聚煤盆地的形成与演化

聚煤盆地从形成到结束是一个动态过程，由于古植物、古气候、古地理和古构造等多种因素的影响，盆地不断地发生时—空演化。

本节着重从聚煤期地壳运动的角度论述盆地的形成和演化，主要包括盆地的层次结构、盆地的构造分期和基本类型的转化，盆地的超覆扩张和退缩分化，以及盆地沉积中心的侧向迁移等。

一、盆地的层次结构

随着区域构造和盆地基底构造的演变，盆地充填盖层也卷入了地壳的形变过程，形成具有一定特征的沉积构造层次。不同的沉积构造层次组成整个盆地的层次结构。

断陷聚煤盆地往往具有明显的层次结构。盆地发育早期表现出显著的裂陷性质，下落断块组成一系列半地堑或地堑盆地系，各个亚盆地相互分隔，各自具有盆缘断裂和冲积扇带，构成底部沉积构造层次。随着裂陷作用的持续，各个亚盆地被上覆沉积广泛覆盖，形成统一的沉积盆地，下伏基底断块的显著差异性沉降，引起盖层岩性岩相和厚度的变化，某些基底断裂可能延伸至上覆盖层，也可能产生重力滑脱断层系，构成沉积构造类型比较复杂的过渡层次。盆地发育的后期，发生了构造型式的转化，由早期的裂陷作用为主，转化为晚期的荷载调整性沉降或热沉降。沉积范围扩大，各种沉积单元规律配置，演变为比较均衡的沉积盆地。如我国东北松辽盆地，晚侏罗早白垩世火山岩系和含煤碎屑岩系填积在北东向基底断裂构成的半地堑盆地内，组成底部亚盆地系。早白垩世沉积范围扩大，超覆不整合于石炭二叠系变质岩系或海西期花岗岩基底之上，岩相和厚度明显地受到基底断块不均衡沉降的影响和同沉积断裂的切割。早白垩世晚期盆地则主要表现为拗陷性质，沉积层由盆地中部向两翼逐渐变薄，在盆缘地带仍受到基底断裂影响。古近新近系沉积范围明显缩小，退缩于盆地西缘(图9-12)。

图9-12 松辽盆地沉积构造剖面图(据韩德馨等，1980)

发育在缓倾角基底断裂之上的沉积盆地，随着主滑脱断层的不断伸展，沉积盖层中的同沉积断裂也逐步生长发育，形成一个沉积构造序列(图9-13)。较早形成的沉积岩楔沿断层面旋转滑落，逐步远离后期形成的沉积岩楔，盆地内沉积层的沉积中心呈相互偏离叠置的排列样式，构成不同的沉积构造层次。图9-13中的星号和菱形符号表示两个早期沉积阶段的轴向沉积中心，一些盆地复杂的砂体分布样式很可能受到这种“壳层”发育过程的控制(Gibbs，1987)。

图9-13 阶梯状滑脱断层控制的生长正断层系和沉积岩楔(据Gibbs，1987)

盆地古构造应力场和动力活动方式的转化是盆地沉积构造演化的重要制约因素，相应地出现不同的沉积构造层次。拉伸盆地受到与伸张作用方向相反的挤压作用，沿近于直立的基底断裂便产生走向滑动，可以在上覆沉积盖层中形成花状构造或重力滑脱构造，在一定层段表现为同沉积褶皱和断裂系。由于动力作用方式的改变，在不同层位也可以出现不同方向和不同排列方式的断层系。如我国华北裂谷系中的一个半地堑盆地，以边缘断裂为主干发育一系列掀斜断块，不同层次和不同尺度的铲式断层，分别属于两个裂陷幕，具有相反的方向，表明随时间发展而改变了掀斜方向(图9-14)。

图9-14 华北裂谷系中的一个半地堑盆地剖面图(据马杏垣，1983)(垂直比例尺，每秒大致相当3～4nm)

二、盆地的超覆扩张和退缩分化

盆地的超覆扩张和退缩分化是盆地演化的空间表现。地表侵蚀、沉积充填、海面升降和盆地基底升降等，都可引起盆地范围的扩张或退缩。由于盆地基底沉降而出现聚煤盆地的超覆扩张是极为常见的现象。伴随盆地的超覆扩张岩相带和聚煤带亦相应迁移。

