王紹清，張小梅，李雪崎，陳 昊

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 北京 100083)

0 引 言

煤是我國(guó)現(xiàn)階段最重要的能源之一，而且將在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)占據(jù)我國(guó)能源消費(fèi)的主體地位，這既是由我國(guó)富煤、貧油、少氣的能源稟賦所決定的，也符合國(guó)家能源安全需求。但我國(guó)煤炭資源的儲(chǔ)采比并不可觀，因此需要不斷地“開源節(jié)流”，保障煤炭資源的合理開發(fā)利用?！伴_源”意味著向深部煤層開發(fā)和開采，“節(jié)流”則需要不斷提高煤炭利用效率，無論“開源”還是“節(jié)流”都要求對(duì)熱變煤進(jìn)行更深入的研究。

熱變煤特指由于巖墻、巖床等侵入體侵入煤層，導(dǎo)致煤層形態(tài)、煤的數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生變化的煤，熱變煤并不包括受到區(qū)域變質(zhì)作用的煤。向深部開發(fā)勢(shì)必會(huì)遇到更多的侵入體及受其影響的熱變煤，而熱變煤相比于經(jīng)歷深成變質(zhì)作用形成的煤，往往具有更高的瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)和自燃風(fēng)險(xiǎn)，帶來一系列開發(fā)和開采中的安全問題。此外，基于熱變煤的特殊性質(zhì)，對(duì)其的開發(fā)利用也需要進(jìn)一步探討，以期能夠合理利用熱變煤。因此，對(duì)熱變煤的研究，既有利于保障深部開發(fā)與開采過程中的安全，也能夠提高熱變煤利用價(jià)值。

熱變煤在世界范圍內(nèi)分布廣泛，中國(guó)、美國(guó)、波蘭、印度、印度尼西亞、澳大利亞、俄羅斯等主要采煤國(guó)家均有熱變煤的相關(guān)報(bào)道[1-18]。自19世紀(jì)50年代對(duì)熱變煤的首次報(bào)道[19]至今，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)熱變煤開展了廣泛的研究。尤其是20世紀(jì)60年代以來，對(duì)熱變煤的煤巖學(xué)[3,6,16-18,20-25]、煤質(zhì)學(xué)[1,3,14,26-35]、地球化學(xué)[14,18,23,26-27,33,36-37]、礦物學(xué)[2,6,14,16,28,38-40]等領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。盡管就熱變煤已經(jīng)開展了大量的研究工作，但還存在一系列的問題沒有得到很好地解決。如熱變煤化學(xué)結(jié)構(gòu)演化與煤巖學(xué)特征之間的關(guān)系；熱變煤中各組分的差異演化；以及多種地質(zhì)條件要素對(duì)熱變煤影響等。這些問題阻礙了對(duì)熱變煤的開發(fā)利用，但也正是基于這些亟待解決的問題，對(duì)熱變煤的歸納和總結(jié)顯得越發(fā)重要，這既有利于保障深部開發(fā)和開采的安全有序進(jìn)行，也有助于提高熱變煤的利用價(jià)值。

1 熱變煤地球化學(xué)特征

1.1 元素地球化學(xué)特征

由于與巖漿巖侵入體直接接觸，熱變煤不可避免地會(huì)與侵入體發(fā)生能量與物質(zhì)的交換。一方面，侵入體攜帶的熱量以及快速的加熱過程導(dǎo)致煤層變質(zhì)；另一方面，侵入體自身以及熱液中的物質(zhì)同樣會(huì)影響煤層。因此，熱變煤特殊的元素地球化學(xué)特征既是煤變質(zhì)演化的結(jié)果，也是與侵入體物質(zhì)交換的結(jié)果。

