板块构造对煤田的控制.doc

板块构造对煤田的控制卢仁甫贵州省煤田地质局一一三队摘要：板块构造是多年来人们在地质工作中一直关注的问题。通过了解板块的形成、分类及其接触关系。研究植物的进化,煤田的形成与构造运动的关系。 阐述板块对煤田的控制，为煤炭资源的寻找、开发利用以及对相关地质科学提供指导性意义。关键辞：板块又名地壳板块，它是原始地壳受地运力或其它外力地质作用发生裂变所形成的大小不同形状各异相对分离的地壳块体。有太平洋板块、印度洋板块、北美洲板块、南美洲板块、欧亚板块、非洲板块、南极板块等；构造运动指地壳运动，如中国地史上的加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动；煤的沉积环境有：陆源相(陆源沼泽、湖泊沼泽、湖泊相)；海、陆过渡相(滨海、泻湖、海湾沼泽和三角洲沼泽相等)。板块形成的三个阶段：原始地壳形成阶段，岩石圈变形、断裂阶段、板块衍化阶段。板块的接触关系：火山接触、断裂接触、地震接触。煤田指同一地史时期形成并连续发育的煤系地层分布的区域。同一煤田的煤系，可以是连续的，也可以不连续的，不连续分布是由于煤系经受后期变形、剥蚀的结果。板块构造对煤田的控制：控制煤田的形成时代，控制煤田的形成周期，控制煤田的规模形态，控制煤田的地理位置等。一、概述板块构造多年来地质工作者们一直非常关注，数亿年来，地壳发生了多次构造运动（即地壳分化成板块，板块进一步衍变、组合的运动过程），使地壳分化、组合形成许多复杂板块。如中国地史上发生过几次大型的构造运动：古生代早期（Pz1）的加里东运动、泥盆纪二迭纪（D-P）的海西运动、三叠纪中期侏罗纪早期（T2-J1）的印支运动、侏罗纪和白垩纪（J-K）期间的燕山运动、新生代（Kz）的喜马拉雅运动。换言之，板块构造的形成就是地壳在构造运动变化过程中的衍化产物，甚至与不同时期的大型岩浆活动有关。目前，根据地震分布、岩浆活动范围，人们将地壳分为七大板块和廿多个亚块。板块的的形成、衍变对煤田的决定作用，也是煤田地质工作者们一直以来求索的问题。煤田是指同一地史时期形成并连续发育的煤系地层分布的区域。同一煤田的煤系，可以是连续的，也可以不连续的，不连续分布是由于煤系经受后期变形、剥蚀的结果。根据煤系的出露情况，可将煤田分为三种类型：暴露式煤田、半暴露式煤田、隐伏煤田。板块构造对煤田的控制主要表现在几个方面：一方面板块构造控制着煤田的形成时代，第二方面板块构造控制着煤田的形成周期，第三方面板块构造控制着煤田的规模形态，第四方面板块构造控制着煤田的地理位置。在此，就我个人多年来的地质工作经验和对相关科学发展的认识，进行分析研究，谈谈板块构造对煤田的控制。二、板块（一）板块及板块的分类 1、板块：板块又名地壳板块，它是原始地壳受地运力或其它外力地质作用发生裂变所形成的大小不同形状各异相对分离的地壳块体。原始地壳包括岩石圈、水圈、生物圈、大气圈。这里的地壳主要指岩石圈、水圈、生物圈。事实上，它们之间是相辅相存密不可分的：岩石圈上面及水中有大量生物存在，水体下面埋藏有岩石或岩石的风化沉积物，岩石中不同程度地含有大量的水和生命。数亿年来，由于地质构造运动，地壳被分割成许多板块。2、板块的分类：近年来人们通过对大量的火山喷发、断裂带以及地震活动带的分布研究，将地壳分为七大板块和廿多个亚块（或小板块）。七大板块分别为太平洋板块、印度洋板块、北美洲板块、南美洲板块、欧亚板块、非洲板块、南极板块。亚块（或小板块）主要有澳大利亚板块、印度板块、菲律宾板块、阿拉伯板块、纳兹卡板块、加勒比海板块等。如图-1所示。（二）板块的形成板块的形成过程分为三个阶段：原始地壳形成阶段，岩石圈变形、断裂阶段，板块衍化阶段。