區(qū)域熱變質(zhì)煤的顯微煤巖特征及其地質(zhì)意義

摘 要 我國許多晚古生代和中生代煤受中生代以來構(gòu)造巖漿活動的影響，在深成變質(zhì)基礎(chǔ)上，發(fā)生了廣泛的區(qū)域熱變質(zhì)作用，在相當(dāng)程度上決定了煤種的分布。區(qū)域熱變質(zhì)煤的顯微煤巖特征有:高反射率和強(qiáng)各向異性，發(fā)育熱變氣孔和各向異性體，煤中有熱液礦物、富集某些微量元素、同生礦物受到熱液改造。一些低煤化煤中瀝青質(zhì)體等組分受熱液影響形成變滲出瀝青體。煤變質(zhì)作用類型是影響煤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的成因因素之一。研究區(qū)域熱變質(zhì)煤的特征有助于確定煤變質(zhì)分帶原因，恢復(fù)地?zé)嵫莼芳胺治雒撼捎?、煤成氣等問題。近年來，聯(lián)邦德國、英、蘇、美、澳、波等許多國家，都發(fā)現(xiàn)一些煤田的煤受疊加熱場的影響，發(fā)生了區(qū)域熱變質(zhì)作用(Stach et al.，1982;Teichmüller et al.，1979;Богданова，1985)。我國不少晚古生代煤，東部地區(qū)的中生代煤受中生代以來的構(gòu)造巖漿活動的影響，在原有深成變質(zhì)的基礎(chǔ)上，發(fā)生了廣泛的區(qū)域熱變質(zhì)，在相當(dāng)程度上決定了我國煤種的分布1)(韓德馨等，1980)。一、區(qū)域熱變質(zhì)煤的特點區(qū)域熱變質(zhì)煤與相同煤級的深成變質(zhì)煤相比，具有Vr低、H/C低、芳香度較大，自由基濃度大，熱解色譜最高裂解溫度Tmax較高和S2較少的特點;在煤晶結(jié)構(gòu)上具有芳香層La較大的特征?？梢姡冑|(zhì)作用類型是影響煤組成和性質(zhì)的又一個重要的成因因素。區(qū)域熱變質(zhì)煤的顯微煤巖特征有:反射率和雙反射高，出現(xiàn)熱變氣孔、各向異性體和熱液礦物等。1.反射率高、雙反射高反射率是表征煤化程度最常用的標(biāo)志。豫西石炭二疊紀(jì)煤田的煤受燕山期疊加熱場的影響，形成了煤級的環(huán)帶狀分布，出現(xiàn)了大面積高變質(zhì)無煙煤帶。濟(jì)源克井礦區(qū)煤中無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體的最大反射率R°max高達(dá)6.6%。福建建甌晚三疊世煤受燕山期花崗巖巖漿熱液活動的影響，無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體的R°max普遍在5.0%以上，最高可達(dá)9.3%。雙反射是在煤化過程中發(fā)育形成的與鏡質(zhì)組芳香層有序性相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)。區(qū)域熱變質(zhì)無煙煤的鏡質(zhì)組具強(qiáng)烈的各向異性。如豫西無煙煤的雙反射ΔR大多在2.0%以上，可達(dá)4.34%，相對各向異性 大多在45%～50%以上，可達(dá)68%。建甌無煙煤的ΔR也多在2.0%以上，個別高達(dá)8.48%，相對各向異性大多在50%以上，最高可達(dá)91.3%。1)楊起等，1981，中國煤變質(zhì)問題的探討。高反射率和強(qiáng)烈的各向異性是世界上典型區(qū)域熱變質(zhì)煤，如聯(lián)邦德國布臘姆舍巖體上的石炭紀(jì)煤( Teichmüller et al. ，1979) 、蘇聯(lián)通古斯煤田二疊紀(jì)煤( Богданова，1985) 的共同特點，我國煤不僅有此特色，而且表現(xiàn)更為強(qiáng)烈( 表 1) 。表 1 區(qū)域熱變質(zhì)煤的反射率和相對各向異性 單位: %引人注目的是，在一些淺成區(qū)域巖漿熱變質(zhì)的地區(qū)，構(gòu)造巖漿活動強(qiáng)烈，煤強(qiáng)烈破碎，眾多裂隙成為熱液活動的通道，同一煤層不同部位的鏡質(zhì)組受熱液的影響不同，反射率和雙反射有相當(dāng)大的變化，分布很不均勻，反射率面譜呈多峰狀。2. 熱變氣孔這種氣孔形態(tài)多樣，常見圓形、橢圓形，受熱液溶蝕而形成的往往帶有毛邊，呈港灣狀。熱變氣孔孔徑從 <0. 1μm 到大于 10μm。一般認(rèn)為熱變氣孔的形成與煤受熱軟化時揮發(fā)物產(chǎn)生和逸出有關(guān)。一些熱變氣孔孔壁及周緣常見放射狀裂紋，有時也有環(huán)狀裂紋，其成因與熱塑狀態(tài)下?lián)]發(fā)物的逸出產(chǎn)生收縮作用有關(guān)。