熱變煤的元素分析表明，碳、氫、氧、氮、硫元素含量明顯受到侵入體的影響。碳作為煤中最主要的元素，一般隨變質(zhì)程度升高而逐漸富集，但熱變煤中碳元素含量在不同學(xué)者的報(bào)道中存在著差異，大部分報(bào)道指出熱變煤中的碳元素含量隨變質(zhì)程度高而升高[14,27,33,36,41]，但也有學(xué)者研究結(jié)果表明碳元素含量降低[26]，而造成這種現(xiàn)象的原因是在侵入體帶來的高溫作用下，煤中部分碳元素與熱液反應(yīng)，以甲烷和二氧化碳的形式逸出，因此出現(xiàn)碳含量降低的現(xiàn)象。同樣，在有熱液影響時(shí)，氧元素的含量會(huì)相應(yīng)升高[26]。相比于碳元素和氧元素，前人研究中氫元素和氮元素受侵入體影響后的變化得到了較為一致的結(jié)果，即熱變煤中氫含量、氮含量均減少[14,18,23,26,37]。硫元素的情況相對(duì)復(fù)雜，MASTALER等[18]所做元素分析指出，隨著樣品靠近侵入體，總硫含量沒有明顯的變化趨勢(shì)，但有機(jī)硫的含量降低；也有部分學(xué)者對(duì)熱變煤研究發(fā)現(xiàn)，總硫含量隨靠近侵入體而逐漸降低[14,33]。除單個(gè)元素的含量，熱變煤的氫碳原子比與氧碳原子比也表現(xiàn)出特殊性，即①熱變煤的H/C與O/C原子比的演化軌跡與經(jīng)典的Van Krevelen圖變化不同[42]，尤其是煙煤及更高變質(zhì)程度階段煤，在相同的O/C條件下，其H/C均降低[3]；②相同碳含量條件下，熱變煤的O/C更高[40]。

除上述主要元素外，熱變煤中其他元素以及礦物同樣受到侵入體的影響。熱變煤常見的礦物主要有黑云母、金云母、方解石、蛇紋石、綠簾石、銨伊利石、白玉石、金紅石、銳鈦礦等富含鎂、鈦、鈣、鋁、鐵等[2,16,40]，這與正常變質(zhì)程度煤中的常見礦物明顯不同，且越接近巖漿巖體，白玉石、方解石、鐵白云石、菱鐵礦等礦物越常見[6]。YOKSOULIAN等[28]在對(duì)伊利諾斯5號(hào)煤層的研究中發(fā)現(xiàn)，熱變煤中的碳酸鹽礦化明顯發(fā)育；ZHENG等[38]對(duì)京西煤田礦物學(xué)特征研究表明煤中銨伊利石、珍珠云母和鈉云母的形成與細(xì)晶巖侵入體相關(guān)；SUSILAWATI等[39]對(duì)印尼吉普亞森地區(qū)煤中礦物學(xué)特征研究表明，未受到侵入體影響的煤中礦物基本是高嶺石和石英，但在靠近侵入體的熱變煤中，則以混層的伊利石和蒙脫石為主，以及少量的高嶺石和鈉云母；DAI等[40]在研究大青山煤田阿刀亥煤礦賓夕法尼亞系煤層中礦物學(xué)特征時(shí)提出，火成巖侵入體侵入過程中，煤中釋放的氮元素與高嶺石相互作用可能是銨伊利石的形成機(jī)理，而且細(xì)胞腔和裂隙中充填的方解石和白云石也可能來源于火成巖流體；CHEN等[14]研究認(rèn)為鐵、鈣、硫、硅、鎂、鋅、鎘、鉛等元素可以隨熱液流體進(jìn)入到熱變煤中；AN等[43]發(fā)現(xiàn)熱變煤中黃鐵礦相比于非熱變煤中黃鐵礦含有更多的鈷、鎳、砷、硒、鉛、銅等元素；YAN等[44]指出淮北煤田6、7和10號(hào)煤層較高的汞含量與這3個(gè)煤層的西南部頻繁的巖漿侵入活動(dòng)有關(guān)。

