陳 健，李 洋，劉文中，江佩君，曾 建，陳 萍

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

巖漿侵入煤層導(dǎo)致煤變質(zhì)成天然焦，經(jīng)濟(jì)價值降低[1-2]，孔裂隙發(fā)育，增加煤自燃和瓦斯突出風(fēng)險[2-4]，改變煤層氣賦存條件[4-7]，接觸變質(zhì)過程釋放的熱成CH4和CO等還被認(rèn)為是地史時期全球氣候變化和生物絕滅的重要因素[8-12]。巖漿侵入對煤物質(zhì)組成的影響是煤地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點問題，國內(nèi)外學(xué)者尤為關(guān)注，成果較豐富，巖漿侵入可改變煤的光學(xué)、物理和化學(xué)性質(zhì)：煤級提升，鏡質(zhì)組反射率增加[13-14]，鏡質(zhì)組形成中間相[15]、各向同性和各向異性焦[16-17]、類脂組消失[18]、熱解碳沉積[16]等，碳球粒形成[15]、發(fā)育流動和氣孔構(gòu)造[16]。狹義的煤結(jié)構(gòu)是指煤巖成分的形態(tài)、大小、厚度、植物組織殘跡，以及它們之間相互關(guān)系所表現(xiàn)出來的特征[19]，廣義的煤結(jié)構(gòu)還應(yīng)該包括煤層結(jié)構(gòu)。在全面收集國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者的研究經(jīng)驗，系統(tǒng)論述了巖漿侵入對煤結(jié)構(gòu)構(gòu)造和煤顯微組分的影響，深入討論了煤變質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成原因和影響因素，以期為煤地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究和熱變質(zhì)煤資源的綜合利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 巖漿侵入對煤結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響

1.1 巖漿侵入對煤結(jié)構(gòu)的影響

1.1.1 煤層結(jié)構(gòu)的變化

煤的力學(xué)強(qiáng)度小于含煤地層其他巖石，因此，上涌巖漿易沿煤層侵入，巖漿侵位將改變煤層結(jié)構(gòu)，煤層分叉、變薄甚至被完全吞蝕，從而破壞煤層的連續(xù)性和完整性，減少煤炭資源儲量，影響煤礦安全，如山東濟(jì)寧煤田金鄉(xiāng)勘探區(qū)[20-21]、黃河北煤田[22]和河南豫東地區(qū)[23]。

巖漿侵入對煤層結(jié)構(gòu)的影響程度與巖漿的侵入模式有關(guān)。一般而言，由于巖床的巖漿量和與煤層的接觸面積大，其順層侵入對煤層結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)大于其他模式；且在巖床沿煤層頂、底板侵入模式中，沿煤層底板侵入對煤層影響更大，而沿煤層頂板侵入的影響較小[22]；以巖脈等形式順層、垂直或傾斜侵入煤層的影響范圍較小[20-21]。

1.1.2 孔裂隙的變化

巖漿侵入煤層的接觸熱變質(zhì)作用，主要是揮發(fā)分逸散和溫度劇變，導(dǎo)致煤層孔裂隙發(fā)育，淮南煤田潘三礦1煤層巖床侵入(反射光)如圖1所示，孔裂隙一般隨與侵入體距離的減少而增加。熱變質(zhì)煤微孔裂隙的發(fā)育，提供瓦斯賦存空間，增加瓦斯吸附量[20-22]，影響煤炭安全開采。

