煤盆地時空演變

就全球而言，煤盆地的時空演變與各大板塊的聚合與分離息息相關(guān)。演變的最終結(jié)果就是世界各地含煤盆地的空間分布和含煤地層時代的差異性。正如Gilbon早在板塊構(gòu)造理論提出之前就注意到的那樣，世界各國含煤巖系的地質(zhì)時代和空間分布之間并沒有直接聯(lián)系。從地理版圖來看，2．5億年前的石炭一二疊紀(jì)含煤巖系遍布世界各大洲，從北美到歐亞．從南美、南非到澳大利亞，幾乎無處不在。只是北美、歐洲的含煤巖系時代偏老。而澳大利亞、印度和南非的石炭一二疊紀(jì)含煤巖系時代偏新；可是到了中生代的侏羅一白堊紀(jì)，情況大不相同，除了歐亞大陸的東部和南美、加拿大西部之外，北美、西歐、澳大利亞和印度、南非均未見煤系出露。古近紀(jì)、新近紀(jì)的情況與石炭一二疊紀(jì)類似．唯南非和加拿大未見該成煤期的煤系出露(圖4-8)。解釋這種差異性的最合適的理由正是前面提到的與不同成煤期相對應(yīng)的古植物、古氣候、古地理、古構(gòu)造?，F(xiàn)僅以含煤巖系分布最廣的石炭一二疊系為例加以說明。如前所述，成煤的物質(zhì)基礎(chǔ)是成煤植物，而成煤植物的生長需要溫暖潮濕的氣候，而地球上的氣候分帶是地球在太陽系中的位置決定的。所以，在石炭一二疊紀(jì)成煤期，現(xiàn)今有含煤巖系出露的地區(qū)應(yīng)該都曾位于赤道附近的溫暖潮濕氣候帶，而且是分布在不同類型的聚煤盆地之中。只能后來的構(gòu)造運動造成了這些含煤巖系現(xiàn)今的分布格局。

中國地塊和北美、歐亞皆位于赤道附近，具有良好的成煤條件?？墒堑酵硎渴?，華南地塊仍在赤道兩側(cè)，而華北地塊則已明顯北移。二者的成煤條件有明顯差異。 2100433B

根據(jù)形成煤盆地的動力條件，可劃分出拗陷型、斷陷型和構(gòu)造一侵蝕型三種基本類型。在三種基本類型之間還存在著各種過渡類型。

(1)拗陷型煤盆地(亦稱波狀拗陷盆地)

盆地的基底基本上為一連續(xù)界面。聚煤期地殼運動以寬緩開闊的波狀隆起和拗陷為主，含煤巖系就形成于波狀拗陷內(nèi)。波狀拗陷可能是地殼薄化引起的區(qū)域沉降．也可能是殼下物質(zhì)活動引起的熱沉降，或區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場造成的地殼波狀變形。拗陷型聚煤盆地內(nèi)部比較穩(wěn)定和均一，但常常鄰接活動構(gòu)造帶，受到各種板塊邊緣活動動力效應(yīng)的波及，因此盆地邊界構(gòu)造對盆地的形成和演化有重要的影響。

中國華北石炭一二疊紀(jì)煤盆地是一個比較典型的波狀拗陷型煤盆地，也是一個克拉通內(nèi)沉積盆地。盆地南、北側(cè)分別以秦嶺一大別和陰山活動構(gòu)造帶為界?？傮w為一個由西北向東南緩傾的箕狀盆地。盆地的基底為中奧陶統(tǒng)侵蝕界面。盆緣局部地段為寒武系或震旦系。華北石炭一二疊紀(jì)煤系由一個完整的海侵一海退旋回組成。在海域不斷擴張的總趨勢下形成以渴湖、潮坪一障壁體系為主的早期聚煤環(huán)境，以穩(wěn)定的薄 中厚煤層和淺水碳酸鹽巖層的廣泛發(fā)育為特征，旋回結(jié)構(gòu)清晰，煤層易于對比。晚石炭世中晚期，海域范圍最大，在盆地北緣山前地帶發(fā)育厚煤層，大約自晚石炭世晚期，由于內(nèi)蒙古一大興安嶺海槽漸趨封閉，盆緣隆起帶多河系攜帶的大量陸源碎屑注入盆地，開始了盆地范圍的海退期。在海退的總趨勢下，形成以淺水進積三角洲為主體的晚期聚煤環(huán)境。中一厚煤層廣泛發(fā)育，煤層穩(wěn)定性較差，常見沉積間斷和河流沖蝕現(xiàn)象。整個聚煤盆地內(nèi)含煤巖系的巖性巖相和富煤層段、聚煤帶呈現(xiàn)規(guī)律性變化，大體呈“東西向成帶，南北向遷移”的總格局。

