湖南寒婆坳礦區(qū)煤層夾矸的巖石礦物特征及其地質(zhì)意義

李煥同，張衛(wèi)國，王 楠，潘彥寧，陳應(yīng)濤

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤層夾矸是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色砂、泥質(zhì)巖石，呈透鏡體狀、似層狀或?qū)訝?，使煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化及灰分增高，會(huì)給工業(yè)開采帶來一定困難，通常用作發(fā)電、制造建筑材料、陶瓷、耐火材料或直接井下充填等。一定范圍內(nèi)穩(wěn)定展布的煤層夾矸層可作為可靠的標(biāo)志層幫助煤層對比，為恢復(fù)聚煤期古地理、沉積特征提供依據(jù)，并且之中的黏土礦物在成巖過程中對低溫低壓敏感，其成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、共存礦物等標(biāo)型特征可反映成煤期后的變形環(huán)境，如利用伊利石結(jié)晶度、多型等[1-4]定性或半定量的地質(zhì)溫度計(jì)估算溫度值，利用伊利石b0值分析變形環(huán)境中的壓力條件；黏土礦物隨著溫、壓力等環(huán)境的轉(zhuǎn)變?nèi)缤褐杏袡C(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化一樣是不可逆轉(zhuǎn)的[5]，因此其特征可作為指示有機(jī)質(zhì)成熟度的重要標(biāo)志。煤同樣對成煤期后的物理化學(xué)條件的變化特別敏感[6-9]，其有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)演化受溫度、變質(zhì)壓力(尤其是剪應(yīng)力)、變質(zhì)持續(xù)時(shí)間、礦物質(zhì)催化、流體成分和成煤原始物質(zhì)等的綜合影響[7,10-11]，趨勢是增碳、脫氫氧、結(jié)構(gòu)有序化程度逐漸提高[12]。不同變質(zhì)溫度條件下，有機(jī)質(zhì)或炭質(zhì)物具有不同的拉曼光譜吸收譜帶，利用該技術(shù)檢測炭質(zhì)物的結(jié)晶度，并利用炭質(zhì)物拉曼光譜溫度計(jì)[13]反演不同變質(zhì)類型煤的形成溫度。

有機(jī)質(zhì)的演化路徑受溫度、壓力、流體及礦物催化等多種因素影響，尤其是溫度和壓力為最重要的因素。然而，不同地區(qū)的構(gòu)造-熱作用具有差異性，以致在對比有機(jī)質(zhì)演化不同控制因素的貢獻(xiàn)程度時(shí)存在一定難度，但是某一地區(qū)特定背景下有機(jī)質(zhì)演化的控制因素(如溫度、壓力)可經(jīng)過多方面證據(jù)逐一核實(shí)。因此，筆者研究了雪峰山構(gòu)造帶東緣寒婆坳礦區(qū)下古生界測水煤層夾矸顯微構(gòu)造特征、黏土礦物伊利石結(jié)晶度、煤中鏡質(zhì)體反射率及激光拉曼光譜地質(zhì)溫度計(jì)，探討了巖漿熱變質(zhì)作用下煤層夾矸中礦物反映的溫壓環(huán)境的地質(zhì)意義，研究天龍山巖體侵入引起煤系變質(zhì)作用強(qiáng)度和規(guī)律，為本地區(qū)高煤級煤分級分質(zhì)利用、煤炭由燃料向工業(yè)原料轉(zhuǎn)變提供支持。

1 樣品來源與測試

樣品采自湖南寒婆坳礦區(qū)稠木煤礦、勝利煤礦、稗沖煤礦和石巷里煤礦3、5號煤層及夾矸(編號為g-CM、g-SL、g-BC、g-SXL3、g-SXL5)，均為井下采樣，采集后及時(shí)裝入塑料樣袋中封存，避免污染。煤樣依據(jù)GB/T 212—2008、GB/T 31391—2015和GB/T 6948—2008分別進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、鏡質(zhì)體反射率測定。

利用偏光顯微鏡進(jìn)行了顯微構(gòu)造現(xiàn)象的觀測與拍照；煤層夾矸樣品在室內(nèi)自然溫度下經(jīng)空氣干燥，然后選擇適量樣品粉碎過篩至200目(0.074 mm)以下，同時(shí)與脫礦煤粉樣品，分別采用MSAL - XD2X射線衍射儀獲取相應(yīng)譜圖，測試條件為Cu靶，K輻射，管流30 mA，發(fā)散狹縫1 mm，接收狹縫0.30 mm，步進(jìn)式掃描，步寬0.02°，掃描速度2(°)/min，掃描范圍為5°～70° 。采用LabRam HR Evolution型光譜儀對脫礦煤粉進(jìn)行Raman測試，Ar+激發(fā)，激光波長532 nm，掃描范圍400～4 000 cm-1，由于煤的非均質(zhì)性，每次測試都在煤粉樣的6個(gè)不同位置進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖石礦物學(xué)特征

