熊盛青，于長(zhǎng)春

中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，國(guó)土資源部航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

1 引 言

地下煤層自燃是指地下未開(kāi)采煤層自我燃燒產(chǎn)生的火災(zāi)，在我國(guó)新疆、甘肅、寧夏等?。▍^(qū)）發(fā)生尤為普遍［1］，浪費(fèi)了資源又破壞了環(huán)境.自燃區(qū)分布范圍、著火點(diǎn)位置等信息是實(shí)施滅火工程的前提，急需尋找有效的探測(cè)方法.野外測(cè)量實(shí)踐表明，磁法以其輕便，施工難度低等優(yōu)勢(shì)，在自燃區(qū)探測(cè)工作中應(yīng)用比較普遍［2－12］.由于煤層及以沉積巖為主的頂?shù)装鍘r石磁性通常很弱，難以引起明顯磁異常，但是圍巖經(jīng)煤自燃烘烤冷卻后形成的燒變巖，通常具有較強(qiáng)的磁性［2，13］，成為磁法探測(cè)目標(biāo).燒變巖磁性增強(qiáng)是高溫?zé)崾４艑?dǎo)致的.一般認(rèn)為，巖石樣品加溫過(guò)程中出現(xiàn)了磁性礦物轉(zhuǎn)換，生成了磁性較強(qiáng)的鐵磁性礦物［14－16］.例如，菱鐵礦［17－19］熱處理后等溫剩磁特征表明高溫?zé)崾４攀菬儙r磁性增強(qiáng)的主要原因，黃鐵礦［20］受熱分解最終生成磁黃鐵礦，鐵硫化物［21］磁黃鐵礦在逐步加熱過(guò)程中經(jīng)磁鐵礦最后氧化成赤鐵礦.煤自燃的熱分析研究表明煤自燃溫度一般可達(dá)562℃［22］，這也為燒變巖磁性的形成提供了條件等等.

以往的研究主要關(guān)注的是巖石本身的磁學(xué)特征和單礦物（如菱鐵礦）與溫度的關(guān)系，有關(guān)煤層燃燒過(guò)程中持續(xù)對(duì)巖石加溫和煤火燃燒結(jié)束后巖石逐漸降溫過(guò)程中巖石磁性變化過(guò)程以及礦物成份的變化情況等研究不夠深入.煤火引起巖石磁性變化和磁異常形成的機(jī)理仍有許多問(wèn)題有待研究，例如：

（1）燒變過(guò)程中不同溫度的巖石磁性是否有明顯差異？

（2）巖石中礦物成份如何變化且與磁性關(guān)系如何？

（3）巖石加溫或退溫過(guò)程中其磁性是如何變化的？

（4）依據(jù)磁異常能否區(qū)分無(wú)火區(qū)、燃燒區(qū)和死火區(qū)？

本文系統(tǒng)采集了寧夏汝箕溝煤田和內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田不同層位的巖石樣品，對(duì)樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同方式的加溫、降溫磁性測(cè)量試驗(yàn)，以及樣品加溫前后礦物成分的巖礦鑒定.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，研究溫度對(duì)巖石磁性的影響規(guī)律并進(jìn)行理論分析，探索不同燃燒階段巖石磁性變化特征和形成機(jī)理.

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

烏達(dá)煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏達(dá)市西北10km處，位于鄂爾多斯盆地西緣，屬華北石炭二疊紀(jì)煤田，地層由上而下劃分為第四系（Q）、第三系（R）、上二疊系石盒子組（P2sh）、下二疊系山西組（P1s）、上石炭系太原組（C3t）、中石炭系本溪組（C2b）等.下二疊系山西組（P1s）含煤十層，其中1＃、2＃、4＃、6＃、7＃穩(wěn)定，是煤礦主要可采煤層；上石炭系太原組（C3t）含煤層17 層，其中8＃、9＃、10＃、11＃、12＃上、12＃、12＃下.烏達(dá)煤礦1958年開(kāi)始建井，1961年蘇海圖煤礦井下9＃、10＃高硫煤自燃，從1978年開(kāi)始蘇海圖煤礦井下采空區(qū)先后形成Ⅳ－1、Ⅳ－2等6個(gè)地面火區(qū).這些火區(qū)燃燒時(shí)間長(zhǎng)，面積廣，損失大，污染嚴(yán)重［23］.

