時志強 王美玲 陳 彬

1成都理工大學沉積地質研究院，四川成都 610059 2聊城大學地理與環(huán)境學院，山東聊城 252000

作為一種災難性現(xiàn)象，煤火在全球分布廣泛，其起因是自然的(如煤層自燃或由森林火災、雷擊、強烈的太陽光引燃煤層)或人為的(如由采礦活動而引燃煤層)(Silva and Ktia，2011)。廣義的煤層自燃指自然條件下煤的燃燒，其影響因素已被廣泛研究(如Beamish，2005;Kusetal.， 2007)，并認為煤層的暴露及其與空氣的接觸是煤層自燃必不可少的條件(Zhangetal.， 2004;Queroletal.， 2011)。構造抬升、地層風化剝蝕及河流下切等多種地質過程將煤暴露于地表，從而易于引發(fā)煤火(Beamish，2005;Kusetal.， 2007;黃雷，2008；Queroletal.， 2011;Song and Kuenzer，2014)。根據(jù)煤火的年齡，可將其分為現(xiàn)代煤火和古煤火(Kuenzer and Stracher，2012)?，F(xiàn)代煤火主要是人為的，而古煤火通常是非人類影響下煤的自燃(Song and Kuenzer，2014)，其結果是在地質歷史時期形成燒變巖。由于相應研究欠缺，上新世—更新世古人類用火與煤層自燃的關系至今未見詳細的文獻報道。

燒變巖(燃燒變質巖)由燃燒煤炭時產生足夠的能量烘烤或燒熔鄰近的巖石而產生(Sokoletal.， 2007;Stracheretal.， 2015)。燒變巖經(jīng)歷高溫—低壓變質作用，因氧化和脫水作用而導致巖石質地、結構和顏色發(fā)生變化(Stracheretal.， 2015)，形成燃燒變質復合物(Kuenzer and Stracher，2012;Stracheretal.， 2015)。熱變質作用使得燒變巖的外觀呈彩色、鋼灰色或紅色的玻璃狀、瓷質或磚狀(Novikovetal.， 2008;?eketal.， 2010)。在中國，燒變巖常作為有效的煤礦找礦標志(劉志堅，1959；劉長齡，1988)，因燒變巖常具大量孔隙而常成為煤層附近的含水層，煤田工作者常關注附近煤層在開采過程突然大量涌水的威脅(賀衛(wèi)中，2002；侯恩科等，2017)，或利用燒變巖潛水作為煤礦礦井的供水水源(夏斐等，2008)。燒變巖本身也常具有礦產價值，可在燒變巖中開采陶瓷原料、耐火材料、鋁質校正原料、園林觀賞石和建筑材料(劉長齡，1988；王尤宏，1993；王志宇等，2020)。筆者研究團隊近年來的研究顯示，燒變巖可能和砂巖型鈾礦富集有關(時志強等，2016；Shietal.， 2020)，也可形成具有旅游景觀價值的特殊地貌單元(時潛和陳彬，2017；Chenetal.， 2021)。

由于受高溫的影響，燒變巖可以提供古煤火的潛在證據(jù)(Heffern and Coates，2004;Sokoletal.， 2007)。作為一種特殊的高溫變質巖(王玉山，1986)，燒變巖質地堅硬，相對抗侵蝕，常形成懸崖和階地地貌(Heffernetal.， 2007;Riihimakietal.， 2009)。受古氣候控制的大氣降水影響，燒變巖在中國北方大量分布，而在南方未見報道。國外所見煤層自燃所致的燒變巖主要分布于北美(Heffern and Coates，2004；Reinersetal.， 2011；Zilberfarb，2014)及中亞地區(qū)(Novikov and Sokol 2007;Novikovetal.， 2008， 2016)，其特征、形成時代以及古地貌(河流下切、溯源侵蝕等)、古氣候(干旱濕潤、冰期—間冰期等)等影響因素已有深入研究。相對而言，燒變巖在中國的研究零星而不系統(tǒng)，鮮有文獻涉及燒變巖蘊含的古環(huán)境、古地貌、古野火等多種地質信息。鑒于燒變巖在中國北方分布廣泛，其古氣候、古構造、古地貌等地質意義不容忽視。

