自1870年,德国人李希霍芬对山西省石炭-二叠纪含煤岩系进行调查以来,山西晚古生代含煤岩系的研究不断深入。对于山西石炭-二叠系的界线划分,至少有10来种方案,多数未取得共识。作为华北地区石炭-二叠系太原组的命名地,厘清并确定山西省石炭-二叠系的界线很有必要。华北板块晚古生代太原组形成于统一的陆表海沉积环境。海水入侵在方向与时间上的差异,使得山西地块比其它地区的沉积-构造环境更为复杂,也因此造成了全省煤层对比的困难。后期改造也会对探讨山西含煤岩系形成规律与成因带来困惑。华北板块北侧与西伯利亚板块在二叠纪碰撞缝合,南缘与扬子板块在三叠纪缝合。在华北板块南北缘与相邻板块的碰撞时间差,影响了山西地块晚古生代含煤岩系地形地貌,由沉积最初的北低南高转变为南高北低,也影响着灰岩厚度与层数,煤层厚度与层数等的变化。晚古生代海水的北侵与南侵的转换面,可以作为地层(煤层)对比和划分的良好标志层。鉴此,本文运用地层古生物学、煤岩学、煤地球化学、构造地质学、数理统计方法等理论与技术,通过实测地质剖面、地面及矿井下煤样采集、样品测试分析和综合分析,对山西晚古生代含煤岩系进行煤岩煤质、煤变质程度、大地构造对沉积环境的控制和影响、太原组下部主采煤层的划分对比、煤样的地球化学分析及其与沉积环境的关系等进行分析研究。在确定太原组下部主采煤层对比的基础上,探讨石炭-二叠系界线问题。与此同时,通过探讨板块构造活动对海水进退的影响和控制关系,提出构造地质学方法对地层界线划分的独特作用及其可行性。除了确定石炭-二叠系界线外,还对山西省晚古生代的含煤岩系的分区特征进行讨论,以便对山西地块地质构造和能源矿产的研究,对瓦斯和煤层气的勘探提供基础资料。通过研究,本论文得出了如下一些主要结论:1、通过山西晚古生代含煤岩系的研究,确立了全省范围内可对比的太原组下部可采主煤层。晚古生代太原组的灰岩和煤层的分布和赋存有比较明显的规律性。在大同-平朔煤田之南,太原组的煤层与灰岩层有很大的共生关系,即煤与灰岩互层;而在大同煤田,则基本缺失灰岩;此外,海水入侵与灰岩及煤层发育有很好的相关性,即与海水入侵方向同步,灰岩的层数与厚度向海水侵入(前进)方向逐渐由多减薄,甚至消失。基于这样的规律,结合前人资料的分析研究和借鉴,确定了可视为相同层位的煤层:在大同及其以北地区,太原组下部可采主煤层为5#煤层,在宁武及以北、保德,为9#煤层,在太原西山,为8#煤层;而在太原东山及沁水盆地为15#煤层。这一可对比煤层层位的确定,也为石炭-二叠系界线的研究提供了基础。本文通过研究提出石炭-二叠系的界线在不同地区,界线所处的层位有所不同。主要依据:根据古生物的赋存状况,应该将石炭-二叠系的界线划在太原西山8#煤底,但是,由于8#煤之下的地层缺乏可供对比的古生物依据,难以得出确切的界线层位;对本次采集样品开展了显微观察和地球化学元素的X射线荧光光谱分析,将得到的数据与前人的研究成果相结合,可以反映各煤田主采煤层在泥炭阶段的沉积环境是不同的。以平朔煤田为例,11#煤层在泥炭沼泽阶段发生过海进现象。海水进退方向由北向南和由南向北间的转换,发生在吴家峪灰岩与庙沟灰岩间,即晋祠砂岩段内。2、晚石炭世-早二叠世,海水自鄂尔多斯西缘、本溪和淮南向北、北西和西三个方向的入侵,使这一时期山西地块吕梁山以东地区发生由北向南和随后由南向北的两次海侵,吕梁山以西地区经历了至少一次海水入侵。其海侵转换面成了大区域对比和预测灰岩和煤层分布的标志面,也为构造与海水进退相关性、板块构造活动控制和影响煤厚和灰岩层数与厚度提供了例证。本溪组沉积阶段,海水自北向南入侵,在北部大同沉积了厚度达20m的灰岩层,在山西中南部只沉积了厚度不大的2层灰岩,甚至缺失。太原组沉积时,海水自南东向北入侵,灰岩层数有6层之多,向北至平朔-大同基本缺失灰岩层,仅发育1²层泥灰岩。煤层厚度也经历了相同的变化趋势,本溪组北部煤层厚度大,向南减薄乃至消失;太原组则南部煤层厚度大,向北煤层变薄。这些认识可以为预测煤层和灰岩的分布规律,为煤田勘探提供了很好的基础。3、板块构造活动控制和影响了海水进退的进程与方向,也控制和影响了灰岩和煤层的展布规律。西伯利亚板块先于扬子板块与华北板块的碰撞拼合,山西地块南北地区海水入侵方向变化与板块碰撞时间及其空间分布具有相近性。海水入侵转换面可以作为山西省石炭-二叠系的分界线;此外,也可用来预测灰岩层和煤层厚度及其分布规律。