Question

含煤岩系及其旋回特征

Answer 1

一、含煤岩系及其同义词

含煤岩系指一套在成因上有共生关系并含有煤层(或煤线)的沉积岩系。其同义词有含煤沉积、含煤地层、含煤建造、煤系等。含煤岩系的简称即“煤系”。含煤岩系是具有三维空间形态的沉积实体，特指含有煤层的一套沉积岩系，是充填于含煤盆地具有共生关系的沉积总体。含煤岩系的顶、底界面不一定是等时性界面，既可以是等时的也可以是不等时的。

图8-1 含煤岩系岩性组合特征

二、煤系及其岩性特征

成煤的沉积古地理环境特征是控制煤系形成的直接因素。当具备发育含煤盆地的构造条件、古气候和古植物条件以后，含煤沉积盆地的沉积古地理面貌是决定聚煤特征的重要条件。在煤系的形成过程中，泥炭堆积以前、堆积同期及其以后的沉积环境，都直接影响煤层的厚度和形态、煤层的侧向分布，以及煤岩的组成和煤质特征。成煤的泥炭沼泽形成以前的沉积环境，塑造了煤层聚集的地形、地貌条件，因而影响煤层的厚度变化及形态与分布。与泥炭沼泽同期存在的沉积环境配置，不仅直接影响煤层的形态及分布，而且与泥炭沼泽内部的环境共同控制了煤的组成，即煤岩、煤质的变化。成煤后的沉积环境，将影响泥炭层的保存条件及其后期剥蚀，而且间接影响煤质。

随着煤田地质学的深入发展，煤地质学家愈加认识到，含煤岩系首先是在一定构造空间(即盆地)内充填的沉积，它是具有三维空间形态的沉积体。因此，煤系是充填于煤盆地的全部有共生关系的岩系总和，它是由具体的地质顶、底界面和侧向的各种地质边界(如沉积相的变化、地层的超覆、退覆及各种不整合关系)所围限的。

含煤岩系的顶、底界面不都是等时性界面，可以是穿时的。这是因为煤系大多是由陆源碎屑沉积物构成的，它的形成又多为沉积盆地边缘发生的充填，即由盆地边缘沉积物为水等携带进入盆地内，如果这种进积作用能在稳定的条件下历经长期的地质时间，形成的含煤岩系往往显现出跨时间演化的特征。如我国华北石炭纪—二叠纪煤系，由于其成煤时期自北而南逐渐变新，于是在华北聚煤盆地内，石炭纪—二叠纪的含煤岩系的底界与顶界(即煤系与非煤岩系的交界面)出现了穿时的现象。这种现象主要是由于三角洲等沉积体系的不断连续进积，即持续的海退所引起的古岸线不断南移而形成的。

煤系是在潮湿气候条件下形成的，所以组成煤系沉积岩的颜色，主要是灰色、灰黑色、黑色和灰绿色。煤系的岩性以各种粒度的陆源碎屑岩和黏土岩为主，夹有石灰岩、燧石层等，也有的煤系主要由石灰岩构成;此外，煤系中还常见有铝土矿、耐火黏土、油页岩、菱铁矿、黄铁矿等。

煤系中碎屑岩的矿物成分取决于陆源区岩性成分和构造环境。煤系中最常见的碎屑岩为石英砂岩、长石石英砂岩、长石砂岩和岩屑砂岩，以及粉砂岩、砾岩。不同沉积条件下形成的碎屑岩在成分、结构上差别很大(图81)。内陆条件下形成的煤系，以过渡性的砂岩较多，如长石石英砂岩和岩屑石英砂岩等;砾岩和粗砂岩多形成于邻近侵蚀区的环境。煤系中黏土岩占相当比重，但多含粉砂质;石灰岩在一些古生代煤系构成主要组分，如早古生代煤系、广西晚二叠世煤系及华北一些地区的晚石炭世煤系。

在成煤时期，由于火山作用往往为大量的成煤植物繁衍提供了良好的大气条件及土质条件，因此在煤系的形成过程中，如果有岩浆活动或火山活动，就会有相应的火山岩及火山碎屑岩的分布。如我国许多中、新生代的煤系就含有各种火山岩及火山碎屑岩，我国晚古生代的一些煤系也往往含有火山碎屑岩。

组成含煤岩系的沉积岩，在沉积构造上以具有各种非水平层理为最突出的特征。煤系中常具有丰富的植物化石，有的煤系也富产动物化石。此外，煤系中还含有各种碳酸盐(特别是菱铁质的)结核和泥质、粉砂质和菱铁矿包体。

煤系岩层层序在岩性特征、粒度特征、结构构造以及生物化石特征等方面具有明显的旋回结构。

三、煤系的旋回结构

煤系的旋回结构是煤系的重要特征，它反映了煤系沉积层序中有共生关系的岩性、岩相等特征有规律地重复交替的现象，研究煤系的旋回结构是重塑煤系形成环境的重要手段，是对比含煤地层的方法之一。

