每个聚煤模式所反映的沉积环境、聚煤条件、煤层分布,甚至煤岩、煤质特征,以及其他控制因素都不相同。世界各国的地质学家相继提出了多种聚煤模式,主要有三角洲海岸、非三角洲碎屑海岸、碳酸盐海岸、河流、冲积扇-扇三角洲、湖泊-湖三角洲、海侵过程、海侵事件、海相层滞后时段等聚煤模式。
聚煤模式
认识、解释聚煤作用和过程的理想简化形式。
- 英文名称
- coal-accumulating model
- 所属学科
- 地质学/地质资源与地质工程
从20世纪60年代开始,美国学者发现许多煤层的参数(如厚度、横向稳定性、顶底板岩性、硫和痕量元素含量、灰分等)都与泥炭堆积时的沉积环境及同生构造的控制有关。进而总结出了从障壁岛—下三角洲平原—上三角洲平原—冲积平原的煤沉积环境模式。认为障壁岛后沼泽形成的煤层薄,含硫高,煤层沿障壁砂坝走向延伸;下三角洲平原的成煤沼泽顺分流河道两侧的天然堤发育,形成的煤层沿沉积倾向连续、走向不连续,煤层薄,常有泥质夹层;上三角洲平原至河流冲积平原的泥炭,堆积在河道两侧的泛滥盆地中,煤层呈透镜体状,横向连续性差,常为低硫煤;冲积平原过渡带的泥炭层,发育在分流间湾内被决口沉积物充填而成的广阔平台上,煤层厚度稳定,横向连续性好。此外,沉积速度快的阿巴拉契亚山脉南部,煤层稳定性差,含硫低;阿巴拉契亚山脉北部沉积速度慢,煤系厚度小,煤层稳定、含硫高。
1974年,美国学者A.C.唐纳森根据浅水三角洲与深水三角洲砂体几何形态的不同,将美国西弗吉尼亚晚石炭世煤系的沉积环境与现代河流作用占优势的瓜德鲁普浅水三角洲对比,认为在废弃的浅水三角洲朵体的砂质平台上成煤环境颇佳,浅水三角洲模式与成煤作用关系更为密切。中国华北南部晚古生代石盒子群的成煤模式属此类型。
非三角洲的滨海平原也是沼泽发育的有利场所。小潮海岸(潮差小于2米),因障壁岛连续性好,潟湖水体深,水域面积大,环境比较闭塞,障壁岛后潟湖潮坪上发育的泥炭层薄,含硫高。中潮海岸(潮差为2~4米),因障壁岛常被入潮口潮道切割而不连续,潟湖水域小而浅,封闭性差,在潮坪砂泥互层沉积物上发育的成煤沼泽面积广,障壁砂坝阻挡了海水的侵袭,因而可以形成厚的低硫煤。中国华北南部山西组的主要煤层即形成于中潮海岸障壁后潮坪、潮道沉积物形成的滨海平原上。
碳酸盐海岸成煤作用的典型实例为中国广西合山上二叠统的煤系。广西合山上二叠统的煤系碳酸盐岩在煤系中占绝对优势,仅煤层底板有含植物根系的泥岩存在,泥岩中甚至含腕足类等浅海动物化石碎片。海岸成煤沼泽面积大,但很容易被海水淹没,因此煤层厚度不大,横向稳定,煤质含硫高。
河流沉积有3种相模式:①辫状河模式。河道浅而宽,横向摆动频繁,保存下来的常是洪水期粗碎屑沉积物,不利于成煤沼泽的发育。②曲流河模式。河道弯度大,两侧的漫滩沼泽、牛轭湖是有利的成煤场所,但形成的煤层横向连续性差。③网结河模式。河道被分支河道间富泥质的植被岛所限,不易发生横向摆动,泥炭得以在植被岛内持续堆积,但横向被砂质河道充填物截切,成煤环境多与中部凸起的高位沼泽有关。与河流环境有关的沼泽为淡水环境,形成的煤均为低硫煤。
成煤沼泽常见于断陷盆地近边部,沿扇前地下水溢出带沼泽易发育在冲积扇的朵体之间,或废弃的扇三角洲朵体之上。由于盆缘同沉积断裂的活动,近盆缘处沉降和沉积速率快,厚煤层自盆内向盆缘方向分叉变薄,煤质含硫低,但灰分偏高。
与大型湖泊-湖三角洲环境有关的煤,形成于废弃的湖三角洲朵体或湖湾被决口沉积物充填的浅水平台上。与陆表海相似的大型湖泊,常分布在波状坳陷的构造背景下,水域面积可以相当大,但一般不深,容易被多源河流带来的沉积物充填淤浅而沼泽化成煤;其介质为淡水,形成的煤含硫低,向深水区过渡煤层变薄尖灭,煤的灰分和硫分也相应增加。例如,中国鄂尔多斯中侏罗世早期湖三角洲平原和湖滨平原,形成低灰、低硫、低磷、高发热量、储量巨大的优质煤。
随着海侵的推进,成煤作用逐渐向陆上迁移。成煤作用与海侵过程密切相关,先形成的泥炭被海水淹没,这样所形成的煤层具有穿时性。这一成煤理论和模式来源于边缘海盆地聚煤作用的分析成果。
海侵事件成煤概念主要强调海侵事件的属性,这种事件又对聚煤作用起控制作用,但泥炭堆积并非事件。事件成煤作用发生于事件海侵之后;泥炭堆积则发生于大规模海侵之前的海平面振荡作用期间,是海侵沉积序列的开始。因此,煤层与其直接上覆的海相灰岩为一种事件沉积组合,泥炭的煤化作用发生过程完全处于深水还原环境条件下,凝胶化作用比较彻底。由于这种使泥炭被快速淹没且处于深水环境的过程是一种突发性的事件,因此煤层与海相灰岩间的海侵面是等时的,煤层和其顶板海相灰岩也是等时沉积层。可以认为,海相层、煤层为单一的同性相,分布面积广、横向稳定,同时它们也是等时相,可以成为地层对比标志。
煤层形成于海平面上升过程中的碳酸盐沉积滞后时段。滞后时段指在海平面上升至碳酸盐台地之上到碳酸盐开始沉积之间的一段时间。
扩展阅读
- 张鹏飞.含煤岩系沉积环境分析.北京:煤炭工业出版社,1993.
- 李增学.海侵事件与海侵成煤机制研究.北京:地质出版社,2010.