汝箕溝煤礦位于寧夏賀蘭山北段中央山脈，在銀川市西北相距100km處，屬侏羅紀(jì)煤田.地層由上而下劃分為第四系松散堆積，中侏羅統(tǒng)直羅組、下侏羅統(tǒng)延安組、上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)群.直羅組以粗砂巖為主，出露厚度為130～190m.區(qū)內(nèi)巖層含煤八至九層，自上而下順序編號(hào)為一，二及二1、二2，三，四，五，七11、七21及七2.延安組為礦區(qū)主要含煤地層，上部為厚層石英砂巖夾主要煤層，下部為石英粗砂巖、粉砂巖互層夾薄煤層，底部有含鮞狀菱鐵礦粉砂巖與延長(zhǎng)群呈平行不整合接觸，厚度在230至270m之間.延長(zhǎng)群主要為一套巨厚層粗、中粒砂巖、粉砂巖及泥巖互層.汝箕溝礦區(qū)煤層火災(zāi)的發(fā)生可追溯到清朝同治年間，距今已有百余年歷史［24］.成災(zāi)原因被認(rèn)為主要與小煤窯開(kāi)采中失火有關(guān)，有些火區(qū)可能源于煤層自燃或地質(zhì)災(zāi)害引起.

3 高分辨率航磁測(cè)量及煤火異常特征

2005年中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心使用吊艙式直升機(jī)頻率域電磁、磁測(cè)量系統(tǒng)，在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏達(dá)煤礦區(qū)進(jìn)行了高分辨率電磁和磁法測(cè)量［8］.測(cè)線(xiàn)間距50m，測(cè)線(xiàn)方向?yàn)闁|西向，磁探頭平均離地高度為49m，獲得了高精度航磁ΔT磁場(chǎng)圖（圖1）.

由圖1可見(jiàn)，該區(qū)的磁場(chǎng)總體上表現(xiàn)為較為平靜的區(qū)域背景磁場(chǎng)，且具有北東高，西南低的變化趨勢(shì)，在此背景之上疊加有2條近南北向的弧形升高磁異常帶以及其它一些零星分布的局部異常.平靜的區(qū)域磁場(chǎng)系由該區(qū)廣泛分布的無(wú)磁、弱磁性砂巖等沉積地層及煤層引起，由于煤田地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層分布較為單一，故磁場(chǎng)面貌反映較為平靜.近南北向的弧形升高磁異常帶與地下煤火區(qū)分布大體相吻合.這類(lèi)磁異常大都為形態(tài)規(guī)整的正異?；蛘?fù)伴生的異常，且負(fù)值一般位于異常的北側(cè).

2005年從圖1中34個(gè)異常中隨機(jī)選取了21個(gè)航磁異常進(jìn)行了地面踏勘檢查.21處磁異常中，正在燃燒的煤層有9處（編號(hào)為C1、C9、C10、C14、C16、C17、C18、C20、C24），煤層燃燒已經(jīng)熄滅的有6處（編號(hào)為 C11、C12、C15、C21、C25、C26）；煤矸石堆引起3處（編號(hào)為C7、C13、C32），人文活動(dòng)有關(guān)為3處（編號(hào)為 C19、C22、C27）［8］.這一結(jié)果表明，航空磁測(cè)方法能夠發(fā)現(xiàn)具有一定規(guī)模的燃燒煤層及燃燒已熄滅煤層所引起航磁異常.為了研究煤火燃燒產(chǎn)生磁異常的機(jī)理，探討依據(jù)航磁異常能否區(qū)分無(wú)火區(qū)、燃燒區(qū)和死火區(qū)問(wèn)題，本文進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn).

