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本文创新点
本文探究了煤层中的天文周期信息以及这些天文周期对古泥炭沼泽气候、水文循环的影响，进而分析天文周期对厚煤层聚集作用的影响，提出了受天文周期控制的厚煤层成因模式。
作者简介
邵龙义中国矿业大学(北京) 教授
邵龙义，北京市教学名师，北京市优秀教师，二级教授、博士生导师。1983年毕业于焦作矿业学院地质系获学士学位，1986年和1989年毕业于中国矿业大学北京研究生部分别获硕士和博士学位。曾获孙越崎青年科技奖、中国地质学会青年地质科技奖银锤奖、煤炭行业技能大师（教科研人员），入选教育部新世纪优秀人才奖励计划。承担国家自然科学基金及国家科技重大专项专题等25项科研项目。兼任教育部地质类教学指导委员会委员、中国地质学会沉积地质专业委员会副秘书长、中国矿物岩石地球化学学会岩相古地理专业委员会副主任委员、中国煤炭学会煤层气专业委员会委员、中国石油学会石油地质专业委员会委员；兼任地质学报、地质论评、地学前缘、沉积学报、石油勘探与开发、矿业科学学报、煤炭科学技术、煤田地质与勘探、中国煤炭地质、Journal of Palaeogeography，Atmosphere等杂志编委及古地理学报、Journal of Sedimentary Environment副主编。获得省部级科技进步奖15次；出版专著15部，发表论文350余篇，其中SCI收录130余篇，H指数35。获得省部级教学成果奖5次，承担岩石学课程被评为国家级一流本科课程、北京市精品课程。
作 者
邵龙义１，党星宇１，高祥宇１，王东东２，温 和１，王学天１，高 迪３，鲁 静１
单 位
1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院；2.山东科技大学 地球科学与工程学院；3.河南理工大学 资源与环境学院
摘 要
蕴含丰富地质信息的厚煤层是重要的地质碳库，大陆是煤炭资源大国，华北、西北、东北、华南等聚煤区都发育有厚煤层。传统煤田地质学理论认为，厚煤层是泥炭沼泽潜水面上升速度与植物遗体聚集速度长期处于均衡补偿状态下的连续聚集产物。但现今发育的泥炭沼泽单层最大厚度仅为２０ｍ，考虑泥炭到烟煤成煤过程受到高达约６∶1的压实比例，均衡补偿成因解释厚煤层的形成可能存在一定的不合理性。基于煤岩学、层序地层学、旋回地层学的理论和研究方法，对不同盆地厚煤层中反映气候变化的天文周期信息开展研究。结果表明，厚煤层中煤岩显微组分以及灰分在垂向上的周期性变化和沉积间断面的存在，是多期次泥炭沼泽叠加形成厚煤层的重要依据。泥炭沼泽多期叠加及厚煤层中煤岩显微组分的周期性变化均受当时的气候环境演化影响，而气候环境的演化又受控于天文周期。综合已有的厚煤层成因观点和实例研究，提出受天文周期控制的多期次泥炭沼泽叠加成煤理论和模型，用于解释厚煤层的成因机制。
研究背景
煤层是由植物残骸经过极其复杂的生物化学、物理化学变化形成的。植物残骸在泥炭化作用下形成泥炭沼泽，泥炭沼泽再经煤化作用形成煤。因此泥炭沼泽厚度是影响煤层厚度的重要因素，泥炭沼泽厚度主要受泥炭沼泽潜水面变化及植物遗体聚集速率变化控制。煤化作用中泥炭沼泽受到地层压力、温度、时间等因素影响，形成变质程度不等、厚度不同的煤层。一般来说，高变质程度的煤其厚度相对较薄，低变质程度的煤其厚度相对较厚。故而在中、新生代煤系中常见到厚煤层。年代较新的煤层一般为褐煤、长焰煤及不黏煤，其变质程度普遍较低。
地质历史中的煤层其厚度有很大差别，薄者仅数厘米，厚者可达数百米。煤层分级0.3~0.5为极薄煤层，0.5～1.3ｍ 为薄煤层，1.3～3.5ｍ 为中厚煤层，3.5～8.0ｍ 为厚层煤，将大于8ｍ 的煤层称为巨厚煤层，也有部分学者将４０ｍ 以上的煤层称为超厚煤层。本文的“厚煤层”一词是一个广泛的涵义，指有一定厚度的煤层，包括厚煤层、巨厚煤层及超厚煤层。自石炭纪至新近纪，全世界许多地区都见有厚煤层，且在北半球居多。例如，加拿大哈溪煤田二号露天区始新统单煤层厚５１０ｍ；大陆胜利煤田胜利东二号露天煤矿下白垩统６号煤层厚达244.7ｍ；大陆吐哈盆地沙尔湖坳陷中侏罗统单层煤厚达217.4ｍ。
煤层是重要的地质碳库，尤其是厚煤层，具有长期聚碳的能力，在全球碳循环中起着至关重要的作用。目前对厚煤层中蕴含的层序界面信息、古气候信息、古泥炭沼泽碳聚集速率等方面的研究取得了较好的进展，但是对厚煤层成因机制，特别是厚煤层中基准面升降信息等研究程度较低。
1 厚煤层的连续均衡补偿成因
煤层是泥炭沼泽埋藏和压实的产物，是全球碳循环中必不可少的一部分。传统煤田地质学理论认为，泥炭沼泽聚集面（泥炭聚集速率）不断增长和泥炭沼泽潜水面（基准面）不断上升保持均衡，是泥炭沼泽不断增厚的必要条件，一旦这种均衡遭到破坏，泥炭沼泽的聚集也就随之终止。当盆地沉降速率与泥炭聚集速率长期维持大致均衡的状态下，泥炭聚集可以持续相当长时间，在此条件下可以形成巨厚的泥炭沼泽，从而形成厚煤层。
2 受天文周期控制的厚煤层多期次泥炭沼泽叠加成因
2.1 厚煤层中可容空间变化及相应的向上变湿变干序列
图1 层序地层中受滨岸带的基准面变化和沉积作用相互作用而限定的海侵和海退趋势（改自文献[24,29-30]）
表 １ 不同可容空间变化速率下的煤的显微组分组成特征（据文献[14,31-32]总结）
图2 河南安鹤煤田山西组2号煤层煤岩显微组分含量变化及其反映的变湿－变干序列（改自文献[23]）
表2 不同可容空间增加速率与泥炭聚集速率比值下泥炭沉积响应（据文献[31]总结）
图3 厚煤层中可容空间变化影响的间断面及相应的煤岩显微组分矿物含量变化概念模型（改自文献[21]）
2.2 厚煤层中受天文周期约束的气候信息
2.2.1 天文周期影响气候及成煤环境的理论基础
2.2.2 煤层剖面煤岩显微组分反映的天文周期信息
2.2.3 煤层测井信号反映的天文周期信息及其与煤岩组分变化关系
图5 二连盆地胜利煤田下白垩统６号煤层中段天文周期信号分析结果（改自文献[21]）
2.3 受天文周期影响的多期泥炭沼泽叠加模式
结 论
