New Evidence and New Model about Allochthonous Accumulation of Extra-Thick Coalbeds in Continental Fault Basin, China
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摘要: 在云南先锋盆地和小龙潭盆地的超厚煤层中, 有丰富的异地成因的沉积学标志.这些成因标志揭示了2种新的异地堆积亚模式, 即“先锋亚模式”和“小龙潭亚模式”.其中, “先锋亚模式”可归纳为“湖相植物碎屑扇三角洲-水下重力流二次堆积”; “小龙潭亚模式”可归纳为“湖相植物碎屑三角洲-水下重力流二次堆积”.综合这2种亚模式及笔者原先所建立的“阜新亚模式”和“抚顺亚模式”, 可以进一步概括出完整的中国中、新生代内陆断陷盆地超厚煤层的“异地-微异地二次湖泊复合堆积模式”, 即“腐植型植物碎屑河流远源搬运→植物碎屑扇三角洲或植物碎屑三角洲沉积+湖泊漂浮异地植物碎屑沉积+湖滨沼泽泥炭微异地堆积+湖泊原地藻类泥炭原地堆积+泥质碎屑或砂质碎屑或生物壳屑沉积→洪水、弱风暴流或水下重力流的混合和搬运作用→植物碎屑与无机碎屑的机械分异和再沉积”.Abstract: Abundant sedimentary marks of allochthonous genesis are present in the extra-thick coalbeds both in Xianfeng basin and in Xiaolongtan basin in Yunnan. These genesis indicators reveal two new submodels about allochthonous accumulation: Xianfeng submodel and Xiaolongtan submodel. Xianfeng submodel can be reduced to the twice accumulation of lacustrine peaty fan delta and underwater gravity flow, and Xiaolongtan submodel can be reduced to the twice accumulation of lacustrine peaty delta and underwater gravity flow. Integrating these two submodels with Fuxin submodel and Fushun submodel previously established by the authors of this paper, a complete allochthonous-hypautochthony twice lacustrine combination accumulation model for the extra-thick coalbeds in Chinese Mesozoic and Cenozoic intracontinental fault basin is thus established, as shown below: the river distant transport of humic-peat detritus → the sedimentation of peaty fan delta or peaty delta + the allochthonous sedimentation of lacustrine drift peat + the hypautochthony accumulation of local lakeshore swamp peat + the autochthonous accumulation of local lacustrine algae peat + the sedimentation fine detritus, medium-macro-grained detritus or biostromal shelly detritus → the mix and transportation because of flood current or weak storm flow or underwater gravity flow → the mechanical differentiation and resedimentation of peat and inorganic detritus.
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Key words:
- fault basin /
- extra-thick coalbed /
- allochthonous coal /
- coalbed genesis /
- coal accumulation model /
- Mesozoic and Cenozoic /
- China
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0. 引言
我国中、新生代中小型内陆盆地普遍赋存有厚度大于60 m的超厚煤层, 这些煤层不仅是低硫、低灰的环保型优质动力用煤和化工用煤, 而且是烃转化率很高的优质液化石油用煤.其巨大的经济价值是不言而喻的.研究这类巨厚煤层的成因, 不仅对盆地内煤炭资源的预测、评价及勘探、开采有重要的指导意义, 而且对补充和完善煤的成因理论[1]也有重要意义.笔者曾通过阜新和抚顺盆地的研究, 得出了超厚煤层异地成因的新认识, 并建立了2个成因亚模式, 即阜新盆地亚模式——冲积扇前浅水砂质重力流型亚模式[2]和抚顺盆地亚模式——弱风暴及水下泥质重力流型亚模式[3~5].最近, 笔者在云南先锋盆地和小龙潭盆地的超厚煤层中又找到了大量的异地成因新证据, 建立了2种新的超厚煤层成因亚模式, 进而提出了中国中、新生代内陆断陷盆地超厚煤层异地成因的综合模式.
