学科前沿与热点

煤地质学经过10年的低潮和磨砺，随着能源矿产资源的持续紧张，以及人们对清洁能源和多能源协同勘查的需要和追求，尤其是我国因采煤而面临的日益严峻的安全等问题，聚煤盆地沉积学在21世纪初迎来了新一轮的发展高潮，一些关键技术、理论体系、科学理念逐渐被人们接受和利用，并在聚煤盆地动力学、煤系统分析、煤层气地质学、含煤岩系多矿种共存富集与协同勘查等领域获得了长足进步，并成为学科的前沿和热点。

一、聚煤盆地动力学

盆地动力学是当今地质学中的一个热点与前沿领域，是研究煤、油气和沉积铀矿等能源资源、沉积和层控矿床以及对人类生存发展至关重要的水资源等方面最重要的基础研究课题之一。从事能源研究的地质学家们早就认识到“没有盆地就没有石油”，这一重要见解后来也扩大到了层控金属矿床领域，因为对成矿过程的研究发现盆地流体及其循环体系对成矿的至关重要性，也发现了金属矿床与古油藏水的成因联系。因此当今从事沉积盆地研究的地质学家也大大拓宽了服务领域（李思田，1999）。

如果说板块学说的产生为沉积盆地的成因和分类提供了重要的理论基础的话，那么现今对盆地动力学过程的研究则更为重要。面对能源资源需求和环境恶化的巨大挑战，美国地球动力学委员会（USGC）编写了一个具有导向性和前瞻性的纲要——“沉积盆地动力学”（Dickinson等，1997），提出了沉积盆地研究的主要科学问题：①板块构造和地幔对流格架中盆地的形成；②盆地演化过程中烃类的生成和运移；③现今和古流体的活动及其运移的化学动力学；④与构造环境有关的盆地充填和热演化；⑤地下岩石孔渗性的时空变化；⑥保存在盆地中的构造、古气候和海平面变化的记录。

与构造作用过程相关的沉积盆地发展演化历史最能为人们所接受。来自北极地区的阿拉斯加北坡盆地就展示了一个由早期克拉通盆地向晚期前陆盆地演化的复杂过程（图1-9）。事实上，大多数沉积盆地的演化过程具有多期叠合性质，这就需要从盆地动力学的角度阐明盆地充填历史，以期为丰富的沉积矿产勘查提供必要的地质信息。

1.沉积充填动力学

针对聚煤盆地沉积学而言，沉积充填动力学的研究则更为重要。充填在沉积盆地中的岩石序列是沉积物、有机质和以水为主的流体之间交互反应的结构格架，这些反应产生了石油、天然气、煤、地热和铀等能源矿产，而且可以导致铜、铅、锌、铁和银等许多重要金属矿物的沉淀（Dickinson等，1997）。

沉积盆地的历史记录被广泛地应用于地球科学各学科的基本研究。沉积学研究如同“考古”，要认识到盆地资料的重要性，通过对盆地充填物中沉积信息的深入挖掘来恢复和重塑古构造、古气候、古生物和古海平面变化的历史面貌。以断陷盆地为例，焦养泉等（1996，1997）主要依据渤海湾盆地南堡凹陷和珠江口盆地珠三坳陷的沉积充填记录，结合盆地构造变革、盆地沉降历史和岩浆活动历史的综合研究，分别揭示了断陷盆地在发育过程中构造作用具有幕式性和脉冲性，即多幕裂陷作用，认为多幕裂陷作用过程通常与盆地构造格架变革、构造沉降幕及沉积充填幕基本匹配同步，而岩浆活动通常集中于两幕裂陷之间。林畅松通过对中国东部第三纪裂陷盆地沉降史的定量动力学模拟也发现，裂陷幕的沉降速率变化具有周期性，即各自具有加速沉降至减速沉降的过程（Lin等，2002）（图1-10）。

