聚煤作用系统论和系统分析.pdf

第 2 0卷 1 9 9 增 刊 ， 年 地球学报 A C T A G E OS C I E N T I A S I N I C A B u ll e ti n o f t h e C h i n es e A r a d e my o f G e o lo g ic al S c ie n c e s V o l .加s u p 1 9 9 9 聚煤作用系统论和系统分析 程爱国林大 扬彭苏萍 中国煤田地质总局， 河北琢州 中国矿业大学北京校区 摘要煤层和富煤带的形成是聚煤作用因素系统作用的结果。聚煤作用系统是各种聚煤作 用因素以一定的结构方式的集合， 可划分为全球聚煤作用超系统、 聚煤域巨系统、 聚煤盆地系统 和煤层 煤层组 子系统4个层次。聚煤作用是一个开放的、 动态的和灰色的系统， 具有系统的 案合性、 整体性、 关联性、 目的性、 层次性和环境适应性等基本特点。本文论述了聚煤作用系统 分析方法。 关扭词聚煤作用系统论系统分析 1 聚煤作用系统构成 聚煤 作用系统是各种聚煤 作用因素以 一定的结构方式的集合。 一般而言， 聚煤盆地是 聚煤作用 研究的基 本单 元， 我们不妨将盆地的聚煤作用看成聚煤作用系统， 煤层组 泥炭层 的聚煤作用可视为子系统， 因此， 聚煤作用系统可划分 图 1 所示的不同层次。 全球 全国 架煤作用超系 统 为聚煤作用最高级系统， 全球 泥炭和煤的空间分布， 是岩石圈、 水圈、 大气圈 和生物圈 栩合作用的 结果， 聚煤作用的阶段性、 连续性 是聚煤作用系统在不同地质阶段 整体作用的反映。控制全球聚煤 作用的主要因素是板块运移和相 互作用、 海陆 分布、 古气候带分布、 全球海平面的变化以及植物的演 化。 煤是古气候最敏感的产物之 一， 影响 煤形成的 气候参数为温度 和湿度， 其中湿度是最主要的， 潮 湿的气候条件是成煤植物繁盛和 图1 聚煤作用系统层次结构图 F i g . 1 Th e s y s te m a t ic m a p o f c o a l a c c u m u l a t io n p roc e s s 煤聚积的基本条件。千旱和潮湿气候带的分布决定了富煤域的分布， 也就是说， 富 煤域总是 同 潮湿气候带相伴生的。板块运移和相互作用控制全 球海平面变 化、 古地理格局、 古地 形和 聚煤盆地类型， 改变着板块上的古气候带， 在一定程度上控制古气候的分区。全球海平面的 第 一作 者 程爱 国 . 男 , 1 9 6 1 年生 高级 工程师 ， 主要研究方 向为煤 沉积学 、 资源评价 与管理 ， 邮编 0 7 2 7 5 0 _ 、- - - ,.. -} ‘.口............， 6 1 8地球学报中国地质科学院院报1 9 9 9 年 变化同板 块构 造的 相互作用控制古地理格局， 在海陆交互相 盆地中， 直接控制泥炭沼泽的分 布和 发育。 植物是成煤物质， 是聚煤 作用的先决条 件， 植物的演化和繁盛决定着聚煤时代和 区域。 显 然， 全 球聚 煤作 用超系 统也存在着更大的 外部系统或外部环境。 如太阳辐射和大气 环流作用， 控制着赤道到两极气候带的分布和大洋洋流， 天 体之间的引 力引 发板 块的 位移和 潮汐作用， 等等， 因 此， 全球聚煤作用超系统也是更大系统的子系统 聚煤域巨系 统 聚煤域是指一定聚煤阶段同一古气候带内 所发生的沉积聚煤作用的区 域， 这一区 域是依据占气候带界线、 占 板块对接带或洋壳以 及聚煤特征的一致性综合确定 的， 聚煤域包含多个不同类型的聚煤盆地。 影响聚煤域内煤的聚积的主要因素主要为基底 构造性质、 区域构造格局、 古地理格局、 物质供给、 植物区系、 海平面 变化等。基底性质影响 着构造活动的 强弱、 聚煤盆地的类tj以及煤层的厚度和稳定性。