能源地質(zhì)學(xué)-第五章第二節(jié)

第五章煤層和油氣藏的形成和變化§2煤層的形成和變化一、煤層的形成和煤層的特征（一）煤層的形成

1.煤層是一種特殊的沉積巖層：由泥炭層經(jīng)過成煤作用和沉積作用轉(zhuǎn)化而來，為層狀礦床，具有一定的層位和分布空間。

2.泥炭的堆積保存必須具備的條件：①植物的大量繁殖--這是泥炭的物質(zhì)來源，②沼澤水位的逐步抬升--以避免有機(jī)質(zhì)的氧化分解，③碎屑沉積物的貧乏--以保證泥炭質(zhì)量。

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。

3.補(bǔ)償關(guān)系-植物遺體堆積速率與沼澤水面上升速率的關(guān)系

也可以用泥炭沼澤基底或盆地基底的沉降速率與泥炭堆積速率的關(guān)系論述。欠：沉降速率＞堆積速率＜沼澤水面上升速率過：沉降速率＜堆積速率＞沼澤水面上升速率均衡：沉降速率＝堆積速率＝沼澤水面上升速率4.煤層形成的條件：

①具備泥炭堆積的條件

②具備泥炭層保存的條件。這就是說當(dāng)泥炭層堆積之后，只有在地殼沉降的構(gòu)造背景下，泥炭層才會被上覆沉積物掩埋而保存下來。5.煤層形成不是單一作用，而是復(fù)雜的作用過程：

由于各種地質(zhì)因素的影響，沼澤水面抬升和植物遺體堆積加厚之間的平衡狀態(tài)是有條件的、相對的和暫時的。泥炭堆積的整個過程中，往往是不同補(bǔ)償方式的反復(fù)交替，因而形成不同的煤層形態(tài)和煤層結(jié)構(gòu)。厚煤層和巨厚煤層形成的地質(zhì)條件是一個值得研究的重要課題。（二）煤層的結(jié)構(gòu)和頂、底板

1、煤層的結(jié)構(gòu)

煤層中是否含有其他巖性層或結(jié)核層。

（1）簡單結(jié)構(gòu)：煤層包含煤分層和巖石夾層，不含夾石層者稱為簡單結(jié)構(gòu)煤層；

（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)：含有夾石層者則稱為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。

（2）煤層中的夾石層

煤層中的巖石夾層俗稱夾矸。

巖性：

粘土巖、炭質(zhì)泥巖或粉砂巖，有時為石灰?guī)r、硅質(zhì)巖、油頁巖、細(xì)砂巖或礫巖。

來源：

取決于沉積環(huán)境：

河流

火山

海水

殘余礦物2、煤層頂板、底板（1）概念在正常地層層序情況下，直接位于煤層之下的巖層，稱為煤層底板；而煤層的直接上覆巖層，稱為煤層頂板。（2）頂板與底板巖性特征

煤層底板以泥巖、粘土巖最為常見，富含植物根莖化石和不規(guī)則滑面，俗稱根土巖。但并非所有煤層之下都有根土巖，可能與異地堆積有關(guān)。

煤層頂板的巖石類型多種多樣，最常見的是泥巖、粉砂巖、砂巖和石灰?guī)r，這主要取決于泥炭沼澤所處的沉積環(huán)境。（3）煤層與頂板的接觸關(guān)系

（1）明顯接觸：明顯接觸是指煤層與頂板接觸界限分明，界面平整，反映了沉積環(huán)境的迅速變化（如：灰?guī)r）。

（2）過渡接觸：過渡接觸是指頂板和煤層之間夾有薄層炭質(zhì)泥巖、泥巖，或炭質(zhì)泥巖與煤薄層的互層（俗稱偽頂），反映了泥炭沼澤向覆水盆地的逐漸演。

（3）沖蝕接觸：沖蝕接觸通常表現(xiàn)為沖積相砂礫巖對下伏煤層的沖蝕（如：沖積河道）。3、煤層中的結(jié)核、包體和化石

（1）煤核：

煤層中常常含有各種不同礦物成分的結(jié)核，亦稱煤核。煤核的形態(tài)、大小不一，基質(zhì)成分也各不相同。

鈣質(zhì)、鐵質(zhì)、硅質(zhì)，早期成巖階段的產(chǎn)物（2）化石：煤層中還發(fā)現(xiàn)動物化石，例如，我國山西太原西山煤田太原組、浙江長興煤田龍?zhí)督M的煤層中都發(fā)現(xiàn)了珊瑚、腕足類和有孔蟲化石，是海水內(nèi)侵泥炭沼澤的證據(jù)。二、煤層厚度和形態(tài)變化及其控制因素（一）煤層厚度