1 中國燒變巖的分布與時代

1.1 中國燒變巖的分布

1.1.1 地理分布

圖 1 中國北方已知的燒變巖分布Fig.1 Distribution of burnt rocks known in northern China

據(jù)已有文獻及筆者地質調查結果，中國燒變巖主要分布于以昆侖山—秦嶺—大別山為界的中國北方地區(qū)(韓德馨和孫俊民，1998；陳凱等，2020)，在氣候較為濕潤的中國南方未見報道。在中國北方地區(qū)主要分布于伊犁、準噶爾、塔里木、吐哈、鄂爾多斯、二連等沉積盆地邊緣有煤層出露的地方(圖 1)，在天山等山脈的山前地帶(即盆地邊緣)、黃河沿岸也有較為廣泛的分布。筆者近年來實地考察了國內多個沉積盆地邊緣的燒變巖地質露頭，野外實際調查及前人研究顯示，無論地表煤層的厚、薄，有煤層出露的地方都可能形成燒變巖(圖 2)，在伊犁、鄂爾多斯盆地的鉆井顯示地表黃土之下亦有可能形成燒變巖。其分布范圍在中國北方東西橫跨35°經(jīng)度(從伊犁盆地到太行山南麓)、南北跨度大于15°緯度(從鄂爾多斯盆地到準噶爾盆地)。其分布區(qū)域與中國目前的干旱化—半干旱化地區(qū)基本一致，但其在地質歷史時期與干旱氣候的耦合關系還鮮有文獻提及。

1.1.2 分布方式

中國北方燒變巖分布范圍與地表(或黃土覆蓋的近地表)煤層一致，一般以4種方式分布： (1)大面積連片分布。這主要出現(xiàn)在鄂爾多斯盆地東北部及準噶爾盆地東部(圖 1)，面積可達數(shù)百甚至上千平方千米，與侏羅系煤層大面積出露有關，通常位于埋深較淺的大型、特大型煤田的邊緣地區(qū)。(2)沿山脈走向的線狀分布。位于盆地邊緣(即造山帶前緣)，其產出狀態(tài)與煤層在山前的線狀分布有關，常產出于天山南緣和北緣(即伊犁盆地南緣、準噶爾盆地南緣、塔里木盆地北緣、吐哈盆地南緣等)、祁連山北緣、太行山南緣等。(3)沿河流下切河谷分布。產出于黃河沿岸及新疆、山西等地一些河流的階地，燒變巖在高階地的分布更為普遍，但在黃河河谷Ⅰ級階地、Ⅱ級階地也發(fā)現(xiàn)燒變巖，其形成年代較為年輕。(4)為第四系黃土覆蓋。在伊犁盆地南緣、鄂爾多斯盆地東北部常見燒變巖為第四系黃土覆蓋，主要覆蓋物為晚更新世馬蘭黃土(圖 2-F)，亦見被第四系下部礫石層覆蓋者，顯示侏羅系煤層的暴露與自燃發(fā)生于第四紀黃土沉積之前。從燒變巖產出狀態(tài)、形成時代(如由鈾—釷/氦同位素年齡顯示較多的煤層在上新世自燃)分析，中國北方第四系黃土覆蓋區(qū)可能存在大量燒變巖未出露地表。

A—伊犁盆地南緣蘇阿蘇溝；B—準噶爾盆地南緣五工梁；C—準噶爾盆地南緣烏魯木齊西山；D—準噶爾盆地東北緣火燒山，見大面積紅色燒變巖；E—吐哈盆地中部火焰山，陰燃導致煤層中夾紅色薄層；F—鄂爾多斯盆地東北部神木白柳兔，見紅色燒烤巖被第四系黃土覆蓋；G—鄂爾多斯盆地東緣耀州崔家溝；H—黃河沿岸河曲舊縣；I—河南西北部焦作劉莊后溝。A～G為侏羅系煤系地層中發(fā)育的燒變巖，H和I為石炭—二疊系含煤地層中發(fā)育的燒變巖圖 2 中國北方燒變巖露頭宏觀特征Fig.2 Macroscopic characteristics of outcrops of burnt rocks in northern China

1.1.3 分布層位

燒變巖賦存的層位與地表或近地表煤層時代一致。中國北方常見侏羅系煤層，因而燒變巖主要賦存于侏羅系巖層露頭中，見于西北地區(qū)的八道灣組、三工河組和西山窯組(圖 2-A至2-E)，在鄂爾多斯盆地，其主要發(fā)育于延安組(圖 2-F至2-H)。古生界(石炭系—二疊系)煤層在新生代燃燒所致的燒變巖主要見于黃河沿岸，如在陜西東北部、山西、河南西部等地區(qū)(圖 2-I)。在二連、酒泉等盆地偶見發(fā)育在白堊系中的燒變巖。