圖1 熱變質(zhì)煤中的網(wǎng)狀裂隙Fig.1 Fracture network in thermally altered coals

紅陽、邯鄲和淮北煤田受巖漿侵入影響的熱變質(zhì)煤越接近侵入體，變鏡質(zhì)組中脫揮發(fā)孔和干燥微裂隙便越發(fā)育，尤其是膠質(zhì)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、團(tuán)塊凝膠體、膠質(zhì)碎屑體[5]；淮北煤田臥龍湖礦巖床侵入導(dǎo)致煤的微孔體積和表面積在不同熱演化區(qū)差異變化，在熱演化一區(qū)，微孔體積和表面積顯著減小，而在熱演化二區(qū)，微孔體積和表面積稍增加[4]，海孜礦巨厚巖床侵入導(dǎo)致熱變質(zhì)煤的比表面積和孔體積均增加，且孔的連通性增強(qiáng)[24]；遼寧大興煤礦巖漿熱變質(zhì)煤的孔隙度、孔體積和孔徑均較未變質(zhì)煤大[25]；美國Illinois盆地巖漿侵入煤的接觸變質(zhì)分4個階段，其中，第2階段熱變質(zhì)煤孔隙不均勻發(fā)育，呈浮巖狀，孔徑和孔形態(tài)變化，在接觸帶由于揮發(fā)分劇烈變化和溫度最快速上升，孔徑最大[26]，接觸變質(zhì)作用對Springeld煤層孔隙有較大影響，尤其是微孔，近侵入體，微孔體積先增后減[27]；印尼South Sumatra盆地安山巖巖床侵入煤層導(dǎo)致BET表面積下降，而微孔表面積增加[28]。

美國科羅拉多州Purgatoire河谷煌斑巖巖床侵入導(dǎo)致熱變質(zhì)煤裂隙強(qiáng)烈發(fā)育[29]，而煌斑巖中的煤捕虜體因結(jié)焦過程體積減小，裂隙發(fā)育[30]；澳大利亞Gunnedah盆地輝綠巖侵入導(dǎo)致Black Jack群煤層微裂隙發(fā)育[31]；印度Jharia煤田Ena礦XIII煤層和Alkusa礦ⅪⅤ煤層上部微孔裂隙極度發(fā)育與揮發(fā)分快速釋放導(dǎo)致煤級的急劇提升有關(guān)[1]；莫桑比克Chipanga煤層上部由于侵入體的熱效應(yīng)和侵位壓力，發(fā)育裂隙網(wǎng)，而煤層下部不發(fā)育[32]。

1.1.3 囊狀結(jié)構(gòu)(脫揮發(fā)孔)的形成

巖漿接觸熱變質(zhì)作用導(dǎo)致煤有機(jī)質(zhì)活性成分裂解，揮發(fā)分逸散，形成囊狀結(jié)構(gòu)(脫揮發(fā)孔)(圖2)。河北峰峰-邯鄲煤田C4煤層由于巖漿熱液作用，顯微組分囊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育良好，且為后生方解石充填[33]；江西樂平沿溝礦二疊系熱變質(zhì)煤大量發(fā)育囊狀結(jié)構(gòu)，且被碳酸鹽礦物和方沸石充填[34]；安徽淮北楊柳礦巖床侵入煤層，形成大量脫揮發(fā)孔[35]；印度二疊系煤層云母橄欖巖侵入導(dǎo)致囊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，為后生方解石和石英充填[26]，Jharia煤田熱變質(zhì)煤揮發(fā)分逸散的重要證據(jù)為不同大小孔或洞狀囊泡的發(fā)育[1]，East Bokaro煤田熱變質(zhì)煤鏡質(zhì)組存在脫揮發(fā)囊泡[36]；澳大利亞昆士蘭州東部Collinsville煤系巖漿侵入熱變質(zhì)煤囊泡高度發(fā)育，尤其是煤與侵入體的接觸帶[37]，Gunnedah盆地輝綠巖侵入導(dǎo)致煤層存在大量脫揮發(fā)孔[31]；美國Illinois盆地Springfield煤層在離接觸帶2 m處鏡質(zhì)組中便可見熱成脫揮發(fā)孔[13]，且靠近巖脈，脫揮發(fā)囊泡普遍增多[14,17-18]，Herrin煤層熱變質(zhì)煤焦化鏡質(zhì)組亦發(fā)現(xiàn)脫揮發(fā)囊泡，且在熱變質(zhì)暈中隨煤級提升而增多[38-39]，Danville煤層脫揮發(fā)囊泡發(fā)育表明揮發(fā)分的釋放[40]；科羅拉多州Pitkin郡Dutch Creek礦巖脈侵入導(dǎo)致在距接觸帶40 cm處即可見囊泡發(fā)育，在距接觸帶30 cm處囊泡由于熱變質(zhì)煤的流動性而拉長，在距接觸帶17 cm處煤樣中囊泡大量存在，為后生方解石充填[41]。