图1-9 穿过阿拉斯加北坡的展示构造和盆地演化过程的横剖面（据Bally，1989）

注：Kingak页岩之上的不整合及在此不整合界面上和界面附近所发生的构造负荷使Ikpikpuk-Umiat克拉通盆地南倾，其后它完全变成了布鲁克斯山脉前方前陆盆地的一部分。巨型的Prudhoe Bay油田位于Sadlerochit群砂岩的上倾边缘。

通过对与古生物埋藏学相关的盆地充填沉积物研究，也能为古气候、古环境和古生态恢复提供重要依据。2009年，笔者随古脊椎动物学家谭琳赴内蒙古自治区乌拉特后旗巴音满都乎进行白垩系古生物埋藏学考察，在白垩系红色砂岩中两具罕见的、直立埋藏的完整原角龙骨架化石给人留下了深刻记忆。调查发现，埋藏恐龙的砂岩属于风成沙丘成因。在风成沙丘间还伴生有季节性河流和已成为盐岩的干旱湖泊。据此信息，我们不难想象两具恐龙被瞬间埋藏时所面临的灾难性古气候和古环境，前有湖泊、后有超级沙尘暴。

在层序地层研究中，把海平面变化认为是影响沉积充填的重要因素之一。海平面变化可以被完整地记录在滨岸带沉积地层中，反过来就可以利用岩石中的沉积信息恢复海平面的变化。由Plint（1988）提供的阿伯特Cardium组底部的碎屑滨面沉积很好地展示了沉积物、沉积体系和地层结构与海平面变化的密切关系（图1-11）。

图1-10 中国东部第三纪幕式裂陷盆地充填序列和沉降史（据Lin等，2002）

图1-11 阿伯特Cardium组底部碎屑滨面沉积充填对先期下降后期上升海平面变化的响应（据Plint，1988）

SCS. 槽状交错层理；HCS. 丘状交错层理

2.沉积充填的非均质性

由于盆地及其盆地充填物在各种尺度上（从显微尺度的单个矿物颗粒—流体界面到数百千米尺度的地层层序）的极端不均匀性，未来盆地充填的研究也将受到挑战（Dickinson等， 1997）。沉积物非均质性这一概念在常规油气储层研究领域并不陌生，为了达到更好的采油效率，人们通过露头写实和类比研究等方法，针对不同的沉积体系建立了大量的非均质模型，在油藏开发的工程部署和工艺流程设计中起到了重要指导作用（Miall，1985，1988，1991；Tyler，1988；Jiao等，2005；李思田和焦养泉，2014）（图1-12）。

图1-12 河流储层从大尺度（km级）到微尺度（μm级）的非均质性表现（据Allen P A和Allen J R，2005）

实际上，非均质性的概念可以应用于沉积盆地中的一切与流体作用相关的沉积矿产勘查评价和开发工艺之中，譬如地下水储层、砂岩型铀矿的储层（简称铀储层，焦养泉等，2006）、煤层气的储层（煤储层）等。就像常规油气储层一样，如果说地下水储层的非均质性易于被人们接受的话，那么对铀储层和煤储层的非均质性研究尚不如人意。

砂岩型铀矿是一种经流体作用而富集于砂体中的能源矿产，有人称之为“水成铀矿”。铀储层的非均质性既影响铀成矿作用过程，也制约铀矿的地浸开发过程（焦养泉等， 2005）。近十几年来，中国针对砂岩型铀矿勘查的力度之大、获得的突破之多是旷古未有的，然而人们并未意识到或者能接受铀储层非均质性研究的重要性。

中国大规模开展煤层气资源调查研究的时间几乎与盆地铀资源调查同步，在资源评价方面取得了重大的突破，但是对煤层气储层含气量及渗透率非均质性的认识水平严重制约了煤层气的开发过程。由于煤储层的双孔隙结构与碎屑岩多孔介质具有明显的区别，甲烷在煤层中的赋存、运移及产出机制也完全不同于常规油气储层，导致对煤层气高产富集带预测的难度加大，迫切需要煤地质学家展开煤层气储层非均质性的系统研究，提出全新的理论来指导煤层气的开发。

