含煤岩系沉积学的发展经历了旋回层、沉积模式及现在的层序地层学3个研究阶段(邵龙义等, 2017)。20世纪初, Udden(1912)提出海侵— 海退旋回是造成北美上石炭统含煤岩系中岩性单元规律性重复的原因, 并把一个煤层底面到相邻另一个煤层底面之间的地层序列定义为一个完整的旋回层序。Wanless和Weller(1932)进一步强调了这些旋回性广泛的横向连续性及其在地层对比上的实用价值, 正式提出“ 旋回层” (cyclothem)一词, 并将其归因于地壳运动引起的海侵— 海退作用。20世纪70年代, Horne等(1978)针对阿巴拉契亚山地区晚石炭世含煤岩系, 建立起著名的阿勒格尼三角洲聚煤模式。此后, 各种含煤岩系沉积模式相继提出, 中国学者提出了多堡岛成煤模式(刘焕杰等, 1987)、潮坪聚煤模式(刘焕杰, 1982)、碳酸盐岩台地综合成煤模式(张鹏飞等, 1983)以及断陷盆地聚煤模式(李思田, 1988)等。20世纪80年代末期, 层序地层学概念体系的提出, 将旋回层的全球性特征与自旋回局部性变异的灵活性很好地结合起来(Van Wagoner et al., 1990)。受层序地层学理论的影响, 中国学者针对近海型煤系层序地层分析的方法原理进行了大量实例研究, 相继提出幕式聚煤作用(邵龙义等, 1992)、海侵过程成煤(李宝芳等, 1999)、海侵事件成煤(李增学等, 2001)、海相层滞后阶段聚煤(Shao et al., 2003)等理论。

层序地层学的出现极大地推动了聚煤作用理论的发展, 层序地层学与旋回地层学相结合, 能够为含煤岩系对比提供等时性地层格架(邵龙义等, 2017)。“ 可容空间” 概念的提出是层序地层模式发展的一个关键点, 泥炭地中的可容空间定义为泥炭所能堆积的最大高度(Flint et al., 1995), 而煤层厚度取决于可容空间增长速率与泥炭聚集速率之间的相对平衡状态(Bohacs and Suter, 1997)。考虑到煤层堆积速率极快(4~100年堆积1 mm; McCabe, 1984), 因此, 厚煤层的形成需要可容空间持续增长, 才足以容纳快速堆积的泥炭。适合成煤的最大可容空间的持续增长需要基准面的不断抬升, 过慢的基准面上升速率, 难以保证泥炭堆积所需的可容空间, 相反, 过快的基准面上升速率, 使得泥炭堆积速率又难以匹配上可容空间的增加速率, 水体变深而不适于植物生长, 从而造成泥炭沼泽很快被水体淹没, 因此, 只有适宜的基准面上升速率, 才能保证可容空间增加速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡关系, 使泥炭能够持续堆积, 从而形成厚煤层(Bohacs and Suter, 1997)。基准面的抬升离不开海(湖)平面的上升, 因此, 厚度较大的煤层一般形成于最大海(湖)泛期, 出现在最大海(湖)侵点处或其附近(Flint et al., 1995; 邵龙义等, 2017)。

邵龙义等(2017)提出, 不同古地理背景下及不同体系域中, 可容空间增加速率与泥炭聚集速率的平衡关系是不同的, 因此所形成的煤层不只是在厚度上不同, 而且煤岩煤质特征也会有所不同(图 1)。在距物源区较近的冲积体系或滨海平原过渡相靠陆一侧, 因有丰富的陆源碎屑供给而常常处于补偿或过补偿状态, 即图 1-b中的泥炭堆积速率大于可容空间增加速率(R_P> R_A), 只有当海平面(基准面)上升速率相当大、可容空间快速增加时, 即相当于最大海泛面位置, 相对海平面上升速率/可容空间增加速率才会与泥炭堆积速率保持平衡, 适于泥炭层堆积的可容空间可以持续很长时间, 从而形成厚煤层。与此相反, 对于远离陆源区的滨外陆棚或碳酸盐岩台地背景中形成的含煤岩系, 可容空间增加速率大于泥炭聚集速率, 即图 1-b中的R_A> R_P, 只有相对较慢的海平面上升速率才会维持适于泥炭层堆积速率的平衡, 从而形成较厚煤层。相反, 海平面上升速度过快, 大大超过泥炭堆积速率时, 水体则会变深而不适于植物生长, 其结果是适于泥炭层堆积的可容空间不能长期存在, 从而只能形成厚度较小的煤层。因此, 在滨外陆棚或碳酸盐岩台地背景中, 厚度较大的煤层可能只会在海侵面处形成, 而在最大海泛面处形成的煤层, 其厚度往往较小(邵龙义等, 2017)。

图 1

Fig.1

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图 1 近海背景下含煤岩系中厚煤层分布模式(a)及受可容空间增加速率与泥炭堆积速率平衡关系控制的煤厚变化趋势(b)(据邵龙义等, 2017; 有修改) SB: 层序界面; SB-P: Posamentier和Allen(1999)所指的层序界面; SB-H: Hunt和Tucker(1992)所指的层序界面; ts: 海侵面; mfs: 最大海泛面Fig.1 Distribution model of thick-coals (a) and variation trends of thickness of coals controlled by accommodation creation rates in balance with peat accumulation rates (b) for the paralic coal measures(modified from Shao et al., 2017)

