晚古生代聚煤规律及演化特征

5.8.1.1 古构造、古地理对成煤体系的控制

沉积盆地的类型与沉积特征首先取决于所处区域构造与地质背景。山东省晚古生代石炭-二叠系含煤地层发育于古老的华北板块之上，其沉积特征、含煤性及聚煤期、后期改造均受古构造与古地理环境的影响。

加里东构造运动之后，华北地台已形成南北为陆，西隆东倾，基底相对平坦的箕状盆地，为晚古生代含煤地层的沉积与聚煤作用创造了极为有利的条件。

石炭纪末期开始，由于华北板块下沉，海水由东向西逐渐侵入盆地，最先在东部的古郯庐断裂低谷地带风化夷平的奥陶系巨厚层石灰岩之上接受了沉积，很快海水向西侵入华北晚古生代聚煤盆地的腹部形成本溪组。早二叠世时期，华北地台已成为规模可观的陆表海，在总的海进过程中，由于地壳的振荡运动，造成海水频繁进退，每次海退都为泥炭聚集提供了有利的古地理环境。同时，随之而来的海进，又为煤层的覆盖保存创造了条件。因此，太原组的诸多煤层，就是在这一有利的古构造古地理背景下形成的。早二叠世中期开始，由于华北板块挤压隆升，海水开始由NW 向SE逐渐退出，直至晚二叠世末期，海水全部退出华北聚煤盆地。在这一海退过程中形成了山西组，海滨平原沼泽的广泛发育形成了早二叠世中期的煤层，而且随着海退向南推进，聚煤带也逐渐向南迁移，造成煤层层位越往南越高、成煤期越往南越晚的特点。在华北北部，早二叠世早期，正是成煤的有利时期。至晚二叠世末期，华北聚煤盆地完全变成了一个内陆盆地，并且，由于受北方大陆干燥气候的影响，华北完全失去了聚煤的古气候和古地理环境。

总之，古构造运动塑造了华北大型聚煤盆地，并控制了石炭、二叠系的沉积和煤的聚集，形成了海相、过渡相、陆相的沉积体系，成为山东省和华北最主要的成煤时期。

5.8.1.2 成煤体系的空间演化和聚煤规律

晚石炭世、早二叠世陆表海沉积旋回的划分，以海退开始作为旋回的起点，海进结束作为旋回的终点，煤层位于旋回之中；三角洲旋回的划分是从底积层开始至顶积层结束为一个旋回；河流相的旋回划分从河道沉积开始至下一个河道冲刷面为止。

（1）达拉期（本溪组）

中奥陶世末期的加里东运动，使鲁西上升为陆，长期遭受风化剥蚀，地形起伏不平。晚石炭世达拉期海水总的是从东向西入侵山东省，最先是由东南方向侵入，并且在临沂地区最早接受沉积，随后，海水侵入鲁西各地，而临沂地区却暂时停止了沉积，直至早二叠世方再度恢复海相沉积。早期沉积物起到了填平补齐的作用。随着地壳的下沉，海水逐渐侵入山东省，形成广阔的陆表海，在凹凸不平的奥陶系石灰岩剥蚀面上，首先开始了潟湖相的沉积，沉积了不稳定的G层铝土岩，发育了一套以台地-潟湖相为主的沉积（图5-22），局部地区水体变浅有障壁岛及泥炭坪沉积，开始了泥炭的堆积，并形成了不稳定的煤层^［238］。在淄博煤田湖田地区的草灰之下、G层铝土岩之上直接发育有三层局部可采的

图5-22 山东晚石炭世达拉期（本溪组）岩相古地理图

薄煤层，厚 0.61～2.10 m，其分布基本是以淄博-章丘为中心向周围迅速尖灭。由于沉积是在地形比较复杂的环境中进行，沉积过程中地壳波动比较频繁，沉降幅度不一，形成了不同的沉积类型，通常只有一个旋回。从沉积记录可以推断，从临沂北-徐州贾汪北-安徽淮北方向，可能发育了一条同沉积断层。

