Question

地下煤层自燃磁性特征分析

Answer 1

岩石磁性的大小是由磁化率、感应磁化强度和剩余磁化强度来表示的，其中磁化率是衡量岩石磁性的重要参数之一，主要取决于磁铁矿等磁性矿物的含量。

岩石中磁性矿物的含量与岩石的磁性之间的关系是很复杂的。一般来说，铁磁性矿物含量越多，磁性也就越强。对许多矿区岩矿石标本的磁化率及磁铁矿体积分数（%）所进行的相关分析结果表明，标本的磁化率随磁铁矿的体积分数（%）的增多而增大，它们之间并没有严格的正比关系。

对于相同的铁磁性矿物来说，外磁场的强度变化，还有温度等各种因素都会影响岩石磁化率的大小。特别是温度对岩石磁性的影响，就其数值大小而言，它比地磁场变化影响还要大。

例如在汝箕沟黑头寨煤火试验区中，正常沉积的中生界砂岩、泥岩等一般为无磁性，只有个别岩性有微弱磁性（包括侏罗纪煤系地层）。其磁化率值一般小于100×10^-5SI。燃烧过的岩石（包括煤层）可从无磁性到有磁性，在靠近燃烧层的顶底板及夹层中的岩石磁化率值明显增大，可增大至2～3个数量级，达（5000～20000）×10^-5SI。在地面磁测工作中，煤火区磁异常可达1000 nT以上；无火区磁异常微弱，基本无磁异常。可见煤火自燃产生的温度，影响了岩石的磁性，引起了磁异常。

为了探讨温度对岩石磁性的影响，本节通过多种方式在实验室测定岩石样品在不同温度条件下磁性变化，研究温度对岩石磁性的影响规律。

（一）煤田火区磁性特征研究现状

应用磁法在我国探测煤田火区工作大约始于20世纪60年代初，其主要工作区有新疆库车县俄霍布拉克矿区（赵刚，2003），西山火区、乌鲁木齐河东铁厂沟⁃沙沟煤层（张秀山，2001）等，均在煤火区上方发现有磁异常。限于当时的工作条件，对这种现象产生的原因并没有进一步探讨。张秀山于1964年为了研究这个现象，在宁夏汝箕沟选择了含黄铁矿的顶底板进行了高温焙烧的试验。这个试验的方法是，把磁力仪放在未燃烧的煤层顶底板上方，之后点燃煤层，燃烧一段时间后再熄灭煤火，用水降低顶底板的温度，记录这期间顶底板温度和磁力仪测量值的变化，试验结果如图2⁃3⁃1。

由图2⁃3⁃1看出，将原来无磁性反映的标本加热到400℃以上，ΔZ开始慢慢地增大；在400～800℃之间ΔZ逐渐地增大；当温度由800℃开始降温，ΔZ并没有降低，反而继续地增大。这被认为是岩石冷却后获得磁性较强的烧变岩。煤层自燃过程中，煤层及围岩中铁、磁等物质发生复杂的化学变化，随着燃烧以后温度的降低，冷却以后形成烧变岩，产生热剩磁，所以在地面引起磁异常。经分析认为，煤层经过高温燃烧，顶底板及其夹矸受到强烈的高温作用后形成烧变岩体，顶底板中的铁质多数是赤铁矿（Fe₂O₃）、黄铁矿（FeS₂）、菱铁矿（FeCO₃）、褐铁矿（Fe₂O₃），在火区的熄灭带和燃烧带，这些矿物经过高温烘烤后岩石逐渐形成烧变岩。随着烧变岩的形成，它们大部分由原先的弱磁性矿物转变为磁性矿物，这种作用一般是在400～800℃的高温条件下产生的（张秀山，2001）。

2001年航遥中心使用地面手持磁化率仪在宁夏汝箕沟火区和内蒙古乌达火区进行了实地测量，发现煤层顶底板弱磁性岩层经高温烧烤后，磁化率显著增强。

图2-3-1 煤层火烧区实测磁力异常曲线

（据张秀山，2001）

由于煤火燃烧产生的高温对围岩的烘烤可分为有氧和无氧两种情况。所有弱磁性岩石烧变后是否都会形成强磁性烧变岩？强磁性烧变岩的磁化率和剩余磁化强度是否增大？不同温度条件，岩石磁性是否有明显差别？依靠磁法能否区分无火区、燃烧区和死火区？为了研究上述问题，作者采集了大量的岩石标本在古地磁实验室进行了不同方式的加温、降温磁性测量试验，获得了很多关于试验区岩石磁性烧变特征的新认识。

