成煤过程的研究进展
根据传统的成煤理论或以往大多数煤田地质学家的观点，成煤作用发生在涌水量退积旋回的退积期。这种成煤模式的核心思想是，聚煤盆地的演化具有阶段性，在这一阶段的后期，沉积体系中的活动碎屑体系被废弃，使大部分或全部盆地陷入沼泽，进而泥炭沼泽化。成煤发生在适宜泥炭堆积的地区，地壳沉降区保存下来就形成了煤。可以说，世界上许多煤层都是在海退过程中或近海成煤环境中形成的，海退条件下形成的煤系要求盆地沉降不能停止(Diessel，1992)，沉降会发生在整个泥炭生成范围，甚至是盆地方向。因此，这将导致沿海平原洼地的形成，泥炭的堆积速率与沉降容纳速率相平衡。然而，碎屑物质绕过泥炭沼泽或以河流穿过沼泽地的方式到达海岸边缘地带，这样，进积三角洲前部或障壁系统后部的泥炭向盆地迁移，并提供了一个新的泥炭堆积区。除非发生突发洪水事件导致泥炭发育停止或灰分含量增加，一般情况下，泥炭堆积会持续整个海退期，直到盆地演化下一阶段的活跃碎屑体系(如冲积体系发育)复活，使泥炭沼泽发育停止。
“大陆煤模式”能更好地解释成煤环境是泥炭沼泽在大陆条件下或盆地水退时发育成煤。在煤田地质学的理论体系中，成煤理论是最重要的部分。泥炭沼泽的定位既不是水也不是地，沼泽是水和地的过渡环境。在成煤过程中，这样的过渡环境是非常关键的。但问题是这种过渡环境在成煤和盆地演化过程中能持续多久，关系到成煤的最终结果，所以水系将是制约泥炭沼泽发育和最终成煤的最关键因素。因此，水系统是成煤理论中最重要的因素。对于盆地水系，以往煤田地质学理论很少涉及，限制了成煤理论的进一步发展。因此，仅用水域退缩和泥炭沼泽向盆地中心扩张来解释成煤过程是远远不够的。
2.海侵过程成煤和海侵体系域成煤。
(1)海侵期的成煤机制
海进和海退是海陆交替煤层形成的两种控制机制，因此可以推断煤层成分的多次变化。在讨论一个大型沉积盆地的充填作用时，可以假定沉积基准面(沉积物可以保存在其下)接近海面，或者更准确地说，是正常天气下的波浪基准面。在特殊的成煤环境中，沉积基准面可视为与地下水位一致。由于海陆交替的环境与海平面在水文上是联系在一起的，所以大部分沿海平原的地下水面位置与海平面相差不大。在更远的内陆，地下水位随着平均地面倾斜角而上升。在许多泥炭形成环境中，地表起伏决定了成年河流的最佳剖面，这是在侵蚀和加积达到平衡时形成的。如图15-1所示，最佳河流剖面与海平面相切，向源头上升。海平面上升，如从T0到T1A，不仅在原来的淹没滨海平原上创造了更多的泥沙堆积空间，而且由于沉积基准面的上升，使河流的平坦部分减少，河流剖面变短。由于侵蚀，河流向陆地发展以达到新的平衡。反之，如果海平面从T0下降到T1B，下部沿海平原将被侵蚀，河流侵蚀将导致上游冲积沉积。
图15-1海平面波动下最优河流剖面横向迁移示意图(垂向放大)(Diessel，1991)。
因为它对地下水起着重要的控制作用，而相对海平面的变化影响着河流的坡度。因此，海水动力学与煤系的关系远不止泥炭与海水的实际接触。在低位泥炭沼泽形成的煤层中，原始基准面位置为岩性界面，许多地层在含煤层沉积中与原始基准面位置一致。
斯洛斯(1962)利用基准面的概念，将碎屑岩岩性体的形状定义为以下参数的函数:q——单位时间内进入沉积场地的碎屑数量；r指验收值，用沉降速率或单位时间内沉降基准面以下增加的空间表示(相当于Vail(1987)中所指的“容纳空间”)；m——提供给沉积地点的沉积物，反映其结构和成分；d-耗散系数，用于表示沉积物(沉积基准面以下不可容纳的部分)被运离沉积场地的速率。