(2)斷陷型煤盆地

斷陷型煤盆地的基底為不連續(xù)界面，成盆期地殼運動以塊狀斷裂運動為主。斷陷盆地可以是由地幔隆起誘發(fā)的表層引張作用而產(chǎn)生的地塹型盆地，也可以是由伸展作用所產(chǎn)生的正斷層系而形成的半地塹型盆地，或者是由走向滑動斷層所派生的垂向分量而形成的拉分盆地。盆地的邊緣常常存在主干斷裂，對盆地的形成和演化起控制作用，基底斷塊的旋轉(zhuǎn)、滑落是盆地形成的主要動力方式。我國內(nèi)蒙古霍林河煤盆地是一個半地塹聚煤盆地，盆地沿北東向延伸，晚中生代含煤巖系與下伏火山巖系為假整合接觸，基底為石炭一二疊紀(jì)淺變質(zhì)巖系。盆地西北緣為盆緣主斷裂。

盆地自下而上可劃分為6個巖段，由沖積扇粗碎屑巖一深湖泥質(zhì)巖一沖積、湖泊含煤巖組構(gòu)成一個大型沉積旋回。含煤巖系總厚1600 m，由東南向西北增厚，粗碎屑巖主要分布于西北翼盆緣斷裂內(nèi)側(cè)。煤層最大厚度位于盆地中部；向兩北冀煤層層間距加大，分岔、變薄和尖滅，與粗碎屑巖楔形交錯；向東南翼煤層有合并現(xiàn)象，煤層層間距減小，層數(shù)減少。富煤帶與巖相帶一致，平行盆地長軸方向延展。

(3)侵蝕盆地

地質(zhì)外營力(如河流、冰川、風(fēng)等)的侵蝕和溶蝕作用形成的地形洼地，稱為侵蝕盆地。在適宜的氣候、水文條件下，洼地可以沼澤化而堆積泥炭。堆積作用主要是將侵蝕或溶蝕洼地填平補齊，含煤沉積厚度僅數(shù)米至數(shù)十米。沉積于沉積間斷和剝蝕面上的含煤巖系，其底部層段和煤層常常具有這種填積特征。如我國云南東部的宜良、沾益等地的早石炭世含煤巖系直接超覆于泥盆系侵蝕面上，煤系厚度很薄，一般為數(shù)米至數(shù)十米。煤層賦存于剖面下部．含煤1～3層，層厚0．3～1．0 m，局部可達10 m。煤層發(fā)育明顯地受古地形的影響，煤體呈透鏡狀，延伸不遠(yuǎn)便變薄、尖滅。

在全球構(gòu)造發(fā)展演化的歷史中，印支運動是不可忽視的重要的構(gòu)造運動。印支期的地殼演化，使聯(lián)合古陸開始逐步解體或發(fā)生構(gòu)造分異，特提斯洋縮小、關(guān)閉，太平洋開始形成、擴張，裂陷作用開始在全球逐步展開，形成了多種類型的與裂陷作用有關(guān)的盆地，地球進人了新全球構(gòu)造發(fā)展演化階段。

印支運動構(gòu)造幕也是中國大陸構(gòu)造格局的重大轉(zhuǎn)變時期，朱夏(1978，1982)將這一重大轉(zhuǎn)變稱之為“兩個世代”和“兩大構(gòu)造體制”；黃汲清(1977，1982)將其劃分為中國大地構(gòu)造發(fā)展的古生代階段和巾、新生代階段。中國含煤盆地的發(fā)展歷史也不例外，與其他沉積盆地一樣，也可以印支構(gòu)造運動幕劃分為兩個特征不同的主要發(fā)展階段：印支期前為晚古生代含煤盆地發(fā)展階段，印支期后為中、新生代含煤盆地發(fā)展階段(馮福閩，1988)。

印支期前的晚古生代含煤盆地屬于亞洲構(gòu)造體系域，以巨型一大型克拉通型含煤盆地為主，含煤巖系展布廣，沉積環(huán)境穩(wěn)定，巖性及巖相變化相對較小，厚度不大和變化較小，沉積環(huán)境以海陸交互相及濱、淺海沼澤相含煤沉積為主。

印支期后的中、新生代含煤盆地，受特提斯一喜馬拉雅構(gòu)造體系域和濱太平洋構(gòu)造體系域雙重作用的影響，發(fā)育有多種類型含煤盆地，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐躁憙?nèi)湖沼相含煤沉積為主。這些含煤盆地與同時代的含油氣盆地一樣，具有面積相對較小，含煤巖系厚度一般較大，厚度變化較大，煤巖成分及含煤巖系的巖性變化較大，沉積環(huán)境多變的特點。

