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淺談煤各變質(zhì)類(lèi)型及變質(zhì)作用
摘要:本文介紹中國煤變質(zhì)的主要類(lèi)型,根據受熱的主要熱源及作用方式和煤質(zhì)特征等,不同的影響因素劃分不同的煤變質(zhì)作用類(lèi)型�？偨Y概括為深成變質(zhì)作用、巖漿熱變質(zhì)作用、動(dòng)力變質(zhì)作用和熱水變質(zhì)作用。闡述了煤變質(zhì)作用的特點(diǎn)。在前人研究的基礎上,筆者就影響煤變質(zhì)的主要因素談?wù)効捶?供討論。
關(guān)鍵詞:煤變質(zhì)作用 變質(zhì)類(lèi)型 影響因素
1. 前言
煤變質(zhì)作用指由褐煤轉變?yōu)闊熋�、無(wú)煙煤、超無(wú)煙煤的物理化學(xué)作用。煤變質(zhì)的范圍是從褐煤到石墨的演變。煤的變質(zhì)研究是預測煤質(zhì)與指導開(kāi)采所需煤種的理論基礎,可以預測煤類(lèi),以適應社會(huì )主義經(jīng)濟建設的需要,還可以從另一個(gè)側面來(lái)探討有關(guān)煤的形成條件、地熱和大地構造等問(wèn)題。煤變質(zhì)問(wèn)題與煤的成因及后生變化關(guān)系密切,具有重大的經(jīng)濟意義和理論意義。研究各類(lèi)變質(zhì)作用所引起的有關(guān)變化特點(diǎn)確定變質(zhì)類(lèi)型,是研究煤級分布規律的重要基礎。
2. 煤的變質(zhì)類(lèi)型劃分
煤變質(zhì)類(lèi)型有很多分類(lèi)方法,現總結如下:
煤的變質(zhì)是溫度、壓力和時(shí)間長(cháng)期作用的結果,其中溫度是煤變質(zhì)的主導因素,在煤的埋藏過(guò)程中,溫度加速化學(xué)煤化作用,而壓力可以促進(jìn)物理結構煤化作用[1]。時(shí)間無(wú)疑是煤變質(zhì)的因素之一,不論溫度或壓力等哪種因素起主導作用,都將隨著(zhù)時(shí)間的變化而增減其作用的強度�？刂泼杭胺稚⒂袡C質(zhì)演化-變質(zhì)作用的熱狀態(tài)總體特征,可用含煤巖系各點(diǎn)古地熱流的大小和方向來(lái)描述。而含煤巖系古地熱流是古熱導率和古地溫梯度的主控因素,古地溫梯度是煤化梯度的主控因素,以此作為進(jìn)行煤變質(zhì)作用熱動(dòng)力分析的理論依據。以熱力為基準,溫度正常情況下取決于沉降深度、地溫梯度及圍巖的導熱性,其主要以熱源和地熱場(chǎng)強度的不同從而引起地溫梯度不同來(lái)影響煤的變質(zhì)的。據此分為兩類(lèi)六型[2-4]:
(1)常地溫熱變質(zhì)作用類(lèi):在正常地熱場(chǎng)作用下引起的煤的變質(zhì)作用。
(2)異常地溫熱變質(zhì)作用類(lèi):在異常地熱場(chǎng)作用下,促進(jìn)煤的變質(zhì)作用。此類(lèi)中,根據地熱異常的不同熱源劃分為:巖漿熱變質(zhì)型、深大斷裂熱流上導熱變質(zhì)型、構造應力熱變質(zhì)型、莫霍面變動(dòng)熱變質(zhì)型、其它熱變質(zhì)型。
關(guān)于熱(力)變質(zhì)問(wèn)題,不論熱的來(lái)源如何,它引起煤的變質(zhì)作用是顯而易見(jiàn)的。就目前所知,大量的現象表現為巖漿熱變質(zhì)。它的影響范圍又與巖漿活動(dòng)的強弱、巖體規模的大小和持續時(shí)間的長(cháng)短有關(guān),巖漿的性質(zhì)和噴氣作用尤為重要。值得注意的是地溫對煤變質(zhì)的影響并不是單獨起作用的,煤變質(zhì)的溫度在一般情況下應等于地溫梯度與煤層上覆地層厚度的乘積(火成巖直接影響除外)。在地溫梯度不變的前提下,煤層上覆地層的厚度大,煤變質(zhì)過(guò)程中所處溫度相對較高,相應煤的變質(zhì)程度也高,形成高變煤所需的溫度可以是上述方式形成,也可以是大的地溫梯度乘以較小的上覆地層厚度。也就是說(shuō)引起煤變質(zhì)所需的溫度并不一定都是通過(guò)地殼下降這一途徑。另外關(guān)于放射性元素蛻變所發(fā)生的熱變質(zhì)現象,目前還研究得不夠,對這種煤變質(zhì)作用機理的認識,還有較多的困難,是否可單獨作為熱(力)變質(zhì)的一種類(lèi)型,現在下結論為時(shí)過(guò)早。