山西含煤地層中的巖漿巖及其對(duì)煤層的影響

李昌盛，劉漢斌，李淼

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014;2.山西省煤炭地質(zhì)局，山西 太原 030006;3.山西省煤炭地質(zhì)148勘查院，山西 太原 030053)

0 引言

山西地質(zhì)歷史時(shí)期巖漿活動(dòng)頻繁，從太古代、元古代到古生代、中生代、新生代都有巖漿活動(dòng)發(fā)生，其中印支期和燕山期巖漿活動(dòng)頻繁，侵入活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)煤層影響較大。印支期巖漿活動(dòng)主要發(fā)生于山西北部的大同盆地，燕山期巖漿活動(dòng)主要發(fā)生于山西省西部的鄂爾多斯盆地東緣和中部的斷陷盆地。巖漿活動(dòng)或侵入煤層中，破壞煤層結(jié)構(gòu)，造成大規(guī)模煤層吞蝕或隱伏地下造成煤層大規(guī)模區(qū)域熱變質(zhì)作用[1]。該文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，分析研究了對(duì)山西含煤地層影響較大的印支期和燕山期巖漿巖及其對(duì)煤層的影響。

1 巖體特征研究

含煤地層中的巖漿巖在山西省六大含煤盆地均有分布，其中部分為地表揭露，部分為鉆探揭露的隱伏巖體。由北到南，目前發(fā)現(xiàn)的主要有大同盆地煌斑巖侵入體，鄂爾多斯盆地紫金山巖體，西山盆地狐偃山巖體，臨汾盆地塔兒山-二峰山巖體和運(yùn)城盆地孤峰山巖體①山西煤田地質(zhì)局，山西省煤炭資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，1995年。，以及鉆探發(fā)現(xiàn)的祁縣隱伏巖體。

1.1 大同煌斑巖體

大同煌斑巖侵入體，主要分布于大同煤田中北部和西南部，分為塔山巖體、鵝毛口巖體、馬脊梁巖體、東周窯巖體和小京莊巖體5個(gè)巖體[2-4]。塔山巖體為基性—超級(jí)性的煌斑巖和碳酸鹽巖[5-6]，以巖床的形式侵入塔山井田東南部和北中部太原組3,5號(hào)煤。鵝毛口巖體[7]，巖性為煌斑巖，一般以巖床的形式侵入太原組3～5號(hào)煤和8號(hào)煤，對(duì)煤層破壞嚴(yán)重。馬脊梁巖體[8]，巖性為煌斑巖和輝綠巖，侵入到山西組、太原組含煤地層中，主要侵入煤層為太原組8號(hào)煤和山西組3號(hào)煤。東周窯巖體[8]，巖性主要為云斜煌斑巖和輝綠巖。巖體以巖墻形式侵入，對(duì)煤層破壞影響不大。小京莊巖體[9]，巖性主要為碳酸巖化煌斑巖，主要侵入于5號(hào)煤層和8號(hào)煤層底板以下地層(表1)。

表1 大同煤田煤系巖漿巖和侵入煤層

1.2 紫金山巖體

紫金山巖體出露于河?xùn)|煤田中北部臨縣紫金山、大肚山一帶，平面呈NNE向分布，長(zhǎng)軸長(zhǎng)7km，短軸長(zhǎng)4km，出露總面積23.3km2。巖體呈巖筒、巖床狀侵入于中三疊世二馬營(yíng)組中。不同期次侵入巖總體呈放射狀、半環(huán)帶狀分布。由外向內(nèi)出露的巖體依次為二長(zhǎng)巖、霓輝正長(zhǎng)巖、暗霞正長(zhǎng)巖、霞石正長(zhǎng)巖、白榴石響巖及響巖質(zhì)粗面火山角礫巖、粗面巖及粗面質(zhì)火山角礫巖。巖體中廣泛分布粗面斑巖脈，假白榴石響巖脈和方解石脈[10-11]。巖漿巖侵入含煤地層，使環(huán)紫金山巖體周邊出現(xiàn)焦煤，巖體附近出現(xiàn)接觸熱變質(zhì)煤和天然焦。