1、原始地壳形成阶段：板块是地壳下部圈层（水圈、岩石圈）在地球表面的一种表现形式，而地壳则是地球的外部圈层的重要组成部分。原始地壳形成阶段这里是指组成地球外部圈层的岩石圈、水圈、大气圈形成的一段地史时期。原始地壳形成有两种说法：一种说法是原始地球表面的高温熔岩流经过漫长的热液失变和冷凝作用的结果。由于地球的旋转（自转和公转）以及风蚀作用，大量的气态物质（氢气（H2）、氧气（O2）、氮气（N2）、氯气（Cl 2）、惰性气体等）从熔岩流中失放出来，一些活性元素如氮（N）、氢（H）、氧（O）、炭（C）、硫（S）、磷（P）、氯（Cl）等在地球表面的高温或太阳辐射等条件下发生氧化、还原反应生成稳定的气态物质，如氢气（H2）、氧气（O2）、氮气（N2）、氯气（Cl 2）、水（H2O）、甲烷（CH4）、等，因水的物理性质遇低温时可从气态转化成液态和固态，重力作用（事实上，重力是地球自转和公转的匀速圆周运动时的向心力的合力）下，一部分水降落地面而形成水圈，同时也溶解了一部分向二氧化炭（CO2）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氯化氢（HCl）之类的气体，大部分气体组成大气圈。目前，大气中含77的氮，21氧，微量的氩、二氧化碳和水等。大约在距今46亿年原始地壳基本形成。起初，由于地壳由高速旋转的熔岩流热液蚀变和冷凝而成，故地壳表面起伏较小或近于球面。后因岩石中矿物组成的差异性和风蚀、雨蚀、水蚀等的作用，地壳表面出现了盆地、湖泊、平原、丘陵和小溪。另一种说法是地球和太阳系的其它星体一样原本是太阳的组成部分，由于宇宙爆炸，从太阳上脱离出来后，在加速运动阶段与其它水球相撞，在降低地球表面温度使熔岩流变成固态岩石的同时，还带走了那个水球的一部分水体，当地球稳定下来作匀速圆周运动后，固态岩石部分组成了原始的岩石圈，带来的水体形成水圈，岩石中失放出来的各种气体和产生的水蒸汽形成了大气圈。此时，地壳岩石圈表面起伏不平，有山谷、丘陵、平原、盆地、河流、湖泊和海洋。距今约46亿年。2、岩石圈变形、断裂阶段：岩石圈变形比较漫长，首先各部位岩石厚度发生了差异性变化，其次上地幔熔岩流对固态岩石的熔失不一致导致岩石圈厚度变化差异越来越大，地球的内能不断增加，巨大的内能所带来的一个向外的压力也越来越大。当这种压力大于岩石圈中厚度薄弱部分的抗压强度时，这部分岩石开始隆起弯曲变形。一但这个压力超过这部分岩石的抗压极限，岩石圈开始发生断裂，大量岩浆从断裂带喷射而出形成火山带。此时已经打破了地球原来的平衡状态，为了维持地球的平衡状态，岩石圈中有的地块发生沉降形成盆地或断陷盆地，有的地块发生抬升形成陆地和高山，从而改变了地球表面原来的地貌形态。有的地方上升为陆地，有的地方则下降为海洋。也可以说是地史上最早的构造运动。3、板块衍化阶段：板块的衍化经历了几十亿年的历程，岩石圈变形、断裂后，开始出现简单的一级板块。它也许只是一两个或几个大板块。后来由于岩浆活动和构造运动，逐渐分化成二级板块、三级板块，乃至今天的复杂多级板块。同时，由于岩浆活动，又将相邻的板块连接成整体，形成新的板块。比如，在中国距今约28亿年前开始出现第一次构造运动（吕梁运动），此时，中国境内地史上开始出现火山喷发，打破了该地区地壳的完整性。同时在地球的两侧或另一端出现凹陷或断陷盆地，而后，由于经历后期的晋宁运动、加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动及喜马拉雅运动等之后，才形成今天的欧亚板块。有的岩浆活动时间很短暂，有的则延续好几亿年。如喜马拉雅火山带，早在晚二叠世初期就有大规模喷发，当时遍布中国的西南、西北地区，甚至非洲北部，欧洲南部，以及环太平洋西岸乃至其它地方都在喷发。