從促使煤變質(zhì)的熱源考慮,如因地球內部物質(zhì),特別是上地幔物質(zhì)向上運動(dòng)所產(chǎn)生的附加熱,深大斷裂上導的高溫,局部莫霍面較高,板塊的活動(dòng)等都可能增高煤的變質(zhì)程度。由于促使煤變質(zhì)的熱源是多種多樣的,因此構成了不同的煤變質(zhì)作用類(lèi)型。不同地質(zhì)條件下,一個(gè)每煤田或煤產(chǎn)地的煤在普遍進(jìn)行深成變質(zhì)作用之外,又可經(jīng)受一種或一種以上其他類(lèi)型的煤變質(zhì)作用,也可不止一次經(jīng)受同一類(lèi)型的變質(zhì)作用,這就構成了煤的多熱源疊加變質(zhì)作用[5]。
根據熱源類(lèi)型、熱傳導方式、熱源的埋深、規模、形態(tài)的不同而引起煤變質(zhì)特征的差異,劃分的煤變質(zhì)類(lèi)型如下[6-8]:
1.煤的深成變質(zhì)作用
煤的深成變質(zhì)作用是指在正常低溫狀態(tài)下,煤的變質(zhì)程度隨煤層沉降幅度的加大、地溫增高和受熱時(shí)間的持續而增高。德國學(xué)者希爾特1873年在研究魯爾等煤田時(shí),發(fā)現隨地層深度增加煤的揮發(fā)分產(chǎn)率有規律地減少。這一現象稱(chēng)之謂希爾特定律。希爾特定律奠定了煤的深成變質(zhì)作用類(lèi)型的基礎。多數煤田遵循這一規律,然而也有煤田出現反常,較淺煤層變質(zhì)程度比深煤層高,或同一煤層在很短距離內變質(zhì)程度差異較大。這些反�？赡苁敲杭壭纬傻亩嘁蛩赜绊�、多階段疊加、多種作用復合的結果。深成變質(zhì)煤的演化程度總與一定的構造沉降、地熱作用及有效受熱時(shí)間的配置相對應,是一種具有普遍意義的煤變質(zhì)現象。地溫分布的不均一性及其隨時(shí)間的地溫場(chǎng)變化在一定程度上制約煤深成變質(zhì)作用的發(fā)展。
2.煤的區域巖漿熱變質(zhì)作用
煤的區域巖漿熱變質(zhì)作用是指聚煤凹陷內有巖漿活動(dòng),巖漿及所攜帶氣液體的能量可使地溫場(chǎng)增高。形成地熱異常帶,從而引起煤的變質(zhì)作用。根據巖漿性質(zhì)、侵入規模、侵入深度和沉積蓋層的封閉程度分為3個(gè)亞型:淺成、中深成、和深成巖漿熱變質(zhì)作用。區域巖漿熱變質(zhì)作用�？蛇_到很高的變質(zhì)程度,煤級分帶一般為環(huán)帶狀,越靠近巖體,煤的變質(zhì)程度就越高,受區域巖漿熱變質(zhì)作用影響的煤,變質(zhì)梯度高且涉及的地域廣且疊加效果顯著(zhù)。高變質(zhì)煤帶的圍巖往往發(fā)生蝕變,圍巖中熱液石英脈和方解石脈是區域巖漿熱變質(zhì)作用的重要標志。
3.煤的接觸變質(zhì)作用
煤的接觸變質(zhì)作用是指巖漿直接接觸或侵入煤層,由其所帶來(lái)的高溫、氣體、液體和壓力,促使煤發(fā)生變質(zhì)作用。根據巖體規模及侵入方式,將煤的接觸變質(zhì)作用分為3個(gè)亞型:脈巖巖漿接觸變質(zhì)作用、小型淺成巖漿接觸變質(zhì)作用和大型深成巖漿接觸變質(zhì)作用。接觸變質(zhì)作用使煤層、煤的顯微組分、煤級、化學(xué)及工藝性質(zhì)、顯微結構和化學(xué)結構等均受熱發(fā)生變化。許多資料說(shuō)明火成巖只在與煤層接觸部位或不大的范圍內有明顯影響,較小的巖體其影響范圍很少超過(guò)50m。由于巖體規模小,熱量少,散熱快,此類(lèi)型較常見(jiàn)但影響所及的范圍有限。巖體的種類(lèi)、大小、產(chǎn)狀等,都直接影響著(zhù)接觸變質(zhì)帶的范圍,應作為巖漿熱變質(zhì)的一種特殊類(lèi)型來(lái)看待。
4.煤的熱液熱水變質(zhì)作用
煤的熱液熱水變質(zhì)作用是指煤在由來(lái)自地殼深部的巖漿分異氣液或高溫承壓水所引起的異常地熱場(chǎng)中發(fā)生的變質(zhì)作用,可根據其特殊的熱源性質(zhì)熱導介質(zhì)和傳熱方式加以識別。煤的熱液熱水變質(zhì)作用可在斷裂帶或巖漿活動(dòng)區發(fā)育。按流體性質(zhì)可分為熱液變質(zhì)作用亞型、熱水變質(zhì)作用兩種類(lèi)型。前者是煤田、礦區深部或附近有聚煤期后的巖漿活動(dòng)和熱液活動(dòng);后者指煤田內或附近有深大斷裂帶、斷層和透水層等熱水運移通道,兩者都需要在煤田內或附兩者都需要在煤田內或附近有保持熱液或熱水循環(huán)的地形和水文地質(zhì)條件。熱液熱水變質(zhì)煤的煤級展布比較復雜,在同一煤系中,煤層的煤級可呈現上高下低或波狀起伏形態(tài),平面上,煤級總的變化趨勢與地下熱水流向和距熱液、熱水活動(dòng)通道的距離有關(guān),越靠近主通道煤級越高。
