综合判别与验证巨厚煤层内部古气候旋回的方法

摘要

本发明公开了一种综合判别与验证巨厚煤层内部古气候旋回的方法，采用古植物含量系数法、煤岩组分法、特征元素法和碳同位素法，综合判别巨厚煤层内部的古气候旋回；根据不同判别方法对古气候的敏感性，对识别出的古气候旋回进行相应赋值，累计得出各古气候旋回的总得分，定量化的描述了各古气候旋回的可靠性。之后，通过巨厚煤层的测井数据分析，识别出其内部蕴含的地球公转轨道参数(米兰科维奇旋回)，并与古植物含量系数法、煤岩组分法、特征元素法、碳同位素法综合判别出的古气候旋回进行对比，从成因本质上查明了控制古气候旋回发育的地球公转轨道参数，提高了古气候旋回判别可信度；本判别与验证方法方便灵活，可信度高，具有较好的实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用原地堆积巨厚煤层内古气候旋回的识别与验证的方法，尤其是一种综合判别与验证巨厚煤层内部古气候旋回的方法。

背景技术

预测未来气候是目前人类面临的数个难题之一。由于未来气候没有发生，用什么方法较为准确的预测未来气候的变化趋势，成为解决预测未来气候变化的关键。根据“将今论古”的思想和比较地质学的理论，认识地质历史时期古气候的变化规律，探索古气候变化的机制，进而预测未来的气候，这是预测未来气候的一个重要途径。

在地表广泛发育的沉积岩中，煤的沉积对气候的变化非常敏感，同时在煤中记录了丰富的古气候变化的信息，特别是厚度巨大的煤层，能够记录地质历史上较长时期的古气候变化。

在煤层厚度分类中，单层厚度大于8m的煤层称为“巨厚煤层”(杨起，韩德馨，1979)。世界范围内发现了许多厚度巨大的煤层，比如中国二连盆地胜利煤田的单煤层厚度244.7m，苏联齐良宾煤田科尔金矿区单煤层厚度200m，鄂尔多斯盆地南部侏罗纪煤田单层煤层厚度可达90余m，等等。

前人对古气候旋回的研究较为分散，研究对象复杂多样，缺少针对性、系统的方法研究，且未能从本质上对判别结果进行解释，判别结果的可靠性差。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种综合判别与验证巨厚煤层内部古气候旋回的方法，该方法综合采用古植物孢粉、煤岩组分、特征元素、碳同位素四个参数，综合判别巨厚煤层内部的古气候旋回，判别结果可靠性高；同时对每种判别方法进行赋值，进而可以定量的描述综合判别结果可靠程度；之后，对巨厚煤层的测井数据进行深度信息挖掘，识别出巨厚煤层中蕴含的地球公转轨道参数(米兰科维奇旋回)，查明古气候演化的控制因素，进而验证古气候旋回判别的正确性与准确性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种综合判别与验证巨厚煤层内部古气候旋回的方法，包括以下步骤：

A.资料准备

1)巨厚煤层按照一定间距自下而上系统密集采样，各样品分别进行古植物孢粉鉴定、煤岩测试、微量/常量元素测试和碳同位素测试；

2)收集巨厚煤层层位的自然伽马测井数据；

B.古气候旋回判别

依据样品的古植物孢粉鉴定、煤岩测试、微量/常量元素测试和碳同位素测试数据，分别用古植物含量系数法、煤岩组分法、特征元素法、碳同位素法进行古气候旋回识别，对每种判别结果按照一定的赋值标准进行赋值，综合得出定量的判别结果；然后，查明巨厚煤层中存在的古气候旋回的个数及每个古气候旋回的平均厚度；

所古植物含量系数法具体判别方法为：根据巨厚煤层中古植物的孢粉类型、含量以及孢粉母体的生态特征，将古植物孢粉化石划分为四种生态类型：a.湿生植物-生长环境潮湿的植物；b.旱-盐生植物-生长在雨量充足，但蒸发量较大的湿热、含盐度较高的弱覆水环境中的植物；c.中生植物-生成环境较干旱的植物；d.湿中生植物-介于湿生和中生植物之间的过渡生境的植物；