岩相古地理研究是重建地质历史中海陆分布、构造背景、盆地配置和沉积演化的重要途径和手段(田景春等, 2004)。岩相古地理学是中国当今研究人数最多、成果最为丰富、生产实践效益最好的一个古地理学分支学科(郑秀娟等, 2020)。王竹泉等(1964)对于华北地台石炭纪岩相古地理的研究成果是中国较早关于岩相古地理学的探索。20世纪70年代以前, 岩相古地理图大多数是以小比例尺、定性的或示意的图件为主; 之后, 出现新型的中比例尺乃至大比例尺定量化岩相古地理图。以冯增昭先生为代表的研究人员采用“ 单因素分析多因素综合作图法” (冯增昭, 2004), 先后开展了华北、鄂尔多斯、华南、西北等地区的岩相古地理定量化研究(例如, 冯增昭等, 2000)。岩相古地理研究从定性走向定量, 丰富了中国岩相古地理学的研究内容, 是当前该学科的重要发展趋势。

岩相古地理分析是聚煤规律分析的重要手段(韩德馨和杨起, 1980; 刘焕杰等, 1991; 张鹏飞等, 1997), 层序地层学为古地理分析提供了等时性地层格架, 通过编制层序— 古地理图可以进行富煤带、富煤中心分布与迁移等规律研究(邵龙义等, 2017)。所谓层序— 古地理图是在层序地层学理论的指导下, 以体系域或对应的顶底界面为编图单元, 编制的古地理图具有等时性、成因连续性和实用性(田景春等, 2004)。在中国地史上主要有9个主要聚煤期, 包括早石炭世、晚石炭世— 早二叠世、中二叠世、晚二叠世、晚三叠世、早— 中侏罗世、早白垩世、古近纪、新近纪, 这些主要聚煤期的含煤地层在空间分布上形成了东北、西北、华北、华南、青藏等5个陆上聚煤区(韩德馨和杨起, 1980; 张韬, 1995; Li et al., 2018a)和1个海域聚煤区(Shao et al., 2020)。除上述主要聚煤期外, 早古生代在中国南方和秦岭等地广泛分布的石煤, 是由菌藻类生物遗体在海相环境下经腐泥化作用和煤化作用转变而成的, 属于变质程度高、高灰、高硫、发热量较低的腐泥煤(韩德馨和杨起, 1980)。自从志留纪晚期植物登陆开始, 真正的腐植煤在泥盆纪才开始出现。泥盆纪含煤岩系主要分布在华南地区, 从早、中泥盆世到晚泥盆世, 聚煤作用逐渐增强。华南地区聚煤作用在晚泥盆世明显向东北方向迁移, 从雪峰古陆西侧、江南古陆到下扬子地带, 在低洼地区多有聚煤作用发生(韩德馨等, 1993)。大规模的聚煤作用始于早石炭世, 当时的聚煤作用主要发生于中国南方, 晚石炭世— 早二叠世聚煤作用主要发生于华北聚煤区, 中二叠世聚煤作用主要发生于华北南部及华南地区, 晚二叠世聚煤作用主要以华南聚煤区为代表, 晚三叠世聚煤作用主要发生于华南聚煤区以及华北的鄂尔多斯盆地, 早— 中侏罗世聚煤作用主要发生于西北和华北聚煤区, 早白垩世聚煤作用以东北聚煤区为主, 古近纪和新近纪聚煤作用主要集中于中国东北和西南地区以及海域聚煤区(韩德馨和杨起, 1980; Shao et al., 2020)。

自20世纪90年代以来, 中国学者对主要聚煤区在不同聚煤期的含煤岩系层序— 古地理及聚煤模式进行了研究, 通过层序— 古地理方法相继恢复了东北早白垩世(邵凯等, 2013; Xu et al., 2020)及古近纪和新近纪(徐克剑等, 2015)、西北侏罗纪(刘天绩等, 2013; Li et al., 2018b)、华北石炭纪— 二叠纪(郭英海等, 1998; 胡斌等, 2012; 邵龙义等, 2014a)、华南晚二叠世(邵龙义等, 2016)和晚三叠世(邵龙义等, 2014b)等不同聚煤期的层序— 古地理格局, 在此基础上探讨层序地层格架下的聚煤规律(Shao et al., 2020), 为各聚煤区的找煤勘探提供了理论依据。

在华北石炭纪— 二叠纪层序— 古地理及聚煤规律研究中, 邵龙义等(2014a)将华北石炭系— 二叠系划分为7个三级层序, 恢复出各三级层序的岩相古地理, 并依据煤层厚度与岩相古地理平面展布规律得出聚煤最有利的成煤环境为三角洲, 其次为河流、潮坪— 潟湖。聚煤作用以层序Ⅱ (太原组中上部)和层序Ⅲ (山西组)最强, 层序Ⅲ 时期全区除北缘和南缘以外基本都有煤层赋存, 但是规模和厚度比层序Ⅱ 时期略差(图 2); 之后的层序Ⅳ (下石盒子组)和层序Ⅴ (上石盒子组下部)时期, 聚煤作用进一步减弱, 主要限于华北南部地带; 层序Ⅵ (上石盒子组中上部)及层序Ⅶ (石千峰组)时期聚煤作用基本消失(邵龙义等, 2014a)。