1.2 中國燒變巖的形成時代

已開展研究的國內燒變巖常見于鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)(Grapesetal.， 2009；黃雷和劉池洋，2014；時志強等，2016；王志宇等，2020；張躍恒等，2020)和準噶爾盆地(單金榜，1986；Zhangetal.， 2004；曹博等，2020；Chenetal.， 2021)，此外在伊犁盆地(時志強等，2016；Shietal.， 2020)、塔里木盆地北緣(業(yè)渝光等，1998；李明星，2018)等地見零星報道。在早期的研究中，王玉山(1986)將燒變巖歸為一種特殊而少見的變質巖，劉志堅(1959)認為燒變巖兼具三大類巖石的特點，可將其作為三大類巖間的一種新型巖類。根據(jù)其特征及受熱溫度，研究者通常將中國西北地區(qū)的燒變巖進行了分類(管海晏等，1998；黃雷，2008；時志強等，2016)。近年來，研究者對于中國燒變巖的研究也關注了其巖石學、礦物學特點、古地貌因素及煤層自燃過程，如Grapes等(2009)對黃河沿岸燒變巖的礦物學特征進行了深入研究；Zhang 等(2020)對鄂爾多斯盆地燒變巖的礦物學和地球化學特征進行了研究，并指出燒烤巖中含有的礦物組合；陳彬(2021)關注了伊犁、準噶爾、鄂爾多斯等盆地邊緣燒變巖的形成過程及古地貌。

盡管燒變巖在中國分布廣泛，但國內關于燒變巖形成時代的研究較為薄弱，僅有零星的年齡數(shù)據(jù)，如業(yè)渝光等(1998)曾用電子自旋共振(ESR)方法確定塔里木盆地庫車河燒變巖形成年齡為3.26 Ma和2.37 Ma；Novikov和Sokol(2007)利用Ar-Ar同位素測年方法確定中亞地區(qū)(含天山北緣)燃燒變質事件年代集中于1.2±0.4 Ma和0.2±0.3 Ma；黃雷(2008)根據(jù)裂變徑跡測試推測鄂爾多斯盆地東北部燒變巖的形成時間為晚白堊世末期至第四紀，且具階段性燒變的特征；孫家齊等(2001)以K-Ar 同位素測試的烏魯木齊煤田自燃燒變巖年齡為0.158～0.164 Ma。筆者近年來用鋯石鈾—釷/氦及磷灰石裂變徑跡方法獲得了伊犁、準噶爾及鄂爾多斯等盆地邊緣部分燒變巖年齡，顯示中國北方煤層自燃可能存在5.0 Ma±、1.5 Ma±及0.5 Ma±的燃燒峰值。根據(jù)目前較為有限的年齡數(shù)據(jù)分析，中國燒變巖顯示出時間跨度大、以上新世和更新世為主的特點，不同地區(qū)的燒變巖形成時代有差異。

2 燒變巖顏色、分類及結構構造

除了在中國北方、特別是西北地區(qū)分布外，燒變巖在中亞地區(qū)和北美地區(qū)也廣泛分布，并被廣泛研究。全球燒變巖的分類、顏色、礦物組成、結構構造是大致相同的。本次研究涉及燒變巖的總體特征，并指出中國燒變巖的特點及最新研究進展。

2.1 顏色

燒變巖最顯著的巖石學特征是其獨特的、較鮮艷的顏色(圖 2，圖 3)，氣候干旱區(qū)或燃燒時代較近的燒變巖，其所受風化作用弱，顏色更為鮮艷。相對低溫條件下形成的烘烤巖，其典型的變化是高嶺石填隙物所致的白色砂巖或灰白色粉砂巖(圖 3-F)，而燒烤巖通常呈現(xiàn)磚紅色或赭紅色(圖 3-A，3-E)，燒熔巖則通常呈現(xiàn)棕色、鋼灰色或灰黑色(圖 3-D，3-G，3-H)。燒烤巖的紅色主要是由煤燃燒過程中鐵的氧化所致，在蝕變過程中發(fā)生赤鐵礦侵染(Vassilev and Vassileva，1996;Evans and Heller，2003;Heffern and Coates，2004;Surez-Ruiz and Crelling，2008)。煤層的燃燒過程中，煤層及原巖中的黃鐵礦和菱鐵礦轉變?yōu)槌噼F礦、磁赤鐵礦與磁鐵礦(Evans and Heller，2003；Surez-Ruiz and Crelling，2008)，而赤鐵礦的紅色和磁鐵礦的黑色主導了露頭的顏色。此外，由于熱變質程度的不同，紅色的深淺亦不同(Grapes，2010)，覆蓋在燃燒的煤層上的原巖由于鐵的氧化作用，巖石的顏色也逐漸從黃色變?yōu)楦鼜娏业某壬图t色。在還原條件下，煤熱解形成的CO和H2等氣體，往往會導致氧化鐵在燒熔巖中還原為磁鐵礦(Heffernetal.， 2007)。由于磁鐵礦的存在，燒熔巖主要表現(xiàn)為灰色或黑色。煤層在地腹的陰燃，氧氣供給不充分時亦可導致灰綠、藍灰色燒變巖。