（二）标本采集方法

采用以下三种方式在汝箕沟和乌达煤田采集岩石标本。

1.在煤层顶板接触带上采集岩石样品

这类样品共采集10块，地点在汝箕沟煤田未着火区，采集点位于可开采的煤层和围岩之间的接触带上。采集标本的剖面示意图如图2⁃3⁃2。

标本C⁃1、C⁃2和C⁃3是采自于煤层中的，采集的间距是25 cm。在灰黑色含炭质薄层泥岩中采了标本C⁃4，它与标本C⁃3的间距也是25cm。标本C⁃5采自于灰黑色含炭质薄层泥岩和中厚层灰色粉沙质泥岩的界线上。标本C⁃6、C⁃7、C⁃8、C⁃9、C⁃10采自于中厚层含炭质灰黑色粉砂质泥岩中，标本C⁃6、C⁃7的间距为25cm，标本C⁃8、C⁃9、C⁃10的采集间距为30cm。

2.沿实测磁异常剖面采集岩石样品

Y系列样品采自汝箕沟煤矿的阴坡，阴坡煤火区的地表比较平坦，所采集的岩样Y⁃1、Y⁃2、Y⁃3、Y⁃4、Y⁃5和Y⁃6是沿着阴坡地质剖面采集的，样品WP⁃3是在乌达煤田的五虎山煤田中5^＃煤层顶板上采集的，19/1，22/1是在黑头寨烧变岩中采集的。

3.采集不同煤层的顶板岩石样品

本次研究采集乌达煤田不同煤层顶板岩石标本共计16块，编号为W1⁃2、W2⁃1、W2⁃2、W2⁃4、W4⁃1、W4⁃2、W4⁃3、W5⁃1、W7⁃1、W7⁃2、W8⁃1、W9⁃2、W9⁃3、W12⁃1、W12⁃2、W12⁃3。其中W1⁃1，W1为乌达1^＃煤层顶板，1⁃1为1^＃煤层顶板岩石1号样品，余下编号依此类推。这些样品采自井下、露天开采剥离区等处，均为未烧变的原岩，见表2⁃3⁃2。

通过以上方式采集的样品，既有地面岩石，又有地下岩石；有分散采集，又有集中采集，且标本源于乌达和汝箕沟两个矿区，具有很好的代表性。

图2-3-2 汝箕沟煤矿顶板岩石标本采样剖面

1—煤层；2—灰黑色薄层含炭质泥岩；3—中厚层状灰色粉砂质泥岩；4—灰黑色中厚层状含炭粉砂质泥岩

（三）岩石加温前后金属矿物含量变化规律

加温处理前汝箕沟和乌达煤田岩石样品金属矿物及可燃有机质鉴定表如表2⁃3⁃1，表2⁃3⁃2。从表中可看出，所采集的岩石样品中含有黄铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿及铁质等磁性载体矿物，但是无磁铁矿。其中阴坡火区的三块标本中不含有赤铁矿，其他如黄铁矿、褐铁矿及铁质含量总和均低于0.4%。汝箕沟C系列样品中黄铁矿含量低于3%，而褐铁矿及铁质含量相对要多一些，3%～5%。铁磁性物质含量比较少，乌达煤田铁矿物含量相对多一些，其中W1⁃2、W2⁃2、W4⁃2样品中褐铁矿含量多一些，最高达7.5%；W7⁃2、W9⁃2、W12⁃2样品中赤铁矿及黄铁矿含量多一些，最高达10.5%。

两表中样品铁磁性矿物的含量比较低，所含的铁质矿物的颗粒小且分散，属于0.005～0.63mm的微粒状，常温条件下样品的磁性较弱。使用ZH⁃1磁化率仪测量汝箕沟地区的岩样磁化率，一般为（20～30）×10^-5SI；乌达地区的岩样磁化率一般在（5～20）×10^-5SI之间，说明煤火试验区围岩的磁性较弱。