圖2 熱變質(zhì)煤中的脫揮發(fā)孔Fig.2 Devolatilization vacuoles in thermally altered coal

印度天然焦有大量孔隙，并發(fā)育不同形狀和大小的囊泡，其大小與形態(tài)和煤級、侵入時長和規(guī)模、與侵入體的距離、加熱與冷卻程度、揮發(fā)分逸散條件等因素有關(guān)[42]；印尼Suban煤層所有煤樣均發(fā)育孔隙和囊泡，表明巖漿侵入熱變質(zhì)的快速脫揮發(fā)過程[43]；南非Highveld煤田4L煤層近巖脈的熱變質(zhì)煤中鏡質(zhì)組由于揮發(fā)分逸散，囊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育[44]；美國Purgatoire熱變質(zhì)煤區(qū)均有囊泡存在，且其數(shù)量和大小沿侵入體方向增加，全區(qū)囊泡發(fā)育表明巖漿侵入后煤的流變程度足以囊泡化，且囊泡內(nèi)部氣壓大于圍巖壓力[29]，該區(qū)煌斑巖煤捕虜體中囊泡數(shù)量眾多，越接近巖床數(shù)量越多[30]，Raton組煤基天然焦脫揮發(fā)囊泡發(fā)育[15]；匈牙利Mecsek熱變質(zhì)煤中存在微小的圓形或橢圓形小孔(<10 μm)，其形成與揮發(fā)分釋放有關(guān)[45]。

1.2 巖漿侵入對煤構(gòu)造的影響

煤層巖漿侵位伴隨局部溫度和壓力的增加，改變煤的力學(xué)性能，煤原始沉積構(gòu)造變化，發(fā)生韌性變形，形成各類褶皺；或發(fā)生塑性變形，形成不同規(guī)模流動構(gòu)造；或由于冷卻體積變化和擴(kuò)張空間受限等因素，發(fā)育柱狀節(jié)理。

1.2.1 褶皺的形成

莫桑比克Moatize盆地二疊系煤層上部熱變質(zhì)煤的層理強(qiáng)烈褶皺，其中，以鏡質(zhì)組為主的亮煤帶褶皺發(fā)育，而暗煤帶變形并形成裂隙[32]。一般而言，褶皺變形先于裂隙發(fā)育，由于侵入巖漿的高溫和增加的壓力，煤先發(fā)生韌性變形，隨后冷卻并產(chǎn)生裂隙[32]。美國Illinois盆地上石炭統(tǒng)Springfield含煤段巖脈侵入形成的熱變質(zhì)煤由于巖脈邊界局部應(yīng)力集中導(dǎo)致顯微組分和煤巖帶扭曲和重排[13]，科羅拉多州Purgatoire河谷熱變質(zhì)煤的主要結(jié)構(gòu)特征為層理消失或扭曲變形[29]；澳大利亞Sydney盆地帶狀熱變質(zhì)煤區(qū)，原始煤巖層理一定程度褶皺，仍模糊可見，隨與侵入體距離的減小，層理變形并破裂，煤變質(zhì)過程釋放的揮發(fā)分無逸散和缺乏可擴(kuò)張空間是層理變形的主要原因[46]。

1.2.2 流動構(gòu)造的形成

由于巖漿高溫，接觸的煤發(fā)生塑性變形，形成各種流動構(gòu)造[42](圖3)，此外，不同形狀和大小的拉長流動構(gòu)造還表明巖漿侵入伴隨較高壓力的影響[16]，如印度Jharia煤田，由于較高壓力，熱變質(zhì)煤中流動構(gòu)造發(fā)育[1]，ⅪⅤ煤層的定向流動構(gòu)造表明其在高溫高壓條件下的原位碳化過程[16]。

