聚煤作用

古代植物在古氣候、古地理和古構造等有利條件下，聚集而形成煤礦床（最初為泥炭）的作用。

強烈的地殼活動使有利聚煤沼澤的環境不易長期保持，過於緩慢的地殼活動又因堆積的植物遺體暴露在水面以上，受風化而被破壞掉。因此只有地殼的沉降速度與植物遺體堆積長期保持平衡的情況下，植物遺體才能夠大量堆積並保存下來，形成一定厚度的泥炭層。

基本介紹

• 中文名：聚煤作用
• 外文名：coal-accmnulating process
• 學科：煤地質學
• 意義：聚集成煤（最初為泥炭）的作用
• 控制因素：盆地構造、沉積環境等
• 特徵：煤的水分、灰分、揮發分

簡介

古植物為聚煤作用提供物質原料，只有大量的植物繁殖才有可能發生聚煤作用。而古植物的大量繁殖又需要合適的古氣候和古地理條件，溫暖潮濕的氣候最有利於植物大量生長，低洼積水的沼澤是植物大量繁殖的理想地理環境。堆積的大量植物遺體能否保存，決定於古構造活動狀況，地殼活動強烈或過於緩慢都不利於聚煤作用。強烈的地殼活動使有利聚煤沼澤的環境不易長期保持，過於緩慢的地殼活動又因堆積的植物遺體暴露在水面以上，受風化而被破壞掉。因此只有地殼的沉降速度與植物遺體堆積長期保持平衡的情況下，植物遺體才能夠大量堆積並保存下來，形成一定厚度的泥炭層。由於自然界的聚煤條件並不總是有利的，因此在地史上才多次分別出現聚煤的強盛期和衰退期。

控制因素

盆地構造演化對聚煤作用的控制

李思田等(1988)對中國東北晚侏羅世—早白堊世斷陷盆地的研究表明受盆緣同沉積斷裂控制的斷陷盆地的沉積充填演化和聚煤作用具有明顯的規律性。雖然這些斷陷盆地是相互孤立的，但是由於它們的盆地構造演化具有同步性，其盆地充填序列具有普遍特徵。以元寶山，平莊和阜新盆地為例(右圖)，其盆地充填序列可明顯的劃分為五段：底部粗碎屑沖積物段(Fm)、含煤碎屑岩段和湖相段(Cm-Lm)、湖相細碎屑岩段(Lm)、含煤碎屑岩段(Cm)和頂部粗碎屑沖積物段。這表明了斷陷盆地初始裂陷，快速沉降和熱衰減沉降的整個構造演化過程。很明顯在盆地初始裂陷期，由於物源供應比較充足，沖積和洪積體系發育，主要由扇土石流沉積和礫質河道沉積組成，垂向上總體向上變細。橫向上厚度變化劇烈，通常在近盆緣斷裂的邊緣很厚，向盆地中心迅速變薄，泥炭沼澤極不穩定，僅局部形成薄煤層或煤線。在快速沉降初期含煤碎屑岩段和湖相段，在垂向上為明顯的水進序列。盆地中心出現了持續存在和逐漸擴大的湖區。在周圍物源供應比較充分的盆地中，含煤碎屑岩段較厚，含有具有開採價值的煤層，例如：阜新盆地。含煤碎屑岩段一般分布於盆地的周緣。

湖相段由淺湖和較深水湖泊交替沉積組成，一般不含重要煤層。在快速沉降湖相細碎屑岩段，由巨厚的淺湖和深湖細碎屑沉積組成。本段形成時盆地內湖泊面積達到最大，湖泊面積可覆蓋全盆地的 80% ～90%，有時還可能漫過盆緣斷裂與鄰近盆地連通。該段的泥岩一般富含有機質，其底部和頂部以Ⅲ型乾酪根為主，泥岩總有機碳含量一般為 0.6% ～2%;中部以Ⅱ型乾酪 根為主，泥岩總有機碳含量一 般2.0% ～4.5%以上。這些泥岩均是很好的烴源岩。在熱衰減沉降含煤碎屑岩段，盆地的構造沉降明顯減慢，強烈的扇三角洲和三角洲進積使湖盆水體變淺，收縮。盆地邊緣沖積扇，扇三角洲和小型三角洲廣泛發育。盆地中心主要發育淺水湖泊和沼澤，以及河流沉積。垂向上旋迴性明顯，一般可分為 6～8個含煤旋迴。晚中生代斷陷盆地中的巨厚煤層和大面積分布的煤層多賦存於此段。可采煤層累計厚度大於 50m者常見。在盆地衰亡頂部粗碎屑沖積物段，主要為沖積扇沉積，以砂岩和礫岩為主，夾薄煤層。