１）厚煤层剖面的煤岩显微组分以及矿物组分变化特征，可以反映成煤期间基准面旋回以及可容空间的变化。高可容空间（增加速率） 整体为水进阶段，形成泥炭沼泽向上变湿的序列，对应相对高的镜质组含量和相对低的惰质组含量，低可容空间（增加速率）阶段整体为水退阶段，形成泥炭沼泽向上变干的序列，对应了相对高的惰质组和相对低的镜质组含量。整个厚煤层包含有一系列以间断面为界的向上变湿—向上变干的旋回，反映出厚煤层是多期泥炭沼泽叠加的产物。
２）从煤层剖面自然伽马测井数据以及煤岩显微组分变化数据中提取的岁差、短偏心率等轨道参数周期与这些向上变湿—变干旋回有良好的对应关系，厚煤层包含多个岁差、短偏心率旋回，表明厚煤层形成过程受到与轨道参数相关的天文周期的影响。
３）一个岁差周期中泥炭沼泽演化过程可分为６个阶段，前３个阶段代表了一个向上变湿序列中的成煤过程，后３个阶段代表了一个向上变干序列中的成煤过程。一个短偏心率周期包含多个岁差周期，表现为总体更长周期的向上变湿—变干旋回，多个岁差周期及多个短偏心率周期控制的泥炭沼泽叠加会形成厚度巨大煤层。
部分参考文献
[14] DIESSEL C. Coal-Bearing Depositional Systems[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1992: 721.
[21] JERRETT R M, DAVIES R C, Hodgson D M, et al. The significance of hiatal surfaces in coal seams[J]. Journal of the Geological Society, 2011, 168(3): 629-632.
[23] LI Yanan, SHAO Longyi, FIELDING C R, et al. Sequence stratigraphic analysis of thick coal seams in paralic environments–A case study from the Early Permian Shanxi Formation in the Anhe coalfield, Henan Province, North China[J]. International Journal of Coal Geology, 2020, 222: 103451.
[24] 王东东, 邵龙义, 刘海燕, 等. 超厚煤层成因机制研究进展[J]. 煤炭学报, 2016, 41(06): 1487-1497.
WANG Dongdong, SHAO Longyi, LIU Haiyan, et al. Research progress in formation mechanisms of super-thick coal seam[J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(06): 1487-1497.
[29] CATUNEANU O. Principles of sequence stratigraphy[M]. Elsevier, 2006: 375
[30] CATUNEANU O, ABREU V, BHATTACHARYA J P, et al. (28 authors), Towads the standardization of sequence stratigraphy[J]. Earth-Science Reviews 2009, 92: 1-33
[31] BOHACS K, SUTER J. Sequence stratigraphic distribution of coaly rocks: Fundamental controls and paralic examples[J]. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 1997(81): 1612-1639.
[32] MOORE T, SHEARER J, MILLER S. Fungal origin of oxidised plant material in the Palangkaraya peat deposit, Kalimantan Tengah, Indonesia: Implications for ‘inertinite’ formation in coal [J]. International Journal of Coal Geology, 1996, 30(1): 1-23.
[45] LARGE D J, JONES T F, SOMERFIELD C, et al. High-resolution terrestrial record of orbital climate forcing in coal[J]. Geology, 2003, 31(4): 303-306.
引用格式
邵龙义,党星宇,高祥宇,等.厚煤层成因机制:受天文周期控制的多期泥炭沼泽叠加模式[J/OL].煤炭科学技术:1-13[2022-01-19].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.TD.20211216.1313.004.html.
SHAO Longyi,DANG Xingyu,GAO Xiangyu,et al.Genetic mechanism of thick coal seams : astronomical-forcing superimposed multi-staged swamp model[J/OL].Coal Science and Technology ,:1-13[2022-01-19].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.TD.20211216.1313.004.html.
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