河南省石炭-二疊紀(jì)煤類分布及煤變質(zhì)特征

任聚奎，李明培，張正飛，宋建軍，王德偉，邵龍義

(1.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，鄭州 450052；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054；3.陜西投資集團(tuán)創(chuàng)新技術(shù)研究院有限公司，西安 710004；4.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院，鄭州 450000；5.河南省煤田地質(zhì)局，鄭州 450016；6.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

泥炭沉積之后，由于一系列地球動(dòng)力學(xué)作用，埋深逐漸加大，在溫度、時(shí)間和壓力的共同作用下，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)變化形成煤層。由于煤層對(duì)溫度和覆巖的壓力的敏感程度更高于圍巖，因此溫度、壓力隨時(shí)間的增加會(huì)繼續(xù)影響著煤層的變質(zhì)作用[1-2]。溫度對(duì)煤的變質(zhì)作用的影響總體表現(xiàn)為不同變質(zhì)程度煤的鏡質(zhì)組反射率值均隨溫度的升高而增大[3]。壓力對(duì)變質(zhì)作用的影響比較局限，不能控制煤的化學(xué)變化，但是可以促進(jìn)煤的物理結(jié)構(gòu)變化[4-6]，因此通常認(rèn)為壓力是煤變質(zhì)的次要因素，而且在煤的變質(zhì)階段只有動(dòng)壓力—即構(gòu)造引起的動(dòng)力變質(zhì)作用對(duì)煤的變質(zhì)有一定影響[7]，范圍也比較有限。時(shí)間因素是煤變質(zhì)過(guò)程持續(xù)性的重要要素，一般煤變質(zhì)作用持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，變質(zhì)程度可能逐步加大[8]。前人研究認(rèn)為，煤變質(zhì)程度是溫度和時(shí)間的函數(shù)，煤受短時(shí)間高溫作用和長(zhǎng)時(shí)間低溫作用可達(dá)到相同的變質(zhì)程度[9-11]，但一般情況煤變質(zhì)的溫度應(yīng)達(dá)到50～60℃。

河南省是我國(guó)中東部煤炭大省，石炭-二疊紀(jì)煤炭資源豐富，煤層經(jīng)歷了多期次、多種變質(zhì)作用，形成變質(zhì)程度高、煤質(zhì)優(yōu)良的煤炭資源[12-14]。前人對(duì)河南省石炭-二疊紀(jì)煤的變質(zhì)作用、煤類研究成果較多，多聚焦于特殊變質(zhì)作用對(duì)煤的變質(zhì)作用[15-18]，尚缺乏系統(tǒng)性的研究多種煤變質(zhì)作用的控制機(jī)理及其演化史。本文通過(guò)分析大量測(cè)試數(shù)據(jù)資料、野外勘探資料，利用計(jì)算機(jī)模擬等手段對(duì)石炭-二疊紀(jì)煤的變質(zhì)控制作用進(jìn)行了全面系統(tǒng)研究，以期摸清全省石炭-二疊紀(jì)煤的變質(zhì)演化面貌及其變質(zhì)演化規(guī)律，為煤田勘探和煤炭資源開(kāi)發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 分布特征

河南省煤類分布環(huán)帶特征明顯，其長(zhǎng)軸沿濟(jì)源、焦作、滎陽(yáng)、鄭州和永城一線近南東向展布，環(huán)帶中心大范圍為高變質(zhì)的無(wú)煙煤。無(wú)煙煤帶之外為向南北方向逐漸過(guò)渡為貧煤、瘦煤、焦煤等中等變質(zhì)的煙煤(圖1)。石炭-二疊紀(jì)煤的Ro,max亦呈環(huán)帶狀分布，與煤類分布規(guī)律類似，濟(jì)源、焦作、滎陽(yáng)、鄭州一帶變質(zhì)程度最高，Ro,max基本在2.0%以上，向南北及東部逐漸變低，且向南北方向減小的幅度明顯高于向東減小的幅度。

