学科起源与历史回顾

沉积学是一门具有近百年历史的学科。沉积学与煤的关系非常密切，一方面是因为煤作为一种特殊的沉积物，是含煤沉积体系中不可或缺的构成单元，其形成过程及其煤岩和煤质特征自然遵循沉积学原理；另一方面，煤作为一种沉积型能源矿产，由于人类生存的需要而投入了大量研究，又在很大程度上促进了沉积学的发展。正是由于两者具有如此密切的关系，因此对沉积学和聚煤作用的研究几乎同时起步，1932年Wadell提出“沉积学”的概念，并将其定义为研究沉积物的科学；1937年Сгепанов首次提出了聚煤带和聚煤中心的概念，随后它被广泛地应用于聚煤盆地的研究中。

一、沉积学的起源与历史回顾

1.从沉积岩石学到沉积学

如果从渊源上追踪的话，沉积学实际上是在沉积岩石学的基础上发展起来的。在早期，沉积岩石学通常被认为只是对沉积物做显微镜下的研究，而沉积学却将实验观察和野外工作结合了起来（Vatan，1954）。沉积学被许多人认为是比沉积岩石学有更为宽广的领域，但它不能脱离于其他地质学的分支，如地层学、矿物学和地球化学等。

早期的沉积岩石学研究是配合地层学的研究而展开的。英国地质学家Sorby（1851）是沉积岩石学的奠基者，他是第一个使用显微镜研究沉积岩的科学家，他将沉积岩石学研究从宏观深入到了微观，这是一个突破性的发展。1894年，Walther提出了“相序”的概念（即著名的Walther相律），使人们在横向上和纵向上对地层中的岩石及其岩石组合的分布规律有了进一步的了解。1913年，Hatch和Rastall合著了第一本《沉积岩石学》。1922年， Milner出版了《沉积岩石学引论》。1931年，美国的SEPM学会创办了《沉积岩石学》杂志。这些出版物的相继问世，标志着沉积岩石学已从地层学中分离成为地球科学中的一门独立学科。

无疑，早期沉积岩石学的研究为沉积学的诞生奠定了坚实基础。至1932年，德国地质学家Wadell首先提出了“沉积学”的概念，并将其定义为研究沉积物的科学。这一概念的提出，标志着人们对沉积岩的认识步入了从特征描述到成因研究的阶段，从此沉积学便成为一门独立的学科。在这之后的近百年，沉积学的研究无论是从理论上还是方法上均获得迅速发展，并逐渐渗透到地球科学的各个领域，尤其是为人类赖以生存的煤、铀和石油等能源矿产的勘查提供了重要的科学预测依据，这充分展示了沉积学的强大生命力。

2.沉积学的三次革命

自1932年沉积学诞生以来，其发展演化具有明显的阶段性，期间的几次重大突破被誉为沉积学的革命。Catuneanu（2006）认为在沉积学的演化过程中具有三次革命，每次革命都产生了范例性的质变，改变了地质科学家解释沉积地层的方法。第一次革命发生于20世纪50年代晚期和60年代早期，以发展了水动力学概念和相应的沉积作用/沉积响应相模式为标志（Harms和Fahnestock，1965；Simons等，1965），从水动力学的角度提出了对沉积物和沉积构造成因的系统解释理论，总结了在沉积体系内部预测相组合的方法体系。20世纪60年代开始，板块构造学和地球动力学概念引入到区域尺度的沉积作用分析中，标志着沉积地质学的第二次革命。最终，这两项初期的概念突破或革命导致了20世纪70年代沉积盆地分析的发展，为沉积盆地成因研究和沉积史研究提供了科学框架。层序地层学的诞生标志着沉积学第三次，也即最新的一次革命，起始于20世纪70年代晚期，以Payton（1977）主编出版的Seismic Stratigraphy-applications to Hydrocarbon Exploration（AAPG Memoir 26）为标志。层序地层学综合了自源作用（如来自体系内部）和他源作用（如来自体系外部），形成了解释沉积盆地演化和地层结构的统一模式（Miall，1995）。

二、含煤岩系沉积学的起源与历史回顾

含煤岩系沉积学是沉积学应用于煤地质与勘查领域的一个重要分支。因为煤首先是一种沉积物（岩），所以自沉积学诞生之日起，含煤岩系沉积学便与沉积学同步发展。但由于煤这种沉积物（岩）不同于一般的无机岩石，因此含煤岩系沉积学的发展就具有相对的特殊性，它具有相对独立的研究内容和独特完整的理论方法体系。Rahmani和Flores（1984）系统地总结了20世纪80年代以前北美洲煤和含煤岩系沉积学的研究历史，将其划分为旋回沉积阶段和沉积模式阶段。

