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第八章含煤沉积体系和相煤地质学§1含煤岩系及其旋回特征第八章含煤沉积体系和相§1含煤岩系及其旋回特征一、含煤岩系及其同义词1.含煤岩系：指一套在成因上有共生关系并含有煤层的沉积岩系。同义词有:含煤沉积、含煤地层、含煤建造、煤系等。含煤岩系的简称即“煤系”。§1含煤岩系及其旋回特征2.属性特点:(1)具有三维空间形态的沉积实体，是特指含有煤层的一套沉积岩系，是充填于含煤盆地(含煤盆地与聚煤盆地的区别）的具有共生关系的沉积总体。(2)含煤岩系的顶底界面不一定是等时性界面，即可以是等时的也可以不等时的。(3)含煤岩系的形成要求：古构造、古气候、古植物和古地理。§1含煤岩系及其旋回特征二、煤系及其岩性特征1.颜色:主要以灰色、灰绿色及黑色的沉积岩组成，含有一定的杂色岩石。主色调:暗色。2.岩石类型:各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥质岩、碳质泥岩、煤、粘土岩、石灰岩，以及少量的砾岩等，有的还含有油页岩、硅质岩、火山碎屑岩等，这些岩石一般交互出现。§1含煤岩系及其旋回特征3.不同地区岩性差异大:不同时代、不同地区的含煤岩系，其岩性组成差异很大，这主要取决于含煤岩系沉积时的古地理和古构造。含煤岩系岩性组合特征Ⅰ-以粗碎屑岩为主;Ⅱ-以细碎屑岩为主;Ⅲ一以碎屑岩为主夹多层石灰岩;Ⅳ-以石灰岩为主;Ⅴ-以火山碎屑岩为主（有玄武岩）§1含煤岩系及其旋回特征4.火山作用对成煤作用的影响:含煤岩系中往往含有厚度不等的火山岩及火山碎屑岩，因为火山作用可为成煤物质繁衍提供大气及土质条件。5.含植物化石与各种结核:含煤岩系中含有大量植物化石，也有的含有较丰富的动物化石及各种结核。如黄铁矿结核、菱铁矿结核等。6.旋回结构清楚：含煤岩系一般具有较好的旋回结构。因为盆地聚煤作用具有阶段性，煤层一般是在一定的盆地充填阶段形成，煤层就是一个沉积阶段的产物。§1含煤岩系及其旋回特征三、煤系的旋回结构1.含煤沉积旋回煤系的旋回结构是煤系的重要特征，它反映了煤系沉积层序中有共生关系的岩性、岩相等特征有规律的重复交替现象。2.旋回的类型反映煤系旋回结构的岩层特征多种多样。例如，根据岩石的粒度特征，称粒度旋回，依据岩层的厚度、层理类型，称为层序旋回，也有的仅依据岩石类型特征等。综合运用多种岩层特征确定出沉积相，从而反映出的旋回称为沉积相旋回。§1含煤岩系及其旋回特征3.煤系旋回的划分①传统的美国学派将旋回底界选定在有冲蚀作用的河道砂岩之下；②欧洲学派将旋回的底界定在煤或根土岩与上覆的海相页岩或石灰岩之间；③三角洲学派则将旋回底界选定在海相石灰岩和上覆前积页岩或向上变粗的砂页岩层序之间。PAPTPTAPAPTAPTAA5A4A4A3A2A1E6E5E4E3E2E1D7D6D5D4D3D2D1123456相美国学派欧洲学派三角洲学派不同方法确定旋回界线的比较1-水道砂岩；2-向上变粗层序；3-含贝壳的页岩；4-含贝壳的灰岩；5-煤；6-根土岩；P-前积相；A-加积相；T-海侵相§1含煤岩系及其旋回特征④海进-海退旋回的划分以海退为旋回起点还是以海侵为起点。对于煤系旋回的划分，以海退为起点还以海进（侵）为起点划分旋回，要分析煤层的成因特点与聚煤作用。§1含煤岩系及其旋回特征4.煤系旋回结构的成因分析煤系旋回结构形成的原因主要有沉积成因、构造成因及气候变化成因。①沉积作用因素是指在一种沉积体系内部，其沉积、搬运能量所发生的周期性变化。如河道的曲流迁移作用所引致的周期变化；决口扇沉积中的周期性洪泛变化中；潮汐沉积中，由于涨落潮所引起的周期性变化；水下重力流的周期性变化；冲积扇沉积中间歇性水流、脉冲流等的周期性变化；三角洲沉积中，在进积、退积中三角洲朵叶的迁移、摆动等周期性变化等。§1含煤岩系及其旋回特征②气候的周期性变化，所形成的旋回结构也是多样的。如冰川作用和冰川消融作用的交替，影响大区域或全球的海面升降变化，因而造成滨岸沉积的旋回层序。