1.煤層厚度：厚度是指煤層頂、底板巖層之間的垂直距離。依據(jù)煤層結(jié)構(gòu)，可將煤層分為總厚度、有益厚度和可采厚度。煤層總厚度是煤層頂、底板之間各煤分層和夾石層厚度的總和；有益厚度是指煤層頂、底板之間各煤分層厚度的總和；可采厚度是指在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下適于開采的煤層厚度。2.煤層厚度分級

極薄煤層：0.3～0.5m；

薄煤層：煤厚0.51～1.3m；

中厚煤層：煤厚1.31～3.5m；

厚煤層：煤厚3.6～8.0m；

巨厚煤層：大于8m者為。煤層厚度（二）控制因素1、泥炭沼澤基底不平對煤層形態(tài)和厚度的影響（1）成因：當(dāng)泥炭沼澤發(fā)育在古侵蝕基準(zhǔn)面上時，首先在低洼處生長和堆積了植物質(zhì)形成的泥炭層，且相互隔離；隨著區(qū)域性沉降或地下水位抬升，隔離的泥炭沼澤逐漸連成一體，泥炭層才在盆地范圍內(nèi)堆積。

湖北早二疊世梁山組煤體形態(tài)（2）識別標(biāo)志：（1）煤層底板或基底巖層界面呈不規(guī)則起伏，而煤層頂板界面比較平整，即“頂平底不平”。（2）煤層厚度變化急劇而不規(guī)則，且通常位于含煤巖系剖面的底部或下部。遼寧阜新煤盆地泥炭沼澤基底不平圖示

(a)-平面圖；(b)、(c)-剖面圖1-泥巖；2-砂巖；3-礫巖；4-巷道；5-煤層底板等高線

（3）基底古地形低洼處煤層增厚，向凸起部位變薄或尖滅。煤層的分層或?qū)永肀幌路讕r層界面所截，上下分層呈超覆關(guān)系。2、沉積因素（1）沉積體系和煤層厚度、形態(tài)變化的關(guān)系

沖積扇、河流、三角洲、瀉湖-障壁島等（2）對煤層分岔類型的影響由于楔形碎屑沉積體的插入，有機(jī)質(zhì)的堆積暫時被碎屑沉積所代替，碎屑注入一旦停止植被重新繁殖，泥炭再次沉積，煤層由單一煤層分岔為兩個或以上煤分層或獨立的煤層。

煤層分岔可以表現(xiàn)為多種樣式：

單一分岔；多個分岔；單方向分岔；分岔又合并。透鏡狀連續(xù)分枝之字型煤層分岔類型下斯托克頓煤層剖面圖1-砂巖，2-煤；3-頁巖山西組太原組煤煤33上下1灰4煤200m01234567891-灰?guī)r；2-泥質(zhì)及根土巖；3-灰質(zhì)泥巖；4-煤層；5-粉砂巖；6-細(xì)砂巖；7-中砂巖；

8-黃鐵礦、菱鐵礦結(jié)核；9-植物化石

山東騰縣煤田煤層分岔示意圖3、同沉積構(gòu)造

聚煤盆地基底的不均衡沉降，如基底斷塊差異性沉陷、同沉積褶皺和斷裂等，通過對沉積環(huán)境的控制，能夠?qū)γ簩有螒B(tài)和煤層變化產(chǎn)生深刻的影響。