3.盆山耦合效应

接受沉积物的地表沉降区、提供物源的隆起区以及两者之间的地形梯度和水深梯度控制了沉积盆地的形成，地形又受控于与地幔中全球规模流动有关的地壳岩石密度和厚度的侧向变化（Dickinson等，1997）。这种认识为盆山耦合效应提供了简要解释。

近十多年来，国内学者对盆山耦合作用开展了大量研究（刘和甫等，2000；王泽城等， 2001；王清晨和李忠，2003；李继亮等，2003；刘和甫等，2004；姚根顺等，2006；李忠权等， 2011），其重要目标就是为了更好地揭示沉积盆地充填过程与造山作用过程之间的互馈关系，这使人们能更好地理解沉积作用是构造响应的表述。

图1-13 晚三叠世鄂尔多斯盆地和四川盆地与秦岭造山带的耦合关系（据Jiao等，1997修改）

实际上，造山带与其毗邻的沉积盆地往往具有成因上的联系，它们通常受控于更大尺度的地球动力学背景，如秦岭造山带与其南北分布的鄂尔多斯盆地和四川盆地就是很好的实例（图1-13）。大量研究证明，夹于两大盆地之间的秦岭碰撞造山带形成于中三叠世末期，联合古陆（Pangea）的拼合过程是三大构造单元同步发育的地质背景。造山带为沉积盆地提供了沉积物的来源，盆地中的沉积物又记录了造山带的构造演化过程。从制矿角度来看，造山作用及演化过程中的制矿作用就有可能与沉积盆地发展演化过程中的制矿作用具有某种意义上的耦合关系。盆山耦合、多源流体活动及汇聚不仅与油气生成、运移和聚集密切相关，而且与大型层控金属矿床形成过程中多金属元素的活化、迁移和富集密切相关。如密西西比型铅锌矿、盆地中砂（泥）岩型铀矿形成就与造山带含铀含氧流体与盆地含烃流体汇聚密切相关。

二、煤系统分析

1.煤系统的构成和特征

正像Егоров（1989）在《聚煤作用的系统分析经验》一文中所指出的那样，只有运用系统分析才能最全面地研究地质形成的作用和过程，一些煤地质学家逐渐认识到系统分析的重要性。

2001年，Warwick和Milici提出了“煤系统分析”（coal systems analysis）的全新概念（图1-14），并于2005年出版了权威专著，进而形成了一个完整的理论体系。该体系涵盖了煤从初始的泥炭堆积，到最终成煤并作为燃料或其他工业用料的研究，并明确划分为聚集、保存-埋藏、成岩-煤化作用、煤和烃四个具有成因联系且循序渐进的研究内容。煤系统分析将地质学、地球化学和古生物学等多个研究领域结合于一体，对煤及其伴生矿产的复杂特性进行分析，是综合煤地质学各个方面的一种有效理论。

图1-14 煤系统分析的构成纲要（据Warwick等，2005）

我国学者程爱国于2001年运用聚煤作用系统（coal accumulation systems）分析的思路对中国的聚煤作用也进行了全面分析和尝试。可以预见，把煤的形成、煤质、成煤环境和煤生烃相联系的煤系统分析理念将在煤地质与煤层气工程领域得到广泛应用。

2.煤层含烃系统

从煤系统分析的构成来看，煤系统包含了煤层本身和它生成的烃，地质作用则包括泥炭化作用、煤化作用和生烃作用。该系统在传统成煤阶段的基础上，强调了生烃阶段油气的生成、运移与聚集。研究煤系统应该包括煤的生成、聚集及其烃的生成、运移、聚集等地质作用，以及相关因素在时间和空间上的配置关系。因此，煤系统从实质上讲就是煤层含烃系统。