图 2

Fig.2

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	图 2 华北地区石炭纪— 二叠纪层序Ⅲ (山西组)岩相古地理和煤层厚度等值线图(据邵龙义等, 2014a; 有修改)Fig.2 Lithofacies palaeogeography and contour of total coal thickness of the Carboniferous and Permian Sequence Ⅲ (Shanxi Formation)in North China(modified from Shao et al., 2014a)

邵龙义等(2016)将华南上二叠统划分为3个三级层序及9个体系域。利用单因素分析多因素综合作图法恢复了各层序的岩相古地理及煤层分布规律。层序Ⅰ 中煤层主要形成于潮控下三角洲平原以及潟湖— 潮坪环境, 厚煤层的展布受这些沉积相带控制; 层序Ⅱ 中三角洲平原环境中煤层最厚, 开阔台地煤层最薄, 平面上煤层厚度表现为西部厚、中部次之、东部无煤的阶梯式递变(图 3); 层序Ⅲ 中煤层主要形成于三角洲平原环境, 此时聚煤作用主要发生于华南西部的康滇古陆东侧, 而华南中部及东部大部地区发育的浅海台地和深水盆地均不利于聚煤作用发生。

图 3

Fig.3

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	图 3 华南地区晚二叠世层序Ⅱ (龙潭组中部)岩相古地理及聚煤规律图(据邵龙义等, 2016)Fig.3 Lithofacies palaeogeography and coal accumulation pattern of the late Permian Sequence Ⅱ (middle part of Longtan Formation)in South China(after Shao et al., 2016)

煤层成因是煤地质学和沉积学领域的基础理论问题(韩德馨和杨起, 1980), 关于煤层的成因, 有“ 原地堆积” 和“ 异地堆积” 之说。煤厚的分级主要是从煤炭开采的角度来确定, 一般将厚度大于8 m的煤层定义为巨厚煤层(杨起和韩德馨, 1979)。随着将层序地层学引入到含煤岩系研究中, 为巨厚煤层成因带来了新的研究思路。

Shearer等(1994)认为大多数巨厚煤层是由多个古泥炭体叠置形成的, 而不是仅由单一的古泥炭体形成, 并且在巨厚煤层中识别出无机质层、氧化有机质层和非氧化有机质降解层3种区分独立古泥炭体的界面, 据此提出了叠置沼泽序列理论(theory for stacked mire sequences)。无机质层是巨厚煤层中以碎屑沉积物为主的连续层, 碎屑沉积物由水(例如洪泛事件)或者空气(例如火山灰)搬运而来; 氧化有机质层为富含大量氧化的植物物质的煤层; 非氧化有机质降解层是形成于水面以下的富含植物物质被分解但未被氧化的煤层。Jerrett等(2011a)根据可容空间增加速率与泥炭堆积速率(R_A/R_P)之间的不平衡状态, 在巨厚煤层中识别出暴露和淹没2种间断面(图 4-a)。在没有碎屑物质供给的情况下, 当可容空间产生速率降低, 泥炭持续以减小的速率聚集, 直到可容空间产生速率降为零。如果水面降至泥炭表面以下, 水面以上泥炭的分解将会导致沼泽表面的风化或剥蚀, 从而产生暴露间断面; 如果长期的可容空间产生速率超过泥炭聚集速率, 当沼泽被淹没的时候, 泥炭的聚集将会终止, 从而产生淹没间断面。Wadsworth 等(2003)和Jerrett等(2011b)根据可容空间与泥炭堆积速率之间的关系(R_A/R_P), 识别出水进型和水退型成煤沼泽类型, 结合煤岩显微组分在垂向上的变化趋势, 识别出了厚煤层中的关键层序界面(图 4-b): (1)水退沼泽化界面(TeS): 界面之上可容空间逐渐减小和潜水面下降, 形成一个向上变浅的旋回, 代表一个连续界面; (2)水进沼泽化界面(PaS): 泥炭开始堆积的起始面, 特征是可容空间逐渐增大和潜水面升高, 有利于有机质的保存, 代表一个长时间的间断面; (3)可容空间转换面(ARS): 可容空间变化趋势的转换面, 代表一个连续界面; (4)非海相洪泛面(NFS): 代表潜水面突然上升而造成泥炭堆积终止的沉积间断面, 潜水面变化由湖平面变化控制; (5)海相洪泛面(FS): 代表潜水面突然上升而造成泥炭堆积终止的沉积间断面, 潜水面变化由海平面变化控制; (6)水进终止面(GUTS): 代表潜水面缓慢上升造成泥炭堆积终止的连续沉积面, 界面之下以向上变深的旋回为特征; (7)暴露面(ES): 代表潜水面低于泥炭表面, 陆源碎屑供给不足, 泥炭遭受暴露被氧化形成的一个沉积间断面, 标志着一个泥炭沼泽旋回的结束; (8)水进侵蚀面(TrE): 水进过程形成的泥炭表面侵蚀界面, 代表一个间断面。

图 4

Fig.4

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	图 4 巨厚煤层的多阶段泥炭地叠置成因模式 a— 巨厚煤层内部间断面的成因机制与识别标志(据Jerrett et al., 2011a; 有修改); b— 可容空间变化速率与泥炭堆积速率关系示意图(据Wadsworth et al., 2003; Jerrett et al., 2011b; 有修改)Fig.4 Multi-phase mire stacking model for accumulation of super-thick coal seam