区域构造决定着聚 煤盆地 的类型、 盆地构造的活动方式和构造样式， 控制着区域古地理的面貌、 相对 海平面的 变化， 并 在一定程度 t _ 对气候产生一定的影响。聚煤域的界线往往也是植物区系的界线 ， 在聚煤域 内 部由 于造山 带存在、 海陆分布的 影响， 植物区可进一步划分亚区， 从而影响成煤物质。物 源区的分布、 母岩成分以及物源供给的力一式对聚煤盆地的物质成分、 沉积充填有着明显的影 响。 这些因素中主导因素是基底构造和区域构造， 它控制和 影响着其它因素， 从而 从整体上 控制聚煤盆地的形成 、 演化和煤的聚积 图 2 聚煤盆地系统图 b ; g . 2 Th e s y s tem a ti c ma p o f a x d b a s i n 聚煤盆地系统 聚 煤盆地系 统的内部影响因素可归纳为盆地构造、 沉积作用、 盆 地植物 类型和群落、 海 平面的 变化、 搬运作用和盆地气候条件 图2 。盆 地构造、 沉积作用和海平 面的变化三者的相互联系和整体作用控制着盆地充填、 富煤带的 分布和迁移。盆地构造是 诸多因素中 的主导因素， 盆地构造演化的间歇性， 控制着盆地聚煤作用在垂向 时间 上 的 周 期性。盆地构造的 样式和活动， 对煤层的厚度、 结构和分布范围均有直 接的影响， 并控制古 增刊 程爱国等 聚煤作用系统论和系统分析 流的方向、 物质的 搬运、 沉积速率和古地理格局。沉积作用是泥炭沼泽分布和发育的直接 控 制因素， 由于 沉积充 填物的负载作用， 在一 定的程 度上 影响盆 地构 造的 形式。全 球海平面的 升降在盆地中 表现为相对海平面的变化， 在盆地沉积充填、 层 序地层格 架以 及泥炭沼泽的 分 布和富煤带的迁移等多个 方面 起到明显的 作用， 这At作用是通过同构造、 沉积的相互 影响 得 到体现。同上述3 个主要因素 相比， 盆地 植物类型和群落、 搬运作用和 盆地气候条件在盆 地 聚煤中的作用则是比 较次要的。 对于 小型 盆地来说， 盆地的植物类型和古气候条件基本是 一致的。盆地内部的 搬运作用是 沉积物质的 重组过程， 如 河流和分流 河道对煤层冲 刷、 切割 现象， 但是这种作用是局部的 煤层组 泥炭沼泽 子系 统 是指面积 大、 分布范围广， 可以成为独立的沉积体系的 煤层 组 泥炭沼泽 ， 对于其它沉积 体系中的泥 炭沼泽相， 则不单独建立子系统。煤层组 泥炭沼 泽 作为独立的系 统， 具有自 身的演化规律， 它是内外部地质条件平衡的产物。内部地质因 素 包括沼 泽沉积环境、 沼泽水 文条 件、 成煤植物类型和群落、 差异压实、 沼泽基 底地形等。沼 泽自 身的 沉积环境影响煤层的灰分、 结构和泥炭沼泽的 发育。 沼泽水文条件包括水深、 水介 质条件 曲, E h , 浊度 、 水的流动性、 地下水的 水位， 它决定着煤层煤质和煤岩以 及煤的结 构。 差异压实作用和沼泽基底地形影响着 煤层的厚度、 形态和 结构。泥炭沼泽 各种因素间 也相互影响、 相互联系， 同外部地质条件相互配合， 控制着泥炭沼泽的发育 图3 0 2 聚 煤作用系统的特点 聚煤作用作为一个系统， 具有系 统的 基本特点 集合性 聚煤作用系统由多个要素、 多个子系统组成， 是多种要素的集合， 可用集合论进 行概括 S XI R 其中，X 3 X i E X一 1 1 一川 R } ， 。 一 X i R x j , I 1 一 n l 1 一 n S为聚煤作用系统， X为聚煤作用要素的集合， R为要素关系集合。 关联性 聚煤作用系统的各要素之间、 要素和系 统之问、 子系统和系 统之间、 系统和系统 之间、 系 统和 环境之间存在着相互联系、 相互依存的 特定关系。 如盆地构造对盆地古地理的 演化具有明显的控制作用， 反之， 沉积物的负载作用也对盆地构造产生一定的影响， 两者的 相互作 用共同对聚 煤作用进行制约。 