表2-3-1 汝箕沟矿区样品中金属矿物及可燃有机质含量

续表

说明：①使用仪器Opton反光显微镜及Olympus附件；②岩石名称据标本肉眼观察和光片特征确定。

表2-3-2 乌达煤田样品中金属矿物及可燃有机质含量

说明：①使用仪器Opton反光显微镜及Olympus附件；②岩石名称据标本肉眼观察和光片特征确定。

这些样品加热至700℃以后再冷却到常温，磁性明显加强。主要原因是含有少量铁磁性矿物的岩石在温度升高时产生了新的铁磁性矿物（如磁铁矿、磁黄铁矿等见表2⁃3⁃3）。

（四）无氧条件下岩石样品磁化率随温度变化的规律

以往的研究主要关注岩石本身的磁学特征（黄宝春，1995）、单矿物与温度关系，如菱铁矿（潘永信，1999）、黄铁矿（李海燕，2005）。由于煤火地球物理探测的特殊性，我们更关注煤层燃烧过程中，持续对岩石加温和煤火燃烧结束后，岩石逐渐降温过程中岩石磁性变化。加温过程的磁性特征可用于分析着火区磁异常，降温过程磁性特征可用于岩石烧变后磁异常研究。

表2-3-3 加温700℃后岩石样品中铁质矿物含量鉴定表

磁化率作为表示岩石磁性的重要参数，测定其与温度的关系不仅可以用于确定岩石中铁磁性矿物成分，而且可以用于解释剩磁的原因。受实验室条件限制，我们测定了无氧（惰性气体环境）条件下，岩石磁化率与温度关系曲线（κ⁃T曲线）。测量试验分两次。首次实验室里选用的11块标本中有黑头寨火区6块样品（C⁃4，C⁃5，C⁃6，C⁃7，C⁃8，C⁃9），阴坡火区3块样品（Y⁃4，Y⁃5，Y⁃6），乌达火区样品WP⁃1和WP⁃3。将这些样品研磨成100～200μm细颗粒，之后放入到KLY⁃3 s系统中测量（中科院地质与地球物理研究所古地磁与地核动力实验室测定）。测量过程是自动且连续，温度变化首先从常温26℃左右开始升高，隔大约3℃左右记录一次磁化率值，温度最高值是700℃；而后逐渐降温到室温，也是隔大约3℃左右记录一次磁化率值。采样密可以有效地了解曲线细节。第二次试验选用的7块标本是乌达火区岩石样品。测量方式同上（中国地质大学（北京）环境磁学与古地磁学实验室测定）。

图2⁃3⁃3a是汝箕沟地区升温条件下岩石磁化率温变曲线图，图2⁃3⁃3b是汝箕沟地区降温条件下岩石磁化率温变曲线图，图2⁃3⁃3c乌达地区升降温条件下岩石磁化率温变曲线图。由三张不同地区κ⁃T曲线可得一些结果。

（1）所有的样品在常温时，磁化率很低，小于10×10^-5SI；其中小于3×10^-5SI标本占83%（表2⁃3⁃4）。

表2-3-4 加温前后岩石磁化率对比表

（2）当温度持续升高到500℃左右时，多数（77%）岩样的磁化率κ出现了峰值，少数出现了双峰，但温度位置相差较大。峰值磁化率一般是常温的1～5倍，少数（33%）达到10～100倍。岩样WP⁃1的磁化率κ达到了186×10^-5SI，是常温磁化率的245倍。500℃之后岩样的磁化率开始急剧的下降而变为最小（趋于0）；温度在600℃以上时，岩石标本都失去了磁性，磁化率接近0。

（3）纵观所有样品降温的κ⁃T曲线，均没有沿升温曲线返回到原点，是比原值均有较大程度升高。特别是在常温下，高温处理过的岩石样品的磁化率比原岩石样品磁化率增大很多倍（50%的岩样比原来增大100～800倍，33%增大10倍以上）；在降温过程中κ⁃T曲线出现峰值，最大峰值多数位于450～500℃，少数位于240℃左右（C⁃4）。