1.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

熱變煤的成熟度、生烴潛力、同位素等有機(jī)地化特征由于侵入體的侵入有明顯改變。LUO等[45]指出由于較高的地?zé)崽荻纫约翱焖俚纳郎剡^程，熱變煤的有機(jī)質(zhì)成熟度會(huì)達(dá)到高成熟和過成熟；RAHMAN[27]同樣認(rèn)為熱變煤有極高的成熟度，而且生烴潛力下降，表現(xiàn)為下降的總有機(jī)碳、巖石熱解參數(shù)(S1、S2、S3)、氫指數(shù)和氧指數(shù)。但在RAHMAN等[23]另一研究中所測(cè)的總有機(jī)碳顯示，其采集的全煤的總有機(jī)碳從熱變時(shí)的77%下降到了熱變后的34%，而分離的鏡質(zhì)組組分的總有機(jī)碳卻從66%上升到93%；HAZRA等[29]認(rèn)為熱變煤生烴潛力降低最主要的原因是熱變煤中的類脂組分的含量在受熱后明顯減少，因此降低了其生烴潛力。熱變煤生烴潛力的下降以及成熟度的升高意味著在地質(zhì)歷史中已經(jīng)有烴類物質(zhì)產(chǎn)生并可能運(yùn)移到其他儲(chǔ)層中，例如OTHMAN等[46]對(duì)澳大利亞岡尼達(dá)盆地石油資源的生物標(biāo)志化合物分析后指出，該盆地內(nèi)皮利加砂巖中的油產(chǎn)生自受侵入體影響的烴源巖。熱變煤的有機(jī)質(zhì)成熟度是增加的，但還存在2點(diǎn)有趣的現(xiàn)象：一是接觸帶的熱變煤的 S2 和氫指數(shù)有升高的現(xiàn)象，GOODARZI等[24]將該現(xiàn)象解釋為侵入體不僅可以促使固體有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生烴類，還可以破壞已經(jīng)產(chǎn)生的烴類，該現(xiàn)象在溫度最高的接觸帶上最為明顯，烴類被高溫破壞后重新沉降到固體有機(jī)質(zhì)中，因此造成了氫指數(shù)和S2的升高。二是有機(jī)質(zhì)的成熟軌跡與正常變質(zhì)煤的軌跡是不同的，如RIMMER等[3]提出熱變煤樣品的氫碳原子比、氧碳原子比等參數(shù)相比于正常的深成變質(zhì)煤是明顯不同的。GURBA等[47]同樣發(fā)現(xiàn)熱變煤中碳氧關(guān)系的異常，并提出受海水影響的熱變煤鏡質(zhì)組中碳含量較多，而同等反射率條件下的未受海水影響的熱變煤鏡質(zhì)組碳含量較少。

YOKSOULIAN等[28]對(duì)熱變煤的碳同位素特征分析發(fā)現(xiàn)，雖然其熱變煤煤樣中有機(jī)質(zhì)受到了強(qiáng)烈的改變，但有機(jī)質(zhì)中的C13同位素并沒有明顯的改變，而且不同顯微組分含量也沒有對(duì)C13同位素的數(shù)值造成影響。SCHIMMELMANN等[5]研究熱變煤同位素特征發(fā)現(xiàn)，靠近火成巖侵入體的熱變煤中氘相對(duì)于氕的比例下降，認(rèn)為這是由于侵入體對(duì)煤的烘干以及侵入體的水文封閉作用造成的；同時(shí)其提出熱變煤中同位素的變化與熱變煤中的物質(zhì)遷移息息相關(guān)，例如熱變煤孔隙中形成的碳酸鹽礦物，C13較少，但O18較多，這是由于有機(jī)質(zhì)熱解形成的二氧化碳?xì)怏w優(yōu)先富集O18和C12，因此在沉淀形成碳酸鹽礦物時(shí)，C12較多，O18較多。熱變煤中碳同位素常被用來表征大規(guī)模溫室氣體的釋放，并有學(xué)者提出大規(guī)模侵入體對(duì)煤或碳質(zhì)頁巖的熱解產(chǎn)生了大量的甲烷等溫室氣體，可能是造成地質(zhì)歷史中生物大滅絕事件的原因。例如，MCELWAIN等[48]認(rèn)為侏羅紀(jì)早期卡魯-法拉輝綠巖侵入岡瓦納煤釋放出了大量的甲烷，而甲烷被氧化后形成的二氧化碳造成了侏羅紀(jì)早期的海洋酸化事件；GANINO等[49]指出大部分生物滅絕事件在時(shí)間上都是與大火成巖省吻合的，如白堊-古近生物滅絕事件與德干火山作用，二疊-三疊生物滅絕事件與西伯利亞火山作用，瓜德魯普世末期的生物滅絕事件與峨眉山火山省等在時(shí)間上都是吻合的，其認(rèn)為火山作用使煤、富有機(jī)質(zhì)泥巖、蒸發(fā)巖、碳酸鹽巖等產(chǎn)生大量的溫室氣體和有毒氣體，進(jìn)而造成全球變暖；文獻(xiàn)[50]同樣認(rèn)為，二疊紀(jì)末的生物滅絕事件與西伯利亞地盾超級(jí)火山噴發(fā)的玄武巖與煤的相互作用有關(guān)；文獻(xiàn)[51-53]同樣認(rèn)為，火成巖侵入體促使有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的甲烷等溫室氣體在生物滅絕事件中起到了重要作用。

2 煤巖學(xué)特征

2.1 光學(xué)特征

熱變煤獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①普遍較高的反射率，②新生成的天然焦組分，③部分組分明顯的光學(xué)各向異性。

