目錄

　　第一章 宇宙中的地球

　　第二章 礦物、巖石的基本知識

　　第一節(jié) 礦物

　　第二節(jié) 巖石

　　第三章 地史的基本知識與煤

　　第四章 煤及煤層的相關(guān)知識

　　第一節(jié) 煤的形成及煤

　　第二節(jié) 煤層

　　第五章 煤層的空間形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造

　　第一節(jié) 單斜構(gòu)造及產(chǎn)狀

　　第二節(jié) 褶皺構(gòu)造

　　第三節(jié) 斷裂構(gòu)造

　　第四節(jié) 巖溶陷落柱

　　第五節(jié) 河流沖刷帶

　　第六章 礦井瓦斯與煤塵

　　第一節(jié) 瓦斯

　　第二節(jié) 煤塵

　　第七章 礦井水

　　第一節(jié) 地下水的基本知識

　　第二節(jié) 礦井充水條件

　　第三節(jié) 礦井水的觀測

　　第四節(jié) 礦井水的防治

　　第八章 生產(chǎn)礦井的地質(zhì)工作

　　第一節(jié) 井下地質(zhì)編錄

　　第二節(jié) 煤礦主要地質(zhì)圖及識別

　　第九章 煤炭儲(chǔ)量

　　第一節(jié) 煤炭儲(chǔ)量的計(jì)算

　　第二節(jié) 儲(chǔ)量管理

　　附錄一 主要地形地物符號

　　附錄二 常用地質(zhì)圖例

　　附錄三 地層代號和色譜表

　　附錄四 煤的化學(xué)成分和工藝性質(zhì)常用指標(biāo)名稱及代號

　　緒　　　論

　　山西是全國煤炭大省，煤炭產(chǎn)業(yè)是山西的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，在傳統(tǒng)的煤炭開采過程中，由于其地質(zhì)條件相對簡單，普遍存在著重生產(chǎn)，輕安全的思想。

　　隨著我省淺部煤層(地質(zhì)條件相對簡單)的日益枯竭，煤炭開采正逐步向煤田的縱深發(fā)展，地質(zhì)條件也日趨復(fù)雜化，由此，造成了煤礦安全事故時(shí)有發(fā)生，煤礦安全生產(chǎn)問題也被突顯出來。在此形勢下，晉城煤業(yè)集團(tuán)公司高瞻遠(yuǎn)矚，委托我院相關(guān)專業(yè)的資深教師組織編寫了一套煤礦知識培訓(xùn)教材，這應(yīng)該說是煤礦企業(yè)的明智之舉，也是一大幸事。

　　我所編寫的這部煤礦地質(zhì)培訓(xùn)教材，正是在這種形勢下完成的，全書共分九個(gè)單元，內(nèi)容以地質(zhì)理論為基礎(chǔ)，緊緊圍繞煤及煤炭開采條件等方面的基本知識加以綜述。其中，重點(diǎn)闡述了煤的基本知識，煤層的賦存形態(tài)，和各種地質(zhì)因素對煤炭開采的影響。

　　在編寫過程中，我們盡可能讓書本知識貼近于生產(chǎn)實(shí)踐，力爭做到通俗易懂，希望通過我們的努力確實(shí)能為廣大的煤炭工作者服務(wù)。然而，由于編者知識水平有限，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，書中難免會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的瑕疵，希望廣大同行批評指正。

　　編者：劉國偉

　　于2007年7月

　　第一章 宇宙中的地球

　　宇宙誕生了地球，地球產(chǎn)生了生命，生命使地球欣欣向榮。地球?yàn)榈厍蛏鼱I造了唯一的生存空間，同時(shí)也為人類造就了煤層、石油等礦產(chǎn)資源。

　　一、地球的形、體、位

　?、?地球的形狀

　　16世紀(jì)初，人們從麥哲倫的航海實(shí)踐中，第一次證明了地球是一個(gè)球體。然而，地球并不像地球儀那樣地“圓”?，F(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段已經(jīng)證明，地球是一個(gè)北極稍凸，南極稍凹的“梨狀體” (圖1—1)。地球表面以海平面為界可劃分出海洋和陸地兩大地理單元，其中，陸地表面積只占地球總表面積的1/3。所以從世界地圖上來看，陸地就好像幾個(gè)“大孤島”，“漂浮”在藍(lán)色的海洋中，且多集聚于北半球(圖1—2)。地球上最高的地方是珠穆朗瑪峰達(dá)8848m，最低的地方是馬里亞納海溝達(dá)-11034m。

　　圖1—1地球形狀 圖1—2海陸分布圖

　?、?地球的大小

　　對過去的人們來講，地球很大，茫茫無際。但隨著科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在的人們借助于現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段一日可達(dá)地球的任何角落，從這個(gè)意義上來說，地球更像一個(gè)大“村莊”---- 地球村。事實(shí)上，在茫茫宇宙中，任何有形的實(shí)體都是微不足道的。如果將地球和太陽作一下比較，假定地球的體積為1，則太陽比地球大130萬倍，而太陽在宇宙中也不過是一顆極普通的恒星。

　　地球的實(shí)際大小可用以下三個(gè)參數(shù)來說明：地球的平均半徑為6371km，表面積5.1×108km2，體積約為1.08×1012km3。

　　⒊ 地球的位置

　　宇宙是什么，古人稱“四方上下曰宇，古往今來曰宙”。宇宙是無限、永恒、不斷運(yùn)動(dòng)變化的客觀物質(zhì)世界。“宇”是空間的概念，是無邊無際的;“宙”是時(shí)間的概念，是無始無終的;宇宙是無限的空間和時(shí)間的對立統(tǒng)一體。

　　宇宙中有許多巨大的星系團(tuán)，在這些星系團(tuán)內(nèi)有數(shù)十億乃至上千億顆恒星，恒星的周圍是數(shù)量不等的行星，行星的周圍則是一些更小的衛(wèi)星。

　　地球是宇宙中，銀河系內(nèi)，太陽系里的一顆行星。地球有一顆衛(wèi)星，即月球。

　　二、地球的物理性質(zhì)

　　地球作為宇宙間獨(dú)一無二的天體，有她自己獨(dú)特的性質(zhì)，表征了其本身的屬性，這些屬性便是地球的物理性質(zhì)。地球最主要的物理性質(zhì)有：密度、地壓、地溫、地磁、重力、彈性和塑性等。

　?、?密度

　　根據(jù)牛頓的萬有引力定律，計(jì)算出地球的質(zhì)量再除以其體積可得到地球的平均密度為5.52g/cm3，而地表巖石的平均密度卻只有2.8 g/cm3，這說明地球內(nèi)部的物質(zhì)密度要比外部大。從地震資料推定，地球內(nèi)部的物質(zhì)密度隨著深度的加深而加大，越接近地心處，物質(zhì)的密度越大，可達(dá)16 g/cm3，。這種變化反映出地球內(nèi)、外部的物質(zhì)在物質(zhì)成分和物理狀態(tài)上有著很大的差異。

　?、?地壓

　　地壓是指來自地球內(nèi)部的壓力，地壓通常表現(xiàn)為二種方式。

　　靜壓力 指由于巖石本身的重量，上部巖石對下部巖石所產(chǎn)生的壓力。靜壓力的大小隨地殼深度的增加而增加。

　　地應(yīng)力 指由于地殼運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的來自巖層水平方向的壓力。地應(yīng)力也隨深度的增加而增加。在礦山巷道中，對地應(yīng)力的大小、方向和集中地帶進(jìn)行測量和研究，有助于解決巷道管理、煤與瓦斯突出等問題。

　?、?地溫(地?zé)?