A—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，煤灰之上為褐紅色燒烤巖；B—鄂爾多斯盆地東北部神木孫家溝岔，白色煤灰及之上的紅色燒烤巖(厚度薄)、褐色燒烤巖；C—伊犁盆地南緣蘇阿蘇溝，大套燒熔巖及煤灰之下發(fā)育黑色燒烤巖；D—準噶爾盆地南緣硫磺溝，鋼灰色、褐黃色燒熔巖具角礫狀構造；E—準噶爾盆地東部火燒山，褐紅色燒烤巖普遍發(fā)育；F—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，紅色燒烤巖與白色烘烤巖共生；G—準噶爾盆地南緣五工梁，雜色角礫巖；H—鄂爾多斯盆地東北部榆林荒草界，鋼灰色、褐色燒熔巖圖 3 中國北方發(fā)育于侏羅系的燒變巖類型及顏色Fig.3 Type and color of burnt rocks developed in the Jurassic in northern China

2.2 分類

自燃煤層的燃燒產物是煤灰，其顏色一般為灰色或灰白色，質地疏松，輕壓即碎，具有滑感，厚度通常為1～20 cm(圖 3-A，3-B)，煤灰的成分以玻璃為主，含有少量莫來石、尖晶石、硫酸鹽和其他礦物(Howeretal.， 2017；陳彬，2021)。而燒變巖是煤層自燃過程中高溫烘烤導致圍巖高溫變質而形成的一種特殊的變質巖(Heffern and Coates，2004;Stracheretal.， 2015)。根據(jù)其特征及受熱溫度，有研究者將燒變巖劃分為燒熔巖和燒烤巖(Bentoretal.， 1981；Coscaetal.， 1989；管海晏等，1998；黃雷，2008)，或更進一步劃分為燒熔巖、燒烤巖和烘烤巖(Kuenzer and Stracher，2012；時志強等，2016；陳彬，2021)。這3種類型的燒變巖在中國北方都有廣泛分布，通常是根據(jù)垂向上距離燃燒中心的遠近，由近及遠依次為燒熔巖、燒烤巖和烘烤巖，在燃燒煤層的下部通常發(fā)育燒烤巖。自燃煤層的厚度制約著上覆燒變巖的厚度及燒變程度，對于自燃的薄煤層，上覆巖層可只有較薄的燒烤巖(圖 3-B)，而厚煤層的燃燒可造就厚度達數(shù)十米的巨厚燒變巖，其中燒熔巖及燒烤巖極為普遍(圖 2-B，2-C；圖 3-E)。

2.2.1 烘烤巖

常表現(xiàn)為受到低溫烘烤，熱變質程度最低，其形成在距離煤層燃燒中心最遠或煤層陰燃處。相比正常沉積巖，其顏色略微發(fā)生改變，結構和構造未發(fā)生改變，裂隙相對增加，與正常圍巖過渡(張渝等，2016；Chenetal.， 2020)。在中國北方燒變巖分布區(qū)常見白色砂巖，毗鄰紅色燒變巖(圖 3-F)，為煤層自燃過程中形成的表生低溫熱液改造所致(Chenetal.， 2020)，被認為是低溫烘烤巖的一種類型(時志強等，2016；陳彬，2021)。在顯微鏡下，鄂爾多斯、伊犁等盆地邊緣所見褐色、白色烘烤巖顆粒與原巖相比變化不大，填隙物中可見鐵質礦物(圖 4-A)，白色烘烤砂巖中填隙物主要為高嶺石(圖 4-B，4-C)，可見表生熱液(時志強等，2016)蒸騰巖石所生成的氣體通道(圖 4-B; Chenetal.， 2020)。

A—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤砂巖中見鐵質填隙物，局部呈浸染狀; B—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤砂巖中見水汽通道產生的孔洞(Chen et al.， 2020)；C—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤砂巖中見豐富的高嶺石填隙物；D—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，紅色燒烤巖中見大量被方解石充填的裂縫；E—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，褐色燒烤巖中發(fā)育高溫黏土礦物；F—鄂爾多斯盆地東北部高頭窯，紅色燒烤巖中堿性長石呈現(xiàn)燒熔特征；G—準噶爾盆地南緣五工梁，灰白色燒烤巖中發(fā)育被方解石充填的裂縫；H—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，雜色燒熔巖中可見黏土質填隙物呈熔融微球狀；I—伊犁盆地南緣蒙其古爾，鋼灰色燒熔巖呈現(xiàn)的物質熔融特征，裂縫發(fā)育圖 4 中國北方燒變巖微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of burnt rocks in northern China

