沉積學是一門具有近百年歷史的學科。沉積學與煤的關系非常密切，一方面是因為煤作為一種特殊的沉積物，是含煤沉積體系中不可或缺的構(gòu)成單元，其形成過程及其煤巖和煤質(zhì)特征自然遵循沉積學原理；另一方面，煤作為一種沉積型能源礦產(chǎn)，由于人類生存的需要而投入了大量研究，又在很大程度上促進了沉積學的發(fā)展。正是由于兩者具有如此密切的關系，因此對沉積學和聚煤作用的研究幾乎同時起步，1932年Wadell提出“沉積學”的概念，并將其定義為研究沉積物的科學；1937年Сгепанов首次提出了聚煤帶和聚煤中心的概念，隨后它被廣泛地應用于聚煤盆地的研究中。

一、沉積學的起源與歷史回顧

1.從沉積巖石學到沉積學

如果從淵源上追蹤的話，沉積學實際上是在沉積巖石學的基礎上發(fā)展起來的。在早期，沉積巖石學通常被認為只是對沉積物做顯微鏡下的研究，而沉積學卻將實驗觀察和野外工作結(jié)合了起來（Vatan，1954）。沉積學被許多人認為是比沉積巖石學有更為寬廣的領域，但它不能脫離于其他地質(zhì)學的分支，如地層學、礦物學和地球化學等。

早期的沉積巖石學研究是配合地層學的研究而展開的。英國地質(zhì)學家Sorby（1851）是沉積巖石學的奠基者，他是第一個使用顯微鏡研究沉積巖的科學家，他將沉積巖石學研究從宏觀深入到了微觀，這是一個突破性的發(fā)展。1894年，Walther提出了“相序”的概念（即著名的Walther相律），使人們在橫向上和縱向上對地層中的巖石及其巖石組合的分布規(guī)律有了進一步的了解。1913年，Hatch和Rastall合著了第一本《沉積巖石學》。1922年， Milner出版了《沉積巖石學引論》。1931年，美國的SEPM學會創(chuàng)辦了《沉積巖石學》雜志。這些出版物的相繼問世，標志著沉積巖石學已從地層學中分離成為地球科學中的一門獨立學科。

無疑，早期沉積巖石學的研究為沉積學的誕生奠定了堅實基礎。至1932年，德國地質(zhì)學家Wadell首先提出了“沉積學”的概念，并將其定義為研究沉積物的科學。這一概念的提出，標志著人們對沉積巖的認識步入了從特征描述到成因研究的階段，從此沉積學便成為一門獨立的學科。在這之后的近百年，沉積學的研究無論是從理論上還是方法上均獲得迅速發(fā)展，并逐漸滲透到地球科學的各個領域，尤其是為人類賴以生存的煤、鈾和石油等能源礦產(chǎn)的勘查提供了重要的科學預測依據(jù)，這充分展示了沉積學的強大生命力。

2.沉積學的三次革命

自1932年沉積學誕生以來，其發(fā)展演化具有明顯的階段性，期間的幾次重大突破被譽為沉積學的革命。Catuneanu（2006）認為在沉積學的演化過程中具有三次革命，每次革命都產(chǎn)生了范例性的質(zhì)變，改變了地質(zhì)科學家解釋沉積地層的方法。第一次革命發(fā)生于20世紀50年代晚期和60年代早期，以發(fā)展了水動力學概念和相應的沉積作用/沉積響應相模式為標志（Harms和Fahnestock，1965；Simons等，1965），從水動力學的角度提出了對沉積物和沉積構(gòu)造成因的系統(tǒng)解釋理論，總結(jié)了在沉積體系內(nèi)部預測相組合的方法體系。20世紀60年代開始，板塊構(gòu)造學和地球動力學概念引入到區(qū)域尺度的沉積作用分析中，標志著沉積地質(zhì)學的第二次革命。最終，這兩項初期的概念突破或革命導致了20世紀70年代沉積盆地分析的發(fā)展，為沉積盆地成因研究和沉積史研究提供了科學框架。層序地層學的誕生標志著沉積學第三次，也即最新的一次革命，起始于20世紀70年代晚期，以Payton（1977）主編出版的Seismic Stratigraphy-applications to Hydrocarbon Exploration（AAPG Memoir 26）為標志。層序地層學綜合了自源作用（如來自體系內(nèi)部）和他源作用（如來自體系外部），形成了解釋沉積盆地演化和地層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模式（Miall，1995）。

