能源地质学-第五章第二节

第五章煤层和油气藏的形成和变化§2煤层的形成和变化一、煤层的形成和煤层的特征（一）煤层的形成

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.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。

3.补偿关系-植物遗体堆积速率与沼泽水面上升速率的关系

也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。欠：沉降速率＞堆积速率＜沼泽水面上升速率过：沉降速率＜堆积速率＞沼泽水面上升速率均衡：沉降速率＝堆积速率＝沼泽水面上升速率4.煤层形成的条件：

①具备泥炭堆积的条件

②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。5.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。（二）煤层的结构和顶、底板

1、煤层的结构

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。

岩性：

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。

来源：

取决于沉积环境：

河流

火山

海水

残余矿物2、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。（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）。

（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。

（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）。3、煤层中的结核、包体和化石

（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。

钙质、铁质、硅质，早期成岩阶段的产物（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。二、煤层厚度和形态变化及其控制因素（一）煤层厚度

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。2.煤层厚度分级

极薄煤层：0.3～0.5m；

薄煤层：煤厚0.51～1.3m；

中厚煤层：煤厚1.31～3.5m；

厚煤层：煤厚3.6～8.0m；

巨厚煤层：大于8m者为。煤层厚度（二）控制因素1、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。

湖北早二叠世梁山组煤体形态（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。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、沉积因素（1）沉积体系和煤层厚度、形态变化的关系

冲积扇、河流、三角洲、泻湖-障壁岛等（2）对煤层分岔类型的影响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。透镜状连续分枝之字型煤层分岔类型下斯托克顿煤层剖面图1-砂岩，2-煤；3-页岩山西组太原组煤煤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3、同沉积构造

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。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）无煤带位于东南盆缘断裂内侧的边缘地带，煤层分支尖灭，被冲积扇砾岩所代替。2）分岔煤层带位于尖灭煤层带的内侧，煤层向盆缘断裂方向多次分岔，形成马尾状分岔样式。煤层层数增多，间距加大，并向扇带逐渐过渡，单层逐渐变薄，分岔位置在垂向上不完全一致。3）聚结煤层带位于盆地中央地带，煤层密集或合并，单层厚度达到最大值，而层间距最小。各层段的聚结煤层带在垂向上不一定重合，与盆缘冲积扇向盆地推进程度有关。

阜新新丘区海州组横向沉积断面图（分为三个带）1-煤层；2-泥岩、粉砂岩；3-砂岩；4-砾岩（2）盆内次级隆起和拗陷聚煤盆地内部往往发育次级隆起和拗陷（或次级同沉积褶皱）对煤层形态和煤层厚度具有不同程度的控制作用。

由于构造分异和沉积补偿之间的不同状态，煤层的发育状况亦多种多样。

①一般情况下，盆地内的次级隆起、同沉积背斜构成蓄水盆地内的浅水地带，沼泽持续发育，出现厚煤层或聚结煤层带，煤层向拗陷部位分岔、尖灭；

②也可出现相反的情况，即盆地内的次级拗陷部位，湖沼相持续发育，而隆起部位冲积相发育，并存在频繁的层序间断。

辽宁田师傅早、中侏罗世煤系第四含煤段岩相－厚度图1-冲积相；2-冲积及沼泽相；3-沼泽相；4-岩相界线；5-厚线，m；6-厚大于2m；7-厚1－2m；8-沉积褶皱轴线（3）盆内同沉积断裂活动（1）聚煤盆地内的同沉积断裂活动可以造成含煤岩系厚度和岩相的显著变化，导致煤层形态和厚度的突变。在泥炭堆积最有利的地段，可以形成厚煤带。（2）厚煤带沿断层走向延伸，横越断层则迅速变薄，分岔或尖灭。（3）由于断层的不断生成，已形成的泥炭层又被切割，两盘煤层层位、厚度难以对接。