圖1 烏達(dá)煤礦區(qū)航空ΔT磁場(chǎng)圖1.地面勘查圈定的煤火區(qū)；2.C1—C34為磁異常編號(hào)；3煤礦位置.Fig 1 AeromagneticΔTmap in WUDA Coal Ore Region 1.Coal fire combustion areas by ground truth delineated in blue lines；2.C1—C34refer to different magnetic anomalies；3.Place of Coal Ore.

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)巖石樣品采集

采用以下三種方式在寧夏汝箕溝和內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田采集了巖石樣品：

（1）在煤與未著火煤層頂板接觸帶上采集巖石樣品.地點(diǎn)在汝箕溝煤礦區(qū)，采樣間距25～30cm，典型樣品編號(hào)為 R6－1、R7－1、R8－1、R9－1.

（2）沿實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面采集巖石樣品.地點(diǎn)在汝箕溝煤田陰坡火區(qū)，典型樣品編號(hào)為RP－6.

（3）采集不同的未著火煤層頂板巖石樣品.地點(diǎn)在烏達(dá)煤田.典型樣品編號(hào)為 W2－1、W9－1、W12－1.編號(hào)規(guī)則以 W2－1為例，W為烏達(dá)礦區(qū)，2－1為2＃煤層頂板巖石1號(hào)樣品，其它編號(hào)依此類(lèi)推.

這些樣品，既有地表巖石、又有地下巖石；有分散采集，又有集中采集，具有良好的代表性.

4.2 巖石加溫前后鐵質(zhì)礦物含量分析

采用Opton反光顯微鏡及Olympus附件，根據(jù)光片特征對(duì)典型樣品進(jìn)行了常溫和加溫到700℃并冷卻后的含鐵氧化物測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1和表2.

其特點(diǎn)是：

（1）絕大多數(shù)巖石樣品中含有黃鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等磁性載體礦物以及可燃有機(jī)質(zhì)，但均無(wú)磁鐵礦.

（2）不同礦區(qū)樣品的含鐵氧化物含量有差異.汝箕溝礦區(qū)陰坡火區(qū)標(biāo)本（RP－6）中不含有赤鐵礦，黃鐵礦、褐鐵礦，含鐵氧化物含量總和均低于0.4%.汝箕溝R系列樣品中含有一定的黃鐵礦、赤鐵礦及菱鐵礦，但含量一般低于0.2%；褐鐵礦含量較高，達(dá)1.7%～5.5%.烏達(dá)煤田鐵礦物含量相對(duì)較少且變化大，以赤鐵礦及黃鐵礦為主，不含褐鐵礦.

（3）巖石樣品在自然狀態(tài)下，其所含的含鐵氧化物的顆粒小且分散，最小5μm，最大65μm，多數(shù)為屬于10～100μm的微粒狀，屬于膺單疇（PSD，1～20μm）顆粒和多疇（MD，大于20μm）結(jié)構(gòu)的含鐵氧化物.

（4）巖石樣品加熱至700℃再冷卻到常溫以后（見(jiàn)表1），其磁鐵礦含量明顯加強(qiáng)，達(dá)到0.1～0.5%；鐵質(zhì)總量增加，達(dá)到1.0～6.0%；礦物結(jié)構(gòu)有變化，加溫前一般為不規(guī)則微粒狀、短脈狀和碎屑狀，加溫后多為規(guī)則微粒狀，且顆粒大小比加溫前略有減小，一般為10～150μm，大多屬于多疇（MD，大于20μm）結(jié)構(gòu)，部分膺單疇（PSD，1～20μm）結(jié)構(gòu).巖石樣品的黃鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦含量有變化，其中多數(shù)樣品黃鐵礦含量略有增加，多數(shù)樣品赤鐵礦含量增加、褐鐵礦含量減少.