圖3 熱變質(zhì)煤中發(fā)育的流動構(gòu)造Fig.3 Flow structures in thermally altered coal

1.2.3 柱狀節(jié)理的發(fā)育

巖漿侵入煤層后，巖漿和煤冷卻，煤在快速冷卻結(jié)焦過程中，體積減小，發(fā)育六邊形柱狀節(jié)理。遼寧阜新盆地下白堊統(tǒng)輝綠巖侵入形成的熱變質(zhì)煤六邊形柱狀節(jié)理發(fā)育[47]；印度Jharia和Ranigunj煤田的熱變質(zhì)煤帶狀構(gòu)造完全破壞，在垂直于接觸面的方向顯著發(fā)育柱狀節(jié)理[48-49]；美國科羅拉多州Purgatoire河谷Raton組巖床中煤捕虜體明顯可見六邊形柱狀節(jié)理[15]，阿拉斯加中南部Matanuska煤田古新統(tǒng)Chickaloon組熱變質(zhì)煤柱狀節(jié)理發(fā)育，且節(jié)理面與侵入體表面垂直[50]；南非輝綠巖侵入形成的熱變質(zhì)煤柱狀節(jié)理亦普遍發(fā)育[51]。

2 巖漿侵入對煤顯微組分的影響

煤碳化過程中，顯微組分分成2組，第1組變成液態(tài)，發(fā)育各向異性，形成顆粒鑲嵌結(jié)構(gòu)，如類脂組和煙煤的鏡質(zhì)組(膠質(zhì)碎屑體和膠質(zhì)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體)；第2組幾乎保持非液態(tài)，發(fā)育各向同性或基本不發(fā)育各向異性，如惰質(zhì)組和低煤級煤的鏡質(zhì)組[52]。一般而言，在巖漿侵入煤層的接觸熱變質(zhì)過程中，鏡質(zhì)組轉(zhuǎn)變成各向同性或各向異性焦，類脂組消失，而惰質(zhì)組基本不變[14,18]。印度Jharia煤田弱熱變質(zhì)煤(前塑性階段，溫度<300 ℃)中，鏡質(zhì)組較未變質(zhì)的反射率更高，類脂組開始消失，惰質(zhì)組基本未受影響；在中等變質(zhì)煤(塑性階段，300～500 ℃)中，反應(yīng)性組分，包括鏡質(zhì)組和類脂組，形成中間相和熔化天然焦，類脂組消失，惰質(zhì)組在結(jié)構(gòu)上幾乎無變化，僅反射率稍增加；在嚴(yán)重?zé)嶙冑|(zhì)煤(后塑性階段，溫度>500 ℃)中，中間相、鑲嵌結(jié)構(gòu)、石墨球粒和熱解碳形成，而惰質(zhì)組的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化(變形或破裂)，反射率稍增大[1]。

2.1 鏡質(zhì)組的變化

山西大同煤田巖漿侵入導(dǎo)致鏡質(zhì)組轉(zhuǎn)化為天然焦基質(zhì)[53]；紅陽、邯鄲和淮北煤田煤在接觸變質(zhì)過程中，鏡質(zhì)組呈塑性，導(dǎo)致熱變質(zhì)煤有相當(dāng)程度變形，且在朱莊礦、孟莊礦和紅菱礦其含量隨與侵入體距離的減小而減少[5]；英格蘭北部Yard煤層接近巖脈，鏡質(zhì)組轉(zhuǎn)變成各向同性焦[54]；美國Illinois盆地近巖脈煤和富有機(jī)質(zhì)頁巖中鏡質(zhì)組產(chǎn)生脫揮發(fā)孔，且隨溫度增加而發(fā)育各向同性和各向異性結(jié)構(gòu)[40]；莫桑比克Moatize盆地Chipanga煤層鏡質(zhì)組變質(zhì)，呈初始鑲嵌結(jié)構(gòu)[32]；印度Ena礦XIII煤層上部鏡質(zhì)組減少，相應(yīng)各向異性組分和熱解碳增多[42]；澳大利亞Hunter Valley二疊系煤巖脈侵入導(dǎo)致其鏡質(zhì)組完全轉(zhuǎn)變成多孔各向異性鑲嵌結(jié)構(gòu)焦[55]。

2.2 類脂組的變化

印尼South Sumatra盆地Suban熱變質(zhì)煤最明顯的變化是類脂組含量降低[43]；印度二疊系煤層橄欖巖侵入導(dǎo)致孢子體、角質(zhì)體和樹脂體消失[48]；美國Illinois盆地Danville煤層在近橄欖巖巖脈的接觸帶類脂組消失，表明溫度高于300 ℃[40]，Springfield煤層近巖脈3 m處類脂組難辨別，熒光消失[13,18]，具體為當(dāng)變質(zhì)暈中煤Ro,max>1.3%時，類脂組消失[17,40,56]，Herrin煤層類脂組消失時的反射率為1.36%[38-39]；在南非Karoo盆地Highveld煤田亦有相同發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變質(zhì)暈中煤Ro>1.35%時，類脂組消失[44]；山西大同煤田巖漿侵入導(dǎo)致類脂組消失或難以識別[53]；然而，加拿大British Columbia省Telkwa煤變質(zhì)殘渣中部分類脂組仍保留原始形態(tài)[52]。

