李煥同，張衛(wèi)國，王 楠，潘彥寧，陳應濤

(1.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤層夾矸是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量低、比煤堅硬的黑灰色砂、泥質巖石，呈透鏡體狀、似層狀或層狀，使煤層結構復雜化及灰分增高，會給工業(yè)開采帶來一定困難，通常用作發(fā)電、制造建筑材料、陶瓷、耐火材料或直接井下充填等。一定范圍內穩(wěn)定展布的煤層夾矸層可作為可靠的標志層幫助煤層對比，為恢復聚煤期古地理、沉積特征提供依據，并且之中的黏土礦物在成巖過程中對低溫低壓敏感，其成分、結構、形態(tài)、共存礦物等標型特征可反映成煤期后的變形環(huán)境，如利用伊利石結晶度、多型等[1-4]定性或半定量的地質溫度計估算溫度值，利用伊利石b0值分析變形環(huán)境中的壓力條件；黏土礦物隨著溫、壓力等環(huán)境的轉變如同煤中有機質結構的演化一樣是不可逆轉的[5]，因此其特征可作為指示有機質成熟度的重要標志。煤同樣對成煤期后的物理化學條件的變化特別敏感[6-9]，其有機質結構演化受溫度、變質壓力(尤其是剪應力)、變質持續(xù)時間、礦物質催化、流體成分和成煤原始物質等的綜合影響[7,10-11]，趨勢是增碳、脫氫氧、結構有序化程度逐漸提高[12]。不同變質溫度條件下，有機質或炭質物具有不同的拉曼光譜吸收譜帶，利用該技術檢測炭質物的結晶度，并利用炭質物拉曼光譜溫度計[13]反演不同變質類型煤的形成溫度。

有機質的演化路徑受溫度、壓力、流體及礦物催化等多種因素影響，尤其是溫度和壓力為最重要的因素。然而，不同地區(qū)的構造-熱作用具有差異性，以致在對比有機質演化不同控制因素的貢獻程度時存在一定難度，但是某一地區(qū)特定背景下有機質演化的控制因素(如溫度、壓力)可經過多方面證據逐一核實。因此，筆者研究了雪峰山構造帶東緣寒婆坳礦區(qū)下古生界測水煤層夾矸顯微構造特征、黏土礦物伊利石結晶度、煤中鏡質體反射率及激光拉曼光譜地質溫度計，探討了巖漿熱變質作用下煤層夾矸中礦物反映的溫壓環(huán)境的地質意義，研究天龍山巖體侵入引起煤系變質作用強度和規(guī)律，為本地區(qū)高煤級煤分級分質利用、煤炭由燃料向工業(yè)原料轉變提供支持。

1 樣品來源與測試

樣品采自湖南寒婆坳礦區(qū)稠木煤礦、勝利煤礦、稗沖煤礦和石巷里煤礦3、5號煤層及夾矸(編號為g-CM、g-SL、g-BC、g-SXL3、g-SXL5)，均為井下采樣，采集后及時裝入塑料樣袋中封存，避免污染。煤樣依據GB/T 212—2008、GB/T 31391—2015和GB/T 6948—2008分別進行工業(yè)分析、元素分析、鏡質體反射率測定。

利用偏光顯微鏡進行了顯微構造現象的觀測與拍照；煤層夾矸樣品在室內自然溫度下經空氣干燥，然后選擇適量樣品粉碎過篩至200目(0.074 mm)以下，同時與脫礦煤粉樣品，分別采用MSAL - XD2X射線衍射儀獲取相應譜圖，測試條件為Cu靶，K輻射，管流30 mA，發(fā)散狹縫1 mm，接收狹縫0.30 mm，步進式掃描，步寬0.02°，掃描速度2(°)/min，掃描范圍為5°～70° 。采用LabRam HR Evolution型光譜儀對脫礦煤粉進行Raman測試，Ar+激發(fā)，激光波長532 nm，掃描范圍400～4 000 cm-1，由于煤的非均質性，每次測試都在煤粉樣的6個不同位置進行。

2 結果與討論

2.1 巖石礦物學特征

2.1.1 巖石學特征

寒婆坳礦區(qū)測水組煤層中夾矸的主要巖石類型為泥巖、炭質泥巖(圖1a、圖1b)和砂質泥巖(圖1c、圖1d)，顏色為黑灰色，薄-中厚層狀，致密硬實，層理較發(fā)育，層面上含稀疏植物化石碎屑。在花崗巖體侵入的熱變質作用和定向應力影響下，隨著向巖體接近，在強應變下巖石中礦物旋轉定向(圖1a、圖1c)；重結晶過程未達到充分平衡時，僅部分礦物重結晶，形成紅柱石(空晶石)(圖1b)，殘留炭質包裹體呈帶狀或面狀分布，熱峰后退變質表現為紅柱石絹云母化；高溫環(huán)境中，石英晶粒不規(guī)則邊界會逐漸變直，顆粒粒徑增大，靜態(tài)恢復重結晶使石英顆粒呈現六邊形鑲嵌結構(圖1d 左上)；同時，靠近巖體的煤層轉變成無煙煤-半石墨，直至隱晶質石墨。煤系中泥質類巖石形成紅柱石(空晶石)等各類角巖，所需的溫、壓條件中，較主要的還是較高的受熱條件。

