层序地层学在聚煤规律研究中的应用

层序地层学在聚煤规律研究中的应用

自20世纪80年代以来，该层序地层学得到了广泛的应用，取得了良好的实际效果并丰富。1从盆地的演化过程来分析煤炭聚集和保存问题1930年,Weller提出的“旋回层”是层序地层学出现前解释煤层的旋回性现象的重要概念从20世纪60年代开始到80年代初,煤田地质学家们把煤层的形成与具体的沉积环境结合在一起进行研究20世纪80年代,地质学家们开始从盆地的整个演化过程去分析煤层的形成过程,并通过对盆地的水平面变化、构造因素及气候因素等方面的研究,理清了一些以前煤田地质学家们没有搞清的煤炭聚集和保存问题。地质学家们又开始关注旋回层中煤层的分布和发育位置,如Ryer和陈钟惠在研究不同盆地的含煤旋回层时都认为煤层主要形成于海侵与海退之间的海平面最大位置2沉积物供应速率预测层序地层学是基于全球海平面变化具有全球周期性及层序地层的发育样式受海平面变化、构造沉降、气候变化及沉积物供应速率4个因素控制的基础上发展起来的,具有预测功能的地层学分支学科。层序地层学为地质人员研究相对等时地层单元内的岩相的分布及空间配置提供了一种有效手段,以往对于含煤岩系中存在的一些问题,应用层序地层学的基本原理都能较好地解决,例如,最厚煤层的发育位置及煤中各种煤岩组分在垂向的变化关系等。2.1海侵和海退过程地层1992年,Diessel基于经典层序地层学的概念模型,在研究近海含煤岩系层序地层基础上,分析了煤层的厚度在海侵和海退过程中的变化,并且论述了煤层在不同体系域的变化情况。从图2可以看出,在最大海泛时的4级层序的海退过程也能形成很厚的煤层。从那以后,煤田地质学家们开始用新的地层学观点思考老的煤田地质学问题,比如现在泥炭沼泽不能反映的最厚煤层的分布问题。另外,Diessel及其他地质学家还详细研究了煤层中化学成分及矿物成分在海侵和海退过程中的变化情况,例如,在含盐海水影响过的煤层顶、底板的镜质体反射率均有减小的现象,并把这种现象解释为含炔烃海水的渗虑作用造成的,炔烃在泥炭演化过程中抑制了有机酸的形成,从而为厌氧细菌的生长提供了有利的环境,厌氧细菌死亡后与镜质体结合在一起增加了镜质体的氢含量,进而造成镜质体反射率较小。在Diessel的一个层序的海侵和海退聚煤模式中,海侵体系域底部的煤层多发育于次级层序的海侵过程,而海退过程往往缺失;最大海泛时期和高位体系域早期形成的煤层,既有次级层序海水升高时形成的煤层,也有海水降低时形成的煤层;这些时期形成的煤层往往随着海平面向陆地迁移而向陆地方向移动,早期形成的泥炭多被后期海水淹没,由这种海侵造成的泥炭向后迁移形成的煤层是一个穿时界面;最大海泛时期和高位时期形成的次级层序的海退煤层也是跟随海平面的下降而向海迁移,形成的煤层会被陆相的冲积环境所冲刷,且整个煤层是不等时的。在Diessel的层序地层聚煤模式中所描绘的最大海泛面附近形成的最厚煤层,实际上是很多高频的层序形成煤层的复合体我国学者何起祥根据我国北方石炭纪海陆交互沉积及形成的海相层在大区域内具有较好的稳定性和等时性2.2可容空间变化对煤层厚度、形态及连续性的影响一般情况下,海平面被近似看作基准面,在基准面之下的沉积物可以被保存下来,基准面之上的部分遭受侵蚀。可容纳空间是沉积物潜在堆积的空间,它受控于基准面的变化。