4.3 加溫前后巖石磁性變化特征

4.3.1 模擬實(shí)驗(yàn)方法

地下煤層在燃燒過(guò)程中放出大量的熱量，其中大部分的熱量被圍巖吸收，促使圍巖溫度升高，形成圍繞火源的熱異常體.這個(gè)熱異常體在煤火發(fā)生、發(fā)展和熄滅的各個(gè)階段，依次出現(xiàn)升溫、高溫、降溫過(guò)程.在前兩個(gè)階段中，基本是有氧環(huán)境，而在煤火熄滅階段，有時(shí)是由于缺氧造成的.因此，考慮到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件，設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，全面了解加溫前后巖石磁性特征的變化.

方案1：測(cè)定了無(wú)氧（惰性氣體環(huán)境）條件下，巖石磁化率與溫度關(guān)系曲線(xiàn)（κ－T 曲線(xiàn)）.將這些樣品研磨成100～200μm細(xì)顆粒，之后放入到KLY－3s系統(tǒng)［25］中測(cè)量.測(cè)量過(guò)程是自動(dòng)且連續(xù)，溫度變化首先從室溫26℃左右開(kāi)始升高，隔大約3℃左右記錄一次磁化率值，溫度最高值是700℃，而后逐漸降溫到室溫，也是隔大約3℃左右記錄一次磁化率值，采樣密度可以有效地了解曲線(xiàn)細(xì)節(jié).測(cè)定工作是在中科院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與地核動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室完成的.

表1 典型樣品加溫前與加溫700℃再冷卻后含鐵氧化物含量對(duì)比Table 1 The comparison on the content of iron－containing oxides before being heated and after being cooled from 700℃

表2 典型樣品加溫前含鐵氧化物含量Table 2 The content of iron－containing oxides before being heated

方案2：有氧條件下巖石獲取磁性過(guò)程的模擬.將巖石樣品加工成2cm×2cm的立方體，在室溫下測(cè)得樣品的磁化率和磁化強(qiáng)度，之后把這些樣品放入到加熱儀器中加熱到所需要的溫度，再把這些樣品放在地磁場(chǎng)里降溫至室溫，分別測(cè)定其磁化率和剩余磁化強(qiáng)度.磁化率測(cè)量?jī)x器是南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所生產(chǎn)的HKB－1型磁化率儀（卡帕橋），剩余磁化強(qiáng)度測(cè)量?jī)x器是JR6A型旋轉(zhuǎn)磁力儀.模擬試驗(yàn)是在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）環(huán)境磁學(xué)與古地磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成.

4.3.2 無(wú)氧條件下巖石磁化率隨溫度的變化

巖石樣品的磁性測(cè)量實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行，主要測(cè)定了無(wú)氧（惰性氣體環(huán)境）條件下，巖石磁化率與溫度關(guān)系曲線(xiàn)（κ－T曲線(xiàn)）.由圖2可見(jiàn)：

（1）所有的巖石樣品在自然狀態(tài)下，磁化率都很低，小于10×10－5SI；其中小于3×10－5SI巖石樣品占83%.

（2）在無(wú)氧加熱處理過(guò)程中，多數(shù)巖石樣品在低于400℃時(shí)，其磁化率沒(méi)有明顯的變化；多數(shù)巖石樣品（77%）當(dāng)溫度持續(xù)升高到500℃左右時(shí)，其磁化率κ出現(xiàn)了峰值，少數(shù)出現(xiàn)了雙峰，但溫度位置相差較大，峰值磁化率一般是常溫的4～5倍，少數(shù)（33%）達(dá)到10～100倍；各種巖石樣品的磁化率在500℃之后開(kāi)始急劇的下降并趨于0；繼續(xù)加溫到600℃以后，巖石樣品的磁性消失.

（3）在冷卻過(guò)程中，居里點(diǎn)溫度以上的無(wú)磁性樣品隨著溫度的降低，磁化率κ陡然增大，樣品中的鐵磁性礦物隨著溫度的降低又獲得了磁性；當(dāng)溫度降到500℃左右，磁化率曲線(xiàn)上出現(xiàn)了峰值；隨著溫度的繼續(xù)下降，樣品R6－1、R8－1在200℃時(shí)出現(xiàn)了第二個(gè)峰值，而第二個(gè)峰值比第一個(gè)峰值要?。焕^續(xù)冷卻到24℃（室溫），磁化率κ也逐漸的減小，但是遠(yuǎn)大于原巖磁化率值.