2.2.2 燒烤巖

當受熱變質程度較低時一般為淺紅色、紅褐色或磚紅色(圖 3-A)，硬度略有增大，巖石層理清晰，結構和構造未改變，基本上保留了原始砂巖或泥巖的層理特征(圖 4-G)，常見保留結構清晰的植物痕跡(Novikovetal.， 2008；?eketal.， 2010)。其顯微特征以浸染狀或廣泛分布的褐鐵礦等三價鐵礦物填隙物為主要特征(Shietal.， 2020)。而當變質程度加劇，原巖發(fā)生輕微的塑性變形，但未完全發(fā)生熔融(Fediuk，1987;Kuenzer and Stracher，2012)。其最為顯著的特征是巖石多呈現(xiàn)不同色調的鮮艷紅色(圖 3-E)，結構和構造有改變，僅部分保留了原巖的特征(圖 4-D，4-E，4-F)，質地較為堅硬，主要呈現(xiàn)片狀或板狀構造，隨著燒變溫度的升高，燒烤巖會變硬變脆(陳彬，2021)，從而致使裂隙發(fā)育(圖 4-D，4-G)，局部已有熔融跡象(圖 4-F)。其在中國北方燒變巖區(qū)最為常見(圖 3-C;
圖 4-E)，原巖為泥質巖的燒烤巖中常發(fā)育微柱狀節(jié)理、瓷化結構等。

2.2.3 燒熔巖

是原巖因煤的燃燒而高溫熔化后快速冷凝形成的一種變質巖。主要呈現(xiàn)黑色、鋼灰色或暗紅色，具有明顯的玻璃質流動構造和迅速冷凝的外觀，具有金屬光澤(Grapesetal.， 2011)。在鄂爾多斯、準噶爾、伊犁等盆地的多個地區(qū)，可見燒熔巖表面光滑，具有水滴狀下垂體。其較高的變質溫度可使巖石呈熔融結構、爐渣狀、角礫狀、蜂窩狀(圖 3-D，3-G，3-H)。顯微鏡下可見熔融特征(圖 4-H，4-I)。

2.3 典型礦物

燒變巖礦物學特征取決于原巖的組分和燃燒變質強度。利用薄片觀察和X射線衍射分析(XRD)，可對不同燒變巖中的礦物進行觀察和定量測定(陳彬，2021)。烘烤巖和燒烤巖保存了原巖(沉積巖)的成分和礦物，新生成的礦物主要是赤鐵礦、磁鐵礦、高嶺石等，其使得燒烤巖及烘烤巖發(fā)紅或變白。燒烤巖和燒熔巖中主要的礦物包括石英、長石、鱗石英、方石英、堇青石、鐵堇青石、莫來石、赤鐵礦和磁鐵礦等，其中鱗石英、方石英、堇青石、鐵堇青石、莫來石是由燃燒過程中高溫變質反應的產物(Saxby，2000;Baboolaletal.， 2018)。不同變質程度的燒變巖具有的高溫礦物組合不同，因此，利用燒變巖中存在不同的礦物組合，可以明確燒變巖形成的最高溫度(陳彬，2021)。

2.4 燒變巖的結構與構造

2.4.1 瓷化結構

原巖為泥巖的燒烤巖可呈瓷化結構，其形成過程與瓷器的形成類似，為經(jīng)高溫變質作用下泥質巖黏土成分變硬變脆所致(Cosca，1989；管海晏等，1998；黃雷，2008)。具瓷化結構的燒變巖為燒烤巖，其外觀似陶片，易碎裂，顏色可呈灰白、土黃及淡褐色(陳彬，2021)。盡管該類燒變巖被諸多文獻廣泛提及，但在中國的燒變巖區(qū)罕見，筆者僅在鄂爾多斯盆地東北部的神木白柳兔剖面見具瓷化結構的燒烤巖(圖 5-A)。

2.4.2 白化結構

在中國北方燒變巖發(fā)育地區(qū)，?？梢姲咨皫r與紅色燒烤巖共生(圖 5-B)，白色砂巖為一種特殊的烘烤巖(時志強等，2016；Chenetal.， 2020)。這種巖石中偶見圓柱狀氣體逸出通道(圖 4-B)，顯示其成因和煤層自燃有關。X射線衍射分析顯示白色砂巖的黏土礦物中高嶺石占主導地位，占總黏土礦物重量的70%～80%，長石顆粒常被高嶺石交代(陳彬，2021)。

2.4.3 燒熔結構

常發(fā)育于燒熔巖中。在煤層自燃過程中，高溫烘烤熔融圍巖，形成的熔巖發(fā)生一定的流動，冷凝后，在燒熔巖中形成的各種次一級的似玄武巖熔巖形態(tài)的構造，如熔巖表殼構造和熔巖空洞構造等(Grapesetal.， 2009，2011)。該現(xiàn)象在中國燒變巖中廣泛發(fā)育，主要產于燒變巖厚度較大(即厚煤層劇烈自燃過)的地區(qū)(如圖 5-F)。具燒熔構造的燒熔巖其表面較為平坦和光滑，具玻璃狀表皮，在燒熔巖空洞中，可見水滴狀的下垂體，為殘留在洞壁的液態(tài)熔巖在重力作用下形成(陳彬，2021)。