中國含煤盆地發(fā)展演化的兩大發(fā)展階段，不僅反映了中國含煤盆地構(gòu)造格局、古地理景觀和含煤盆地形成發(fā)展及含煤沉積環(huán)境的巨大變化，也說明r含煤盆地的形成演化與其他類型沉積盆地一樣，也受制于中國大陸地球動力學(xué)特征及發(fā)展演化歷史，也顯示了巾國含煤盆地演化的階段性與全球聯(lián)合占陸的拼合與裂解密切相關(guān)(李思田，1997)。晚古生代為全球聯(lián)合古陸的拼合階段，歐亞大陸與岡瓦納大陸開始拼合，全球性海平面上升，形成眾多超大型含煤盆地，在中同，石炭紀(jì)一二疊紀(jì)也在北方和南方形成了兩個大的克拉通型含煤盆地；印支運動導(dǎo)致全球性環(huán)境劇變，中生代以后為聯(lián)合古陸逐步解體階段，全球進入裂陷作用期，中國也不例外，形成以裂(斷)陷型含煤盆地為主的演化發(fā)展階段。

作用的發(fā)生與地球歷史中特定地質(zhì)時期、特定構(gòu)造部位的古植物、古氣候、古地理和古構(gòu)造等因素密切相關(guān)，聚煤盆地則是上述四種控制因素綜合作用的結(jié)果。從區(qū)域地質(zhì)背景著眼研究和分析含煤沉積盆地的形成和演化，是揭示聚煤規(guī)律和進行能源預(yù)測的有效途徑。在這四種因素中，古植物、古氣候條件提供了聚煤作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。自從地球上出現(xiàn)了陸生植物，便有了成煤的物質(zhì)條件，早古生代煤主要是內(nèi)濱海一淺海藻菌類為主的低等生物所形成的，是一種高變質(zhì)的腐泥煤；而此后的聚煤作用形成的則是以高等植物殘骸為物質(zhì)條件的腐植煤。而古地理和古構(gòu)造則是具體聚煤盆地形成、演化的主要外部控制因素。

沉積盆地作為大地構(gòu)造當(dāng)中的一級大地構(gòu)造單元，對于地球的構(gòu)造演化過程的研究具有重要意義。同時，由于盆地內(nèi)部含有豐富的油氣、煤炭、礦產(chǎn)等資源，受到地質(zhì)學(xué)家們的廣泛關(guān)注。近年來，由于盆山系統(tǒng)耦合的研究，使單一的造山帶和單一的盆地研究成為一個系統(tǒng)。通過盆地的研究分析，包括盆地所在區(qū)域及內(nèi)部的構(gòu)造、沉積層序、地層格架及演化史的分析，為造山帶的研究提供一個新的方向。沉積盆地的研究成為一個焦點問題盆地的沉降是指由于地殼垂直運動，使順重力方向、高程降低的方向運動。地殼的沉降作用是形成盆地的直接原因，沒有沉降就沒有盆地[1]。而盆地沉降史研究，就是將盆地在各個時期沉降的量進行求解，編繪反映盆地沉降特征的地層埋藏史曲線、盆地基底沉降曲線以及盆地構(gòu)造沉降曲線等途徑來表述。因此，分析盆地的沉降史是研究盆地形成、演化的重要內(nèi)容，是整個盆地系統(tǒng)研究中最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，對于整個盆地的構(gòu)造、熱歷史及演化等起著至關(guān)重要的作用。

分析盆地的沉降，一般可用沉降量和沉降速率兩個參數(shù)。沉降量（或沉降幅度）是最直觀、最簡便的表示方法，表示某地質(zhì)時期一個地區(qū)的累計的沉降幅度的大小。沉降速率是盆地某一構(gòu)造面在單位地質(zhì)時期內(nèi)相對于某一基準(zhǔn)參照面（海平面或湖平面）下降的幅度，它能反映盆地構(gòu)造動力學(xué)的某些信息。通?？梢杂脠D示方法直觀地反映觀測點的沉降量和沉降速率。

在盆地沉降史分析中，有一個非常重要的概念——均衡代償理論。它是盆地分析的基礎(chǔ)，用來描述地殼的狀態(tài)和運動。自十八世紀(jì)提出以來，便受到廣泛關(guān)注。經(jīng)過大地測量學(xué)與力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，逐漸形成今天的均衡代償理論。它闡明的是地殼的各個地塊趨向于靜力平衡的原理，即在大地水準(zhǔn)面以下某一深度處常有相等的壓力，大地水準(zhǔn)面之上山脈（或海洋）的質(zhì)量過剩（或不足）由大地水準(zhǔn)面之下的質(zhì)量不足（或過剩）來補償。運用地殼均衡學(xué)說可以研究地球內(nèi)部構(gòu)造，如上地幔的起伏；還可用于大地測量學(xué)中研究大地水準(zhǔn)面形狀，推估重力異常和計算垂線偏差等。