圖2 典型樣品κ－T曲線(xiàn)圖Fig.2 Temperature dependence susceptibility measurements for type sample

縱觀(guān)所有巖石樣品降溫的κ－T曲線(xiàn)，均沒(méi)有沿升溫曲線(xiàn)返回到原點(diǎn)，而且是比原值有較大程度升高.特別是在常溫下，高溫處理過(guò)的巖石樣品的磁化率比原巖石樣品磁化增大很多倍（50%比原來(lái)增大100～800倍，33%增大10倍以上）；在降溫過(guò)程中k－T曲線(xiàn)出現(xiàn)峰值，最大峰值多數(shù)位于450～500℃之間.

（4）對(duì)比圖2中a、b、c和e、f圖，烏達(dá)地區(qū)巖樣降溫磁化率曲線(xiàn)峰值小于汝箕溝，說(shuō)明烏達(dá)燒變巖磁性弱于汝箕溝地區(qū).

4.3.3 有氧條件下巖石獲取磁性過(guò)程的模擬研究

地下煤層在燃燒過(guò)程中放出大量的熱量，其中大部分的熱量被圍巖吸收，促使圍巖溫度升高.由于熱量的擴(kuò)散主要以巖石傳導(dǎo)為主，因此距離火源較近的巖石溫度高，距離火源遠(yuǎn)的巖石溫度低，形成圍繞火源的熱異常體.這個(gè)熱異常體在煤火發(fā)生、發(fā)展和熄滅的各個(gè)階段，依次出現(xiàn)升溫、高溫、降溫過(guò)程.但溫度條帶所達(dá)到的最高溫度是不同的，獲得的磁性大小也應(yīng)該有差別的.

實(shí)驗(yàn)以50℃間隔，依次加溫升至700℃，少數(shù)樣品加熱到1100℃.典型樣品測(cè)量結(jié)果如圖3所示.

由于同一樣品相對(duì)應(yīng)的磁化率曲線(xiàn)和磁化強(qiáng)度曲線(xiàn)的形態(tài)相似，圖3中a、b、c、d、e、f圖給出了不同截止溫度（指巖石樣品降溫前的溫度）降溫獲得的剩余磁化強(qiáng)度的曲線(xiàn).這組曲線(xiàn)的特點(diǎn)是，各個(gè)樣品的剩余磁化強(qiáng)度曲線(xiàn)隨溫度升高其曲線(xiàn)上升的趨勢(shì)是一致的；隨著截止溫度的繼續(xù)升高到500～600℃之間，R系列巖樣的磁化率和磁化強(qiáng)度曲線(xiàn)都明顯出現(xiàn)了一個(gè)階段式的升高，幅度達(dá)到幾百倍以上.加熱到700℃以上后樣品的磁性出現(xiàn)明顯的下降，趨于消失.

對(duì)比圖2和圖3可知，在有氧條件下加熱巖石獲取磁性比無(wú)氧條件下加熱巖石獲取磁性強(qiáng)許多，磁化率要高將近一個(gè)級(jí)次，其原因是有氧加溫條件下形成了新的鐵磁性礦物.

以上分析結(jié)果表明，煤層圍巖的溫度一般要達(dá)到500℃以上，才能獲得較強(qiáng)磁性.也就是說(shuō)，在烏達(dá)、汝箕溝地區(qū)與燒變巖有關(guān)的磁異常主要是由溫度高于500℃圍巖形成的.