2.4.4 殘余構造

原巖在熱變質作用過程中，由于重結晶、玻璃化、變質結晶作用不完全，原巖(一般為沉積巖)的構造特征被部分保留下來，其主要保存于烘烤巖和低溫燒烤巖中(Zhangetal.， 2020)。在鄂爾多斯盆地、伊犁盆地等均可見紅、褐色侏羅系含煤地層中(顯示為燒烤巖)的植物化石痕跡(圖 5-C)。在原巖為砂巖的低溫燒烤巖中，亦常見平行層理(圖 5-D)、交錯層理、沙紋層理等沉積構造的殘余。

2.4.5 氣孔構造

氣孔構造(圖 5-E)是燒變巖中常見的一種構造，為巖石中可燃或揮發(fā)性物質被燃燒或揮發(fā)后、巖石內或表面產生的圓形或橢圓形氣孔空洞(陳彬，2021)。主要發(fā)育在燒熔巖中，以燒變爐渣狀燒熔巖中的氣孔構造最為發(fā)育，在中國北方廣泛可見。此外，在燒烤巖中也存在氣孔構造，通常被認為是煤層自燃產生的高溫在大氣壓力下導致燃燒煤層之上的沉積物膨所引起；在燒熔巖中，當溫度達到1050～1100 ℃以上，熔體會形成脫氣通道，具有囊泡狀外觀(陳彬，2021)。

A—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，具瓷化結構的燒烤巖；B—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤巖與紅色燒烤巖共生；C—伊犁盆地南緣烏庫爾奇，紅色燒烤巖中的植物化石痕跡；D—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，紅色燒烤巖中見層理構造；E—鄂爾多斯盆地東北部高頭窯，具氣孔構造的燒熔角礫巖；F—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，燒熔巖；G—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，紅色燒烤巖中的柱狀節(jié)理；H—準噶爾盆地東緣火燒山，紅色燒烤巖中的柱狀節(jié)理；I—伊犁盆地南緣蒙其古爾，燒熔角礫巖圖 5 中國北方燒變巖結構與構造Fig.5 Structures and textures of burnt rocks in northern China

2.4.6 微柱狀節(jié)理構造

火山巖、如玄武巖常具柱狀節(jié)理。而燒變巖中的柱狀節(jié)理(圖 5-G，5-H)發(fā)育在原巖為泥巖的燒烤巖中，單個柱狀體長為5～20 cm，直徑為5～10 mm，橫截面多為四邊形或五邊形，少見六邊形(圖 5-G，5-H)，筆者稱之為微柱狀節(jié)理。其常表現(xiàn)為一端粗而另一端收縮變細的特點，有時群體常呈錐形體(陳彬，2021)。微柱狀節(jié)理的形成與加熱和冷卻有關(Grapes，2010)，此外有機物氧化過程中質量和體積損失，以及重結晶過程中結構和孔隙的變化同樣是棱形柱狀體形成的因素(Weinberger and Burg，2019)。

2.4.7 角礫狀構造

在較高溫度下，巖石熔融會造成體積收縮，此外煤層燒空區(qū)也存在垮塌現(xiàn)象，這都會造成燒變巖裂隙及孔洞發(fā)育，部分巖層紊亂，支離破碎，燒變巖和圍巖垮塌破碎成角礫狀，形成角礫狀構造，角礫被熔體膠結在一起，即形成燒變角礫巖(Peacor and Clark，1992;Heffernetal.， 2007)。這類角礫巖在中國廣泛可見，主要發(fā)育在厚煤層自燃形成的燒變巖區(qū)(圖 3-D，3-H;圖 5-E，5-I)。燒變角礫巖的礫石一般為燒變巖碎片，其顏色通常為淺紅色和紅色，膠結物為鐵質熔融體(陳彬，2021)。

2.4.8 垮塌構造

A—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，地腹煤層自燃引起的垮塌造成地面裂縫發(fā)育；B—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，燒烤巖中發(fā)育逆斷層；C—噶爾盆地東緣火燒山，紅色燒烤巖裂隙中發(fā)育石膏；D—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，紅色燒烤巖中見方解石充填裂隙；E—鄂爾多斯盆地東北部神木孫家塔，紅色燒烤巖中見方解石充填裂隙；F—準噶爾盆地南緣五工梁，紅色燒烤巖中的裂隙被方解石充填圖 6 中國北方燒變巖區(qū)的垮塌構造及裂縫充填特征Fig.6 Characteristics of collapse structure and fissure filling minerals of burnt rocks in northern China