2.3 惰質(zhì)組的變化

紅陽、邯鄲和淮北煤田熱變質(zhì)煤中惰質(zhì)組含量隨與侵入體距離的減小而增加[5]；莫桑比克Chipanga煤層絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體層變形，形成褶皺構(gòu)造[32]；美國科羅拉多州Purgatoire河谷Raton組煤層上部真菌體普遍存在，為最抗熱變質(zhì)的顯微組分[29]，所有變質(zhì)煤樣品中均有絲質(zhì)體、微粒體和真菌體，且變化較小或無變化[30]，Pitkin郡Dutch Creek礦離巖脈6 cm的熱變質(zhì)煤主要由惰質(zhì)組組成[41]，然而，Springfield煤層沿侵入體方向惰質(zhì)組含量則降低，可能與原始煤的不均勻性或嚴(yán)重?zé)嶙冑|(zhì)煤中鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組難區(qū)分有關(guān)[13]，而RAHMAN等[56]則發(fā)現(xiàn)無系統(tǒng)變化；南非Highveld煤田惰質(zhì)組在熱變質(zhì)過程鏡質(zhì)組轉(zhuǎn)化的情況下含量增加[44]；印尼Suban熱變質(zhì)煤惰質(zhì)組的結(jié)構(gòu)未改變[43]。

2.4 各向同性和各向異性焦的形成

2.4.1 焦結(jié)構(gòu)的類型

美國Illinois盆地Springfield煤層靠近巖脈，鏡質(zhì)組焦化作用增強(qiáng)，呈各向同性和各向異性焦[14,56]。采用正交偏振器和抗折射物鏡，各向同性焦呈紅色或藍(lán)色，而各向異性焦呈圓形鑲嵌結(jié)構(gòu)，具強(qiáng)雙折射現(xiàn)象[14]。

1)各向同性焦。根據(jù)粒徑大小，各向同性焦分為細(xì)粒(<25 μm)、中粒(25～50 μm)和粗粒(>50 μm)[16]。美國Illinois盆地Danville煤層橄欖巖巖脈侵入，形成各向同性焦[40]，Herrin煤層在距侵入體約1 m處的變鏡質(zhì)組中見各向同性焦[38,39]；南非Highveld煤田4L煤層巖脈侵入形成各向同性焦[44]；澳大利亞Collinsville煤系離侵入體約0.8 m處鏡質(zhì)組具有各向同性[37]。

2)各向異性焦(鑲嵌結(jié)構(gòu))。煤有機(jī)組分在熱變質(zhì)過程中形成不同大小具各向異性的均勻結(jié)構(gòu)，稱鑲嵌結(jié)構(gòu)(圖4)，據(jù)粒徑大小，分為細(xì)粒(<1.5 μm)、中粒(1.5～5 μm)和粗粒(5～10 μm)[1,57]。美國Springfield煤層在離侵入體最近的樣品中發(fā)育細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)[17,18,27,56,58-59]，Raton盆地?zé)嶙冑|(zhì)煤發(fā)育細(xì)粒至粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)[60]，Herrin煤層距侵入體最近的樣品(<0.4 m)，發(fā)育初始和細(xì)粒圓形鑲嵌結(jié)構(gòu)[39]；印度Jharia煤田熱變質(zhì)煤發(fā)育細(xì)粒至粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)[1,42]，East Bokaro煤田熱變質(zhì)煤鏡質(zhì)組見初始鑲嵌結(jié)構(gòu)[36]；澳大利亞Collinsville煤系煤與侵入體接觸帶細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)發(fā)育[37]；莫桑比克Chipanga煤層鏡質(zhì)組帶見初始鑲嵌結(jié)構(gòu)[32]；匈牙利Mecsek熱變質(zhì)煤中亦觀察到由均質(zhì)鏡質(zhì)體轉(zhuǎn)化而成的鑲嵌結(jié)構(gòu)[45]；安徽淮北臥龍湖礦近巖床的煤具明顯的熱變質(zhì)特征，即變鏡質(zhì)組的細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)[4]，朔里礦巖床下熱變質(zhì)煤發(fā)育由細(xì)及粗的鑲嵌結(jié)構(gòu)[61]，石臺礦熱變質(zhì)煤中見細(xì)-粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)[62]；河北峰峰-邯鄲煤田熱變質(zhì)煤中亦見鑲嵌結(jié)構(gòu)[33]；江西樂平沿溝礦B4煤層熱變質(zhì)煤具初始鑲嵌結(jié)構(gòu)[34]；山西大同煤田嚴(yán)重?zé)嶙冑|(zhì)煤發(fā)育不同粒徑的鑲嵌結(jié)構(gòu)，以細(xì)粒為主[57]；具異向光性的組分是巖漿熱變質(zhì)煤的“標(biāo)志物”，甚至可作為井下預(yù)測巖漿巖的“標(biāo)志”[63]。

