Question

区域热变质煤的显微煤岩特征及其地质意义

Answer 1

摘 要 我国许多晚古生代和中生代煤受中生代以来构造岩浆活动的影响，在深成变质基础上，发生了广泛的区域热变质作用，在相当程度上决定了煤种的分布。区域热变质煤的显微煤岩特征有:高反射率和强各向异性，发育热变气孔和各向异性体，煤中有热液矿物、富集某些微量元素、同生矿物受到热液改造。一些低煤化煤中沥青质体等组分受热液影响形成变渗出沥青体。

煤变质作用类型是影响煤性质和结构的成因因素之一。研究区域热变质煤的特征有助于确定煤变质分带原因，恢复地热演化史及分析煤成油、煤成气等问题。

近年来，联邦德国、英、苏、美、澳、波等许多国家，都发现一些煤田的煤受叠加热场的影响，发生了区域热变质作用(Stach et al.，1982;Teichmüller et al.，1979;Богданова，1985)。我国不少晚古生代煤，东部地区的中生代煤受中生代以来的构造岩浆活动的影响，在原有深成变质的基础上，发生了广泛的区域热变质，在相当程度上决定了我国煤种的分布¹⁾(韩德馨等，1980)。

一、区域热变质煤的特点

区域热变质煤与相同煤级的深成变质煤相比，具有V^r低、H/C低、芳香度较大，自由基浓度大，热解色谱最高裂解温度T_max较高和S₂较少的特点;在煤晶结构上具有芳香层L_a较大的特征。可见，变质作用类型是影响煤组成和性质的又一个重要的成因因素。

区域热变质煤的显微煤岩特征有:反射率和双反射高，出现热变气孔、各向异性体和热液矿物等。

1.反射率高、双反射高

反射率是表征煤化程度最常用的标志。豫西石炭二叠纪煤田的煤受燕山期叠加热场的影响，形成了煤级的环带状分布，出现了大面积高变质无烟煤带。济源克井矿区煤中无结构镜质体的最大反射率R°_max高达6.6%。福建建瓯晚三叠世煤受燕山期花岗岩岩浆热液活动的影响，无结构镜质体的R°_max普遍在5.0%以上，最高可达9.3%。

双反射是在煤化过程中发育形成的与镜质组芳香层有序性相关的光学性质。区域热变质无烟煤的镜质组具强烈的各向异性。如豫西无烟煤的双反射ΔR大多在2.0%以上，可达4.34%，相对各向异性 大多在45%～50%以上，可达68%。建瓯无烟煤的ΔR也多在2.0%以上，个别高达8.48%，相对各向异性大多在50%以上，最高可达91.3%。

1)杨起等，1981，中国煤变质问题的探讨。

高反射率和强烈的各向异性是世界上典型区域热变质煤，如联邦德国布腊姆舍岩体上的石炭纪煤( Teichmüller et al. ，1979) 、苏联通古斯煤田二叠纪煤( Богданова，1985) 的共同特点，我国煤不仅有此特色，而且表现更为强烈( 表 1) 。

表 1 区域热变质煤的反射率和相对各向异性 单位: %

引人注目的是，在一些浅成区域岩浆热变质的地区，构造岩浆活动强烈，煤强烈破碎，众多裂隙成为热液活动的通道，同一煤层不同部位的镜质组受热液的影响不同，反射率和双反射有相当大的变化，分布很不均匀，反射率面谱呈多峰状。

2. 热变气孔

这种气孔形态多样，常见圆形、椭圆形，受热液溶蚀而形成的往往带有毛边，呈港湾状。热变气孔孔径从 <0. 1μm 到大于 10μm。一般认为热变气孔的形成与煤受热软化时挥发物产生和逸出有关。一些热变气孔孔壁及周缘常见放射状裂纹，有时也有环状裂纹，其成因与热塑状态下挥发物的逸出产生收缩作用有关。热变气孔周围及孔底时有小球体萌生，有时孔缘小球体的粒度及各向异性程度均向气孔中心方向增大，部分气孔充填有石英、方解石等热液矿物，表明这些气孔内壁曾与载热流体接触，载热流体带来的热能导致中间相小球体从镜质组中萌生。