　　地溫是指地球內(nèi)部的溫度。熾熱的巖漿、沸騰的泉水等現(xiàn)象都表明地球內(nèi)部有很高的溫度。由于煤層賦存在近地表的地方，煤礦工作者關(guān)心的主要是近地表處地溫的情況，地溫在近地表處的分布常具有一定的規(guī)律性。地溫自地表向下呈現(xiàn)出三個(gè)變化帶，分別是變溫帶、恒溫帶和增溫帶。各帶的特征，深度，影響因素等比較如下(見表1-1)。

　　表1—1地溫分帶特征表

　　地溫帶特 征影 響 因 素深度(米)

　　變溫帶溫度隨緯度、季節(jié)、晝夜等的變化而變化地球外部溫度(太陽的輻射熱)15～30

　　恒溫帶地溫常年保持不變，等于當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁貎?nèi)、外部溫度雙重作用20～30

　　增溫帶隨深度的增加表現(xiàn)出一定的規(guī)律性(以地溫梯度表示，單位℃/100m)地球內(nèi)部的溫度>30

　　地溫高時(shí)對煤礦生產(chǎn)十分不利，有的煤礦井下溫度可高達(dá)40℃以上，嚴(yán)重影響到工人的身體健康，以至于無法正常生產(chǎn)。如河南平頂山八礦當(dāng)開采水平至-800m時(shí)地溫高達(dá)45℃。另外，地?zé)崴畬略O(shè)備還具有較強(qiáng)的腐蝕性。

　　⒋ 地磁

　　地球所具有的磁場稱為地磁。地磁場和條形磁鐵的磁場很相似，形成的是一個(gè)偶極子磁場(圖1—3)。地磁軸與地理軸近乎一致，但并不完全重合，兩者的交角約11.5°，這也就是說，地理的極和地磁的極也不完全一致。這樣就使地磁子午線與地理子午線產(chǎn)生了一個(gè)交角，叫磁偏角。因此，在使用羅盤進(jìn)行測量時(shí)，要進(jìn)行磁偏角的校正。磁針在磁赤道上呈水平狀態(tài)，由赤道向兩極方向移動(dòng)時(shí)，磁針逐漸傾斜且傾角逐漸加大，到磁極時(shí)磁針直立。我國地處北半球，磁針距磁北極較近，指北針一側(cè)因受磁北極的吸引而向下傾斜，相反使指南針一側(cè)上翹，為了使磁針在測量時(shí)保持水平，故在指南針一側(cè)系銅絲加以平衡。

　　⒌ 重力

　　重力場對物體產(chǎn)生的力，叫重力。重力是物體與地球之間萬有引力和地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生離心力的合力。萬有引力的方向豎直指向地心，且萬有引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離心力，所以重力的方向近乎豎直向下。地球上任何物體都要受到重力的作用，上述地壓中的靜壓力就是巖層在重力的作用下產(chǎn)生的。

　　⒍ 彈性與塑性

　　地球具有彈性 證據(jù)如下，海水在日月引力的作用下會(huì)發(fā)生漲落現(xiàn)象，稱為潮。這是液體的彈性變形;用精密儀器測定，在日月引力的作用下，固體地殼也具有升降現(xiàn)象，其幅度可達(dá)7～15cm，稱為固體潮。另外，地震或人工爆炸所形成的地震波為彈性波，而彈性波只能在彈性介質(zhì)中才能被傳播。這些現(xiàn)象都表明：地球具有彈性。

　　地球具有塑性 證據(jù)如下，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使赤道半徑大于兩極半徑，從而使地球稍具扁度;地球內(nèi)部物質(zhì)存在著對流;自然界中，堅(jiān)硬巖層中的各種形跡(如后面章節(jié)介紹的褶皺構(gòu)造)等現(xiàn)象表明：地球存在著塑性變形。

　　1—3地磁場的磁力線圖 1—4地球的內(nèi)圈層

　　三、地球的圈層構(gòu)造

　　地球是一個(gè)由不同物質(zhì)，以不同狀態(tài)所組成的同心圈層的球體，這種構(gòu)造叫地球的圈層構(gòu)造。作為地球，其組成不僅僅是固體的巖石，也包括她的水體、大氣和生物等。我們大致以地表為界，把這種同心圈層劃分為：外圈層和內(nèi)圈層。

　　(一)外圈層

　　外圈層主要是指地表以上的圈層，包括大氣圈、水圈、生物圈。

　　⒈ 大氣圈(層)

　　大氣圈是指地球最外層的氣體圈層。大氣圈包裹在地球的周圍，其下界可至水中，巖石的裂隙和空隙中，其上界可達(dá)1800km以外。大氣圈的主要成分是氮?dú)夂脱鯕?，其次是水蒸氣、二氧化碳?xì)怏w等。在大氣圈里，大氣壓和氣溫隨海拔的升高而減小。

　　大氣圈是地球的“保護(hù)傘”，她保護(hù)地球生命免受各種宇宙射線的危害;防止地表溫度的劇烈變化和水分散失;保護(hù)地球免遭眾多流星的沖擊。大氣圈是“雕塑家”，她通過風(fēng)、霜、雨、雪等對地表進(jìn)行改造、加工，造就了萬千的地質(zhì)地貌，同時(shí)大氣圈對氣候的分帶及生物的生存等也起著十分巨大的作用。

　?、?水圈

　　水圈是地球表面的液體部分。它包括海洋水和陸地水，陸地水又包括河流、湖泊、沼澤、冰川、地下水等。水圈的主體是海洋，海洋水占全球水總體積的96.5%。地球上的水在不停的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化中，大體上形成了一種動(dòng)態(tài)平衡，即水循環(huán)(參見第七章第一節(jié)中的內(nèi)容)。

　　水圈是生命誕生的搖籃，是生命活動(dòng)的給養(yǎng)，生命起源于水中，任何生命都離不開水;水圈是“雕刻刀”，它對地球的外貌不停地進(jìn)行加工、塑造。

　　⒊ 生物圈

　　生物圈是指地球表面有生命活動(dòng)的圈層。在這個(gè)圈層里，既有看得見的生物，也有看不見的微生物，生命活動(dòng)無處不在。

　　生物的生命運(yùn)動(dòng)是地球區(qū)別于其它星球的典型特征。地球上自出現(xiàn)生命以來，便宣告她是一個(gè)有別于其它星球的特殊天體。生物的生命活動(dòng)不斷地對地球進(jìn)行著改造。例如，生物活動(dòng)對大氣成分的改造，對巖石、土壤的改造等。另外，生物的生命活動(dòng)也為多種礦產(chǎn)的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，如煤和石油的形成。

　　(二)內(nèi)圈層

　　內(nèi)圈層是指從地球表面往下直到地球中心的各圈層。目前，最深的鉆井深度也只有11km，這和地球的半徑相比較是微不足道的。因此，對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，只能依靠一些間接手段。例如，對地震波的研究。

　　1909年前南斯拉夫的地球物理學(xué)家莫霍洛維奇和1914年美國學(xué)者B.古登堡各自在研究地震波傳播的實(shí)踐中，分別發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)部的兩個(gè)地震界面(地震波的波速產(chǎn)生急劇變化的界面)，由于其杰出成就，為紀(jì)念這兩位科學(xué)家，地質(zhì)界把這兩個(gè)界面分別叫莫霍面和古登堡面。陸地上莫霍面的平均深度為33km，古登堡的平均深度為2900km。這兩個(gè)界面表明，地球內(nèi)部的物質(zhì)至少可劃分為三個(gè)圈層。即：地殼、地幔、地核(圖1—4)。

　　⒈ 地殼

　　地殼是指自地表向下至莫霍面的圈層。該圈層主要是由各類硅酸鹽礦物和巖石組成的。從地殼的平均厚度和地球半徑的大小相比而言，地殼只是位于地球表層的很薄的固體外殼。地殼分為陸殼和洋殼，陸殼的平均厚度為33 km，洋殼的平均厚度為6 km。目前，人類所需的各類礦產(chǎn)資源都來自地殼當(dāng)中。

　?、?地幔

　　地幔是指位于莫霍面和古登堡面之間的圈層。因其位置在地殼和地核之間，故又稱中間層。地幔分為上地幔和下地幔，在上地幔的100 km～150 km處有一個(gè)低速帶或軟流圈，低速帶內(nèi)的物質(zhì)呈液態(tài)，塑性較大，可能是巖漿的發(fā)源地。

　?、?地核

　　地核是從古登堡面到地心的圈層。其半徑為3473 km，地核的物質(zhì)成分以鐵、鎳為主。

　　四、地質(zhì)作用概述

　　自地殼形成至今的數(shù)十億年里，地殼的形態(tài)、外貌、物質(zhì)組成、內(nèi)部構(gòu)造等都在不停地發(fā)生變化。我們把促使地殼的地表形態(tài)、物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等發(fā)生變化的各種作用的總稱叫地質(zhì)作用。地質(zhì)作用按其能量來源可分為：內(nèi)力地質(zhì)作用和外力地質(zhì)作用。

　　(一)內(nèi)力地質(zhì)作用

　　內(nèi)力地質(zhì)作用是指能量來源于地球內(nèi)部(化學(xué)能、蛻變能、自轉(zhuǎn)能、地?zé)崮艿?的地質(zhì)作用。它包括：地殼運(yùn)動(dòng)、巖漿作用、變質(zhì)作用、地震作用。

　　⒈ 地殼運(yùn)動(dòng)