（4）对比图2⁃3⁃3b和图2⁃3⁃3c，乌达地区岩样降温磁化率曲线峰值小于汝箕沟的，且峰值单一。这说明乌达烧变岩中的磁性矿物比较单一，且磁性弱于汝箕沟地区。

图2-3-3a 汝箕沟地区岩石磁化率随温度升高变化曲线

从表2⁃3⁃1和表2⁃3⁃2可以看出，样品中的铁磁性矿物含量较少，黄铁矿和赤铁矿的一般在0.1%～0.3%，褐铁矿含量相对要多一些，常温下它均显示了弱磁性。无氧加热处理抑制样品产生新的矿物，低于400℃的磁化率曲线没有明显的变化。继续加热的过程中，无氧的环境不能抑制样品中铁质性矿物的转换，样品中的铁质性矿物受温度的作用产生新的磁性矿物，具有了较强的磁性，即磁化率随着温度的升高逐渐地增加，在500℃左右时出现了峰值，此时的样品磁化率相对常温下的增大了4～5倍。600℃以后样品的磁性都消失了，继续加热到700℃以上，图2⁃3⁃3（a、b、c）的磁化率曲线没有变化，可认为600℃应是样品的居里温度。

图2-3-3b 汝箕沟地区岩石磁化率随温度降低的变化曲线

在冷却过程中，居里点温度上的无磁性样品随着温度的降低，磁化率κ陡然增大，样品中的铁磁性矿物随着温度的降低又获得了磁性。当温度降到500℃左右，磁化率曲线上出现了峰值；随着温度的继续下降，样品C⁃4、C⁃5、C⁃6、C⁃8在200℃时出现了第二个峰值，第二个峰值比第一个峰值要小，个别样品C⁃4的第二个峰值要高于前一个峰值；继续冷却到24℃（室温），磁化率κ也逐渐地减小，但远大于原岩磁化率值。

综合分析岩石样品升温和降温时的磁化率曲线，发现冷却过程中样品磁化率κ不再沿升温过程的曲线返回，降温过程中的样品磁化率比升温时样品磁化率高几十倍至几百倍，这是样品保存了升温过程中产生的新强磁性矿物造成的。降温过程中有的岩样出现了两个峰高，提示我们岩石标本中的铁磁性矿物处于不稳定状态中，降温和升温的磁化率曲线上500℃时的峰值大小不相等以及降温的岩石磁化率比升温的岩石磁化率峰值高了几十倍甚至上千倍，说明岩石标本中含有不同居里点温度的两种以上的铁磁性矿物。至于各个岩石样品磁化率增大的幅度不同，可能是因为岩石内磁性物质的成分、含量不同，或者是磁性矿物的颗粒大小、结构、机械外力作用及地质作用（包括氧化还原作用、变质作用、蚀变作用）等不同造成的。

图2-3-3c 乌达地区岩石磁化率随温度降低的变化曲线

综合以上分析说明，岩石磁化率在降温过程中的数值要比升温过程的数值大得多，经过热磁作用后岩石标本的磁性显著增强了，增强的原因是产生了新的强磁性矿物（磁铁矿等）。这一结果也说明死火区的岩石磁性要大于正在燃烧火区的磁性。

（五）有氧条件下模拟岩石样品获得磁性的过程

地下煤层在燃烧过程中放出大量的热量，其中大部分的热量被围岩吸收，促使围岩温度升高。由于热量的扩散主要以岩石传导为主，因此距离火源较近的岩石温度高，距离火源远的岩石温度低，形成围绕火源的热异常体（如图2⁃3⁃4）。

图2-3-4 煤火产生的热异常体示意图

这个热异常体在煤火发生、发展和熄灭的各个阶段，依次出现升温、高温、降温过程。由于煤火燃烧时间有限，岩石导热速率有限，图2⁃3⁃4各个温度条带所达到的最高温度是不同的，获得的磁性大小也应该有差别。这个差别有多大呢？能否通过磁法探测区分出来？这个问题直接涉及磁法探测火源的精度，因此必须研究解决。