1. 先锋盆地超厚煤层的异地堆积特征
先锋盆地位于我国云南省东部, 是形成于新第三纪的小型走滑断陷盆地.该盆地残留面积宽约0.5~2.3 km、长度9.5 km.由于后期构造反转变形, 盆地整体呈向西倾伏的向斜, 褐煤层沿着盆地的北、东、南三侧边缘出露(图 1).前人对该盆地的构造演化、层序充填、煤岩、煤化学及古植物开展过大量研究[6~9], 本文侧重于煤层的宏观沉积相观察和研究.
图 1 云南先锋盆地地质简图(据云南煤田地质局1983年资料编绘)1.盆地边界; 2.地层界线; 3.盆地基底; 4.煤层; 5.逆断层; 6.正断层; 7.元古界; 8.震旦亚界; 9.寒武系; 10.下奥陶统; 11.上泥盆统; 12.下石炭统; 13.二叠系; 14.中新统(小龙潭组); 15.中新统底部层段; 16.中新统下含煤段; 17.中新统硅藻上层段; 18.中新统上含煤段; 19.剖面位置; 20.煤层编号; 21.断层编号Fig. 1. Geological sketch map of Xianfeng basin of Yunnan, Southwest China在先锋盆地中堆积有厚达1 000 m的含煤碎屑岩系(图 2).沉积相分析表明, 该含煤岩系的沉积环境总体上经历了山间洼地-浅湖-深湖-浅湖-山间平原的演化.主煤层为8号煤层, 分布于盆地东部, 原生厚度约为40~180 m, 发育于早期浅湖阶段.其底板为厚层的浅湖相泥岩, 而顶板是厚达400 m以上的深湖相硅藻土.在盆地东部的东、北、南三侧, 5个大型采坑完整地揭示了8号主煤层的形貌及结构.在盆地东北部边缘, 由各种粒径的角砾状褐煤化木块和泥炭块构成的冲积扇-扇三角洲沉积体(图 3, 4), 在剖面上呈巨厚层状, 平面上呈扇状、朵叶状.
图 2 云南先锋盆地综合地层柱状图(据云南煤田地质局1 9 8 3年资料编绘)Fig. 2. Composite strata column section of Xianfeng basin of Yunnan, Southwest China
图 3 超厚煤层边缘的泥炭扇三角洲沉积Fig. 3. Peaty fan delta deposit in the margin of extrathick coalbeds
图 4 超厚煤层中部的炭泥质夹矸及煤砾杂基为砂、泥和炭质, 底部见冲刷面, 向上砂泥含量减少而炭质含量增多Fig. 4. Coal gravel in the bass dirt band of middle extrathick coalbeds褐煤化木块形状不规则、排列杂乱(图 3), 外观如原木且显示清晰的年轮及表皮痕, 采用木质部细胞结构镜检方法证实, 都是非水生的高大乔木, 显然是河流从盆外直接搬运而来的.对含煤地层化石及煤层所含的孢子花粉研究成果(云南198煤田地质队, 1983年) 也表明, 成煤质料主要是非水生的高等植物——以山毛榉科、栎属、栗属、枫杨、桤木等为主的被子植物和以松科各属为主的裸子植物(表 1).邢军等[9]通过29个煤样的显微组分观察和定量研究, 结合氯仿沥青“A”族组分分析和饱和烃气相色谱分析, 也证实该煤层的成煤质料以陆生高等植物为主.