2.1.1 巖石學(xué)特征

寒婆坳礦區(qū)測水組煤層中夾矸的主要巖石類型為泥巖、炭質(zhì)泥巖(圖1a、圖1b)和砂質(zhì)泥巖(圖1c、圖1d)，顏色為黑灰色，薄-中厚層狀，致密硬實(shí)，層理較發(fā)育，層面上含稀疏植物化石碎屑。在花崗巖體侵入的熱變質(zhì)作用和定向應(yīng)力影響下，隨著向巖體接近，在強(qiáng)應(yīng)變下巖石中礦物旋轉(zhuǎn)定向(圖1a、圖1c)；重結(jié)晶過程未達(dá)到充分平衡時(shí)，僅部分礦物重結(jié)晶，形成紅柱石(空晶石)(圖1b)，殘留炭質(zhì)包裹體呈帶狀或面狀分布，熱峰后退變質(zhì)表現(xiàn)為紅柱石絹云母化；高溫環(huán)境中，石英晶粒不規(guī)則邊界會(huì)逐漸變直，顆粒粒徑增大，靜態(tài)恢復(fù)重結(jié)晶使石英顆粒呈現(xiàn)六邊形鑲嵌結(jié)構(gòu)(圖1d 左上)；同時(shí)，靠近巖體的煤層轉(zhuǎn)變成無煙煤-半石墨，直至隱晶質(zhì)石墨。煤系中泥質(zhì)類巖石形成紅柱石(空晶石)等各類角巖，所需的溫、壓條件中，較主要的還是較高的受熱條件。

圖1 煤層夾矸顯微鏡下典型照片(正交偏光)

2.1.2 礦物學(xué)特征

天龍山巖體侵位引起煤系強(qiáng)烈變形、變質(zhì)，同時(shí)使其圍巖發(fā)生熱變質(zhì)作用，形成綠泥石帶、紅柱石(空晶石)帶等不同程度的變質(zhì)帶，煤層夾矸中主要礦物成分為黏土礦物(伊利石)、石英及炭質(zhì)，另外還有少量電氣石、白云石和菱鐵礦等(表1，圖2)；黏土礦物以伊利石(白云母)、綠泥石、葉蠟石為主，含有少量綠泥石、云母、高嶺石。根據(jù)黏土礦物和脆性礦物的含量將煤層夾矸劃分為泥(頁)巖(石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)<25%)、砂質(zhì)泥(頁)巖(石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為35%～75%)，變質(zhì)作用開始后變?yōu)榘鍘r和千枚巖，如變形巖石中石英常表現(xiàn)為剛性(圖1a)，黏土礦物和炭質(zhì)作為塑性基質(zhì)常通過粒間滑移構(gòu)成條帶狀構(gòu)造(圖1c)，石英顆粒波狀消光、變形紋、剪裂紋等較發(fā)育(圖1d)，反映一定程度上構(gòu)造應(yīng)力使巖石內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，變形環(huán)境總體上屬于低溫低壓的脆性-韌脆性構(gòu)造域。

表1 煤層夾矸中礦物含量特征

伊利石是一種含鉀、硅和鋁的含羥基層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，通常與白云母相似，大多數(shù)是2∶1型結(jié)構(gòu)單元層的二八面體類型，并已被證實(shí)有2M1、1M、1Md和3T等多型，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為KAl2[(Si，Al)4O10]·(OH)2·nH2O。X射線衍射圖中(圖2a)，伊利石d001=9.98～10.19×10-1nm，其他衍射峰也很明顯。在沉積盆地或淺變質(zhì)巖區(qū)，伊利石可為物源區(qū)原生沉積，或由蒙脫石、高嶺石在富鉀、堿性條件下轉(zhuǎn)變而成[5,14]，伊利石結(jié)晶程度取決于伊利石形成的古溫度、壓力、化學(xué)環(huán)境及生長時(shí)間等，但溫度起決定性作用。而且隨埋藏深度或者古地溫增加，伊利石(001)峰峰形變窄、趨于對稱，不規(guī)則肩峰(γ峰)則逐漸收縮(圖2b,圖2c)，反映無序度減小，而研究區(qū)伊利石結(jié)晶度均小于0.25 °△2θ，屬于低級變質(zhì)帶，靠近巖體的石巷里煤層夾矸中伊利石結(jié)晶度最好，KI=0.090 9°△2θ(表2)。

葉蠟石一種結(jié)晶結(jié)構(gòu)為2∶1型的層狀含羥基鋁硅酸鹽礦物，晶體有2M、1T等多型變體，理想結(jié)構(gòu)式為Al2Si4O10(OH)2。X射線衍射圖中(圖2a)，煤層夾矸中葉蠟石的d001=9.21～9.23×10-1nm。通常煤系中葉蠟石出現(xiàn)與低級變質(zhì)作用有關(guān)，葉蠟石的形成溫度(300 ℃)高于伊利石，在華北石炭二疊紀(jì)煤系的太原西山、豫西及北京門頭溝等均有報(bào)道[14-16]。葉蠟石的形成原因與熱液交代作用、受熱接觸變質(zhì)作用或動(dòng)力變質(zhì)作用相關(guān)[15]，但是寒婆坳礦區(qū)煤層中未見巖漿侵入，從而排除熱液交代作用，同時(shí)煤層夾矸中發(fā)現(xiàn)紅柱石(空晶石)等熱接觸變質(zhì)礦物，由此認(rèn)為葉蠟石形成與受熱接觸變質(zhì)密切相關(guān)，是硅鋁酸鹽礦物在溫度壓力增高的硅化脫水而成。

