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淺談煤各變質(zhì)類型及變質(zhì)作用
摘要:本文介紹中國煤變質(zhì)的主要類型,根據(jù)受熱的主要熱源及作用方式和煤質(zhì)特征等,不同的影響因素劃分不同的煤變質(zhì)作用類型。總結(jié)概括為深成變質(zhì)作用、巖漿熱變質(zhì)作用、動力變質(zhì)作用和熱水變質(zhì)作用。闡述了煤變質(zhì)作用的特點。在前人研究的基礎(chǔ)上,筆者就影響煤變質(zhì)的主要因素談?wù)効捶?供討論。
關(guān)鍵詞:煤變質(zhì)作用 變質(zhì)類型 影響因素
1. 前言
煤變質(zhì)作用指由褐煤轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋骸o煙煤、超無煙煤的物理化學(xué)作用。煤變質(zhì)的范圍是從褐煤到石墨的演變。煤的變質(zhì)研究是預(yù)測煤質(zhì)與指導(dǎo)開采所需煤種的理論基礎(chǔ),可以預(yù)測煤類,以適應(yīng)社會主義經(jīng)濟建設(shè)的需要,還可以從另一個側(cè)面來探討有關(guān)煤的形成條件、地?zé)岷痛蟮貥?gòu)造等問題。煤變質(zhì)問題與煤的成因及后生變化關(guān)系密切,具有重大的經(jīng)濟意義和理論意義。研究各類變質(zhì)作用所引起的有關(guān)變化特點確定變質(zhì)類型,是研究煤級分布規(guī)律的重要基礎(chǔ)。
2. 煤的變質(zhì)類型劃分
煤變質(zhì)類型有很多分類方法,現(xiàn)總結(jié)如下:
煤的變質(zhì)是溫度、壓力和時間長期作用的結(jié)果,其中溫度是煤變質(zhì)的主導(dǎo)因素,在煤的埋藏過程中,溫度加速化學(xué)煤化作用,而壓力可以促進物理結(jié)構(gòu)煤化作用[1]。時間無疑是煤變質(zhì)的因素之一,不論溫度或壓力等哪種因素起主導(dǎo)作用,都將隨著時間的變化而增減其作用的強度。控制煤及分散有機質(zhì)演化-變質(zhì)作用的熱狀態(tài)總體特征,可用含煤巖系各點古地?zé)崃鞯拇笮『头较騺砻枋觥６簬r系古地?zé)崃魇枪艧釋?dǎo)率和古地溫梯度的主控因素,古地溫梯度是煤化梯度的主控因素,以此作為進行煤變質(zhì)作用熱動力分析的理論依據(jù)。以熱力為基準,溫度正常情況下取決于沉降深度、地溫梯度及圍巖的導(dǎo)熱性,其主要以熱源和地?zé)釄鰪姸鹊牟煌瑥亩鸬販靥荻炔煌瑏碛绊懨旱淖冑|(zhì)的。據(jù)此分為兩類六型[2-4]:
(1)常地溫?zé)嶙冑|(zhì)作用類:在正常地?zé)釄鲎饔孟乱鸬拿旱淖冑|(zhì)作用。
(2)異常地溫?zé)嶙冑|(zhì)作用類:在異常地?zé)釄鲎饔孟?促進煤的變質(zhì)作用。此類中,根據(jù)地?zé)岙惓５牟煌瑹嵩磩澐譃?巖漿熱變質(zhì)型、深大斷裂熱流上導(dǎo)熱變質(zhì)型、構(gòu)造應(yīng)力熱變質(zhì)型、莫霍面變動熱變質(zhì)型、其它熱變質(zhì)型。
關(guān)于熱(力)變質(zhì)問題,不論熱的來源如何,它引起煤的變質(zhì)作用是顯而易見的。就目前所知,大量的現(xiàn)象表現(xiàn)為巖漿熱變質(zhì)。它的影響范圍又與巖漿活動的強弱、巖體規(guī)模的大小和持續(xù)時間的長短有關(guān),巖漿的性質(zhì)和噴氣作用尤為重要。值得注意的是地溫對煤變質(zhì)的影響并不是單獨起作用的,煤變質(zhì)的溫度在一般情況下應(yīng)等于地溫梯度與煤層上覆地層厚度的乘積(火成巖直接影響除外)。在地溫梯度不變的前提下,煤層上覆地層的厚度大,煤變質(zhì)過程中所處溫度相對較高,相應(yīng)煤的變質(zhì)程度也高,形成高變煤所需的溫度可以是上述方式形成,也可以是大的地溫梯度乘以較小的上覆地層厚度。也就是說引起煤變質(zhì)所需的溫度并不一定都是通過地殼下降這一途徑。另外關(guān)于放射性元素蛻變所發(fā)生的熱變質(zhì)現(xiàn)象,目前還研究得不夠,對這種煤變質(zhì)作用機理的認識,還有較多的困難,是否可單獨作為熱(力)變質(zhì)的一種類型,現(xiàn)在下結(jié)論為時過早。從促使煤變質(zhì)的熱源考慮,如因地球內(nèi)部物質(zhì),特別是上地幔物質(zhì)向上運動所產(chǎn)生的附加熱,深大斷裂上導(dǎo)的高溫,局部莫霍面較高,板塊的活動等都可能增高煤的變質(zhì)程度。由于促使煤變質(zhì)的熱源是多種多樣的,因此構(gòu)成了不同的煤變質(zhì)作用類型。不同地質(zhì)條件下,一個每煤田或煤產(chǎn)地的煤在普遍進行深成變質(zhì)作用之外,又可經(jīng)受一種或一種以上其他類型的煤變質(zhì)作用,也可不止一次經(jīng)受同一類型的變質(zhì)作用,這就構(gòu)成了煤的多熱源疊加變質(zhì)作用[5]。