二、含煤巖系沉積學的起源與歷史回顧

含煤巖系沉積學是沉積學應用于煤地質(zhì)與勘查領域的一個重要分支。因為煤首先是一種沉積物（巖），所以自沉積學誕生之日起，含煤巖系沉積學便與沉積學同步發(fā)展。但由于煤這種沉積物（巖）不同于一般的無機巖石，因此含煤巖系沉積學的發(fā)展就具有相對的特殊性，它具有相對獨立的研究內(nèi)容和獨特完整的理論方法體系。Rahmani和Flores（1984）系統(tǒng)地總結(jié)了20世紀80年代以前北美洲煤和含煤巖系沉積學的研究歷史，將其劃分為旋回沉積階段和沉積模式階段。

所以，含煤巖系沉積學以其相對獨立和完整的理論方法體系而明顯區(qū)別于沉積學。

1.旋回沉積階段

旋回沉積階段從19世紀末到20世紀中葉，學者們主要致力于識別含煤巖系的重復層序或者說旋回結(jié)構(gòu)，并對這類現(xiàn)象作出成因上的解釋。

1912年Udden最先揭示了北美伊利諾斯煤田石炭紀含煤巖系的根土巖—煤—海相灰?guī)r或者頁巖—根土巖—煤的重復旋回結(jié)構(gòu)。進入20世紀30年代，以Weller（1930）、Wanless和Weller（1932）、Moor（1940）等為代表，大力倡導以濱海平原地帶廣泛的海侵和海退過程來解釋歐洲和北美石炭紀含煤巖系中海相層與含煤碎屑沉積的互層現(xiàn)象。幾乎是在同一時期，蘇聯(lián)地質(zhì)學家Лутугин жемчужников等對頓涅茨煤田石炭紀含煤巖系的旋回結(jié)構(gòu)作了深入研究，并成功地應用于地層對比和地質(zhì)編圖。

Reading（1978）曾經(jīng)對這一階段的研究給予客觀的評價：“相互重疊的相型概念或沉積旋回作用的概念，是沉積地質(zhì)學中最富有成效的一種概念。它使地質(zhì)學家能在明顯的混亂中理出順序來，并扼要地描述很厚的復雜互層的沉積巖。他們能夠把這些巖層的旋回、韻律層或韻律與在別處發(fā)現(xiàn)的旋回、韻律層或韻律進行對比”。以含煤巖系為搖籃產(chǎn)生的旋回沉積概念迅速地在所有類型的沉積巖系中推廣開來，說明它是有生命力的。

Reading（1978）、Galloway等（1983）、Rahmani和Flores（1984）同時也指出了旋回沉積階段所存在的問題：第一，把含煤巖系中出現(xiàn)的旋回結(jié)構(gòu)或旋回性一律看成是地殼不均衡運動、區(qū)域海平面升降或氣候變化的產(chǎn)物，而未認識到沉積過程自身的演化也可產(chǎn)生旋回結(jié)構(gòu)。第二，旋回沉積理論使得人們在很長一段時間內(nèi)不重視將含煤巖系沉積作用與現(xiàn)代沉積作用進行對比研究。第三，旋回的建立和劃分往往帶有主觀性，而忽略了對沉積學的解釋。這些問題在相當程度上妨礙了煤地質(zhì)學的發(fā)展，使我們無法識別含煤巖系沉積環(huán)境的多樣性和沉積過程的復雜性。

2.沉積模式階段

沉積模式階段開始于20世紀50年代，其以大規(guī)模的現(xiàn)代沉積學研究、沉積環(huán)境和相模式研究為特色。關于沉積環(huán)境和模式的研究，到20世紀70年代末與80年代初已經(jīng)占據(jù)了主導地位。這主要是由于當時沉積學領域?qū)Τ练e作用與現(xiàn)代沉積模式的研究取得了突破性發(fā)展，再加之當時全球?qū)δ茉葱枨蟮难杆僭鲩L，使得含煤巖系沉積學研究，特別是在聚煤作用、成煤環(huán)境與沉積體系和煤巖學方面，出現(xiàn)了空前的熱潮（劉光華，1999）。