所以，含煤岩系沉积学以其相对独立和完整的理论方法体系而明显区别于沉积学。

1.旋回沉积阶段

旋回沉积阶段从19世纪末到20世纪中叶，学者们主要致力于识别含煤岩系的重复层序或者说旋回结构，并对这类现象作出成因上的解释。

1912年Udden最先揭示了北美伊利诺斯煤田石炭纪含煤岩系的根土岩—煤—海相灰岩或者页岩—根土岩—煤的重复旋回结构。进入20世纪30年代，以Weller（1930）、Wanless和Weller（1932）、Moor（1940）等为代表，大力倡导以滨海平原地带广泛的海侵和海退过程来解释欧洲和北美石炭纪含煤岩系中海相层与含煤碎屑沉积的互层现象。几乎是在同一时期，苏联地质学家Лутугин жемчужников等对顿涅茨煤田石炭纪含煤岩系的旋回结构作了深入研究，并成功地应用于地层对比和地质编图。

Reading（1978）曾经对这一阶段的研究给予客观的评价：“相互重叠的相型概念或沉积旋回作用的概念，是沉积地质学中最富有成效的一种概念。它使地质学家能在明显的混乱中理出顺序来，并扼要地描述很厚的复杂互层的沉积岩。他们能够把这些岩层的旋回、韵律层或韵律与在别处发现的旋回、韵律层或韵律进行对比”。以含煤岩系为摇篮产生的旋回沉积概念迅速地在所有类型的沉积岩系中推广开来，说明它是有生命力的。

Reading（1978）、Galloway等（1983）、Rahmani和Flores（1984）同时也指出了旋回沉积阶段所存在的问题：第一，把含煤岩系中出现的旋回结构或旋回性一律看成是地壳不均衡运动、区域海平面升降或气候变化的产物，而未认识到沉积过程自身的演化也可产生旋回结构。第二，旋回沉积理论使得人们在很长一段时间内不重视将含煤岩系沉积作用与现代沉积作用进行对比研究。第三，旋回的建立和划分往往带有主观性，而忽略了对沉积学的解释。这些问题在相当程度上妨碍了煤地质学的发展，使我们无法识别含煤岩系沉积环境的多样性和沉积过程的复杂性。

2.沉积模式阶段

沉积模式阶段开始于20世纪50年代，其以大规模的现代沉积学研究、沉积环境和相模式研究为特色。关于沉积环境和模式的研究，到20世纪70年代末与80年代初已经占据了主导地位。这主要是由于当时沉积学领域对沉积作用与现代沉积模式的研究取得了突破性发展，再加之当时全球对能源需求的迅速增长，使得含煤岩系沉积学研究，特别是在聚煤作用、成煤环境与沉积体系和煤岩学方面，出现了空前的热潮（刘光华，1999）。

现代可以成为了解过去的钥匙，通过对比美国东部阿帕拉契地区石炭纪含煤岩系和现代密西西比河三角洲沉积，Ferm（1979）及一些人认为，阿帕拉契地区石炭系旋回沉积中简单的海侵、海退过程完全可以用与现代密西西比河三角洲相类似的三角洲沉积作用过程来解释。对密西西比河三角洲的研究证明，三角洲朵体的建设与废弃，完全可以导致一定范围内的海侵和海退，从而产生旋回结构。Beerbower（1964）通过对冲积平原的研究指出，旋回性沉积作用具有两种基本类型：自旋回（autocycle）和他旋回（allocycle）。自旋回的形成不是由于总能量和注入沉积体的物质补给量的变化，而完全是由于能量及补给物在沉积体系内的再分配。他旋回的形成则是由于能量和物质补给量的变化，其影响因素有海平面的升降、气候的变化、物源区的不规则上升以及盆地的间歇性沉降等。自旋回概念的提出对正确解释垂向序列，恢复沉积充填演化史，具有很大的推进作用。

在北美洲，Ferm和Williams（1963）首先提出了阿帕拉契地区石炭系Allegheny组的沉积模式。Coleman（1969）在另外一些地区进行了检验，并与密西西比河三角洲作了详细对比。Ferm（1974）将阿帕拉契地区石炭系Allegheny组的沉积模式进一步具体化，划分出了冲积平原、上三角洲平原、下三角洲平原、障壁岛和障壁岛后环境，并把地层的纵向、横向变化与环境分带联系了起来。Horne等（1978）对该模式进一步修改和补充，建立了为大家所熟知的、适用于滨海地区成煤环境的沉积模式。该模式详细论述了各个环境带的沉积特征及成煤作用特征，特别强调了上、下三角洲平原过渡带对于形成工业价值煤层的重要性。Fisher （1968）通过对德克萨斯第三纪沉积环境与煤产出的关系进行研究之后指出，在三角洲和河流环境中形成的煤明显不同：与河流有关的煤矿床呈长条状，低硫低灰，由木本植物残体组成；而与三角洲有关的煤呈板状，高硫高灰，由非木本植物残体组成。