圖1 河南省石炭-二疊紀(jì)煤類及鏡質(zhì)組最大組反射率分布

由于各煤田在煤的變質(zhì)過(guò)程中，其地質(zhì)歷史發(fā)展和熱演化不盡相同，致使石炭-二疊紀(jì)煤類又表現(xiàn)出不均衡性分布的規(guī)律。比較典型的是受構(gòu)造、熱液作用，陜澠、宜洛、登封、汝州一帶煤變質(zhì)程度急劇變化，河南省西南—南部宜洛、平頂山、確山等煤田還有零星無(wú)煙煤，永夏煤田受巖漿熱液侵入，部分地區(qū)煤層已變質(zhì)為天然焦。

2 煤的沉積埋藏史與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史

煤的變質(zhì)演化可以認(rèn)為是煤的熱演化，它與煤的沉積埋藏史和區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史有著密切的成因聯(lián)系[19-21]。河南省地質(zhì)發(fā)展史與華北有相似之處，又有特殊的方面，成煤盆地輪廓是前古生代華北板塊基底輪廓，在整個(gè)古生代基本處于穩(wěn)定發(fā)展階段，中生代又進(jìn)入活化階段。

2.1 沉積埋藏史

在沉積盆地演化史分析中，地層剝蝕厚度的準(zhǔn)確性計(jì)算是重建埋藏史的重點(diǎn)和難點(diǎn)[22-23]。研究煤層的沉積埋藏史，就需要弄清楚各時(shí)代地層沉積的原始厚度，特別是煤系上覆三疊系厚度?？紤]到石炭-二疊系為連續(xù)沉積，原始沉積速率較高，期間構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和差異升降作用較弱，具有沉積厚度穩(wěn)定和分布廣泛的特點(diǎn)，且?guī)r煤層標(biāo)志層明顯，本文采用地層厚度趨勢(shì)法，并結(jié)合沉積速率法等對(duì)三疊系原始地層厚度進(jìn)行了恢復(fù)(圖2)?？芍?，三疊系沉積期滎鞏偃龍濟(jì)源克井一帶為沉積中心，三疊系厚度表現(xiàn)為南北相對(duì)較薄，中部近南東向較厚，呈近似對(duì)稱分布趨勢(shì)。

圖2 河南省三疊系原始厚度等值線

為了形象的分析和表達(dá)煤層的埋藏史，研究繪制了煤的埋藏史曲線圖。圖3中實(shí)線曲線代表了印支期抬升型，石炭-二疊紀(jì)為煤層埋藏期，沉積作用持續(xù)進(jìn)行，埋藏深度逐漸加大，三疊紀(jì)末期達(dá)到最大埋深，印支期遭受抬升剝蝕，埋藏深度逐漸變小，沉積埋藏期相對(duì)較短。圖3中虛線曲線代表燕山期抬升型，其沉積埋藏期直至白堊紀(jì)早期，達(dá)到了最大埋深，燕山期才結(jié)束下沉埋藏史，轉(zhuǎn)為抬升剝蝕期，其埋深時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，濟(jì)源煤田的克井、焦作西南沁陽(yáng)礦區(qū)屬于這種類型。

實(shí)線為宜洛煤田宜洛礦區(qū)埋藏曲線虛線為濟(jì)源煤田克井礦區(qū)埋藏曲線

根據(jù)區(qū)域沉積-構(gòu)造背景，河南省石炭-二疊系及上覆蓋層的沉積類型可劃分為低位沉積和高位沉積。低位沉積以區(qū)域內(nèi)地殼垂直升降運(yùn)動(dòng)為背景，沉降速度相對(duì)較慢，河南省多數(shù)煤田屬于此種類型。高位沉積是由地殼發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)，使地形相對(duì)起伏，高差增大，其特征是沉積速度快，但沉積作用的發(fā)生并不意味著基底下沉，沉積厚度也不代表基底下沉深度，對(duì)促進(jìn)煤的變質(zhì)作用意義相對(duì)較小。