（1）基底斷裂系控制的煤層分帶盆緣一側(cè)常常發(fā)育正斷裂，是控制盆地形成和演化的主干基底斷裂。盆地基底又往往被走向和橫向斷裂所切割，形成基底斷裂網(wǎng)絡(luò)。因此，整個含煤巖系形成過程中，基底斷塊的不均衡沉降控制了沉積環(huán)境的配置和演變，相應(yīng)地煤層形態(tài)和煤層厚度顯示出沿傾向的分帶性和沿走向的分區(qū)性。含煤巖系各煤組由盆緣斷裂內(nèi)側(cè)向盆地中部可大體劃分為以下三個帶：1）無煤帶位于東南盆緣斷裂內(nèi)側(cè)的邊緣地帶，煤層分支尖滅，被沖積扇礫巖所代替。2）分岔煤層帶位于尖滅煤層帶的內(nèi)側(cè)，煤層向盆緣斷裂方向多次分岔，形成馬尾狀分岔樣式。煤層層數(shù)增多，間距加大，并向扇帶逐漸過渡，單層逐漸變薄，分岔位置在垂向上不完全一致。3）聚結(jié)煤層帶位于盆地中央地帶，煤層密集或合并，單層厚度達(dá)到最大值，而層間距最小。各層段的聚結(jié)煤層帶在垂向上不一定重合，與盆緣沖積扇向盆地推進(jìn)程度有關(guān)。

阜新新丘區(qū)海州組橫向沉積斷面圖（分為三個帶）1-煤層；2-泥巖、粉砂巖；3-砂巖；4-礫巖（2）盆內(nèi)次級隆起和拗陷聚煤盆地內(nèi)部往往發(fā)育次級隆起和拗陷（或次級同沉積褶皺）對煤層形態(tài)和煤層厚度具有不同程度的控制作用。

由于構(gòu)造分異和沉積補(bǔ)償之間的不同狀態(tài)，煤層的發(fā)育狀況亦多種多樣。

①一般情況下，盆地內(nèi)的次級隆起、同沉積背斜構(gòu)成蓄水盆地內(nèi)的淺水地帶，沼澤持續(xù)發(fā)育，出現(xiàn)厚煤層或聚結(jié)煤層帶，煤層向拗陷部位分岔、尖滅；

②也可出現(xiàn)相反的情況，即盆地內(nèi)的次級拗陷部位，湖沼相持續(xù)發(fā)育，而隆起部位沖積相發(fā)育，并存在頻繁的層序間斷。

遼寧田師傅早、中侏羅世煤系第四含煤段巖相－厚度圖1-沖積相；2-沖積及沼澤相；3-沼澤相；4-巖相界線；5-厚線，m；6-厚大于2m；7-厚1－2m；8-沉積褶皺軸線（3）盆內(nèi)同沉積斷裂活動（1）聚煤盆地內(nèi)的同沉積斷裂活動可以造成含煤巖系厚度和巖相的顯著變化，導(dǎo)致煤層形態(tài)和厚度的突變。在泥炭堆積最有利的地段，可以形成厚煤帶。（2）厚煤帶沿斷層走向延伸，橫越斷層則迅速變薄，分岔或尖滅。（3）由于斷層的不斷生成，已形成的泥炭層又被切割，兩盤煤層層位、厚度難以對接。

德國下萊茵地區(qū)第三紀(jì)褐煤層的同沉積斷裂

1-黃土；2-粘土；3-階地；4-砂；5-褐煤4、煤層的沖蝕和頂凸構(gòu)造煤層的沖蝕是指泥炭堆積過程中或泥炭層被沉積物覆蓋以后河流等對煤層的沖刷剝蝕。習(xí)慣上將前者稱為同生沖蝕；將后者稱為后生沖蝕。（1）煤層的同生沖蝕泥炭沼澤鄰近同期發(fā)育的河道時，河道及其支流可能注入泥炭沼澤，河流充填物與泥炭層之間表現(xiàn)為沖蝕接觸和逐漸過渡兩種關(guān)系。垂直古河床邊緣的沉積剖面圖

1-頁巖；2-粉砂巖；3-砂巖；4-煤層淮南礦區(qū)B11煤層河流沖蝕

特點：1、河道沉積物：砂巖、粉砂巖；沉積物內(nèi)有煤屑；2、沖蝕范圍較??；3、沖刷帶不易查明；4、在沖刷帶附近，煤質(zhì)明顯變差；灰分增加，煤的光澤變暗；5、煤層與河流沖刷沉積物具有同樣的頂板；