③地壳运动因素引起的旋回结构往往分布范围较广，规模较大。与造陆运动的不同周期升降有关。水平方向的地壳构造运动也可引起沉积作用的周期性变化。1912年Udden最先揭示了北美伊利诺斯煤田石炭纪含煤岩系的旋回结构，指出它通常表现为根土岩—煤—海相灰岩或页岩—根土岩—煤这样—种重复层序。第八章含煤沉积体系和相§2煤层§2煤层一、煤层及其形成1.煤层是一种特殊的沉积岩层：由泥炭层经过成煤作用和沉积作用转化而来，为层状矿床，具有一定的层位和分布空间。§2煤层2.泥炭的堆积保存必须具备的条件：①植物的大量繁殖--这是泥炭的物质来源，②沼泽水位的逐步抬升--以避免有机质的氧化分解，③碎屑沉积物的贫乏--以保证泥炭质量。只有泥炭层堆积界面的增高和沼泽水面的抬升保持均衡，泥炭层才能不断增厚。这种均衡状态一旦遭到破坏，泥炭的堆积过程就随之终止。§2煤层植物遗体堆积速率与沼泽水面上升速率的关系-补偿关系:可以用泥炭沼泽基底或盆地基底的沉降速率与泥炭堆积速率的关系论述。沉降速率＞堆积速率:欠沉降速率＜堆积速率:过沉降速率＝堆积速率:均衡-可以形成厚煤层三种补偿关系§2煤层3.煤层形成的条件：必须具备泥炭堆积的条件，同时又必须具备泥炭层保存的条件。这就是说当泥炭层堆积之后，只有在地壳沉降的构造背景下，泥炭层才会被上覆沉积物掩埋而保存下来。§2煤层4.煤层形成不是单一作用,而是复杂的作用过程：由于各种地质因素的影响,沼泽水面抬升和植物遗体堆积加厚之间的平衡状态是有条件的、相对的和暂时的。泥炭堆积的整个过程中,往往是不同补偿方式的反复交替,因而形成不同的煤层形态和煤层结构。厚煤层和巨厚煤层形成的地质条件是一个值得研究的重要课题。2009年新疆地矿局在吐鲁番地区沙尔湖勘查区钻孔发现单层厚度达217.14m的巨厚煤层。§2煤层二、煤层的结构和顶、底板（一）煤层的结构1.煤层结构：煤层中是否含有其他岩性层或结核层。（1）简单结构：煤层包含煤分层和岩石夹层，不含夹石层者称为简单结构煤层；（2）复杂结构：含有夹石层者则称为复杂结构煤层。2.煤层中的夹石层：煤层中的岩石夹层俗称夹矸。粘土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩或砾岩。注意同一煤层的结构不是固定不变的！§2煤层（二）煤层顶板、底板1.概念在正常地层层序情况下，直接位于煤层之下的岩层，称为煤层底板；而煤层的直接上覆岩层，称为煤层顶板。2.顶板与底板岩性特征煤层底板以泥岩、粘土岩最为常见，富含植物根茎化石和不规则滑面，俗称根土岩。但并非所有煤层之下都有根土岩，可能与异地堆积有关。煤层顶板的岩石类型多种多样，最常见的是泥岩、粉砂岩、砂岩和石灰岩，这主要取决于泥炭沼泽所处的沉积环境。1.顶板(1)伪顶直接位于煤层之上极薄、松软的随采随落的极不稳定岩层，通常是由强度低、易垮落的炭质泥岩组成。其厚度一般在0.5m以下。(2)直接顶位于伪顶之上或直接覆盖于煤层之上的一层或几层岩层，通常由砂质页岩、泥岩、粉砂岩等比较易垮落的岩层组成。(3)基本顶又称老顶。位于直接顶之上，或直接覆于煤层之上，通常由厚(大于2m)而坚硬的砂岩、砾岩、灰岩等组成。§2煤层2.底板(1)直接底直接位于煤层之下，强度较低的岩层，通常是由泥岩、炭质页岩、黏土岩组成，遇水常易滑动或吸水膨胀。(2)基本底又称老底。位于直接底扳之下，也有直接位于煤层之下的，通常是由比较坚强稳定的砂岩、石灰岩等组成。§2煤层§2煤层3.煤层与顶板的接触关系（1）明显接触：明显接触是指煤层与顶板接触界限分明，界面平整，反映了沉积环境的迅速变化（如：灰岩）。表明沉积环境变化较快！（2）过渡接触：过渡接触是指顶板和煤层之间夹有薄层炭质泥岩、泥岩，或炭质泥岩与煤薄层的互层（俗称伪顶），反映了泥炭沼泽向覆水盆地的逐渐演化。表明沉积环境是渐变的！（3）冲蚀接触：冲蚀接触通常表现为冲积相砂砾岩对下伏煤层的冲蚀（如：冲积河道）（老顶）。表明沉积环境是剧变的！§2煤层三、煤层中的结核和化石1.煤核：煤层中常常含有各种不同矿物成分的结核，亦称煤核。