在煤層自燃過程里，由早期裂縫連通的地腹煤層的燃燒作用可致使基巖表面進一步破裂及地表基巖沉降，形成裂隙、小型漏斗塌陷和噴口等(Heffernetal.， 2007;Kuenzer and Stracher，2012)，更多的裂隙可使氧氣供給更為暢通，進一步促進煤層自燃。裂隙不僅是地下煤層自燃通風的主要輸入途徑，同時它們也是排放氣體的途徑，很大程度上它們向一個方向延伸，形成狹窄的線性結構(Kuenzer and Stracher，2012)，其在中國燒變巖區(qū)廣泛可見(圖 6-A)。由于煤層體積的損失不足以支撐上覆地層，進一步的燃燒可致地面形成漏斗狀塌陷，表現(xiàn)為小型正斷層(陳彬，2021)。但在鄂爾多斯盆地亦見逆斷層(圖 6-B)，鑒于其200～300 m外有燒變巖垮塌現(xiàn)象，推測逆斷層為劇烈的垮塌引起附近地層的上沖而形成。

2.4.9 裂縫充填

燒變巖中常見方解石、石膏等礦物充填裂縫，這在前人文獻中提及較少。煤層燃燒使得煤層及圍巖體積縮減，地腹煤層的燃燒可引起地面垮塌，這都使得燒變巖中發(fā)育各種類型的裂縫，在大氣降水作用下易發(fā)生方解石的沉淀(圖 6-D，6-E，6-F)。據(jù)筆者最近對于準噶爾盆地南緣(五工梁剖面)及鄂爾多斯盆地東北部(白柳兔剖面)的研究，方解石鈾—鉛測年顯示其形成晚于煤層自燃時代(鋯石鈾—釷/氦年齡)，團簇同位素測試結果也顯示其形成溫度多與煤層自燃無關，方解石是燒變巖形成后沉淀的。在新疆準噶爾盆地及吐哈盆地，干旱的氣候也可致使石膏沉淀于燒變巖孔洞及裂縫中(圖 6-C)。

3 燒變巖的地質意義探討

由于研究資料相對匱乏，目前對中國燒變巖發(fā)生的原因、分布規(guī)律、規(guī)模與期次還需要深入研究，其地質意義還遠未揭示，其中加強燒變巖年代學研究尤其重要。此外，中新世、特別是上新世以來，中國西部、北部地區(qū)構造活動強烈，同時干旱古氣候加劇(施雅風等，1999；Anetal.， 2001；劉曉東等，2001；方小敏等，2007，2008)，燒變巖的形成也主要集中于這一時期。燒變巖與古構造、古地貌、古氣候的關系在中亞地區(qū)、北美地區(qū)被俄羅斯、美國學者提及較多，但在國內的研究亟待加強。除了各種礦產及地貌景觀等方面的地質意義，燒變巖還蘊含著潛在地質意義。

3.1 燒變巖的古構造、古地貌及古氣候意義

干旱—半干旱氣候被認為是煤層自燃的有利條件之一(Guoetal.， 2008；黃雷，2008；Westaway，2009；時志強等，2016)，因此地質歷史時期形成的燒變巖可在一定程度上反映同時代偏干旱的古氣候條件。此外，構造運動可使造山帶前緣或盆地邊緣的煤層暴露于地表而易于引發(fā)煤層燃燒(Beamish，2005;Kusetal.， 2007)，有國外研究者將燒變巖形成時間近似當成煤層暴露時間用以研究構造運動對古地貌的控制(如Heffern and Coates，2004；Heffernetal.， 2007；Kuenzer and Stracher，2012)。在中國西北及北方地區(qū)，青藏高原、天山及太行山等在新生代急劇隆升，且青藏高原的隆升深刻影響著亞洲內陸干旱化過程及東亞季風系統(tǒng)變遷(Manabe and Broccoli，1990；Kutzbachetal.， 1993；Anetal.， 2001)，使得中新世以來內陸階段性干旱氣候加劇、季風系統(tǒng)加強(劉曉東等，2001；安芷生等，2015)。近年來的研究顯示，新生代構造運動造就的山脈隆升及其相關的古地貌變化促進了中國西北地區(qū)煤層在地質歷史時期的大規(guī)模自燃(Novikov and Sokol，2007；陳彬，2021)。鄂爾多斯東北部燒變巖的形成年齡與河流發(fā)生強烈侵蝕時間具有較好的一致性，燒變巖的形成受控于該地區(qū)河流侵蝕作用(陳彬，2021)。但煤層自燃及燒變巖形成與青藏高原隆升相關的亞洲內陸階段性干旱氣候是否耦合，還需要更多的年代學數(shù)據(jù)支撐。