欧亚大陆南部、非洲北部上升为陆，大洋水温急剧升高，导致包括蜒类在内的大量海洋生物灭绝（在后来的一些地层中发现的蜒类化石只不过是异地搬运沉积而矣）。从图1不难看出，欧亚大陆早在吕梁运动时期北部和南部就已经分开，这就是云南、四川、甘肃、河北等地发生大型地震的根源。有的板块中依然存在孤立火山，其中，有的是早期火山喷发的遗孤，有的可能是“火山窗”。非洲板块和太平洋板块也一样。因此，经过多年的衍化，板块才变得如此复杂。（三）板块间的接触关系板块间的接触关系分为三种：火山接触、断裂接触、地震接触。火山、断裂、地震三者密不可分，相互依存。火山带附近往往伴随有地震，地震带附近往往有断裂出现，断裂活动带也往往会出现地震活动。如：环太平洋火山地震带、喜马拉雅火山地震带、大西洋地震带、印度洋地震带、非洲断裂地震带、亚欧断裂地震带等。由于地球的自转和公转等因素所产生的地应力（向心力和剪切力）以及地球的磁场力，使相邻板块发生作用而不断演化，有的板块在岩浆作用下合为一体，有的板块不断分化。三、成煤环境及煤田的形成(一) 成煤环境及其分类成煤环境也就是煤的沉积环境，指原始成煤物质（植物）生存、发展及有利于其遗体堆积时的自然、地理环境，又名沉积相。煤的沉积环境分为二大类：一类为陆源相，另一类为海陆过渡相。1、陆源相：陆源相主要有陆源沼泽相、湖泊沼泽相、湖泊相等；陆源相的成煤物质主要为淡水植物在还原环境中经泥炭化或腐泥化作用阶段和煤化作用阶段而成的产物。很多易溶物质或易风化的矿物经风化后形成可溶盐经雨水冲刷被河流带入大海。如硫铁矿（FeS2）和自然硫在潮湿的空气中易氧化而形成三氧化二铁（Fe2O3）和硫酸亚铁（Fe2SO4），硫酸亚铁（Fe2SO4）易溶于水，雨水冲刷后，降低了残积物中硫的含量。因此，陆源环境中生成的煤炭，硫的含量较低，容易形成低硫煤，陆相沉积物卤化物及碳酸盐含量较低。2、海、陆过渡相：海、陆过渡相主要有滨海相、浅海相、泻湖相、泻湖沼泽相、三角洲相、三角洲沼泽相等。海陆过渡相的成煤物质主要为咸水、半咸水植物，有的远海沼泽生长有一定的淡水植物，它们在还原环境中经腐泥化作用阶段和煤化作用阶段而形成煤炭。由于陆地上有大量的可溶盐经过河流流入大海，海水中含有大量的硫酸亚铁（Fe2SO4）、碳酸氢钙（CaHCO3）、碳酸氢镁（MgHCO3）。硫酸亚铁（Fe2SO4）、碳酸氢钙（CaHCO3）、碳酸氢镁（MgHCO3）在还原环境中分别生成硫铁矿（FeS2），碳酸钙（CaCO3）、碳酸镁（MgCO3）而沉淀下来。因此，远海地段易形成中硫煤，近海地段易形成高硫煤。海、陆过渡相沉积物卤化物及碳酸盐含量较高。(二)煤田及煤田的形成1、煤田及其分类煤田指同一地史时期形成并连续发育的煤系地层分布的区域。同一煤田的煤系，可以是连续的，也可以不连续的，不连续分布是由于煤系经受后期变形、剥蚀的结果。根据煤系的出露情况，可将煤田分为三种类型：暴露式煤田、半暴露式煤田、隐伏煤田。暴露式煤田指煤系地层出露良好的煤田，如中国大青山石拐子煤田。半暴露式煤田指根据其上、下伏岩系的出露情况，可以圈出部分边界的煤田，如中国开滦煤田、织纳煤田。煤系大部分或全部被掩覆，无法确定边界的煤田，如中国苏北的一些煤田、南极洲及一些大洋深处隐伏的煤田。2、煤田的形成煤田的形成经过漫长而复杂的过程：一定区域内煤的原始沉积环境经过构造运动的平繁振荡（沉积旋回），使煤的原始成煤物质多次沉积、多次深埋，大量植物残骸深埋后，在还原环境中经过成岩作用、变质作用，进而使煤层及煤系中的沉积岩层多次重复出现形成一套完整的连续发育的煤系地层的过程。煤田的形成过程也就是煤系地层的形成过程。 煤系地层的形成它包括煤系中煤的形成和各种沉积岩石的形成过程。