2.2 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史

河南省地跨華北板塊和秦嶺褶皺系兩個(gè)大地構(gòu)造單元，石炭-二疊系僅分布于華北板塊區(qū)域[24]。自寒武紀(jì)開(kāi)始，該區(qū)域進(jìn)入古板塊形成演化的穩(wěn)定發(fā)展階段，地殼穩(wěn)定下沉，接受碳酸鹽巖為主的淺海沉積，中奧陶世發(fā)生加里東運(yùn)動(dòng)，華北地區(qū)整體抬升，遭受剝蝕。海西運(yùn)動(dòng)期，華北板塊地殼又整體下沉，并多次發(fā)生海侵、海退，形成了石炭-二疊系連續(xù)的海陸交互相含煤巖系。進(jìn)入中生代以后，華北板塊進(jìn)入活動(dòng)大陸邊緣與板內(nèi)構(gòu)造演化階段，其特征是全區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不均衡，升降分異明顯并伴有強(qiáng)烈的巖漿熱液活動(dòng)，特別是從燕山運(yùn)動(dòng)開(kāi)始，華北板塊的大地構(gòu)造格局由南北分異轉(zhuǎn)化為東西分異，中生代以前的蓋層發(fā)生褶皺和強(qiáng)烈的斷塊運(yùn)動(dòng)，形成華北斷坳并卷入我國(guó)東部大陸活動(dòng)邊緣，基本形成了現(xiàn)今的構(gòu)造面貌。這既是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史、沉積埋藏史及煤熱演化從均衡演化轉(zhuǎn)為差異演化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是地史上的一次重大熱事件，其后的喜山運(yùn)動(dòng)繼承了燕山運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使斷塊和沉積分異更為明顯。

3 煤的變質(zhì)作用

3.1 深成變質(zhì)作用

3.1.1 深成變質(zhì)作用演化

河南省石炭-二疊紀(jì)煤系形成過(guò)程中，聚煤盆地基地不斷沉降，該過(guò)程已在前述沉積埋藏史中論述。隨著埋藏深度的增加，即使在地溫梯度未發(fā)生異常情況下，地溫也會(huì)逐漸增大，加之上覆巖層靜壓力增加。在較高的地溫和壓力下，煤層普遍發(fā)生深成變質(zhì)作用，這在整個(gè)華北地區(qū)也是普遍存在的變質(zhì)現(xiàn)象。煤的鏡質(zhì)組反射率數(shù)值模擬和沉積埋藏史可以顯示石炭-二疊紀(jì)煤的變質(zhì)過(guò)程。

煤系剖面上，煤的變質(zhì)程度隨著煤層層位的降低而增高，表現(xiàn)為煤的揮發(fā)分自上而下有規(guī)律地降低，鏡質(zhì)組反射率則自上而下逐漸升高(表1)。

表1 河南省不同礦區(qū)主要煤層的揮發(fā)分及鏡質(zhì)組反射率變化

利用古地溫、原始地層厚度等數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬計(jì)算各地區(qū)不同時(shí)代煤層熱演化的成熟度指標(biāo)TTI和變質(zhì)程度指標(biāo)Ro，得出河南省各石炭-二疊紀(jì)煤田不同地質(zhì)時(shí)期二1煤變質(zhì)程度結(jié)果，并與現(xiàn)今反射率測(cè)試結(jié)果對(duì)比(表2)，可知：二疊紀(jì)末期河南省二1煤的反射率多在0.5%以下，煤的變質(zhì)程度僅達(dá)褐煤階段。至三疊紀(jì)末，二1煤已普遍達(dá)到低級(jí)煙煤或高級(jí)煙煤，此時(shí)河南省大部分區(qū)域石炭-二疊紀(jì)煤的埋深已經(jīng)達(dá)到最大深度。埋藏最深的濟(jì)源煤田克井礦區(qū)則率先進(jìn)入了無(wú)煙煤階段，反射率達(dá)2.69%。侏羅紀(jì)末期，各石炭-二疊紀(jì)煤田煤變質(zhì)演化的差距進(jìn)一步被拉開(kāi)，出現(xiàn)了低級(jí)煙煤、高級(jí)煙煤、無(wú)煙煤并存的景象。此時(shí)克井礦區(qū)煤變質(zhì)程度已達(dá)到超級(jí)無(wú)煙煤，其反射率為4.34%。周邊的偃龍、滎鞏和焦作煤田西部的二1煤幾乎均達(dá)到無(wú)煙煤階段。