煤核的形态、大小不一，基质成分也各不相同，主要是钙质、黄铁矿质浸入植物（或动物）残体内部而成。2.化石：煤层中还发现动物化石，例如，我国山西太原西山煤田太原组、浙江长兴煤田龙潭组的煤层中都发现了珊瑚、腕足类和有孔虫化石，是海水内侵泥炭沼泽的证据。§2煤层四、煤层厚度、煤层形态及其控制因素（一）煤层厚度和形态1.煤层厚度：厚度是指煤层顶、底板岩层之间的垂直距离。依据煤层结构，可将煤层分为总厚度、有益厚度和可采厚度。煤层总厚度是煤层顶、底板之间各煤分层和夹石层厚度的总和；有益厚度是指煤层顶、底板之间各煤分层厚度的总和；可采厚度是指在现代经济技术条件下适于开采的煤层厚度（目前，我国规定可采厚度为0.7m）。§2煤层2.煤层厚度分级极薄煤层：0.3～0.5m；薄煤层：0.51～1.3m；中厚煤层：1.31～3.5m；厚煤层：3.6～8.0m；巨厚煤层：大于8m。煤层厚度§2煤层3.煤层形态指煤层的空间展布特征，分为层状、似层状和不规则状三类：层状煤层：连续层状，层位稳定，厚度变化不大，且有一定规律，在一个井田内全部或大部可采。似层状煤层：基本连续，层位比较稳定，厚度变化较大，且无一定规律。常见有藕节状或串珠状。不规则煤层：层位不稳定，基本不连续，厚度变化大，且无规律可循。常见有扁豆状或透镜状。§2煤层（二）泥炭沼泽基底不平对煤层形态和厚度的影响1.成因：当泥炭沼泽发育在古侵蚀基准面上时，首先在低洼处生长和堆积了植物质形成的泥炭层，且相互隔离；随着区域性沉降或地下水位抬升，隔离的泥炭沼泽逐渐连成一体，泥炭层才在盆地范围内堆积。§2煤层泥岩灰岩砂岩灰岩C2h2m20m湖北早二叠世梁山组煤体形态§2煤层2.识别标志：（1）煤层底板或基底岩层界面呈不规则起伏，而煤层顶板界面比较平整，即“顶平底不平”。（2）煤层厚度变化急剧而不规则，且通常位于含煤岩系剖面的底部或下部。§2煤层AA′+140+130+120+110+100BB′(a)AA′BB′(b)(c)24351图4-3辽宁阜新煤盆地泥炭沼泽基底不平图示a—平面图；b、c—剖面图1—泥岩；2—砂岩；3—砾岩；4—巷道；5—煤层底板等高线110辽宁阜新煤盆地泥炭沼泽基底不平图示(a)-平面图；(b)、(c)-剖面图1-泥岩；2-砂岩；3-砾岩；4-巷道；5-煤层底板等高线（3）基底古地形低洼处煤层增厚，向凸起部位变薄或尖灭。煤层的分层或层理被下伏基底岩层界面所截，上下分层呈超覆关系。§2煤层（三）煤层形态和厚度变化的沉积控制1.煤层分岔与尖灭由于楔形碎屑沉积体的插入，有机质的堆积暂时被碎屑沉积所代替，碎屑注入一旦停止植被重新繁殖，泥炭再次沉积，煤层由单一煤层分岔为两个或以上煤分层或独立的煤层。煤层分岔可以表现为多种样式：单一分岔；多个分岔；单方向分岔；分岔又合并。§2煤层(c)(b)(a)图4-4煤层分岔类型(据Britten,1975)透镜状连续分枝之字型煤层分岔类型§2煤层BCACBA609m4.5m123图4-5下斯托克顿煤层剖面图1—砂岩；2—煤；3—页岩（据Howell,1980）下斯托克顿煤层剖面图1-砂岩，2-煤；3-页岩§2煤层山西组太原组煤煤33上下1灰4煤200m01234567891-灰岩；2-泥质及根土岩；3-灰质泥岩；4-煤层；5-粉砂岩；6-细砂岩；7-中砂岩；8-黄铁矿、菱铁矿结核；9-植物化石山东腾县煤田煤层分岔示意图§2煤层（四）煤层形态和煤厚变化的同沉积构造控制聚煤盆地基底的不均衡沉降，如基底断块差异性沉陷、同沉积褶皱和断裂等，通过对沉积环境的控制，能够对煤层形态和煤层变化产生深刻的影响。1．基底断裂系控制的煤层分带盆缘一侧常常发育正断裂，是控制盆地形成和演化的主干基底断裂。盆地基底又往往被走向和横向断裂所切割，形成基底断裂网络。因此，整个含煤岩系形成过程中，基底断块的不均衡沉降控制了沉积环境的配置和演变，相应地煤层形态和煤层厚度显示出沿倾向的分带性和沿走向的分区性。§2煤层以辽宁阜新煤盆地为例，含煤岩系各煤组由盆缘断裂内侧向盆地中部可大体划分为以下三个带：1）无煤带位