3.2 燒變巖形成時代的地質意義

燒變巖的形成時代(即煤層自燃的時代)是提取燒變巖蘊含各種地質信息最為關鍵的線索，其潛在的地質意義主要反映在以下各個方面。

3.2.1 煤層自燃是否可提供現(xiàn)代化石燃料導致氣候變化的古代范本？

工業(yè)革命以來，人類大量使用化石燃料從而導致氣候變化已幾近成為共識，但地質歷史時期的煤層自燃可否成為現(xiàn)代社會可資借鑒的古代研究范本？盡管煤層自燃釋放大量二氧化碳有被文獻提及(Rosemaetal.， 1995;Kuenzeretal.， 2007；Eliseevetal.， 2014;Oliveiraetal.， 2019)，但其規(guī)模是否達到影響全球氣候還未有定論。筆者的計算顯示鄂爾多斯盆地東北部區(qū)域性分布的所有燒變巖(國內分布面積最大的燒變巖)反映的煤層同時燃燒釋放的CO2質量，只大致相當于現(xiàn)代社會一年化石燃料燃燒釋放的CO2(另文討論)，由此看單一地區(qū)煤層自燃釋放的CO2，可能還難以影響全球氣候，但其對地區(qū)性氣候變化的影響還未有研究涉及。而已有研究顯示煤層自燃通常是多期的，延續(xù)時間較長。只有地質歷史時期等時性的大規(guī)模煤層燃燒，才能提供現(xiàn)代世界化石燃料大量燃燒導致氣候變化的古代范例，因此對大體積、大范圍燒變巖形成時代的研究顯得尤為重要。

3.2.2 煤層自燃是否影響了海相、陸相沉積中的黑碳含量？

古代海洋、湖泊或黃土沉積中的黑碳(燃燒碳、碳黑)常被用來重建火災事件和陸地植被演化歷史(如Wolbachetal.， 1988；Zhouetal.，2014；宋建中等，2015)，也曾用于示蹤大氣CO2及O2濃度(Wildmanetal.， 2004；Belcher and Mcelwain，2008)，或反映古氣候和古環(huán)境的變化(Verardo and Ruddiman，1996；穆燕等，2011；祝孟博等，2017)。作為黑碳的主要來源之一，地質歷史時期煤的燃燒不可忽視，因為煤炭被引燃后就會有細顆粒黑碳(Corbinetal.， 2013;Bertòetetal.， 2021)，目前國內外關于煤炭燃燒引起黑碳含量增加的研究多集中于現(xiàn)代，對于地質歷史時期的研究還近乎空白。鑒于煤炭的燃料特性優(yōu)于樹木，推測燃燒過程里會有固體燃料—氣體產物—冷凝固體產物的變化過程，其冷凝的固體產物直徑一般為2 μm左右，進入大氣后以氣溶膠為載體(張華等，2008)，可運輸至很遠的距離。在以往的研究中，煤層自燃對于古火災事件的影響認識模糊或被忽視。晚上新世以來，中國近海及黃土沉積中黑碳含量顯著增加(Jiaetal.， 2003；Zhouetal.， 2014)，其是否與這一時期煤層大規(guī)模燃燒相對應，值得深入研究。

4 研究展望

作為煤層自燃的產物，燒變巖在中國廣泛分布于以昆侖山—秦嶺—大別山為界的中國北方，但其通常只被煤田地質工作者重視，已有的研究零星而不系統(tǒng)，僅在新疆、鄂爾多斯等地區(qū)見相關研究，且總體研究程度較低。相比較而言，國外研究者對于燒變巖的宏觀和微觀特征、形成過程及形成時代等方面進行了較為系統(tǒng)的研究(如Grapesetal.，2009;Baboolaletal.，2018;Sokoletal.， 2018)。筆者近年來實地考察了國內多個沉積盆地邊緣的燒變巖露頭剖面，野外考察及結合前人研究顯示，燒變巖的分布范圍廣、層位多，有煤層暴露的地方多發(fā)育燒變巖。但總體上國內對于燒變巖形成時代、控制因素及古構造、古氣候、古地貌、古野火研究的意義都認識模糊，研究亟待加強。對燒變巖特征及年代學的研究，有利于深入探討煤層自燃時代，理清燒變巖的形成過程及控制因素，進而反映古煤層自燃發(fā)生時期的構造運動、河流侵蝕、古氣候、古地理、古地貌等地質信息，為研究中國西北地區(qū)構造運動、古氣候變化、古環(huán)境變遷、古野火分布等提供一種全新的研究思路。

致謝參加野外工作的還有成都理工大學段雄、杜怡星、王小端、葛禹、王艷艷和中國科學技術大學時潛等。感謝成都理工大學馮明石在掃描電鏡等樣品測試方面的幫助。感謝評審專家的意見和建議!