1.3 狐偃山巖體

狐偃山巖體出露于西山煤田西翼，古交市和交城縣交界處狐偃山主峰以北及以南的地區(qū)，巖體以二長(zhǎng)巖為主的巖株、巖床、巖墻和巖脈，總面積200km2，出露面積50km2[12]，分為6個(gè)巖帶和20多個(gè)巖體巖脈，巖體規(guī)模1～16km2。部分巖體侵入到奧陶紀(jì)馬家溝組和峰峰組中，在交城水峪貫和古交馬蘭地區(qū)，巖體侵入到山西組和太原組煤層中，使煤層發(fā)生接觸熱變質(zhì)作用，圍繞侵入體煤級(jí)出現(xiàn)環(huán)帶分布，局部出現(xiàn)天然焦。此外，在西山煤田南部的交城、清徐區(qū)塊，部分鉆孔也發(fā)現(xiàn)蝕變的二長(zhǎng)巖與熱液石英脈，推測(cè)與狐偃山隱伏巖體有關(guān)。

1.4 塔兒山-二峰山巖體

塔兒山-二峰山巖體分布于霍西煤田南部的塔兒山—二峰山—司空山一帶，分為地上和地下隱伏巖體兩部分，巖體總面積1750km2。侵入巖體為閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)斑巖、正長(zhǎng)斑巖和二長(zhǎng)斑巖，一般侵入于太原組，最高侵入層位為下石盒子群。呈巖床狀出現(xiàn)。在霍西煤田楊談勘探區(qū)，侵入含煤地層中的巖漿巖巖性主要為閃長(zhǎng)玢巖[13]，主要以巖床形式沿煤層頂、底板侵入煤系，使區(qū)內(nèi)山西組、太原組煤層均不同程度受到影響，巖體附近煤變質(zhì)程度升高，揮發(fā)分降低。

1.5 祁縣隱伏巖體

祁縣隱伏巖體，最早發(fā)現(xiàn)于祁縣南豐，分布于祁縣城西常家堡、梁家堡、高村、祁城一帶，推測(cè)分布面積57km2[14]。巖體為石英二長(zhǎng)巖體，侵入中侏羅紀(jì)凝灰?guī)r地層。鉆探發(fā)現(xiàn)的石英二長(zhǎng)巖體，巖體呈灰白色，不等?！瓢郀?、中細(xì)粒二長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。凝灰?guī)r中的石英二長(zhǎng)斑巖床，巖石呈灰白色，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為顯微粒狀結(jié)構(gòu)[14]。

1.6 孤峰山巖體

孤峰山巖體出露于運(yùn)城盆地萬(wàn)榮縣城以南約11km處孤峰山,出露面積約30km2[15]。巖體主要是灰白色花崗閃長(zhǎng)巖，具中細(xì)?！?xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物組成有斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、角閃石等，副礦物以磷灰石為主。勘查資料顯示，孤峰山的地下隱伏體已經(jīng)侵入萬(wàn)榮-王顯區(qū)塊太原組含煤地層中，對(duì)煤層造成不同程度影響。

2 侵入時(shí)間和形成機(jī)制

2.1 侵入時(shí)間

整理前人對(duì)山西中生代巖漿巖體的測(cè)年數(shù)據(jù)得表2?？梢钥闯?，侵入大同煤田的煌斑巖侵入體年齡整介于198～229Ma之間，屬于印支晚期三疊紀(jì)晚期。侵入鄂爾多斯盆地東緣河?xùn)|煤田和中部的斷陷盆地的侵入體，年齡介于127～138Ma之間，屬于燕山晚期早白堊紀(jì)，巖體侵入時(shí)間由北到南，逐漸變新。

表2 山西煤系巖漿巖體測(cè)年數(shù)據(jù)