与相对成熟的含油气系统比较，煤层含烃系统具有较大的特殊性。首先，在煤层含烃系统中，烃源岩和储层具有唯一的载体——煤层，即典型的自生自储型，烃类迁移距离有限；其次，形成的烃主要为甲烷，且主要以吸附态储存于煤层中；第三，烃类成藏主要依赖于水动力封闭。正是由于人们对煤层含烃系统特殊性的认识，才促成了现代煤层气产业链的形成。

三、煤层气地质学

最近20年来，从煤层瓦斯的被动抽排到积极主动的开发利用，不能不说这是煤地质学与含煤岩系研究的巨大成就。煤层甲烷气工业开采的成功，石油、天然气勘探开发中煤岩学、煤化学与含煤岩系沉积学研究方法与理论的应用，激发了人们对煤层研究的广泛兴趣，不少国家政府机构对煤层气勘探开发开始了倾斜支持（刘光华，1999）。中国也不例外，沁水盆地煤层气勘探和开发就是典型的实例，但是与美国、德国、英国、澳大利亚和南非相比差距较大。人们认为成功的煤层气勘探与开发，不但需要对产气煤层的沼泽类型、泥炭堆积、煤化作用、成岩过程、煤体结构、煤岩组成与特征、煤层及其顶底板岩层的孔隙度与裂隙分布及应力状态等方面进行研究，而且还要对含煤岩系乃至整个含煤盆地的沉积相、构造变形、热演化过程、水文地质状况和岩石物性等方面进行综合研究（刘光华，1999）。

1.煤层气生成运移保存

国内外关于煤层气成因的研究相对深入，大体上认为煤层气分为生物成因和热成因两类。生物成因煤层气是指在微生物作用下，有机质（泥炭、煤等）部分转化为煤层气的过程，从其形成阶段可划分为原生生物成因气和次生生物成因气，原生与次生生物成因气的阶段划分取决于有没有构造抬升。热成因煤层气可分为原生热成因气和次生热成因气。前者是指由煤生成并就地储存的热成因气，保持了煤层气原始的组分和同位素组成；后者是指热成因气形成后经过运移，再在异地聚集下来，运移造成了煤层气气体组分和同位素的分馏。另外，还存在原地热成因气和原地次生生物气形成的混合气，以及原地混合气、热成因气和次生生物气经过运移而形成的异地混合气（苏现波和林晓英，2009）。有些研究认为，煤层气除了生物成因和热成因外，还有无机成因，地球原始大气中含有的大量甲烷，是无机成因烃类的主要来源（Gold和Soter，1982）。煤岩、煤质和埋深可能是制约煤生烃潜力的关键因素。煤岩、煤质直接影响煤的生烃潜力，这在一定程度上取决于煤（泥炭）的形成环境和沼泽类型。成煤后的构造沉降则通过影响煤的成熟度（Ro）而制约生烃量。

图1-15 煤层气赋存运移示意图（据Rogers和Rudy，1994）

a.第一阶段饱和状态流动阶段；b.第二阶段欠饱和状态流动阶段；c.第三阶段气水两相流动阶段；d.气体和水；e.水；f.气水两相渗流；g.水的渗流；h.气体相对渗透率；i.水相对渗透率

从图1-15中可以看出，煤层气以吸附、溶解、游离三种状态赋存于煤孔隙和裂隙中，煤层中气体的运移可以分为三个阶段，即解吸、扩散和渗流。解吸是指甲烷分子从煤岩微孔表面分离出来，进入割理系统并以游离气存在于其中的过程。煤层甲烷解吸后，通常通过煤基质扩散到煤层割理系统，即煤层内的天然裂隙网络系统，然后含烃流体通过这些割理系统或裂隙网络发生渗流。