煤系地层是一套比较复杂的沉积岩地层，有陆相煤系地层和海、陆过渡相煤系地层。陆相煤系地层主要有陆源沼泽相、湖泊沼泽相、湖泊相等，海、陆过渡相煤系地层主要有滨海相、浅海相、泻湖相、泻湖沼泽相、三角洲相、三角洲沼泽相等。一般情况下，它们的物质来源除陨石和火山喷发外，均来自母岩（火成岩、老沉积岩、变质岩）。母岩由于风蚀、水蚀、冰蚀、生物腐蚀、化学腐蚀、物理力学破坏等的风化作用，经搬运、沉积或原地堆积而形成新的沉积物聚集区。因为构造运动使地壳的平繁振荡（沉积旋回）和地壳的相对稳定，在陆相和过渡相区的低洼、潮湿地段堆积了泥炭或腐泥，沉积了各种不同粒度的碎屑物、胶体、化学物、生物化学物等，这些沉积物经压实、脱水、胶结、重结晶等成岩作用、变质作用，当下一次构造运动来临之后，这一时期的煤系地层宣告完成，也许是两三个区域，甚至是多个区域，也就意味着几个或若干个煤田的诞生。每次构造运动都形成新的板块，为沉积岩的发展创造了有利条件；也为成煤环境奠定了新的基础，为煤炭的衍变创造了有利条件。也就是说，煤系地层就是在这种条件下才形成的。首先，构造运动破坏了岩石圈的完整性，使地壳分化成板块，同时，使地壳产生平繁振荡（沉积旋回），促进了沉积岩的发展。板块形成的同时受到了不同程度的破坏，每增加一次构造运动，岩石圈里的岩石就增加一次破坏，加速了地壳表层岩石的风化、搬运、沉积或残积。在不同风化、搬运条件下于各种不同环境中形成不同的沉积物，然后由不同的沉积物转化成不同的沉积岩。风化方式有风蚀、水蚀、冰蚀、生物腐蚀、化学腐蚀、物理力学破坏等，搬运方式有风搬运、流水搬运（包括河流、波浪）、冰川搬运、重力搬运等，沉积方式有原地沉积（残积、堆积）、异地沉积。如原地残积的有凝灰岩由玄武岩风化残积物组成,原地堆积的有形成煤的泥炭、珊瑚等，异地沉积的有各种粒度的碎屑岩（如：砂泥岩）、化学岩（如：石灰岩、白云岩等），沉积物表现方式有碎屑方式（各种粒度的碎屑岩，如：砂泥岩），化学方式（胶体、溶液，胶体的有SiO2，溶液的有各种钾盐、钠盐等），生物方式（包括煤炭、珊瑚等）。煤系地层中的各种沉积岩就是在这种条件下形成的，沉积不但有先后之别，还有厚度之分。如无地层倒转，先沉积者在下，后沉积者在上。薄的几厘米，厚的几十米甚至上百米。其次，构造运动为成煤环境奠定了新的基础，为煤炭的衍变创造了有利条件。因为，构造运动加速 图表地史上主要植物群分布示意图 了地壳表面岩石的风化、搬运、沉积，促进植物的诞生、繁 茂、衍变和发展。同时，通过构造运动，地壳的频繁振荡（板块发生抬升和沉降，使沉积岩出现沉积旋回），形成一些有利于动、植物繁衍的盆地、山川、平原等，特别是沼泽地，更是植物生长的乐土。加快了植物的进化，使其从低等的菌藻植物发展为苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物。地史上植物群的发展过程图表所示。继而出现煤从泥炭转变成褐煤，褐煤转变成烟煤，烟煤转 变成无烟煤；或从腐泥转变成腐泥褐煤，腐泥褐煤转变成腐泥烟煤，腐泥烟煤转变成石煤等一系列的煤化作用过程。煤化作用分两个阶段：成岩作用阶段和变质作用阶段。成岩作用阶段指泥炭和腐泥的压实、脱水、胶结、以及相应的化学变化使泥炭或腐泥转变成褐煤或腐泥褐煤的过程；变质作用指煤经受高温、高压、顶底板等因素的影响，其成分、结构、构造发生了质的变化使煤从褐煤转变成烟煤、无烟煤或从腐泥褐煤转变成腐泥烟煤、石煤。四、板块构造对煤田的控制：从图-1不难看出，由于地球表面水体面积较大，占地球表面积的三分之二还多，有的板块完全被海洋淹没，有的既有海洋又有陆块，完全为陆块的板块没有。地球表面原本起伏不平，经过多年的衍化差异性更大，板块也一样。