表 1 煤层(组) 中选型孢粉组合特征Table Supplementary Table Features of lectotype sporo-pollen combination in the coalbeds
褐煤化泥炭块在形状及排列方式上与煤化木块相似, 但它是砂屑或细砾屑泥炭的碎块, 内部具各种条带状、透镜状、线理状和块状构造(图 4).由于泥质夹矸较少见, 煤分层界限不清, 属于简单结构煤层.向盆地中心方向追索, 可看到有机碎屑粒度逐渐变细: 由粗砾屑变为细砾屑和砂屑; 煤分层随之增多, 煤层整体结构趋于复杂.至盆地东部南侧, 有机碎屑的粒度进一步变细, 基本上成为以粉砂屑煤和泥屑煤为主的细碎屑煤, 煤分层进一步增多, 煤层结构更趋复杂, 但煤分层内普遍见有由煤化植物屑构成的水平细条带状、线理状镜煤, 显示平静的浅湖沉积特征.在薄层和极薄层状的泥岩、炭质泥岩和粉砂岩、细砂岩夹矸中, 常含有较多的细粒泥砾、煤砾和煤化木块, 呈现清晰的粒序层理、旋卷层理、波状层理或块状层理, 反映出与突发性重力流事件有关的沉积机理(图 5).与宏观沉积构造的变化相对应, 煤分层的灰分产率也呈规律性变化.在平面上, 煤层灰分产率由边缘向中心递减, 从大于30%降到小于10%, 与沉积相及宏观煤相的空间分布吻合(图 5); 在垂向上, 每一个煤分层的灰分产率由下而上递减, 至顶部突然升高.煤层灰分产率的这种变化趋势, 与煤屑水携沉积的模拟实验所得的煤屑异地沉积层特征分布吻合: 随着粗粉砂以上级无机碎屑的快速沉降而减少, 又随着悬浮的细粉砂级和泥级无机碎屑的最终沉降而升高.
图 5 先锋盆地M8煤层的灰分产率等值线和煤分层代表性垂向层序(等值线数据来自云南煤田地质局, 1983)1.泥级; 2.粉砂级; 3.砂级; 4.细砾级; 5.粗砾级; 6.巨砾级Fig. 5. Isoline of ash of M8coalbed in Xianfeng basin of Yunnan, Southwest China and the representative vertical bed succession graph of the coal layering煤屑水携沉积的模拟实验结果还证实, 上述在无机碎屑中发育的各种相、成因标志及其沉积过程, 都能出现于泥炭或有机碎屑沉积物中.因此, 前人认定的煤层中的许多化学分异结构, 实际上是异地堆积的植物(泥炭) 碎屑物质的物理(机械) 分异结果, 应属于沉积构造之列.
2. 小龙潭盆地超厚煤层异地堆积特征
小龙潭盆地位于云南省南部, 也是新第三纪的小型内陆断陷盆地, 残留面积约20 km2 (图 5).盆地内残存的含煤岩系厚度约650 m, 产状近水平, 分为5个岩性地层单元, 即N1—N5, 分别代表了洪泛平原、泥炭沼泽、浅湖、较深湖和湖沼5种沉积环境(图 6).超厚煤层(N3) 属于第四成因地层单元, 其厚度变化于100~230 m, 也形成于浅水湖泊环境中.在浅湖相的边缘普遍发育植物碎屑三角洲沉积.这种边缘相和准边缘相的存在, 证明原生盆地的规模与目前的残留盆地相差不大.
图 6 小龙潭盆地地质简图与综合地层柱状图(据云南煤田地质局1977年资料编绘)1.河头煤系; 2.泥灰岩段; 3.主煤段; 4.东升桥和薄煤段; 5.地质界线; 6.正断层; 7.逆断层; 8.向斜轴; 9.砾岩; 10.含砾粗砂岩; 11.中砂岩; 12.细砂岩; 13.粉砂岩; 14.泥质粉砂岩; 15.泥岩; 16.含砾泥岩; 17.含砾中砂岩; 18.含砂泥岩; 19.泥灰岩; 20.灰岩; 21.炭质泥岩; 22.煤层Fig. 6. Geological sketch map and composite strata column section of Xiaolongtan basin of Yunnan, Southwest China在小龙潭盆地的煤层中, 夹矸层数等值线图、煤层灰分产率等值线图和有机碎屑粒度等值线图表明, 成煤物质的分布特征与自盆地西北部入湖的河流(古南盘江) 三角洲一致(图 7).在盆地北部边缘三角洲沉积体内, 各种粒径的角砾状褐煤化木块和泥炭块杂乱排列, 平面上呈扇状分布; 煤层中还见有大量密集的直立树桩, 高仅0.4~0.7 m, 其根系皆被折断, 根盘呈水平辐射状展开, 直径1.1~1.6 m, 处于重力稳定状态.采用木质部细胞结构镜检方法证实, 这些褐煤化木块都是非水生乔木碎块.马向平[10]通过对根茎化石和孢粉鉴定研究结果表明, 小龙潭盆地的成煤植物有被子植物27科(占总数72%), 主要为壳斗科、杨柳科、桦木科和樟科等; 裸子植物4科(占总数11%), 主要为柏科、杉科和松科; 蕨类植物5科(占总数14%), 主要为水龙骨科、蹄盖蕨科、槐叶萍科和石松科; 苔藓植物1科(占总数3%), 为水藓科.其生态群落以耐湿中生木本山地植物群落和耐湿木本植物群落为主, 分布于海拔1 100~2 800 m向阳山坡.这从王伟铭[11]的孢粉研究成果中也可得到证实.