圖1 煤層夾矸顯微鏡下典型照片(正交偏光)

2.1.2 礦物學特征

天龍山巖體侵位引起煤系強烈變形、變質，同時使其圍巖發(fā)生熱變質作用，形成綠泥石帶、紅柱石(空晶石)帶等不同程度的變質帶，煤層夾矸中主要礦物成分為黏土礦物(伊利石)、石英及炭質，另外還有少量電氣石、白云石和菱鐵礦等(表1，圖2)；黏土礦物以伊利石(白云母)、綠泥石、葉蠟石為主，含有少量綠泥石、云母、高嶺石。根據黏土礦物和脆性礦物的含量將煤層夾矸劃分為泥(頁)巖(石英質量分數<25%)、砂質泥(頁)巖(石英質量分數一般為35%～75%)，變質作用開始后變?yōu)榘鍘r和千枚巖，如變形巖石中石英常表現為剛性(圖1a)，黏土礦物和炭質作為塑性基質常通過粒間滑移構成條帶狀構造(圖1c)，石英顆粒波狀消光、變形紋、剪裂紋等較發(fā)育(圖1d)，反映一定程度上構造應力使巖石內部物質結構發(fā)生調整，變形環(huán)境總體上屬于低溫低壓的脆性-韌脆性構造域。

表1 煤層夾矸中礦物含量特征

伊利石是一種含鉀、硅和鋁的含羥基層狀結構硅酸鹽礦物，通常與白云母相似，大多數是2∶1型結構單元層的二八面體類型，并已被證實有2M1、1M、1Md和3T等多型，化學結構式為KAl2[(Si，Al)4O10]·(OH)2·nH2O。X射線衍射圖中(圖2a)，伊利石d001=9.98～10.19×10-1nm，其他衍射峰也很明顯。在沉積盆地或淺變質巖區(qū)，伊利石可為物源區(qū)原生沉積，或由蒙脫石、高嶺石在富鉀、堿性條件下轉變而成[5,14]，伊利石結晶程度取決于伊利石形成的古溫度、壓力、化學環(huán)境及生長時間等，但溫度起決定性作用。而且隨埋藏深度或者古地溫增加，伊利石(001)峰峰形變窄、趨于對稱，不規(guī)則肩峰(γ峰)則逐漸收縮(圖2b,圖2c)，反映無序度減小，而研究區(qū)伊利石結晶度均小于0.25 °△2θ，屬于低級變質帶，靠近巖體的石巷里煤層夾矸中伊利石結晶度最好，KI=0.090 9°△2θ(表2)。

葉蠟石一種結晶結構為2∶1型的層狀含羥基鋁硅酸鹽礦物，晶體有2M、1T等多型變體，理想結構式為Al2Si4O10(OH)2。X射線衍射圖中(圖2a)，煤層夾矸中葉蠟石的d001=9.21～9.23×10-1nm。通常煤系中葉蠟石出現與低級變質作用有關，葉蠟石的形成溫度(300 ℃)高于伊利石，在華北石炭二疊紀煤系的太原西山、豫西及北京門頭溝等均有報道[14-16]。葉蠟石的形成原因與熱液交代作用、受熱接觸變質作用或動力變質作用相關[15]，但是寒婆坳礦區(qū)煤層中未見巖漿侵入，從而排除熱液交代作用，同時煤層夾矸中發(fā)現紅柱石(空晶石)等熱接觸變質礦物，由此認為葉蠟石形成與受熱接觸變質密切相關，是硅鋁酸鹽礦物在溫度壓力增高的硅化脫水而成。