聚煤盆地形成初期往往是一些相互分隔的地形洼地、小型断陷或拗陷盆地，随着盆地基底的不断沉降而发生盆地范围的超覆，形成一个统一的沉积盆地，岩性岩相和厚度显示规律性变化，可以进行盆地范围的对比。我国云南小龙潭古近新近纪褐煤盆地的基底为可溶性碳酸盐岩，填积作用首先发生在溶蚀洼地内。含煤岩系剖面三分明显(图9-15)，即:下段以坡积—洪积相砂砾岩填积为主，填积在孤立的小型洼地内;中段为湖沼相沉积，伴随盆地基底沉降，沉积范围逐步扩大，盆地连成一体，并演变为泥炭沼泽环境，形成巨厚煤层，煤体呈透镜状，以盆地中部最厚，约达220m，向周边变薄尖灭;上段以湖泊相泥灰岩为主，含淡水动物化石，盆地沉积范围最大，岩性岩相和厚度变化小，由盆缘向中心逐渐增厚。由于后期剥蚀作用，本段保存不完整。小龙潭煤盆地充填序列，在纵向和横向上都呈现出明显的超覆扩张，岩性地层单位大致相当时间地层单位。

图9-15 云南小龙潭煤盆地年沉积剖面图

大型拗陷聚煤盆地的基底界面往往是经受长期风化剥蚀作用的夷平面，界面坡降很小。随着基底的缓慢沉降，由初始沉降中心向外侧超覆扩张，并表现出“大跨度”超覆特征，只有在大范围内进行地层划分和对比才能识别。伴随盆地的超覆扩张，岩相带发生迁移，形成水进型充填序列。如果海域或湖盆的扩张与岩相带的迁移同步，则岩性地层单位是一个穿时地层单位，不能清楚地反映盆地充填层序的超覆关系。如果海域或湖盆地的扩张与岩相带的迁移不一致，即发生了岩相带的更替，则岩性地层单位能够反映超覆现象。因此，在研究盆地超覆扩张时，应当进行详细的地层划分，尽可能建立时间地层单位和超覆序列。我国四川晚三叠世聚煤盆地是一个大型断裂拗陷型盆地，盆地的基底是印支期构造侵蚀界面，盆地的演化是一个由西侧山前断陷带向东、向南逐步超覆扩张的过程。晚三叠世早期(卡尼期)以滨海浅海相为主的跨洪洞组假整合于中三叠统雷口坡组的剥蚀面上，沉积范围向东仅达龙泉山断裂附近。晚三叠世中期、中晚期，随着盆地基底的不断沉降，沉积范围向东、南超覆扩张，直抵达州、重庆一线，即华蓥山断裂附近。以半封闭的海湾、淡化潟湖相为主的小圹子和须家河组超覆沉积于中三叠统不同层位之上，与下伏地层呈微角度不整合。晚三叠世晚期，盆地继续扩张，形成以淡化潟湖、湖泊相为主的雾中山组，为主要含煤层段，向东扩展至四川东部地区，向南越过黔中隆起而与黔南坳陷相连，构成一个沿北东向展布的大型沉积盆地。四川晚三叠世聚煤盆地的横剖面呈显著的不对称几何形态(图9-16)，沉降中心位于龙门山前缘断裂带，层序全，厚度大，上三叠统总厚可达3000m。随着盆地向东超覆，岩系厚度递次变薄，缺失下部层序，至盆地东缘厚仅百余米。侏罗纪沉积盆地进一步扩展，转化为大型内陆湖盆，并在盆地范围内沉积了稳定的淡水灰岩。

沉积盆地的超覆扩张和退缩分化往往反映了一个完整的构造旋回。盆地的退缩分化主要是由于盆地基底沉降减缓、分异或停止，沉积物大量充填所造成的，一般表现为退覆沉积序列。盆地演化的后期，由于构造分异作用增强，一个大型聚煤坳陷可能分化为一系列小型聚煤盆地。断陷聚煤盆地的沉降和沉积中心往往退缩于盆缘断裂内侧，而另一侧则处于剥蚀状态，因此盆地的退覆沉积序列保存不完整。美国西部中、新生代聚煤盆地蕴藏着丰富的煤炭资源，晚白垩世含煤岩系形成于北美大陆西部近南北向的大型前陆盆地中，呈现陆表海古地理景观。泥炭沼泽发育于盆地西侧的滨海平原，煤层赋存于一系列海进海退沉积旋回中。晚白垩世开始的造山运动(拉腊米造山运动)使白垩纪大型沉积盆地分化为一系列隆起的山间盆地，聚煤环境转变为以河流、湖泊为主，古近新近纪聚煤盆地轮廓与现代的构造盆地大体相近(图9-17)。