　　地殼運(yùn)動(dòng)是指組成地殼的物質(zhì)所產(chǎn)生的大規(guī)模的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。按其運(yùn)動(dòng)的形式又分為水平運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)。

　　水平運(yùn)動(dòng)是組成地殼的物質(zhì)沿地球切線方向的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)使地殼受到擠壓、拉伸或者平移甚至旋轉(zhuǎn)。水平運(yùn)動(dòng)主要引起的是地殼的拉張和擠壓，從而使巖層發(fā)生彎曲和斷裂，形成山脈和盆地。其代表學(xué)說有板塊學(xué)說和地質(zhì)力學(xué)學(xué)說(參看其它書籍)。

　　升降運(yùn)動(dòng)是組成地殼的物質(zhì)所產(chǎn)生的沿垂直于地表方向的運(yùn)動(dòng)。升降運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式為上升或下降。一個(gè)地區(qū)長期反復(fù)的上升和下降稱為振蕩運(yùn)動(dòng)。升降運(yùn)動(dòng)主要引起了地殼的海陸變化，氣候變化等，同時(shí)也控制著煤系地層的分布范圍，影響著煤層的層數(shù)、厚度和結(jié)構(gòu)。

　?、?巖漿作用

　　巖漿是指地下深處高溫高壓的、富含揮發(fā)分的硅酸鹽熔融體。巖漿在地壓的作用下會(huì)沿構(gòu)造破碎帶向上運(yùn)移，侵入至圍巖當(dāng)中，甚至?xí)姵龅乇硇纬苫鹕?。巖漿在地殼中的不同部位產(chǎn)生冷凝形成巖漿巖。巖漿巖是地殼當(dāng)中三大類巖石中的一類。巖漿在地層中冷凝形成的巖石是侵入巖，巖體叫侵入體;火山噴發(fā)形成的巖石為噴出巖，巖體叫熔巖體。當(dāng)巖漿侵入煤系地層中時(shí)，就形成了煤層中的侵入體。巖漿從形成運(yùn)移到冷凝成巖的全過程叫巖漿作用。

　?、?變質(zhì)作用

　　已形成的巖石在地溫、地壓、外來物質(zhì)(巖漿中的熱液)的參與下，會(huì)發(fā)生礦物成分，結(jié)構(gòu)構(gòu)造的改變形成新巖石。這種地質(zhì)作用叫變質(zhì)作用，所形成的新巖石叫變質(zhì)巖。變質(zhì)巖也是地殼三大類巖石中的一類。在煤系地層中，不同種類的煤均是由褐煤經(jīng)變質(zhì)作用而成的。(參見第四章的相關(guān)內(nèi)容)

　?、?地震作用

　　地震是地殼的快速顫動(dòng)。一次地震從發(fā)展、發(fā)生到消失表現(xiàn)為三個(gè)時(shí)期，即孕震期、發(fā)震期、余震期。從孕震、發(fā)震到余震的全過程叫地震作用。大的地震常造成屋毀人亡的悲殘局面。地震的類型分為以下幾種：構(gòu)造地震、火山地震、陷落地震和人為地震。其中發(fā)生頻度最高，破壞力最強(qiáng)的地震是構(gòu)造地震。我國位于世界二大地震帶(環(huán)太平洋地震帶，阿爾卑斯—印尼地震帶)之間，是世界地震發(fā)生頻度較高的國家。

　　(二)外力地質(zhì)作用

　　外力地質(zhì)作用指能量來源于地球的外部(主要是太陽能和日月的引力能等)，促使地表和近地表地方的巖石、礦物產(chǎn)生變化的各種地質(zhì)作用。按照作用的方式，外力地質(zhì)作用又分為：風(fēng)化作用、剝蝕作用、搬運(yùn)作用、沉積作用和固結(jié)成巖作用。

　?、?風(fēng)化作用

　　地表和近地表的巖石在溫度、大氣、水、生物等的作用下原地所產(chǎn)生的機(jī)械破碎或化學(xué)分解的過程叫風(fēng)化作用。這種現(xiàn)象叫風(fēng)化。風(fēng)化作用按其產(chǎn)生的原因或方式又可分為物理風(fēng)化作用、化學(xué)風(fēng)化作用和生物風(fēng)化作用。

　　物理風(fēng)化作用是指巖石、礦物主要以機(jī)械破碎的方式發(fā)生破壞的地質(zhì)作用。其特點(diǎn)是化學(xué)成分不變，大塊變小塊;化學(xué)風(fēng)化作用指巖石、礦物在破壞時(shí)，發(fā)生了根本的改變，其物質(zhì)的形式或種類產(chǎn)生了變化;生物風(fēng)化作用指生物在其生命活動(dòng)中直接或間接地對巖石、礦物產(chǎn)生的破壞作用，既可是機(jī)械的破壞，又可以是化學(xué)的破壞。經(jīng)過風(fēng)化作用形成了三種類型的風(fēng)化產(chǎn)物，分別是碎屑物質(zhì)、殘余物質(zhì)和化學(xué)溶解物質(zhì)。風(fēng)化產(chǎn)物是形成沉積巖的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　?、?剝蝕作用

　　風(fēng)化產(chǎn)物被流水、風(fēng)、冰川、生物等地質(zhì)營力從巖石母體上剝落，并繼續(xù)破壞巖石的地質(zhì)作用。由此可見，剝蝕作用一方面將風(fēng)化產(chǎn)物剝離母體，使新鮮的巖石裸露地表繼續(xù)遭受風(fēng)化;另一方面，在剝離開母體時(shí)也對巖石繼續(xù)進(jìn)行著破壞。風(fēng)化和剝蝕都是對巖石的破壞作用，它們彼此間相互聯(lián)系、相互依賴和相互影響。

　?、?搬運(yùn)作用

　　風(fēng)化、剝蝕的產(chǎn)物在風(fēng)、流水、冰川等的作用下從風(fēng)化剝蝕區(qū)搬至另一個(gè)地方的地質(zhì)作用叫搬運(yùn)作用。搬運(yùn)作用可以是機(jī)械形式的搬運(yùn)，也可以是化學(xué)形式的搬運(yùn)。碎屑物質(zhì)在搬運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生分選(按比重或大小分別集中)和磨圓(碎屑物質(zhì)被逐漸磨圓)的現(xiàn)象，分別稱為碎屑物的分選性和磨圓度。

　?、?沉積作用

　　被搬運(yùn)的物質(zhì)因搬運(yùn)能量的減小或介質(zhì)環(huán)境的改變在一定的地點(diǎn)產(chǎn)生沉淀的地質(zhì)作用叫沉積作用。沉積作用的方式可以是機(jī)械沉積，也可以是化學(xué)沉積，還可以是生物沉積。如沼澤中植物遺體的沉積即為生物沉積。沉積下來的物質(zhì)叫沉積物。在地表的很多地方特別是低洼的地方都可以發(fā)生沉積，如山角下、河道中、湖泊中、沼澤中等，但最重要的沉積產(chǎn)所是海洋中，特別是淺海環(huán)境。如三角洲的形成。

　?、?固結(jié)成巖作用

　　剛沉積下來的物質(zhì)往往多孔、富水，呈松散狀。松散的沉積物在其被新的沉積物覆蓋并繼續(xù)沉降的過程中，受到地壓、地溫、溶解物柝出等多種條件的影響，逐步變得致密堅(jiān)硬形成新的巖石的過程，叫固結(jié)成巖作用。所形成的新巖石叫沉積巖。沉積巖廣泛分布在地表和近地表的地方，是我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中最常見的一類巖石，其中可蘊(yùn)藏大量的沉積礦產(chǎn)，如煤、石油、鐵等礦產(chǎn)。

　　內(nèi)、外力地質(zhì)作用是地殼發(fā)生改變的根本因素，二者對立統(tǒng)一。一方面內(nèi)力地質(zhì)作用要保持全球狀態(tài)的平衡，造山造海，使地表面崎嶇不平，這是地殼發(fā)展的主因;另一方面，外力地質(zhì)作用又對地表面進(jìn)行精雕細(xì)刻，時(shí)刻改變著內(nèi)力地質(zhì)作用形成的高低起伏，如把高山夷平，洼地填平，從而破壞了全球的狀態(tài)平衡。地殼的巖石有三大類，通過內(nèi)力地質(zhì)作用形成了二大類巖石，即巖漿巖和變質(zhì)巖，通過外力地質(zhì)作用形成了一大類巖石，即沉積巖。

　　第二章：礦物、巖石的基本知識

　　煤層賦存于地下的巖層當(dāng)中，巖層由不同的巖石組成，不同巖石的類型、強(qiáng)度、厚度、含水性等都直接影響到煤炭的開采。因此，認(rèn)識煤層周圍的巖石，了解其特征，是我們安全、科學(xué)地開采煤炭資源的先決條件。