表2 石炭-二疊紀(jì)煤在不同地質(zhì)時(shí)期的鏡質(zhì)組反射率模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)今測(cè)試結(jié)果對(duì)比(單位：%)

3.1.2 主要煤變質(zhì)時(shí)期

由表2可知，三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)煤的鏡質(zhì)組最大反射率值增幅相對(duì)較大，其次為二疊紀(jì)，白堊紀(jì)煤的變質(zhì)作用基本停滯。這表明深成變質(zhì)作用對(duì)石炭-二疊紀(jì)煤的變質(zhì)控制作用主要發(fā)生在三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)，其次為二疊紀(jì)，其變質(zhì)演化史在侏羅紀(jì)末期已基本結(jié)束，其后的變質(zhì)作用非常微弱。

除偃龍、滎鞏、濟(jì)源、焦作、鶴壁(包括安陽(yáng))和永夏6個(gè)煤田的實(shí)測(cè)值大于模擬的Ro值外，其他區(qū)域?qū)崪y(cè)值均小于模擬值，且差值變化范圍較小。由此推斷：深成變質(zhì)作用在煤的整個(gè)演化進(jìn)程中起主導(dǎo)作用。上述六個(gè)煤田在侏羅紀(jì)末期深成變質(zhì)作用結(jié)束之后，可能又有新的較強(qiáng)的變質(zhì)作用發(fā)生，使煤的演化進(jìn)程繼續(xù)向前推進(jìn)。而其余各石炭-二疊紀(jì)煤田煤變質(zhì)程度則基本是單一的深成質(zhì)作用控制的結(jié)果，即使其后存在其他新的變質(zhì)作用，其影響程度也非常輕微[25-26]。

3.2 動(dòng)力變質(zhì)作用

主要表現(xiàn)為滑動(dòng)型構(gòu)造應(yīng)力變質(zhì)作用，即滑動(dòng)構(gòu)造引起煤的變質(zhì)[27]。在新密、登封、滎鞏和偃龍等煤田表現(xiàn)明顯?；瑒?dòng)構(gòu)造是豫西地區(qū)廣泛發(fā)育的一種特殊斷層構(gòu)造樣式，可分為滎陽(yáng)型和盧店型兩種。因其具有多期次活動(dòng)，斷層面(滑面)傾角平緩，且多沿二1煤層發(fā)育等特點(diǎn)，故對(duì)該煤層的變質(zhì)有較大作用，一般導(dǎo)致滑面之下各煤層間的變質(zhì)梯度出現(xiàn)負(fù)值，即負(fù)梯度。

以新密煤田任崗井田為例，該井田位于滎密復(fù)式背斜東南翼，含煤面積3.8km2，井田中西部發(fā)育一滑動(dòng)構(gòu)造(F6)，致使井田內(nèi)煤的變質(zhì)梯度出現(xiàn)兩個(gè)截然不同的分區(qū)(表3)。井田東部，因不受滑動(dòng)構(gòu)造影響，二1煤揮發(fā)分均大于一1煤，煤的變質(zhì)規(guī)律符合希爾特定律，為正的變質(zhì)梯度區(qū)，而在井田的中西部，由于滑動(dòng)構(gòu)造發(fā)育，產(chǎn)生滑動(dòng)變質(zhì)作用，造成這一區(qū)段二1煤揮發(fā)分明顯減小，其值均小于一1煤，在該區(qū)段煤變質(zhì)規(guī)律與希爾特定律明顯不符，出現(xiàn)負(fù)變質(zhì)梯度區(qū)。