早期将上述理论应用于各种海侵-海退模型时，斯洛斯认为m是一个常数，因为统计数据表明，供给大盆地的沉积物的结构和成分在很长时间内变化不大。然而，在研究含煤地层包括无机向有机或有机向无机的转化时，应分别考虑煤层及其层间沉积岩。鉴于煤层间沉积岩的特性，物质系数可以作为Q的下标出现，于是产生了Q碎屑岩和Q泥炭的区别。假设影响植物来源的气候和其他因素非常有利于植物生长，泥炭堆积的开始和结束在很大程度上取决于接受值(R)和供给或移出沉积盆地的碎屑物质(Q碎屑岩)的数量(D)。在泥炭堆积过程中，假设地下水位的上升速度接近植物残体的堆积速度，使泥炭形成有必要的空间(R)而不被氧化(也是D的一种形式)或淹没。如图15-2所示。在海进-海退的条件下，海面的上升、下降或静止都会导致泥炭堆积。其机理如图15-3所示。这里假设海平面上升时，岛后的泻湖和泥炭地向滨海平原发展。风暴引起的近岸侵蚀和泻湖内溢流扇的形成使其向陆地方向(T1)迁移，不断再沉积在薄的离岸沉积上的障壁砂滩也随之迁移。即使在中等负荷的情况下，泥炭的压缩量也很大，使得海平面上升的力度更大。侵蚀面之上是沉积砾石残余。这一过程的产物是具有明显海相特征的薄但分布广泛的煤层的形成。
泥炭堆积前(图15-2A)首先沉积陆源物质，通常以冲积扇或溢流沉积的形式出现，且一般位于浪基之上，因此容易被进一步消散。虽然一些树木或其他植物可以在这个时候发展，根土壤岩石也可以形成。然而，由于地下水位低，植物残骸的碎片因氧化或侵蚀而无法保存。所以不能形成泥炭(q泥炭-d = 0)。海面的不断上升使滨海湿地向陆地发展，可以形成泥炭形成条件如图152B所示。只要植物的生长速度与海平面上升的速度一致，泥炭就能不断形成。但随着进一步的海侵，增加的接受值(R)与沉积盆地的物质供给(Q泥炭或碎屑)之差所造成的沉积空间的增加，是无法被植物的堆积所填补的。如图15-2C所示，在图的中心区域，由于水体覆盖过深，泥炭的发育停止。图15-2中心区域的实际宽度取决于该区域的倾斜角度。坡度角相对较陡的滨海平原和山麓环境可以形成一个狭窄的、穿时性很强的煤层聚集带，而在一个广阔平坦的地带(如三角洲平原，据扬科夫斯基1991)，穿时现象很弱，以至于大面积形成的煤层看起来是同时的。海侵煤系的特征为陆源沉积，煤层底板发育根土岩，顶板为湖泊或泻湖沉积，可被海相沉积覆盖或被侵蚀所替代。
图15-2海进海退条件下煤层形成不同阶段示意图(根据Diessel，1991)。
海退条件下形成的煤系要求盆地沉积不能停止，在泥炭形成的整个范围内，甚至更向盆地方向继续沉降。这种情况会导致沿海洼地的形成。在沿海低带，接受值(r)与植物(Q泥炭)的堆积速率平衡，来自陆地的碎屑绕过较高的泥炭或以河流的形式穿过泥炭沉积在海岸带，为泥炭在前积三角洲前缘或障壁系统后部向盆地迁移准备新的泥炭堆积场所(图15-3T2)。泥炭堆积将在整个海退期持续，除了偶尔的洪水导致煤中灰分含量增加或煤中形成页岩和其他陆源碎屑夹层，直到冲积相开始发展，活动碎屑体系的能级增加并停止。
图15-2C、D、E总结了海退前、海退中和海退后煤系的形成条件，与前面的海退相反。结果，煤层被分叉。在海退泥炭堆积开始之前(图15-2C)，图中的中心参数区域被水覆盖。这一阶段有机质沉积可忽略不计，而碎屑沉积形成于河口、三角洲前缘和岛后海岸环境。随着海岸线的推进，泥炭开始在分水湾的沼泽中堆积(图15-2D)。当盆地继续缓慢沉降，沉降速度因压实作用而加快时，植物残体的供给速度及其风化减少达到平衡，直至泥炭被陆相沉积物前缘所掩埋，如图15-2E。此时，它返回到循环开始时的状态，如图15-2A(图15-3T2)所示。