　　然而，由于巖石是由礦物組成的，認(rèn)識巖石必須先從認(rèn)識礦物開始。

　　第一節(jié)：礦物

　　一、基本概念

　　礦物 由一種或一種以上的化學(xué)元素在地質(zhì)作用下形成的自然物質(zhì)。因此，礦物可以是單質(zhì)(如自然金Au)，也可以是化合物(如方解石CaCO3)。自然界中，絕大多數(shù)的礦物是化合物。

晶體　晶體是化學(xué)元素在自然狀態(tài)下，以一定的方式空間排序而形成的礦物形體。晶體上光滑的表面叫晶面(圖2-1)。

　　二、礦物的識別方法

　　野外對礦物的識別，是人們根據(jù)礦物的晶體形態(tài)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)來進(jìn)行的。

　　(一) 晶體形態(tài)：

　　礦物的晶體形態(tài)是指礦物晶體在自然條件下所生成的形態(tài)。包括礦物的單體形態(tài)和集合體形態(tài)

　　⒈ 礦物單體的形態(tài)

　　礦物單體形態(tài)是指晶質(zhì)礦物在生長條件良好時(shí)所形成的單個(gè)完整晶體(單體)的形態(tài)。礦物單體常具有特殊的幾何形態(tài)，歸納起來有以下三種類型(圖2—2)。

　　(1)一向延伸 沿一個(gè)方向生長，呈現(xiàn)柱狀、針狀等，如石英、輝銻礦、角閃石等;

　　(2)二向延伸 沿二個(gè)方向延展，呈板狀、片狀，如云母、長石等;

　　(3)三向延伸 三向等長，呈立方體、八面體，如黃鐵礦、石榴子石等。

　　A B C D E F

　　A—輝銻礦B—角閃石(一向延長); C—云母D—長石(二向延長);

　　E—黃鐵礦F—石榴子石(三向延長)

　　圖2—2 礦物的幾種晶體形態(tài)

　?、?礦物集合體的形態(tài)

　　集合體形態(tài)是指許多礦物單體聚合在一體的形態(tài)，它取決于礦物的單體形態(tài)和聚合方式。常見的有針狀聚合體、柱狀聚合體、片狀聚合體、板狀聚合體、粒狀聚合體等。

　　(二)礦物的物理性質(zhì)

　　礦物的物理性質(zhì)是指一種礦物區(qū)別于其它礦物的基本性質(zhì)，它是識別礦物的主要特征。礦物的物理性質(zhì)包括：礦物的顏色、條痕色、透明度、光澤、解理與斷口、硬度、密度等。

　?、?顏色

　　礦物的顏色包括自色、它色和假色。其中自色對鑒定礦物有意義，鑒定時(shí)用鐵錘敲開巖石，觀察新鮮面當(dāng)中礦物的自色;

　?、?條痕色

　　礦物粉末的顏色，對鑒定不透明礦物有重要意義。條痕用白色無釉瓷管來取。如赤鐵礦的條痕色為櫻紅色，黃鐵礦的條痕色為綠黑色，褐鐵礦的條痕色為黃褐色等。

　　⒊ 透明度

　　礦物透過光的能力。常見有透明礦物(如方解石晶體)、半透明礦物(如辰砂)、不透明礦物(如黃鐵礦)。大多數(shù)的非金屬礦物為透明礦物，而大多數(shù)的金屬礦物為不透明礦物。

　　⒋ 光澤

　　礦物反射光的能力。常見有金屬光澤、半金屬光澤、玻璃光澤、金剛光澤及其過渡類型的光澤，如油脂光澤、絲絹光澤等。如石英晶體的光澤是玻璃光澤，而其斷面光澤是油脂光澤。

　　透明度和光澤互為消長，光澤好時(shí)透明度差，而光澤差時(shí)透明度卻好。因此，金屬礦物往往光澤較強(qiáng)(金屬光澤)，而非金屬礦物的光澤卻較弱(玻璃光澤)。

　　⒌ 解理與斷口

　　礦物受力斷開時(shí)的性質(zhì)。解理指斷開時(shí)斷面平坦光滑，具有一定的方向性的性質(zhì);斷口指斷開時(shí)斷面粗糙不平，具有隨機(jī)性的性質(zhì)。二者互為消長，即解理發(fā)育時(shí)斷口不發(fā)育，而斷口發(fā)育時(shí)解理不發(fā)育。常見的解理類型有：極完全解理、完全解理、中等解理、不完全解理、極不完全解理;常見的斷口類型有：貝殼狀斷口、參差狀斷口、階梯狀斷口。

　?、?硬度

　　礦物抵抗外力機(jī)械作用的能力。實(shí)踐中常以礦物的相對硬度來鑒定礦物，礦物的相對硬度是指礦物之間相互刻劃時(shí)的對比硬度。可劃分為十級，每一級的硬度以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)礦物來代表。實(shí)際工作中是以一些簡便的工具來代替的。見下表2-1

　　表2-1礦物的硬度及鑒定表

　　相對硬度12345678910

　　代表礦物滑石石膏方解石螢石磷灰石長石石英黃玉剛玉金剛石

　　野外工具指甲銅片鐵釘小刀玻璃

　　記憶口訣滑、石、方， 螢、磷、長， 石英、黃玉、剛玉， 剛。

　?、?密度

　　單位體積下礦物的重量。如巖石的平均密度是2.8克/米3，若礦物的密度大于平均密度則為重礦物，反之，為輕礦物。

　　另外，導(dǎo)電性、壓電性、彈性等也是鑒定某些礦物的物理性質(zhì)。

　　(三)礦物的化學(xué)性質(zhì)

　　常用稀鹽酸來鑒定方解石(加稀鹽酸劇烈起泡并發(fā)出“吱吱”的響聲)、白云石(加稀鹽酸反應(yīng)不明顯，有小刀刮下粉末有微弱起泡)。

　　三、常見的礦物

　　煤系地層中常見以下主要礦物：石英、正長石、斜長石、黑云母、白云母、方解石、白云石、粘土礦、鐵礦等。

　?、?石　英

　　晶體叫水晶，水晶一般為無色、透明礦物，無解理，硬度大于玻璃，是標(biāo)準(zhǔn)硬度7;其斷面為油脂光澤;

　?、?長　石

　　正長石：肉紅色，有二組正交的中等解理，故稱其為正長石。

　　斜長石：灰白色，有二組斜交的中等解理，故稱其為斜長石，二者的硬度都是標(biāo)準(zhǔn)硬度6;

　?、?方解石、白云石

　　外觀相似，無色、灰白色、白色，硬度小于鐵釘。通過加稀鹽酸的方法來鑒定方解石和白云石(見化學(xué)鑒定礦物的方法)。

　?、?云　母

　　一組極完全解理，云母片有彈性。白云母為白色、黃褐色等;黑云母為黑色。

　　⒌ 粘土礦

　　細(xì)粒狀，可用小刀刮成粉末狀，有泥土味。

　　⒍ 鐵　礦

　　比重較大，灰黑色、黑色等，常以條痕色來鑒定不同的鐵礦。如赤鐵礦的條痕色為櫻紅色，黃鐵礦的條痕色為綠黑色，褐鐵礦的條痕色為黃褐色等。

　　第二節(jié)　　巖石

　　巖石俗稱“石頭”，它是由一種或一種以上的礦物在自然狀態(tài)下形成的集合體。如石灰?guī)r是由一種礦物(方解石)組成的;而花崗巖主要是由三種礦物(石英、正長石、黑云母)組成的。巖石是地殼當(dāng)中最重要的物質(zhì)組分，由巖石組成了巖層。

　　一、巖石的種類

　　地殼中的巖石按其成因可分為三大類：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。其中沉積巖形成于地表和近地表的地方，由于包括煤在內(nèi)的70%的礦產(chǎn)資源都來自沉積巖，所以許多礦產(chǎn)在開采時(shí)，無論是采掘條件還是巷道工程都與其有關(guān)。因此，準(zhǔn)確確定沉積巖的種類，對于煤礦開采的許多方面都具有重要意義。例如確定頂板類型，判別地質(zhì)構(gòu)造，尋找煤層斷失翼的方向等。下面我們主要介紹常見的沉積巖及其識別方法。