由于熱變煤是受火成巖侵入體侵入而形成的，其遭受的地溫變化十分劇烈，因此熱變煤的變質(zhì)程度普遍較高，其反射率數(shù)值相對(duì)比于未受侵入體影響時(shí)會(huì)有很大幅度的增長(zhǎng)。例如，美國(guó)伊利諾斯盆地中未受影響的煤中鏡質(zhì)組反射率為0.7%左右，但靠近接觸帶的煤中鏡質(zhì)組反射率可以超過5%[3,16,18,23,54-55]；中國(guó)淮北煤田、印度尼西亞南蘇門答臘盆地等地的報(bào)道中，受侵入體影響后，鏡質(zhì)體反射率也都有明顯的增加[12,25,56]。除鏡質(zhì)體反射率升高外，其他組分的反射率同樣升高，且不同組分反射率升高的劇烈成度是不同的。不同于常見煙煤中顯微組分的反射率由大到小依次為惰質(zhì)組、鏡質(zhì)組、類脂組，但在熱變煤中，由于三組分對(duì)熱的敏感程度不同，類脂組反射率首先開始增加，然后是鏡質(zhì)組，最后是惰質(zhì)組[57]。在某階段類脂組的反射率甚至超過鏡質(zhì)組[58]，但由于類脂組受熱后易產(chǎn)生揮發(fā)分，因此在距離侵入體較近的熱變煤中只殘留下類脂組形態(tài)[3,23]。熱變煤中僅通過反射率特征和反射光顏色很難區(qū)分(變)鏡質(zhì)組和(變)惰質(zhì)組[25]。

熱變煤中，天然焦組分普遍發(fā)育，這些天然焦組分具有獨(dú)特的光學(xué)特征、紋理特征和形態(tài)特征，尤其在加石膏試板鏡下觀察時(shí)，具有明顯的多色性。許多學(xué)者的報(bào)道中指出熱變煤具有獨(dú)特的紋理及顯微紋理，如“馬賽克”狀紋理[3,21,22,27,57,59]。這是因?yàn)闊嶙兠褐杏刑烊唤菇M分存在，且越靠近接觸帶的煤中天然焦組分的含量越高[28,36,57,60-61]。天然焦組分是由煤中顯微組分演變來的，一般認(rèn)為鑲嵌結(jié)構(gòu)是由鏡質(zhì)組受熱后軟化形成的中間相小球體固化形成的[60,62]，也有學(xué)者指出滲出瀝青同樣可以形成鑲嵌結(jié)構(gòu)[22]；熱解碳是由受熱產(chǎn)生的氣相揮發(fā)分沉積形成的[3,10,63]。

常見的煙煤顯微組分往往不具備光學(xué)各向異性，但在熱變煤中，具有光學(xué)各向異性的組分很多。大部分新生成的天然焦組分具有明顯的各向異性，如鑲嵌結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)各向異性體、熱解碳等均有明顯的各向異性[27,57-58,60,62]。但并非所有的天然焦組分都具有各向異性，例如由低變質(zhì)鏡質(zhì)組轉(zhuǎn)變而成的各向同性體就不具備各向異性，這是因?yàn)榈妥冑|(zhì)煤鏡質(zhì)組在受熱后產(chǎn)生、逸出揮發(fā)分的過程很快，其大分子結(jié)構(gòu)沒有足夠的時(shí)間重新排列，因此保持各向同性。熱變煤中的(變)鏡質(zhì)組、(變)惰質(zhì)組、(變)類脂組同樣也可以具有各向異性，其中(變)惰質(zhì)組的各向異性較弱，或不具備各向異性。