图15-3悉尼盆地永利煤层及相关地层形成的理想模型(Diessel，1991)
(2)具有海相顶板的海侵煤层的性质
图15-2C所示的模型显示了两种海侵煤层环境之间的重要差异。在图的中心参考区域，海侵表现为淹没煤层的顶部，但是海水没有到达位于图左侧远处的泥炭地。虽然这些泥炭也是在海侵期间形成的，但它们也经历了海平面上升引起的地下水位上升，从而导致了从干燥到湿润状态的逐渐转变。这表明一些煤层或其向陆地延伸部分是在海侵过程中形成的，但它们实际上并没有接触海水。因此，理论上可以区分有海相顶板和无海相顶板的海侵煤层。
这里，有海相顶板的海侵煤层和无海相顶板的海侵煤层应分别讨论。然而，应该清楚的是，沼泽环境常常通过过渡泻湖、海湾和河口与海洋相连。
海水入侵滨海泥炭地，不仅体现在煤层上方的沉积物中，还体现在煤层本身。常见的情况是煤层剖面上部黄铁矿含硫量增加，因此可以区分煤层是否受海水影响。含煤层序中受海水影响的煤层数量取决于地层柱状图中记录的海侵频率和持续时间。
接下来，我们将讨论被认为是在海侵过程中形成并最终被海洋沉积物覆盖的煤层。据推测，泥炭的堆积相当于海侵过程中沉积物向陆地的迁移。例如，泥炭是海侵体系域(TST)的一部分，因此煤层形成与海侵的成因关系应在煤层的性质中得到反映。
1.化学特性
煤的化学方法是在塞勒图上画出碳和氢的百分含量。塞勒图是结合化学元素(如C、O、H)和能量(如挥发物、单位能量和坩埚膨胀指数)的二元X-Y图。如图15-4所示，一条曲线带从图表右侧水平延伸至中心，然后迅速向下延伸至0% H和100% C，由于大量分析表明大部分煤的参数都可以在此界限内绘制，因此该带称为正常带或亮煤带。由于部分煤中的氢含量高于该煤阶的正常含量(用C表示)，所以该带上采出的煤属于高氢区。低于正常氢含量的煤属于低氢区，在较低的位置放煤。
图15-4两种煤层受海水影响的塞勒图(Diessel，1991)
受海相地层影响的另一个化学特征是硫含量高，硫同位素比值低。煤及其附近沉积物显示了硫同位素比值与沉积环境的关系，与现代泥炭非常接近。
大多数研究者认为，海相顶板煤中硫的分布受海水的影响，煤层高硫始于泥炭时期。煤中的硫含量与煤层顶部与最接近煤的上覆海相层底部之间的距离密切相关。
2.矿物学特征
海水中含有的硫因细菌弱化生成H2S，或与有机物反应生成有机硫，或与亚铁反应生成同生硫化铁沉淀直接生成黄铁矿，或如一些FeS2变体，这种物质不稳定转化为黄铁矿。许多研究人员已经认识到，受海水影响的煤层的一个显著特征是高黄铁矿，这在现代泥炭沉积物中也观察到。
根据Cohen的研究，从淡水到海相的分类表明，黄铁矿含量在半咸水泥炭中最高，在海相层中居中，在淡水泥炭中最低。这也证明了淡水泥炭被高硫泥炭覆盖时黄铁矿含量高，而在淡水泥炭底部时没有影响。在海侵过程中，泥炭因加积或泛滥而被海水浸泡，煤中特有或富集的矿物为白云石、方解石和磷灰石。
众所周知，粘土云母经历过海洋环境。粘土云母构成页岩中细颗粒的基质，而含量相对较低的高岭石表现为大的晶体聚集体，或在沉积前部分或完全高岭土化的岩屑硅酸盐的转化产物。
3.煤岩特征