　　二、沉積巖

　　(一)沉積巖的識別方法

　　沉積巖的識別在實(shí)際工作中是依據(jù)其一般特征來進(jìn)行的，常見特征如下：

　?、?層狀構(gòu)造及層理

　　1)層狀構(gòu)造 沉積巖由于成分、顏色、結(jié)構(gòu)的不均一性，而引起巖石呈層狀分布的宏觀特征，稱層狀構(gòu)造。成層是沉積巖最重要的構(gòu)造特征(圖2-3)。層與層之間的界面稱層面。相鄰兩層面間的垂直距離叫巖層的厚度。巖層的厚度各不相同，按巖層厚度可將巖層分為四類(見表2-2)。

　　表2-2巖層厚度分類

　　巖層厚度巨厚層狀厚層狀中厚層狀薄層狀

　　巖層類型>1 m1—0.5m0.5—0.1m<0.1m

　　圖2-3層狀沉積巖 Ⅰ—波狀層理?、?mdash;水平層理?、?mdash;斜層理

　　圖2—4　　沉積巖的層理形態(tài)

　　2)層理 如果我們對某一沉積巖層進(jìn)行仔細(xì)觀察，往往可以發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)層面之間還有更細(xì)微的成層現(xiàn)象，即層理。層理反映了沉積介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是識別各種沉積巖的重要標(biāo)志。據(jù)層理的形態(tài)和成因又可將其分為以下幾種類型。

　　(1)水平層理 由彼此平行且相互平行于層面的細(xì)層組成(圖2-4Ⅱ)。 其形成于平靜或微弱流動(dòng)的水介質(zhì)中，如海洋、湖泊的深水地帶及瀉湖、沼澤地區(qū)。

　　(2)波狀層理 由許多呈波狀起伏的層理細(xì)層重疊在一起組成(圖2-4Ⅰ)。由于波浪的能量，影響到水底還沒有固結(jié)的沉積物，使其表面形成波狀起伏的形態(tài)，形成了波狀層理。波狀層理常出現(xiàn)于粉砂巖和細(xì)砂巖中。

　　(3)斜層理 由一系列與層面斜交的細(xì)層組成(圖2-4Ⅲ)。其層理的傾斜方向指示了古水流的流向。常見于河流沉積及其它流動(dòng)水的沉積物中，如砂巖、粉砂巖中。

　　斜層理根據(jù)其產(chǎn)狀又可分為單向斜層理和交錯(cuò)斜層理兩種，

　　單向斜層理指所有的細(xì)層都是向同一方向傾斜的，層系間的界面呈水平或傾斜狀。交錯(cuò)斜層理指由幾組斜層理組合在一起，各組斜層理的傾向不一致，且分界面不平行。當(dāng)水介質(zhì)的流動(dòng)方向不定時(shí)，?？尚纬山诲e(cuò)斜層理，如濱海環(huán)境。

　?、?沉積巖結(jié)構(gòu)

　　沉積巖的結(jié)構(gòu)是指組成巖石的礦屑或巖屑的大小、形狀及顆粒之間的相互關(guān)系。常見結(jié)構(gòu)有：碎屑結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)等，特征見表2-3。

　　表2-3沉積巖結(jié)構(gòu)特征表

　　結(jié)構(gòu)

　　類型碎屑結(jié)構(gòu)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)結(jié)構(gòu)

　　組成

　　成分碎屑+膠結(jié)物

　　碎屑物>50%粘土礦物為主

　　>50%化學(xué)物質(zhì)組成，可含有海生動(dòng)物化石

　　成分

　　特征碎屑：礦屑或巖屑，粒徑>0.01mm碎屑物具分選性、磨圓度;常見膠結(jié)物：泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)。粒徑<0.01mm含大量生物化石時(shí)叫生物結(jié)構(gòu)

　　鑒定

　　特征外觀粗糙、致密，有二部分物質(zhì)組分(碎屑物、膠結(jié)物)外觀致密，質(zhì)軟粒細(xì)，有泥土味外觀致密，較硬，化學(xué)組分

　　⒊ 顏色

　　顏色是沉積巖的一個(gè)重要特征，在煤礦工作中常作為識別地層、對比地層的依據(jù)之一。沉積巖的顏色主要決定于其形成巖石時(shí)的古氣候特征及礦物成分和膠結(jié)物的顏色等。

　　顏色按成因可分為繼承色、原生色和次生色三種。

　　(1)繼承色 取決于組成巖石的碎屑顆粒的顏色(母巖碎屑)，所以稱繼承色。例如長石砂巖常呈肉紅色，這主要是由于正長石的顏色為肉紅色而引起的。

　　(2)原生色 取決于水溶液中沉淀的沉積礦物及成巖作用中生成的礦物的顏色。

　　(3)次生色 是指沉積巖形成后，由于遭到風(fēng)化作用而形成的新次生礦物的顏色，如紅色頁巖在還原環(huán)境下，因其所含的Fe3+被還原成Fe2+，而使巖石變?yōu)榫G色。

　　原生色的分布與層理方向完全一致，而次生色的分布則與層理方向不—致。原生色?？梢哉f明沉積物形成時(shí)的自然地理環(huán)境。例如在干旱的氧化環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)被分解，鐵離子呈三價(jià) (Fe3+)的形式，因而使沉積巖具有紅色、褐色等;而在潮濕的還原環(huán)境下，由于富含有機(jī)質(zhì)，鐵離子呈二價(jià)(Fe2+)的形式，因而使沉積巖具有綠色、灰色、黑色。裸露沉積巖的表面容易被風(fēng)化，常產(chǎn)生次生色，因此在描述巖石顏色時(shí)，應(yīng)該敲擊出新鮮斷面，觀察其原生色。

　　4.化石

　　保存在地殼中的地史時(shí)期的古生物的遺體和遺跡統(tǒng)稱化石。化石可分為植物化石和動(dòng)物化石兩類。含有化石是沉積巖重要特征之一(圖2-5)。不同沉積環(huán)境下形成的沉積巖含有不同的化石，如在陸地沉積環(huán)境中，只能有陸生動(dòng)、植物化石;在海洋沉積環(huán)境中，只能有海生動(dòng)物化石。因此，?？捎没瘉硗茢喑练e巖形成的大致時(shí)間和生成環(huán)境。

　　5.包裹體

　　指有棱角或大小混雜的松軟巖石的碎塊(如煤塊、泥巖塊等)，包含在其它巖石中，這種巖石碎塊叫包裹體(圖2-6)。包裹體的存在，說明下伏巖層在沉積時(shí)曾經(jīng)遭受過沖蝕。

　　圖2-5植物化石 圖2-6泥巖包裹體及沖刷接觸　　 圖2-7結(jié)核

　　6.結(jié)核

　　結(jié)核是指與圍巖成分有明顯區(qū)別的礦物團(tuán)塊(圖2-7)。其形態(tài)有球狀、卵狀及各種不規(guī)則狀;內(nèi)部構(gòu)造為同心圓狀、放射狀等;大小不一，從數(shù)厘米至數(shù)十厘米，最大者達(dá)幾米。煤系地層中常見黃鐵礦結(jié)核和菱鐵礦結(jié)核。

　　(二)常見的沉積巖

　　在煤礦生產(chǎn)中常見的沉積巖有：碎屑巖、粘土巖、化學(xué)巖

　　1.碎屑巖類

　　碎屑巖的典型特征是具有碎屑結(jié)構(gòu)。碎屑巖按碎屑粒度又分為：礫巖、砂巖、粉砂巖，詳細(xì)分類見表2-4。

　　表2-4碎屑巖的分類表

　　?！〖墶潯》至！?mm)名　　　稱

　　礫(角礫)巨礫(角礫)>128巨礫(角礫)巖

　　粗礫(角礫)128-32粗礫(角礫)巖

　　中礫(角礫)32-8中礫(角礫)巖

　　細(xì)礫(角礫)8-2細(xì)礫(角礫)巖

　　砂粗　砂2-0.5粗砂巖

　　中　砂0.5-0.25中砂巖

　　細(xì)　砂0.25-0.05細(xì)砂巖

　　粉 砂0.05-0.01粉砂巖

　　(1)礫巖與角礫巖　礫巖與角礫巖的區(qū)別在于碎屑顆粒礫的形態(tài)。當(dāng)巖石中的碎屑顆粒磨圓度好時(shí)叫礫巖(圖2-8a)，差時(shí)叫角礫巖;

　　(2)砂巖　俗稱“砂石”，是碎屑巖中碎屑粒徑為2～0.05 mm的巖石(圖2-8b)。砂巖根據(jù)粒徑又分為：粗砂巖，粒徑在2～0.5mm;中砂巖，粒徑為0.5～0.25mm;細(xì)砂巖，粒徑為0.25～0.05mm。另外，砂巖還可根據(jù)其碎屑成分分類，如碎屑中石英含量>95 %的，稱石英砂巖;石英含量<75 %，長石含量>25 %的稱長石砂巖等。