在这些生态类型植物中，每一种古植物的含量系数为该类型植物质量含量与其他三种类型植物质量含量之和的比值；

根据各类型古植物含量系数的高低，能反映出巨厚煤层沉积期的古气候变化；

旱-盐生植物含量系数K_H-Y>1，反映干旱气候，K_H-Y<1反映潮湿气候；

湿中生植物含量系数K_SZ>1，反映潮湿气候，K_SZ<1反映干旱气候；

湿生植物含量系数K_S变化不是很敏感，K_S>0.5时反映潮湿气候；

中生植物对气候反映不敏感，不做论述；

C.古气候旋回验证

对巨厚煤层的测井数据(自然伽马测井数据)进行深度处理，识别其中蕴含的地球公转轨道参数，进而识别出米兰科维奇旋回；分析巨厚煤层中蕴含的由地球各公转轨道参数形成的古气候旋回的个数，以及各气候旋回的平均厚度；与步骤B中判别的古气候旋回的个数和厚度相对比，查明控制巨厚煤层中古气候旋回变化的地球轨道参数，进而从本质上阐明巨厚煤层中古气候旋回的控制因素，从而验证步骤B中判别出的古气候旋回的正确性与准确性。

所述步骤A中的一定间距为：当煤层厚度小于等于50m时，间距为0.2-0.5m，当煤层厚度超过50m，采样间距可扩大到1m；当巨厚煤层的宏观煤岩类型厚度小于0.2m时，也要保证采1个样品。

所述步骤B中特征元素法具体判别方法为：对古气候响应敏感的元素Sr的含量>20μg/g，反映气候干热，<0.15μg/g，反映气候湿温；元素Mn的含量，>0.15μg/g，反映气候干热，<0.15μg/g反映气候湿温；Sr/Cu比值>10反映干热气候，<10反映温湿气候；Mg/Ca比值>0.5反映温湿气候，<0.5反映干旱气候；FeO/Fe₂O₃比值>0.7反映潮湿气候，<0.7反映干旱气候；CaO/(MgO+Al₂O₃)比值>0.6反映温暖气候，<0.6反映较冷气候；(CaO+K₂O+Na₂O)/Al₂O₃比值，>5反映干旱气候，<5反映湿润气候。

所述步骤B中煤岩组分法具体识别方法为：古气候干热时期，煤岩组分中镜质组含量较低、惰质组含量较高，镜/惰比值<1；古气候温湿时期，煤岩组分中镜质组含量较高、惰质组含量较低，镜/惰比值>1。

所述镜/惰比值是煤中镜质组/惰质组体积百分含量的比值大小。

所述步骤B中碳同位素法具体判别方法为：碳同位素δ¹³C值变轻(数值变大)，即δ¹³C值>-21.5‰时，反映干旱、高温的古气候；碳同位素δ¹³C值变重(数值变小)，即δ¹³C值<-21.5‰时，反映潮湿、低温的古气候。

所述步骤B所述赋值标准为：

所述步骤C中古气候旋回验证具体方法为：利用巨厚煤层自然伽马测井数据识别煤层中蕴含的地球公转轨道参数(米兰科维奇旋回)，分别计算出巨厚煤层中包含的岁差、斜率和偏心率控制的古气候旋回的厚度和个数，进而与古植物系数法、煤岩组分法、特征元素法、碳同位素法判别出的古气候旋回进行验证分析，从根源上查明古气候旋回发育的控制因素，大大增加判别结果的可靠性。

