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淺談煤各變質(zhì)類(lèi)型及變質(zhì)作用
摘要:本文介紹中國(guó)煤變質(zhì)的主要類(lèi)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(lèi)型�？偨Y(jié)概括為深成變質(zhì)作用、巖漿熱變質(zhì)作用、動(dòng)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(diǎn)。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(lèi)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(wú)煙煤、超無(wú)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(cè)煤質(zhì)與指導(dǎo)開(kāi)采所需煤種的理論基礎(chǔ),可以預(yù)測(cè)煤類(lèi),以適應(yīng)社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,還可以從另一個(gè)側(cè)面來(lái)探討有關(guān)煤的形成條件、地?zé)岷痛蟮貥?gòu)造等問(wèn)題。煤變質(zhì)問(wèn)題與煤的成因及后生變化關(guān)系密切,具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和理論意義。研究各類(lèi)變質(zhì)作用所引起的有關(guān)變化特點(diǎn)確定變質(zhì)類(lèi)型,是研究煤級(jí)分布規(guī)律的重要基礎(chǔ)。
2. 煤的變質(zhì)類(lèi)型劃分
煤變質(zhì)類(lèi)型有很多分類(lèi)方法,現(xiàn)總結(jié)如下:
煤的變質(zhì)是溫度、壓力和時(shí)間長(zhǎng)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(guò)程中,溫度加速化學(xué)煤化作用,而壓力可以促進(jìn)物理結(jié)構(gòu)煤化作用[1]。時(shí)間無(wú)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(shí)間的變化而增減其作用的強(qiáng)度。控制煤及分散有機(jī)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(diǎn)古地?zé)崃鞯拇笮『头较騺?lái)描述。而含煤巖系古地?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(jìn)行煤變質(zhì)作用熱動(dòng)力分析的理論依據(jù)。以熱力為基準(zhǔn),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?chǎng)強(qiáng)度的不同從而引起地溫梯度不同來(lái)影響煤的變質(zhì)的。據(jù)此分為兩類(lèi)六型[2-4]:
(1)常地溫?zé)嶙冑|(zhì)作用類(lèi):在正常地?zé)釄?chǎng)作用下引起的煤的變質(zhì)作用。
(2)異常地溫?zé)嶙冑|(zhì)作用類(lèi):在異常地?zé)釄?chǎng)作用下,促進(jìn)煤的變質(zhì)作用。此類(lèi)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(dòng)熱變質(zhì)型、其它熱變質(zhì)型。
關(guān)于熱(力)變質(zhì)問(wèn)題,不論熱的來(lái)源如何,它引起煤的變質(zhì)作用是顯而易見(jiàn)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(dòng)的強(qiáng)弱、巖體規(guī)模的大小和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)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(duì)煤變質(zhì)的影響并不是單獨(dú)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(guò)程中所處溫度相對(duì)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(shuō)引起煤變質(zhì)所需的溫度并不一定都是通過(guò)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(duì)這種煤變質(zhì)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí),還有較多的困難,是否可單獨(dú)作為熱(力)變質(zhì)的一種類(lèi)型,現(xiàn)在下結(jié)論為時(shí)過(guò)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(lèi)型。不同地質(zhì)條件下,一個(gè)每煤田或煤產(chǎn)地的煤在普遍進(jìn)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(lèi)型的煤變質(zhì)作用,也可不止一次經(jīng)受同一類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(shí)間的持續(xù)而增高。德國(guó)學(xué)者希爾特1873年在研究魯爾等煤田時(shí),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(chēng)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(lèi)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�？赡苁敲杭�(jí)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(shí)間的配置相對(duì)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(shí)間的地溫場(chǎng)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(dòng),巖漿及所攜帶氣液體的能量可使地溫場(chǎng)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(gè)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�？蛇_(dá)到很高的變質(zhì)程度,煤級(jí)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(biāo)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(lái)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(gè)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(jí)、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(shuō)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(guò)50m。由于巖體規(guī)模小,熱量少,散熱快,此類(lèi)型較常見(jiàn)但影響所及的范圍有限。巖體的種類(lèi)、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(lèi)型來(lái)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(lái)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?chǎng)中發(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(shí)別。煤的熱液熱水變質(zhì)作用可在斷裂帶或巖漿活動(dòng)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(lèi)型。前者是煤田、礦區(qū)深部或附近有聚煤期后的巖漿活動(dòng)和熱液活動(dòng);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(yùn)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(jí)展布比較復(fù)雜,在同一煤系中,煤層的煤級(jí)可呈現(xiàn)上高下低或波狀起伏形態(tài),平面上,煤級(jí)總的變化趨勢(shì)與地下熱水流向和距熱液、熱水活動(dòng)通道的距離有關(guān),越靠近主通道煤級(jí)越高。
3. 討論煤的變質(zhì)因素
以上談的煤的變質(zhì)類(lèi)型,其實(shí)質(zhì)是把引起煤變質(zhì)的因素歸為溫度、壓力和時(shí)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(guò)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(huì)有差別。因?yàn)槌擅簳r(shí)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(huì)有不同。介質(zhì)不同的氧化還原條件,對(duì)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(duì)偏低。煤變質(zhì)程度較高的地區(qū),穩(wěn)定組分很少或見(jiàn)不到。這可能是與穩(wěn)定組分的結(jié)構(gòu)有關(guān),因?yàn)榉�(wěn)定組分這類(lèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)上縮合芳香部較少而側(cè)鏈較長(zhǎng),在煤的變質(zhì)過(guò)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(duì)煤質(zhì)的影響已有不少報(bào)道。
2.同沉積構(gòu)造對(duì)煤變質(zhì)的影響,在成煤過(guò)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(jī)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(cè)定低煤化階段時(shí)輔以殼質(zhì)組的熒光性是目前測(cè)試煤級(jí)最有效的參數(shù).不過(guò)由于雙反射的影響,在測(cè)試高變質(zhì)煤時(shí)仍不夠理想。新的煤級(jí)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(shì)指數(shù)等在煤化過(guò)程中的變化表示煤級(jí),都可作為煤級(jí)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(jìn)而估算出煤化程度。
4. 結(jié)束語(yǔ)
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(lái)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(duì)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(lèi)型綜合作用的結(jié)果。多煤級(jí)的形成是多階段演化、多熱源疊加變質(zhì)的結(jié)果�？傊�,我們?cè)谘芯棵鹤冑|(zhì)問(wèn)題時(shí),既要承認(rèn)客觀存在的各種煤變質(zhì)現(xiàn)象,又要正確估價(jià)不同地區(qū)各種變質(zhì)類(lèi)型所起的作用,還應(yīng)探討新的煤變質(zhì)作用類(lèi)型。這就要從成煤物質(zhì)成分開(kāi)始,考慮煤變質(zhì)過(guò)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(xiàn):
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[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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