图 7 小龙潭盆地主煤层的灰分产率等值线和煤分层代表性垂向层序(等值线数据来自云南煤田地质局, 1977)粒级比例尺同图 5; 1.煤层; 2.炭质泥岩; 3.煤的滑塌构造; 4.煤的水平纹理; 5.煤的波状纹理; 6.透镜状煤屑; 7.煤化木块或煤砾; 8.煤化树枝; 9.透镜状钙质砂岩; 10.泥岩; 11.泥质细砂岩; 12.粉砂岩; 13.小型交错层理; 14.泥炭三角洲边界; 15.灰分产率(%); 16.河流及流向; 17.村庄与建筑物Fig. 7. Isoline of ash of main coalbedsin Xiaolongtan basin of Yunnan, Southwest China and the representative vertical bed succession graph of the coal layering在三角洲前缘, 煤分层与薄层泥质、粉沙质和细砂质夹矸频繁交替, 呈现类复理石结构, 水下重力流特征较为显著.在盆地其他边缘, 尤其是北部、西部和东部边缘, 煤分层与薄层生物碎屑-钙质夹矸频繁交替, 同样呈现类复理石结构(图 8a), 煤层夹矸及煤层本身的水下重力流特征十分显著.钙质夹矸由砾状、砂状的泥灰岩、灰岩内碎屑沉积物和炭质泥岩、泥岩组成, 也常见细粒泥砾、煤砾和煤化木块, 其中的泥灰岩、灰岩及泥岩砾屑呈撕裂状、斑块状杂乱排列, 底部含有较多的双壳类和腹足类壳屑.钙质夹矸的主要层理类型是粒序层理(图 8b)、旋卷层理、波状层理(图 9a)、块状层理和负载构造(图 9b), 同样反映出与弱风暴作用等突发性重力流事件有关的水下快速堆积成因.长期以来成因不明的“花煤”, 实际上是泥炭碎屑与腹足类、双壳类壳屑在水下重力流环境中的混合物.向盆地中心, 夹矸的厚度缓慢减少并逐步尖灭, 层数减少, 钙、泥质含量降低而含炭量升高, 钙质和泥质内碎屑粒度随之逐步变小; 与此相应, 煤分层厚度递增, 层理也逐步转为中、细条带状和线理状.这些水平细条带状、线理状镜煤, 是由大大小小水平排列的煤化植物屑构成的.它们显然是在平静的浅湖环境中沉积的漂浮物.在盆地中心, 植物碎屑粒度也明显变细, 基本上是以粉砂屑煤和泥屑煤为主的细碎屑煤.
图 8 煤层中生物壳屑-钙质水下重力流夹矸(a) 及其粒序层理(b)Fig. 8. Dirt band (a) and its graded bedding (b) in coalbeds formming by underwater biostromal shelly detritus gravity flow
图 9 生物壳屑-钙质重力流夹矸的波状层理和旋卷层理(a) 及底面的负载构造(负荷模) (b)Fig. 9. Wavy bedding convolute bedding (a) of dirt band, load bulge (b) in the bottom of dirt band formming by underwater biostromal shelly detritus gravity flow根据小龙潭盆地主煤层的上述沉积特征, 推测在新第三纪时, 古南盘江将沿途剥蚀来的植物碎屑和泥炭碎屑搬运至小龙潭盆地, 粗粒的泥炭碎屑、木块和无机碎屑入湖后在河口形成植物碎屑三角洲, 一些较细的泥炭碎屑、树枝和凝胶化、半凝胶化物质则漂浮到湖泊中心沉积下来.大概是水体中的钙质含量高, 湖泊边缘生长着大量的双壳类和腹足类生物, 留下了丰富的钙质壳屑.由于洪水、弱风暴潮(也许还有地震) 触发的水下重力流作用, 使停积于三角洲上和湖滨的植物碎屑、钙质壳屑和无机碎屑向湖泊中心迁移, 进而产生重力分异, 形成煤层与夹矸.