实际上，围岩受煤火的影响出现的升温、高温、降温过程基本上是在有氧、有磁等自然环境下完成的。经多方调研，国内没有一家古地磁实验室能够模拟这一条件下岩石磁性变化测定。为此，我们设计了如下试验方法：将这些岩样加工成2cm×2cm×2cm的立方体，在室温下测得样品的磁化率和磁化强度；之后把这些样品放入到加热仪器中加热到所需要的温度，再把这些样品放在地磁场里降温至室温，分别测定其磁化率和剩余磁化强度。这种方法美中不足的是无法在岩石标本加温时加空气和外磁场，和实际情况有出入。这种出入究竟会有多大影响，目前尚无法验证。

进行了两次这种试验。第一次测量了11块岩石样品，样品号为C⁃6、C⁃7、C⁃8、C⁃9、C⁃10、Y⁃4、Y⁃5、Y⁃6、19⁃1、22⁃1、WP⁃3。测量试验是在中国地质大学（北京）原古地磁实验室进行的。使用的磁化率仪是灵敏度为2×10^-7的HKB⁃1 桥，剩余磁化强度测定仪器是美国生产的灵敏度为4×10^-8的DSL⁃Ⅱ型仪器。试验的温度是从室温到700℃，温度间隔为50℃。第二次试验测量了13样品号为W1⁃1、W2⁃1、W2⁃2、W2⁃4、W4⁃1、W4⁃2、W4⁃3、W5⁃1、W7⁃1、W7⁃2、W8⁃1、W9⁃2、W12⁃1。测量试验是在中国地质大学（北京）环境磁学与古地磁学实验室进行的。试验的温度是从室温到1100℃，温度间隔为50℃。测量结果如图2⁃3⁃5、图2⁃3⁃6。

图2⁃3⁃5和图2⁃3⁃6是本次试验测得的汝箕沟C系列立方体样品从不同截止温度（指岩石样品降温前的温度）降温获得的磁化率和剩余磁化强度的曲线。这组曲线的特点是，室温下测得的立方体样品磁化率与野外实测的岩石磁化率几乎是吻合的，磁化率一般为（10～30）×10^-5SI。各个样品的磁化率曲线和剩余磁化强度曲线随温度升高其曲线上升的趋势是一致的，同一样品相对应的曲线的形态相似。随着截止温度的继续升高到500～600℃，C系列立方体岩样的磁化率和磁化强度曲线都明显出现了一个阶段式的升高，幅度达到几百倍以上。其中样品C⁃7的磁化率和剩余磁化强度要比其他样品的磁化率值大，这可能与C⁃7样品经热磁作用生成了较多的磁铁矿有关，见表2⁃3⁃3。

图2⁃3⁃7是第二次试验测得的乌达系列立方体样品从不同截止温度降温获得剩余磁化强度的校正曲线。这组曲线的特点是随着截止温度的继续升高到500～600℃，大多数立方体岩样的磁化率和磁化强度曲线明显出现了一个阶段式的升高，幅度达到几百倍乃至几千倍以上；W5⁃1号标本在300℃出现了剩余磁化强度阶越式的升高；有四块标本（W1⁃1、W1⁃2、W4⁃1、W4⁃2）加热到1100℃高温再冷却后磁性仍在增大，其余10块标本磁性随着温度的升高而降低。

综合以上分析结果，煤层围岩的温度必须达到500℃以上，才能获得较强磁性。也就是说，在乌达、汝箕沟地区与烧变岩有关的磁异常是主要由温度高于500℃围岩形成的。

图2-3-5 汝箕沟地区岩样磁化率与截止温度关系

图2-3-6 汝箕沟地区岩样剩余磁化强度与截止温度关系

图2-3-7 乌达地区岩样剩余磁化强度与截止温度关系

根据文献（万余庆，2001）在乌达煤田实验结果，乌达地区煤火区温度梯度为常数1.1℃/cm。按照这个结论，假设试验区内煤层自燃产生的温度超过1000℃，那么高于500℃的热异常体岩层厚度应在5m左右。因此，采用磁异常计算磁性体顶深的方法来反演着火点深度，应考虑热异常体厚度因素。