　　(3)粉砂巖 陸源碎屑巖中，碎屑粒徑為0.05～0.01mm者，稱粉砂巖。

　　當(dāng)碎屑巖中由兩種或兩種以上不同粒級的碎屑所組成時(shí)，需采用三級命名的原則：含量大于50%者，作為巖石的基本名稱。如“粉砂巖”，指粉砂的含量大于50%;含量為25～50%者，稱“質(zhì)”。如“粉砂質(zhì)泥巖”，指泥巖中粉砂的含量為25～50%;含量為10～25%者，稱“含”。如“含粉砂泥巖”，指泥巖中粉砂的含量為10～25%;含量小于10%者不參與命名。

　　不采用三級命名原則的特例：組成巖石的碎屑全在同一粒級內(nèi)(指礫、砂)時(shí)，不采用三級命名法。即：不出現(xiàn)“含中礫細(xì)礫巖”、“粗砂質(zhì)中粒砂巖”等類的名稱。

　　a-礫巖　 b-　砂巖 a-粘土巖　　　　b-石灰?guī)r

　　圖2-8礫巖與砂巖圖 圖2-9泥巖與石灰?guī)r

　　2.粘土巖

　　粘土巖具有泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，是由粒徑小于0.01mm的粘土礦物經(jīng)固結(jié)成巖作用而形成的巖石，其中粘土礦物的含量超過50%。又根據(jù)其有無頁理，分為泥巖(無頁理，圖2-9a)和頁巖(有頁理)。

　　頁理是粘土巖形成時(shí)由于壓力作用而形成的薄層狀構(gòu)造，因薄層“薄如書頁”故稱頁理。其中，無頁理的叫泥巖，有頁理的叫頁巖。其顏色隨成分的不同而改變。常見的頁巖有：

　　炭質(zhì)頁巖：富含炭質(zhì)(炭化植物碎片)，其中炭質(zhì)含量不超過48%。呈黑色，易污手，頁理發(fā)育，是煤與頁巖之間的過渡巖石，常出現(xiàn)在煤系地層中。

　　黑色頁巖：含有較多有機(jī)質(zhì)及分散狀黃鐵礦的頁巖。含少量化石，具有頁理，外貌與炭質(zhì)頁巖相似，但不污手。

　　鈣質(zhì)頁巖：主要成分為粘土，其中碳酸鈣含量不超過25%，稱鈣質(zhì)頁巖。其特點(diǎn)是遇稀鹽酸起泡。

　　3.化學(xué)巖

　　以化學(xué)搬運(yùn)(溶運(yùn))的物質(zhì)，在適當(dāng)?shù)臈l件下發(fā)生沉積后，經(jīng)固結(jié)成巖作用形成的巖石。常見化學(xué)巖有：石灰?guī)r、白云巖。

　　(1)、石灰?guī)r 俗稱“青石”(如圖2-9b)，是煤系地層中常見的巖石類型，主要成分是方解石(CaCO3)。無雜質(zhì)時(shí)為灰白色，含雜質(zhì)時(shí)呈灰、黑灰、灰黑、黑等顏色。因其可燒制石灰，故稱石灰?guī)r。

　　(2)、白云巖　白云巖主要由白云石(MgCa[CO3]2)組成，其次為方解石等礦物，貌似石灰?guī)r，但顏色往往比石灰?guī)r稍淺，呈灰、灰白、灰紅等色。遇稀鹽酸反應(yīng)較慢，起泡微弱。

　?、?井下對常見沉積巖的識別方法

　　井下對常見沉積巖的識別方法，主要依沉積巖自身的特征來進(jìn)行，內(nèi)容見表2-5

　　表2-5井下常見沉積巖的觀察內(nèi)容

　　沉積巖

　　類型碎屑巖粘土巖石灰?guī)r

　　井下對巖石的特征觀察⒈先描述厚度、顏色，再描述層理和化石;

　?、矊λ樾冀Y(jié)構(gòu)的描述：

　　(1)碎屑物：成分、粒徑、磨圓度、分選性;粒徑細(xì)時(shí)可借助放大鏡觀察。

　　(2)膠結(jié)物：成分(常見硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、泥質(zhì))⒈先觀察厚度、顏色，再觀察頁理和化石(常為植物化石)

　?、矊δ噘|(zhì)結(jié)構(gòu)的觀察：一般較“軟”，用小刀或玻璃片刮下的粉末較細(xì)，用手拈動(dòng)時(shí)常無顆粒感，有泥土味。⒈先觀察厚度、顏色，再觀察化石(海生動(dòng)物)、結(jié)核(常為燧石)成分。

　?、矊瘜W(xué)結(jié)構(gòu)的觀察：

　　加稀鹽酸劇烈起泡，并發(fā)出“吱吱”的響聲。含化石多時(shí)為生物結(jié)構(gòu)。

　　第三章 地史的基本知識與煤

　　組成歷史的基本要素有兩個(gè)。一是歷史事件，二是這些歷史事件所發(fā)生的時(shí)間。兩個(gè)要素相互關(guān)聯(lián)，不能脫開時(shí)間談事件，也不能只談時(shí)間而沒有事件。地史是地球(主要是地殼)發(fā)展、演化的歷史。作為地史，其基本的要素是：地質(zhì)年代(時(shí)間)、年代地層(事件)。

　　地球誕生至今已經(jīng)46億年了，在這漫長的“歲月”里，經(jīng)歷了一系列的地質(zhì)事件(強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)、海陸變遷、生物的大規(guī)模興盛與滅絕、煤及各種礦產(chǎn)的形成等)，這些地質(zhì)事件都發(fā)生在其相對應(yīng)的地質(zhì)年代里。地層是在某一地質(zhì)時(shí)期所形成的一套成層巖石。換言之，地層是具有地質(zhì)時(shí)代含義的巖層。在地史時(shí)期，雖然沒有任何一種生命對所發(fā)生的地質(zhì)事件來進(jìn)行記錄，但在地層中卻保留著能反映各種地質(zhì)事件的原始物質(zhì)，因此，地層就成為研究地史的“史書”，能夠讀懂并解譯這部宏大歷史的是地質(zhì)學(xué)家。正常的沉積巖層，它們的生成順序是：先沉積的地層在下，后沉積的地層在上，這種老地層在下，新地層在上的自然排列規(guī)律稱為地層層序律。

　　一、地質(zhì)年代

　　地質(zhì)年代的表述方法有二種：相對地質(zhì)年代、絕對地質(zhì)年代。

　　(一)相對地質(zhì)年代

　　相對地質(zhì)年代是指各地質(zhì)事件發(fā)生相對早晚關(guān)系的時(shí)代。它沒有絕對的數(shù)量關(guān)系，其特點(diǎn)是形象、好記，容易比較。相對地質(zhì)年代的確定依據(jù)是：沉積物的疊復(fù)原理和生物群的演化特征。表述相對地質(zhì)年代的單位有大有小，最大的單位是宙，宙下為代，然后依次為紀(jì)、世等。

　　(二)絕對地質(zhì)年代(地質(zhì)年代的同位素測定)

　　絕對地質(zhì)年代是指各地質(zhì)事件發(fā)生的絕對時(shí)間，即距今多少年。絕對地質(zhì)年代的確定，一方面彌補(bǔ)了相對地質(zhì)年代不能確切地回答某種巖石或地層的形成時(shí)間。另一方面，對不能確定其相對地質(zhì)年代的“啞地層”具有重要的意義。“啞地層”是地史時(shí)期(前寒武紀(jì))生物化石不明顯的古地層。

　　地層中的放射性同位素其衰變有不受環(huán)境干擾和衰變周期非常穩(wěn)定的特點(diǎn)，其形成時(shí)代和地層的形成時(shí)代是相一致的。因此，它是一種準(zhǔn)確的天然測時(shí)鐘。用放射性同位素的衰變周期來計(jì)算礦物和巖石的年齡，就叫同位素年齡測定(絕對年齡測定)。通過同位素年齡的測定確立了地層的絕對年代。

　　二、年代地層單位

　　不同的地質(zhì)年代可形成不同年代的地層，因此，地質(zhì)年代和年代里的地層是相對應(yīng)的，地質(zhì)年代單位也分別對應(yīng)其年代地層單位。地質(zhì)年代單位從大到小分別為：宙、代、紀(jì)、世;年代地層單位從大到小分別為：宇、界、系、統(tǒng)。二者的對應(yīng)關(guān)系如下：

