聚集方面的影響進行了分析。b.20世紀90年代以來,人們開始用層序地層學觀點來研究煤層的分布、厚度及形態(tài)等問題。Diessel(1992)第一次用經典層序地層學理論對煤層的形成進行了解釋。c.在泥炭沼澤發(fā)育條件和煤層形態(tài)、厚度及連續(xù)性等方面的研究中,Bohacs和Suter認為:可容納空間的變化速率和泥炭聚集速率的比值是控制泥炭沼澤發(fā)育的最根本因素,這種觀點也得到了多數煤田地質學家們的