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可燃有机岩矿床
本章重点介绍了煤和石油天然气的概念与组成、形成条件与形成作用。阐述
了煤层、煤系、煤田和聚煤盆地的概念、特征及相互间的区别与联系。以及生油
层、储油层、盖层和圈闭等形成油气藏的基本条件。同时简要介绍了油页岩和一
种近年来发现的新能源——天然气水合物。
可燃有机岩矿床是指有机成因的，可供工业开采和利用的地下可燃有机物质自然聚集体。按其存在状态可分为3类：①固体燃料矿床，如煤、油页岩等；②液态燃料矿床，如石油等；③气体燃料矿床，如天然气等。
可燃有机岩矿产在世界国民经济中占有极为重要的地位，尤其是被人称为“工业的粮食”的煤，以及“工业的血液” 的石油，不仅是重要的能源，而且是国防工业、化学工业、轻工业、医药工业等不可缺少的原料。已知从石油中提炼出的产品就有1000多种。现代能源主要由石油、煤、天然气提供。世界上每年开采的矿产，就产值而言，约70％来自可燃有机岩矿床。
第一节 煤 矿 床
一、煤矿床的概念、特点和主要用途
煤是指在地史时期沼泽盆地中堆积的大量植物(包括高等植物和低等植物)的遗体残骸，经过沉积成岩作用形成的固态可燃矿产。
煤矿床产于一定时代沼泽相或湖沼过渡相黑色或灰黑色沉积岩系内，分布面积广，层位稳定，产状与相邻沉积岩层一致。矿体多呈层状或似层状，亦可呈凸镜状或豆荚状，矿石以块状、薄层状构造为主，煤层中的有机组分极易氧化，在地表露头上往往仅见其氧化残余物，主要是一些粘土矿物，因此煤层出露地表时常呈现灰白色粘土线。
煤，首先是最主要的燃料之一，其次又是一种十分重要的化工原料，例如：通过煤的热解作用得到煤焦油、煤气等，煤是化肥、人造化学纤维、塑料、医药等工业的重要原料。另外，煤（或煤灰）中常含有V、U、Ga等稀有、稀土、放射、分散元素。所以又是发展尖端工业、国防工业的重要原料。煤中有机成分可以改良农田土壤。近年来，人们用煤灰与粘土混合烧制砖瓦，既经济又减少了环境污染。中国煤炭资源十分丰富，储量和产量均居于世界前3名，在能源结构中占有很大的比例，是国民经济建设中的重要资源。
二、煤的物质组成及煤的分类
（一）煤的物质组成
煤的化学组成可分为有机质和无机质两大类，其中有机质主要为碳、氢、氧、氮等元素组成的化合物，是组成煤的主体部分；无机质包括水分和矿物杂质，如粘土矿物、黄铁矿等，是影响煤质量的有害组分，含量愈低愈好。煤的主要成分及特征如下：
（1）碳：是煤中最主要的成分和最主要的可燃物质。煤中碳含量越高，发热量越大，煤质也越好。通常碳含量随着煤变质程度的加深而增高。
（2）氢：在煤中含量较少，但比较重要，燃烧热相当于同质量碳的4.2倍。其含量一般随变质程度加深而减少。
（3）氧：含量变化较大，并随着煤化程度加深而减少，风化煤层中氧含量明显增高。
（4）氮：含量较少，主要来自成煤植物中的蛋白质。一般煤中氮含量随着煤化程度增高而稍有降低。
（5）硫：是煤中最有害的杂质，其燃烧生成SO[sub]2[/sub]，既腐蚀金属设备，又污染环境。焦炭中混入的硫在炼钢的过程中严重影响钢材质量。煤中无机硫以黄铁矿、石膏等形式存在。
（6）磷：是煤中另一主要的有害杂质，以磷灰石和微量有机磷存在于煤中。炼铁时，焦炭中的磷进入生铁中使钢铁性能变脆。
此外煤中还有砷、氯、汞、硒及氟等有害杂质，总体含量少，但局部集中时也易造成环境污染。
(二) 煤的分类
煤是一种固体可燃矿产，同时又是一种复杂的沉积岩。有成因分类、煤岩学分类及工业分类等多种分法。
1．成因分类
根据成煤植物性质不同可分为两类：①腐殖煤，由高等植物在沼泽盆地中形成，包括褐煤、烟煤和无烟煤等；②腐泥煤，由低等植物在湖沼中形成，包括藻煤、石煤等。
2．煤岩学分类
通过研究煤的物质成分、结构构造、物理化学性质等将煤分成以下4类：
镜煤，黑色、光泽强、质匀、性脆、具贝壳状断口，垂直层理方向裂隙发育。成分中凝胶化物质一般在95％以上，挥发分和含氢量高，灰分低，黏结性强。含镜煤较多的烟煤宜炼焦。
亮煤，黑色，但颜色比镜煤稍浅，光泽较强，仅次于镜煤，性较脆，有时具贝壳状断口，均一程度较镜煤差，隐约可见微细层理，成分由多量凝胶化物质与少量形态分子组成。亮煤可用于炼焦。
暗煤，灰黑色，光泽暗淡，坚硬，致密，韧性较大，断口呈不规则状，不显层理，成分中凝胶化物质较少，矿物质含量较多，形态分子多而复杂。暗煤不适合单独炼焦。
丝煤，又称丝炭，暗黑色易染手，具纤维状结构和丝绢光泽，外表像天然木炭，故得名丝炭，硬度小，脆性大，易成粉末。在薄片中，丝炭的植物组织、细胞结构保存完整，细胞腔常被矿物填充。挥发分和氢的含量低，碳含量高，灰份高，不宜炼焦。
3．工业分类
根据工业用途的不同，中国将煤分为10大类，除褐煤和无烟煤之外，某余8种统称为烟煤，其主要特征和用途如下：
褐煤，颜色多呈褐色，光泽暗淡，有时可见到木质结构，密度最小，含碳量及发热量较低，含水分较多，挥发分大于40％，无黏结性，一般用于化工和民用。
长焰煤，在烟煤中煤化程度最低，呈褐黑色，沥青光泽，燃烧时有较长的火苗，挥发分大于40％，黏结性差，主要用于燃料及化工工业中干馏焦油。
气煤，为低煤化烟煤，黑色，弱玻璃光泽，挥发分大于30％，黏结性较强，加热时能产生大量气体和较多的焦油，是制造煤气的优质原料，也是良好的炼焦配煤。
肥煤，为中等煤化的烟煤，黑色，玻璃光泽，挥发分在25％左右，加热时产生较多的胶质体，黏结性最强，是炼焦配煤的主要煤种。
焦煤，为中等煤化的烟煤，黑色，玻璃光泽，挥发分14％～30％，黏结性和出焦量均较好，是炼焦炭的最好用煤。
瘦煤，属高等煤化烟煤，黑色，强玻璃光泽，挥发分14％～20％，黏结性弱，主要作炼焦配煤。
贫煤，是煤化程度最高的一种烟煤，灰黑色，具极强玻璃光泽，挥发分10％～ 20％，加热时不产生胶质体，无黏结性，燃烧火焰短，多为动力或民用煤。
弱粘煤，属低-中等煤化的烟煤，挥发分20％～37％，加热时仅能产生少量胶质体，黏结性很弱，作燃料及气化煤原料。
不粘煤，属低-中等煤化的烟煤，挥发分20％～37％，无黏结性，作动力、民用气化用煤。
无烟煤，是煤化程度及变质程度最高的煤种，呈灰黑色，似金属光泽，硬度和密度在所有煤种中最大，火力耐久，含碳高而含氢最低，挥发分0～10％，为民用煤及化工用煤。
三、煤的形成条件及成煤作用
（一）成煤条件
形成有经济价值的煤层必须具备以下几个条件：
（1）植物条件：大量的野外地质观察和煤岩薄片显微镜下鉴定表明，古植物是成煤的原始物质，有了植物才有成煤的可能。成煤的植物种类很多，大约有50多万种，按其生活方式和结构的不同，可分为低等植物和高等植物两大类。
低等植物多数生活在水中，它们的特点是没有根、茎、叶的区别，只是由单细胞构成的丝状和片状植物体，如细菌和藻类等。低等植物主要有蛋白质和脂肪所组成。
高等植物生活在陆地上或沼泽中，其特点是具有根、茎、叶等器官的分化，包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物。地史上除苔藓外，其它各类常能形成高大的乔木。它们具有粗壮的根和茎，主要由纤维和木质素组成，为重要的成煤原料。
从全球煤的形成历史看，只有在植物大量繁殖时期才有大规模煤层的形成，如中国的石炭纪-二叠纪、侏罗纪和古近纪分别是孢子植物、裸子植物和被子植物繁殖的极盛时期，相应也是最主要的３个聚煤时期。