3. 超厚煤层异地成因的2种新亚模式及综合模式
先锋盆地和小龙潭盆地超厚煤层中丰富的成因标志、巨大的泥炭物质量、高比例的非水生乔木成分、根土岩的缺失和极高的沉积速率, 揭示了以植物(或泥炭) 碎屑为主要沉积物的冲积扇、扇三角洲、三角洲和湖泊环境.先锋和小龙潭盆地超厚煤层的异地堆积作用可以归结为如下2种亚模式:
(1) 先锋亚模式.在煤层原生堆积阶段, 先锋盆地的沉积环境是以异地植物碎屑(包括泥炭化和未泥炭化的植物碎屑) 为主要沉积物的冲积扇-扇三角洲-浅湖环境, 超厚煤层的成因机制可归纳为: 腐植型植物碎屑河流远源搬运→异地植物碎屑扇三角洲沉积+湖泊漂浮异地植物碎屑沉积+湖滨亚原地泥炭沉积→弱风暴流或水下重力流的混合和搬运作用→混合植物碎屑与无机碎屑的机械分异和再沉积.植物碎屑扇三角洲发育和异地植物碎屑在风暴或水下重力流作用下的再次搬运和沉积, 是其最主要的特征.因此, 该亚模式可简称为“植物碎屑扇三角洲和弱风暴或水下重力流二次堆积亚模式”.
(2) 小龙潭亚模式.在煤层原生堆积阶段, 小龙潭盆地的沉积环境是以植物碎屑(包括泥炭化和未泥炭化的植物碎屑) 为主要沉积物, 且双壳类和腹足类繁盛的三角洲-湖泊环境.泥炭的堆积与三角洲前浅水湖泊的弱风暴和水下重力流作用有密切联系, 超厚煤层成因机制可归纳为“腐植型植物碎屑河流远源搬运→异地植物碎屑三角洲沉积+湖泊漂浮异地植物碎屑沉积+湖滨亚原地泥炭堆积+湖泊原地草本泥炭堆积+钙质碎屑和泥质碎屑→弱风暴流或水下重力流的混合和搬运作用→混合成因植物碎屑与无机碎屑的机械分异和再沉积”.植物碎屑三角洲发育和异地植物碎屑在风暴或水下重力流作用下的再次搬运和沉积, 是其最主要的特征.因此, 该亚模式可简称为“植物碎屑三角洲和弱风暴或水下重力流二次堆积亚模式”.
综合先锋、小龙潭、阜新和抚顺等4个成因亚模式, 可将中国中、新生代内陆断陷盆地超厚煤层的成因模式表述为: “腐植型植物碎屑河流远源搬运→植物碎屑扇三角洲或植物碎屑三角洲沉积+湖泊漂浮异地植物碎屑沉积+湖滨泥炭沼泽亚原地泥炭堆积+湖泊原地藻类泥炭原地堆积+泥质碎屑或砂质碎屑或生物壳屑沉积→风暴流或水下重力流的混合和搬运作用→植物碎屑与无机碎屑的机械分异和再沉积”, 简称为“异地-微异地二次湖泊混合堆积模式”, 该模式能合理地解释煤层中各种成分、结构、构造、相序的成因和堆积速率, 从而有助于理解我国中、新生代内陆断陷盆地中超厚煤层的成因, 有助于对这类盆地中丰富的优质动力用煤和优质液化用煤资源的预测和评价, 同时, 也有助于揭示某些具有一般厚度的陆相煤层和海相煤层的成因.