　　地質(zhì)年代單位 年代地層單位

　　宙…………………………………………………宇

　　代…………………………………………………界

　　紀(jì)…………………………………………………系

　　世…………………………………………………統(tǒng)

　　三、地質(zhì)歷史與人類歷史的對比

　　地質(zhì)歷史和人類歷史在諸多方面存在可比性，我們可通過對人類歷史的認(rèn)識來類比對地質(zhì)歷史的認(rèn)識(見表3-1)。

　　表3-1地質(zhì)歷史與人類歷史類比表

　　年代、事件

　　對比年 代歷史事件二種單位的

　　對應(yīng)關(guān)系

　　相對年代絕對年代

　　人類歷史特征只說明各歷史事件的相對早晚，無絕對數(shù)量關(guān)系不僅能說明各歷史事件的相對早晚，而且能說明距今多少年人類歷史年代當(dāng)中的事件年代與其發(fā)生的事件相對應(yīng)，年代單位也與事件單位相對應(yīng)

　　舉例如明代、清代只說明明代早于清代，而不能說明距今多少年公元(1638-1644)為明代;公元(1644-1911)年為清代。不僅說明了明代早于清代，而且說明了距今的時(shí)間明代存在一個(gè)王朝叫明朝;清代存在一個(gè)王朝叫清朝。明代對應(yīng)明朝;清代對應(yīng)清朝。代與朝相對應(yīng)

　　地質(zhì)歷史特征只說明各地質(zhì)事件的相對早晚，無絕對數(shù)量關(guān)系不僅能說明各地史事件的相對早晚，而且能說明距今多少年地質(zhì)年代當(dāng)中的地層(地質(zhì)事件)地質(zhì)年代與形成的年代地層相對應(yīng)。地質(zhì)年代單位與年代地層單位相對應(yīng)

　　舉例石炭紀(jì)、二迭紀(jì)只說明石炭紀(jì)早于二迭紀(jì)，而不能說明距今多少年地史當(dāng)中285-330百萬年間為石炭紀(jì);250-285百萬年間為二迭紀(jì)。不僅說明了石炭紀(jì)早于二迭紀(jì)，而且說明了距今的時(shí)間石炭紀(jì)、二迭紀(jì)形成的地層分別叫石炭系、二迭系。 石炭紀(jì)對應(yīng)石炭系;二迭紀(jì)對應(yīng)二迭系。紀(jì)與系相對應(yīng)。

　　四、地質(zhì)年代表

　　(一)地質(zhì)年代表的建立

　　古生物是地史時(shí)期的古動(dòng)物(圖3-2)和古植物(圖3-1)的總稱。古生物學(xué)的研究對整個(gè)地質(zhì)年代表的建立具有重要的意義。

　　19世紀(jì)以來，地質(zhì)學(xué)家和古生物學(xué)家，通過對全球各個(gè)地區(qū)新老不同的地層進(jìn)行對比研究，特別是對其中所含的古生物化石對比研究，逐漸認(rèn)識到地球和地殼在整個(gè)發(fā)展過程中，生物界的演化及無機(jī)界的演化均表現(xiàn)出明顯的自然階段性。因此，依地球演化的這種自然階段性，再配合同位素地質(zhì)年齡的測定，對漫長的地質(zhì)歷史進(jìn)行了系統(tǒng)性的編年與劃分，最后編制出一個(gè)在全球范圍內(nèi)能普遍參照對比的年代表，即地質(zhì)年代表(表3—2)。

　　圖3-1石炭二迭紀(jì)植物化石

　　a-大羽羊齒;b-古蘆木;c-櫛羊齒;d-輪葉

　　a-希瓦格筵(C);b-泡沫珊瑚(S);c-五房貝(S);

　　d-萊德利基蟲(∈);e-德氏蟲(∈)

　　圖3-2古動(dòng)物化石

　　表3—2地質(zhì)年代表

　　(二)地質(zhì)年代表的說明

　　地質(zhì)年代表的內(nèi)容包括地質(zhì)年代單位、名稱、代號和絕對年齡值等。它反映了地殼中無機(jī)界(礦物、巖石)和有機(jī)界(動(dòng)物、植物)演化的順序、過程和階段。地質(zhì)年代表的建立是對世界各地的地層進(jìn)行系統(tǒng)劃分與對比的結(jié)果，是地史學(xué)的偉大成就。

　　地質(zhì)年代表中，最大一級的地質(zhì)年代為“宙”，它往往反映全球性的無機(jī)界與生物界的重大演化階段，整個(gè)地質(zhì)歷史從老到新被分為二個(gè)宙，把生命不明顯的地質(zhì)時(shí)代叫隱生宙，生命大發(fā)展的地質(zhì)年代叫顯生宙。每個(gè)宙的演化時(shí)間均在5億年以上;比宙小的次級單位為“代”，它往往是無機(jī)界與生物界具有明顯演化的階段，每個(gè)代的演化時(shí)間均在5000萬年以上;第三級單位為“紀(jì)”，它反映了全球性生物界的明顯變化及區(qū)域性無機(jī)界的演化階段，每個(gè)紀(jì)的演化時(shí)間在

　　200萬年以上;第四級為“世”它往往反映了生物界中“科”與“屬”的變化。

　　在顯生宙形成的地層稱為顯生宇;古生代形成的地層稱為古生界;寒武紀(jì)時(shí)期形成的地層稱為寒武系等等，依次類推。

　　從地質(zhì)年代表中可見，前寒武紀(jì)(隱生宙)是古老而漫長的一個(gè)地史階段，約占全部地質(zhì)時(shí)期的5/6。而生物欣欣向榮的寒武紀(jì)以來(顯生宙)，其形成時(shí)間只占短短的1/6(圖3-3)。

　　圖3-3地史發(fā)展階段劃分示意圖

　　地質(zhì)年代一般地了解到“紀(jì)”。如侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)是恐龍生活的時(shí)代;石炭紀(jì)、二迭紀(jì)是成煤的時(shí)代等等。在整個(gè)地質(zhì)歷史當(dāng)中，地質(zhì)年代有以下紀(jì)：震旦紀(jì)(Z)、寒武紀(jì)(∈)、奧陶紀(jì)(O)、志留紀(jì)(S)、泥盆紀(jì)(D)、石炭紀(jì)(C)、二迭紀(jì)(P)、三疊紀(jì)(T)、侏羅紀(jì)(J)、白堊紀(jì)(K)、第三紀(jì)(R)、第四紀(jì)(Q)。

　　〔附記憶口訣如下： 震旦(Z)的漢武(∈)以奧陶(O)的紫留(S)泥盆(D)拾炭(C)， 跌了二、三跌(P)(T)， 諸如(J)白鵝(K)三、四戲水(R)(Q)?！?/p>

　　(三)地史時(shí)期古植物的大“爆發(fā)”與煤的形成

　　綜觀整個(gè)地質(zhì)歷史，古植物界曾出現(xiàn)過三次重大變革，存在著明顯的階段性演化。

　　地球上第一次植物大爆發(fā)(孢子植物)出現(xiàn)在晚古生代的石炭紀(jì)、二迭紀(jì)，第二次出現(xiàn)在中生代的三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)(裸子植物)，第三次出現(xiàn)在新生代的第三紀(jì)至今(被子植物)。而全球第一次大規(guī)模的成煤也出現(xiàn)在晚古生代的石炭紀(jì)、二迭紀(jì)，第二次、第三次成煤也分別和第二次、第三次古植物的大規(guī)模 “爆發(fā)”相關(guān)(見表3-3)。這是否說明植物的發(fā)展史與煤的形成史有某種必然的聯(lián)系呢?事實(shí)上，煤就是由地史時(shí)期的古植物形成的(這將在第四章中加以討論)。古植物的大爆發(fā)為煤的形成提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物的發(fā)展史與成煤史相對應(yīng)。

　　表3-3植物大爆發(fā)時(shí)代與形成煤的時(shí)代比較表

　　成煤次數(shù)

　　對比第一次第二次第三次

　　植物爆發(fā)時(shí)代石炭紀(jì)、二迭紀(jì)三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)第三紀(jì)

　　形成煤的時(shí)代石炭紀(jì)、二迭紀(jì)三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)第三紀(jì)