3. 各向异性体

各向异性体是煤中各向异性相对明显的新生组分。由于均质镜质体反射率达 1. 0% 以后，各向异性渐增，因此各向异性体较强的各向异性是相对均质镜质体而言的( 表 2) 。各向异性体的形态各异，其命名可暂借用焦炭岩石学中的术语，如各向异性孢子体、各向异性角质体、各向异性树脂体、镶嵌结构体、叶状体、中间相小球体等。值得注意的是，相当一部分微粒体具各向异性，可称之为各向异性微粒体。此外，部分富氢镜质组、孢子体所形成的各向异性体，在透射光下透明，正交偏光下各向异性强。

表 2

各向异性体的类型和丰度既取决于成煤原始物质和聚煤环境，又取决于原始煤级和热演化史。一般，在近海还原环境下形成的富氢镜质组、沥青质体以及树脂体、孢子体、角质体等富含类脂物质的组分较易形成各向异性体。从煤岩成分来看，富壳质组组分的暗煤中各向异性体较亮煤、镜煤中多，含量可达 10% 以上。原始煤级及热演化史对于各向异性体的发育有相当影响。豫西煤田朝川矿区早二叠世二1煤受深成变质所形成的原始煤级约为肥煤阶段，正处于“生油期”，受区域热变质作用影响明显，较快的升温速度和较高的古地温，促进了显微组分的差异煤化作用，加强了富类脂组分的热分解，促使液态烃大量排出，从而大大增加了各向异性体的丰度和类型。豫西济源等地的二1煤，由于有巨厚的中生代覆盖层，盖层总厚达 4500m 以上，持续沉降时间长，原始煤级为焦煤阶段，经受区域热变质作用后虽已达高变质无烟煤，煤中仍有 3. 5% ～5. 7% 的各向异性体。而建瓯晚三叠世煤的煤级与济源相似，镜质组反射率和双反射也很高，但各向异性体罕见，看来可能与盖层较薄，原始煤级较低有关。

微区分析表明，各向异性体的碳含量高于镜质组，所富集的元素受热源、载热流体组成的影响。例如，豫西无烟煤中各向异性体普遍富含 C1，不少 K、Na 含量较高，这是热液作用的结果; 而豫西煤田朝川、韩梁等地受基性岩浆接触变质形成的天然焦中镶嵌结构体则富含Ca、Mg、Fe 等元素。

各向异性体的成因复杂，大多是原地萌生的，其中有固相转变的，也有经历中间相的; 此外，也有气相沉淀的。煤化过程中从富氢镜质组和壳质组中形成的“煤成油”及其他裂解产物，在进一步煤化中，可经过类似碳化时的共碳化作用等方式转变成各向异性体。

发育有各向异性体是区域热变质煤的重要特征。与此同时，在国内外一些低煤化程度煤中也有各向异性体存在，如加拿大的亚烟煤( Goodarzi，1985) 、我国平朔、大同等煤田的长烟煤、气煤，不过各向异性体的数量较少，缺少气相沉淀等类型。而这些煤田的煤通常被认为是深成变质所形成的，对其成因众说纷纭，是有待于进一步深入研究的。

4. 煤中热液矿物、微量元素及同生矿物的热液改造

区域热变质作用发育的地区，除围岩发生不同程度的交代蚀变外，煤中也出现了多种热液矿物。如豫西、建瓯的高变质无烟煤中有黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿以及磷灰石等典型低中温热液矿物组合，脉石矿物有石英、方解石( 多为双晶) 、菱铁矿等，其产状以脉状为主，也有充填显微组分的胞腔和热变气孔的。

在异常的古热流影响下，煤中同生矿物发生了明显的热液改造。同生的黄铁矿微晶和莓粒溶解、活化迁移，重结晶成粗大的自形晶，或连成片状，或充填于裂隙中( 豫西、建瓯) 。陆源石英碎屑溶解，形成自形晶、半自形晶，充填在溶蚀孔、半丝质体胞腔和无结构镜质体的内生裂隙中( 贵州水城) 。