圖4 熱變質(zhì)煤的焦結(jié)構(gòu)[61]Fig.4 Coke textures in thermally altered coals[61]

2.4.2 焦結(jié)構(gòu)的成因

澳大利亞Sydney盆地?zé)嶙冑|(zhì)煤具密實的焦結(jié)構(gòu)，發(fā)育小孔和厚腔壁，呈細(xì)粒、中粒鑲嵌結(jié)構(gòu)，與人工焦的結(jié)構(gòu)不同，人工焦具有大孔和薄腔壁，呈極細(xì)粒各向同性鑲嵌結(jié)構(gòu)；粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成與熱變質(zhì)過程充分預(yù)熱和揮發(fā)分逸散受限有關(guān)[46]。

2.4.3 焦結(jié)構(gòu)發(fā)育的影響因素

1)初始煤級。南極洲Transantarctic山熱變質(zhì)煤中各向同性焦表明巖漿侵入時煤級低于高揮發(fā)A煙煤(Rmax<0.7%)，反射率在0.7%～2.0%時隨煤級提升逐步形成圓形、透鏡狀、帶狀各向異性鑲嵌結(jié)構(gòu)，若反射率小于0.5%，僅形成各向同性焦[64]；巖漿侵入時煤級為煙煤才能形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，低煤級煤(褐煤)和高煤級煤(半無煙煤)均不能形成[15]。

GOODARZI等證實僅焦煤的碳化鏡質(zhì)組鑲嵌結(jié)構(gòu)明顯發(fā)育，過低和過高煤級煤鏡質(zhì)組鑲嵌結(jié)構(gòu)較少；對具體有機(jī)組分而言，若升溫速率相同，各向異性組分的變化取決于顯微組分的成熟度[46]；南非Highveld煤田4L煤層的鏡質(zhì)組反射率約為0.7%，巖脈侵入形成各向同性焦[44]；英格蘭北部石英輝綠巖巖床侵入Yard煤層熱影響區(qū)的煙煤(Ro=1.5%)形成粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，當(dāng)Ro>1.5%時，未見鑲嵌結(jié)構(gòu)[54]；美國Purgatoire河谷Raton組未變質(zhì)煤為高揮發(fā)煙煤，故其熱變質(zhì)煤發(fā)育中粒圓形鑲嵌結(jié)構(gòu)[15]，Springfield煤層靠近巖脈，當(dāng)鏡質(zhì)組反射率為2.91%時，見各向同性焦，而各向異性細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)表明巖漿侵入時煤級為高揮發(fā)煙煤[14]，Herrin煤層初始和細(xì)粒圓形鑲嵌結(jié)構(gòu)發(fā)育的樣品反射率大于3.03%[38]。

2)煤巖組成。印度Jharia煤田ⅪⅤ煤層熱變質(zhì)煤的各向異性組分源于反應(yīng)性顯微組分，如鏡質(zhì)組、類脂組、碎屑鏡質(zhì)體，而惰質(zhì)組，包括半絲質(zhì)體、絲質(zhì)體、分泌體、粗粒體和微粒體，形成各向同性焦結(jié)構(gòu)[16]。