（2）气候条件：潮湿、温暖的气候最有利于植物的生长和繁殖，但也有些煤形成于较冷的潮湿环境中，如冈瓦纳大陆的二叠纪煤。潮湿气候又加快植物的腐烂，同时迅速被沼泽水淹没，使植物遗体与大气水隔开，避免遭受完全氧化而得以保存。
（3）地理条件：形成大面积的煤层必须具备发生大面积沼泽化的自然地理条件。宽缓的低洼地区最为理想，主要有滨海平原、内陆大湖泊、宽广河谷的河漫滩、大河口三角洲、海湾泻湖和山间盆地等。
（4）构造条件：地壳保持长时期平稳缓慢下降是形成较厚煤层的重要构造条件，地壳下降速度与植物埋藏和聚积速度大致平衡最为理想，此状态持续的时间越长，形成的泥炭层也越厚。同一沼泽中能形成多个煤层的条件是地壳在总体下降过程中能发生多次升降或间歇性下降。地壳下降过快或过于缓慢都不利于成煤。过快的下降使沼泽环境不宜长期保持，过于缓慢的下降又会使堆积的植物遗体暴露在水面受风化而被破坏掉。
（二）成煤作用
自然界植物遗体从堆积到转变为煤的一系列过程称为成煤作用。根据成煤作用的性质和特点将成煤作用分为泥炭化（腐泥化）作用和煤化作用两个阶段。
l．泥炭和腐泥化作用
（1）泥炭化作用：高等植物死亡后变成泥炭的生物化学作用过程叫泥炭化作用。植物遗体转化为泥炭是在微生物参与下发生的一个非常复杂的生物化学作用过程。通常可分为以下两个阶段：
第一阶段（分解、氧化阶段）：早期堆积的植物遗体在沼泽浅部多氧环境下，在氧和微生物（喜氧细菌）的作用下，其中的纤维素、木质素等有机组分经过氧化和分解作用，一部分被彻底分解，变成气体和水分；另一部分则转变为简单的有机化合物；未遭受分解的稳定组分则被保留。
第二阶段（合成阶段）：随着植物遗体的不断堆积，原来暴露在大气中的植物遗体由于水体的覆盖而处于缺氧环境之中。因此在堆积物的下部由氧化环境逐渐转变为还原环境。早期保留下来的植物成分经厌氧细菌的分解及早期分解产物经过复杂的生物化学合成作用转化为腐殖酸、腐殖酸盐类及沥青等。这些合成物质与部分分解的和尚未分解的植物遗体，同沼泽中的泥质混合在一起形成泥炭。
（2）腐泥化作用：指低等植物和浮游生物遗体在还原环境下转化为腐泥的生物化学作用。有些低等植物如藻类等机体以脂肪和蛋白质为主，繁殖在湖泊或较深的沼泽中，死亡后遗体下沉水底，经分解形成腐泥。腐泥与泥炭不同，腐泥中沥青质多，泥炭中腐殖质多。因腐泥中富含沥青质，因此腐泥化作用又称为沥青化作用。
2．煤化作用
由泥炭向褐煤、烟煤和无烟煤的转变称为煤化作用。煤化作用包括先后进行的成岩作用和变质作用两个阶段。
（1）成岩作用阶段：沼泽中堆积的泥炭和腐泥被泥砂等沉积物覆盖后标志着煤化作用的开始。在上覆沉积物静压力作用下，泥炭层发生压实、脱水、孔隙度减少和增碳等一系列变化，逐渐固结、煤化而转变成密度较大，较致密的褐煤。这一过程即为煤化中的成岩作用过程(图10-1)。
（2）变质作用阶段：当褐煤层继续受到地壳下降运动的影响而逐渐埋深时，温度和压力也不断增加，煤化作用进一步加深，引起煤层内部分子结构、物理化学性质等方面的变化，表现在结构更紧密、密度增大，并产生了黏结性，颜色变深至黑色，光泽增强，腐殖酸消失，碳含量增加，挥发份和氢含量减少等变化。使褐煤逐渐变成烟煤、无烟煤的作用称为煤的变质作用。褐煤变成烟煤的过程是一种浅变质过程。烟煤进一步变质就成了无烟煤，无烟煤呈致密块状，硬度大，金属光泽，具导电性。
图10－1 从植物到煤的转变示意图
(转引自冯钟燕，1984)
四、煤层和煤系
1．煤层
煤层是自然界中植物遗体聚集层经过成煤作用后形成的可燃有机岩层，它是人们开采和利用的对象。煤层由煤与混入的矿物质或夹石组成。大多数煤层为层状或似层状，由于成煤的古地理、古构造条件的多种多样，以及侵蚀冲刷、后期形变和岩浆活动的影响，使有的煤层呈透镜状、串珠状、马尾状、鸡窝状等多种复杂形态。
在含煤岩系正常层序中，直接伏于煤层下面的沉积岩层称为煤层的底板；直接盖在煤层上面的沉积岩层称为煤层的顶板（图10－2）。
图10－2 简单结构煤层
1－顶板；2－煤；3－底板；4－矿物质
煤层底板主要是沼泽相的粘土岩、石灰岩和砂岩，底板中多富含植物根化 石或痕木化石，表明它曾经是成煤植物生长的土壤。煤层顶板岩石由于沉积环境的不同有两种主要岩石盖层，即湖泊相的泥质岩、粉砂岩和浅海相的石灰岩、泥质岩；前者常含丰富的植物枝、叶化石，后者常保存较多的正常海相动物化石。
煤层的顶底板之间的垂直距离称为煤层的厚度（图10-3）。煤层的厚度变化很大，最薄的仅为煤线，最厚的则可在200m以上。目前按煤层可采厚度分为：薄煤层（小于1.3m）、中厚煤层（1.3～3.5m）、厚煤层（大于3.5m）。
煤层分不含夹石层的简单结构煤层（图10-2）和含夹石层的复杂结构煤层（图10-3）。
复杂结构煤层中常含有较稳定的夹石层，少者几层，多者十几层至几十层。夹石层是指厚度在1～50cm的岩石夹层。被厚度超过50cm的岩层所分隔开的煤层，可看作是独立的煤层。夹石层的岩性主要有炭质泥岩、泥质岩、粉砂岩，其次有粘土岩、石灰岩和砂岩，有时可见到油页岩、菱铁矿层、火山碎屑岩等。复杂结构反映当时沼泽中植物聚积发生一次或多次间歇，造成间歇的原因主要是由于地壳沉降的速度时快时慢，致使沼泽的发育常遭破坏；其次由于间歇性气候变化，雨水增多，较多的泥沙被搬运到沼泽中，破坏了成煤环境。
图10－3 煤层厚度及 图10－4 近海型煤系形成过程 图10－5内陆型盆地
顶底板示意图 中地壳的升降或海水的进退 岩性、岩相示意图
（转引自袁见齐等，1985） （转引自任启江等，1993） （转引自任启江等，1993）
2．含煤岩系
含煤岩系是指聚煤盆地中在一定地质历史时期内形成的，成因上密切相关的一套含有煤层的沉积岩系。简称煤系，也有人称为含煤建造。通常具有以下特点：①是一套黑色、灰黑色为主的沉积岩，包括砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质页岩和煤层，有时也见灰岩、粘土岩、火山碎屑岩等；②煤的沉积环境主要是沼泽，因而煤系中一般都含有沼泽相沉积建造；③具明显的旋回结构，即在剖面上可见到岩性、岩相等按一定规律交替出现；④含丰富的植物化石，且多集中于煤层附近，底板多见根化石，顶板多为叶化石。
根据含煤岩系沉积时的不同环境，可分为近海型煤系和内陆型煤系两类。
（1）近海型煤系：指聚煤盆地长期处于海岸线附近环境下形成的含煤岩系。又称海陆交替相含煤岩系。近海型煤系的沉积区，地形多比较简单，主要为滨海平原、泻湖、海湾及浅海等。这类地区地壳多发生频繁的升降运动，即使幅度较小，也可引起较大面积的海进和海退，随着地壳的升降运动，这些地区时而被海水淹没成为浅海，时而又成为陆地而发育着大片的沼泽，浅海和陆相沼泽交替出现。含煤岩系由浅海、泻湖、三角洲、滨海湖泊和陆相河流、沼泽等的沉积物组成。岩性以细碎屑岩、泥岩、石灰岩为主。
近海地区地形低洼平坦，地壳稍有升降就能引起大面积的海侵、海退，因此同一沉积相可在较大范围内同时出现或消失，所形成的煤系分布面积广，岩性和岩相在横向上变化小，煤层层位比较稳定，垂向变化比较频繁，旋回结构清晰，区域内对比容易。由于发育在滨海地区的泥炭沼泽易被海水淹没，所形成的煤层一般较薄，结构较简单。煤层以层状、似层状为主。煤层的厚度与海水进退的频繁程度有关。一般来说，过于频繁的条件下，多形成薄煤层；反之则可有较厚煤层形成。近海型煤系分布面积广，岩相稳定，岩石组合较简单，旋回较清楚，煤层也稳定，对比容易。中国华北石炭-二叠纪及华南晚二叠世煤系，均为重要的近海型煤系（图10-4）。