表3 新密煤田任崗井田揮發(fā)分統(tǒng)計(jì)表

滑動(dòng)變質(zhì)作用由于強(qiáng)度不大，作用時(shí)間較短，且多發(fā)生在燕山期以后，因此這種后期變質(zhì)作用對(duì)已經(jīng)達(dá)到較高變質(zhì)程度的煤層來(lái)說(shuō)，尚難以使其變質(zhì)程度進(jìn)一步明顯增大。

3.3 接觸變質(zhì)作用

主要是燕山期巖漿巖侵入活動(dòng)所致，天然焦是接觸變質(zhì)作用特有產(chǎn)物。河南省的安鶴、永夏、確山、臨汝及陜澠煤田都有巖漿巖侵入，尤其是安陽(yáng)和永夏兩個(gè)煤田最明顯，影響范圍較廣，強(qiáng)烈的改變了區(qū)域內(nèi)原有的煤變質(zhì)面貌。

安陽(yáng)煤田沿礦區(qū)西部的煤層露頭，北自積善礦，南止王家?guī)X礦，在長(zhǎng)24km，寬約6km的區(qū)域內(nèi)，巖體斷續(xù)出露，是巖漿強(qiáng)烈活動(dòng)地區(qū)，侵入層位多為奧陶系，亦見(jiàn)直接侵入二1煤層，使得煤田大致呈東西向展布的煤變質(zhì)帶在淺部轉(zhuǎn)成近南北向，形成了以巖體為核心，由天然焦、無(wú)煙煤、貧煤等組成的環(huán)狀變質(zhì)帶。環(huán)帶內(nèi)煤變質(zhì)程度由里到外，由西向東逐漸降低，但范圍不大，煤田中深部煤層仍保留著深成變質(zhì)作用的原有特征。

在永夏煤田，巖漿巖侵入層位多在奧陶系和石炭-二疊系，尤其沿煤層頂、中、底順層侵入最為常見(jiàn)，致使該區(qū)主要可采二1煤層大面積變質(zhì)為天然焦和無(wú)煙煤，成為河南省最大的天然焦賦存區(qū)。該區(qū)與巖體接觸處的煤質(zhì)大都強(qiáng)烈變質(zhì)而成為天然焦，再遠(yuǎn)則出現(xiàn)無(wú)煙煤和貧煤，同一煤層巖漿巖侵入層位不同，對(duì)煤變質(zhì)的影響程度也有一定差異。當(dāng)巖漿沿煤層底部侵入，其上部煤層全部變?yōu)樘烊唤?，直至被巖漿巖全部替代。當(dāng)巖漿沿頂部或中部侵入時(shí)，煤層與巖體接觸處形成天然焦，稍遠(yuǎn)即轉(zhuǎn)正常，部分地區(qū)巖漿巖與煤層有接觸，但也沒(méi)有天然焦形成，說(shuō)明巖漿的熱量向下作用的距離較近，范圍有限。圖4為永夏煤田巖漿巖侵入類型及其變質(zhì)產(chǎn)物示意圖。因此，接觸變質(zhì)作用只能使局部煤的變質(zhì)程度在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，產(chǎn)生新的煤類分帶，但影響范圍和程度都有一定局限性，在河南省煤變質(zhì)總體高水平背景下，對(duì)煤的變質(zhì)作用影響較小。

圖4 永夏煤田巖漿巖侵入類型示意圖

3.4 區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用

從現(xiàn)有勘探資料、區(qū)域研究成果看，河南省石炭-二疊紀(jì)煤的區(qū)域巖漿熱液變質(zhì)作用主要有兩種類型：以氣液對(duì)流、循環(huán)方式的氣水熱液變質(zhì)型和以巖層熱傳導(dǎo)方式的正常區(qū)域巖漿熱變質(zhì)型[28]。

3.4.1 氣水熱液變質(zhì)作用

氣水熱液是大氣降水、地下水循環(huán)到一定深度(幾公里至幾十公里)被加熱后，形成的以H2O為主并含有Cl、S等多種揮發(fā)性元素及成礦元素的一種氣態(tài)和液態(tài)溶液。因其溫度較高(數(shù)十度至數(shù)百度)，且活動(dòng)能力較強(qiáng)。氣水熱液對(duì)局部煤層的變質(zhì)作用影響較大，多形成“超無(wú)煙煤”，圖5為燕山期氣水熱液循環(huán)示意圖。河南省“超無(wú)煙煤”分布區(qū)內(nèi)氣水熱液活動(dòng)劇烈，主要有下述表現(xiàn)：