中国学者对于巨厚煤层的成因也进行了深入的研究。庄军(1995)研究鄂尔多斯盆地南部巨厚煤层的形成条件时发现, 巨厚煤层的形成与不同类型的泥炭沼泽的相互演化和叠加有关。王东东等(2016a)在对鄂尔多斯盆地南部延安组一段巨厚煤层的成因机制研究基础上, 通过煤岩显微组分和碎屑物质识别出水进型、水退型沉积间断面和水进型、水退型连续沉积转换面, 并建立了多煤层叠加形成巨厚煤层的成因模式。Wang等(2019a)在研究中国东北地区早白垩世巨厚煤层的过程中, 根据可容空间和泥炭堆积速率之间的关系及煤岩显微组分的变化趋势, 在巨厚煤层中识别出水进沼泽化界面(PaS)、水退沼泽化界面(TeS)、可容空间转换面(ARS)和水进终止面(GUTS)4种关键层序界面, 据此将巨厚煤层划分为14个水进和水退的旋回(图 5), 并且计算出每个旋回大约持续0.156~0.173 Ma, 大致相当于Miall(1995)划分的五级层序持续的周期(0.01~0.2 Ma)。

图 5

Fig.5

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	图 5 二连盆地胜利煤田下白垩统赛罕塔拉组6号煤层多阶段泥炭地叠置成因模式(据Wang et al., 2019a; 有修改)Fig.5 A multi-phase mire stacking model for accumulation of the No.6 coal seam from the lower Cretaceous Saihantala Formation in Shengli Coalfield of Erlian Basin(modified from Wang et al., 2019a)

关于巨厚煤层成因, 除了“ 原地堆积” 的成因观点之外, 还存在着“ 异地堆积” 成因观点(王华等, 2001; 吴冲龙等, 2006)。有学者在研究巨厚煤层形成过程中发现(吴冲龙等, 2006), 煤层中发育水下重力流沉积物、泥石流沉积物、滑积碎屑、同沉积变形构造等, 这些现象均表明泥炭(煤)堆积于一个不稳定的沉积环境中, 在初次堆积之后再次经历搬运而成为异地堆积的产物, 据此提出一系列巨厚煤层的异地— 微异地成因模式。但异地堆积成煤模式还应结合煤岩学、地球化学、孢粉学等方面的证据来进一步完善。

1.4.1 煤相

煤相即煤的沉积相, 是指煤的原始成因类型, 主要取决于泥炭形成的环境, 即古泥炭沼泽类型(Stach et al., 1982; 邵龙义等, 2017)。煤相是通过煤的显微组分、矿物含量、与煤级关系不大的某些化学参数和某些结构特征来表现(Stach et al., 1982)。煤相的研究可从成煤植物来源、成煤条件、成煤过程等方面为煤层的成因提供信息(Diessel, 1982)。

热姆丘日尼柯夫于1951年在《煤系、煤层和煤的研究方法》一书中首次提出煤相这一术语, 将煤相理解为泥炭的堆积环境, 体现了煤原始成因类型, 据此将煤相划分为干燥森林沼泽相、深积水沼泽相、河漫流水沼泽相、滨海咸水淤塞潟湖相、淡水植物丛生湖泊相或淤塞湖泊相5种类型。20世纪50年代末至60年代初, Teichmü ller将古植物学与煤岩学结合, 提出新的煤相研究方法。20世纪80年代以后, 随着相分析和沉积模式时代的到来, 煤相被赋予更多的沉积环境参数。Teichmü ller(1982)定义“ 煤相是指煤的原始成因类型, 它取决于对应泥炭的形成环境” , 并提出确定各类煤相的4个依据, 即堆积作用的类型、植物群落、沉积环境(包括pH、细菌活动性、硫的补给性)和氧化— 还原电位。Diessel(1986)提出的煤相指数, 即凝胶化作用指数(GI=(镜质组+粗粒体)/(丝质体+半丝质体+惰屑体))和组织保存指数(TPI=(结构镜质体+均质镜质体+丝质体+半丝质体)/(基质镜质体+粗粒体+惰屑体))获得广泛应用。在此基础上, 建立了GI-TPI双对数坐标图解, 利用图解中GI和TPI的关系来反映泥炭沼泽的沉积环境, 其中, GI表示煤中凝胶化组分与丝炭化组分的比值, 可用来反映泥炭沼泽的潮湿程度, 高GI值表示泥炭沼泽相对潮湿, 反之则相对干燥; TPI表示镜质组和惰质组中有结构的显微组分与无结构的显微组分的比值, 用来反映植物组织的降解程度和原始成煤植物中木本植物所占的比例, TPI值越高, 反映植物结构保存的越好。继Diessel(1986)之后, Calder等(1991)又提出了地下水影响指数(GWI)和植物指数(VI), 将地下水位和植被类型这2个因素添加到煤相研究中。Petersen和Ratanasthien(2011)在研究泰国甲米盆地(Krabi Basin)新生代褐煤煤相时, 对GWI进行优化提出湿度指数(WI), 并综合TPI及VI提出结构指数(TI)。