沉積盆地是地球表面的長期沉降區(qū)，盆地的沉降是巖石圈動力學(xué)演化的基本過程之一。許多學(xué)者根據(jù)地質(zhì)觀測和模擬研究確定了七個產(chǎn)生和維持盆地沉降的機制(Dickinson1974，1976，1997;Ingersoll和 Busby，1995)和幾十種盆地沉降機制的類型(Dickinson，1976;Bally，1980;Ziegler，1988，等)，大多數(shù)盆地是其中幾種機制共同作用的結(jié)果。從巖石圈動力學(xué)機制的角度，盆地的沉降機制可以分為三類：

盆地沉降熱沉降機制

由于先前受熱的巖石圈的冷卻及伴隨的密度增大而產(chǎn)生的均衡沉降。巖石圈和地殼加熱造成隆起，隨之地表侵蝕使地殼變薄，然后又變冷導(dǎo)致這種衰減地殼的沉降。熱沉降機制是被動大陸邊緣、大洋盆地和大陸裂谷裂后坳陷的重要的沉降機制之一。在大洋中脊的頂部，熱的巖石圈地幔突然置于冷的海底地殼之下，然后隨著海底地殼背離擴張中心，地幔巖石圈不斷地將熱量散失到冷的海水中。因此，巖石圈在背離擴張中心時會不斷冷卻沉降，離開大洋中脊越遠(yuǎn)，沉降越深。熱作用還會引起深部準(zhǔn)穩(wěn)定的輝長巖或下地殼的麻粒巖相向穩(wěn)定的榴輝巖相的轉(zhuǎn)化，從而使深部收縮，造成巖石圈表面沉降。巖石圈的熱來源于多個方面，最主要的方面是來自軟流圈的熱對流，其他次要的熱源有巖漿的生成和侵入作用等。

盆地沉降構(gòu)造應(yīng)力作用

地殼或巖石圈厚度的變化與兩種大的巖石圈構(gòu)造動力學(xué)背景有關(guān)：一是地殼的變薄作用，屬于拉張作用動力學(xué)體制，一般與裂陷作用所對應(yīng)。拉張作用所產(chǎn)生的機械伸展引起地殼張性斷裂控制的沉降，使地殼變薄。而巖石圈變薄則產(chǎn)生地幔的熱隆起。二是擠壓作用動力學(xué)體制，由于巖石圈板塊的俯沖、碰撞等會聚作用引起巖石圈向下牽引彎曲和地殼巖石圈的撓曲沉降，常見于俯沖帶或造山帶，熱流作用較弱。

盆地沉降負(fù)載（重力）作用

巖石圈加載造成的撓曲或彎曲變形作用。加載 方式可 以是鏈?zhǔn)交鹕交蚝Ｉ叫∫?guī)模載荷，也可以是山脈體大規(guī)模加載，形成大型前陸盆地。此外，盆地內(nèi)水和沉積物產(chǎn)生的沉積載荷也是驅(qū) 動盆地沉降的基本機制。特 別是大 型三角洲發(fā)育的海灣地區(qū)，接受了大量的沉積，其 負(fù)荷 作 用 可 以導(dǎo) 致 均 衡 下沉，使巖石圈變形彎曲成為一個寬闊的區(qū)域下坳帶。

上述三種 盆地的 基本的沉 降機制并非孤立地起作用，而通常是以一種為 主，多種機制綜 合作用，共同構(gòu)成盆 地沉降的構(gòu)造 －熱體制。其中由構(gòu)造應(yīng)力、熱力作用產(chǎn)生的構(gòu)造沉降是基本的沉降，而重力作用促使盆地沉降持續(xù)發(fā)展，并常常在盆地演化的晚 期轉(zhuǎn)化為主要的沉降機制。另外，各種沉降機制有一定的限制條件。同時，它們是相互聯(lián)系的，一種機制可能觸發(fā)另一種機制，如熱對流作用可以觸發(fā)巖石圈的拉伸 作用或者是巖石圈底部的底侵作用。

因為作用力的時空范圍廣泛，而且它們以錯綜復(fù)雜的方式作用于具有非均勻性的地球巖石圈，因此，盆地的沉降機制非常復(fù)雜。除了很少的例子外，目前的知識儲備和研究水平還不足以預(yù)測盆地沉降的確切過程。盆地沉降過程的確定需要一個綜合性的研究方法，這一方法既包括理論研究，又包括了由各種地質(zhì)觀測作為補充實驗研究。新的理論概念和技術(shù)意味著有大量的發(fā)展機會。在地幔和地殼尺度上研究盆地形成和演化的過程，對于了解巖石圈的熱歷史和盆地的經(jīng)濟潛力是至關(guān)重要的。