在我國東北和西南線狀斷裂帶內的一些古近紀和新近紀小型斷陷盆地，其盆地充填序列與東北晚中生代斷陷盆地具有很好的相似性(Zhuang，1999a;邵震傑等，1995;張強等，1997)，同樣可明顯地劃分為五段。但它們之間的差別在於，古近紀和新近紀小型斷陷盆地主要富煤段出現在湖相細碎屑岩段之下，例如我國東北古近紀撫順、梅河口盆地，主要富煤段出現在厚層油頁岩之下，煤層單層厚度一般 20～50m，最大厚度可達 100餘米。次要富煤段出現在最大湖相段之上，例如梅河口盆地次要富煤段含有局部可採煤層。我國西南新近紀先鋒盆地主要富煤段出現在湖相硅藻土和硅藻土泥岩之下，煤層最大厚度可達 100餘米。

次要富煤段出現在最大湖相段之上。這種差異主要受控於盆地基底的沉降速率。小型斷陷盆地快速沉降初期盆地基底沉降速率能夠保持比較長時期與泥炭沼澤的堆積速率相一致。

沉積環境演化對聚煤作用的控制

人們通常所說聚煤沉積環境實際上是指泥炭沼澤形成前的沉積環境(即泥炭沼澤形成的背景環境)。有關聚煤盆地聚煤沉積環境與含煤性研究的成果較多。對於盆地構造活動較弱的大型聚煤坳陷盆地或克拉通盆地，盆地的沉積環境演化對聚煤作用起作直接的控制作用。在某一特定的成煤時期，聚煤作用與沉積體規模及成因相分布密切相關。河流體系聚煤作用主要發生於河流間泛濫平原，這樣富煤單元範圍與泛濫平原面積有關。三角洲體系聚煤作用較廣泛，但最為有利的聚煤作用發育於廢棄三角洲朵體，因此，三角洲廢棄朵體的規模及範圍直接控制富煤單元的邊界條件及範圍。右圖為鄂爾多斯盆地早、中侏羅世代表性含煤充填系列(李思田等，1992)，含煤的延安組在垂向上由五個三角洲體系單元組成，聚煤作用形成於每個三角洲體系的廢棄階段。右概括了鄂爾多斯盆地東北部延安組第四成因單元富煤單元與沉積體系關係。在北部罕台窯附近為河流體系沉積，富煤單元分布於河流間泛濫平原區，其富煤單元面積較小，僅 1.8～3.0km² ;在東勝及其以南地區為湖泊三角洲體系沉積，富煤單元分布於廢棄三角洲朵體之上，其面積相對較大，約 250～1200km² 。在盆地整個充填演化過程中，三角洲體系的發育和側向遷移對聚煤作用具有重要影響。

海平面變化對聚煤作用的控制

大陸邊緣近海或陸表海聚煤盆地的聚煤作用除受古構造和古地理條件控制外，海平面變化對聚煤作用產生著重要的影響(解習農等，1992)。對我國華南晚二疊世陸表海盆地西部織納煤田的聚煤作用研究表明，在大陸邊緣盆地或陸表海充填過程中，每個亞層序的形成與海平面變化有著密切的關係，而海平面變化又受控於基底構造沉降和同期海平面升降。在海陸交替含煤地層中，沉積空間的變化直接決定沉積物及成因相的變化。在補償沉積區，在海平面上升期間，隨著沉積體系的不斷進積，逐漸從泥質向砂質過渡;當沉積界面接近或超出海平面後，即可形成沼澤或泥炭沼澤(圖a);而在欠補償沉積地區，在海平面上升期間，沉積界面總是低于海平面，沉積濱淺海或潮下灰岩或泥岩(圖b)。很明顯在華南晚二疊世陸表海盆地的西部貴州六盤水一帶，由於充足的物源供給條件，三角洲體系和濱岸碎屑體系的發育，形成了中國南方晚二疊世最重要的富煤帶(李思田等，1990)。

煤質特徵的地質控制

煤質特徵從廣義上說包括煤的岩石學特徵、礦物學特徵、煤化學特徵和地球化學特徵，其主要取決於煤的前身———泥炭沼澤 形成 時的構 造和沉 積環 境背景、植物群落以及後期的煤化作用、熱液和岩漿活動。

煤的岩石學特徵受植物群落和沉積環境背景的影響。植物群落一方面與自身的時代演替和古氣候演替有關，其主要受沉積環境背景的影響。覆水較深的泥炭沼澤易於形成以草本植物為主體的泥炭沼澤 或以 低等藻 類植物 為主 的腐泥，煤常以線理狀和塊狀為特徵。覆水較淺的泥炭沼澤易於形成以木本植物為主體的泥炭沼澤，煤常以條帶狀和透鏡狀為特徵。撫順盆地是我國一個非常著名的古近紀含煤盆地，其煤的類型豐富多彩，包括腐殖煤、腐泥煤、腐殖 -腐泥混合煤和琥珀殘殖煤。以煤的類型和煤的結構構造類型為基礎建立撫順煤田煤的岩性相類型，發現煤的岩性相類型與煤的顯微組分組成和形成條件，以及植物群落類型和泥炭的堆集機制有著密切的關係(莊新國等，1999b)。