在泥炭堆积过程中,只有泥炭的生产速率与可容纳空间的增长速率相近时才有利于泥炭的堆积和保存,而泥炭的生产速率低于可容纳空间的增长速率时,泥炭沼泽将会被水体淹没而终止,泥炭的生产速率高于可容纳空间的增长速率时,泥炭沼泽将会暴露于氧化条件下而遭受分解和冲蚀。Bohacs和Suter认为,控制煤层形成的最根本因素是可容纳空间的变化速率和泥炭的生产率之间的比值。他们还讨论了在可容纳空间的变化速率和泥炭的生产率比值的变化过程中煤层厚度、几何形态及连续性的变化,并根据基准面的变化速率划分为6种情况a.当可容纳空间的增长速率小于零时,即低位体系域早期海平面的迅速下降期,泥炭堆积在垂向上很难连续进行,由于较低的可容纳空间常出现沉积过路和陆上的河道侵蚀作用,很难有很厚的泥炭被保存下来,因此形成的煤层多是相对较薄的、孤立的及灰分较高的煤层。b.在低位体系域晚期海平面相对上升期和高位体系域晚期,此时的可容纳空间的增长速率低到中等,这种情况下由于可容纳空间的增长速率变为正值或正在增加,所以为泥炭聚集提供了稳定的发育条件及上升的潜水面,因此泥炭迅速填满发育地的可容纳空间,并向侧向扩展到合适的地方进行聚集(远离碎屑沉积物),此时形成的煤层厚度中等,但连续性好。c.在海侵体系域发育早期和晚期及高位体系域早期,此时的可容纳空间的增长速率中等到高,与泥炭的生长速率相近或略高,泥炭堆积场所的可容纳空间足够泥炭进行堆积,因此泥炭的侧向扩展较差,此时形成的煤层厚度较大,但多是孤立的煤层。d.在海侵体系域发育中期,由于可容纳空间的增长速率非常大,泥炭的堆积速率远不及可容纳空间的增长速率,因此泥炭在垂向上迅速演变为碎屑沉积,多形成薄的不连续煤层。Bohacs和Suter通过对可容纳空间对煤层厚度、几何形态及连续性控制作用的讨论认为,泥炭大量堆积的条件是可容纳空间的增长速率与泥炭的生长速率相近或略大,这种条件下形成的煤层多是孤立的和很厚的煤层,这样的条件多出现在低位体系域晚期至海侵体系域早期以及海侵体系域晚期至高位体系域早期;另外可容纳空间的增长速率和泥炭的生长速率之比较小时,形成的泥炭多被剥蚀,较高时泥炭的聚集作用多被水体的增高所抑制。可容纳空间的变化对煤层形成的控制作用不仅适合于近海含煤岩系,而且也适合于陆相湖盆发育的含煤岩系中,这在我国东部中新生代含煤断陷盆地中表现较明显;我国东北中新生代含煤盆地形成的煤层多发育于盆地演化的湖泊扩张期和湖泊萎缩阶段邵龙义在研究我国海相煤系层序地层学时认为,煤层发育于海相层滞后时段无论海相盆地还是陆相盆地,适量的可容纳空间是泥炭大规模堆积的前提,没有足够的可容纳空间,泥炭堆积将会出露地表,遭受氧化分解和剥蚀,可容纳空间过大泥炭堆积会被水体的扩张所抑制,因此,可容纳空间是泥炭堆积过程的关键因素。2.3巨厚煤层的地质模型一些地层学专家比较支持在以不整合面及与之相对应的整合面为边界的经典层序中研究煤层的聚集;一些地层学专家则支持以最大海泛面为边界的成因层序地层学中研究煤层的聚集,因为巨厚煤层多是在最大海泛面附近聚集,而且在聚煤时期缺少成因层序地层学家描述的碎屑沉积物的流入。