根据山西省煤岩煤质及其变质程度的差异,将研究区以吕梁山为界分为东西两部,其西为隶属于鄂尔多斯盆地东缘的保德-柳林区块,其东大同-沁水区块。保德-柳林区块煤的变质条带呈NNW向,大同-沁水区块煤的变质条带总体呈NNE向,煤的变质程度呈北低南高的特征,最高变质煤位于沁水盆地的中南部。根据本次测试资料结合收集的资料,对山西境内中北部区域的煤田煤样的分析可以看出,除了朔州-静乐段以外,埋藏深度与镜质组反射率(R_o,max)间有很好的相关性。然而,在吕梁山以西的鄂尔多斯盆地东缘的保德至乡宁一带,镜质组反射率(R_o,max)与埋深间,并不存在很好的相关性,有的地段呈现负相关性。根据灰分的平面和垂向分布,太原组煤灰分整体呈现东高西低、北高南低的特点,由北向南分带明显,为北部富灰带,中部中灰带,以及东南部低灰带。同一煤层不同层位灰分变化没有一定的规律性,煤层顶板、底板与层内的灰分变化类型多。4、根据煤的地球化学研究,结合层序地层学和煤地球化学测试结果的综合分析,得出山西省石炭-二叠系的界线应划分在8#(太原西山)、9#(宁武、平朔)、15#(沁水盆地)煤层之下,晋祠砂岩上部至11#煤层间。煤岩三大组分的含量变化,反映了煤层在泥炭沼泽阶段的环境差异。太原组主采煤层样品数据分析结果显示,煤中镜质组和惰质组的含量之和大于90%,煤的矿物含量分布在7%¹3%之间,平均为11%左右。从各煤田太原组煤的显微组分中镜质组与惰质组含量的相对变化可以看出,大同、宁武、河东、霍西、沁水、西山的泥炭沼泽堆积时环境由相对潮湿-相对干燥转化。CaO/Fe₂O₃、CaO/MgO和Ca/(Ca+Fe)等煤氧化物的比值、SiO₂+Al₂O₃、Fe₂O₃+CaO+MgO、Fe₂O₃+CaO+MgO/Fe₂O₃+CaO+MgO等氧化物组合与比值可以反映泥炭沼泽形成时的淡-盐水类型及其浓度,煤灰中的SiO₂/Al₂O₃、CaO/(Fe+CaO)、CaO/MgO可用于说明煤灰中陆源物质的数量和泥炭堆积类型。结合古生物特征,可以反映宁武平朔地区的11#煤层、太原西山地区的8#、9#煤层与沁水盆地陵川地区的15#煤层在泥炭阶段的沉积环境是不同的,8#、9#煤层处于陆相泥炭沼泽环境,11#煤与15#煤沉积时处于海进过程中的波动式沉积。这些参数数值一方面反映不同区域沉积环境的差异,另一方面也可佐证太原组沉积时,初始海进应该发生在11#煤层之下。5、地层古生物化石分布特征、岩性、海侵转换面、层序地层等诸方面的分析显示,山西省石炭-二叠系的界线是一个在不同区域穿时的界线面,应划分在8#(太原西山)、9#(宁武、平朔)、15#(沁水盆地)煤层之下,晋祠砂岩上部至11#煤层间。(虫筳)动物群的丰度和分异度从南到北、由下至上逐渐增大的趋势,在层序序列上表现为煤层的层数和厚度由下而上增加。研究区东西部发育的灰岩中所含的(虫筳)类在种类和数量上的差异,也印证了太原组中晚期东西海水汇合、海水侵入范围上的变化。太原组牙形石丰度受海水进退沉积环境差异的局限,海进初期-高潮期和太原组中下部灰岩中丰度变大,海退或上部灰岩中丰度减小或很低。沉积层序上,太原组中上部的岩性由北向南逐渐变细,发育有砂砾岩-煤层与砂泥岩互层-灰岩-粗砂岩沉积,沁水地区煤层厚度最薄,向北厚度增大;太原组下部,岩性的种类由北向南逐渐变多,灰岩厚度增大,灰岩层数增多,大套的粗砂岩沉积趋少,成煤性较太原组中上部变差,在大同宁武煤田有厚煤层发育,往南则煤层变薄。根据海平面相对变化和海侵成煤作用,结合煤层与灰岩在厚度和层数上的变化,可知含煤沉积的层位随着海水逐渐撤退出而渐渐升高,海相层和煤层层位呈正相关关系,厚煤带和聚煤中心随海岸线的南迁而南移。据此,海水由北向南、由南向北的转换界面是在太原西山8#煤或沁水盆地15#煤、宁武及以北地区9#煤之下的11#煤层底至下伏晋祠砂岩上部地层层位间。综上所述,山西省石炭-二叠系的界线在太原西山煤田之北的地区,如宁武、平朔、保德为9#煤层之下,太原西山与之对应的煤层是8#煤层,太原东山及其沁水盆地是15#煤层。这就意味着,石炭-二叠系的界线分别在太原西山8#煤层、宁武、平朔9#煤层、沁水盆地15#煤层之下,晋祠砂岩上部至11#煤层间。石炭-二叠系界线的确定、煤层和灰岩互存,煤厚与灰岩层数与海水进退同步,煤层和煤厚及其灰岩层数向海水入侵方向减少乃至消失的规律、山西地块太原组含煤岩系以吕梁山为界的分区特征的揭示,对于深入研究山西煤、瓦斯和油气分布规律及成因,以及能源的勘探有重要的理论与实践意义。