層序地層學(xué)在聚煤規(guī)律研究中的應(yīng)用

層序地層學(xué)在聚煤規(guī)律研究中的應(yīng)用

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，該層序地層學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的實(shí)際效果并豐富。1從盆地的演化過(guò)程來(lái)分析煤炭聚集和保存問(wèn)題1930年,Weller提出的“旋回層”是層序地層學(xué)出現(xiàn)前解釋煤層的旋回性現(xiàn)象的重要概念從20世紀(jì)60年代開(kāi)始到80年代初,煤田地質(zhì)學(xué)家們把煤層的形成與具體的沉積環(huán)境結(jié)合在一起進(jìn)行研究20世紀(jì)80年代,地質(zhì)學(xué)家們開(kāi)始從盆地的整個(gè)演化過(guò)程去分析煤層的形成過(guò)程,并通過(guò)對(duì)盆地的水平面變化、構(gòu)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(zhì)學(xué)家們沒(méi)有搞清的煤炭聚集和保存問(wèn)題。地質(zhì)學(xué)家們又開(kāi)始關(guān)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(shí)都認(rèn)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(yīng)速率預(yù)測(cè)層序地層學(xué)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(gòu)造沉降、氣候變化及沉積物供應(yīng)速率4個(gè)因素控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,具有預(yù)測(cè)功能的地層學(xué)分支學(xué)科。層序地層學(xué)為地質(zhì)人員研究相對(duì)等時(shí)地層單元內(nèi)的巖相的分布及空間配置提供了一種有效手段,以往對(duì)于含煤巖系中存在的一些問(wèn)題,應(yīng)用層序地層學(xué)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(guān)系等。2.1海侵和海退過(guò)程地層1992年,Diessel基于經(jīng)典層序地層學(xué)的概念模型,在研究近海含煤巖系層序地層基礎(chǔ)上,分析了煤層的厚度在海侵和海退過(guò)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(shí)的4級(jí)層序的海退過(guò)程也能形成很厚的煤層。從那以后,煤田地質(zhì)學(xué)家們開(kāi)始用新的地層學(xué)觀點(diǎn)思考老的煤田地質(zhì)學(xué)問(wèn)題,比如現(xiàn)在泥炭沼澤不能反映的最厚煤層的分布問(wèn)題。另外,Diessel及其他地質(zhì)學(xué)家還詳細(xì)研究了煤層中化學(xué)成分及礦物成分在海侵和海退過(guò)程中的變化情況,例如,在含鹽海水影響過(guò)的煤層頂、底板的鏡質(zhì)體反射率均有減小的現(xiàn)象,并把這種現(xiàn)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(guò)程中抑制了有機(jī)酸的形成,從而為厭氧細(xì)菌的生長(zhǎng)提供了有利的環(huán)境,厭氧細(xì)菌死亡后與鏡質(zhì)體結(jié)合在一起增加了鏡質(zhì)體的氫含量,進(jìn)而造成鏡質(zhì)體反射率較小。在Diessel的一個(gè)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(jí)層序的海侵過(guò)程,而海退過(guò)程往往缺失;最大海泛時(shí)期和高位體系域早期形成的煤層,既有次級(jí)層序海水升高時(shí)形成的煤層,也有海水降低時(shí)形成的煤層;這些時(shí)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(dòng),早期形成的泥炭多被后期海水淹沒(méi),由這種海侵造成的泥炭向后遷移形成的煤層是一個(gè)穿時(shí)界面;最大海泛時(shí)期和高位時(shí)期形成的次級(jí)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(huì)被陸相的沖積環(huán)境所沖刷,且整個(gè)煤層是不等時(shí)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(shí)際上是很多高頻的層序形成煤層的復(fù)合體我國(guó)學(xué)者何起祥根據(jù)我國(guó)北方石炭紀(jì)海陸交互沉積及形成的海相層在大區(qū)域內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性和等時(shí)性2.2可容空間變化對(duì)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(zhǔn)面,在基準(zhǔn)面之下的沉積物可以被保存下來(lái),基準(zhǔn)面之上的部分遭受侵蝕。