根据近海型煤系形成的地理环境可分为：浅海型、滨海平原型和海湾型三类。
①浅海型含煤岩系：指聚煤盆地经常处于浅海环境下形成的含煤岩系。在含煤岩系形成过程中，沉积区绝大部分时间为很浅的海水覆盖，煤层只在短暂的海退期形成，通常出现在两层灰岩之间。沉积物主要是浅海相的石灰岩、钙质泥岩、泥质岩等，其中常常见有珊瑚、腕足、蜓等浅海相动物化石，也有少部分滨海相的细砂岩等。煤层较薄，但分布范围广而且比较稳定。中国川北，黔东及广西一带的晚二叠世含煤岩系为此类型。
②滨海平原型含煤岩系：指滨海的广阔低洼地带形成的含煤岩系。含煤岩系由浅海相、过渡相和陆相组成。沼泽化发生在海退末期，新的海侵开始之前，所以煤层常常发育在过渡相。煤层分布范围广，层位稳定，厚度通常较大。向海和朝陆方向煤层发育的情况通常变差。这对一个具体煤层，或是对整个含煤岩系来说，都有普遍意义。
③海湾型含煤岩系：指在海湾地带形成的含煤岩系。由于海湾处于半封闭状态，海水进入受到一定的限制，加上地表径流的不断补充，因而导致海湾不同程度的淡化。在这样大型的非正常海盆地中形成的含煤岩系以过渡相为主，有较多的海湾相沉积物，而典型的浅海相很少见。中国三叠一侏罗纪含煤岩系多为这种类型。
（2）内陆型煤系：内陆型煤系的沉积区为内陆地区，主要有内陆盆地、山间盆地及山前盆地等。煤系分布范围小，且全由陆相沉积物组成，其中粗碎屑比例显著增加，在煤系地层剖面上可见到各种陆相沉积呈现有规律的变化。在内陆盆地，煤系底部为河床相或湖滨三角洲相的各种粒度的砂岩，往上是河漫滩相粉砂岩，再往上则为沼泽相泥岩和煤层，煤层之上是深湖相的粘土岩和粉砂岩。在山间盆地和山前盆地，河床相砂岩之下多出现山麓相砾岩。这类煤系中煤层数目变化大，厚度稳定性较差，结构比较复杂，以中厚煤层为主，有时是巨厚煤层，但横向变化大，分叉尖灭现象相当普遍，煤层对比难（图10-5）。中国中、新生代煤系绝大部分属于内陆型煤系，如东北、西南及陕北等地区（侏罗-古近纪）、新疆天山北麓（早、中侏罗世）。
根据陆相含煤岩系堆积时地理环境分为：内陆山间盆地型和内陆盆地型。
①内陆山间盆地型：内陆山间盆地是陆相含煤岩系堆积的重要古地理环境。这种环境的基本特征是盆地四周为群山环绕，边缘地区地形切割强烈，盆地内部则地形低洼，有河流、湖泊及沼泽发育。典型的山间湖盆大多在山间盆地（聚煤盆地）发育的中、晚期才定型。山间盆地形成的初期，由于地壳活动强烈，地形高差大，山麓堆积及急流河床沉积广泛发育，并常见有火山喷发岩及凝灰岩夹层。因此，在这类含煤岩系的下部通常可见到一套厚层的粗碎屑沉积；上部则是一套以湖泊一沼泽相为主的含煤沉积，通常有厚至巨厚煤层形成。煤层的厚度有时在盆地中部最大，向周围逐渐变薄。这种类型在中、新生代的聚煤作用中占有十分重要的地位。
②内陆盆地型：含煤岩系形成于四周为低山、丘陵所环绕的内陆盆地之中，其边缘部分常以河流相为主，向盆地中心过渡为湖滨相及湖滨三角洲相，而后再过渡为典型的湖泊相。岩性由盆地边缘向盆地中心逐渐变细，砂岩含量减少，泥质岩含量显著增高。盆地中心的湖泊相沉积物常具明显的水平层理，有时含保存较好的动、植物化石。对成煤较为有利的是湖泊边缘及河流发育的地段，这里可形成较厚的煤层。接近湖泊深水区，煤层逐渐变薄以致完全尖灭，与此同时出现了油页岩及湖相生油层。当沉积物的堆积速度大于地壳坳陷的速度时，湖泊边缘的沼泽环境逐渐向盆地中央发展，湖泊范围逐渐缩小，生油环境部分地或大面积地被成煤环境所取代。相反情况下，成煤环境则逐渐被生油环境取代。此外，在一个广大的沉积盆地内，油气的聚集总是从盆地中部向边缘转移；边缘地带是砂质的储油层。因此，含煤建造中也可有储油层，但一般情况下，成煤好的地段成油都差。在中国中、新生代聚煤作用中，中、小型内陆盆地占有重要的地位。
五、聚煤盆地、煤田及中国主要成煤时代
1．聚煤盆地
聚煤盆地是指在同一构造单元内为含煤岩系提供沉积场所的盆地。聚煤盆地可以分为侵蚀聚煤盆地和构造成因的坳陷盆地。
（1）侵蚀盆地：盆地的形成与构造运动无关，完全是由侵蚀作用形成的（如河流的侵蚀、冰川的刨蚀或岩溶作用等）,在聚煤作用进行过程中，盆地基底也未发生明显沉降运动。此类聚煤盆地的特点是盆地基底起伏不平，受盆地侵蚀幅度所限,形成的含煤岩系一般厚度小，岩性变化大，分布零星。早期形成的煤层由于受盆地基底地形的限制而成孤立的透镜体状，后期随着盆地基底的填平补齐, 煤层才连成为一片。中国云南古近纪的一些煤田中常见这种类型（图10-6）。
图10－6 云南某侵蚀盆地地质剖面示意图
（转引自袁见齐等，1985）
图10－7 波状坳陷盆地示意图
（转引自袁见齐等，1985）
（2）坳陷盆地：是由于构造运动引起的基底逐渐沉降，沉积物不断补偿过程中形成的聚煤盆地。这类盆地的形成明显受地壳的构造运动所控制，常形成波状起伏的坳陷，盆地坳陷范围大，沉降幅度中间大、边部小，形成的煤系中间厚，最厚可达数百米，向两边逐渐变薄（图10－7）。大型坳陷聚煤盆地的沉降中心与坳陷中心未必一致，既沉积最厚的地区不一定就是坳陷幅度最大的地区，含煤性较好的部位常常发育在坳陷两侧的斜坡带。中国华北石炭－二叠纪煤系主要是在这种类盆地中形成的。
构造运动也可形成断陷聚煤盆地，又称断坳聚煤盆地，即盆地的一侧或两侧由断裂控制，基底面不连续（图10－8）。辽宁省阜新煤盆地属断陷盆地，为侏罗纪以后断裂带长期活动断块下陷造成的。煤系由一套洪积、冲积和湖相陆源碎屑岩组成，岩性、厚度变化都很大。
图10－8 断裂坳陷盆地示意图
(转引自袁见齐等，1985)
2．煤田
煤田指聚煤盆地经后期构造改造后保留下来的产煤区域。一个聚煤盆地被后期构造改造后常分隔成若干个煤田。煤田面积变化大，从数平方千米至数百平方千米，最大可达上千平方千米。
划分煤田的基本原则是，一个煤田内的含煤岩系是同一地史过程的产物，其次要考虑面积大小，储量多少，受后期构造的影响，以及生产上的习惯用法等。煤田按含煤岩系出露情况不同可分为以下３种类型：
（1）暴露式煤田：指含煤岩系出露良好，或根据下伏岩系的露头可以圈定出边界的煤田。（如内蒙古大青山石拐子煤田）。勘查此类煤田，以地质调查为主，配合槽探、浅井和钻探勘查深部。
（2）半暴露式煤田（又称半隐伏煤田）：指含煤岩系出露情况尚好，能据此大致了解含煤岩系分布情况，或根据下伏岩系的露头可以圈出部分边界的煤田（如河北开滦煤田）。勘查此类煤田时，仍然必须重视地质调查，辅以槽探、浅井，做好必要的物探工作，钻探验证物探成果和勘查深部。
（3）隐伏煤田（又称掩盖煤田）：露头情况极差，含煤岩系大部分或全部被掩盖的煤田。寻找和勘查此类煤田，特别要注意应用地质理论，对区域地质规律进行仔细分析研究，以物探为主要手段，并以钻探验证物探成果。
中国煤炭工业部门常常在一个煤田中又划分为若干个煤矿区。即煤田按地质、开采条件结合起来所划分出的若干个含煤地段，或经后期构造所分隔出的单独部分，以及某些面积和储量都很小的煤盆地，都可称为煤矿区。
国内外著名的煤田很多，如美国阿巴拉契亚煤田、俄罗斯新库兹涅茨克煤田，我国的沁水煤田、阜新煤田等。