由于地壳频繁地振荡运动，出现了短暂的海退，结束了达拉期沉积。总之，本溪组的泥炭沼泽相很不发育，造成泥炭堆积的时间短，有利于成煤的环境也很局限。因此，山东省在这一时期无重要的煤层形成。

（2）马平期（太原组）

早二叠世太原组是在本溪组沉积的基础上连续沉积的，由于海侵的扩大，山东省广大地区主要为广阔潮坪-潟湖沉积，基本继承了晚石炭世陆表海的沉积面貌，发育了障壁岛-潟湖沉积体系，间有台地体系，总的海侵仍然从东南方向进入鲁西地区（图5-23）。

图5-23 山东早二叠世马平期（太原组期）岩相古地理图

太原组含可采与局部可采煤层4～8层，以鲁西的16、17 煤和与之层位相当的煤层发育最好。早二叠世初始，由于地壳频繁地振荡运动，海侵海退频繁交替，在海侵不断扩大的情况下，沉积了台地相的灰岩、泥页岩互层（草灰、徐灰），覆盖于本溪组煤层之上。短暂的海退在台地之上形成了泥炭坪，发育了不稳定的煤层，继而被海侵沉积物覆盖。从16煤成煤前岩相古地理看，仅局部有障壁岛相，反映了成煤前古地形比较平坦、相带不够明显的特征，同时也反映了此期泥炭沼泽形成于广阔的潮坪之上。此期构造运动相对稳定，沉积了比较稳定的16、17 煤层。从全省的古环境看：北部海进较晚、海退较早，聚煤时间长，发育了比较稳定的煤层，而南部聚煤时间相对较短，成煤效果差。

16、17煤沉积之后，经历了漫长的海侵时期，全省沉积了稳定可对比的十_下灰岩，这种古地理景观从16煤层的硫分、灰分的变化情况也可得到较好的反映，硫分1.42%～4.18%，为低硫-高硫，灰分10.46%～25.43%，属低-富灰，这主要是由于泥炭被海水覆盖，沼泽水介质的pH 值明显升高，导致泥炭表层硫分和灰分增加。鲁西地区太原组马平期另一次大规模海侵之前，主要发育了潮坪、潟湖、沼泽沉积，局部地段具潮道沉积，在潟湖后泥炭坪、障后泥炭坪、潮坪泥炭坪上形成了12、15等主要煤层。由于地壳沉降不均衡，期间几次小规模海侵中断了泥炭的持续堆积，煤层出现分叉、尖灭等现象，使得结构复杂化。另外，由于煤层沉积之前古地形的差异，使局部地区丧失成煤条件，或由于潮汐、波浪作用的影响，使煤层局部呈孤岛状分布，影响了其利用价值。

第三层石灰岩（三灰）形成以后，鲁西地区被潮坪-潟湖沉积广泛覆盖，在潮坪泥炭坪环境中发育了层位比较稳定的6煤层，成为鲁西南地区最上一层局部可采的薄煤层。随着沉积作用的继续，鲁西地区逐渐进入过渡环境，开始了三角洲体系沉积。

此外，古构造对早二叠世太原组的沉积也起到了至关重要的作用，它控制了古地理环境的变化，造成南北含煤性的差异。汶泗-蒙山断层以北煤层发育较好，灰岩层数较少，最多5层，而其以南煤层除16、17煤较稳定外，其他煤层均较差，灰岩层数多达11层，这种海水侵入的频繁程度及侵入范围的变化是由于：①总的来说，马平期山东省属准平原地形，海水水位的微弱变化，便可影响到大片地区；②沿汶泗-蒙山断层存在一个陡坡，对海水起阻挡作用，当水体较浅时，只在汶泗-蒙山断层以南形成海相沉积，而北部受海水影响较小，主要为潮坪-潟湖沉积，但随着海侵规模的扩大，海水越过陡坡，碳酸盐台地伸入北部地区，使南北形成可对比的海相层，这种控制作用导致南北两部分石灰岩层数及含煤性存在差异。