可容納空間是沉積物潛在堆積的空間,它受控于基準(zhǔn)面的變化。在泥炭堆積過(guò)程中,只有泥炭的生產(chǎn)速率與可容納空間的增長(zhǎng)速率相近時(shí)才有利于泥炭的堆積和保存,而泥炭的生產(chǎn)速率低于可容納空間的增長(zhǎng)速率時(shí),泥炭沼澤將會(huì)被水體淹沒(méi)而終止,泥炭的生產(chǎn)速率高于可容納空間的增長(zhǎng)速率時(shí),泥炭沼澤將會(huì)暴露于氧化條件下而遭受分解和沖蝕。Bohacs和Suter認(rèn)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(chǎn)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(chǎn)率比值的變化過(guò)程中煤層厚度、幾何形態(tài)及連續(xù)性的變化,并根據(jù)基準(zhǔn)面的變化速率劃分為6種情況a.當(dāng)可容納空間的增長(zhǎng)速率小于零時(shí),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(jìn)行,由于較低的可容納空間常出現(xiàn)沉積過(guò)路和陸上的河道侵蝕作用,很難有很厚的泥炭被保存下來(lái),因此形成的煤層多是相對(duì)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(duì)上升期和高位體系域晚期,此時(shí)的可容納空間的增長(zhǎng)速率低到中等,這種情況下由于可容納空間的增長(zhǎng)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(cè)向擴(kuò)展到合適的地方進(jìn)行聚集(遠(yuǎn)離碎屑沉積物),此時(shí)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(shí)的可容納空間的增長(zhǎng)速率中等到高,與泥炭的生長(zhǎng)速率相近或略高,泥炭堆積場(chǎng)所的可容納空間足夠泥炭進(jìn)行堆積,因此泥炭的側(cè)向擴(kuò)展較差,此時(shí)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(zhǎng)速率非常大,泥炭的堆積速率遠(yuǎn)不及可容納空間的增長(zhǎng)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(guò)對(duì)可容納空間對(duì)煤層厚度、幾何形態(tài)及連續(xù)性控制作用的討論認(rèn)為,泥炭大量堆積的條件是可容納空間的增長(zhǎng)速率與泥炭的生長(zhǎng)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(xiàn)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(zhǎng)速率和泥炭的生長(zhǎng)速率之比較小時(shí),形成的泥炭多被剝蝕,較高時(shí)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(duì)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(guó)東部中新生代含煤斷陷盆地中表現(xiàn)較明顯;我國(guó)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(kuò)張期和湖泊萎縮階段邵龍義在研究我國(guó)海相煤系層序地層學(xué)時(shí)認(rèn)為,煤層發(fā)育于海相層滯后時(shí)段無(wú)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(méi)有足夠的可容納空間,泥炭堆積將會(huì)出露地表,遭受氧化分解和剝蝕,可容納空間過(guò)大泥炭堆積會(huì)被水體的擴(kuò)張所抑制,因此,可容納空間是泥炭堆積過(guò)程的關(guān)鍵因素。2.3巨厚煤層的地質(zhì)模型一些地層學(xué)專(zhuān)家比較支持在以不整合面及與之相對(duì)應(yīng)的整合面為邊界的經(jīng)典層序中研究煤層的聚集;一些地層學(xué)專(zhuān)家則支持以最大海泛面為邊界的成因?qū)有虻貙訉W(xué)中研究煤層的聚集,因?yàn)榫藓衩簩佣嗍窃谧畲蠛７好娓浇奂?而且在聚煤時(shí)期缺少成因?qū)有虻貙訉W(xué)家描述的碎屑沉積物的流入。