阿巴拉契亚煤田：位于美国东部阿巴拉契亚山地，呈北东一南西向延伸，长1200～1250km，宽50～300km，面积18000km[sup]2[/sup]。煤炭资源量3168亿t（占全美9％），储量2526亿t（其中烟煤和无烟煤分别占全美25％和95．6％），年产量4亿余吨（占全美50％）。含煤岩系为晚石炭世一早二叠世近海型煤系，厚500～900m，主要由砂泥岩、石灰岩和煤层组成，与下伏下石炭统和上覆第四系冰碛层均呈不整合接触。煤层主要位于上石炭统，含煤23～42层，其中可采煤层12～22层，煤层厚1～3m，层位稳定。下二叠统仅含几层可采煤层，层厚一般小于1m，位于煤田北部区。该区煤类齐全，其中褐煤占0．7％，位于南部亚拉巴马州；烟煤占92．5％，以炼焦煤为主，无烟煤占6．8％，位于北部宾夕法尼亚州东部。本煤田为一北东向复向斜，两翼平缓，北部煤系近于水平，南部褶皱断裂较发育。因煤层埋藏浅，露天和地下开采的产量约各占50％,地下开采85％为平硐，其次为斜井，平均采深小于100m。采区煤层顶板坚硬，断层少，瓦斯低，生产效率长期保持世界领先。1750年该区开始产煤，1918年产量达4．6亿吨，为世界最大的煤炭基地，也是美国最主要炼焦煤和出口煤基地。
新库兹涅茨克煤田（又称库兹巴斯煤田）：位于西西伯利亚克麦罗沃州。煤炭资源量6369亿t，储量1170亿t，1990年产煤1．5亿t（占全俄煤产量39％）。石炭－二叠纪为近海型煤系，厚8000m。上石炭统厚60～600m，以碎屑岩为主，含少量不可采煤层。下二叠统厚1150～2600m，由砂泥岩组成，含可采煤层20余层，总厚度78m，煤层稳定，多为中厚和厚煤层，常见10m厚煤层。上二叠统下部厚3000m，由砂泥岩夹泥灰岩组成，含不可采薄煤层。上部厚2500m，由砂泥岩和煤层组成，含可采煤层40余层，总厚度75m，层厚l～3m，个别达8～10m。早侏罗世为内陆型煤系，与下伏地层呈不整合接触，位于向斜核部，厚650m，由碎屑岩、泥质岩组成，含可采煤层5～14层，层厚0．5～7m，呈透镜状，不稳定。该煤田煤类齐全，其中褐煤11l亿t，低煤级烟煤4006亿t，炼焦用煤2149亿t，无烟煤103亿t。早二叠世赋存中、高变质烟煤和无烟煤。晚二叠世为低、中变质烟煤。早侏罗世以褐煤为主，含少量长焰煤、气煤。煤田大致呈四边形复向斜，边缘褶皱断裂发育，中间平缓，可采煤层集中在12000km[sup]2[/sup]内。现矿区集中在煤田西部，可采煤层多达70层，其中lm以上占90％，平均层厚2．2m。煤层埋藏浅，露天开采比重占40％．，矿井平均深度小于400m。煤田发现于1721年，1842年进行开采，20世纪30年代大规模开发，为俄罗斯的主要炼焦煤基地。
沁水煤田：位于山西中部，北临五台山，南至太行山，呈一近南北向延伸的长圆形盆地，为一暴露式煤田。煤的形成时代为石炭一二叠纪。聚煤盆地基底为太古界花岗片麻岩，以及震旦系、寒武系和奥陶系。含煤的石炭一二叠系平行不整合于奥陶系之上，上覆地层为晚二叠世的石千峰组、三叠系和新近系（图10－9，图10－10）。煤田构造形态简单，为一平缓开阔的向斜构造，断裂构造多发育在煤田边部，主要为张性正断裂。形成煤田的聚煤盆地属波状坳陷型，为华北石炭一二叠纪大型波状聚煤坳陷的一部分，含煤岩系由一套在近海条件下形成的海陆交互相地层组成。本溪组和太原组由海一陆交互相的泥岩、粉砂岩、砂岩及灰岩组成；山西组由砂岩、泥岩等陆相、过渡相的碎屑岩组成；石盒子组为一套纯陆相的碎屑岩。太原组和山西组为主要的含煤层位，其厚度较稳定，全区变化不大．沉积旋回结构清楚，主要可采煤层厚度较大，多为中厚煤层。本溪组和石盒子组一般不含可采煤层，多呈煤线出现。
图10－9 沁水煤田地质示意图 图10－10 沁水煤田北部地区地
（转引自袁见齐等，1985） 层柱状简图
Q—第四系；N[sub]2[/sub]—新近系上新统；T—三叠系；P[sub]2[/sub]sh—石 （转引自袁见齐等，1985）
千峰组；P[sub]l+2[/sub]s—山西组与石河子组；C[sub]2+3[/sub]—本溪组与太
原组；O[sub]l+2[/sub]—奥陶系；∈—寒武系；Z—震且系；Ar—
太古宇；γ[sub]1-2[/sub]—花岗岩
阜新煤田：位于辽宁省中部，北起沙拉，沿南西65º～70º方向，向南伸至义县、锦州，呈“S”形的狭长盆地。成煤时代为晚侏罗一早白垩世（J[sub]3[/sub] 一K[sub]1[/sub]）。分布在煤田中部的含煤地层基本呈一单斜构造，向南东平缓倾斜；其上又发育新丘、海州、清河门等5个短轴背斜。煤田中断裂构造较为发育，尤其是煤田东侧的大巴锦州断裂构造，是一长期活动的压扭性盆缘断裂，控制着阜新煤盆地的形成和发展，在含煤岩系形成时表现为一典型的断陷型聚煤盆地的特点，而现今煤田的构造形态亦属地堑型的构造类型。
组成煤田的含煤岩系为晚侏罗一早白垩世一套碎屑岩系，与下伏前震旦系和震旦系基底呈不整合接触，其上为白垩纪碎屑岩（图10-11）。含煤岩系有阜新组、九佛堂组和义县组，其中以阜新组最为重要。该组厚约450～1200m，由一套陆相碎屑岩组成。根据岩性、岩相和含煤的组合特点又分为5个旋回，即5个层群(图10-12)。一般高德、水泉层群中煤层厚度较薄；太平、中间和孙家湾层群中煤层厚度较大，多为厚层煤和巨厚层煤，但横向上厚度变化较大，向盆缘断裂一侧，冲积相的砂砾岩增加，厚煤层逐渐分叉、变薄，最后完全被洪积相的砂砾岩所代替，煤层尖灭。九佛堂组厚800～1000m，一般分为三段；中段为含煤段，由一套以砂岩、泥岩为主的陆相碎屑岩组成，煤层为薄煤层和中厚煤层。
图l0－11 阜新煤田地质示意图
（转引自袁见齐等，1985）
1—下白垩统孙家湾组；2—下白垩统阜新组； 图10－12 阜新煤田阜新组含煤岩系柱状简图
3—上侏罗统九佛堂组；4—上侏罗统义县组； （转引自袁见齐等，1985）
5—燕山期花岗岩；6—前震旦系；7—压性， 1—洪积相；2—冲积相；3—湖相
压扭性断裂；8—张性，张扭性断裂
3．中国主要的成煤时代
中国主要的成煤时期为石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪和古近纪。其中以晚石炭-早二叠世、侏罗纪和古近纪最为重要，主要聚煤期、地理分布及主要特点如下(表10-1)。
表10－1 中国主要聚煤期地理分布及主要特点
聚煤期
| 主要聚煤地区
| 主 要 特 点
| 古近纪
| 东北、广东、广西、
云南、台湾
| 属陆相煤系，煤层厚，产状平缓，多为褐煤或低级烟煤，
一般北方含煤层较南方老
| 白垩纪
| 东北、内蒙古
| 属陆相煤系，煤系与煤层较不稳定，零星分布、规模小，
主要在早白垩世
| 侏罗纪
| 东北、内蒙古、西
北、华北、华南
| 属陆相煤系，煤系与煤层较不稳定，多为孤立煤盆地，
一般南方含煤层较北方老，总储量约占全国的1／2
| 晚二叠世-早三叠世
| 华南、北方局部地区
| 以海陆交互相为主，少量陆相，煤系与煤层较稳定，
以华南晚二叠世煤系较重要
| 晚石炭世-早二叠世
| 华北、东北南部
| 海陆交互相，煤系与煤层稳定，煤层厚，为各种级别的
烟煤，煤质优良，总储量占全国的1／3
| 早石炭世
| 华南、西北
| 海陆交互相，分布局限，规模小，极少数具工业规模
|
早石炭世在华南开始有工业意义的煤层，如云南的万寿山煤系。
中石炭世除祁连山之东少数地区外，其他地区的煤层工业价值不大。
晚石炭世和早二叠世是中国最重要的成煤时期。主要分布在华北地台，中国有1/3的煤储量产于该煤系中。煤系多形成于近海条件，具海陆交替相特点。煤系和煤层的变化均较稳定。如山西阳泉煤田，河北唐山煤田。