中子活化法微量元素分析表明，区域热变质煤中富集的微量元素，有时反映了由于岩浆热液活动所造成的区域地球化学异常。例如，建瓯煤中钨含量可达 57. 6ppm，超过克拉克值几十倍，极为富集。微区分析证实，钨主要分布于热液矿脉中。以铈族轻稀土为主的稀土元素总量可达 196. 5ppm，也比沉积岩中常见值高。我国东南沿海燕山期岩浆活动频繁，建瓯煤田四周几公里范围内都有燕山期花岗岩的分布。建瓯煤中微量元素的富集与该区由燕山期花岗岩岩浆热液活动所造成的区域性钨、稀土元素异常是一致的。

除上述主要特征外，在一些煤化程度较低、但受过某种程度叠加热场或热液活动影响的煤田煤中，有些显微煤岩特征是值得注意的。如贵州水城的烛藻煤中( 处于气煤阶段) ，沥青质体受热液的影响，热解并微区运移到相邻的均质镜质体的内生裂隙和孔隙以及半丝质体的胞腔中，形成“变渗出沥青体”，其透光色为深棕色，但反射率低于均质镜质体，R0r为0. 265% ，无荧光。浙江长广树皮残植煤中的木栓质体受叠加热场的影响，也形成了充填于无结构镜质体内生裂隙中的“变渗出沥青体”。

二、结语

( 1) 煤变质作用类型是影响煤性质和结构的重要成因因素之一。对区域热变质煤的组成和性质的深入研究，包括对其中各向异性体的组成和性质的研究，将有利于煤炭资源的合理利用和深度加工利用。

( 2) 区域热变质煤具有一系列明显的显微煤岩特征。这是煤中有机质和无机质在特定的地质条件下，受温度、压力、时间及地球化学条件等变质因素影响而形成的。根据对这些特征的定性定量分析，结合地质条件的综合研究，可较为确切地探讨煤变质带分布的原因，预测深部煤质，有助于恢复地区的地热演化史，也有利于研究大地构造发展史。深入研究区域各地质时期变质作用及其类型，对于分析煤成气的形成和赋存，矿井瓦斯的成因亦是有益的。根据有机显微组分热敏性不同，发育各向异性的程度不同，在高变质煤中可藉以判断原有的煤岩显微组成。

本课题得到韩德馨教授的热情指导; 毛鹤龄、陈中凯、戴纪民、李敏锐同志参加了部分样品的测试、采样、制片工作; 得到了河南省有关矿务局及煤田地质勘探公司，煤炭第一勘探公司、建瓯煤矿、水城矿务局的大力协助; 承蒙中国科学院高能所杨绍晋等同志完成了微量元素分析，北京钢铁学院宋海涛等同志完成了扫描电镜观察及微区分析，在此一并致谢!

参 考 文 献

韩德馨、杨起主编，1980，中国煤田地质学( 下册) ，煤炭工业出版社。

Goodarzi，F. ，1985，Optical anisotropic fragments in a Western Canadian subbituminous coal，Fuel，No. 5.

Stach，E. et. al，1982，Stach’s textbook of coal petrology，Gebrüder Borntraeger，Berlin，Stuttgart.

Teichmüller，M. et al. ，1979，lnkohlung and Erdgas in Nordwestdeutschland，Fortschr. Geol. Rheinland u. Westf. ，27，137 ～170.

Бorдaнова，Л. . А. ，1985，Пребразование угле в зонах Tермального возействия интрузий. вк. : А. И . Г инзбург，иН. B. Иванов( peд) ，Углеосные Формации и петрологии углей，115 ～ 112，Недра，Ленинград.

( 本文由任德贻、钟宁宁、肖贤明合著，原载《中国石炭二叠纪含煤地层及地质学术讨论会》论文集，科学出版社，1987)