現(xiàn)代可以成為了解過去的鑰匙，通過對比美國東部阿帕拉契地區(qū)石炭紀含煤巖系和現(xiàn)代密西西比河三角洲沉積，F(xiàn)erm（1979）及一些人認為，阿帕拉契地區(qū)石炭系旋回沉積中簡單的海侵、海退過程完全可以用與現(xiàn)代密西西比河三角洲相類似的三角洲沉積作用過程來解釋。對密西西比河三角洲的研究證明，三角洲朵體的建設與廢棄，完全可以導致一定范圍內(nèi)的海侵和海退，從而產(chǎn)生旋回結(jié)構(gòu)。Beerbower（1964）通過對沖積平原的研究指出，旋回性沉積作用具有兩種基本類型：自旋回（autocycle）和他旋回（allocycle）。自旋回的形成不是由于總能量和注入沉積體的物質(zhì)補給量的變化，而完全是由于能量及補給物在沉積體系內(nèi)的再分配。他旋回的形成則是由于能量和物質(zhì)補給量的變化，其影響因素有海平面的升降、氣候的變化、物源區(qū)的不規(guī)則上升以及盆地的間歇性沉降等。自旋回概念的提出對正確解釋垂向序列，恢復沉積充填演化史，具有很大的推進作用。

在北美洲，F(xiàn)erm和Williams（1963）首先提出了阿帕拉契地區(qū)石炭系Allegheny組的沉積模式。Coleman（1969）在另外一些地區(qū)進行了檢驗，并與密西西比河三角洲作了詳細對比。Ferm（1974）將阿帕拉契地區(qū)石炭系Allegheny組的沉積模式進一步具體化，劃分出了沖積平原、上三角洲平原、下三角洲平原、障壁島和障壁島后環(huán)境，并把地層的縱向、橫向變化與環(huán)境分帶聯(lián)系了起來。Horne等（1978）對該模式進一步修改和補充，建立了為大家所熟知的、適用于濱海地區(qū)成煤環(huán)境的沉積模式。該模式詳細論述了各個環(huán)境帶的沉積特征及成煤作用特征，特別強調(diào)了上、下三角洲平原過渡帶對于形成工業(yè)價值煤層的重要性。Fisher （1968）通過對德克薩斯第三紀沉積環(huán)境與煤產(chǎn)出的關系進行研究之后指出，在三角洲和河流環(huán)境中形成的煤明顯不同：與河流有關的煤礦床呈長條狀，低硫低灰，由木本植物殘體組成；而與三角洲有關的煤呈板狀，高硫高灰，由非木本植物殘體組成。

對含煤巖系沉積模式的討論表明，沖積環(huán)境、三角洲環(huán)境和海岸環(huán)境都是煤可能聚集的場所。這些環(huán)境的相對意義隨著盆地類型、地質(zhì)時期和構(gòu)造條件而不同。對這些不同模式的批判性檢驗取決于對現(xiàn)代泥炭類似物的認識（Rahmani和Flores，1984）。但是，在當時對現(xiàn)代沼澤、泥炭沼澤和泥炭層的研究落后于對煤礦床的研究。20世紀60年代，Dapples和Hopkins（1969）作了現(xiàn)代成泥炭環(huán)境與古代成煤環(huán)境的初步對比研究。Frazier和Ozanik （1969）的經(jīng)典研究工作表明，密西西比河三角洲平原發(fā)育有廣闊的樹沼澤和草沼澤，能夠形成厚的有機沉積物。70—80年代，人們不僅發(fā)現(xiàn)障壁島后的樹沼澤也是重要的成泥炭環(huán)境（Staub和Cohen，1979；Cohen，1973、1974、1975；Spackman，1974；Whitehead，1972；Amartunga，1970），而且也認為不應低估與河流有關的樹沼澤的意義，因為這些樹沼澤大多是泥炭堆積區(qū)（Rich，1982；Lappalainen，1980；Rzoska，1974）。Mc Cabe（1984）的研究則強調(diào)了聚煤作用與活動碎屑沉積體系的關系：第一，大部分活動碎屑沉積環(huán)境盡管可以發(fā)育廣布的沼澤，但并不是具有工業(yè)價值煤層（泥炭層）形成的有利場所。聚煤作用主要是與廢棄碎屑沉積環(huán)境中發(fā)育的沼澤有關。第二，在分析聚煤作用和聚煤規(guī)律時，不應對煤層下伏沉積物的重要性估計過高，因為在聚煤作用發(fā)生之前曾經(jīng)有過比較長時間的間斷。在決定煤的特征方面，上覆沉積物至少與下伏沉積物具有同等的重要性。第三，具有工業(yè)價值的聚煤作用如果是與活動碎屑沉積環(huán)境有關的話，也應該是遠離活動的水流（如活動河道和分流河道），或是有特殊的水介質(zhì)條件，使水流攜帶的碎屑物質(zhì)在沼澤邊緣地帶大量沉淀，或是與凸起沼澤（高位沼澤）和漂浮沼澤有關，使泥炭免遭攜帶碎屑物質(zhì)的水流影響。凸起沼澤對形成低灰煤有著重要意義。低位沼澤雖然易于形成泥炭，但遭受活動碎屑沉積環(huán)境影響的幾率要大得多，所以其形成的泥炭往往具有較高的灰分產(chǎn)率。