晚二叠世在华南是重要的成煤时期。主要分布在华南地台上。煤系主要为海陆交替相，也有纯陆相的。地理位置大致在北纬32°～34°之间的煤田，称之为“南型北相”煤田，既有晚石炭世一早二叠世煤系，又有晚二叠世煤系，如河南平顶山、淮南。
侏罗纪煤系分布普遍，广布南北各省。但分布较零散，多成孤立煤盆地，各煤田间相似性较少，均为内陆型煤田，储量约占全国之半，一般来说，南方含煤层较北方老。如黑龙江鹤岗、双鸭山、鸡西以及山西大同等。
古近纪煤田在全国均有零星分布。一般北方含煤层较南方老，属陆相煤系，并与下伏基岩呈不整合接触，煤层厚，产状平缓，埋藏浅，多属褐煤或低级烟煤，如辽宁抚顺煤田。
第二节 油 页 岩
一、油页岩的概念及主要用途
油页岩是指由低等生物转化而成的、含灰分高的腐泥质页岩。它是一种富含干洛根的有机质可燃性岩石。它有一个很重要的性质就是经过干馏后可以产生石油。油页岩与煤的区别在于油页岩中的矿物质含量较高，灰分大于33%（煤中的灰分小于33%），有机质的C/H小于10，但含油率高，N和P也较高。
油页岩与煤同源，它们都是固体可燃有机矿产。油页岩主要用途不仅可以用作燃料，提供能源,而且可从其中提炼液体燃料和一系列化工原料。如将油页岩进行低温干馏，可以获得汽油、柴油、煤油、润滑油、石蜡、沥青以及氨水、硫化沥青等一系列化工原料，将油页岩进行高温干馏，可获得焦油等。所以油页岩是石油和天然气的补充或后备资源。
二、油页岩的物质组成及其基本特征
油页岩的物质组成分为有机质（约占1/4）和无机质（约占3/4）两部分。有机质主要是油母质（又称干酪根），也有一些沥青（溶于CCl[sub]4[/sub]）。无机质主要是很细的石英、粘土矿物、碳酸盐矿物和黄铁矿等。
油页岩颜色为浅褐、绿、暗褐至黑色，通常颜色愈深含油率愈高。油页岩无光泽，但指甲刻划会留下具光泽的油迹；富韧性和弹性，以小刀削之可成卷起的刨花状薄片，切之可成任何形状。油页岩薄片可直接点燃，火焰高，发出沥青臭味。油页岩密度较一般泥页岩小（约1.71～2.13g/cm[sup]3[/sup]），含油率愈高的油页岩密度愈小。当其含油率大于4%时即达到工业利用价值。
三、油页岩的形成作用
形成油页岩的有机质，主要是来自湖海中的藻类、菌类、动物类遗体及植物的孢子花粉。成因上，油页岩与腐泥煤基本相同，沉入水底的生物遗体首先发生生物化学分解作用。在成岩作用期间，发生生物化学降解作用，随着温度和压力的逐渐增加有机质最后形成油母质与沥青。
油页岩主要形成于亚热带的浅海、泻湖及湖泊环境，大部分油页岩呈薄层状或厚约几毫米的纹层状产出，由细碎屑和有机质交互组成。浮游藻类等生物的季节性或年度性大繁殖是形成有机纹理层的重要原因。富含氧的表层水使浮游生物等得以生长，缺氧的底层水使有机质能够被保存。
四、油页岩的分类
根据形成油页岩的古地理环境分为：近海型和湖泊型两类。
（1）近海型油页岩矿床：指在近海泻湖、海湾、滨海三角洲外缘等环境下形成的油页岩矿床，一般与碳酸盐岩共生，矿层薄但层数多，分布面积大，油页岩的含油率高（最高可达24％），广东茂名油页岩矿床即属此类。
（2）湖泊型油页岩矿床：指在内陆湖泊中形成的油页岩矿床，一般与煤共生，有时呈互层产出，矿层较厚，但横向变化大，含油率低，抚顺油页岩矿床属此类。
中国油页岩的分布广泛，遍及全国20多省区。在时代上从泥盆纪到新生代均有油页岩生成，尤其是侏罗-白垩纪和新生代为最多、最重要。在空间分布上，中生代油页岩主要分布于中国西部省区，而新生代油页岩则集中分布在中国的东部沿海地区。
第三节 石油和天然气
一、石油和天然气的概念及工业意义
石油又称原油，是一种从地下开采出的可燃液体矿产。石油经分馏后可以得到石油醚、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青残留物。
天然气通常指油气田气或气田气（不包括煤层气），其化学成分以甲烷为主，其次为乙烷、丙烷、丁烷及少量的C0[sub]2[/sub]、C0、H[sub]2[/sub]S、N[sub]2[/sub]、He及其他气体。
石油是重要的燃料，被称为“工业的血液”，同时也是化工原料，是各种洗涤剂、合成纤维、合成橡胶、塑料以及农药、化肥、医药等方面的原料。
天然气由于其热值高、燃烧充分、热效率高、运输方便，在工业和民用燃料、动力等方面得到越来越广泛的应用，同时也是化工产品、人造蛋白质及医药的原料。
二、石油的化学成分和物理性质
1．石油的化学成分
石油主要是由烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物。烷烃是石油的重要成分，其分子通式是C[sub]n[/sub]H[sub]2n+2[/sub]。烷烃中比较简单的化合物有甲烷、乙烷、丙烷，它们的分子结构如下：
烷烃中最复杂的分子有60多个碳原子。在常温常压下甲烷到丁烷是气体，戊烷到15烷为液体，16烷以上为固体。
环烷烃的分子通式为C[sub]n[/sub]H[sub]2n[/sub]，分子具环状结构，例如环己烷(C[sub]6[/sub]H[sub]12[/sub])的结构是：
环本身相当稳定，但环上的氢原子容易被甲基替换，例如生成甲基环戊烷，化学式为(CH[sub]2[/sub])[sub]4[/sub]·CHCH[sub]3[/sub]。环烷烃的物理及化学性质和烷烃相似，也比较稳定。环烷烃环内的碳原子可以多到30多个。石油中最多的是环戊烷(C[sub]5[/sub]H[sub]10[/sub])和环己烷(C[sub]6[/sub]H[sub]12[/sub])。常温常压下环丙烷(C[sub]3[/sub]H[sub]6[/sub])和甲基环丙烷(C[sub]4[/sub]H[sub]8[/sub])为气体，其他单环的环烷烃都是液体。
芳香烃也叫苯烃，其通式为CnH[sub]2n-6[/sub]，例如苯(C[sub]6[/sub]H[sub]6[/sub])，是石油芳香烃中最常见的物质，结构是：
苯中的氢有时被甲基取代，生成甲苯或二甲苯。
石油中除烃外，还含有数量不多的硫、氢、氧的非烃化合物。非烃化合物中重要的硫化物是硫化氢和有机硫化物。石油中以C、H、0、S、N等元素含量最多，此外还有Fe、A1、Mg、Cu、Pb、Zn等30多种元素。碳平均含量为82％～87％，氢平均含量为11％～14％，其余元素一般不超过1％。
2．石油的物理性质
由于石油是有机化合物的混合物，所以不会有固定的物理常数。其一般的物理性质如下：①颜色多为墨绿色、深褐色、黑色。颜色愈深，密度愈大，称为重质石油。反之颜色浅，密度小，称为轻质石油；②原油多具有明显的气味，轻质石油有芳香味，浓而黑的石油有沥青味，少数含硫和氮的多有臭味；③密度一般在0.75～1.00g／cm[sup]3[/sup]之间，其大小取决于油质及沥青质的相对含量，大多数比水轻；④黏度取决于石蜡的含量，变化较大；⑤发热量大，燃烧时放热量为4.2×10[sup]7[/sup]～5×10[sup]7[/sup]J／kg；⑥非导电体；⑦石油不溶于水，但能溶解于氯仿、四氯化碳、苯、醇、石油醚等有机溶剂；⑧石油在紫外线的照射下，均可发生荧光。轻质石油的荧光颜色较浅（浅蓝色），重质石油的荧光颜色较深（黄色）。
三、石油和天然气的形成作用
l．石油和天然气成因