熱變氣孔周圍及孔底時有小球體萌生，有時孔緣小球體的粒度及各向異性程度均向氣孔中心方向增大，部分氣孔充填有石英、方解石等熱液礦物，表明這些氣孔內(nèi)壁曾與載熱流體接觸，載熱流體帶來的熱能導(dǎo)致中間相小球體從鏡質(zhì)組中萌生。3. 各向異性體各向異性體是煤中各向異性相對明顯的新生組分。由于均質(zhì)鏡質(zhì)體反射率達(dá) 1. 0% 以后，各向異性漸增，因此各向異性體較強(qiáng)的各向異性是相對均質(zhì)鏡質(zhì)體而言的( 表 2) 。各向異性體的形態(tài)各異，其命名可暫借用焦炭巖石學(xué)中的術(shù)語，如各向異性孢子體、各向異性角質(zhì)體、各向異性樹脂體、鑲嵌結(jié)構(gòu)體、葉狀體、中間相小球體等。值得注意的是，相當(dāng)一部分微粒體具各向異性，可稱之為各向異性微粒體。此外，部分富氫鏡質(zhì)組、孢子體所形成的各向異性體，在透射光下透明，正交偏光下各向異性強(qiáng)。表 2各向異性體的類型和豐度既取決于成煤原始物質(zhì)和聚煤環(huán)境，又取決于原始煤級和熱演化史。一般，在近海還原環(huán)境下形成的富氫鏡質(zhì)組、瀝青質(zhì)體以及樹脂體、孢子體、角質(zhì)體等富含類脂物質(zhì)的組分較易形成各向異性體。從煤巖成分來看，富殼質(zhì)組組分的暗煤中各向異性體較亮煤、鏡煤中多，含量可達(dá) 10% 以上。原始煤級及熱演化史對于各向異性體的發(fā)育有相當(dāng)影響。豫西煤田朝川礦區(qū)早二疊世二1煤受深成變質(zhì)所形成的原始煤級約為肥煤階段，正處于“生油期”，受區(qū)域熱變質(zhì)作用影響明顯，較快的升溫速度和較高的古地溫，促進(jìn)了顯微組分的差異煤化作用，加強(qiáng)了富類脂組分的熱分解，促使液態(tài)烴大量排出，從而大大增加了各向異性體的豐度和類型。豫西濟(jì)源等地的二1煤，由于有巨厚的中生代覆蓋層，蓋層總厚達(dá) 4500m 以上，持續(xù)沉降時間長，原始煤級為焦煤階段，經(jīng)受區(qū)域熱變質(zhì)作用后雖已達(dá)高變質(zhì)無煙煤，煤中仍有 3. 5% ～5. 7% 的各向異性體。而建甌晚三疊世煤的煤級與濟(jì)源相似，鏡質(zhì)組反射率和雙反射也很高，但各向異性體罕見，看來可能與蓋層較薄，原始煤級較低有關(guān)。微區(qū)分析表明，各向異性體的碳含量高于鏡質(zhì)組，所富集的元素受熱源、載熱流體組成的影響。例如，豫西無煙煤中各向異性體普遍富含 C1，不少 K、Na 含量較高，這是熱液作用的結(jié)果; 而豫西煤田朝川、韓梁等地受基性巖漿接觸變質(zhì)形成的天然焦中鑲嵌結(jié)構(gòu)體則富含Ca、Mg、Fe 等元素。各向異性體的成因復(fù)雜，大多是原地萌生的，其中有固相轉(zhuǎn)變的，也有經(jīng)歷中間相的; 此外，也有氣相沉淀的。煤化過程中從富氫鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組中形成的“煤成油”及其他裂解產(chǎn)物，在進(jìn)一步煤化中，可經(jīng)過類似碳化時的共碳化作用等方式轉(zhuǎn)變成各向異性體。發(fā)育有各向異性體是區(qū)域熱變質(zhì)煤的重要特征。與此同時，在國內(nèi)外一些低煤化程度煤中也有各向異性體存在，如加拿大的亞煙煤( Goodarzi，1985) 、我國平朔、大同等煤田的長煙煤、氣煤，不過各向異性體的數(shù)量較少，缺少氣相沉淀等類型。而這些煤田的煤通常被認(rèn)為是深成變質(zhì)所形成的，對其成因眾說紛紜，是有待于進(jìn)一步深入研究的。4. 煤中熱液礦物、微量元素及同生礦物的熱液改造區(qū)域熱變質(zhì)作用發(fā)育的地區(qū)，除圍巖發(fā)生不同程度的交代蝕變外，煤中也出現(xiàn)了多種熱液礦物。如豫西、建甌的高變質(zhì)無煙煤中有黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦以及磷灰石等典型低中溫?zé)嵋旱V物組合，脈石礦物有石英、方解石( 多為雙晶) 、菱鐵礦等，其產(chǎn)狀以脈狀為主，也有充填顯微組分的胞腔和熱變氣孔的。在異常的古熱流影響下，煤中同生礦物發(fā)生了明顯的熱液改造。同生的黃鐵礦微晶和莓粒溶解、活化遷移，重結(jié)晶成粗大的自形晶，或連成片狀，或充填于裂隙中( 豫西、建甌) 。陸源石英碎屑溶解，形成自形晶、半自形晶，充填在溶蝕孔、半絲質(zhì)體胞腔和無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體的內(nèi)生裂隙中( 貴州水城) 。