海相顶板煤层的煤岩实体与其他煤层没有区别，但煤岩组分的富集程度不同，特别是在煤层剖面上部，其煤岩结构富含暗色煤岩类型。地下水位的上升可以表现为亚位和异地及偶见腐泥煤中碎屑惰性物质的增长，植物组织破坏程度通常与受海水影响的泥炭pH值升高有关，因为这种泥炭比淡水泥炭更适合细菌活动。证据是受海水影响的煤层组织保存程度非常低。结果，碎屑的镜质组含量增加，而镜质组含量减少。
在接近中性的条件下，由于细菌的破坏，生物密度降低，结果，以碎屑镜质体为基础的甲壳质组的显微组分相对丰富。在受海水影响的三角洲平原和煤层中，孢子体和角质体的含量普遍较高。
在具有海相顶板的海侵煤层中，高荧光强度和低反射强度在煤层剖面中的分布并不均匀，而是集中在受海水影响最大的地方，如煤层剖面的上部。如图155所示，两煤层中的所有性质均表现出明显的海侵特征。在直接被海相沉积物覆盖的佩尔顿煤层中，镜质组反射率降低(a)，镜质组荧光增强(b)和(c)。这些变化表明厌氧菌的活动能力向上增强。其他特征包括通常较高的黄铁矿(G)和镜质体含量向上增加(E)，这也是海侵煤形成的特征。黄铁矿主要以同生小石块的形式存在，大部分保存在碎屑镜质体的基质中，但接近黄铁矿时表现出高荧光。
虽然许多受海水影响的煤层显示甲壳类动物含量增加，但其中一些由于化学侵蚀而显示甲壳类动物含量减少。这是因为泥炭水的pH值上升到中值以上，如与碱性海水长期接触，但其保存情况随着碱度的增加而迅速恶化。
三。幕式成煤过程
幕式聚煤是中国矿业大学(1992)的张鹏飞先生和邵龙义教授在研究中国南方石炭-二叠系时，根据海侵作用成煤理论提出的。他们注意到海陆交互环境中的一些厚煤层大面积(数百至数千平方公里)分布在不同的相区。同时也注意到，一些大规模连续煤层的形成环境与煤层内下伏沉积物的沉积环境并无必然联系，这种跨越不同相区的大规模聚煤作用用幕式成煤理论来表述。因为海侵过程中的成煤聚煤主要发生在海平面上升阶段，此时区域基准面随海平面上升而上升，提供了有利于成煤的可容空间，使厚煤层得以聚集。因此，可以证明沉积旋回中分布最广的煤层可能形成于洪水期，沉积旋回中最厚的煤层或灰岩层可能形成于最大洪水期。这种大规模的聚煤作用是由区域性甚至全球性的海平面(基准面)变化引起的，可以跨越不同的亚环境、不同的沉积相带甚至不同的盆地。该理论强调沿海平原环境聚煤与幕式海平面上升期间幕式聚煤的同步性。
幕式成煤与海平面变化密切相关。在幕式成煤过程中，一个沉积事件及其所包含的若干次沉积事件可以形成具有一定分布规模的煤层。大规模海侵事件(如三级或二级海侵事件)形成的煤层往往具有较大的区域或全盆地分布规模，而二次海侵过程(如四级或四级以下海侵事件)形成的煤层则具有较小的区域分布规模。前者相当于层序地层学和成因地层学中最大的洪泛期沉积，后者相当于正常的洪泛面沉积。因此，大范围分布的厚煤层多为主幕式成煤期的产物，代表最大泛滥面沉积，小范围分布的煤层为次幕式成煤期的产物，代表正常泛滥面沉积。在两次大规模海侵之间，可能存在多次次生海侵，形成多次次生聚煤幕，多次次生聚煤幕的叠加形成一次更高层次的聚煤幕。结合层序地层学原理，幕式成煤过程可划分为对应不同海平面变化级别的成煤过程，在层序地层格架内可预测一个海平面变化旋回内聚煤中心的运移规律和煤层的分布规模(附图15-6)。
图15-5新南威尔士州Greta煤系受海水影响的Greta和Pelton煤层中几种煤岩组分的垂直剖面分布(Diessel，1991)。
图15-6陆表海环境下含煤旋回(准层序)形成过程及海平面变化(据邵龙义1997)