国内学者对煤相的研究也取得了丰硕成果。1932年, 谢家荣最早研究了南方树皮煤, 之后韩德馨、任德贻、金奎励等学者在煤相研究方面取得了不少进展。自20世纪80年代后期以来, 许多学者应用GI、TPI、GWI、VI等参数对中国各聚煤期的煤相进行了探究, 并对成煤沼泽微环境及沼泽演化过程进行了剖析(鲁静等, 2014; 唐跃刚等, 2020)。金奎励等(1997)认为煤相应为一定的形成环境下所沉积的泥炭物质的表现, 是煤的原始成因类型。在研究吐哈盆地侏罗纪煤相过程中, 将其划分为4种类型, 即干燥泥炭沼泽相、森林泥炭沼泽相、活水泥炭沼泽相和开阔水体相。周倩羽(2016)在研究西湖凹陷古近纪煤层过程中, 根据TPI和GI值并结合沉积环境、煤岩学特征、有机相及生烃潜力, 划分出覆水森林沼泽相、深覆水森林沼泽相、芦苇沼泽相和湖沼相共4种煤相类型(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 西湖凹陷古近系煤相类型与聚煤环境、煤岩学特征、有机相及生烃潜力关系(据周倩羽, 2016; 有修改)Fig.6 Relationships among coal facies and coal formation condition, coal petrology, organic facies and hydrocarbon potential of the Paleogene in Xihu sag(modified from Zhou, 2016)

20世纪70年代, 层序地层学方法被引入到煤层成因的研究中, 人们逐渐认识到基准面及可容空间变化对煤相发育特征有明显的控制作用(Petersen and Andsbjerg, 1996)。煤层厚度取决于可容空间增长速率与泥炭聚集速率之间的相对平衡状态, 这种均衡状态一旦遭到破坏, 泥炭的堆积过程就随之终止(Bohacs and Suter, 1997)。许多学者在研究不同体系域中煤层的发育特征时发现, 可容空间增加速率与泥炭产生速率之间平衡状态不同, 导致煤层的煤岩煤质特征也存在差异(Diessel, 1992; Shao et al., 2003; 鲁静等, 2014)。当可容空间增加速率大于泥炭堆积速率时, 煤层剖面中会表现出一系列海侵的特征, 镜质体反射率、结构镜质体含量、煤中硫的同位素比值及TPI等指标向上降低; 结构镜质体的荧光强度、镜质组含量、黄铁矿及硫含量、煤中的碎屑显微组分(如反映异地和微异地搬运的碎屑惰性体和碎屑镜质体)、挥发分产率以及H/C原子比等指标向上增加, 煤层顶板经常为深覆水海相细粒沉积(如泥岩、页岩、碳酸盐岩等)(Diessel, 1992)。

1.4.2 沉积有机相

沉积有机相是指烃源岩沉积环境在岩石学和地球化学方面的综合反映, 其空间配置受到沉积盆地中层序地层格架及沉积环境的控制(邵龙义等, 2017)。有机相的起源和发展与煤岩学密切相关, 20世纪70年代, 煤岩学研究方法开始广泛应用于沉积岩中分散有机质的研究, 一些地球化学家开始应用“ 相” 这个术语来描述干酪根特征并解释地化资料。Rogers(1979), 主要强调的是生物和环境, 并认为有机相类似于沉积相, 可以跨越时间而不受地层或岩石单位限制, 有机质含量、来源和沉积环境是确定有机相的必要条件, 其中又以有机质类型最为重要。Jones(1987)据干酪根类型将有机相分为4种主要有机相(A、B、C、D)和3种过渡型有机相(AB、BC、CD)。各有机相的地质意义分别为: A.缺氧环境中形成的, 淡水或湖水成因的有机质; B.缺氧— 氧化环境中形成的, 含有一定量的陆源植物的有机质; C.以陆源植物为主的有机质; D.高氧化性— 再旋回沉积的有机质。这一分类充分考虑到有机相的特征不仅是由有机质来源决定, 同时也受到有机质的沉积环境、保存环境等因素控制。此外, 许多学者从煤相的角度来揭示烃源岩的有机相特征, 根据成煤沼泽类型划分有机相, 其划分指标更偏重于煤岩学特征。金奎励等(1997)认为沉积有机相具有岩石学和地球化学的双重属性, 在吐哈盆地侏罗纪煤系烃源岩的研究过程中, 将吐哈盆地侏罗纪煤系烃源岩划分为4种不同的沉积有机相, 即干燥沼泽沉积有机相、森林沼泽沉积有机相、活水沼泽沉积有机相和开阔水体沉积有机相。

随着层序地层学理论的发展, 层序地层学与有机相之间的关系以及有机相在层序地层格架中的分布规律逐渐受到学者的关注。Tyson(1996)在Jones(1987)的4种有机相划分的基础上, 通过层序地层、有机相和孢粉相的研究总结了不同体系域沉积有机质的一系列特征。郝芳和陈建渝(1995)通过对莺歌海和琼东南盆地的各沉积层序内有机相分析, 总结得出浅水型层序、深水型层序和多层序有机相的演化特征。郝黎明和邵龙义(2000)在研究有机相在层序地层格架中的分布特征和变化规律过程中发现, 烃源岩有机相主要受气候、陆源有机质产量、海相有机质表面生产率、古氧化体制和海平面变化等多种因素的控制, 并进一步总结出受海平面变化影响的泥质烃源岩有机相在层序格架下不同体系域中的分布规律。从层序地层学的角度研究沉积有机相, 为预测优质烃源岩有机相提供了更有效的依据。