3. 討論煤的變質(zhì)因素
以上談的煤的變質(zhì)類(lèi)型,其實(shí)質(zhì)是把引起煤變質(zhì)的因素歸為溫度、壓力和時(shí)間。但這都只是使煤變質(zhì)的外部條件。必須考慮煤層本身甚至圍巖在煤變質(zhì)過(guò)程中所起的作用。
1.成煤原始物質(zhì)成分與環(huán)境的不同,在相同的溫度和壓力作用下煤的變質(zhì)程度顯然會(huì )有差別。因為成煤時(shí)古地理環(huán)境不同,引起成煤植物群落的差異,不同的植物群落形成的煤其煤巖組分和化學(xué)成分會(huì )有不同。介質(zhì)不同的氧化還原條件,對最終參加成煤物質(zhì)的成分也起著(zhù)很大作用。煤巖組分中穩定組分含量高的煤,其變質(zhì)程度相對偏低。煤變質(zhì)程度較高的地區,穩定組分很少或見(jiàn)不到。這可能是與穩定組分的結構有關(guān),因為穩定組分這類(lèi)物質(zhì)結構上縮合芳香部較少而側鏈較長(cháng),在煤的變質(zhì)過(guò)程中側鏈的穩定性小容易逸散。側鏈的逸散消耗了使煤變質(zhì)的能量。其它煤巖組分,如鏡質(zhì)組含量對煤質(zhì)的影響已有不少報道。
2.同沉積構造對煤變質(zhì)的影響,在成煤過(guò)程中,同沉積構造控制了成煤期的古地理環(huán)境,古地理環(huán)境的不同可導致植物群落發(fā)育的差異,有機物的氧化、保存以及混入礦物雜質(zhì)的多少和圍巖成分等的差異。煤的變質(zhì)帶、煤系的等厚線(xiàn),含煤性分區線(xiàn)、煤的變質(zhì)帶方向與煤系等厚線(xiàn)及含煤性分區界線(xiàn)方向的聯(lián)系,可以知道煤的變質(zhì)與同沉積構造控制下的古地理環(huán)境有密切關(guān)系或是受到后期改造。
鏡質(zhì)組反射率在測定低煤化階段時(shí)輔以殼質(zhì)組的熒光性是目前測試煤級最有效的參數.不過(guò)由于雙反射的影響,在測試高變質(zhì)煤時(shí)仍不夠理想。新的煤級參數,如以牙形刺的色變指數、抱粉的透明度和顏色變化、伊利石的結晶度、共生礦物的形成溫度以及碳優(yōu)勢指數等在煤化過(guò)程中的變化表示煤級,都可作為煤級參數[9-11]。另外,煤中礦物形成溫度和粘土礦物隨溫度增高產(chǎn)生的變化可用于確定成煤溫度,進(jìn)而估算出煤化程度。
4. 結束語(yǔ)
各種變質(zhì)現象,都是客觀(guān)存在的,它們是在千變萬(wàn)化的地質(zhì)條件下,相互影響,相互疊加,自身也呈現出巨大的變化。雖然就不同地區來(lái)講,可能以某種煤變質(zhì)因素為主,從而掩蓋了另一些因素,但就對煤變質(zhì)所起的重要性而言,它們之間的作用,顯然是不能等量齊觀(guān)的。促使煤變質(zhì)的熱源往往相互迭加,共同起作用,所以煤的變質(zhì)程度常常是幾種變質(zhì)類(lèi)型綜合作用的結果。多煤級的形成是多階段演化、多熱源疊加變質(zhì)的結果�？傊�,我們在研究煤變質(zhì)問(wèn)題時(shí),既要承認客觀(guān)存在的各種煤變質(zhì)現象,又要正確估價(jià)不同地區各種變質(zhì)類(lèi)型所起的作用,還應探討新的煤變質(zhì)作用類(lèi)型。這就要從成煤物質(zhì)成分開(kāi)始,考慮煤變質(zhì)過(guò)程中可能出現的各種因素的影響,才能排除某些千擾,得出比較正確的結論。
參考文獻:
[1]王德本,略論煤的變質(zhì)問(wèn)題.中國煤田地質(zhì),2002,(14)2:9-12.
[2]牛歡、胡涵、李磊佳,淺談煤變質(zhì)類(lèi)型及其特點(diǎn).消費導刊.
[3]袁耀庭、曲星武、王金城,煤的變質(zhì)作用雛議,1980,1:1-8.
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