三、盆地的侧向迁移

图9-16 四川盆地大邑—石柱晚二叠世含煤地层对比图(据韩德馨等，1980，修改)

图9-17 美国西部落基山区中、新生代煤盆地的分布(据Weimer，1960)

聚煤盆地的侧向迁移是指不同聚煤期聚煤盆地在空间上的转移和盆地内部沉降中心的侧向迁移。现着重论述聚煤盆地内部的这种变化。

不同聚煤期聚煤盆地在空间上的转移主要是由于地壳运动、气候带变化和海水进退等因素引起的。沉积盆地是地壳形变的产物，随着地壳运动体制的演变，不同期的聚煤盆地便呈现出规律性的空间转移。以我国东部中、新生代聚煤盆地为例，不同期聚煤盆地的分布具有明显的分带性，盆地的形成和分布与NNE向巨型构造体系的成生过程相联系。晚三叠世这一构造体系的雏形开始展现，在太行山—雪峰山连线的西侧形成四川、鄂尔多斯大型沉积盆地，分别堆积了晚三叠世和晚三叠早、中侏罗世含煤岩系，东侧总体为一NNE向的巨型隆起带，可能为中、新生代地幔物质汇入区，自中三叠世晚期开始，经历了多次构造运动、岩浆侵入和火山活动。东部巨型隆起自南而北逐步解体，不同期的聚煤盆地相应地依次分布:晚三叠早侏罗世聚煤盆地与华南地区沿北东向坳陷带的瑞替克—里阿斯海水内侵有关，主要分布于湖南、江西、广东等地;早—中侏罗世聚煤盆地零星分布于华北地区，含煤岩系直接覆于较老地层或火山岩之上;晚中生代聚煤盆地则主要分布于东北、内蒙古东部地区，为区域伸展作用形成的断陷盆地系，盆地基底为火山岩系，盆地群沿NNE向斜列。随着巨型隆起带的进一步分化，大体沿隆起轴部形成以下辽河和华北裂谷系为主体的断陷带，古近纪始新统—渐新统含煤沉积发育于裂谷系和两侧隆起带上的小型断陷盆地内。位于东海大陆架的东海盆地是一个NNE向伸延的弧后拉伸盆地，以巨厚的过渡型碎屑含煤沉积为主，成煤期自始新世延续至上新世，以渐新统为主要富煤层段。台湾省西侧发育新近系碎屑含煤岩系，厚约7000m，夹有海相层和火山岩，为比较典型的前陆盆地。由此可知，我国东部中、新生代聚煤盆地发生了自西而东的侧向迁移，形成聚煤盆地时空迁移序列，这可能是东亚大陆与太平洋板块斜向碰撞并不断增生的结果。

聚煤盆地内部沉降中心的迁移与次级隆起和拗陷的相互转化﹑盆缘和基底断裂的成生过程或盆地的热沉降过程有关，通常表现为横跨盆地轴向或沿轴向的侧向迁移。我国广西百色煤盆地是一个NW向延伸的不对称断陷盆地，盆地的形成主要受NW向走滑断裂的控制。百色盆地由百色和田东两个次级盆地构成，大致沿NW向斜列，向两端抬起，在田阳一带交接，构成田阳次级隆起(图9-18)。晚白垩世古近纪红色粗碎屑岩组不整合于中三叠世印支期褶皱系之上，含煤地层时代为始新世至渐新世。以田东次级盆地为例，底部红色粗碎屑岩组主要堆积在北部盆缘断裂带内侧，厚达500m，向南西方向显著变薄。始新世渐新世含煤岩系沉积于红色岩组之上，自下而上可划分为3个岩段:下部含煤段(那都段)、中部湖相泥岩段(田东段)、上部主含煤段(下百岗段)。随着盆地的演化，NW向延伸的沉积中心由盆地东北缘迁移至盆地中部，继而又移至盆地西南侧，主要富煤地段沿盆地西南缘分布。由于含煤岩系以泥岩为主，缺乏代表剥蚀作用的河流堆积，所以盆地很可能是在间歇性沉陷的构造背景下形成的。沉积中心和沉降中心基本吻合，各层段等厚线图基本上反映了盆地沉降中心的侧向迁移。盆地沉积中心和沉降中心也可以沿轴向方向迁移，如我国内蒙古霍林河煤盆地，盆地的轴向为北东向，主干断裂位于盆地的西北缘，横断裂沿轴向将盆地分划为相对断隆和断陷。底部扇积粗碎屑岩段、下部湖相泥岩段和下部含煤段的沉积中心位于煤盆地的东北部(一露天区);上部湖相泥岩段的沉积中心已迁移至盆地的中部(二露天区);上部含煤段的沉积中心则移至盆地的西南区，显示了沉积中心由北东向南西沿盆地轴向迁移的趋势(图9-19)。