煤层甲烷的开发机理和过程可以分为三个阶段：①大部分煤层在静水压力作用下是被水饱和的，处于平衡状态，甲烷吸附在煤孔隙表面。对煤层流体进行地面抽采而打破平衡时，井筒附近仅出现水的单相流。②当煤储层压力进一步下降，井筒附近开始进入第二阶段。当压力降至临界解吸压力之下时，甲烷就不断地从煤孔隙表面解吸，在孔隙或裂隙的水中形成气泡，但气泡没有合并成气流，因而对水的流动有一定的阻碍作用，使水的相对渗透率下降。此时气也不能流动，这一阶段属于非饱和单相流阶段（即虽然出现气水两相，但只有水相是可动的）。③储层压力进一步下降，有更多的气解吸出来，则井筒附近进入了第三阶段。此时气饱和度增加，气泡互相连接形成连续的流线，并运移到钻孔中产出。随着压力下降和水饱和度降低，在水的相对渗透率不断下降的条件下气的相对渗透率逐渐上升，气产量逐渐增加。

2.煤层气储层非均质性

煤层气储层具有强烈的非均质性。由沉积作用控制的煤层以及由构造作用控制的小规模构造边界是造成煤层气储层非均质性的两个主要因素：沉积作用包括对煤层厚度、煤质、煤阶等煤层气储层参数的控制，这些参数的变化可以导致煤层气储层的非均质性出现；构造作用主要是指在成煤期后由于构造运动在煤层气储层内部以及贯穿邻层形成了小型断层，也包括一些大的节理系统，构成了小规模构造边界。因为煤层气储层与常规砂岩储层相比，厚度很小，敏感性很强，小型构造边界即能够引起渗透性、含水性和压力系统的改变。

从盆地的角度看，构造应力场特征和内部应力分布不均一是导致煤储层和封盖层产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流条件差异性的重要原因，进而影响到煤储层含气量的非均质性。

煤层气储层的非均质性将直接关系到煤层气开发井网的部署，同时也是影响煤层气产气量的重要因素之一。

四、含煤岩系多矿种共存富集与协同勘查

由于制约沉积盆地发展演化的地质因素错综复杂而且制矿因素千变万化，所以沉积盆地中所蕴藏的沉积矿产往往具有多样性。长期以来，人们从沉积矿产的成因角度、沉积矿产之间的空间配置和成因联系，尤其是与含煤岩系的相关性等方面开展了积极的探索。相对早期的研究，是以含煤岩系或者大型聚煤盆地为单位开展的理论评价研究，“含煤岩系共伴生矿产”以及“多能源矿产同盆共存富集”等概念和理念便应运而生。在近期，随着鄂尔多斯盆地“煤铀兼探”所获得的超大型大营铀矿的重大突破，这标志着人们已经逐渐地从理论评价研究阶段提升至多矿种的综合协同勘查阶段。由于这种转变和提升带来了极大的社会效益和经济效益，引起了沉积学家、煤田地质学家、铀矿地质学家和能源勘查工程师的极大关注，因而“含煤岩系多矿种共存富集与协同勘查”就演化成为聚煤盆地沉积学研究的一个重要热点。

1.含煤岩系共伴生矿产

煤地质学理论创建伊始，人们就注意到了含煤岩系伴生矿产的重要性（武汉地质学院煤田教研室，1979）。含煤岩系的共伴生矿产与煤一样，大多属于同生沉积成因，部分属于后生作用和沉积变质作用成因。占据沉积矿产主要地位的是非金属矿产，但也包括一些燃料矿产（如天然气、煤成气、煤层气、天然气水合物等）和金属矿产，还包含一些赋存于煤系地层中的微量元素、稀有元素、放射性元素等（表1-1）。