对含煤岩系沉积模式的讨论表明，冲积环境、三角洲环境和海岸环境都是煤可能聚集的场所。这些环境的相对意义随着盆地类型、地质时期和构造条件而不同。对这些不同模式的批判性检验取决于对现代泥炭类似物的认识（Rahmani和Flores，1984）。但是，在当时对现代沼泽、泥炭沼泽和泥炭层的研究落后于对煤矿床的研究。20世纪60年代，Dapples和Hopkins（1969）作了现代成泥炭环境与古代成煤环境的初步对比研究。Frazier和Ozanik （1969）的经典研究工作表明，密西西比河三角洲平原发育有广阔的树沼泽和草沼泽，能够形成厚的有机沉积物。70—80年代，人们不仅发现障壁岛后的树沼泽也是重要的成泥炭环境（Staub和Cohen，1979；Cohen，1973、1974、1975；Spackman，1974；Whitehead，1972；Amartunga，1970），而且也认为不应低估与河流有关的树沼泽的意义，因为这些树沼泽大多是泥炭堆积区（Rich，1982；Lappalainen，1980；Rzoska，1974）。Mc Cabe（1984）的研究则强调了聚煤作用与活动碎屑沉积体系的关系：第一，大部分活动碎屑沉积环境尽管可以发育广布的沼泽，但并不是具有工业价值煤层（泥炭层）形成的有利场所。聚煤作用主要是与废弃碎屑沉积环境中发育的沼泽有关。第二，在分析聚煤作用和聚煤规律时，不应对煤层下伏沉积物的重要性估计过高，因为在聚煤作用发生之前曾经有过比较长时间的间断。在决定煤的特征方面，上覆沉积物至少与下伏沉积物具有同等的重要性。第三，具有工业价值的聚煤作用如果是与活动碎屑沉积环境有关的话，也应该是远离活动的水流（如活动河道和分流河道），或是有特殊的水介质条件，使水流携带的碎屑物质在沼泽边缘地带大量沉淀，或是与凸起沼泽（高位沼泽）和漂浮沼泽有关，使泥炭免遭携带碎屑物质的水流影响。凸起沼泽对形成低灰煤有着重要意义。低位沼泽虽然易于形成泥炭，但遭受活动碎屑沉积环境影响的几率要大得多，所以其形成的泥炭往往具有较高的灰分产率。

在20世纪60年代，当沉积环境和相模式研究获得巨大成功的同时，一种强调三维相的空间配置和相互成因联系的“沉积体系”的概念被提出（Fisher和Mc Gowen，1967；Scott和Fisher，1969；Fisher和Brown，1972；Galloway，1986）。沉积体系是在沉积环境和相模式研究基础上的更完整综合。人们在盆地与能源大规模研究中发现自然界各种环境单元，如河流、三角洲、障壁岛，都是许多相构成单元的三维组合，分析研究各种相构成单元的特征及其空间配置关系可以更好地阐明煤和油气等能源矿产资源的分布规律，沉积体系域的重要概念也由此产生。

1976年，Walker归纳和总结了沉积模式的主要功能，他认为一种有效的沉积模式必须能够起到四种作用：①能够作为类比的标准；②必须是未来观察的一个参考模式和指导；③应能对地质上的新区进行预测；④应能作为对沉积环境或体系进行水动力解释的基础。在沉积模式阶段，人们不仅识别了愈来愈多的含煤岩系沉积类型，建立了多种多样的含煤岩系沉积模式，而且含煤岩系沉积模式从一开始就十分注意与煤矿床的勘查与开发紧密结合。因此，该阶段可以被誉为是煤沉积学研究的黄金鼎盛期。在国际上，最有影响的聚煤盆地沉积学论著当属Rahmani和Flores（1984）主编的《煤和含煤地层沉积学》、Scott（1987）主编的《煤与含煤地层最近进展》、Stach等（1982）主编的《Stach煤岩学教程》、Galloway和Hobday （1983）主编的《陆源碎屑沉积体系——在石油、煤和铀勘探中的应用》以及Miall（1984）主编的《沉积盆地分析原理》等。在国内，最有影响的论著包括李思田（1988、1996）主编的《断陷盆地分析与煤聚集规律》和《含能源盆地沉积体系》、陈钟惠（1988）主编的《煤和含煤岩系的沉积环境》。