四、盆地的沉积构造分期

有的含煤沉积盆地具有长期而复杂的演化历史。根据盆地的沉积构造演化特征，可以划分为不同的发展阶段或沉积构造期。沉积构造分期主要依据盆地的沉积构造事件和层次结构，现以澳大利亚东南沿海的吉普斯兰盆地为例加以简要论述。

吉普斯兰盆地是世界上著名的含煤、含油气的大西洋边缘型沉积盆地，沉积构造演化与白垩纪和古近新近纪的大陆开裂和漂移过程密切相关。白垩新近纪含煤岩系与下伏地层为角度不整合，根据盆地的演化史可划分为6个沉积构造期(Smith，1984)，即奥特威裂谷期、白垩纪中期隆起、晚白垩世裂谷期、塔斯曼海漂移期、吉普斯兰稳定期和吉普斯兰陆架期(图9-20)。

图9-18 广西百色盆地各层段等厚线图(据广西150地质队资料编绘)

图9-19 内蒙古霍林河盆地走向构造剖面(据李思田，1988)

图9-20 澳大利亚吉普斯兰盆地构造史与岩性地层单位时间关系(据Smith，1984)

吉普斯兰盆地早期为裂谷陆相碎屑充填，主要由成熟度低的粗碎屑岩、火山碎屑岩、泥岩和不稳定薄煤层组成，沉积中心的沉积速率超过150m/Ma。煤层主要由亮煤和暗煤条带组成，堆积于冲积—湖泊沉积环境。早白垩世末期，盆地沉降速率开始减退，至白垩纪中期出现盆地范围的角度不整合，早期沉积物遭受强烈剥蚀。晚白垩世初东南缘的塔斯曼海裂谷作用波及吉普斯兰盆地，出现第二个快速沉降期，其沉积特征与奥特威裂谷期沉积物相似。

吉普斯兰盆地后期为构造漂移、沉降期，主要由滨海—边缘海充填序列组成，亦为主要聚煤期。大约在80Ma年前，塔斯曼海裂谷系开始了漂移期，海水自南侵入近南北向的裂谷，吉普斯兰盆地东南缘成为滨线，沿北东南西方向伸延，堆积了包括滨外、滨滩、障壁、海湾和潟湖相的边缘海沉积序列。由滨线向陆地方向(北西方向)堆积了由砾岩、砂岩、泥岩和薄煤层组成的河流三角洲沉积序列，煤层厚度一般小于10m，向剖面上部煤层厚度和频度增加。从早始新世至早渐新世末是一个缓慢沉降的特殊稳定期，沉积速率一般小于20m/Ma，近海盆地充填包括中、晚始新世河流三角洲—边缘海沉积序列，三角洲层序具有高度侧向稳定性，由石英砂岩、泥岩和一些厚煤层组成，煤层一般厚2～5m，最厚可达30m。沿岸盆地充填包括3个主要的河流湖泊沉积旋回，含若干厚煤层，厚度大于20m，最厚的泥炭层形成于缓慢沉降的正向构造单元。中新世至现代，吉普斯兰盆地为快速埋藏的陆架陆坡发展期，沉降和沉积速率大于150m/Ma。沉积速率的增加和基准面的降低导致河流湖泊沉积向海推进，沿岸吉普斯兰盆地的含煤岩系遭到剥蚀。

盆地演化的沉积构造分期可以依据盆地的充填序列、盆地的层次结构、构造剥蚀界面、沉降速率的变化和沉降中心的迁移、动力作用方向和方式的转换等因素进行划分，其目的在于追索盆地发展演化的全过程和不同演化期的沉积构造特点，以进一步分析泥炭聚积的条件和煤层、煤质特征。