整 体性 聚煤作用各要素相 互联系、 相互作用， 以 一定的逻辑关系构成一个具有特定功 能的 有机整体， 从而， 从整体上控制泥炭沼泽的发育、 富 煤带的分布和聚积规律。聚煤作用 的各要 素并非独立的 影响聚 煤作用， 而是 相互影响、 相互协调， 表现出整体功能; 但是， 整体 功能并不等于各 要素 之和， 即非加和 性。这 就是聚煤作用系 统分析区别于一般聚煤作用分 析的关键所在。 目的性 聚煤作用系统和聚煤作用系统分析具有鲜明的目的性。聚煤作用系统的 目的 就是各 要素间的 相互联系、 相 互协调， 从而制约煤的聚积; 系统分析的目 的就是， 通过各种聚 煤作用参数或要素的识别， 达到系统分析聚煤规律的目的， 它是有别于盆地分析、 沉积环境 分析和构造分析的。 层次性 聚 煤作用系 统可 划分为 不同 层次的系 统， 聚煤作用要素也可以划分为不同的 层 ﹄膺卜医限卜.咋卜‘1|1人比尸卜esl卜.J.L卜尸r..1‘11肠.1‘1‘1﹂L||||||||||一|一 一一|||1||1.J门11||| 地 球 学 报 中国地质科学院院报 1 9 9 9 年 图3 煤层 煤层组 子系统 F i g . 3 T h e s o n - sy s t e m. t i c r m p o f c o a l - b e d o r c o a l- g rou p 次， 高一级的因素控制下一 级因素， 如盆地聚 煤作用系 统控制煤层组 泥炭沼泽 子系 统。 环境适应性 高一层次的聚煤作用系统包括下一层次的聚煤作用系统， 高一层次的聚煤 作 用 系 统 是 下 一 层 次 系 统的 环 境， 系 统 和 环 嶂 之 间 有着 物 质、 能 量 和 信 息的 交 换， 环 境 的 变 化往往引起系 统特征的 变化， 反之， 系统的 作用也会引 起环境的 变化。 如泥炭沼泽子系统的 环境就是盆地聚煤作用系统， 盆 地构造、 沉积环境、 水源补给的变化将会引起泥炭沼泽的发 育和消亡， 泥炭的堆积速率和盆地沉降速率， 沼泽的 水的补 给量和排除量应达到平衡， 否则， 泥炭沼泽子系统将要消亡。 3 聚煤作用系统的 类型 聚煤作用系统是一个开放的系统。 无论是泥炭沼泽子系统还是盆地聚煤作用系统， 都 存在着物质、 能量、 信息的交换。 聚煤作用系统是一个动态系统。现有聚煤盆地和煤层似乎是静态的， 但它是古代构造 运动、 沉 积作用和聚 煤作 用的产物， 聚煤的 过程是一个动态的过程， 只有将聚煤作用系统看 成一个动态的系统， 才 能客观 地认识聚 煤作用过 程和聚 煤规律。 尽管我们对聚煤作用有一定的认识， 可以识别出很多聚煤作用的因素和参数， 并对他们 之间的联系有一定的了 解， 但是， 由 于聚煤作用发生在遥远的 古代和聚煤过程的复杂性， 人 们对它的了解， 仍然 处在 不完全可知阶 段， 尚 不能用数学模型加以 概括， 因 此， 聚煤作用系统 还是一个灰色系统。 增刊 程爱国等 聚煤作用系统论和系统分析 4 聚煤作用系统分析方法 煤层和聚 煤盆地是古 代聚 煤作用的 产物和 地质记录， 通过聚煤盆 地和 煤层的 有关参数， 恢复聚煤 作用系 统是相对困难的。聚 煤作用系统分析就是通过煤层和聚煤盆地等有关聚煤 参数的收集， 运用系统论和系统_ 〔 程的方法， 研究各种聚煤参数之间的关系及其整体作用， 建立聚 煤作用系 统， 反演占 代聚煤作用的 过程。 1 确定聚煤作用系统的层次 聚煤作用系 统分析应针对不同的研究对象， 确定不同聚 煤作 用系统、 系 统层次。 一般地， 以研究对象为系统， 比 研究对象低一级的作为子系统， 将研 究对象高一级系统作为系统环境进行研究C如研究对象为聚煤盆地， 则以聚 煤盆地为聚煤 系 统， 以主要 煤层组或泥 炭沼泽体系 为子系统， 以聚 煤域为系 统的 环境 2 聚 煤作用系 统分析的基本步骤 以聚煤盆地为例， 探讨聚 煤作用系统分析的基本步 骤。 