本发明是在继承前人部分判别方法的基础上，综合了古植物含量系数、煤岩组分、特征元素、碳同位素等分析手段，采用多方法、多角度进行综合判别巨厚煤层内部古气候旋回；同时，本发明根据不同判别方法对古气候的的敏感性，对判别出的古气候旋回进行相应赋值，累计得出各古气候旋回的总得分，定量化的描述了各古气候旋回的可靠性。之后，通过测井数据的地球公转轨道参数识别(米兰科维奇旋回)，从成因机制上查明了古气候旋回发育机理，进而验证了古气候旋回综合判别结果的正确性。

本发明综合采用古植物含量系数法、煤岩组分法、特征元素法、碳同位素法，定量化的判别了巨厚煤层内部的古气候旋回，判别结果精确度高、可靠性强；在此基础上，通过测井数据分析识别巨厚煤层内部的地球公转轨道参数(米兰科维奇旋回)，查明了古气候旋回发育的控制因素，进而从根本上验证了古气候旋回判别结果的正确性。

附图说明

图1是古植物含量系数法判别巨厚煤层内部的古气候旋回图；

图2是煤岩组分法判别巨厚煤层内部的古气候旋回图；

图3是特征元素法判别巨厚煤层内部的古气候旋回图；

图4是碳同位素法判别巨厚煤层内部的古气候旋回图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明的最佳实施方式，可以按照以下3个主要步骤进行：

本实施例选取鄂尔多斯盆地南部黄陇煤田侏罗纪巨厚煤层为研究对象，开展巨厚煤层内部古气候旋回的判别研究，寻求能够较为准确反映古气候变化的参数，以及这些参数与古气候变化的相关性，识别巨厚煤层中存在的古气候旋回；之后，从地球公转轨道参数(偏心率、黄赤交角、岁差)变化的角度，即识别米兰科维奇旋回，查明古气候变化的控制因素，进而从“根源”上验证古气候旋回识别的正确性。

A.资料准备

1)巨厚煤层按照一定间距自下而上系统密集采样当煤层厚度小于等于50米时，间距为0.2-0.5m，当煤层厚度超过50m，采样间距扩大到1m；当巨厚煤层的宏观煤岩类型厚度小于0.2m时，也要保证采1个样品。

2)收集巨厚煤层层位的自然伽马测井数据；

B.古气候旋回判别

依据样品的古植物孢粉鉴定、煤岩测试、微量/常量元素测试和碳同位素测试数据，分别用古植物含量系数法、煤岩组分法、特征元素法、碳同位素法进行古气候旋回识别，对每种识别结果按照一定的赋值标准进行赋值，综合得出定量的识别结果；然后，阐明巨厚煤层中古气候旋回的个数及及其平均厚度。

上述赋值标准为：

C.古气候旋回验证

对巨厚煤层的测井数据(自然伽马测井数据)进行深度处理，识别其中蕴含的地球公转轨道参数，进而识别出米兰科维奇旋回；分析巨厚煤层中蕴含的由地球各公转轨道参数形成的古气候旋回的个数，以及各气候旋回的平均厚度；与步骤B中判别的古气候旋回的个数和厚度相对比，查明控制巨厚煤层中古气候旋回变化的地球轨道参数，进而从本质上阐明巨厚煤层中古气候旋回的控制因素，从而验证步骤B中判别出的古气候旋回的正确性与准确性。

本发明包括3个主要部分，一为古气候旋回的判别，二为古气候旋回判别赋值，三为古气候旋回的验证。

一、古气候旋回的判别

(1)古植物含量系法

古植物遗体的大量堆积是聚煤作用发生的物质基础，通过对煤层中古植物孢粉组合的相关分析与古植物化石的识别，可以恢复成煤期的古植物群落。古植物孢粉在煤层及细碎屑岩中数量繁多、保存完好，不同类型的古植物孢粉组合及生态特征，可以反映了成煤期为温暖潮湿或炎热干燥气候。