2.2 煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

除光學(xué)特征的變化，熱變煤的另1個(gè)顯著特征是明顯增加的空腔[3,37,41,56,58,64]，這些空腔被認(rèn)為是揮發(fā)分產(chǎn)生和逸出形成的，空腔的存在改變了原有的孔隙特征，進(jìn)而熱變煤作為儲(chǔ)層的性質(zhì)也有明顯的改變。部分學(xué)者研究認(rèn)為熱變煤孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育使得氣體吸附能力增加，加之侵入體往往是滲透性不好的火成巖，可以更好地將氣體封存于煤層中[47,59,65-70]。但也有學(xué)者指出，雖然侵入體的熱變質(zhì)作用使煤中的孔隙得到很好的發(fā)育，但吸附能力卻是下降的，究其原因是侵入體的高溫使揮發(fā)分在較短時(shí)間內(nèi)大量產(chǎn)生，大量的揮發(fā)分很難運(yùn)移和滲流，因此形成的孔隙之間連通性很差[71]。SONG等[71]試驗(yàn)表明，在受到熱變后，孔隙的總體積由0.001 8 cm3/g增加到0.180 2 cm3/g，比表面積也0.663 m2/g增加到 194.864 m2/g，但表征其吸附能力的朗格繆爾體積卻由26.26 m3/t下降到8.37 m3/t。但孔隙結(jié)構(gòu)的改變并非是簡(jiǎn)單的線性變化，不同尺寸的孔隙變化不同，不同反射率或距離內(nèi)的變化也不相同。GUO等[56]指出熱變煤的比表面積要小于未受侵入體影響的煤，但在反射率1.2%～2.5%的熱變煤，受侵入體影響后微孔提供的比表面積明顯增加。MASTALERZ等[18]研究伊利諾斯盆地?zé)熋旱目紫短卣魇拱l(fā)現(xiàn)，侵入體對(duì)微孔的影響更劇烈，而且隨著熱變煤靠近侵入體，微孔的總體積先輕微的增加而后劇烈的下降。文獻(xiàn)[59，64]認(rèn)為孔隙的變化具有先增加再減少的階段性變化。SHI等[72]則認(rèn)為受侵入體影響后，熱變煤的大孔體積和表面粗糙度增加明顯。JIANG等[70]認(rèn)為孔徑大于100 nm的滲流孔隙在熱變煤中更加發(fā)育。接觸帶孔隙的減少，可能是由于孔隙被充填所致，充填物可能是后生的礦物，也可能是熱解碳等沉積的組分[3,18,73]?？紤]到前述孔隙的階段性變化，不同學(xué)者得到的不同觀點(diǎn)很有可能源于所對(duì)比的樣品處在不同階段所致，JIANG等[11]就曾對(duì)熱變煤的氣體吸附能力進(jìn)行分帶，分帶結(jié)果表明，接觸帶的氣體吸附能力比未受到熱變的煤的氣體吸附能力還要差，但介于接觸帶和未熱變煤帶之間的熱變煤氣體吸附能力最好。熱變煤孔隙特征及儲(chǔ)層特征的改變，雖然一方面會(huì)有利于煤層氣資源的開發(fā)，但另一方面也容易誘發(fā)瓦斯突出等煤礦災(zāi)害[9,11,59,65-67,69,74-75]。例如，SAGHAFI等[9]對(duì)南非的瓦斯突出事件調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，高瓦斯逸出的位置主要集中在侵入體周邊；JIANG等[59]也指出淮北煤田自20世紀(jì)80年代以來的15次瓦斯突出事件都與侵入體有關(guān)。

3 化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

由上述可知熱變煤的煤巖學(xué)和地球化學(xué)特征有諸多的特殊性，歸根結(jié)底這是由于熱變煤的特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征造成的。

煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)主要由芳香核、連接在芳香核上的官能團(tuán)以及芳香核之間的低分子化合物構(gòu)成，更加緊密的化學(xué)結(jié)構(gòu)意味著芳香核之間的低分子化合物減少，芳香結(jié)構(gòu)相對(duì)增多，芳香核排列更加緊密。大部分學(xué)者的研究結(jié)果表明，受侵入體影響后，熱變煤的芳香結(jié)構(gòu)是增加的，而脂肪結(jié)構(gòu)和雜原子官能團(tuán)是減少的。SHI等[76]指出熱變煤中的結(jié)晶碳含量、芳香度是升高的；SONG等[77]認(rèn)為熱變煤中不穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)如側(cè)鏈、含氫官能團(tuán)、含氧官能團(tuán)在快速熱變過程中斷裂；DUN等[78]指出熱變煤化學(xué)結(jié)構(gòu)隨著熱變質(zhì)程度加深，芳香度逐漸升高，脂肪結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)逐漸減少，這些報(bào)道說明熱變煤在受侵入體影響后，低分子化合物含量下降，官能團(tuán)逐漸斷裂，而芳香結(jié)構(gòu)所占比例不斷上升，使化學(xué)結(jié)構(gòu)更加緊密。但需要注意的是，也有學(xué)者的研究表明熱變煤中依然存在著相當(dāng)數(shù)量的脂肪結(jié)構(gòu)和雜原子結(jié)構(gòu)。例如VALENTIM等[26]指出當(dāng)有熱液流體作用時(shí)，熱變煤中結(jié)晶碳含量是降低的；CAO等[79]指出，隨著熱變煤向侵入體方向靠近，芳香結(jié)構(gòu)有3個(gè)主要變化；①化學(xué)結(jié)構(gòu)中的亞甲基官能團(tuán)優(yōu)先于甲基官能團(tuán)斷裂，②芳碳上連接的氫原子因?yàn)榻宦?lián)作用而被烷基取代，③芳香核的尺寸增加；而脂肪結(jié)構(gòu)即使在距離侵入體很近的熱變煤中依然存在，因?yàn)檫^快的加熱使得脂肪結(jié)構(gòu)不能完全反應(yīng)掉；JIANG等[59]同樣認(rèn)為熱變煤中雖有部分結(jié)晶碳，但依然混雜了大量的無序的無定形碳。