（2）河流充填負(fù)載構(gòu)造泥炭層堆積之后，如果上覆層系為小型河流砂質(zhì)填積體，在荷載作用下，頂板砂質(zhì)物便會突入未固結(jié)的松軟泥炭層，形成一種負(fù)載構(gòu)造，又稱頂凸構(gòu)造。伊利諾斯盆地煤層中的頂凸構(gòu)造特點：1、沖蝕填積的沉積巖體以河流相砂巖為主，其底部常常含有礫石、泥質(zhì)包體、煤屑和炭化樹干等滯留沉積物，有時顯示定向排列；四川永榮礦區(qū)河流沖蝕素描圖

1-中粒砂巖；2-細(xì)粒砂巖；3-泥巖包體；4-炭屑；5-粉砂巖；6-炭質(zhì)泥巖；7-泥巖；8-煤層2、煤的光澤暗淡，后生裂隙發(fā)育，常見方解石、石膏等礦物次生充填，煤的灰分亦相應(yīng)增高；3、煤層遭受河流沖蝕部分，直接頂板為細(xì)礫巖、粗砂巖，切割煤層正常頂板和部分煤層，出現(xiàn)薄煤帶和無煤帶；4、沖刷的規(guī)律性較好，相對較易查明。唐山礦5煤層頂板巖相圖

1－河流砂礫沉積物相；2－湖泊砂質(zhì)沉積物相；3－湖泊泥質(zhì)粉砂質(zhì)沉積物相；4－煤層不可采帶；5－巖相界線；6－煤層等厚線,m；7－河流流向；8－斷層線；9－已回采區(qū)邊界5、后期構(gòu)造后期構(gòu)造變動可改變煤層的原始產(chǎn)狀，也可引起煤層形態(tài)和厚度的變化。

特點：有煤被擠入頂、底板裂隙中；在煤層的增厚、減薄帶，煤的原始結(jié)構(gòu)被破壞；煤中灰分增高；煤層的增厚、減薄在平面上有一定的方向性，厚—薄相間出現(xiàn)；擠壓強(qiáng)烈之處，成串珠狀、藕節(jié)狀；

褶皺作用引起的煤厚變化，一般在褶曲的軸部增厚，而在翼部減薄或尖滅。煤層由于產(chǎn)生塑性流動，原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造遭到破壞，形成構(gòu)造煤。較大規(guī)模的褶皺引起的煤層加厚和減薄帶在平面上沿褶曲軸方向延伸，煤層加厚和減薄帶相伴出現(xiàn)，與主壓應(yīng)力方向垂直。福建天湖山礦褶皺作用引起的煤厚變化1－加厚帶；2－變薄帶；3－煤層；4－背斜軸；5－倒轉(zhuǎn)產(chǎn)狀；6－巷道

伴隨縱彎褶皺作用而產(chǎn)生的層間滑動可以派生層間牽引褶皺，規(guī)模雖小，但常成組出現(xiàn)，造成煤層頂?shù)装宀钇鸱?，使煤層局部壓薄或增厚，煤層呈串珠狀或斷續(xù)透鏡體。湖南永耒礦區(qū)溜煤上山剖面圖

6、巖漿侵入對煤層的影響

我國東部中、新生代巖漿活動十分強(qiáng)烈，巖漿侵入煤系和煤層是十分常見的地質(zhì)現(xiàn)象。特點：（1）巖漿侵入煤層，使煤層形態(tài)和煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)都發(fā)生變化，有時煤層變?yōu)樘烊唤够虮煌淌?，從而喪失工業(yè)價值；（2）順層侵入的不規(guī)則巖體形態(tài)、厚度和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極不規(guī)則，煤層、天然焦、火成巖體和圍巖俘虜體混雜在一起，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

山東坊子礦閃長玢巖侵入煤層素描圖1－閃長玢巖;2－天然焦;3－煤層;4－炭質(zhì)泥巖;5－細(xì)砂巖;6