圖3 典型樣品磁性與溫度關(guān)系圖Fig.3 Temperature dependence magnetic features for type sample

5 煤火區(qū)巖石磁性特征與變化機(jī)理分析

綜合分析煤火區(qū)巖石磁性測(cè)試分析結(jié)果及實(shí)測(cè)航磁數(shù)據(jù)，可將煤火區(qū)煤層自燃不同階段的巖石磁性特征歸納如下：

巖石磁學(xué)研究結(jié)果表明［14，26－28］，巖石磁性的大小是由磁化率、感應(yīng)磁化強(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)度來(lái)表示，其中磁化率是衡量巖石磁性的重要參數(shù)之一，主要取決于磁鐵礦等磁性礦物的含量.巖石中磁性礦物的含量與巖石的磁性之間的關(guān)系是很復(fù)雜的.一般來(lái)說(shuō)，鐵磁性礦物含量越多，磁性也就越強(qiáng).對(duì)許多礦區(qū)巖礦石標(biāo)本的磁化率及磁鐵礦體積百分含量所進(jìn)行的相關(guān)分析結(jié)果表明，標(biāo)本的磁化率隨磁鐵礦的體積百分含量的增多而增大.盡管如此，他們之間并沒(méi)有嚴(yán)格的正比關(guān)系.對(duì)于相同的鐵磁性礦物來(lái)說(shuō)，外磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化，還有溫度等各種因素都會(huì)影響巖石磁化率的大小.特別是溫度對(duì)巖石磁性的影響，就其數(shù)值大小而言，它比地磁場(chǎng)變化影響還要大.

表3 煤火區(qū)不同燃燒階段巖石的磁性特征Table 3 The magnetic features of the rocks being different burning periods in coal combustion area

上述巖石樣品巖性及其在常溫及加熱處理過(guò)程中磁性、鐵質(zhì)礦物含量及其結(jié)構(gòu)變化有如下特點(diǎn)：

（1）在常溫下，由于煤田分布區(qū)巖石樣品中的鐵磁性礦物含量較少，黃鐵礦和赤鐵礦的一般在0.1～0.3%，褐鐵礦含量相對(duì)要多一些，則常溫下均顯示了弱磁性.

（2）在加熱過(guò)程中，多數(shù)巖石樣品在低于400℃時(shí)，其磁性（磁化率和剩余磁化強(qiáng)度）沒(méi)有明顯的變化，這是因?yàn)榈蜏貤l件尚不足以產(chǎn)生新的礦物；多數(shù)巖石樣品當(dāng)溫度持續(xù)升高到500℃左右時(shí)，其磁化率κ出現(xiàn)了峰值，其原因是繼續(xù)加熱的過(guò)程中，樣品中的鐵質(zhì)性礦物受溫度的作用產(chǎn)生的新的磁性礦物，具有了較強(qiáng)的磁性，即磁化率隨著溫度的升高逐漸的增加；繼續(xù)加溫到約600℃以后，巖石樣品的磁性都消失了，這是因?yàn)閹r石樣品中鐵質(zhì)礦物達(dá)到居里溫度后發(fā)生退磁所致，如磁黃鐵礦在高溫下可轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)磁性的赤鐵礦（表4）.

總體上講，巖石樣品在加熱后降溫過(guò)程中獲得的磁性較加溫過(guò)程中獲得的磁性強(qiáng)，且只有在溫度超過(guò)居里溫度后才有可能獲得較強(qiáng)的磁性.對(duì)比巖石樣品升溫和降溫時(shí)磁化率曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)冷卻過(guò)程中樣品磁化率κ不再沿升溫過(guò)程的曲線(xiàn)返回，巖石磁化率在降溫過(guò)程中的數(shù)值要比升溫過(guò)程的數(shù)值大得多，說(shuō)明經(jīng)過(guò)熱磁作用后，巖石標(biāo)本的磁性顯著增強(qiáng)了，這是因?yàn)闃悠繁４媪松郎剡^(guò)程中產(chǎn)生的新的強(qiáng)磁性礦物（磁鐵礦等）造成的.內(nèi)蒙古平莊西露天煤礦頂板砂巖的磁性研究發(fā)現(xiàn)［16］，自然狀況下樣品中的菱鐵礦和黃鐵礦，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蠡旧隙嫁D(zhuǎn)化為強(qiáng)磁性的磁鐵礦，但在加熱過(guò)程中，含菱鐵礦的巖石磁性比含黃鐵礦巖石大一個(gè)級(jí)次.所以，煤田的蓋層內(nèi)所含的菱鐵礦砂巖是引起燃燒區(qū)煤田上方磁異常的主要原因，黃鐵礦是燃燒區(qū)磁異常的次要原因.變泥質(zhì)巖包體樣品的熱磁實(shí)驗(yàn)鑒別結(jié)果表明［15］，在500℃以后磁化率的升高則是由磁鐵礦從鈦磁赤鐵礦中出溶所致，即由加熱過(guò)程中次生的磁鐵礦引起，而并非代表原始（即加熱前）樣品中的磁鐵礦成分.