圖5 燕山期氣水熱液循環(huán)示意圖

1)煤層及其圍巖中普遍發(fā)育氣水熱液活動(dòng)產(chǎn)生的脈石礦物。其中石英脈和方解石脈最為常見(jiàn)，亦有菱鐵礦和菱鐵脈等。它們與巖層、煤層以各種角度相交，沿裂隙填充，邊緣平整，與圍巖有截然分界，寬度多為1cm左右，熱液成因特征明顯。

2)圍巖蝕變嚴(yán)重，常見(jiàn)的是綠泥石化和葉蠟石化，呈薄膜狀和脈狀黏土礦物出現(xiàn)在泥巖和砂質(zhì)泥巖中。亦有少量金屬礦化現(xiàn)象，在SiO2和CaCO3脈石內(nèi)有斑點(diǎn)狀和浸染狀黃鐵礦和閃鋅礦，且晶型較好。

3)煤中各項(xiàng)異性石炭比較發(fā)育，有鑲嵌結(jié)構(gòu)體，纖維狀體，基礎(chǔ)各向異性體及中間相小球體。

4)煤孔隙周圍只有顯微接觸變質(zhì)現(xiàn)象，既熱流順巖、煤層孔隙上升，與孔隙內(nèi)壁接觸，在其外圍形成“焦雛”等各向異性體，呈現(xiàn)接觸變質(zhì)微象。

3.4.2 熱傳導(dǎo)區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用

主要指巖漿熱以傳導(dǎo)方式使古地溫升高而使煤變質(zhì)的變質(zhì)作用。河南省石炭-二疊紀(jì)煤的巖漿熱變質(zhì)作用影響著河南省大部分地區(qū)的煤變質(zhì)，出現(xiàn)煤級(jí)分帶現(xiàn)象。該變質(zhì)作用影響的區(qū)域主要包括濟(jì)源、焦作、偃龍、滎鞏、登封、新密及禹州等煤田，為深部巖漿熱傳導(dǎo)使得煤層變質(zhì)[28]。另外，在河南省東部永夏煤田，區(qū)域接觸變質(zhì)作用普遍，但在局部未受巖漿直接影響的地區(qū)存在區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用。

4 結(jié)論

1)河南省石炭-二疊紀(jì)煤變質(zhì)程度總體較高，以焦煤-無(wú)煙煤為主。在總體高變質(zhì)背景下，河南省南北變質(zhì)程度相對(duì)淺，煤類以焦煤和瘦煤為主；中部南東向變質(zhì)程度較深，煤類以無(wú)煙煤為主。煤的變質(zhì)程度以及煤類分布近似呈環(huán)帶狀分布。

2)煤的變質(zhì)作用類型包括深成變質(zhì)作用、動(dòng)力變質(zhì)作用、接觸變質(zhì)作用和區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用。深成變質(zhì)作用對(duì)石炭-二疊紀(jì)煤的變質(zhì)過(guò)程中具有普遍控制作用，是形成河南省石炭-二疊紀(jì)煤高變質(zhì)背景的主控變質(zhì)作用，塑造了河南省煤類和煤變質(zhì)程度帶狀分布的基本面貌。

3)煤的變質(zhì)作用演化的主要時(shí)期是印支期-燕山期，印支期三疊紀(jì)沉降作用最強(qiáng)，深成變質(zhì)作用強(qiáng)烈；燕山期侏羅紀(jì)處于高溫低壓帶，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，區(qū)域巖漿變質(zhì)作用的疊加，使煤級(jí)劇增。其次為二疊紀(jì)；其演化歷史在侏羅紀(jì)末期已基本結(jié)束，其后的變質(zhì)作用非常微弱。