新生成的天然焦組分同樣代表了不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)演化。例如鑲嵌結(jié)構(gòu)是中間相小球體固結(jié)后的產(chǎn)物，而中間相小球體產(chǎn)生于鏡質(zhì)組熱解后的膠質(zhì)體，由于此時(shí)的物態(tài)介于液態(tài)和固態(tài)之間，因此稱為中間相，而中間相小球體的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于單個(gè)的基本結(jié)構(gòu)單元，小球體和小球體之間充斥著具有流動(dòng)性的小分子結(jié)構(gòu)，如果相鄰近的小球體相互融并，不同結(jié)構(gòu)單元的芳香層縮合，可以產(chǎn)生更大的小球體。當(dāng)具有流動(dòng)性的小分子化合物逸出后，小球體固化，芳香結(jié)構(gòu)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元也不再相互縮聚交聯(lián)，因此形成鑲嵌結(jié)構(gòu)的顆粒。如果流動(dòng)性很快消失，結(jié)構(gòu)單元來不及融并，形成的鑲嵌結(jié)構(gòu)顆粒就小，反之如果結(jié)構(gòu)單元融并的時(shí)間充足，形成的鑲嵌結(jié)構(gòu)顆粒就大。由于不同小球體中的芳香結(jié)構(gòu)定向性不同，在流體流動(dòng)產(chǎn)生的作用力影響下其方向也會(huì)變化，因此產(chǎn)生的鑲嵌結(jié)構(gòu)顆粒并沒有統(tǒng)一的定向性，也就可以從其鏡下的多色性中觀察到“馬賽克”紋理。RIMMER等[22]認(rèn)為帶狀鑲嵌結(jié)構(gòu)就是來源于加熱后形成的中間相小球體。熱變煤中新生成的熱解碳同樣代表了特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)演化路徑。熱解碳的成因與石墨烯制備中的碳蒸發(fā)沉降法及其相似，都是含碳物質(zhì)熱解產(chǎn)生含碳蒸氣，然后氣體在高溫下發(fā)生聚合反應(yīng)，沉降在孔隙或裂隙周邊，形成熱解碳。文獻(xiàn)[10，22，80]在其研究中都指出熱解碳來源于氣體揮發(fā)分。該熱解碳的形成過程在GORNOSTAYEV等[63]進(jìn)行的焦炭冶煉試驗(yàn)中也得到了證實(shí)，其認(rèn)為焦?fàn)t氣在焦炭和焦?fàn)t壁之間的循環(huán)，使焦?fàn)t氣中的芳香化合物及脂肪化合物在爐壁高溫的作用下變得極不穩(wěn)定，發(fā)生相互反應(yīng)，形成了熱解碳。

光學(xué)各向異性意味著化學(xué)結(jié)構(gòu)的定向性發(fā)展，不同方向上的化學(xué)結(jié)構(gòu)排列方式不同，因此才表現(xiàn)為光學(xué)各向異性。文獻(xiàn)[81-83]通過拉曼光譜分析熱變煤指出，熱變煤的D峰/G峰強(qiáng)度明顯下降，表明熱變煤的芳香結(jié)構(gòu)有序性得到了增強(qiáng)；DUN等[78]指出越靠近侵入體的熱變煤中，芳香層片的延展長(zhǎng)度越大，芳香結(jié)構(gòu)單元的堆疊厚度越高，芳香層片的層間距越小，向石墨漸進(jìn)；LI等[25]指出煤中離散的芳香層片在熱變過程中向石墨晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。如上述鑲嵌結(jié)構(gòu)中的每個(gè)顆粒，都有著不同定向性的芳香結(jié)構(gòu)，如果這些顆粒都朝著某一方向定向性排列，就會(huì)形成類似石墨的化學(xué)結(jié)構(gòu)。再如上述的熱解碳，由于其往往沉積在孔隙或裂隙的邊緣，其定向性也會(huì)根據(jù)沉積的基底不同和排列不同，沉積于氣孔的熱解碳常見球狀的，而沉積于裂隙壁上的則呈條帶狀，雖然這些不同形狀的熱解碳還缺少其結(jié)構(gòu)排列的直接證據(jù)，但從其在正交偏光下的消光特征可以推斷，球狀的熱解碳其化學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)該為同心圓狀，而條帶狀的熱解碳應(yīng)該為直線狀排列。