煤的礦物學特徵包括有機顯微組分和無機礦物質兩部分。有機顯微組分主要來自成煤植物，可劃分為三大類，即鏡質組、殼質組和惰質組。煤中有機顯微組分的構成主要受泥炭沼澤類型、埋藏速率、氧化還原條件和水介質條件等因素影響。將中國北方相對快速沉降的斷陷盆地與緩慢沉降的大型坳陷盆地對比研究，發現相對快速沉降的斷陷湖盆內煤多以富鏡質組和貧惰質組為特徵，例如：東北早白堊世阜新盆地海州組不同煤層的顯微組分組成，中間層、太平層和孫家灣層煤層均以高的鏡質組(86% ～94%)、低的惰質組(1.7% ～6.5%)和殼質組(4.6% ～7.5%)含量為特徵;東北古近紀撫順盆地古城子組煤層以腐殖煤為主，並夾多層腐泥煤。腐殖煤的鏡質組含量平均可達96%以上(莊新國等，1999)。雲南新近紀先鋒盆地煤的顯微組分以腐殖組占絕對優勢，平均為 91.6%(邢軍等，1999)。而在緩慢沉降的大型坳陷盆地中，由於盆地基底處於一種相對的穩定階段，泥炭沼澤在緩慢沉降背景下發育，易於形成高位化表蓋突起而遭氧化。例如：早、中侏羅世鄂爾多斯盆地延安組煤層煤多以富惰質組為特徵，常夾有富惰質組的分層，煤中惰質組含量一般大於 30%(李思田等，1992);煤中惰質組的含量分布受沉積體系類型的控制，沖積平原煤層的惰質組含量通常高於三角洲體系。除了中、新生代斷陷盆地具有快速沉降條件外，一些中生代前陸盆地、新生代大型裂谷以及大陸邊緣裂陷也都具有快速沉降、充填和埋藏的有利條件，因而有利於形成富鏡質組煤。

煤中的無機礦物相組成主要有矽酸岩類、碳酸岩類和硫化物類，其次是磷酸鹽類和硫酸鹽類等。煤中礦物質的來源主要有四個方面：即，主要通過水流的機械搬運進入泥炭沼澤的陸源碎屑;通過水流機械搬運或通過火山噴發直接進入泥炭沼澤的火山碎屑;在泥炭沼澤中沉積的生物骨骼顆粒;在泥炭沼澤或泥炭層孔隙中溶液物質的沉澱;在後期地質作用(包括煤化作用、熱液作用、岩漿作用和風化作用等)過程中，由於煤層中離子的遷移和相互作用形成的礦物質。煤中礦物質的類型和豐度受泥炭沼澤形成時的構造環境、沉積環境、物源條件、沼澤水介質條件以及後期的地質作用控制。

特徵

煤化學特徵包括煤的水分、灰分、揮發分、碳、氫、氧、氮和煤化程度等。煤化學特徵取決於煤的礦物學特徵和煤化作用。煤中的灰分含量主要來自煤中的無機礦物質。對於相同變質程度的煤來說，煤的揮發分、碳、氫和氧含量與煤的有機顯微組分有關，富鏡質組和殼質組的煤具有相對高的揮發分和氫、氧含量;富惰質組的煤具有相對低的揮發分含量和高的碳含量。隨著煤化作用程度的增高，煤的揮發分產率、氫和氧元素含量減少，碳含量增高。

煤的地球化學特徵主要包括煤中常量和微量元素的豐度和賦存狀態，其主要受控於泥炭沼澤形成時的沉積環境背景、物源區的岩石組成和火山噴發，以及煤化作用和岩漿侵入過程中的熱液活動。大量研究表明不同地區和不同煤層煤中常量和微量元素的豐度變化較大，但總體與煤中的礦物質有關。因此，煤中常量和微量元素的總量一般與煤的灰分產率具有明顯的相關性。常量元素是構成煤中常見礦物的主要元素，Si、Al、Na和 K主要來自矽酸鹽礦物;Ca和 Mg主要來自碳酸鹽礦物;S主要來自硫化物礦物(黃鐵礦)，部分硫與有機質和硫酸鹽有關;煤中的硫含量主要與泥炭沼澤形成時海水的影響有關，局部地區與物源條件和岩漿侵入有關。

大量研究表明一般受海水影響的泥炭沼澤，而後形成的煤中硫含量較高;硫化物礦物含量較高的物源區和岩漿侵入煤層也可形成煤層中硫含量的局部增高。Fe主要來自硫化物礦物(黃鐵礦)和碳酸鹽礦物(菱鐵礦);P主要來自磷酸鹽礦物。江西樂平晚二疊和晚三疊世煤的礦物學和地球化學研究表明晚三疊世煤中 Si、Al、Ca、P、K和 Mg含量明顯高於晚二疊世煤，主要由於晚三疊世煤中具有相對較高含量的高嶺石、石英、伊利石、菱鐵礦和白雲石礦物;而受海水影響明顯的晚二疊世煤中 S和 Fe含量較高主要由於煤中具有相對較高含量的黃鐵礦和白鐵礦礦物。