Hamilton和Tadros在其研究中认为,主要的、分布范围广的煤层可以作为最大海泛面即成因层序地层学的边界李思田在研究我国东北中新生代断陷湖盆的聚煤特征时发现,巨厚煤层的存在和煤层的强烈分叉是断陷盆地典型特征,煤层最厚的部位厚度从数十米至200余m,但厚煤层仅分布于盆地一定范围内,向周围数百米距离即迅速分叉(图5),有时分叉后出现数十层乃至百余层薄煤层;并且他认为煤体的形态特征在横向上的变化是有规律的,且可以分出下列3带Banerjee在研究加拿大西部晚白垩世含煤盆地时建立了互偶煤层出现的地质模型(图6)。在该地质模型中,突出显示了海侵与海退两个时期形成的煤层为一对互偶煤层Banerjee的四级层序互偶煤层地质模型解释了煤层分叉和合并现象在层序地层学上的表现,多个四级层序在各自的最大海泛面附近形成的煤层在向陆地的同一地点附近的叠覆形成巨厚煤层。但Banerjee的四级层序互偶煤层地质模型的海侵煤层底面和海退煤层顶面并不一定等时,如果在理想情况下两个四级层序形成的煤层相互叠覆,那么后期形成的四级层序的海侵煤层应该与前一个层序的海退煤层直接接触或夹杂一些碎屑沉积,则这些四级层序的顶底界面存在于煤层中间。巨厚煤层不能简单的作为成因层序的最大海泛面,但在巨厚煤层中可应用有机岩石学和地球化学方面在垂向上特征的变化,来确定厚煤层或巨厚煤层内小层序的变化特征,从而确定可容纳空间及海平面的变化情况。Diessel在研究加拿大西部白垩纪Gates组厚煤层时,应用有机岩石学和地球化学方面特征在厚煤层中识别出可容纳空间的转换面(ARS)及泥炭沼泽开始发育时的泥炭开始聚集面和泥炭沼泽发育过程中海泛停止面3层序地层研究从层序地层学应用到泥炭聚集研究的20a间,国内外含煤岩系层序地层研究已经取得了巨大成就,但还存在许多不足之处,应从下面几个方面对含煤岩系层序地层学着重研究:a.应加强含煤盆地中分布范围小、厚度薄、层数多以及具生烃能力的煤层在层序地层中分布位置的研究,以及这些具有生烃能力的煤层与控制层序地层发育的各因素之间关系的研究。b.层序地层学的观点是在海相地层研究中提出的,过去研究含煤岩系层序地层也多是在海相含煤地层中进行,而在陆相湖盆以层序地层学观点去研究煤层的分布、厚度和形态还较少。因此,加强对陆相湖盆含煤岩系层序地层及其与海相含煤岩系层序地层学差异的研究,从而大大促进了含煤岩系层序地层学的发展。c.煤田地质学家们多研究煤层在高级别层序中的发育位置和分布,但对煤层在低级别层序中的位置和低级别层序划分过程中的作用研究较少,比如煤层是发育在小层序的界面还是在小层序内部等问题。d.在我国陆相含煤层序地层学研究中,应加强地球化学和煤岩学参数在含煤岩系层序地层学划分中的应用。4巨厚煤层在盆地层序地层界面的地位a.对含煤地层的研究最早是在旋回层中进行的,当时人们只是简单地认识到含煤地层多具有旋回性,并且煤层多发育于旋回层的一定部位,但并不明白其中的控制因素;20世纪60—80年代,煤田地质学家们开始重点研究煤层在具体沉积环境中的聚集作用,并且建立了不同沉积环境的聚煤模式;20世纪80—90年代,人们开始从盆地角度去研究煤层的形成过程,并在构造因素和气候因素方面对泥炭聚集方面的影响进行了分析。b.20世纪90年代以来,人们开始用层序地层学观点来研究煤层的分布、厚度及形态等问题。Diessel(1992)第一次用经典层序地层学理论对煤层的形成进行了解释。c.在泥炭沼泽发育条件和煤层形态、厚度及连续性等方面的研究中,Bohacs和Suter认为:可容纳空间的变化速率和泥炭聚集速率的比值是控制泥炭沼泽发育的最根本因素,这种观点也得到了多数煤田地质学家们的