德国下莱茵地区第三纪褐煤层的同沉积断裂

1-黄土；2-粘土；3-阶地；4-砂；5-褐煤4、煤层的冲蚀和顶凸构造煤层的冲蚀是指泥炭堆积过程中或泥炭层被沉积物覆盖以后河流等对煤层的冲刷剥蚀。习惯上将前者称为同生冲蚀；将后者称为后生冲蚀。（1）煤层的同生冲蚀泥炭沼泽邻近同期发育的河道时，河道及其支流可能注入泥炭沼泽，河流充填物与泥炭层之间表现为冲蚀接触和逐渐过渡两种关系。垂直古河床边缘的沉积剖面图

1-页岩；2-粉砂岩；3-砂岩；4-煤层淮南矿区B11煤层河流冲蚀

特点：1、河道沉积物：砂岩、粉砂岩；沉积物内有煤屑；2、冲蚀范围较小；3、冲刷带不易查明；4、在冲刷带附近，煤质明显变差；灰分增加，煤的光泽变暗；5、煤层与河流冲刷沉积物具有同样的顶板；

（2）河流充填负载构造泥炭层堆积之后，如果上覆层系为小型河流砂质填积体，在荷载作用下，顶板砂质物便会突入未固结的松软泥炭层，形成一种负载构造，又称顶凸构造。伊利诺斯盆地煤层中的顶凸构造特点：1、冲蚀填积的沉积岩体以河流相砂岩为主，其底部常常含有砾石、泥质包体、煤屑和炭化树干等滞留沉积物，有时显示定向排列；四川永荣矿区河流冲蚀素描图

1-中粒砂岩；2-细粒砂岩；3-泥岩包体；4-炭屑；5-粉砂岩；6-炭质泥岩；7-泥岩；8-煤层2、煤的光泽暗淡，后生裂隙发育，常见方解石、石膏等矿物次生充填，煤的灰分亦相应增高；3、煤层遭受河流冲蚀部分，直接顶板为细砾岩、粗砂岩，切割煤层正常顶板和部分煤层，出现薄煤带和无煤带；4、冲刷的规律性较好，相对较易查明。唐山矿5煤层顶板岩相图

1－河流砂砾沉积物相；2－湖泊砂质沉积物相；3－湖泊泥质粉砂质沉积物相；4－煤层不可采带；5－岩相界线；6－煤层等厚线,m；7－河流流向；8－断层线；9－已回采区边界5、后期构造后期构造变动可改变煤层的原始产状，也可引起煤层形态和厚度的变化。

特点：有煤被挤入顶、底板裂隙中；在煤层的增厚、减薄带，煤的原始结构被破坏；煤中灰分增高；煤层的增厚、减薄在平面上有一定的方向性，厚—薄相间出现；挤压强烈之处，成串珠状、藕节状；

褶皱作用引起的煤厚变化，一般在褶曲的轴部增厚，而在翼部减薄或尖灭。煤层由于产生塑性流动，原生结构和构造遭到破坏，形成构造煤。较大规模的褶皱引起的煤层加厚和减薄带在平面上沿褶曲轴方向延伸，煤层加厚和减薄带相伴出现，与主压应力方向垂直。福建天湖山矿褶皱作用引起的煤厚变化1－加厚带；2－变薄带；3－煤层；4－背斜轴；5－倒转产状；6－巷道

伴随纵弯褶皱作用而产生的层间滑动可以派生层间牵引褶皱，规模虽小，但常成组出现，造成煤层顶底板波状起伏，使煤层局部压薄或增厚，煤层呈串珠状或断续透镜体。湖南永耒矿区溜煤上山剖面图

6、岩浆侵入对煤层的影响

我国东部中、新生代岩浆活动十分强烈，岩浆侵入煤系和煤层是十分常见的地质现象。特点：（1）岩浆侵入煤层，使煤层形态和煤层厚度、煤层结构、煤质都发生变化，有时煤层变为天然焦或被吞食，从而丧失工业价值；（2）顺层侵入的不规则岩体形态、厚度和结构产生极不规则，煤层、天然焦、火成岩体和围岩俘虏体混杂在一起，严重影响生产的正常进行。

山东坊子矿闪长玢岩侵入煤层素描图1－闪长玢岩;2－天然焦;3－煤层;4－炭质泥岩;5－细砂岩;6