不僅熱變煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響其煤巖學(xué)特征，化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變更是直接影響其諸如碳、氫、氧等元素的含量與分布、揮發(fā)分產(chǎn)率、同位素特征、成熟度等煤化學(xué)特征。SHI等[76]對(duì)熱變煤的X射線光電子能譜分析指出熱變煤中碳氧鍵減少；VALENTIM等[26]指出熱變煤中的含氮結(jié)構(gòu)減少，因?yàn)榍秩塍w的熱量使吡咯和吡啶發(fā)生熱裂解；DIANSHI等[33]則認(rèn)為在靠近侵入體的樣品中，氮原子的主要存在形式是“石墨”型氮，這是由于吡啶中的氮在熱解后隨縮聚作用進(jìn)入了煤的芳香結(jié)構(gòu)中?，F(xiàn)有的熱變煤化學(xué)結(jié)構(gòu)可以為熱變煤部分特殊的煤巖學(xué)、煤化學(xué)特征提供解釋。例如，熱變煤中表現(xiàn)出光學(xué)各向異性的組分，這就是化學(xué)結(jié)構(gòu)定向排列的結(jié)果；而熱變煤中增多的孔隙結(jié)構(gòu)，即為脂肪族等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)受熱斷裂后形成氣態(tài)烴類的結(jié)果。

4 影響熱變煤結(jié)構(gòu)演化的因素

由上述煤巖學(xué)、地球化學(xué)及化學(xué)結(jié)構(gòu)特征不難發(fā)現(xiàn)，熱變煤的特殊性不只體現(xiàn)在熱變煤與其他非熱變煤的對(duì)比中，不同研究者、不同采樣點(diǎn)的熱變煤性質(zhì)也有明顯差異，這主要是由于多種影響因素共同作用引起的。

1)侵入體的影響。侵入體的溫度[16-18,21]、產(chǎn)狀[47,84]、尺寸[18,24]、壓力[17,85]、熱液流體[26,84]等因素勢(shì)必會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生影響。前人報(bào)道侵入體的最高溫度可達(dá)300～600 ℃[16,18]、700～800 ℃[21]，甚至更高溫度[86]，明顯高于正常深成變質(zhì)煤所經(jīng)歷的最高溫度，而且熱變煤經(jīng)歷的升溫過程更迅速。侵入體的產(chǎn)狀有巖床、巖墻等形式，但即使都是巖床侵入體，順底板侵入與順頂板侵入也是有差異的。YAO等[12]總結(jié)了5種常見的巖漿與煤接觸類型，指出不同接觸類型影響的熱變煤的反射率變化軌跡不同。受巖墻影響反射率樣式呈遞減式，且最大反射率出現(xiàn)在巖體最厚處，而巖床影響的反射率樣式呈緩慢式，且數(shù)值比較高[87]。侵入體侵入過程中，對(duì)煤層施加了除水平靜壓、構(gòu)造應(yīng)力外的額外壓力，而壓力已經(jīng)被證實(shí)對(duì)煤的結(jié)構(gòu)演化，尤其是對(duì)分子排列有重要的改造作用。MATUSZEWSKA等[88]認(rèn)為壓力對(duì)光學(xué)各向異性的產(chǎn)生也有著重要的影響，其對(duì)比了受侵入體影響的熱變煤以及實(shí)驗(yàn)室熱模擬的煤樣，指出侵入體侵入過程中對(duì)煤層的壓力有利于光學(xué)各向異性的發(fā)展。如果侵入體侵入過程中有熱液流體參與，熱液流體既會(huì)成為輸送元素與礦物的媒介，也會(huì)與煤發(fā)生反應(yīng)，影響煤的性質(zhì)。如前文中提及的碳、氧元素異常以及鐵、鈣、硫、硅、鎂、鋅、鎘、鉛等元素的輸入都與高溫?zé)嵋毫黧w有關(guān)。