根據(jù)熱源類型、熱傳導(dǎo)方式、熱源的埋深、規(guī)模、形態(tài)的不同而引起煤變質(zhì)特征的差異,劃分的煤變質(zhì)類型如下[6-8]:
1.煤的深成變質(zhì)作用
煤的深成變質(zhì)作用是指在正常低溫狀態(tài)下,煤的變質(zhì)程度隨煤層沉降幅度的加大、地溫增高和受熱時間的持續(xù)而增高。德國學(xué)者希爾特1873年在研究魯爾等煤田時,發(fā)現(xiàn)隨地層深度增加煤的揮發(fā)分產(chǎn)率有規(guī)律地減少。這一現(xiàn)象稱之謂希爾特定律。希爾特定律奠定了煤的深成變質(zhì)作用類型的基礎(chǔ)。多數(shù)煤田遵循這一規(guī)律,然而也有煤田出現(xiàn)反常,較淺煤層變質(zhì)程度比深煤層高,或同一煤層在很短距離內(nèi)變質(zhì)程度差異較大。這些反常可能是煤級形成的多因素影響、多階段疊加、多種作用復(fù)合的結(jié)果。深成變質(zhì)煤的演化程度總與一定的構(gòu)造沉降、地?zé)嶙饔眉坝行軣釙r間的配置相對應(yīng),是一種具有普遍意義的煤變質(zhì)現(xiàn)象。地溫分布的不均一性及其隨時間的地溫場變化在一定程度上制約煤深成變質(zhì)作用的發(fā)展。
2.煤的區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用
煤的區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用是指聚煤凹陷內(nèi)有巖漿活動,巖漿及所攜帶氣液體的能量可使地溫場增高。形成地?zé)岙惓?從而引起煤的變質(zhì)作用。根據(jù)巖漿性質(zhì)、侵入規(guī)模、侵入深度和沉積蓋層的封閉程度分為3個亞型:淺成、中深成、和深成巖漿熱變質(zhì)作用。區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用常可達到很高的變質(zhì)程度,煤級分帶一般為環(huán)帶狀,越靠近巖體,煤的變質(zhì)程度就越高,受區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用影響的煤,變質(zhì)梯度高且涉及的地域廣且疊加效果顯著。高變質(zhì)煤帶的圍巖往往發(fā)生蝕變,圍巖中熱液石英脈和方解石脈是區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用的重要標志。
3.煤的接觸變質(zhì)作用
煤的接觸變質(zhì)作用是指巖漿直接接觸或侵入煤層,由其所帶來的高溫、氣體、液體和壓力,促使煤發(fā)生變質(zhì)作用。根據(jù)巖體規(guī)模及侵入方式,將煤的接觸變質(zhì)作用分為3個亞型:脈巖巖漿接觸變質(zhì)作用、小型淺成巖漿接觸變質(zhì)作用和大型深成巖漿接觸變質(zhì)作用。接觸變質(zhì)作用使煤層、煤的顯微組分、煤級、化學(xué)及工藝性質(zhì)、顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)等均受熱發(fā)生變化。許多資料說明火成巖只在與煤層接觸部位或不大的范圍內(nèi)有明顯影響,較小的巖體其影響范圍很少超過50m。由于巖體規(guī)模小,熱量少,散熱快,此類型較常見但影響所及的范圍有限。巖體的種類、大小、產(chǎn)狀等,都直接影響著接觸變質(zhì)帶的范圍,應(yīng)作為巖漿熱變質(zhì)的一種特殊類型來看待。
4.煤的熱液熱水變質(zhì)作用