煤系共伴生能源矿产主要包括煤系气、 油页岩、 铀矿等(王佟等, 2017)。 煤系气是指由整个煤系中的烃源岩母质在生物化学及物理化学煤化作用过程中演化生成的全部天然气, 整个煤系中的气体应同属一个系统(图 7; 王佟等, 2014)。 煤系气是中国非常规天然气的重要组成部分, 主要包括煤层气、 煤系页岩气、 致密砂岩气、 天然气水合物等。

图 7

Fig.7

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	图 7 煤系气系统模式(据王佟等, 2014; 有修改)Fig.7 System model of coal gas(modified from Wang et al., 2014)

煤层气通常定义为赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体(王佟等, 2014)。中国煤层气分布和富集受多种地质因素控制, 其中古地理环境可以控制聚煤特征、含煤岩系的岩性、岩相组成及其空间组合, 从而在很大程度上决定了煤层气生成的物质基础、煤储集层与盖层的几何特征以及物性, 并通过煤层与围岩之间的组合关系、煤层厚度等影响煤层气的保存条件(秦勇等, 2000)。煤层对比是陆相盆地煤层气资源评价的重要基础工作和技术难点之一, 将层序地层学理论引入煤层气资源评价领域, 是实现煤储集层区域单层对比的有效方法, 通过控制煤储集层的古地理环境、成煤特征和岩性组合, 可以更好地得出层序地层构型影响煤层气成藏地质要素和煤层气成藏潜势(桑树勋等, 2002)。因此, 含煤岩系层序格架下岩相古地理的研究是煤层气有利富集区预测的重要参考依据。

煤系页岩气赋存于煤系富有机质的泥页岩中, 在垂向上与砂岩和煤层互层, 旋回性明显(孙升林等, 2014)。曹代勇等(2014)总结了中国煤系泥页岩的分布特征与发育规律, 认为煤系多形成于相对浅水的三角洲、河流等波动较大的古地理环境, 使得含煤岩系出现不同的沉积组合特征, 从而具有明显的沉积旋回特征。煤系泥页岩多与砂岩互层作为煤层顶底板而广泛出现, 厚度较小, 这对煤系页岩气聚集十分不利, 而煤系泥页岩中的薄层粉砂岩夹层对改善其储集性能却有很大帮助, 因此, 不同古地理环境中的沉积组合会对煤系页岩气的聚集产生多方面的影响。

中国致密砂岩气主要分布在陆上含煤岩系的沉积盆地中, 致密砂岩气藏基本地质特征表现为以煤系源岩为主, 生烃强度高, 具有持续充注的气源条件(孙升林等, 2014)。对比研究中美致密砂岩气成藏分布异同点发现, 古地理环境不同是中美致密砂岩气的主要差异之一, 美国致密气以海相— 海陆过渡相为主, 中国致密气以陆相与海陆过渡相为主。李永洲等(2018)从古地理环境分析入手, 以鄂尔多斯盆地大宁— 吉县区块下二叠统山西组为例, 通过精细研究主河道砂体的分布规律, 从而提出了沉积环境控制下煤系地层致密砂岩气储层预测方法。古地理研究显然在很大程度上可以指明致密砂岩气储集层的分布规律, 从而预测致密砂岩气的勘探方向。

天然气水合物, 又被称为“ 可燃冰” , 主要由甲烷等小分子天然气体和水分子在特定的低温、高压条件下形成, 为具有笼形结构的似冰状晶体, 遇火可燃烧(王佟等, 2014)。全球约98%的天然气水合物资源分布在海洋, 只有不到2%的天然气水合物资源分布在大陆永久冻土区。煤系天然气水合物首次发现于青藏高原北部祁连山木里煤田, 研究结果显示, 木里煤田天然气水合物的形成与煤或含煤地层有关, 主要赋存在中侏罗统江仓组油页岩段的细粉砂岩夹层内的孔隙和裂隙中, 其中的烃类气体主要来自煤层和煤系分散有机质热演化的产物, 由此提出“ 煤型气源” 天然气水合物的成因解释(王佟等, 2014)。邵龙义等(2015)在重建木里盆地聚乎更矿区中侏罗世含煤岩系沉积时期的岩相古地理格局的基础上, 分析得出作为发现天然气水合物的主要层段, 江仓组上段发育湖泊沉积, 主要为滨浅湖和半深湖— 深湖沉积。

煤系油页岩属于固态煤系能源矿产, 在许多煤系地层中都发育油页岩, 纵向上, 油页岩与煤层互层或发育在煤层之上, 并且与煤层共伴生的油页岩往往品质较好, 如黑龙江依兰盆地、山东黄县盆地、山东五图煤矿等(王东东等, 2013; 徐小涛等, 2016; Lü et al., 2017)。从古地理的角度分析得出, 煤系油页岩主要发育在湖沼环境, 因水深不断变化, 湖泊和沼泽沉积环境交替出现, 从而形成煤与油页岩共生的组合类型(刘招君等, 2016)。国内学者对煤与油页岩的共生组合发育特征及其成因环境转化机制进行了探索(王东东等, 2016b; Wang et al., 2019c), 发现陆相断陷盆地主要存在5种煤与油页岩的共生组合类型, 并且共生组合主要发育在湖扩张体系域和早期高水位体系域, 煤和油页岩成因环境的转换主要受控于构造作用和气候条件的影响。