圖2 寒婆坳礦區(qū)煤層夾矸XRD譜圖

2.2 煤層夾矸中伊利石結晶度、多型、b0的地質意義

伊利石結晶度研究包括晶體結構的完整程度，以及結構中原子或離子在三度空間上的延展和有序性，一些學者利用伊利石結晶度與其形成溫度之間的關系提出了成巖-極低級變質作用的劃分方案[2,17]：即晚期成巖帶(高級成巖帶)的伊利石結晶度為1.0°～0.42°△2θ，溫度上限200 ℃；低級近變質帶(極低級變質帶Ⅰ)的伊利石結晶度在0.42°～0.30°△2θ；高級近變質帶(極低級變質帶Ⅱ)的伊利石結晶度變化于0.30°～0.25°△2θ，溫度上限300～350 ℃；淺變質帶的伊利石結晶度<0.25°△2θ，溫度下限350 ℃。由表2可知，伊利石結晶度變化于0.140 6°～0.090 9°△2θ之間，平均值0.119 5°△2θ，石巷里煤礦煤層夾矸變形相對強烈，反映熱變質對伊利石結晶度的較大影響，其伊利石結晶度為0.090 9°△2θ。按照成巖-極低級變質作用的劃分方案[2,17]，表明研究區(qū)變質溫度高于350 ℃，早古生代測水組煤系屬于低級變質帶，伊利石結晶度依次升高：g-CM→g-SL→g-BC→g-SXL3→g-SXL5。

表2 寒婆坳礦區(qū)煤層夾矸伊利石(白云母)XRD參數

伊利石(白云母)多型是結構單元層的疊置方式不同而形成的變體，每一種多型成分相同，晶體結構有差異。2M1型伊利石，在d006=3.36×10-1nm衍射峰兩側，還有3.88、3.65、3.10、2.86和2.57×10-1nm等7條清晰的衍射峰，而1M型伊利石，在d003=3.33×10-1nm衍射峰兩側只有對稱的3.62和3.08×10-1nm兩個衍射峰。伊利石(白云母)多型與形成時的古溫度、壓力等因素密切相關。伊利石(白云母)1Md多型，經常出現在晚期成巖帶，形成溫度一般小于200 ℃[17]；2M1多型，多為極低級變質作用的產物，形成溫度一般大于200 ℃，寒坡坳礦區(qū)煤層夾石中伊利石(白云母)多型均為2M1多型，堆垛高度Lc為566.89～876.83×10-1nm，平均層數N為56.62～88.86，反映形成時的古溫度相對較高，在200 ℃以上，屬于近變質帶-淺變質帶的產物，這同伊利石結晶度的研究結果一致。

伊利石(白云母)可以作為一種應力礦物應用在成巖-極低變質作用研究中，其單位晶胞結構參數b0值作為巖體形成應力的函數[1,4]。根據伊利石(白云母)b0值的大小[1]，將應力劃分成3個系列：b0<9.000 0×10-1nm，為低壓相；9.000 0×10-1nm9.040 0×10-1nm，屬中壓相；b0>9.040 0×10-1nm，是高壓相。研究區(qū)伊利石(白云母)b0值分布于8.883 6～9.030 5×10-1nm，平均值9.019×10-1nm，表明區(qū)內早古生代地層的變質壓力屬于低-中壓的環(huán)境，而且僅有g-SXL5樣品b0值偏高，其余與構造巖組研究顯示區(qū)域上的低壓環(huán)境相一致。

2.3 煤變質程度與煤層夾矸礦物特征的關系

煤樣根據GB/T 5751—2009中國煤炭分類，屬于無煙煤二號，其鏡質體最大反射率(Rmax)變化于5.46%～7.89%(表3)，平均值6.51%，根據ISO 11760:2005 (E) 分類，煤級處于高階無煙煤階段。鏡質組反射率是公認的反映沉積有機質熱演化成熟度的指標，亦是煤化作用階段的劃分和對比的重要指標，由于芳環(huán)結構縮合和締合形成芳香層片密集單元使反射率升高，并保持連續(xù)不可逆的變化，所以可記錄地質歷史時期有機質遭受的變質溫度。一般認為淺變質帶Ro(鏡質組反射率)>4.0 %，溫度大于300～350 ℃[17]，因此可定性地描述鏡質體反射率與古地溫(極低級變質作用)的關系。又如利用鏡質組反射率地質溫度計式lnRo=0.007 8Tmax-1.2，來估算最大的古地溫[18]，由此式，可計算得出研究區(qū)煤層所遭受的變質溫度為373～419 ℃(圖3)，因而形成煤系石墨的溫度應在410 ℃以上。由鏡質組反射率地質溫度計估算的溫度值與伊利石結晶度正相關，同時與其反應的變質溫度一致。

表3 寒婆坳礦區(qū)煤樣綜合測試成果[7-8]