第一步 系 统环境分析。 聚煤盆地系统环境分析的区域一般为聚煤域; 但也可以 根据实 际情况， 适当 缩小研究区 域。 重点研究聚煤盆地的基 底构 造， 包括基底的 性质 基 底的先存 构造， 所处的大地构造部位及构造环境; 分析和 划分构造层序和工 、 II 级海平面 变化 周期; 研 究古 气候背景和 古气候带的 分布; 分析古 地理格局。 上述研究分析仅是系统环境分析的单 因素分析， 系统环境分析的重点应该是因素问的关联分析， 各因素的相互作用所产生的系统 的整 体， 对盆地形成、 演化以 及聚 煤作用的系统控制 第二步 聚煤盆地系统分析。盆地系 统分析应该以盆地层序地层分析或其它高分辨率 的年 代地层划 分和 对比 为基础。 主要参数为盆地构造、 沉积作用、 盆地的古植物、 海平面 湖 平面 变 化、 搬运作用和盆地气候条件变 化ON 图2 ,盆地构造分析主 要通过等时的地层厚 度变化分析， 研究古 构造对沉积作用、 占 地理演化的 控制以及与 煤层厚 度、 结构的关系; 沉积 作用分析以 层序地层划分和对比 为基础， 在层序地层格架中 研究沉积体系的空间配置， 着重 研究煤层组子系统顶底的沉积体系配置， 水介质条件和差异压实作用以及与煤层厚度、 结构 和煤质的关系。盆地占植物分析不仅要分析古植物的垂向演化， 还要探讨成煤期的古植物 群落以及与泥炭沼泽植物的关系。盆地内海 平面变化主要是指相对海平面变化， 研究海平 面 变化和盆地构造的相 互作用控制 沉积 作用和 搬运作用以 及对泥炭沼泽分布的影响。盆地 气候的变化是比 较小的， 小型盆地古气候的变化可以忽略。搬运作用主要体现在对泥炭的 冲刷和破坏上。 第三 步 煤层组子系统分析。主要参数为 煤体 厚度、 结构 、 煤质 硫分、 灰分 、 煤岩 煤 岩成分、 显微煤岩组分、 镜惰比、 凝胶化指数、 煤岩结构等 、 沼泽植物群落、 地化指标、 沼泽内 部沉积 环境。上 述单因 素的分析是非常重要的， 但更为重 要的 应该是各参数间的关联分析， 研究各 种参数间的 相互关系， 同时 结合子系 统的 环境分析 即聚煤盆地系统分析 ， 从而建 立 不同煤层组的系统模型。 第四步 聚煤盆地系统整体演化分析。是聚煤作用系统分析的归纳和提炼阶段。主要 研究内 容是， 将不同 层次的系 统分析紧密结合起来， 研究子系统和子系统的相互关系， 系统 和环境之间的关系， 解析盆地聚煤作用的 过程， 从而建立盆地聚煤作用系统模型， 得出聚 煤 作用结论。 1|es. 地球学报中国地质科学院院报1 9 9 9年 ||叫|||一|一| 第五步 系统评价。 系统评价是对聚煤作用优劣进行 评价的一种定量 方法， 这项工作可 根据需要确定， 并不是必不可 少的。系统 评价的基本思路是， 运用层次分析法， 建立评价的 指标体系， 确定不同参数和指标的权重， 对各种 指标进行分级和量化处理， 应用灰色聚 类分 析， 得出评价的定量结果， 系 统优劣 类V. -般分为良 性系统、 准良性系 统和恶性系 统3 类。 一一llesTesjesl 5 结论和建议 1 煤层或泥炭、 富煤带的 分布是聚煤作用系 统整体作用的结果。 各种因素间是相互联 系、 相互作用、 相互关联的， 任何单因素的影响都是通过系统的整体作用得到体现。 2 聚煤作用一般划 分为 全球聚 煤作用 超系统、 聚煤域巨系 统、 聚煤盆地系统和煤层组 子系统4 个层次， 不同 层次聚 煤系统间相互 联系、 相互作用、 高层次聚煤作用控制低层次聚 煤作用， 低层次聚煤作用具 有相对独立 性， 同时， 通过系 统能量的 输出， 影响高一层次的聚煤 作用。 