在降溫過(guò)程中有的巖樣出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，提示巖石樣品中的鐵磁性礦物處于不穩(wěn)定狀態(tài)中.通過(guò)降溫和升溫的磁化率曲線(xiàn)上500℃時(shí)的峰值大小不相等，降溫的巖石磁化率比升溫的巖石磁化率峰值高了幾十倍甚至上千倍，說(shuō)明巖石標(biāo)本中含有不同居里點(diǎn)溫度的兩種以上的鐵磁性礦物.不同巖石樣品的磁性升高時(shí)的溫度不同是由于礦物成份的居里溫度有差異所致，見(jiàn)表4.

巖石樣品在加溫和降溫過(guò)程中的磁性變化可能還與其巖性及其新形成的磁性礦物的結(jié)構(gòu)有關(guān).根據(jù)巖石磁學(xué)的有關(guān)理論［26，28］，巖石的磁性反映磁性礦物的微結(jié)構(gòu)，特別是決定顆粒的磁疇狀態(tài)的顆粒大小和形狀等因素.磁鐵礦顆粒大小為0.5～1μm時(shí)，具有單（磁）疇（SD，single domain）結(jié)構(gòu)，磁化是均勻的朝著一個(gè)方向，因此磁性超強(qiáng)；顆粒大小大于20μm時(shí)，具有多疇（MD，multidomain）結(jié)構(gòu)，顆粒包含許多磁疇，磁疇的磁化方向各不相同；大于1μm、小于20μm的顆粒具有介于SD和 MD顆粒之間的性質(zhì)，稱(chēng)為膺單疇（PSD，pseudosingle domain）顆粒.單疇磁鐵礦的磁化強(qiáng)度比多疇結(jié)構(gòu)磁鐵礦的磁化強(qiáng)度大2～3個(gè)數(shù)量級(jí).當(dāng)巖石從高溫經(jīng)過(guò)居里點(diǎn)達(dá)到常溫時(shí)，SD和幾微米大小的PSD顆粒能夠獲得穩(wěn)定的很強(qiáng)的剩余磁化（TRM），比MD顆粒所能獲得的要大幾個(gè)數(shù)量級(jí).本次巖礦測(cè)試結(jié)果表明，巖石樣品在自然狀態(tài)下，其所含的鐵質(zhì)礦物一般為不規(guī)則微粒狀、短脈狀和或碎屑狀，顆粒小且分散，最小5μm，最大650μm，多數(shù)為屬于10～100μm的微粒狀，因不含或很少含磁鐵礦，故在常溫條件下樣品的磁性較弱.使用ZH－1磁化率儀測(cè)量汝箕溝地區(qū)的巖樣磁化率一般在20～30×10－5SI左右，而烏達(dá)地區(qū)的巖樣磁化率一般在5～20×10－5SI之間，說(shuō)明煤火試驗(yàn)區(qū)正常圍巖的磁性較弱.巖石樣品加熱至700℃再冷卻到常溫以后，鐵質(zhì)礦物結(jié)構(gòu)有變化，多為較規(guī)則的微粒狀，顆粒大小比加溫前略有減小，一般為10～150μm，大多屬于多疇（MD，大于20μm）結(jié)構(gòu)，部分膺單疇（PSD，1～20μm）結(jié)構(gòu)，因而磁性增強(qiáng).，其磁化率一般為n×100×10－5SI，因此在煤層自然區(qū)一般可形成磁異常，但不會(huì)形成強(qiáng)磁異常.