沉积模式的研究和总结无疑是重要的，它是认识复杂自然现象和过程的、理想的简化形式。模式摒弃了许多细节，归纳出主要特点，因此具有更大的普遍意义（陈钟惠，1988）。但是，在运用过程中要防止绝对化和片面化。正如Reading（1978）所指出的那样：“当一个新的、容易掌握的模式建立时，或当我们自己找到一种模式并往往对它过分热情时，这时最容易忽略别的假设”，“一个人确信自己的假设是正确的，这常常标志着他对其他假设知道的甚少”。

3.相对停滞阶段

进入20世纪90年代后，由于石油、天然气和新能源（核能和太阳能）等的发展以及人类对环境生态的保护，使得各主要工业国降低了对煤炭的需求，并制定了限制煤炭开采、燃烧的环保政策。各国主要矿业公司和研究部门也不得不压缩了对煤田勘探、开采的投资，从而极大地影响了许多大学、研究机构及个人对煤地质学的兴趣与研究积极性，对含煤岩系的研究进入了低潮期（刘光华，1999）。国际上不景气的背景也波及到了中国，主要表现为在煤田勘探、煤地质学研究与高等教育方面的发展相对减慢或有所退步。

在全球煤炭工业低潮期，人们还是在成煤沼泽与成煤环境、含煤岩系层序地层和煤层气等方面开展了有益探索并取得了瞩目的进展和成果。在早期人们对有利于洼地沼泽发育的碎屑岩与碳酸盐岩沉积体系有了共识的基础上，随着泥炭沼泽的多样性与复杂性及其沼泽发育过程机理被逐渐揭示，人们对煤层的成因尤其是对煤质的理解有了质的飞跃。成煤沼泽主要出现在高地下水位至地表浅水滞留带与碎屑沉积不活跃的地方（图1-6），而煤质在更大程度上取决于沼泽类型、成煤沼泽相及其同期沉积环境和沉积作用的影响。

层序地层学是沉积学领域最现代的革命性范例（Catuneanu，2006），其学术应用主要体现在对沉积盆地充填的成因解释和内部结构剖析。在过去30年间，源于被动大陆边缘的层序地层学在含能源盆地勘查中得到了广泛应用并取得了巨大成就。层序地层学在含煤岩系中的运用使人们对煤层的形成机制和含煤岩系旋回性的解释有了更为深入的理解，但带来的不良倾向是过分偏重于对层序界面的研究和层序单元的划分，而忽略了对地层和煤层本身的成因解释和研究。事实上，层序地层学是在沉积学、地层学和地球物理等学科交叉的基础上提出和发展的，其术语体系明显地继承了沉积体系分析的基本概念和内涵，如沉积体系域等。所以，层序地层学除了具有优化地层单位的功能外，还肩负有解释地层和沉积体成因以及评价预测有效矿产资源的功能（图1-7、图1-8）。

图1-6 不同沉积体系中泥炭沼泽分布和地下（地表）水位之间关系的理想模式（据刘光华，1999）

图1-7 基于同一套沉积相资料的层序地层学和岩石地层学格架（据Catuneanu，2006）

1.通过相分析进行古沉积环境重建是层序地层学解释的重要先决条件，地层接触的性质（剥蚀、整合）也需要通过沉积学分析进行评价；2.通过关键的层序地层界面对比，建立层序地层格架，剖面中显示的所有层序地层界面都是良好的等时地层标志（低穿时性），只有波浪侵蚀面是高穿时的；3.层序地层学剖面，显示关键界面、相接触关系和古沉积环境（a.曲流河体系；b.辫状河体系；c.河口复合体；d.河口三角洲主体；e.三角洲平原；f.上部三角洲前缘；g.下部三角洲前缘-前三角洲）；4.岩石地层学剖面。可以确定三个主要的岩石地层学单元（a.砂岩为主的单元；b和c.泥岩为主的单元，具有粉砂质和砂质夹层；地层b和c被地层a分割）

图1-8 等时地层格架的功能（据Allen P A和Allen J R，2005）

时间单元和地质事件：1～5.同沉积断层，超覆基底隆起；5～6.断层活动停止，断层上超，持续超覆基底；6～8.礁体在基底隆起上生长，被未补偿盆地沉积物所包围；9.生物礁被淹没；10～14.三角洲向过饱和盆地推进，海底水下河道侵蚀（12～14）

注：该图不仅显示了沉积层序中沉积相和盆地总体演化之间的关系，而且表征了成藏要素的空间配置关系。