板块的形成时期、形态、大小，地貌形态以及地理位置决定着煤田的时代、形态、大小和富煤状况；板块的形成周期决定着煤田的形成周期。因为，温带、亚热带地区，陆地和海洋交接的地段以及内陆低洼潮湿的地段有利于植物的生长及其遗体堆积，容易形成煤田。特别是大平原沼泽，最容易形成大煤田。如海西运动后期，欧亚板块中中国境内西南地区，由于二叠世晚期喜马拉雅大规模火山带状喷发，形成近千公里的“岩被”，为后来的中国“西南煤海”奠定了坚实的基础。板块构造对煤田的控制主要表现在以下几个方面：（1）板块构造控制着煤田的形成时代。煤田的基本组成单位就是煤系地层，每套煤系地层都有自己的沉积时代，它们都产生于板块构造相对稳定的一段时期。因为只有一定稳定时期，才有利于植物群落的生长、繁茂和泥炭的堆积。这段时期，少则上千年，多则上万年。由于同一板块不同时段沉降速度的不均匀性，于是出现了同一煤系地层中不同煤层厚度变化的差异性，才有了煤线到厚煤层之别。因此，煤系地层往往形成于这一时期的板块形成之后的一段稳定沉积旋回阶段。如中国西南地区晚二叠系龙潭煤组（P3l）、宣威组（P3xn）煤系，它沉积于晚二叠世（P3）海西运动晚期喜马拉雅火山喷发之后以及早三叠世（T1）印支运动之前。此时大面积火山喷发，西太平洋、东印度洋上升为陆。经过多年风化沉积，在茅口灰岩和峨眉山玄武岩之上形成大面积湿地沼泽，为这一时期的泥炭堆积和后来晚二叠系龙潭煤组（P3l）、宣威组（P3xn）的逐步形成奠定了基础。海西运动晚期的平凡振荡和板块沉降速度的不均匀性，造就了龙潭煤组（P3l）、宣威组（P3xn）的复杂性以及煤层煤质的多样性。煤系地层平均从几十米到几百米，煤层从几层到几十层，煤质从各种无烟煤（WY）到各种烟煤（YM）。（2）板块构造控制着煤田的形成周期。板块构造是构造运动后的产物，构造运动的开始意味着地球上大量动植物种属灭顶之灾已经来临，有时伴随着大面积大型带状火山喷发，整个大气层和大洋水体遭受污染，有时甚至导致海洋立及沸腾。有的时期的构造运动发生海陆互换，即部分海洋变成陆地，陆地全部变成海洋，大量生物物种毁灭；有的时期的构造运动部分海洋变成陆地，部分陆地变成海洋，仅有部分陆地生物和海洋生物幸存，生命才得以延续至今。构造运动的旋回周期就是每次构造运动从开始到结束生成一定板块所经历的时间。这段时间少则几千万年，多则几亿年。（3）板块构造控制着煤田的规模形态。一般情况下，板块的面积越大，越容易形成大的平原沼泽、盆地沼泽和湖泊沼泽，反之则只能形成小沼泽。也就是说大沼泽易形成大煤田，反之小沼泽则只能形成小煤田。当然，大沼泽如果没有构造运动旋回的平凡振荡或板块沉降速度的不均匀连续性，又没有赶上植物繁盛时代，那也是不能形成大煤田的。同样，板块虽小，如果大面积都是平原，位于海平面附近，加上构造运动旋回的平凡振荡或板块沉降速度的不均匀连续性出现，又赶上植物繁盛时代，同样可以形成较大的煤田。比如，中国贵州省东部的早寒武世金顶山组(1j)或杷榔组(1bl)，厚达400余米，曾是大面积平原沼泽，也有构造运动旋回的平凡振荡或板块沉降速度的不均匀连续性出现，由于不是植物很繁盛的时代（表所示），虽然持续时间较长，但是，该地层中只夹几层炭质泥岩和薄煤层。（4）板块构造控制着煤田的地理位置。植物生长的五大要素为阳光、温度、湿度、空气和土壤。热带、亚热带、温带潮湿地段是植物生长的乐园，总类繁多，数量极大。热带干旱、沙漠地区和寒带不利于植物的生长发育，总类稀少，数量有限。位于热带、亚热带、温带地区的板块湿地沼泽发育地段，将来易形成煤田，而热带干旱、沙漠地区和寒带不可能形成煤田。由于地球的自转和公转的向心力方向时常改变以及板块的位移，地球的南北磁极也在改变，地球的经纬度在改变，地球的气候带已发生了改变。因此，今天地球上的南北极以及大洋深处、大沙漠深处很可能存