郝黎明等(2000)根据幕式成煤过程提出了旋回频率曲线叠加法，其内容为:在克拉通盆地沿海地区，海平面变化引起的沉积环境变化对聚煤有重要影响，海平面上升期间沿海地区聚煤极其重要。因为在这个地区，海平面的升降会导致沉积环境发生相应的变化，而正是这种变化使得不具备成煤条件的地区有可能成为有利的聚煤区，也可以使得原本有利的成煤区变得不利于成煤。在海岸线的陆地方向，海平面的上升为泥炭堆积提供了适宜的容纳空间。如果海平面(基准面)的上升速度适合泥炭的堆积速度，泥炭可以不断堆积，形成厚煤层。这种情况一般发生在海平面快速上升的时候。在此期间，可形成有利的聚煤区，直至海平面上升速度大大超过泥炭堆积速度，泥炭被淹没。在海岸线向海方向，海平面的下降会使不适宜泥炭堆积的淹没区变浅，甚至露出地表，形成裸露面。当海平面再次上升时，如果海平面上升速率和泥炭堆积速率配置得当，泥炭可以继续堆积，这类地区也可以成为有利的聚煤区，一般出现在海平面上升速率较低的时候。一般来说，在海平面上升期间，沿海地区，无论是在陆地一侧还是在海洋一侧，都可能表现出周期性的沉积特征。相反，在远离海岸线的陆地和深海区，海平面的普遍变化很难相应改变沉积环境，有利的聚煤环境也很难出现。在这种情况下，可以形成的含煤沉积旋回数量较少，从而形成相对稳定、单一的沉积层序。考虑到上述因素，可以通过研究不同地区钻孔(或野外实测剖面)的旋回性来了解海平面变化的信息。通过比较几个这样的点的信息，可以直观地得到一个地区海平面的变化，进而了解聚煤中心的迁移规律和聚煤幕在这个地区的分布范围。
第四，事件成煤过程
地层超覆和重叠的普遍规律早已为人们所接受，成为恢复古海平面变化特征的重要依据。平均变异理论一直是地质理论的支柱之一。比如，人们普遍接受海侵的定义:海侵是海水逐渐缓慢侵入陆地，海岸线逐渐后退的地质过程。反映在沉积作用上，我们可以看到，海相沉积从海陆各相带依次向陆相超覆，在垂向层序上，是一个比较完整的陆相→海相层序；另一方面，海退序列是一个相对完整的相位序列。然而，在研究海平面升降、海侵和海退的过程中，发现突变或突变也是盆地沉积动力机制中的重要现象。事件地层学的形成和发展为盆地充填和沉积分析带来了新的思路。也就是说，有些海侵是事件性质的，水系的变化也是多种因素造成的。陆相盆地的水特征与近海和海盆有很大不同，所谓的进出水规律也有很大不同。在考虑海进海退时，往往是单向进退，而在考虑陆相盆地时，往往是看整体盆地水域的变化。
地质科学的新理论给煤地质学带来了新的思路，如层序地层学，也给煤地质学领域带来了新的思路。尽管层序地层学给地球科学特别是沉积学和地层学带来了革命性的影响，但在讨论层序形成时，均匀变化的思想仍然占主导地位。经典层序地层学的主要思想仍然是海平面升降的规律性变化，这种以陆缘海盆为典型盆地的层序模式，必须根据海平面逐渐升降的明确机制来论证。因此，必然导致变分理论在层序解释中的主导作用。这从近年来提出的大量层序地层学研究成果中可以看出。有研究者将陆相湖盆和边缘海盆的层序形成机制进行对比，试图从它们身上找到相同的解释，即陆相层序也用海平面变化来解释，这似乎有点勉强。
事件沉积学和事件地层学的兴起，为解释地质历史中突发事件造成的不连续或完全不同沉积物的重叠现象提供了新的思路。事件沉积的研究思路，或者说突变的思路，对于解释沉积层序中的一些关键界面，解释层序结构的不对称性，解释层序中的一些关键层位都是非常重要的。因此，对于含煤层序，从事件或灾变的观点分析含煤沉积旋回和成煤过程，可以解释由于水系突变或不平衡变化导致泥炭堆积终止的原因。由于煤层与深水沉积的成因关系至今没有得到满意的解释，对地质历史上深水沉积或海相沉积与煤层直接接触这一现象的解释至今存在争议，从成煤机制上也没有科学的解释。