煤系铀矿分为砂岩型铀矿和煤岩型铀矿两大类(孙升林等, 2014)。砂岩型铀矿常与煤层产于同一盆地中, 多分布在煤层顶底板砂岩、砾岩层中, 其形成与顶底板的沉积物源有关(刘池洋等, 2013); 部分地区的煤层也是煤系铀矿的直接储集层, 属于煤岩型铀矿。沉积环境分析是铀矿研究的重要组成部分, 一方面, 沉积环境直接影响元素铀在同沉积阶段的汇聚和沉淀, 另一方面, 沉积环境影响煤系岩性组合及沉积序列, 进而影响铀的后生矿化作用(周贤青等, 2019)。

中国煤系共伴生金属矿产的研究多集中在紧缺的锂、锗、镓等三稀矿产以及铝、铁等矿产资源。这类煤系共伴生金属矿产的共同特征是亲有机性, 在成煤沉积环境中彼此有机结合, 与物源区的供给和泥炭沼泽的吸附作用等密切相关(朱华雄等, 2016)。煤系伴生三稀矿产是指含煤岩系中赋存于煤层、夹矸、顶底板或煤系中的稀有、稀散和稀土元素矿产资源(刘东娜等, 2018)。中国煤炭资源丰富, 含煤岩系古地理的重建是研究含煤岩系中三稀矿产的基础工作。刘贝等(2015)对沁水盆地晚古生代煤中稀土元素进行了分析, 发现沁水盆地山西组与太原组煤中稀土元素平面分布具有南高北低的特征, 主要受控于聚煤古环境, 煤层及其顶底板岩石中稀土元素的来源具有一致性, 成煤时期海水对泥炭沼泽的影响导致太原组煤中相对富集重稀土元素, 但没有导致Ce的亏损。

煤系铝土矿主要分布在煤田的浅部地带, 矿体多呈层状、似层状产出, 矿石类型以一水硬铝石铝土矿为主; 煤系铁矿在煤系中独立成层, 北方煤系铁矿主要为山西式铁矿, 又称为山西式“ 鸡窝状” 铁矿, 是产于石炭系本溪组底部的滨海— 浅海沉积型铁矿, 矿体规模小, 多呈窝状(孙东升等, 2014)。这种以相对独立成矿赋存于含煤地层中的煤系金属矿产在很大程度上都受控于古地理, 在勘探新的矿床时, 首先要考虑的应当是古地理因素(谢家荣, 1949)。

煤系高岭土是中国特有的、极具开发价值的矿产资源, 几乎大型煤矿都伴生或共生高岭土(刘钦甫等, 2002)。中国的含煤岩系中高岭土分布广泛, 储量丰富, 几乎各聚煤期含煤岩系都产出具有不同工业价值的高岭土, 其中最重要的成矿时代是石炭纪和二叠纪, 其次为侏罗纪, 而古近纪、新近纪和晚三叠世的煤系高岭岩资源总量不足1%(刘钦甫等, 2002)。朱如凯(1997)根据对煤系高岭土产出层序、岩石学、矿物学、地球化学特征的研究, 将其划分为铝土质高岭岩和夹矸高岭岩两大类。其中夹矸高岭岩与其发育的泥炭沼泽环境密切相关, 成煤泥炭沼泽环境由于古地理位置、陆源碎屑输入、水补给形式、植被发育情况的不同而区分为许多不同类型, 夹矸高岭岩的沉积机理也由于源岩及其形成环境的不同而表现出差异性。总之, 古地理环境与煤系共伴生非金属矿产资源联系密切, 正确理解两者的关系对全面认清其形成机理至关重要。

泥炭地生态系统自泥盆纪晚期以来在全球碳循环中扮演重要角色(Greb et al., 2006)。煤作为泥炭地的产物和重要的沉积载体, 储存着大量泥炭发育时期的古气候信息(邵龙义等, 2017)。因此, 通过研究煤中碳的聚集速率, 进而分析泥炭地的碳聚集速率和净初级生产力, 有助于了解地质历史时期碳循环特征, 从而为古气候研究提供帮助。米兰科维奇理论是地球轨道参数与全球气候变化关系的天文旋回理论, 由南斯拉夫气候学家米兰科维奇在20世纪40年代提出。目前, 米兰科维奇旋回理论也开始在煤层和煤系地层的研究中得到应用, 其理论可作为“ 度量” 泥炭地沉积时限的有效方法, 并且已应用于多个时期泥炭地的碳聚集速率和净初级生产力的研究(Large et al., 2003, 2004)。Large等(2003)在新近纪煤层中发现米兰科维奇旋回的信息, 并将此旋回信号作为度量时间的标尺, 计算出煤层的沉积时限, 进而对泥炭地生态系统进行研究, 成功地计算出前第四纪泥炭地的生产力水平。