表1-1 煤系共伴生矿产分类表（据袁国泰和黄凯芬，1998修改）

2.多矿种同盆富集

在一个沉积盆地中，多矿种富集的综合研究揭示成矿机制各异的矿种往往具有独特的时空配置关系和内在成因联系。鄂尔多斯盆地是中国西部大型的含能源沉积盆地，以赋存多种沉积矿产而著称。从古生界到中生界，煤、煤层气、石油、天然气、页岩气、砂岩型铀矿、铝土矿、岩盐、镓矿、砂岩型高岭土矿、油页岩、石英砂矿、方沸石矿和地下水同盆共存富集。其中，石炭系—二叠系的煤层是镓矿和煤层气的载体，铝土矿是其直接底板。最新的研究发现，富集于中侏罗统直罗组中的砂岩型铀矿直接产出于侏罗纪含煤岩系中，其直接和间接底板为延安组的砂岩型高岭土矿床、石英砂矿和工业煤层。这些矿产的空间配置规律预示了其间某种意义上的相互成因联系（图1-16）。

研究发现，含煤岩系多矿种共存富集不仅仅出现在鄂尔多斯盆地。刘池阳（2005）研究认为，多种能源矿产同盆共存富集具有普遍性，含矿层位联系密切，且具有成藏（矿）-定位时期相同或接近的特点（图1-17）。相信随着多能源矿产同盆富集规律性认识的逐渐明朗，这种超前的研究思想将推动我国含能源沉积盆地多能源矿产的协同勘查和综合利用的步伐。

3.煤铀兼探的重大突破

在沉积盆地中，多矿种的联合兼探是最近几年矿产勘查领域获得重大突破的又一特色和亮点。最近几年来，以沉积盆地中的煤矿和铀矿勘查为目标，国土资源部中央地质勘查基金管理中心、中国核工业集团公司、中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司、中国地质大学（武汉）等部门、企业和高校间开始了频繁的合作交流。

在鄂尔多斯盆地东北部，核工业×××大队于2000年发现了中国最大的砂岩型铀矿床——皂火壕特大型铀矿床。该矿床产出于直罗组底部，位于侏罗纪含煤岩系中，因此是含煤岩系的一种伴生矿产（焦养泉等，2006）。实际上，直罗组底部的自然γ异常，在20世纪80年代的煤田勘查中一直是作为含煤岩系的地层对比标志层看待的（李思田等，1992；王双明等，1996）。皂火壕铀矿床的发现拉开了鄂尔多斯盆地找矿勘查的序幕，在随后的十几年内相继发现了一系列新的铀矿床和铀矿产地，这表明鄂尔多斯盆地北部具备良好的铀成矿条件和潜力。2009—2011年，中央地质勘查基金管理中心在实施煤田勘探过程中，在皂火壕铀矿床西部的大营地区发现了有价值的铀矿化信息。于是，由国土资源部中央地质勘查基金管理中心立即组织实施了大营铀矿会战。历时一年多的会战获得了重大突破，发现了超大型的大营铀矿床。如果将其与前十年发现的铀矿储量一并计算，那么鄂尔多斯盆地北部的铀矿床可以跻身于世界前列。

图1-16 鄂尔多斯盆地充填演化与沉积矿产赋存规律

图1-17 中国北方主要沉积盆地中多种能源矿产产出层位对比（据刘池阳，2005）

在大营铀矿“煤铀兼探”的创新实践过程中，中国地质大学（武汉）盆地铀资源研究团队为大营铀矿的找矿突破提供了重要的技术支撑。他们的研究揭示了聚煤作用与铀成矿的内在成因联系，总结了微弱聚煤作用制约下的古层间氧化带成矿模式（图1-18）。这一认识为“煤铀兼探”的创新勘查思想提供了充分的地质理论依据（焦养泉等，2012）。

一些科学家进行过粗略的铀与煤的发热量比较计算，1kg天然铀中的U235裂变释放的能量约等于2 700t标准煤全部燃烧所释放的能量。一个世界级大铀矿所具有的经济价值和即将发挥的作用可想而知。

图1-18 鄂尔多斯盆地北部含煤岩系中砂岩型铀矿的成矿过程与模式（据焦养泉等，2012）

a.成矿阶段；b.还原保矿与改造阶段