多年来关于石油和天然气成因一直存在有机成因说和无机成因说两种观点。随着生产实践和科学研究的进一步深入，目前有机成因说得到了广泛的承认。主要依据是：①迄今已发现的油气田绝大部分分布于沉积岩中，油气中主要化学成分各种烃类与沉积岩中分散的烃类十分相似；②主要成油时代往往是地史中生物大量繁殖的时期。
石油和天然气究竟是由哪类有机物质转化的，即生油原始物质是什么？人们普遍认为石油和天然气直接起源于水圈中的生命物质，如浮游生物、菌类、藻类、低等植物类（包括高等植物的部分组织）及动物类。海洋生物，特别是海洋中通过光合作用产生的大量藻类，被认为是最佳的生油物质。细菌是促使烃类化合物转变为各类石油烃的主要营力。生物死亡后的遗体经生物或生物化学分解作用而产生类脂、蛋白质、碳水化合物等，或者混合在隙间中，或者被沉积物所吸附，或者呈聚集物形式存在沉积物中，并在成岩作用及变质作用过程中形成油气母质――干酪根及烃类。干酪根系指存在于沉积岩和沉积物中不溶解于有机溶剂的有机质。干酪根可以从脂肪、碳水化合物、蛋白质以及腐殖酸的一部分产生出来。1962年享特首次在隔氧条件下加热干酪根获得了烃类化合物，尔后提出了“干酪根热降解成油”的观点，这一观点正在被人们广泛地接受。从Kazuo Taguchi(1988)图解中（图10-13）可以直观地了解石油的形成过程。
图10－13 石油烃类成因 图10－14 干酪根降解成烃演化模式
(转引自Kazuo Taguchi，1988) (转引自P.Tissot修改，转引自任启江等，1993)
1-生物合成；2-有机质转化成烃类； A区-生物化学降解，干酪根未熟化阶段；B区-成熟
3-有机质转化成干酪根 干酪根，热裂解阶段；C区-炭化阶段；1-生物成因
甲烷； 2-残留沥青；3-天然气；4-石油；5-油气
从图10-13可以看出，石油、天然气烃类的形成可以源自于３个方面：①通过生物合成作用形成的高分子烃类，由于不稳定，大部分在沉积期间被分解，对石油形成意义较小；②沉积物中有机质经转化形成中-高分子烃类，但数量少，在石油中只占百分之几；③有机质转化成干酪根的烃类，是形成石油的主体。
近年来，随着实验技术的不断提高，通过对干酪根的热解实验，进一步揭示了干酪根随埋深增加的变化规律，图10-14表示了干酪根演化成烃模式。从0～1km属于成岩作用干酪根未熟化阶段，该阶段从生物聚合随埋深增大发生生物化学降解作用，形成部分甲烷及残留沥青；从1～3.5km属于成岩期后的后生作用，由于地温随埋深一起增大，干酪根发生热降解，干酪根分解为液态石油、气态甲烷和“湿气”；3.5km以下由于静压力较大，温度较高，发生变质作用，烃类完全成为气态或石墨（非有机质）。
2．石油和天然气形成的地质条件
（1）物源和保存条件：大量的有机质来源和保存有机质的还原环境是成油的必要条件之一。沉积物中的有机质是生油的物质基础，其含量主要取决于沉积在水底的有机质的数量和保存条件，浅海泻湖、海湾、三角洲地带和内陆大而深的湖泊等是有利环境，滨海区海浪作用强，不利于有机物堆积和保存，深海区水体深，有机物质含量少。
（2）促使有机质向石油转化所需的温度和压力条件：当有机质在埋深过程中由于温度的升高达到一定程度时，就会有大量烃类产生，因此，合适的深度和适宜的温度的还原环境有利于有机质发生生油化学变化。这种环境还要有稳定性，因为生油化学反应需要足够的时间。
（3）构造条件：长期稳定缓慢下降的深坳陷是形成石油的最主要地质构造条件。长期缓慢下降的沉积盆地才能有大量有机质的带人，并和同时形成的沉积物一起埋藏起来。只有当沉积物下沉到相当大的深度，才能保证温度和压力升高到足以使有机物热解转化成为石油。含油盆地沉积厚度一般很少小于1～2km，中国东部含油盆地沉积厚度都在6～7km以上。
强烈的地壳运动对石油的生成和保存都不利。但地壳长期缓慢下沉过程中伴随着周期性的振荡运动可以造成有利于生油和储油沉积层的交替，形成有利的生油层、储油层和盖层的组合。
3．生油层
能生成石油和天然气的岩层为生油层。在一定地质时期内，具相应岩性-岩相特征的一系列生油层与其所夹的非生油层的组合称为生油层系。如果在生油层系中有储集层存在，那么生油层系就称为含油层系。
细粒沉积层是良好的生油层，主要是泥质岩类和碳酸盐岩类。这些岩石是在安静缺氧环境下一定深度的稳定水体中形成的。浮游生物和泥质沉积物或碳酸盐一起大量堆积，并向油气转化，这类岩石因富含有机质及低铁化合物而颜色发暗。生油层主要特征见表10-2。
表10-2 生油层主要特征
生油层类型
| 岩石类型
| 颜色
| 结构
| 层理
| 自生矿物
| 化石
| 油气显示
| 粘土岩类
| 以泥岩和页岩为主，其次为砂质页岩、泥质粉砂岩
| 灰黑色、深灰色、灰色、灰绿色
| 泥级-粉砂级
| 页状、厚层
状、块状
| 富含黄铁矿
| 丰富
| 偶有原
生油苗
| 碳酸盐岩类
| 生物灰岩、礁灰岩、泥灰岩、石灰岩
| 灰黑色、深灰色、褐灰色、灰色
| 隐晶-粉晶
| 中厚-厚层
-块状
| 含黄铁矿
| 丰富
| 偶有原
生油苗
|
（据冯钟燕，1984）
四、油气藏的形成
聚集了一定数量油和气的圈闭，称油气藏。它是石油和天然气在地壳中聚集的基本单元，是石油勘探的对象。如果圈闭中仅聚集了石油，称油藏；只聚集了天然气，称为气藏。储量可供工业开采的油气藏，称为工业油气藏。一个地区，只有具备生油层、储油层、盖层、圈闭等基本条件，并且油气从生油岩中挤出，进入储集层中，再运移进入圈闭聚集，才会形成油气藏。
1．石油和天然气的运移
油气生成后，呈分散状态存在于生油层内，要形成油气藏，还需要通过各种外力作用，将生油岩中分散的石油小液珠及天然气运移到一定的地质圈闭中聚集并保存形成油气藏。
使石油运移的主要作用是压力、浮力、毛细管作用、水的流动等。
压力包括静压力和挤压应力，静压力是造成油气运移的主要因素，生油岩层被上覆静压力慢慢地压实，岩石孔隙度随之降低，使其中的流体被挤出，流到压力较小的有孔隙的地方。有人做过估算，泥质沉积物埋深350m时能挤出50％的水，埋深1200m时能挤出 85％的水。当生油岩层受到挤压应力作用时，岩石褶皱变形也可以挤出一部分流体。
浮力也有助于流体运移，因为油气比水轻，由于重力分异而浮于水面，多孔倾斜岩层最易造成油气沿倾斜岩层上升，发生富集。
毛细管的作用是由于油、气、水与岩石之间具有不同的表面张力和润湿程度。当流体与岩石接触时，界面上的毛细管力总是指向润湿性小的流体；由于水比石油更易润湿岩石，所以在油、水相接触时界面向水突出，并产生指向石油的毛细管力。岩层中小孔隙内的毛细管力比大孔隙的大，于是在大小孔隙间形成了毛细管压力差，而压力差指向大孔隙，这样对岩石润湿性较强的水就把石油从小孔隙中驱赶到大孔隙中去。泥质岩的孔隙比砂岩小，而毛细管将砂岩中的水吸出来，同时将油气挤入到砂岩中去。这种运移作用在油气运移初期起了很大作用。
水流动过程中产生驱动力，带动油气一起流动，加速石油的运移，这样的水流可由挤压或自流产生。
油气从生油（气）岩中向外运移的过程，称为初次运移。油气脱离生油（气）岩后在储集层内运移，称二次运移，直至遇到能捕获油气的圈闭，油气聚集起来形成油气藏。
如果油气藏形成以后被断裂破坏时，油气会沿着断裂重新运移到新的圈闭中聚集形成新的油气藏。这叫做次生油气藏。如果油气沿断裂或其他原因上升到地表，就形成油（气）苗。油（气）苗是找石油的重要标志，许多油（气）田是先找到油（气）苗后而发现的。
2．石油和天然气的储集