感谢杨起院士在本项研究中所给予的指导和帮助.感谢云南煤田地质局、云南煤田地质研究所和先锋煤矿、小龙潭煤矿提供了宝贵的数据、资料, 并且在野外考察中给予大力协助. -
图 1 云南先锋盆地地质简图(据云南煤田地质局1983年资料编绘)
1.盆地边界; 2.地层界线; 3.盆地基底; 4.煤层; 5.逆断层; 6.正断层; 7.元古界; 8.震旦亚界; 9.寒武系; 10.下奥陶统; 11.上泥盆统; 12.下石炭统; 13.二叠系; 14.中新统(小龙潭组); 15.中新统底部层段; 16.中新统下含煤段; 17.中新统硅藻上层段; 18.中新统上含煤段; 19.剖面位置; 20.煤层编号; 21.断层编号
Fig. 1. Geological sketch map of Xianfeng basin of Yunnan, Southwest China
图 2 云南先锋盆地综合地层柱状图(据云南煤田地质局1 9 8 3年资料编绘)
Fig. 2. Composite strata column section of Xianfeng basin of Yunnan, Southwest China
图 3 超厚煤层边缘的泥炭扇三角洲沉积
Fig. 3. Peaty fan delta deposit in the margin of extrathick coalbeds
图 4 超厚煤层中部的炭泥质夹矸及煤砾
杂基为砂、泥和炭质, 底部见冲刷面, 向上砂泥含量减少而炭质含量增多
Fig. 4. Coal gravel in the bass dirt band of middle extrathick coalbeds
图 5 先锋盆地M8煤层的灰分产率等值线和煤分层代表性垂向层序(等值线数据来自云南煤田地质局, 1983)
1.泥级; 2.粉砂级; 3.砂级; 4.细砾级; 5.粗砾级; 6.巨砾级
Fig. 5. Isoline of ash of M8coalbed in Xianfeng basin of Yunnan, Southwest China and the representative vertical bed succession graph of the coal layering
图 6 小龙潭盆地地质简图与综合地层柱状图(据云南煤田地质局1977年资料编绘)
1.河头煤系; 2.泥灰岩段; 3.主煤段; 4.东升桥和薄煤段; 5.地质界线; 6.正断层; 7.逆断层; 8.向斜轴; 9.砾岩; 10.含砾粗砂岩; 11.中砂岩; 12.细砂岩; 13.粉砂岩; 14.泥质粉砂岩; 15.泥岩; 16.含砾泥岩; 17.含砾中砂岩; 18.含砂泥岩; 19.泥灰岩; 20.灰岩; 21.炭质泥岩; 22.煤层
Fig. 6. Geological sketch map and composite strata column section of Xiaolongtan basin of Yunnan, Southwest China
图 7 小龙潭盆地主煤层的灰分产率等值线和煤分层代表性垂向层序(等值线数据来自云南煤田地质局, 1977)
粒级比例尺同图 5; 1.煤层; 2.炭质泥岩; 3.煤的滑塌构造; 4.煤的水平纹理; 5.煤的波状纹理; 6.透镜状煤屑; 7.煤化木块或煤砾; 8.煤化树枝; 9.透镜状钙质砂岩; 10.泥岩; 11.泥质细砂岩; 12.粉砂岩; 13.小型交错层理; 14.泥炭三角洲边界; 15.灰分产率(%); 16.河流及流向; 17.村庄与建筑物
Fig. 7. Isoline of ash of main coalbedsin Xiaolongtan basin of Yunnan, Southwest China and the representative vertical bed succession graph of the coal layering
图 8 煤层中生物壳屑-钙质水下重力流夹矸(a) 及其粒序层理(b)
Fig. 8. Dirt band (a) and its graded bedding (b) in coalbeds formming by underwater biostromal shelly detritus gravity flow
图 9 生物壳屑-钙质重力流夹矸的波状层理和旋卷层理(a) 及底面的负载构造(负荷模) (b)
Fig. 9. Wavy bedding convolute bedding (a) of dirt band, load bulge (b) in the bottom of dirt band formming by underwater biostromal shelly detritus gravity flow
表 1 煤层(组) 中选型孢粉组合特征
Table 1. Features of lectotype sporo-pollen combination in the coalbeds
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