总的来说，早二叠世海水进退频繁，为煤的多次聚集形成了有利条件，海水退却后，在近海平原、沼泽或潮上坪迅速堆积泥炭，当海水侵入时，泥炭层又迅速被碳酸盐岩覆盖，自下而上划分为7个中等旋回。因此，碳酸盐岩为煤层直接顶板是山东省早二叠世聚煤作用的重要特征。至马平期晚期，沉积盆地受海水影响越来越小，主要为潮坪-潟湖沉积，偶尔出现障壁岛沉积。

（3）栖霞期（山西组）

鲁西地区自早二叠世中期已由开阔陆表海环境过渡为半封闭的潟湖海湾环境，在海退过程中，海湾逐渐被充填，形成滨海平原。山西组栖霞期，在广阔的滨海平原，潟湖、潮坪基底上发育为三角洲平原-三角洲前缘沉积。

栖霞期在山东省形成以三角洲环境为主体的古地理景观（图5 24）。济南以南主要为三角洲平原相中的分流河道、分流河道-分流间湾、分流河道-河漫滩、泥炭沼泽的共生组合，而其北主要为分流河道沉积。根据沉积物组合特征和发育特点及三角洲相的分布形态分析，济南以南为河控浅水三角洲体系，而以北则反映了三角洲前缘分流间湾的某些特点，从而决定了济南南北两侧泥炭堆积的空间分布及煤聚积规律的差异。因此，早二叠世中期，鲁中地区南部为河控浅水三角洲为主体的沉积体系，北部山西组下段沉积时为三角洲前缘-三角洲分流间湾的沉积，上段沉积时仍为河控三角洲沉积体系。

图5-24 山东早二叠世栖霞期（山西组期）岩相古地理图

山西组为山东省主要含煤地层。鲁西南地区主要由三个砂体构成山西组沉积的基本骨架，含煤2～3 层；鲁北含煤3～5层，可采1～3层；最好的3煤厚度大，硫分低，就产在山西组中。从3煤形成前后岩相古地理图分析（图5-25），山东省当时是大面积夷平的分流间湾和泛滥盆地，有利于大面积成煤，成煤前后古地理景观基本相同，说明当时地壳比较稳定。全省煤层厚度变化呈中间厚两头薄的趋势，从富煤情况看，形成以滕州-兖州、济宁-宁阳为中心的富煤中心，其发育特征明显受控于古地理环境。

（4）茅口期、龙潭期（石盒子组）

1）茅口期（黑山段）。为包含煤层的河、湖相砂、泥岩沉积，颜色由下部的灰色、灰绿色逐渐变化到上部的紫色、黄绿色等杂色，明显反映了从潮湿向干旱过渡的古气候条件。本时期山东省主要处于冲积平原 上三角洲平原的古地理环境中，临沂-菏泽以北以冲积平原河湖沉积体系为主，以南则以三角洲平原相为主，河流从北部和东北部流入山东省，主要发育有边滩相和泛滥盆地相，间有浅水湖泊相沉积，已不具备成煤条件，反映了沉积期陆源碎屑物由北部阴山供给的古地理景观。

图5-25 山东早二叠世栖霞期3煤形成后岩相古地理图

2）龙潭期（万山段）。石盒子组万山段含煤地层主要分布在山东省南部煤田，为淡水-半咸水介质条件下形成的三角洲冲积平原沉积物，含煤 1～3 层，以临沂黑虎墩发育最好，属中等还原-强还原成煤环境。

本段形成于冲积平原河湖环境，间有三角洲环境发育。河流、曲流砂坝、泛滥盆地共生组合占主导地位，间有浅水湖泊相；三角洲平原主要发育在南部地区，以泛滥盆地、湖泊、沼泽、河漫滩相为主，伴随着泥炭沼泽形成有工业价值的柴煤。由于古地理环境的差异，其他地区仅形成煤线或鸡窝状煤层。

总之，华北晚古生代聚煤盆地是一个巨大的坳陷盆地，由于南海北陆，北西高南东低的古地理景观，决定了山东省沉积相带的变化规律。随着陆源碎屑的充填，在垂直层序上出现了典型的海退沉积序列，海岸线不断向南推进，聚煤作用在空间和时间上也随着向南迁移，含煤层位也随之抬高，山东晚古生代地层含煤性的变化，就是在这种古地理环境下形成的。