国内学者也对不同时期的煤层进行了米兰科维奇旋回信号的识别性研究, 并获得了相应的周期参数。邵龙义等(2011)对晚二叠世煤层的测井曲线进行频谱分析, 获得米兰科维奇旋回参数(图 8), 以此为“ 度量” 工具, 计算出了对应的泥炭地的碳聚集速率和净初级生产力, 综合晚二叠世及前人研究的晚石炭世和现代热带泥炭地的净初级生产力值与相应各时期的大气成分比对后的结果显示, 大气中的二氧化碳和氧气含量对陆相生态系统的净初级生产力具有关键性的控制作用。闫志明等(2016)对二连盆地吉尔嘎郎图凹陷早白垩世煤层的地球物理测井信号进行频谱分析, 将识别出的米兰科维奇旋回周期作为时间度量尺度, 计算出对应泥炭地的碳聚集速率和净初级生产力, 将计算结果与全新世同纬度带泥炭地生产力比较分析, 认为泥炭地生产力水平主要受温度和大气中二氧化碳含量控制。李雅楠等(2018)通过对准噶尔盆地南缘中侏罗世厚煤层研究, 利用自然伽马、密度和电阻率测井曲线进行频谱分析, 获得其米兰科维奇周期参数, 以煤层中的轨道周期为时间尺度, 进一步计算出泥炭地的碳聚集速率及对应的净初级生产力。Wang等(2018)对鄂尔多斯盆地中侏罗世煤层的地球物理测井信号进行了频谱分析, 获得米兰科维奇旋回周期参数, 以此为尺度, 计算出与煤层相对应的泥炭地的碳聚集速率和净初级生产力, 并进一步分析得出大气中二氧化碳、氧气含量和温度变化是控制中侏罗世泥炭地净初级生产力的主要因素。泥炭地的碳聚集对二氧化碳、氧气含量和温度的变化十分敏感, 因此, 泥炭地生产力研究有助于对“ 深时” 古气候的理解。

图 8

Fig.8

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	图 8 贵州普安糯东17号煤层 GR 测井曲线中识别出的米兰科维奇周期(据邵龙义等, 2011)Fig.8 Milankovitch cycles in geophysical loggings of No.17 coal at Nuodong, Pu'an County of Guizhou Province(after Shao et al., 2011)

经典的煤岩学教科书认为惰质组主要有3种成因, 包括古野火的不完全燃烧、脱水和氧化、真菌分解(Stach et al., 1982)。近年来, 越来越多的学者通过实验证明煤中的惰质组主要为不完全燃烧产物(Scott and Glasspool, 2007; Diessel, 2010)。古野火是指发生在第四纪之前的燃烧事件(Scott, 2000)。自志留纪末期至早、中泥盆世植物扩展到陆地以来(韩德馨和杨起, 1980), 古野火事件广泛存在于陆地(Brown et al., 2012; Glasspool et al., 2015)。Diessel(2010)通过对全球含惰质组地层进行系统研究, 支持不完全燃烧是煤中惰质组的主要来源的观点, 认为全球大气pO₂是全球煤中惰质组丰度的主控因素, 而气候、沉积环境、差异沉降等因素的影响, 导致了煤中惰质组丰度的区域和局部变化。除此之外, 现代的野火事件也频繁发生, 时间上距离最近的澳大利亚山火, 自2019年9月以来持续4个多月, 由于澳大利亚炎热干燥, 每年的12月份到次年2月份, 基本都是澳大利亚的“ 山火季” 。由于野火的产生需要适宜的温度、燃料和氧气(Brown et al., 2012), 因此, 地层中惰质组的产生与大气氧含量之间必然存在联系。随着学者们对煤中惰质组成因的重新认识, 蕴含在煤中的古野火信息越来越受到重视。Glasspool和Scott(2010)认为借助含煤岩系中惰质组的含量可以估算古大气氧含量水平, 据此创建出大气氧浓度与地层中惰质组含量之间的关系模型, 并利用世界范围内煤中惰质组含量粗略推算出了400 Ma以来的大气氧含量。之后, Glasspool等(2015)进一步修订了大气氧含量与惰质组含量之间的关系模型(图 9), 与地球化学方法比较, 表明此方法计算出的氧含量浮动范围相对较小, 精度略有提高。

图 9

Fig.9

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	图 9 大气氧含量与惰质组含量之间的关系模型(据Glasspool et al., 2015)Fig.9 Relationship model between atmospheric oxygen content and inertinite content (after Glasspool et al., 2015)

Shao等(2012)通过对中国西南地区晚二叠世末期煤中惰质组含量的分析, 估算出当时大气氧含量可能高达28%, 与Glasspool和Scott(2010)的研究结果基本一致, 说明晚二叠世大气中氧含量并不缺乏。Yan等(2019)对中国上二叠统上部宣威组煤层中的惰质组含量的进一步研究发现, 靠近晚二叠世末的生物灭绝界限, 古野火事件逐渐加强, 并且估算出的大气氧含量也逐渐升高。Wang等(2019d)研究了鄂尔多斯盆地南部中侏罗世富惰质组煤中惰质组成因机制, 认为其与野火事件有关, 并且对应的野火类型以地下火(ground fire)为主, 部分为地表火。惰质组的差异性与成煤期的野火类型、燃烧温度、燃烧时间和被燃物不同的初始条件有关。Wang等(2019b)通过对早白垩世二连盆地、海拉尔盆地和三江盆地煤层中惰质组含量分析得出, 中国东北地区早白垩世的泥炭地中古野火事件频繁发生, 主要为地下火, 并且估算出阿普特阶和阿尔必阶的大气氧含量分别为24.7%和25.3%。丝炭(charcoal)和多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)中的稠环芳香烃都是燃烧事件的产物, 可以很好地指示古野火事件(Marynowski and Simoneit, 2009), 基于两者在燃烧产物中共同出现的特征, Zhang等(2020)通过煤岩学和煤地球化学分析, 在鄂尔多斯盆地中侏罗统延安组的煤层中识别出古野火记录, 认为煤层中惰质组是由温度相对较低的地下火产生, 进一步估算出阿伦阶大气氧浓度最高可达29%, 并且第1次提出泥炭地古野火循环受到岁差旋回的影响。