2)煤層的初始性質(zhì)。侵入體侵入時(shí)煤層的初始狀態(tài)，如煤級(jí)、顯微組分差異等因素對(duì)熱變煤的性質(zhì)也至關(guān)重要。以熱變煤的煤巖學(xué)特征為例，鏡質(zhì)組是煤中最常見的顯微組分，而不同變質(zhì)程度的鏡質(zhì)組在形成天然焦組分時(shí)也是不同的，鏡質(zhì)組變質(zhì)程度由低到高依次可形成光學(xué)各向同性組織，鑲嵌結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)光學(xué)各向異性等不同光性特征的天然焦組分[25,57,58,60-62]；類脂組組分在熱變煤中或者變?yōu)樽冾愔M，或者受熱熱解以揮發(fā)分的形式逸出[3,23,27,29,57-58]；惰質(zhì)組在熱變煤中演化中多表現(xiàn)為惰性，被新形成的天然焦組分膠結(jié)，并保留光學(xué)各向同性[61]。

課題組近期對(duì)熱變煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)演化研究表明，熱變煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)演化具有明顯的階段性。通過利用透射電鏡、核磁共振等一系列表征手段發(fā)現(xiàn)，所采熱變煤樣品隨反射率升高(或隨樣品逐漸靠近侵入體)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷3個(gè)主要的化學(xué)變化階段，依次為：原有芳香結(jié)構(gòu)縮合階段，形成新芳香結(jié)構(gòu)的芳構(gòu)化階段以及新形成芳香結(jié)構(gòu)再次縮合階段[89]。

5 熱變煤研究中存在的科學(xué)問題

已研究熱變煤中顯微組分受熱后芳香結(jié)構(gòu)演化存在差異，但具體差異如何？還需定量化表示。熱變煤中的石墨化結(jié)構(gòu)特征對(duì)于其作為碳源制備碳材料有重要啟示，但其與正常石墨化結(jié)構(gòu)有何異同，所受的地質(zhì)作用差異如何也需進(jìn)一步研究。熱變煤是特殊地質(zhì)條件下形成的煤，其性質(zhì)受侵入體、成煤環(huán)境的共同影響，熱變煤性質(zhì)、結(jié)構(gòu)演化與地質(zhì)條件之間的控制關(guān)系如何，對(duì)于開發(fā)和利用熱變煤都有重要意義，還需要深入探討。

6 熱變煤開發(fā)利用建議

熱變煤特殊的性質(zhì)決定了其在利用過程中的特殊性。相比于深成變質(zhì)作用形成的煤，熱變煤的灰分產(chǎn)率明顯增加，有毒有害元素以及多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)的含量也更高，這并不利于以現(xiàn)有的常見方法轉(zhuǎn)化利用熱變煤。但從另一角度出發(fā)，熱變煤往往具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，相對(duì)更容易富集煤層氣，而且煤系石墨以及熱解碳等碳元素的同素異形體也常與熱變煤相伴生，這也意味著熱變煤可能是碳材料潛在的原材料。課題組近期研究發(fā)現(xiàn)，在所采熱變煤樣品中已經(jīng)存在少量的類石墨狀的碳納米結(jié)構(gòu)[90]，進(jìn)一步證實(shí)了熱變煤作為碳材料原料的可能性。

已有大量研究表明，侵入體侵入會(huì)使煤層產(chǎn)生大量的烴類物質(zhì)和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，加之巖漿巖侵入體滲透性普遍較差，在適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)條件下會(huì)形成煤層氣資源賦存在煤層中。但正如2.2節(jié)中所述，熱變煤的儲(chǔ)層特征在不同研究中存在明顯差異，因此需要進(jìn)一步探討。

7 結(jié) 語

熱變煤特殊的形成條件決定了其特殊的性質(zhì)及特殊的利用價(jià)值。盡管前人對(duì)熱變煤的煤巖學(xué)、地球化學(xué)、化學(xué)結(jié)構(gòu)等方向進(jìn)行了大量的研究，但由于影響熱變煤的地質(zhì)因素眾多，關(guān)于熱變煤的諸多問題并未得到統(tǒng)一的結(jié)論。考慮到熱變煤是潛在的煤層氣資源富集區(qū)以及潛在的碳材料原料，因此對(duì)熱變煤的研究需要進(jìn)一步深入?；谀壳把芯砍晒? 筆者認(rèn)為還應(yīng)重點(diǎn)注重以下3個(gè)方面的研究：

1)分析不同地質(zhì)條件因素對(duì)熱變煤的影響，探討地質(zhì)條件對(duì)熱變煤性質(zhì)的影響機(jī)理，并尋找主控因素。

2)加強(qiáng)熱變煤清潔高效利用研究，尤其是結(jié)合熱變質(zhì)特殊性質(zhì)，進(jìn)行制備碳材料方面的研究。

3)分析熱變煤中孔隙變化特征，進(jìn)而探討其在煤層氣儲(chǔ)層方面的貢獻(xiàn)。