1.概述

反映煤系旋回结构的岩层特征多种多样。例如，利用岩石的粒度特征，称粒度旋回;利用岩层的厚度、层理类型，称为层序旋回;也有的仅利用岩石类型特征等。综合运用多种岩层特征确定出沉积相，从而反映出的旋回称为沉积相旋回。

划分旋回结构的依据不同，因此旋回的类型也不相同。Beerbower(1964)针对冲积平原上的旋回沉积，划分出自旋回和他旋回两种基本类型。自旋回主要是指在一沉积体系内部，由于能量和沉积补给物质的再分配，沉积体系的总沉积能量和补给物质未发生变化，如河流的侧向迁移、袭夺、决口洪泛、潮汐河道的迁移、水下重力流沉积的变化、风暴及潮汐影响等。他旋回主要是由沉积体系外部原因引起总能量和沉积物补给量的变化，如构造原因形成的盆地基底沉降、沉积物补给的变化、古坡度变化、海面升降、气候变化等。

一般他旋回成因的多为大型沉积旋回，厚达几百米，自旋回成因的多为小型沉积旋回，通常厚几十厘米至几米;几米至几十米厚的中型沉积旋回，则可以是自旋回成因或混合成因。

图8-2 不同方法确定旋回界线的比较(据Belt，1974)

2.煤系旋回的划分

Belt(1974)曾指出了美国学派、欧洲学派和三角洲学派对煤系旋回划分的不同方法。传统的美国学派将旋回底界选定在有冲蚀作用的河道砂岩之下(图8-2);欧洲学派将旋回的底界定在煤或根土岩与上覆的海相页岩或石灰岩之间;三角洲学派则将旋回底界选定在海相石灰岩和上覆前积页岩或向上变粗的砂页岩层序之间。

对于海陆交互相煤系来说，前述欧洲学派和三角洲学派的不同旋回界线划分，实际上是确定以海退为旋回起点还是以海侵为旋回起点。对于煤系旋回的划分，以海退为起点是较为常用的方法。这种划分使煤层多位于旋回层序的中部，因此对煤层形成时期、形成以前及以后的沉积环境演化便于相互联系，也有利于应用旋回层序进行煤层对比。

由于煤系旋回划分方法及应用的目的不同，所以煤系旋回的命名也不相同。在成煤环境分析中，往往以旋回代表的沉积体系来命名，如河成旋回、三角洲旋回、湖泊旋回、潮坪旋回等，有的则按照旋回层序中起始和终止的沉积相来命名，如冲积湖泊相旋回等;按照旋回层序中含煤情况，可分别称为含煤旋回和无煤旋回;按照旋回层序中岩性岩相组合的完整性，可分为完整旋回和不完整旋回;按照煤系旋回的规模大小(即旋回的厚度及所代表的地质时间长短)，往往划分为不同级别的旋回。

3.煤系旋回结构的成因

煤系旋回结构形成的原因主要有沉积成因、构造成因及气候变化成因。

形成煤系旋回结构的沉积作用因素是指在一种沉积体系内部，其沉积、搬运能量所发生的周期性变化。例如，在河成沉积中，由于河道的曲流迁移作用所引致的周期变化;决口扇沉积中的周期性洪泛变化;潮汐沉积中，由于涨落潮所引起的周期性变化;水下重力流的周期性变化;冲积扇沉积中间歇性水流、脉冲流等的周期性变化;三角洲沉积中，进积、退积三角洲朵叶的迁移、摆动等周期性变化等。上述几种周期性沉积搬运能量的变化，都可形成各具特色旋回层序的旋回结构。

气候的周期性变化，所形成的旋回结构也是多样的。例如，冰川作用和冰川消融作用的交替，影响大区域或全球的海面升降变化，因而造成滨岸沉积的旋回层序。

局部性气候因素形成的旋回结构，可以受气候影响的湖泊沉积为例。在湖泊演化史中，由于气候的周期性变化，湖泊面积常出现扩张期和收缩期，这就引起了湖面的升降，因此影响到流域的侵蚀和堆积过程。湖面降低时，入湖的河系下切，形成河谷侵蚀，把大量陆源碎屑带入湖盆，因而使湖水淤浅;反之，带入湖盆的碎屑量减少，因而湖水变清，湖心可沉积碳酸盐岩及有机淤泥，浅水处由于水动力强可沉积鲕粒。由于这种周期性的湖面升降，便形成了含煤的湖成沉积旋回。

地壳运动因素引起的旋回结构往往分布范围较广，规模较大。Fiege(1978)认为，影响范围在100km以上的高级别旋回，其控制因素与造陆运动的升降有关。有的人认为在地壳下降的总趋势中，同时叠加幅度不大、周期较短的升降运动，从而引起滨岸地带的海侵与海退，形成沉积层序的周期性交替;也有的人认为间歇性沉降，即地壳运动过程中显著的沉降和相对稳定阶段的交替，也可形成煤系的旋回结构。

除上述升降运动能形成旋回结构外，水平方向的地壳构造运动也可引起沉积作用的周期性变化。Ankard(1986)曾提出，美国阿巴拉契亚地区石炭系旋回的形成，是由大规模逆冲断块的叠加负荷，从而引起前陆盆地的沉降量和海面变化量的不平衡而造成的。