储集是指油气最终在具有储集层特性的岩石特定部位，以高度富集形式被封闭起来。所谓储集层是指岩石中固体颗粒间的空间较大，且相互广泛连通性的地质体。凡是具备良好孔隙性和渗透性，能够储集油气的岩石都可作为储集层。孔隙性和渗透性的好坏直接影响油气的富集程度和产量，所以储集层是形成油气的必要条件之一。
储集层主要有两类：①陆源碎屑岩类储集层。包括砾岩、砂岩和粉砂岩等。世界上约59％的较大油、气田储集在此类岩层中，其孔隙度高，砂岩平均超过25％，其他的在12％～25％之间，贯通性强，是理想的储油层。这类岩层在中国中生代陆相含油、气盆地中广泛分布。②碳酸盐岩储集层。包括石灰岩、白云岩、礁灰岩和生物碎屑灰岩等，其储集空间主要是溶洞及次生裂隙。世界上较大的油、气田的储量约40％产在这类岩层中，如中东地区一些特大型油田。中国碳酸盐岩地层分布广泛，应加强油气地质研究。
另外还有其他类型的储集层，如岩浆岩、变质岩和泥岩等，当这类岩石裂隙、片理及破碎带发育时，也可成为储集层。
储集层上面必须有不透水的盖层。最常见的盖层是泥岩和页岩，致密的石灰岩、白云岩和石膏也可作为盖层，甚至胶结很好的细粒砂岩也可作为盖层。
3．石油和天然气的圈闭
圈闭是指能阻止油气在储集层中继续运移并将其聚集起来的空间场所。圈闭的形成必须同时满足3个条件：①良好的储油层；②不透水的盖层；③遮挡物，遮挡物的形成是使油气最终聚集和定位成油、气藏的关键。遮挡物可以由盖层本身的拱形弯曲形成，如背斜遮挡，也可以是断层、地层不整合面、不透水岩层等。通常将油气圈闭分为构造圈闭（I类）、岩性圈闭（Ⅱ类）和地层圈闭（Ⅲ类）3种基本类型（图10-15）。
图10－15 圈闭的类型及油气藏类型示意图
以下是几种比较常见的圈闭：
（1） 背斜圈闭：是世界上最早被认识的、最重要的一种圈闭类型（图10-16）。油气在储集层内运移过程中，当遇到倾斜反向的地方，油气将趋向于在背斜顶部聚集，然后向其翼部漫延。背斜越宽缓，聚油面积也越大。科威特布尔干油田和中国大庆油田、酒泉老君庙油田都属于背斜圈闭油田。
图10－16 砂岩背斜中的油藏，石油 图10－17 断层圈闭形成油藏
多分布在倾角较缓的一翼 (转引自任启江等，1993)
(转引自冯钟燕，1984) 1、3、4、5-遮挡层；2-储油层；F-断层
（2）断层圈闭：断层可造成地层的相对位移和岩石破碎，断层破碎带可与地层中储集层相通，成为油气运移和储集的通道，另一方面断层的错位又可使储集层与不透水层相接触而造成遮挡，同时断层泥也是很好的遮挡物，构成圈闭（图10-17）。中国酒泉白杨河油田和准噶尔盆地的克拉玛依油田都属于断层圈闭油田。
（3）盐丘圈闭：埋于地下较深处的盐类岩层具较强的可塑性，经褶皱作用造成底劈或刺穿构造，并向上覆岩层运动形成盐丘（图10－18）。不透水的盐体成为较理想的遮挡物，主要在岩丘两侧储集层形成封闭的单斜圈闭。中东和罗马尼亚常见这种圈闭油田。
（4）不整合面圈闭：不整合圈闭是一种常见的圈闭，是以不整合面作为储集层上倾方向的不渗透遮挡面构成的圈闭，往往使油气在不整合面之下聚集（图10-19）。
图10－18 由岩丘形成圈闭后形成油藏 图10-19 不整合面圈闭后形成油藏
(转引自任启江等，1993) (转引自任启江等，1993)
A－砂岩；B－页岩；C－灰岩；D－石油； 1－白垩灰岩；2－页岩；3－砂岩；
E－石盐；F－岩盖 4－石油；5－不整合
（5）礁灰岩圈闭：礁灰岩中含有大量孔隙，渗透率极高，为良好的储油层。当它们被页岩等不渗透层披盖后即可形成圈闭。在墨西哥、美国以及中东等地区均发现有与礁灰岩有关的大油田。
（6）砂体圈闭：主要是河流冲积扇、三角洲、河床、滨海砂丘、砂坝等形成的砂体，它们具有很高的孔隙率和很好的渗透性，在被其他的不透水岩层超覆时，形成砂体圈闭，是油气良好的储集场所。
五、油气盆地时、空分布规律
１．油气盆地空间分布规律
目前全世界已发现工业油、气盆地约160个，其中25个盆地集中了已知石油总量的86％，按照其形成的动力学背景，可分为以下几种类型：
（1）复合型盆地：位于克拉通内部，平面呈线状或椭圆形，剖面形态不对称，具有多旋回沉积特征，盆地形成经历了多期拉伸和挤压作用，多以拉伸作用为主，如美洲、澳大利亚及西伯利亚地区的油气盆地，这类盆地约含有世界油气储量的25％。
（2）坳陷型盆地：位于开阔海洋至内海或海湾，形态为不对称大型线状盆地。此类盆地含油、气丰富，油气储量占世界石油总储量的54％和天然气总储量的38％，主要有中东、委内瑞拉、墨西哥湾、加勒比海等大型油、气盆地及中国南海油、气盆地。
（3）裂谷型盆地：位于靠近克拉通或其内的盆地，包括地堑和半地堑型盆地，如利比亚的锡尔特油盆。这类盆地虽不多，但却含有世界已知石油储量的12％。
（4）弧前和弧后型盆地：分布在弧型汇聚板块边缘，常形成盆地群，盆地中一般堆积有古近纪的碎屑沉积，也是很重要的生油盆地。
2．油、气盆地时间分布规律
从世界范围看，主要的成油时代集中在古生代、中生代和古近纪～新近纪。
（1）古生代：约占世界石油储量的14％和天然气的29％；石油主要蕴藏在泥盆-石炭纪地层中，天然气集中于二叠纪地层中。油、气区主要集中在欧洲、北美、中东和北非，是在稳定克拉通中的海盆环境形成的。
（2）中生代：约占世界石油储量的54％和天然气的44％，以白垩系油、气储量最大，主要分布在：①凹陷盆地，具世界性特点；②造山前缘地区（整个美洲西部）；③被动大陆边缘（澳大利亚、非洲及南美洲）。
（3）古近纪～新近纪：约占世界石油储量的32％和天然气的27％，主要集中在中东海湾地区（世界70％以上特大型油田产于本区），美洲加勒比海、欧洲、西亚及澳大利亚汇聚板块前缘地带。
中国油、气形成时代主要为中生代和古近纪～新近纪，少数为古生代，盆地类型包括复合型、裂谷型及坳陷型等，以陆相油、气盆地为主。著名的油田有大庆、胜利、辽河、大港、中原、克拉玛依等。
第四节 天然气水合物
一、天然气水合物的概念和性质
天然气水合物是一种由水分子和碳氢气体分子组成的结晶状固态简单化合物。其外形如冰雪状，通常呈白色。结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构非常相似。在这种冰状的结晶体中，作为“客”气体分子的碳氢气体充填在水分子结晶格架的空穴中，两者在低温和一定压力下通过范德华作用力稳定地相互结合在一起。在自然界中，甲烷是最常见的“客”气体分子（Sloan,1990）。由于天然气水合物中通常含有大量的甲烷或其它碳氢气体分子，因此极易燃烧，也有人称之为“可燃烧的冰”，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物。
天然气水合物是近年来发现的一种新能源，预计40年或 50年后将替代行将枯竭的石油和天然气。据估算，其资源量为1.8×10[sup]16[/sup]～2.1×10[sup]16[/sup]m[sup]3[/sup]，相当于全球石油、天然气和煤总资源量的两倍，其总量之大足以成为未来相当长时期内世界开发利用的潜在能源。
天然气水合物具有多孔性，硬度和剪切模量小于冰，密度与冰的密度大致相等，热传导率和电阻率远小于冰。天然气水合物的物理性质见表10-3和表10-4。
表10-3 天然气水合物的声学性质
参数
| 饱和水的天
然气水合物
| 含天然气水合
物的沉积物
| 纯天然气
水合物
| 含气体的
沉积物
| 纵波波速（km/s）
纵波传输时间（s/ft）
横波波速(km/s)