2.2 形成機(jī)制

從巖性特征看，除大同煤田為煌斑巖外，其余均為堿性—偏堿性巖體?；桶邘r源于殼幔混合巖漿的部分熔融，產(chǎn)生于伸展構(gòu)造背景下，受區(qū)域深大斷裂控制[24]。堿性巖漿巖一般來(lái)源于部分熔融程度低、源區(qū)深部大的深部環(huán)境，或裂谷、地塹、地幔上拱帶等拉張條件下，地球上分布比較少，具有特殊的地質(zhì)意義[22]。地球化學(xué)特征顯示[15]，孤峰山花崗閃長(zhǎng)巖源自加厚的基性下地殼的部分熔融，是華北克拉通東部早白堊世大規(guī)模巖漿活動(dòng)結(jié)果。山西中部地塊堿性—偏堿性侵入巖侵入時(shí)間相近，巖石組成相似，說(shuō)明它們可能具有相似的巖石成因。華北地塊中部早白堊世大規(guī)模富堿侵入巖，源于巖石圈地幔物質(zhì)的部分熔融，是古太平洋板塊西向俯沖動(dòng)力學(xué)背景下巖石圈拆沉減薄的結(jié)果[24]。

2.3 侵入特征

巖漿巖侵入煤層一般以斷層為通道侵入，巖體結(jié)構(gòu)以巖墻為主，侵入巖層后順煤層展布呈巖床狀[1]?？拷鼛r墻部分，巖床較厚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，遠(yuǎn)離巖墻部分巖床較薄，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。塔山巖體侵入范圍受大同-懷仁斷裂帶控制[3,8]，遠(yuǎn)離深大斷裂和斷層地方巖漿活動(dòng)相對(duì)較弱。鵝毛口巖體巖漿上升通道為東南部井田邊界處的口泉山前大斷裂[7]。馬脊梁巖體以斷層為通道向上侵入到山西組、太原組含煤地層中[8]。塔兒山巖漿巖主要以巖床的形式經(jīng)過(guò)斷層由SW向NE侵入煤系[13]。侵入霍西煤田襄汾礦區(qū)的塔兒山-二峰山隱伏巖體也以斷層為通道，侵入盆地含煤地層中。

3 對(duì)煤層的破壞和影響

3.1 對(duì)煤層的破壞

巖漿巖在上升過(guò)程中，使含煤地層錯(cuò)斷、位移，連續(xù)性變差。巖漿巖侵入煤層后，吞蝕了煤層位置，使煤層變薄，煤質(zhì)變差，甚至喪失工業(yè)價(jià)值[25]。部分巖體在空間上完全取代煤層位置，或者引起地層大面積上拱而剝蝕形成無(wú)煤區(qū)[1-2,16]。巖墻巖脈在穿插中切割煤層，使煤層破壞，難以開采。大同煤田被煌斑巖酸性巖侵入的含煤地層出露面積達(dá)260km2(圖1)[24]。巖漿順頂?shù)装辶鲃?dòng)時(shí)，造成煤層被吞蝕，煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，頂?shù)装遄冇?，煤層灰分變大，甚至局部形成糜棱煤[注]山西煤田地質(zhì)局，山西省煤炭資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，1995年。。

圖1 大同煤田北部礦區(qū)巖漿巖分布區(qū)