在20世紀60年代，當沉積環(huán)境和相模式研究獲得巨大成功的同時，一種強調(diào)三維相的空間配置和相互成因聯(lián)系的“沉積體系”的概念被提出（Fisher和Mc Gowen，1967；Scott和Fisher，1969；Fisher和Brown，1972；Galloway，1986）。沉積體系是在沉積環(huán)境和相模式研究基礎上的更完整綜合。人們在盆地與能源大規(guī)模研究中發(fā)現(xiàn)自然界各種環(huán)境單元，如河流、三角洲、障壁島，都是許多相構(gòu)成單元的三維組合，分析研究各種相構(gòu)成單元的特征及其空間配置關系可以更好地闡明煤和油氣等能源礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律，沉積體系域的重要概念也由此產(chǎn)生。

1976年，Walker歸納和總結(jié)了沉積模式的主要功能，他認為一種有效的沉積模式必須能夠起到四種作用：①能夠作為類比的標準；②必須是未來觀察的一個參考模式和指導；③應能對地質(zhì)上的新區(qū)進行預測；④應能作為對沉積環(huán)境或體系進行水動力解釋的基礎。在沉積模式階段，人們不僅識別了愈來愈多的含煤巖系沉積類型，建立了多種多樣的含煤巖系沉積模式，而且含煤巖系沉積模式從一開始就十分注意與煤礦床的勘查與開發(fā)緊密結(jié)合。因此，該階段可以被譽為是煤沉積學研究的黃金鼎盛期。在國際上，最有影響的聚煤盆地沉積學論著當屬Rahmani和Flores（1984）主編的《煤和含煤地層沉積學》、Scott（1987）主編的《煤與含煤地層最近進展》、Stach等（1982）主編的《Stach煤巖學教程》、Galloway和Hobday （1983）主編的《陸源碎屑沉積體系——在石油、煤和鈾勘探中的應用》以及Miall（1984）主編的《沉積盆地分析原理》等。在國內(nèi)，最有影響的論著包括李思田（1988、1996）主編的《斷陷盆地分析與煤聚集規(guī)律》和《含能源盆地沉積體系》、陳鐘惠（1988）主編的《煤和含煤巖系的沉積環(huán)境》。

沉積模式的研究和總結(jié)無疑是重要的，它是認識復雜自然現(xiàn)象和過程的、理想的簡化形式。模式摒棄了許多細節(jié)，歸納出主要特點，因此具有更大的普遍意義（陳鐘惠，1988）。但是，在運用過程中要防止絕對化和片面化。正如Reading（1978）所指出的那樣：“當一個新的、容易掌握的模式建立時，或當我們自己找到一種模式并往往對它過分熱情時，這時最容易忽略別的假設”，“一個人確信自己的假設是正確的，這常常標志著他對其他假設知道的甚少”。