表4 不同礦物磁性特征及居里溫度Table 4 The magnetic features of different iron deposits and Curie temperature

而各個(gè)巖石樣品磁化率增大的幅度不同，主要是因?yàn)閹r石巖性及其內(nèi)含的磁性物質(zhì)的成分、含量不同所致，或者是磁性礦物的顆粒大小、結(jié)構(gòu)、機(jī)械外力作用、地質(zhì)作用（包括氧化還原作用、變質(zhì)作用、蝕變作用）等因素也可能產(chǎn)生影響.一般泥質(zhì)粉砂巖、沙質(zhì)粉砂巖等的磁性較粗粒砂巖的磁性強(qiáng)，自然狀態(tài)下鐵質(zhì)物質(zhì)含量高的巖石磁性較強(qiáng)；有氧條件下巖石獲得的磁性比無(wú)氧條件下獲得的磁性強(qiáng)；地磁場(chǎng)的作用影響相對(duì)較小［16］.

6 結(jié)論與討論

6.1 地下煤層自燃時(shí)溫度可達(dá)800～1000℃以上，巖層受高溫烘烤變質(zhì)成淺紅色、赭色、淺黃色燒變巖，頂?shù)装鍑鷰r原有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)要發(fā)生變化，其礦物成分也要發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)（如磁性）的變化，主要原因是含有少量鐵磁性礦物的巖石在溫度升高時(shí)產(chǎn)生了新的鐵磁性礦物（如磁鐵礦、磁黃鐵礦、磁鐵礦等）.

6.2 煤層的磁性隨溫度變化很小，圍巖磁性變化較大.圍巖磁性的變化在煤層不同燃燒階段有不同的特征.在自燃的初始階段（小于400℃）時(shí)，圍巖表現(xiàn)為無(wú)或弱磁性；隨著在煤層進(jìn)一步燃燒，達(dá)到燃燒中心形成期（400～600℃）時(shí)，圍巖溫度逐漸上升，磁性出現(xiàn)升高，但變化較大；在燃燒系統(tǒng)形成期（600～900℃），圍巖磁性迅速下降；在更高溫度條件下（900℃以上），圍巖磁性消失；在煤層燃燒后期至燃燒結(jié)束后，溫度高于500℃的圍巖溫度降低，巖石磁性較原巖有顯著升高.不同地區(qū)由于巖石巖性及其礦物成份的差異，引起的磁性變化的大小不同，但變化規(guī)律是基本一致的.

6.3 野外測(cè)量表明，在自燃的初始階段，磁測(cè)難以獲得有效的磁異常；達(dá)到燃燒中心形成期，磁測(cè)可獲得有效的磁異常，但磁異常成點(diǎn)或線(xiàn)狀，異常強(qiáng)弱不均；在煤層燃燒后期至燃燒結(jié)束后，形成了燒變巖，磁測(cè)可獲得明顯的磁異常，相對(duì)其它初始和燃燒階段，此時(shí)磁異常成片或帶狀，基本覆蓋煤火燃燒區(qū)域，具有面積大、強(qiáng)度高或伴有較大負(fù)異常等特征.

6.4 由于煤火自燃引起的磁異常軸向及展布范圍與煤火燃燒區(qū)密切相關(guān)，與區(qū)域內(nèi)其它磁性地質(zhì)體產(chǎn)生的磁異常特征存在一定差異，因此，通過(guò)測(cè)量和解釋地下煤層自燃區(qū)的磁場(chǎng)，可以有效地發(fā)現(xiàn)燒變巖體并區(qū)分不同的燃燒階段，指導(dǎo)滅火工作.

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