根据巨厚煤层中古植物的孢粉类型、含量以及孢粉母体的生态特征(干湿、冷热等)，将古植物孢粉化石划分为四种生态类型：a.湿生植物(S)-生长环境潮湿的植物；b.旱-盐生植物(H-Y)-生长在雨量充足，但蒸发量较大的湿热、含盐度较高的弱覆水环境中的植物；c.中生植物(Z)-生成环境较干旱的植物；d.湿中生植物(SZ)-介于湿生和中生植物之间的过渡生境的植物。在这些生态类型植物中，每一种古植物的含量系数为该类型植物质量含量与其他三种类型植物质量含量之和的比值。根据各类型古植物含量系数的高低，基本上能反映出巨厚煤层沉积期的古气候变化。旱-盐生植物含量系数(K_H-Y)>1，反映干旱气候，<1反映潮湿气候；湿中生植物含量系数(K_SZ)>1，反映潮湿气候，<1反映干旱气候；湿生植物含量系数(K_S)变化不是很敏感，>0.5时反映环境非常潮湿；中生植物对气候反映不敏感，这里不做论述。

实例分析：以鄂尔多斯盆地南部黄陇煤田JP地区PC孔4#巨厚煤层为例(图1)，根据巨厚煤层的古植物含量系数：旱-盐生植物含量系数(K_H-Y)、湿中生植物含量系数(K_SZ)和湿生植物含量系数(K_S)的变化，可以识别出该巨厚煤层形成期发生过4次温湿-干热的古气候旋回变化，由早到晚各古气候旋回依次标号为I、II、III、IV，该煤层厚度为18.16m，平均每个气候旋回厚度为4.54m。

(2)煤岩煤质组分法

煤的显微组分类型和含量是反映煤成因的基本标志。镜质组(V)是在覆水还原的条件下形成的；惰质组(I)是在比较干燥的氧化条件形成的。煤中镜/惰比值(V/I，也称潮湿系数)大小，反映了成煤期泥炭沼泽的潮湿-干燥的程度。镜质组含量高，惰质组含量低，镜/惰比值(V/I)>1，反映气候较为温暖潮湿；镜质组含量低，惰质组含量高，镜/惰比值(V/I)<1，反映气候较为炎热干燥。

实例分析：

以鄂尔多斯盆地南部黄陇煤田BC地区M10孔4#巨厚煤层为例，根据镜质组、惰质组含量和镜/惰比值(V/I)(图2)，可以在巨厚煤层中识别出4次温湿-干热的古气候旋回变化，由早到晚各古气候旋回依次标号为I、II、III、IV，该煤层厚度为11.30m，平均每个气候旋回厚度为2.83m。

(3)特征元素法

对古气候响应敏感的元素Sr的含量>20μg/g，反映气候干热，<0.15μg/g，反映气候湿温；元素Mn的含量，>0.15μg/g，反映气候干热，<0.15μg/g反映气候湿温；Sr/Cu比值>10反映干热气候，<10反映温湿气候；Mg/Ca比值>0.5反映温湿气候，<0.5反映干旱气候；FeO/Fe₂O₃比值>0.7反映潮湿气候，<0.7反映干旱气候；CaO/(MgO+Al₂O₃)比值>0.6反映温暖气候，<0.6反映较冷气候；(CaO+K₂O+Na₂O)/Al₂O₃比值，>5反映干旱气候，<5反映湿润气候。

实例分析：以鄂尔多斯盆地南部黄陇煤田BC地区M10孔4#巨厚煤层为例，根据对气候响应敏感的微量和常量元素及其比值，可以在巨厚煤层中识别出4次温湿-干热的古气候旋回变化(图3)，由早到晚各古气候旋回依次标号为I、II、III、IV，该煤层厚度为11.30m，平均每个气候旋回厚度为2.83m。