采用研究區(qū)煤樣有機質結構的拉曼光譜參數[7,9]，根據拉曼光譜地質溫度計式T=221Z22-637.1Z2+672.3[3]，其中Z2=D1/(G+D1+D2)area，Z2為中間參數代號，D1，G、D2為拉曼光譜擬合分峰。估算寒婆坳礦區(qū)煤層的變質古地溫為312～480 ℃，其中石巷里煤礦煤層的變質溫度要遠大于利用鏡質組反射率溫度計估算結果，同時PRESSWOOD等[19]利用式InRo=0.007 8Tmax-1.2估算巖漿侵入影響煤樣的變質溫度時，亦發(fā)現由鏡質體反射率溫度計估算值偏低，這種情況在一定程度上也可以理解為在巖體侵位的熱變質作用下形成煤系石墨時，有機質結構的躍變(拉曼參數等)要優(yōu)先于物理參數Rm的變化。綜合研究區(qū)巖石特征、礦物特征、鏡質組反射率和拉曼參數等研究，可推斷煤系石墨的變質溫度應為400～500 ℃或更高(圖3)。

T1—鏡質組反射率地質溫度計；T2—拉曼光譜地質溫度計；Ⅰ—石墨；Ⅱ—半石墨；Ⅲ—超無煙煤；Ⅳ—無煙煤

煤是一種短程有序、長程無序的非晶態(tài)物質，其對應力、應變和溫度的作用敏感，隨著變質程度增高，煤的基本結構單元線度持續(xù)增大，面網間距d002持續(xù)減小，一般采用結構參數d002劃分石墨(d002<0.338 nm)、半石墨(0.338 nm≤d002≤0.340 nm)、超無煙煤(0.340 nm≤d002≤0.344 nm)和無煙煤(d002>0.344 nm)等類型，可見研究區(qū)煤樣(表3)呈現出超無煙煤～隱晶質石墨的分帶[7]，煤系石墨形成的最大溫度在480 ℃左右(圖3)。然而，無煙煤在人工條件下2 000 ℃以上的高溫才能轉化為石墨，遠大于自然條件下煤系石墨的形成溫度，即使在無煙煤樣品加壓熱處理進行時，整個樣品在1 700 ℃才突然轉化為石墨[11]，圖3中在無煙煤階段IV～半石墨II階段隨著結構參數d002減小而變質溫度變化不顯著，所以推斷在較高溫度作用的基礎上，構造應力(擠壓或剪切應力)縮聚機制致使芳香結構向整體秩理化擴展，面網間距快速減小，才是天然條件下煤中有機質大分子結構向石墨這種無機礦物轉變的重要促進因素。再者，根據伊利石(白云母)b0值(低中壓的環(huán)境)判斷研究區(qū)相當于綠片巖相變質帶，估計天然石墨形成的壓力條件在250～400 MPa或更高，顯然強烈的構造應力能明顯加速石墨化進程。

煤中有機質結構變化不僅是溫度的函數，而且還受到熱事件持續(xù)時間、壓力、剪切應力、原始物質類型(煤巖組分)和巖漿熱液成分(水、堿金屬鹵化物)的影響，光學性質變化表現在鏡質組反射率不斷增加，化學結構和成分的變化使芳香稠環(huán)結構面網間距減小、延展度及堆砌度增大。黏土礦物基本結構相似的含水層狀硅酸鹽礦物，對構造物理化學條件同樣敏感，相應其結構也會產生變化，所以本次對d001=10.0×10-1nm 峰進行擬合(圖2)，用(001)峰面積、半高寬與不規(guī)則部分γ峰相比，記為A(001)/A(γ)、FWHM(001)/FWHM(γ)，煤層夾矸中伊利石結晶有序度與煤變質程度(圖4)、結構演化相一致，并能提供溫度、壓力等更有意義的信息。

圖4 煤層夾矸中伊利石(001)峰與γ峰的分峰面積、半高寬比值隨Rmax演化趨勢

3 結 論

1)寒婆坳礦區(qū)測水組煤層夾矸中紅柱石(空晶石)與伊利石、葉蠟石和綠泥石等共生，表現為熱峰后退變質絹云母化，殘留炭質包裹體呈帶狀或面狀分布，伊利石結晶度高，構造巖組分析變形環(huán)境整體為較高受熱條件的低溫低壓的脆性-韌脆性構造域。

2)煤層夾矸中伊利石結晶度分布于0.140 6°～0.090 9°△2θ，多為2M1多型，b0分布于8.883 6～9.030 5×10-1nm，表明研究區(qū)變質溫度高于350 ℃，屬于低級淺變質帶低中壓的環(huán)境，煤系石墨形成的壓力條件在250～400 MPa或更高。

3)鏡質組反射率和拉曼光譜地質溫度計揭示煤系變質溫度為400～500 ℃或更高，與伊利石結晶度等一致；利用伊利石(001)峰面積、半高寬與不規(guī)則部分γ峰的面積和半高寬的比值，伊利石結晶有序度顯示與煤有機結構演化一致的特征。