成煤沉积环境

地壳上有泥炭沼泽发育的地貌单元。煤由堆积在沼泽中的植物遗体转变而成。适于植物遗体堆积并转变为泥炭的场所是沼泽。沼泽是被水饱和著的土壤区﹐长年或季节性地被水所覆盖﹐表面和周围有植物生长﹐当沼泽中堆积了一定厚度的泥炭层时称为泥炭沼泽。适于泥炭沼泽发育的沉积环境﹐如海滨或湖泊沿岸﹑三角洲平原﹑冲积平原﹑冲积扇前缘等。

沼泽类型根据水源补给条件﹐沼泽可分为低位沼泽和高位沼泽。由地下水补给的低位沼泽﹐含丰富的矿物质﹐有3种基本类型﹕树沼或森林沼泽﹐一般为淡水﹐覆水浅﹐有高大乔木和灌木共生﹐因植物生长繁茂﹐遗体大量堆积﹐易形成厚的泥炭层。草沼﹐覆水略深﹐有水生植物和草类生长﹐一般为低位沼泽﹐分布在海岸附近的为咸水至半咸水﹐内陆环境的为淡水。漂浮沼泽﹐分布于湖泊或沼泽中的开阔水域﹐是低位沼泽深覆水区顶部的特殊沼泽类型。漂浮沼泽的表面几乎全被沉水植物﹑特别是菅茅和草类覆盖﹐有薄泥炭层形成并浮于水面﹐植物根可穿透泥炭层﹐又称沼泽湖或颤沼。此外﹐某些低位沼泽以占优势的植物群落命名﹐如分布在海岸潮间带半咸水的红树林沼泽﹔淡水﹑酸性土壤﹑有泥炭藓\和菅茅生长的泥炭藓沼泽﹔淡水﹑碱性土壤﹑以芦苇为主的芦苇沼泽等。

高位沼泽的地貌景观不同于低位沼泽﹐中心凸起呈圆盘状﹐周缘地势较低﹐常由低位沼泽演化而成。沼泽地区地下水面略低于这类沼泽的表面﹐由大气降水补给﹐缺乏矿物质补充﹐因此沼泽发育后期植物矮化﹑属种单调。如潜水面不发生变化﹐沼泽环境难以长期持续。

当气候或构造等因素引起沼泽水面或地下水潜水面发生变化时﹐上述不同沼泽类型可以发生互相转化﹐尤其是低位沼泽发育到晚期﹐常演化成高位沼泽。不同沼泽类型形成不同煤岩类型的煤。1

成煤沉积环境模式发育在滨海平原﹑三角洲平原﹑冲积平原等不同沉积环境中的沼泽﹐其空间分布﹑水介质条件﹑植被类型和泥炭堆积持续时间等不同﹐所形成的泥炭层转变成煤后﹐无论在煤层厚度﹑含夹矸情况﹑煤体空间分布形态和煤的矿物质含量﹑煤岩类型等均有差异。

20世纪10～30年代﹐J.A.厄登(1912)﹑J.M.威勒尔(1930)和H.R.旺勒斯与威勒尔(1932)﹐先后在美国伊利诺伊盆地宾夕法尼亚系的海陆交替相煤系中﹐辨认出向上变粗和向上变细两种不同的岩石垂向层序﹐并将其在剖面中的重复出现称为旋回结构﹐认为由海水进退和地壳振汤运动引起(见含煤岩系)。成煤沉积环境主要有以下几种。

三角洲海岸成煤沉积环境60年代以来﹐随著密西 西比河现代三角洲沉积作用研究的进展﹐J.C.弗姆和E.G.威廉姆斯(1963)用三角洲沉积作用的过程解释上述煤系旋回结构的成因。弗姆(1974﹑1975)﹑J.C.霍恩和弗姆(1978)以现代密西西比河的沉积作用和海岸沼泽的分布与美国东部石炭纪煤系的沉积环境进行模拟对比﹐发现许多煤层的参数﹐如厚度﹑横向稳定性﹑顶底板岩性﹑硫和痕量元素含量﹑灰分等﹐都与泥炭堆积时的沉积环境及同生构造的控制有关﹐总结出了从障壁岛-下三角洲平原-上三角洲平原-冲积平原的成煤沉积环境模式。其中﹐障壁岛后沼泽形成的煤层薄﹐含硫高﹐煤层沿障壁沙坝走向延伸﹔下三角洲平原的成煤沼泽顺分流河道两侧的天然堤发育﹐形成的煤层沿沉积倾向连续﹐走向不连续﹐煤层薄﹐常见泥质夹层﹔上三角洲平原至河流冲积平原的泥炭堆积在河道两侧的氾滥盆地中﹐煤层呈透镜体状﹐横向连续性差﹐常为低硫煤﹔上﹑下三角洲平原过渡带泥炭层发育在分流间湾被决口沉积物充填而成的广阔平台上﹐煤层厚度稳定﹐横向连续性也好。此外﹐沉积速度快的阿巴拉契亚南部﹐煤层稳定性差﹐含硫低﹔北部沉降速度慢﹐煤系厚度小﹐煤层分布稳定﹐含硫高。弗姆和G.A.怀森弗鲁(1989)指出﹐向上变粗垂直层序厚度的差异主要是由于盆地深部同沉积断裂活动引起。基底沉降幅度较大的一侧(下降盘)在地表造成负地形﹐易形成叠置的河流沙体﹔而相对沉降较缓的一侧(上升盘)则易形成较厚的煤层﹐厚煤层向叠置的河流砂体的方向分叉﹑变薄以至尖灭。