横波传输时间（s/ft）
密度(g/cm[sup]3[/sup])
| 1.6~2.5
190~122
0.38~0.39
800~780
1.26~2.42
| 2.05~4.5
149~68
0.14~1.56
2180~195
1.15~2.4
| 3.25~3.6
94~85
1.65
185
| 0.16~1.45
1910~210
|
表10-4 甲烷天然气水合物和冰的性质
性质
| 甲烷
天然气水合物
| 沙质沉积物中的海底
甲烷天然气水合物
| 冰
| 硬度（Mohs）
剪切强度（MPa）
剪切模量
密度（g/cm[sup]3[/sup]）
声学速率（m/s）
热容量（kJ/cm[sup]3[/sup]）-273K
热传导率（W/m·K）
电阻率（kΩ·m）
| 2~4
2.4
0.91
3300
2.3
0.5
5
| 7
12.2
>1
3800
≈2
0.5
100
| 4
7
3.9
0.917
3500
2.3
2.23
500
|
二、天然气水合物的赋存
天然气水合物属于沉积矿产。根据一些国家对埋藏天然气水合物的沉积层的研究，这些地层主要属于新生代，而且以上新世的沉积层居多。除次之外，始新世、渐新世沉积层中也发现有天然气水合物的分布。例如，大西洋滨外的天然气水合物主要赋存于上新世地层中，西太平洋滨外和东太平洋滨外的天然气水合物赋存的地层也以上新世为主，而在东太平洋滨外的部分天然气水合物矿体则蕴藏于第四纪沉积层中。
含天然气水合物的沉积层具有独特的构造特征。根据现有资料，含天然气水合物的沉积层构造可分为块状构造、脉状构造、透镜状-层状构造、斑状构造和角砾状构造。
从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘和被动大陆边缘的大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元中，其中以大陆边缘大陆坡和内陆海及边缘海深水盆地为目前研究最为深入的区域。这些地区的构造环境由于具有形成天然气水合物所需的充足的物质来源（如沉积物中的有机质、地壳深处和油气田渗出的碳氢气体），具备流体运移的条件（如增生楔和逆掩断层的存在及其所引起的构造挤压，快速沉积所引起的超常压实，油气田的破坏所引起的气体逸散等），以及具备天然气水合物形成的低温、高压环境（温度＜10℃，压力10MPa以上），而成为天然气水合物分布和富集的主要场所。
小 结
1．本章的重点是掌握煤层和煤系的特征、煤和油气藏的形成，了解煤田与油田的分布规律。
2．可燃有机岩矿床按其存在状态可分为三类：①固体燃料矿床，如煤、油页岩等；②液态燃料矿床，如石油等；③气体燃料矿床，如天然气等。
3．煤的形成需具备大量植物生长繁殖的沼泽化的自然地理条件和温暖潮湿的气候。煤矿床的特点是矿床赋存于沼泽相或湖泊沼泽过渡相的黑色或灰黑色沉积岩系中；矿体多呈层状，似层状；煤中有机组份极易氧化，因此煤层出露地表时呈现灰白色粘土线。
4．自然界植物遗体从堆积到转变成煤的一系列过程称为成煤作用，成煤作用分为泥炭化（腐泥化）作用阶段和煤化作用阶段两个阶段。煤化作用是由泥炭转变为褐煤、烟煤和无烟煤的作用。
5．煤层是植物遗体聚集层经成煤作用后形成的可燃有机岩层。煤层由煤与混入的矿物质或夹石所组成。
6．含煤岩系（煤系），是指聚煤盆地中的一套含煤层的沉积岩系。在岩性组成上，主要为一套黑色、灰色和灰绿色等颜色较暗的砂、页岩为主的沉积岩层，有时也可含石灰岩和铝土岩层。煤系中含丰富的植物化石，且多集中于煤层的附近，底板多见根化石，顶板多为叶化石。按岩相特征可分为陆相和海陆交互相。
7．陆相含煤岩系又可分为山麓相、河流相、湖泊相和沼泽相。岩性以碎屑岩为主，有时可出现湖相泥灰岩。岩性在横向上和垂向上的变化都较大，煤层数目变化大，厚度稳定性较差，结构较复杂，分布范围较小，煤层对比难。海陆交互相含煤岩系也称为近海含煤岩系，其沉积区往往是滨海平原或海边的泻湖、海湾及浅海。这些地区时而被海水淹没成为浅海，时而又成为陆地而发育着大片的沼泽地。所以在煤系中既有海相沉积物，又有陆相沉积物。岩性以细碎屑岩、泥岩、石灰岩为主。岩性和岩相在横向上变化小，煤层层位比较稳定，区域内容易对比。
8．聚煤盆地按成因可分为侵蚀聚煤盆地和坳陷聚煤盆地。侵蚀聚煤盆地一般规模较小，盆地基底起伏明显，也未发生明显沉降运动，因而其成煤岩系分布面积不大，厚度小，煤层薄，有时呈透镜状，煤质一般较差。坳陷聚煤盆地是由于构造运动引起的基底逐渐沉降，沉积物不断补偿过程中形成的聚煤盆地。从坳陷聚煤盆地的边部到中心，沉降幅度由小变大，形成的含煤岩系往往中间厚，向两边逐渐变薄。含煤性较好的部位常常发育在坳陷两侧的斜坡带。一个聚煤盆地中可以划分出多个煤田。在一个煤田中，又可按地质、开采条件等划分出若干个含煤地段或煤矿区。中国的聚煤时代以晚石炭-早二叠世、侏罗纪和古近纪最为重要。
9．石油是由烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物，它是由浮游生物、菌、藻类、低等植物类（包括高等植物的部分组织）等生命物质经生物化学分解出来的有机质在一定的温度和压力条件下转化而来。
10.油气通过圈闭形成油气藏，油气藏它是石油和天然气在地壳中聚集的基本单元，是石油勘探和开采的对象。油气藏的形成首先要有能够产生大量石油的生油层（主要是泥质岩类和碳酸盐岩），其次要有渗透性好的储集层（主要是是砂岩，其次为石灰岩和白云岩），以容纳从生油岩中运移出来的石油。第三要有由储集层与不渗透盖层或其他遮挡因素所组成的圈闭，以捕捉石油，使之能在圈闭中聚集起来。因此，油气藏的形成过程是石油从生油岩中挤出，进入具有良好孔隙的储集层中，再运移到一定的部位（圈闭）聚集后形成油气藏。
根据控制圈闭形成的地质因素可将油气圈闭划分为构造圈闭、地层圈闭和岩性圈闭三大类。
复习思考题
1．何谓可燃有机岩矿床？可燃有机岩矿床的分类？
2．煤矿床有哪些特征？
3．试述煤的物质组成和成因分类。
4．简述煤的形成需要具备哪些条件？
5．何谓成煤作用？可分为哪几个阶段？各阶段有哪些特征？
6．何谓煤层顶板、煤层底板？各有哪些特征？
7．简述含煤岩系的概念及特点。
8．内陆型煤系和近海型含煤岩系各有哪些特征？比较二者有何区别？
9．何谓聚煤盆地？可分为哪些类型？各有哪些特征？
10．聚煤盆地、煤田、煤系及煤层的概念有何区别与联系？
11．中国有哪几个主要聚煤期？它们的分布规律如何？
12．简述油页岩的概念及特征。
13．简述石油的概念及工业意义。
14．试述石油与天然气的化学成分与物理性质。
15．简述石油和天然气形成的地质条件。
16．何谓油气藏？形成油气藏需具备那些条件？
17．含油（气）盆地有哪些类型？一般具有哪些特征？
18．生油层有何特征？常为何种岩层？
19．储油层有何特征？常为何种岩层？
20．盖层有何特征？常为何种岩层？
21．何谓圈闭（构造）？有哪些类型？在油气藏的形成和勘查中有何意义？
22．简述天然气水合物的概念和性质。
23．简述天然气水合物的赋存时代与环境？
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雷达卡
发表于 2010-6-1 23:01
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