3.相對停滯階段

進入20世紀90年代后，由于石油、天然氣和新能源（核能和太陽能）等的發(fā)展以及人類對環(huán)境生態(tài)的保護，使得各主要工業(yè)國降低了對煤炭的需求，并制定了限制煤炭開采、燃燒的環(huán)保政策。各國主要礦業(yè)公司和研究部門也不得不壓縮了對煤田勘探、開采的投資，從而極大地影響了許多大學、研究機構(gòu)及個人對煤地質(zhì)學的興趣與研究積極性，對含煤巖系的研究進入了低潮期（劉光華，1999）。國際上不景氣的背景也波及到了中國，主要表現(xiàn)為在煤田勘探、煤地質(zhì)學研究與高等教育方面的發(fā)展相對減慢或有所退步。

在全球煤炭工業(yè)低潮期，人們還是在成煤沼澤與成煤環(huán)境、含煤巖系層序地層和煤層氣等方面開展了有益探索并取得了矚目的進展和成果。在早期人們對有利于洼地沼澤發(fā)育的碎屑巖與碳酸鹽巖沉積體系有了共識的基礎上，隨著泥炭沼澤的多樣性與復雜性及其沼澤發(fā)育過程機理被逐漸揭示，人們對煤層的成因尤其是對煤質(zhì)的理解有了質(zhì)的飛躍。成煤沼澤主要出現(xiàn)在高地下水位至地表淺水滯留帶與碎屑沉積不活躍的地方（圖1-6），而煤質(zhì)在更大程度上取決于沼澤類型、成煤沼澤相及其同期沉積環(huán)境和沉積作用的影響。

層序地層學是沉積學領域最現(xiàn)代的革命性范例（Catuneanu，2006），其學術應用主要體現(xiàn)在對沉積盆地充填的成因解釋和內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖析。在過去30年間，源于被動大陸邊緣的層序地層學在含能源盆地勘查中得到了廣泛應用并取得了巨大成就。層序地層學在含煤巖系中的運用使人們對煤層的形成機制和含煤巖系旋回性的解釋有了更為深入的理解，但帶來的不良傾向是過分偏重于對層序界面的研究和層序單元的劃分，而忽略了對地層和煤層本身的成因解釋和研究。事實上，層序地層學是在沉積學、地層學和地球物理等學科交叉的基礎上提出和發(fā)展的，其術語體系明顯地繼承了沉積體系分析的基本概念和內(nèi)涵，如沉積體系域等。所以，層序地層學除了具有優(yōu)化地層單位的功能外，還肩負有解釋地層和沉積體成因以及評價預測有效礦產(chǎn)資源的功能（圖1-7、圖1-8）。

圖1-6 不同沉積體系中泥炭沼澤分布和地下（地表）水位之間關系的理想模式（據(jù)劉光華，1999）

圖1-7 基于同一套沉積相資料的層序地層學和巖石地層學格架（據(jù)Catuneanu，2006）

1.通過相分析進行古沉積環(huán)境重建是層序地層學解釋的重要先決條件，地層接觸的性質(zhì)（剝蝕、整合）也需要通過沉積學分析進行評價；2.通過關鍵的層序地層界面對比，建立層序地層格架，剖面中顯示的所有層序地層界面都是良好的等時地層標志（低穿時性），只有波浪侵蝕面是高穿時的；3.層序地層學剖面，顯示關鍵界面、相接觸關系和古沉積環(huán)境（a.曲流河體系；b.辮狀河體系；c.河口復合體；d.河口三角洲主體；e.三角洲平原；f.上部三角洲前緣；g.下部三角洲前緣-前三角洲）；4.巖石地層學剖面。可以確定三個主要的巖石地層學單元（a.砂巖為主的單元；b和c.泥巖為主的單元，具有粉砂質(zhì)和砂質(zhì)夾層；地層b和c被地層a分割）

圖1-8 等時地層格架的功能（據(jù)Allen P A和Allen J R，2005）

時間單元和地質(zhì)事件：1～5.同沉積斷層，超覆基底隆起；5～6.斷層活動停止，斷層上超，持續(xù)超覆基底；6～8.礁體在基底隆起上生長，被未補償盆地沉積物所包圍；9.生物礁被淹沒；10～14.三角洲向過飽和盆地推進，海底水下河道侵蝕（12～14）

注：該圖不僅顯示了沉積層序中沉積相和盆地總體演化之間的關系，而且表征了成藏要素的空間配置關系。