A.C.唐纳森(1974)根据浅水三角洲与深水三角洲沙体几何形态的不同﹐将美国西弗吉尼亚晚石炭世煤系的沉积环境与现代河流作用占优势﹑浅\水的瓜达罗普三角洲对比﹐认为在废弃的浅水三角洲朵体的沙质平台上成煤环境颇佳。与深水三角洲不同﹐浅\水三角洲的前三角洲泥质沉积相和三角洲前缘沙质﹑粉沙质沉积相厚度一般不大﹐而以三角洲平原相占优势﹐成煤的泥炭沼泽相是三角洲平原沿积的组成部分﹐因此﹐浅水三角洲模式与成煤作用关系更为密切。中国华北南部晚古生代石盒子群的成煤环境属此类型。

非三角洲碎屑海岸成煤沉积环境非三角洲环境的滨海平原也是沼泽发育的有利场所。障壁岛后潟湖潮坪上发育的泥炭层薄﹐含硫高的情况仅限于小潮海岸(潮差小于2米)﹐因障壁岛连续性好﹐潟湖水体深﹐水域面积大﹐环境比较闭塞。中潮海岸(潮差介于2～4米之间)障壁岛往往被入潮口切割而不连续﹐潟湖水域小而浅﹐封闭性差﹐潮道﹑潮坪大面积发育﹐在潮坪沙泥互层沉积物上发育的成煤沼泽面积广﹐障壁沙坝阻挡了海水的侵袭﹐因而可以形成厚的低硫煤。华北南部山西组的主要煤层即形成于中潮海岸障壁后潮坪﹑潮道沉积物形成的滨海平原上。

碳酸盐海岸成煤沉积环境碳酸盐海岸也有成煤作用发生﹐典型实例为广西合山上二叠统的煤系﹐碳酸盐岩在煤系中占绝对优势﹐仅煤层底板有含植物根系的泥岩存在﹐泥岩中甚至含腕足类等浅海动物化石碎片。煤层厚度不大﹐横向稳定﹐煤质含硫高。

河流成煤沉积环境一般认为河流沉积物有 3种相模式﹕辫状河模式﹐河道浅而宽﹐横向摆动频繁﹐保存下来的常是洪水期粗碎屑沉积物﹐不利于成煤沼泽的发育﹔曲流河模式﹐河道弯度大﹐两侧的漫滩沼泽﹑牛轭湖是有利的成煤场所﹐但形成的煤层横向连续性差﹐网结河模式﹐河道被分支河道间富泥质的植被岛所限﹐不易发生横向摆动﹐泥炭得以在植物岛内持续堆积﹐但横向被砂质河道充填物所截切﹐成煤环境多与中部凸起的高位沼泽有关。与河流环境有关的煤均为低硫煤。

冲积扇﹑扇三角洲成煤沉积环境 与冲积扇和扇三角洲有关的成煤沼泽常见于断陷盆地近边部﹐沿扇前地下水溢出带发育。由于盆缘同沉积断裂的活动﹐厚煤层自盆内向盆缘同沉积断裂方向分叉变薄﹐煤质含硫也低﹐但灰分相对偏高。

湖泊－湖三角洲成煤沉积环境与大型湖泊－湖三角洲环境有关的煤﹐形成于湖三角洲被废弃的朵体或湖湾被决口沉积物充填的浅水平台上。与陆表海相似的大型湖泊常分布在波状坳陷的构造背景下﹐水域面积可以相当大﹐但一般不深﹐容易被多源河流带来的沉积物充填淤浅\而沼泽化成煤﹐因淡水介质﹐形成的煤含硫低﹐如鄂尔多斯中侏罗世早期湖三角洲平原和湖滨平原﹐形成低灰﹑低硫﹑低磷﹑高发热量﹑储量巨大的优质煤﹐向深水区过渡煤层变薄﹐尖灭﹐煤质灰分和硫分也相应增加。

断陷成因的湖泊经常为窄长形﹐沿断裂走向发育﹐水深可达数十至数百米﹐当被冲积扇碎屑物充填淤浅后﹐在扇三角洲朵体之间或废弃的扇三角洲朵体之上始有成煤作用发生。中国东北晚中生代以阜新﹑霍林河等为代表的煤盆地属这种类型﹐经常有厚和巨厚煤层发育﹐但横向稳定性较差﹐煤质含硫低﹐灰分一般偏高。中国南方一些第三纪煤盆地如昭通﹑百色等多属这种类型。

侵蚀成因的小型湖泊被沉积物充填﹐容易整体淤浅成煤﹐形成的煤层范围一般不大﹐如中国南方某些晚第三纪煤盆地。2

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杨刚 - 教授 - 西南大学