Hamilton和Tadros在其研究中認(rèn)為,主要的、分布范圍廣的煤層可以作為最大海泛面即成因?qū)有虻貙訉W(xué)的邊界李思田在研究我國(guó)東北中新生代斷陷湖盆的聚煤特征時(shí)發(fā)現(xiàn),巨厚煤層的存在和煤層的強(qiáng)烈分叉是斷陷盆地典型特征,煤層最厚的部位厚度從數(shù)十米至200余m,但厚煤層僅分布于盆地一定范圍內(nèi),向周?chē)鷶?shù)百米距離即迅速分叉(圖5),有時(shí)分叉后出現(xiàn)數(shù)十層乃至百余層薄煤層;并且他認(rèn)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(shí)建立了互偶煤層出現(xiàn)的地質(zhì)模型(圖6)。在該地質(zhì)模型中,突出顯示了海侵與海退兩個(gè)時(shí)期形成的煤層為一對(duì)互偶煤層Banerjee的四級(jí)層序互偶煤層地質(zhì)模型解釋了煤層分叉和合并現(xiàn)象在層序地層學(xué)上的表現(xiàn),多個(gè)四級(jí)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(diǎn)附近的疊覆形成巨厚煤層。但Banerjee的四級(jí)層序互偶煤層地質(zhì)模型的海侵煤層底面和海退煤層頂面并不一定等時(shí),如果在理想情況下兩個(gè)四級(jí)層序形成的煤層相互疊覆,那么后期形成的四級(jí)層序的海侵煤層應(yīng)該與前一個(gè)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(jí)層序的頂?shù)捉缑娲嬖谟诿簩又虚g。巨厚煤層不能簡(jiǎn)單的作為成因?qū)有虻淖畲蠛７好?但在巨厚煤層中可應(yīng)用有機(jī)巖石學(xué)和地球化學(xué)方面在垂向上特征的變化,來(lái)確定厚煤層或巨厚煤層內(nèi)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(jì)Gates組厚煤層時(shí),應(yīng)用有機(jī)巖石學(xué)和地球化學(xué)方面特征在厚煤層中識(shí)別出可容納空間的轉(zhuǎn)換面(ARS)及泥炭沼澤開(kāi)始發(fā)育時(shí)的泥炭開(kāi)始聚集面和泥炭沼澤發(fā)育過(guò)程中海泛停止面3層序地層研究從層序地層學(xué)應(yīng)用到泥炭聚集研究的20a間,國(guó)內(nèi)外含煤巖系層序地層研究已經(jīng)取得了巨大成就,但還存在許多不足之處,應(yīng)從下面幾個(gè)方面對(duì)含煤巖系層序地層學(xué)著重研究:a.應(yīng)加強(qiáng)含煤盆地中分布范圍小、厚度薄、層數(shù)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(guān)系的研究。b.層序地層學(xué)的觀點(diǎn)是在海相地層研究中提出的,過(guò)去研究含煤巖系層序地層也多是在海相含煤地層中進(jìn)行,而在陸相湖盆以層序地層學(xué)觀點(diǎn)去研究煤層的分布、厚度和形態(tài)還較少。因此,加強(qiáng)對(duì)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(xué)差異的研究,從而大大促進(jìn)了含煤巖系層序地層學(xué)的發(fā)展。c.煤田地質(zhì)學(xué)家們多研究煤層在高級(jí)別層序中的發(fā)育位置和分布,但對(duì)煤層在低級(jí)別層序中的位置和低級(jí)別層序劃分過(guò)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(nèi)部等問(wèn)題。d.在我國(guó)陸相含煤層序地層學(xué)研究中,應(yīng)加強(qiáng)地球化學(xué)和煤巖學(xué)參數(shù)在含煤巖系層序地層學(xué)劃分中的應(yīng)用。4巨厚煤層在盆地層序地層界面的地位a.對(duì)含煤地層的研究最早是在旋回層中進(jìn)行的,當(dāng)時(shí)人們只是簡(jiǎn)單地認(rèn)識(shí)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(jì)60—80年代,煤田地質(zhì)學(xué)家們開(kāi)始重點(diǎn)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(jì)80—90年代,人們開(kāi)始從盆地角度去研究煤層的形成過(guò)程,并在構(gòu)造因素和氣候因素方面對(duì)泥炭聚集方面的影響進(jìn)行了分析。b.20世紀(jì)90年代以來(lái),人們開(kāi)始用層序地層學(xué)觀點(diǎn)來(lái)研究煤層的分布、厚度及形態(tài)等問(wèn)題。Diessel(1992)第一次用經(jīng)典層序地層學(xué)理論對(duì)煤層的形成進(jìn)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(rèn)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(diǎn)也得到了多數(shù)煤田地質(zhì)學(xué)家們的