　　植物爆發(fā)類型孢子植物大繁盛裸子植物大繁盛被子植物大繁盛

　　第四章 煤及煤層的相關(guān)知識

　　煤是煤礦企業(yè)的產(chǎn)品。煤不僅是能源，而且是十分重要的工業(yè)原料，隨著工業(yè)的發(fā)展，煤的用途也愈來愈廣。為了合理地開發(fā)和利用煤炭資源，就必須了解煤的成因、性質(zhì)，掌握煤層的形成和賦存規(guī)律，以便科學(xué)地指導(dǎo)采掘工作。為此，我們將在本章介紹煤、煤層及相關(guān)知識。

　　第一節(jié) 煤的形成及煤

　　一、煤的形成

　　(一)成煤的原始物質(zhì)

　　煤是一種重要的沉積成因的可燃有機(jī)巖，它是由古植物遺體轉(zhuǎn)化而來的。證據(jù)如下：煤層及其頂?shù)装鍘r石里，有完好的植物莖葉化石;在泥巖、頁巖底板中可見到完好的植物根化石;把煤磨成薄片，放在反光顯微鏡下觀察?？梢姷矫褐斜４嬗写罅客旰玫募?xì)胞組織殘?bào)w及孢子、花粉、樹脂體、角質(zhì)層和藻類遺骸(圖4-1)。由此可見，煤是由植物轉(zhuǎn)變而來的。

　　a-孢子體　　　　　　　　　　　　 b-樹皮體

　　圖4-1顯微鏡下煤中尚未完全分解的植物殘?bào)w

　　(二)煤的形成條件

　　煤是由植物遺體轉(zhuǎn)變而來的，然而僅有植物仍然還不能形成煤層。這是因?yàn)槊旱男纬刹粌H與植物條件有關(guān)，而且和其形成時(shí)的古氣候條件、古地理環(huán)境及地殼運(yùn)動(dòng)方式有頗為密切的關(guān)系。

　　1.繁茂的植物條件

　　植物是成煤的原始物質(zhì)，所以植物的大量繁殖是成煤的基本條件。

　　在地殼發(fā)展歷史中，植物生長大繁盛的時(shí)期有石炭、二疊紀(jì)(孢子植物)、三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)(裸子植物)、第三紀(jì)(被子植物)。在世界各地，這幾個(gè)時(shí)期形成的地層中，均有煤層形成。我國的主要聚煤期有：石炭二疊紀(jì)聚煤期;三疊侏羅紀(jì)聚煤期;第三紀(jì)聚煤期。

　　2.溫濕的古氣候條件

　　溫暖而濕潤的氣候條件，不僅有利于植物的生長和繁殖，而且有利于泥炭沼澤的演化。

　　3.積水沼澤的古地理?xiàng)l件

　　沼澤是指有大量植物生長的積水凹地。有泥炭層生成的沼澤叫泥炭沼澤。泥炭沼澤環(huán)境不僅有利于植物的繁盛，而且有利于植物的保存。一般地說，沼澤具有地形上的廣闊性，平緩而又低洼，是成煤的自然地理?xiàng)l件。

　　泥炭沼澤又分為濱海沼澤和內(nèi)陸沼澤。前者是由于地殼的緩慢下降運(yùn)動(dòng)，使近海平原積水而變成沼澤;后者是由于內(nèi)陸湖泊中沉積物的不斷堆積，湖底淤塞，水體變淺而演化成沼澤。

　　4.緩慢沉降的地殼運(yùn)動(dòng)條件

　　地殼運(yùn)動(dòng)對成煤，特別是形成可供開采的具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的煤層，有極為重要的意義。這是因?yàn)?，地殼沉降速度的快慢，控制著植物遺體的堆積厚度。

　　當(dāng)?shù)貧こ两档乃俣扰c植物遺體堆積的速度相一致時(shí)(均衡狀態(tài))，可造成植物遺體的連續(xù)堆積;如果地殼沉降速度小于植物遺體堆積速度，積水漸淺，植物遺體暴露在水面附近或水面之上，受到氧化而被分解破壞，不利于植物遺體的保存，只能形成薄煤層;如果地殼沉降的速度大于植物遺體堆積速度，積水漸深，碎屑物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)的沉積逐步覆蓋在植物遺體的表面，中止了成煤。可見，煤層的厚度取決于地殼沉降與植物遺體二種堆積速度的關(guān)系，均衡時(shí)間越長，植物遺體的堆積越厚，并進(jìn)而形成具有工業(yè)價(jià)值的煤層。

　　由于以上四個(gè)條件必須同時(shí)具備時(shí)才能形成具有工業(yè)價(jià)值的煤層，因此這四個(gè)條件就成為形成煤層的必要條件。從植物登陸以來，這四個(gè)條件相遇的時(shí)間均超過幾千萬年，從這個(gè)角度而言，煤對人類是不可再生的資源。

　　(三)煤的形成過程

　　成煤的植物可分為高等植物和低等植物兩大類。

　　低等植物是菌類和藻類的植物。它們是單細(xì)胞或多細(xì)胞構(gòu)成的絲狀體或葉狀體植物，沒有根、莖、葉等器官的分化，全部是柔軟的組織，構(gòu)造比較簡單，多數(shù)生活在水中。低等植物形成的是腐泥煤。

　　高等植物有苔蘚植物、蕨類植物和種子植物，如草、灌木、喬木等。它們是由低等植物演變而來的，為適應(yīng)長期的陸地生活，它們有完善的根、莖、葉等器官的分化。高等植物的組成成分是木質(zhì)素、纖維素及較穩(wěn)定的角質(zhì)層、木質(zhì)層、孢子、花粉、樹脂體等。這些物質(zhì)都參與成煤作用。高等植物形成的是腐植煤。

　　由于絕大多數(shù)的煤層都是由高等植物形成的腐植煤。因此，下面我們只討論腐植煤的形成過程。腐植煤的形成大體分二個(gè)階段：泥炭化階段、煤化階段。

　　1.成煤的第一階段——泥炭化階段

　　指植物遺體在沼澤中轉(zhuǎn)化為泥炭的地質(zhì)作用過程。高等植物死亡后，其遺體堆積在積水沼澤中，在受到生物復(fù)雜的物理化學(xué)作用下，其植物組分開始發(fā)生水解和分解，逐步形成以有機(jī)組分為主的泥狀物質(zhì)，即泥炭。

　　泥炭一般為棕褐色、棕黑色， 無光澤，質(zhì)軟疏松， 自然狀態(tài)下含水分10% 以上，含腐植酸50%以上。泥炭曬干后可作燃料、化工原料及肥料等。

　　⒉ 成煤的第二階段——煤化階段

　　指泥炭沼澤中的泥炭逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槊旱牡刭|(zhì)作用過程。該作用階段包括兩個(gè)連續(xù)的過程，即成巖作用和變質(zhì)作用。

　　(1)成巖作用 泥炭→褐煤

　　泥炭層形成后，逐漸沉向地殼的較深部位。在地溫、地壓，主要是靜壓力的作用下，泥炭層逐步被壓緊，失去水分，放出部分氣體，體積變小而致密。同時(shí)，泥炭中的有機(jī)成分、分子結(jié)構(gòu)也在發(fā)生著變化，具體表現(xiàn)為：碳元素含量的相對增加，氧、氫元素的含量相對減少，腐植酸含量不斷減少直至消失，泥炭由量變產(chǎn)生質(zhì)變而形成褐煤。這種由松軟多水的泥炭變成了少水的有一定硬度的褐煤的過程稱為成巖作用。

　　(2)變質(zhì)作用 褐煤→煙煤→無煙煤

　　褐煤形成后，隨著地殼的持續(xù)下沉，逐漸沉降到地殼的深部。此時(shí)的地溫、地壓越來越大，褐煤中的有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生重新排列、聚合，碳元素的相對含量進(jìn)一步增多，氧和氫元素的含量進(jìn)一步減少;有機(jī)質(zhì)中揮發(fā)分含量繼續(xù)減少，腐植酸完全消失;另外由于高溫、高壓的作用，煤的物理性質(zhì)和化學(xué)工藝性質(zhì)也相應(yīng)發(fā)生變化。褐煤經(jīng)過這一系列的作用而變成煙煤或無煙煤甚至石墨的變化過程，稱為煤的變質(zhì)作用。成煤過程及各階段的產(chǎn)物如表4-1。

　　表4-1成煤過程及各階段的產(chǎn)物

　　地質(zhì)作用原始物質(zhì)及遞變產(chǎn)物

　　成煤過程第一階段泥炭化作用高等植物

　　↓

　　泥巖

　　↓

　　褐煤

　　↓

　　煙煤

　　↓

　　無煙煤

　　第二階段煤化作用成巖作用

　　變質(zhì)作用

　　二、煤的變質(zhì)作用

　　(一)引起煤變質(zhì)作用的因素

　　引起煤變質(zhì)?