3)溫度。一般而言，初始鑲嵌結(jié)構(gòu)形成的溫度應(yīng)不低于400 ℃，完全形成鑲嵌結(jié)構(gòu)溫度不高于550 ℃[30]。美國Purgatoire河谷在煌斑巖巖床上部愈近巖床，鑲嵌結(jié)構(gòu)越發(fā)育，表明鑲嵌結(jié)構(gòu)形成與上升的溫度有關(guān)，據(jù)氫含量計算該區(qū)初始鑲嵌結(jié)構(gòu)形成溫度為420～463 ℃，細(xì)-粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)形成溫度為462～562 ℃[29-30]；Illinois盆地Herrin煤層熱變質(zhì)形成各向異性鑲嵌結(jié)構(gòu)，包括圓形、透鏡狀和帶狀，形成于350～450 ℃的流態(tài)階段[38]，Danville煤層的細(xì)粒圓形鑲嵌結(jié)構(gòu)表明熱變質(zhì)溫度接近500 ℃[40]，Springfield煤層中細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)形成溫度高于500 ℃，而鏡質(zhì)組反射率數(shù)據(jù)估算變質(zhì)溫度約370 ℃[13]。SINGH等[1]認(rèn)為溫度高于500 ℃，熱變質(zhì)煤將發(fā)育細(xì)粒至粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)[1]。

4)升溫速率。巖漿侵入體規(guī)模越大，侵入時的背景溫度越高，距侵入體一定距離的沉積物升溫速率越小，從而導(dǎo)致粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)的粒徑越大，故粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)的大小不僅由煤有機(jī)質(zhì)的初始性質(zhì)決定，還與煤的升溫速率有關(guān)[54]；相對較小地增加升溫速率可降低有機(jī)質(zhì)粘度，從而增加焦的各向異性，反之，升溫速率降低，將增加有機(jī)質(zhì)粘度，各向異性程度減弱，形成各向同性焦[46]。

5)壓力。壓力對美國Purgatoire河谷Raton組熱變質(zhì)煤中鑲嵌結(jié)構(gòu)的發(fā)育有重要影響[29]；印度Jharia煤田熱變質(zhì)煤在過載壓力作用下，焦各向異性較實驗室碳化焦更明顯[1]，ⅪⅤ煤層熱變質(zhì)煤的強(qiáng)各向異性與高溫和高巖石靜壓力有關(guān)[16]；波蘭Upper Silesian盆地Sosnica礦416煤層與輝綠巖-粗面巖巖脈接觸帶的壓力導(dǎo)致各向異性指數(shù)較實驗室1 200 ℃的碳化焦大[66]。

2.5 熱解碳的發(fā)育

2.5.1 熱解碳的類型

GOODARZI[67]將熱解碳分為：>80 μm具各向異性的球狀、約12 μm弱各向異性球、各向同性囊泡化顆狀團(tuán)聚體和各向異性無固定形態(tài)6 μm厚層狀碳。印度Jharia煤田煤層揮發(fā)分原位化學(xué)裂解形成熱解碳，熱解碳呈薄層狀、穹形、蠕蟲狀和繩狀，具強(qiáng)各向異性，以1～10 μm厚的層狀襯里形式充填孔隙[1,16,42]；澳大利亞Collinsville煤系玢巖侵入煤層，產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體在孔裂隙表面沉積形成薄層熱解碳[37]，Black Jack群輝綠巖侵入煤層，惰質(zhì)組孔隙表面形成熱解碳襯里[31]；美國Illinois盆地Springfield煤層的熱解碳表明熱變質(zhì)過程揮發(fā)分被煤和沉積物物理捕集，未釋放遷移[18]；南極洲Transantarctic山高煤級煤和天然焦中熱解碳以多種形態(tài)存在，如裂隙襯里、囊泡充填、惰質(zhì)組外殼等[64]；印尼Suban煤層熱變質(zhì)帶裂隙中球粒熱解碳具輻射狀結(jié)構(gòu)，為熱解碳的最典型特征[43]；安徽淮北煤田袁店礦天然焦發(fā)育具較高反射率和各向異性的微球粒熱解碳[68]，朔里礦5煤層熱變質(zhì)煤發(fā)育球狀熱解碳(圖4b)[61]；湖南新化縣寒婆坳礦區(qū)花崗巖侵入石墨化煤中熱解碳發(fā)育[69]。