根据中国北方石炭-二叠纪陆相海相充填沉积中，浅海相突然大面积覆盖在陆相沉积物上，且两者之间存在明显的相序缺失现象，有学者提出事件海侵或外体海侵(何启祥等，1991)，这是一种快速、突发性的海水入侵事件。海侵发生的盆地需要有特定的背景条件，包括当时的古气候条件。
首先，由于华北晚古生代陆表海盆地特殊的古地理背景(如极其平坦的盆地基底等。)，海侵过程往往具有快速侵入的特点，与普通的海侵过程相比，具有“事件性”。在沉积记录中，表现为水深完全不同的沉积组合直接接触(图15-7)，其间有明显的相序丢失(非侵蚀性不连续丢失)，海侵层处于。海相灰岩直接覆盖在浅水或裸露沉积物上在华北晚古生代含煤地层中较为普遍，且具有多旋回性，是典型的突发性海侵的结果。这种突如其来的海侵对泥炭沼泽的发展和终结以及泥炭在陆相盆地的积累和保存起了重要作用。
图15-7海侵煤层与海侵矿床的接触关系(根据陈钟辉，1993)
其次，华北陆表海盆地晚古生代海平面变化具有高频率、高复杂性的特点，即晚古生代海平面升降旋回频繁，层序复杂，相互叠加，在其控制下形成一套所谓海陆交替沉积，总体上符合“有旋回有旋回”的特点，具有独特性，即， 快速的海侵过程和振荡变化频率构成了复合海平面变化:在长期海平面升降旋回中，长期海退过程中有多次短期海侵； 同样，海侵过程中也可能有短期的海退变化。海平面的变化与海进海退的过程有着本质的区别，海进海退是海平面升降、盆地构造沉降和气候综合作用后海岸线相对变化的表现。
此外，海侵沉积覆盖整个盆地，大规模的海侵事件对整个盆地系统产生深刻的影响，包括沉积体系域的改造和生态系统的破坏与调整。
石炭纪和二叠纪是全球重要的成煤期，古气候为植物的繁盛提供了背景条件，但冰川活动也是重要的影响因素，直接影响海平面的波动。
总的来说，华北陆表海盆地晚古生代海平面变化(即突发性海侵和高频复合海平面变化旋回)控制了陆表海盆地的充填沉积和聚煤作用，聚煤特征明显不同于其他类型的盆地。
鉴于海侵组合与许多地区发现的煤层关系密切，许多海侵沉积被认为是事件海侵沉积，李增学等(1995)提出了海侵事件成煤的观点。这一观点的基本内容是:海相沉积与煤层的组合受海平面变化旋回控制，海侵初期，在原有出露土壤的基础上可能发育泥炭沼泽；这种泥炭沼泽是在陆表海盆地的海水退出一段时间后，处于浅水环境但不是典型的水域，实际上是一种特殊的沼泽环境，因为暴露在土壤中或海水退出不完全。因为这种环境持续时间长，植物生长扩散，泥炭沼泽进一步发展；这种泥炭沼泽不同于大陆上的泥炭沼泽，经常受到海水的侵袭。泥炭在大规模海侵后得以保存。根据李增学等人的研究(2001，2002，2003，2004)，煤层与海侵层之间存在如下组合关系:海相薄层灰岩/厚煤层组合形成于低海平面变化旋回，海相厚沉积物/薄煤层组合形成于高海平面变化旋回。在层序地层格架中，海侵体系域的煤层位于体系域的底部，海退形成的煤层位于高体系域的顶部。可以说，煤层的发育与海平面波动中的转折时期有关，海侵成煤已成为陆相近海盆地成煤的重要特征。在低海平面变化周期中，适合泥炭沼泽发育的时间持续相对较长。虽然海平面波动对泥炭堆积有重要影响，但泥炭堆积可以稳定进行，最终成为煤。海侵事件成煤的等时性也通过华北大型陆表海盆地的海相沉积物与煤层中生物组合、地球化学特征和地球物理资料的等时性对比得到了证实。