(4)碳同位素法

煤层中有机碳同位素δ¹³C值可以表示泥炭沉积时的温度和湿度条件，即随着温度升高，气候变的干燥，泥炭沼泽环境氧化性增强，δ¹³C变重(值变大)；当大气湿度较低时，气孔导度和细胞内CO₂浓度低(值变小)，因而导致植物纤维素δ¹³C值增高，进而导致煤中δ¹³C变重。碳同位素δ¹³C值变轻(数值变大)，即δ¹³C值>-21.5‰时，反映干旱、高温的古气候；碳同位素δ¹³C值变重(数值变小)，即δ¹³C值<-21.5‰时，反映潮湿、低温的古气候。

实例分析：以鄂尔多斯盆地南部黄陇煤田BC地区M11孔4#巨厚煤层为例，根据碳同位素δ¹³C值的变化，可以在巨厚煤层中识别出4次温湿-干热的古气候旋回变化(图4)，由早到晚各古气候旋回依次标号为I、II、III、IV，该煤层厚度为13.15m，平均每个气候旋回厚度为3.28m。

二、古气候旋回判别赋值

本发明涉及到的4种古气候旋回判别方法，古植物含量系数法、煤岩组分法、特征元素法、碳同位素法均为直接判别法；研究发现不同判别方法对古气候旋回的敏感程度不同，为了更加准确的描述间断面的可靠性，本研究给各种判别方法进行了赋值(表1)，满分为100分，得分越高，说明这个古气候旋回存在的可靠性越大。示例分析结果见表2。鄂尔多斯盆地南部黄陇煤田内，不同钻孔、不同方法均在4#巨厚煤层中均识别出4个古气候旋回。虽然不同古气候旋回的总得分不同，但都在80分以上，可信度均较高。

表1 各类判别法的权重赋值

表2 示例巨厚煤层内古气候旋回综合判别结果赋值表

三、古气候旋回验证

地球有3个基本的公转轨道参数，即偏心率、黄赤交角和岁差，这3个参数均有各自的循环周期，在不同的地质时期有规律的发生变化，进而控制着地球上气候的变化。利用巨厚煤层的自然伽马测井数据，可以识别巨厚煤层中蕴含的地球公转轨道参数信息(米兰科维奇旋回)，进而分析巨厚煤层内包含的由不同地球公转轨道参数控制的各种旋回的个数及其平均厚度；之后，与前述用古植物含量系数法、煤岩组分法、特征元素法、碳同位素法判别出的古气候旋回的个数与厚度进行验证分析，从根源上进行古气候旋回的验证，增加了古气候旋回判别的可靠性。

实例分析：以鄂尔多斯盆地南部黄陇煤田BC、JP地区巨厚煤层为例，由于米兰科维奇旋回是一个宏观的气候旋回，在黄陇煤田区域范围内变化不大；为了提高识别精度，本次选择BC和JP地区3个钻孔的巨厚煤层行米兰科维奇旋回识别(表3)。黄陇煤田BC地区M10孔煤层厚11.3m，通过煤岩组分法和特征与元素法识别出4个古气候旋回，古气候旋回平均厚度为2.83m，与该地区斜率周期的厚度2.77m非常吻合。煤田BC地区M11孔煤层厚13.15m，通过煤岩组分法和特征与元素法识别出4个古气候旋回，古气候旋回平均厚度为3.28m，与该地区斜率周期的厚度2.83m较为吻合。黄陇煤田JP地区PC孔煤层厚度18.16m，用植物含量系数法识别出4个古气候旋回，古气候旋回平均厚度为4.54m，与该地区斜率周期的厚度4.12m较为吻合。综上分析可知，鄂尔多斯南部黄陇煤田巨厚煤层(4#)中古气候旋回的厚度与斜率周期控制的煤层旋回厚度非常近似，可以认为该巨厚煤层中古气候旋回的发育受米兰科维奇旋回中斜率周期变化的控制。进而从本质上验证了古气候旋回判别结果，增加了本发明判别古气候旋回的可信度。

表3 鄂尔多斯盆地南部BC、JP地区巨厚煤层中米兰科维奇旋回周期识别统计表

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。