2.5.2 熱解碳形成的影響因素

球狀熱解碳表明其形成過程快速升溫和較高溫度，而層狀熱解碳表明其形成時間較長，溫度較低[67,70]。美國Purgatoire河谷Raton組熱變質(zhì)煤中熱解碳以邊緣狀、層狀和球粒狀形式存在，源于氣相冷凝，表明形成溫度至少為500 ℃[15]，Raton組煤層上部熱變質(zhì)煤存在熱解碳球粒，且具初始鑲嵌結(jié)構(gòu)，表明近巖床方向的溫度梯度增大[29]；Raton盆地煤與巖脈接觸帶熱解碳呈典型薄層狀和各向同性，表明溫度較低，而與巖床接觸帶的熱解碳呈各向異性，表明溫度較高，無論巖脈和巖床，熱解碳均僅限于接觸帶距侵入體本身寬度一半的范圍內(nèi)[60]；印度Jharia煤田熱變質(zhì)煤由于劇烈的巖漿熱作用導(dǎo)致熱解碳沉積[42]；加拿大Telkwa熱變質(zhì)煤中含球粒狀和層狀熱解碳，與煤揮發(fā)分，主要是焦油的熱裂解有關(guān)，球粒狀熱解碳主要存在于與巖脈接觸帶的天然焦中，表明其形成溫度高達(dá)1 000 ℃[52]。

2.6 石墨球粒的形成

印度Jharia煤田ⅪⅤ煤層熱變質(zhì)煤的裂隙和孔隙中存在石墨球粒，呈焦油和瀝青狀，粒徑0～2.0 μm，具有Brewster正交結(jié)構(gòu)[16]，當(dāng)溫度高于500 ℃，揮發(fā)分化學(xué)裂解冷卻形成石墨球晶和熱解碳[1]。湖南寒婆坳礦區(qū)花崗巖侵入石炭系煤層，導(dǎo)致其石墨化，形成細(xì)粒狀微晶石墨[69]。

2.7 焦化瀝青質(zhì)的形成

南極洲Transantarctic山熱變質(zhì)煤除形成各向同性焦、各向異性鑲嵌結(jié)構(gòu)、囊泡結(jié)構(gòu)和熱解碳等結(jié)構(gòu)外，還發(fā)現(xiàn)焦化瀝青質(zhì)[64]。

3 結(jié) 論

巖漿侵入煤層，由于巖漿高溫、侵位煤層增大的壓力、熱液流體等因素，導(dǎo)致煤結(jié)構(gòu)構(gòu)造和煤顯微組分發(fā)生顯著改變，形成變質(zhì)結(jié)構(gòu)，具體包括：

1)煤原始沉積構(gòu)造改變，韌性變形形成各類變形和褶皺；塑性變形形成不同規(guī)模流動構(gòu)造；或由于冷卻體積變化和擴(kuò)張空間受限發(fā)育柱狀節(jié)理。

2)煤接觸熱變質(zhì)過程中，鏡質(zhì)組轉(zhuǎn)變成各向同性或各向異性焦，類脂組消失，而惰質(zhì)組基本不變。

3)巖漿接觸熱變質(zhì)作用伴隨的揮發(fā)分逸散和溫度劇變，導(dǎo)致煤層微孔裂隙發(fā)育，形成脫揮發(fā)孔或囊狀結(jié)構(gòu)；煤有機(jī)質(zhì)變質(zhì)新形成各向同性焦、各向異性焦、熱解碳、石墨球粒和焦化瀝青質(zhì)等結(jié)構(gòu)；初始煤級、煤巖組成、溫度、升溫速率和壓力等對各向同性和各向異性焦結(jié)構(gòu)的形成有重要影響。

致 謝：感謝中國礦業(yè)大學(xué)(北京)王紹清教授在論文選題、結(jié)構(gòu)設(shè)計和文章修改方面給予的寶貴意見和建議；感謝中國礦業(yè)大學(xué)(北京)王西勃教授提供部分顯微煤巖照片。