3 聚 煤作用系 统分析 有别于一 般系 统分析， 它是通过各种聚煤参数的 识别， 研究各种 参 数间的关系， 反演古 代聚 煤作用系 统过 程、 因此， 聚煤作用系统分析是一项十分复杂而艰 巨的工作。 4 系 统分析的 方法同 一般聚 煤作用分析 方法不是 割裂的， 而是以 一般聚煤作用分析为 基础的， 系 统分析所强调的 是各种聚 煤因素间的关联分析和整体作用。聚煤作用系统分析 的重点 应该是煤层和富 煤带的研究， 有别 于一般的盆地 分析。 5 本文所提供的只是聚煤作用系统分析的一般方法， 在具体聚 煤作用系统分析时， 要 根据不同的目的、 任务、 研究对象， 确定不同的方法。 参考文献 刘惠生. 管理系统〔 程教程， 北京 企业管理出版社， 1 9 9 1 , 1 0 2 一1 2 0 . T h e S y s t e m a t i c A n a l y s i s o f C o a l A c c u mu l a t i o n P r o c e s s C h e n g A ig u o L i n C h i n o N t u m a l A d min i st r a t io n o f D a y a n C oo lu g y . 7 h a uh n a P e n g S u p in g C h i n a u n i- v y 可 Mi n in g a n d T e ch n o l o g y . B e ij i n g A b s t r a c t T h e “ b e d a n d c o a ] 一 ri c h z o n e w a s a n e f f e c t s w h i c h t h e f a c t o r o f c o a l a c c u mu l a t i o n p r o c e s s s y s t e m a t i c a c t i o n . T h e c o a l a c c u m u l a t i o n p r o c e s s s y s t e m c a n is c la s s i f ie d f o u r l e v e l s; t h e s u p e r 一s y s t e m o f t h e g l o b e c o a l a c c u mu l a t i o n , t h e v a s t s y s te m o f c o a l a c c u mu l a t io n d o - ma in , t h e s y s t e m o f c o a l a c c u mu l a t i o n b a s i n a n d s o n一 s y s t e m o f c o a l b e d o r c o a l s e a m g rou p . We t a k e c o a l a c c u mu l a t i o n p r o c e s s a s a s y s t e m t o s t u d y o r i g i n o f c o a l b e d a n d c o a l 一r i c h z o n e , a n d w e wil l d i s c u s s i n g me t h o d o f t h e s y s t e ma t i c a n a ly s is o f c o a l a c c u mu la t io n p r o c e s s i n t h e a r - K e y w o r d s c o a l a c c u mu la t io n p r o c e s s s y s t e m a t ic t h e o ry s y s t e m a t ic a n a l y s i s