3.2 對(duì)煤變質(zhì)的影響

山西的含煤地層，燕山期之前主要受深成變質(zhì)作用，燕山期之后由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿巖的侵入，含煤地層的古地溫逐漸升高，在深成變質(zhì)作用之上又疊加了區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用和區(qū)域性的接觸變質(zhì)作用[26-27]。河?xùn)|煤田紫金山巖體附近，煤層受侵入巖體影響，煤層鏡質(zhì)組反射率增高，向四周逐漸降低[28-29]。西山煤田燕山期狐偃山侵入巖體東側(cè)煤層發(fā)生接觸變質(zhì)作用，形成環(huán)帶狀的無(wú)煙煤、貧煤、瘦煤帶，局部形成天然焦，煤變質(zhì)帶寬2～4km[27]，煤級(jí)圍繞巖體呈環(huán)帶狀分布(圖2)?；粑髅禾锼荷?二峰山巖漿巖侵入含煤地層后，使煤層在較大面積內(nèi)形成高變質(zhì)帶，圍繞巖體煤類呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布[27]。除地表出露巖體外，塔兒山-二峰山的隱伏侵入巖體對(duì)煤層的影響更大(圖3)，隱伏巖體的大規(guī)模侵入造成地下大量無(wú)煤區(qū)和煤層結(jié)構(gòu)破壞。霍西煤田楊談勘查區(qū)內(nèi)，山西組、太原組煤層均不同程度地受到巖漿侵入影響，煤的變質(zhì)程度進(jìn)一步加深，局部變質(zhì)為熱變煤或天然焦[13]。沁水煤田陽(yáng)泉、晉城等地的高變質(zhì)煤也與巖漿活動(dòng)有關(guān)，巖漿熱液提高了煤的變質(zhì)程度[30]。接觸變質(zhì)會(huì)使煤粘結(jié)指數(shù)急劇降低，甚至喪失，氫含量降低，灰分增大，但接觸變質(zhì)影響范圍較小[1]，如大同煤田煌斑巖侵入巖脈兩側(cè)的煤層僅輕微變質(zhì)，數(shù)米之外即正常①山西煤田地質(zhì)局，山西省煤炭資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，1995年。。

圖2 西山煤田煤級(jí)分布圖

圖3 霍西煤田襄汾礦區(qū)巖漿巖與隱伏巖體分布圖

3.3 對(duì)煤層氣的影響

山西燕山期堿性—偏堿性侵入體是山西烴源巖巖漿熱變質(zhì)作用的重要熱源，對(duì)山西石炭-二疊紀(jì)煤層的生烴演化有重要影響[31]。臨縣紫金山巖漿熱力作用促進(jìn)了河?xùn)|煤田中部上古生界煤系烴源巖熱演化，促進(jìn)了煤發(fā)生二次生烴作用[28]，在巖體熱異常影響區(qū)塊，煤的煤層氣發(fā)生量顯著提高[32]。西山煤田狐偃山巖體也使得西山煤田西翼煤層普遍發(fā)生二次生氣，生氣量顯著增加[33]，巖漿活動(dòng)形成的大量煤層割理，也在一定程度上改造了煤儲(chǔ)層的物性條件[34]，在提高煤層變質(zhì)程度的基礎(chǔ)上，提高了煤層的滲透率，為煤層氣的富集創(chuàng)造條件。

3.4 對(duì)煤中微量元素的影響

巖漿燕山期巖漿熱液活動(dòng)對(duì)煤中微量元素的富集具有重要影響。西山煤田狐偃山巖漿熱液活動(dòng)使煤中Cl，Br等元素含量明顯增高，巖體周邊東塔礦區(qū)，在距離巖體5000m的煤中，氯含量高達(dá)1865μg/g[35]。河?xùn)|煤田紫金山巖體的活動(dòng)使得河?xùn)|煤田中部煤中Cl，Br，Se，Hg，Sb等揮發(fā)性元素的含量明顯增加[36]。

4 結(jié)論

山西含煤地層巖漿巖主要分為三疊紀(jì)晚期的煌斑巖體和白堊紀(jì)早期的堿性—偏堿性巖，前者產(chǎn)生于伸展構(gòu)造背景下，受區(qū)域深大斷裂控制，后者是華北克拉通東部早白堊紀(jì)巖石圈減薄，大規(guī)模巖漿活動(dòng)的結(jié)果。巖漿巖的大規(guī)模侵入破壞了煤層的穩(wěn)定性和連續(xù)性，造成了部分無(wú)煤區(qū)，降低了煤的工業(yè)利用價(jià)值，但煤系巖漿巖的侵入提高了地質(zhì)歷史時(shí)期的古地溫梯度和煤的區(qū)域熱變質(zhì)程度，促進(jìn)了煤層的二次生烴，提高了煤層滲透率。此外，巖漿活動(dòng)也影響了煤中微量元素，使部分微量元素明顯富集。