中子活化法微量元素分析表明，區(qū)域熱變質(zhì)煤中富集的微量元素，有時反映了由于巖漿熱液活動所造成的區(qū)域地球化學(xué)異常。例如，建甌煤中鎢含量可達(dá) 57. 6ppm，超過克拉克值幾十倍，極為富集。微區(qū)分析證實，鎢主要分布于熱液礦脈中。以鈰族輕稀土為主的稀土元素總量可達(dá) 196. 5ppm，也比沉積巖中常見值高。我國東南沿海燕山期巖漿活動頻繁，建甌煤田四周幾公里范圍內(nèi)都有燕山期花崗巖的分布。建甌煤中微量元素的富集與該區(qū)由燕山期花崗巖巖漿熱液活動所造成的區(qū)域性鎢、稀土元素異常是一致的。除上述主要特征外，在一些煤化程度較低、但受過某種程度疊加熱場或熱液活動影響的煤田煤中，有些顯微煤巖特征是值得注意的。如貴州水城的燭藻煤中( 處于氣煤階段) ，瀝青質(zhì)體受熱液的影響，熱解并微區(qū)運(yùn)移到相鄰的均質(zhì)鏡質(zhì)體的內(nèi)生裂隙和孔隙以及半絲質(zhì)體的胞腔中，形成“變滲出瀝青體”，其透光色為深棕色，但反射率低于均質(zhì)鏡質(zhì)體，R0r為0. 265% ，無熒光。浙江長廣樹皮殘植煤中的木栓質(zhì)體受疊加熱場的影響，也形成了充填于無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體內(nèi)生裂隙中的“變滲出瀝青體”。二、結(jié)語( 1) 煤變質(zhì)作用類型是影響煤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的重要成因因素之一。對區(qū)域熱變質(zhì)煤的組成和性質(zhì)的深入研究，包括對其中各向異性體的組成和性質(zhì)的研究，將有利于煤炭資源的合理利用和深度加工利用。( 2) 區(qū)域熱變質(zhì)煤具有一系列明顯的顯微煤巖特征。這是煤中有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)在特定的地質(zhì)條件下，受溫度、壓力、時間及地球化學(xué)條件等變質(zhì)因素影響而形成的。根據(jù)對這些特征的定性定量分析，結(jié)合地質(zhì)條件的綜合研究，可較為確切地探討煤變質(zhì)帶分布的原因，預(yù)測深部煤質(zhì)，有助于恢復(fù)地區(qū)的地?zé)嵫莼?，也有利于研究大地?gòu)造發(fā)展史。深入研究區(qū)域各地質(zhì)時期變質(zhì)作用及其類型，對于分析煤成氣的形成和賦存，礦井瓦斯的成因亦是有益的。根據(jù)有機(jī)顯微組分熱敏性不同，發(fā)育各向異性的程度不同，在高變質(zhì)煤中可藉以判斷原有的煤巖顯微組成。本課題得到韓德馨教授的熱情指導(dǎo); 毛鶴齡、陳中凱、戴紀(jì)民、李敏銳同志參加了部分樣品的測試、采樣、制片工作; 得到了河南省有關(guān)礦務(wù)局及煤田地質(zhì)勘探公司，煤炭第一勘探公司、建甌煤礦、水城礦務(wù)局的大力協(xié)助; 承蒙中國科學(xué)院高能所楊紹晉等同志完成了微量元素分析，北京鋼鐵學(xué)院宋海濤等同志完成了掃描電鏡觀察及微區(qū)分析，在此一并致謝!參 考 文 獻(xiàn)韓德馨、楊起主編，1980，中國煤田地質(zhì)學(xué)( 下冊) ，煤炭工業(yè)出版社。Goodarzi，F(xiàn). ，1985，Optical anisotropic fragments in a Western Canadian subbituminous coal，F(xiàn)uel，No. 5.Stach，E. et. al，1982，Stach’s textbook of coal petrology，Gebrüder Borntraeger，Berlin，Stuttgart.Teichmüller，M. et al. ，1979，lnkohlung and Erdgas in Nordwestdeutschland，F(xiàn)ortschr. Geol. Rheinland u. Westf. ，27，137 ～170.Бorдaнова，Л. . А. ，1985，Пребразование угле в зонах Tермального возействия интрузий. вк. : А. И . Г инзбург，иН. B. Иванов( peд) ，Углеосные Формации и петрологии углей，115 ～ 112，Недра，Ленинград.( 本文由任德貽、鐘寧寧、肖賢明合著，原載《中國石炭二疊紀(jì)含煤地層及地質(zhì)學(xué)術(shù)討論會》論文集，科學(xué)出版社，1987)
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。