煤的熱液熱水變質(zhì)作用是指煤在由來自地殼深部的巖漿分異氣液或高溫承壓水所引起的異常地?zé)釄鲋邪l(fā)生的變質(zhì)作用,可根據(jù)其特殊的熱源性質(zhì)熱導(dǎo)介質(zhì)和傳熱方式加以識別。煤的熱液熱水變質(zhì)作用可在斷裂帶或巖漿活動區(qū)發(fā)育。按流體性質(zhì)可分為熱液變質(zhì)作用亞型、熱水變質(zhì)作用兩種類型。前者是煤田、礦區(qū)深部或附近有聚煤期后的巖漿活動和熱液活動;后者指煤田內(nèi)或附近有深大斷裂帶、斷層和透水層等熱水運移通道,兩者都需要在煤田內(nèi)或附兩者都需要在煤田內(nèi)或附近有保持熱液或熱水循環(huán)的地形和水文地質(zhì)條件。熱液熱水變質(zhì)煤的煤級展布比較復(fù)雜,在同一煤系中,煤層的煤級可呈現(xiàn)上高下低或波狀起伏形態(tài),平面上,煤級總的變化趨勢與地下熱水流向和距熱液、熱水活動通道的距離有關(guān),越靠近主通道煤級越高。
3. 討論煤的變質(zhì)因素
以上談的煤的變質(zhì)類型,其實質(zhì)是把引起煤變質(zhì)的因素歸為溫度、壓力和時間。但這都只是使煤變質(zhì)的外部條件。必須考慮煤層本身甚至圍巖在煤變質(zhì)過程中所起的作用。
1.成煤原始物質(zhì)成分與環(huán)境的不同,在相同的溫度和壓力作用下煤的變質(zhì)程度顯然會有差別。因為成煤時古地理環(huán)境不同,引起成煤植物群落的差異,不同的植物群落形成的煤其煤巖組分和化學(xué)成分會有不同。介質(zhì)不同的氧化還原條件,對最終參加成煤物質(zhì)的成分也起著很大作用。煤巖組分中穩(wěn)定組分含量高的煤,其變質(zhì)程度相對偏低。煤變質(zhì)程度較高的地區(qū),穩(wěn)定組分很少或見不到。這可能是與穩(wěn)定組分的結(jié)構(gòu)有關(guān),因為穩(wěn)定組分這類物質(zhì)結(jié)構(gòu)上縮合芳香部較少而側(cè)鏈較長,在煤的變質(zhì)過程中側(cè)鏈的穩(wěn)定性小容易逸散。側(cè)鏈的逸散消耗了使煤變質(zhì)的能量。其它煤巖組分,如鏡質(zhì)組含量對煤質(zhì)的影響已有不少報道。
2.同沉積構(gòu)造對煤變質(zhì)的影響,在成煤過程中,同沉積構(gòu)造控制了成煤期的古地理環(huán)境,古地理環(huán)境的不同可導(dǎo)致植物群落發(fā)育的差異,有機物的氧化、保存以及混入礦物雜質(zhì)的多少和圍巖成分等的差異。煤的變質(zhì)帶、煤系的等厚線,含煤性分區(qū)線、煤的變質(zhì)帶方向與煤系等厚線及含煤性分區(qū)界線方向的聯(lián)系,可以知道煤的變質(zhì)與同沉積構(gòu)造控制下的古地理環(huán)境有密切關(guān)系或是受到后期改造。
鏡質(zhì)組反射率在測定低煤化階段時輔以殼質(zhì)組的熒光性是目前測試煤級最有效的參數(shù).不過由于雙反射的影響,在測試高變質(zhì)煤時仍不夠理想。新的煤級參數(shù),如以牙形刺的色變指數(shù)、抱粉的透明度和顏色變化、伊利石的結(jié)晶度、共生礦物的形成溫度以及碳優(yōu)勢指數(shù)等在煤化過程中的變化表示煤級,都可作為煤級參數(shù)[9-11]。另外,煤中礦物形成溫度和粘土礦物隨溫度增高產(chǎn)生的變化可用于確定成煤溫度,進而估算出煤化程度。
4. 結(jié)束語
各種變質(zhì)現(xiàn)象,都是客觀存在的,它們是在千變?nèi)f化的地質(zhì)條件下,相互影響,相互疊加,自身也呈現(xiàn)出巨大的變化。雖然就不同地區(qū)來講,可能以某種煤變質(zhì)因素為主,從而掩蓋了另一些因素,但就對煤變質(zhì)所起的重要性而言,它們之間的作用,顯然是不能等量齊觀的。促使煤變質(zhì)的熱源往往相互迭加,共同起作用,所以煤的變質(zhì)程度常常是幾種變質(zhì)類型綜合作用的結(jié)果。多煤級的形成是多階段演化、多熱源疊加變質(zhì)的結(jié)果。總之,我們在研究煤變質(zhì)問題時,既要承認客觀存在的各種煤變質(zhì)現(xiàn)象,又要正確估價不同地區(qū)各種變質(zhì)類型所起的作用,還應(yīng)探討新的煤變質(zhì)作用類型。這就要從成煤物質(zhì)成分開始,考慮煤變質(zhì)過程中可能出現(xiàn)的各種因素的影響,才能排除某些千擾,得出比較正確的結(jié)論。
參考文獻:
[1]王德本,略論煤的變質(zhì)問題.中國煤田地質(zhì),2002,(14)2:9-12.
[2]牛歡、胡涵、李磊佳,淺談煤變質(zhì)類型及其特點.消費導(dǎo)刊.
[3]袁耀庭、曲星武、王金城,煤的變質(zhì)作用雛議,1980,1:1-8.
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