圖2 寒婆坳礦區(qū)煤層夾矸XRD譜圖

2.2 煤層夾矸中伊利石結(jié)晶度、多型、b0的地質(zhì)意義

伊利石結(jié)晶度研究包括晶體結(jié)構(gòu)的完整程度，以及結(jié)構(gòu)中原子或離子在三度空間上的延展和有序性，一些學(xué)者利用伊利石結(jié)晶度與其形成溫度之間的關(guān)系提出了成巖-極低級變質(zhì)作用的劃分方案[2,17]：即晚期成巖帶(高級成巖帶)的伊利石結(jié)晶度為1.0°～0.42°△2θ，溫度上限200 ℃；低級近變質(zhì)帶(極低級變質(zhì)帶Ⅰ)的伊利石結(jié)晶度在0.42°～0.30°△2θ；高級近變質(zhì)帶(極低級變質(zhì)帶Ⅱ)的伊利石結(jié)晶度變化于0.30°～0.25°△2θ，溫度上限300～350 ℃；淺變質(zhì)帶的伊利石結(jié)晶度<0.25°△2θ，溫度下限350 ℃。由表2可知，伊利石結(jié)晶度變化于0.140 6°～0.090 9°△2θ之間，平均值0.119 5°△2θ，石巷里煤礦煤層夾矸變形相對強(qiáng)烈，反映熱變質(zhì)對伊利石結(jié)晶度的較大影響，其伊利石結(jié)晶度為0.090 9°△2θ。按照成巖-極低級變質(zhì)作用的劃分方案[2,17]，表明研究區(qū)變質(zhì)溫度高于350 ℃，早古生代測水組煤系屬于低級變質(zhì)帶，伊利石結(jié)晶度依次升高：g-CM→g-SL→g-BC→g-SXL3→g-SXL5。

表2 寒婆坳礦區(qū)煤層夾矸伊利石(白云母)XRD參數(shù)

伊利石(白云母)多型是結(jié)構(gòu)單元層的疊置方式不同而形成的變體，每一種多型成分相同，晶體結(jié)構(gòu)有差異。2M1型伊利石，在d006=3.36×10-1nm衍射峰兩側(cè)，還有3.88、3.65、3.10、2.86和2.57×10-1nm等7條清晰的衍射峰，而1M型伊利石，在d003=3.33×10-1nm衍射峰兩側(cè)只有對稱的3.62和3.08×10-1nm兩個(gè)衍射峰。伊利石(白云母)多型與形成時(shí)的古溫度、壓力等因素密切相關(guān)。伊利石(白云母)1Md多型，經(jīng)常出現(xiàn)在晚期成巖帶，形成溫度一般小于200 ℃[17]；2M1多型，多為極低級變質(zhì)作用的產(chǎn)物，形成溫度一般大于200 ℃，寒坡坳礦區(qū)煤層夾石中伊利石(白云母)多型均為2M1多型，堆垛高度Lc為566.89～876.83×10-1nm，平均層數(shù)N為56.62～88.86，反映形成時(shí)的古溫度相對較高，在200 ℃以上，屬于近變質(zhì)帶-淺變質(zhì)帶的產(chǎn)物，這同伊利石結(jié)晶度的研究結(jié)果一致。

伊利石(白云母)可以作為一種應(yīng)力礦物應(yīng)用在成巖-極低變質(zhì)作用研究中，其單位晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)b0值作為巖體形成應(yīng)力的函數(shù)[1,4]。根據(jù)伊利石(白云母)b0值的大小[1]，將應(yīng)力劃分成3個(gè)系列：b0<9.000 0×10-1nm，為低壓相；9.000 0×10-1nm9.040 0×10-1nm，屬中壓相；b0>9.040 0×10-1nm，是高壓相。研究區(qū)伊利石(白云母)b0值分布于8.883 6～9.030 5×10-1nm，平均值9.019×10-1nm，表明區(qū)內(nèi)早古生代地層的變質(zhì)壓力屬于低-中壓的環(huán)境，而且僅有g(shù)-SXL5樣品b0值偏高，其余與構(gòu)造巖組研究顯示區(qū)域上的低壓環(huán)境相一致。

2.3 煤變質(zhì)程度與煤層夾矸礦物特征的關(guān)系

煤樣根據(jù)GB/T 5751—2009中國煤炭分類，屬于無煙煤二號，其鏡質(zhì)體最大反射率(Rmax)變化于5.46%～7.89%(表3)，平均值6.51%，根據(jù)ISO 11760:2005 (E) 分類，煤級處于高階無煙煤階段。鏡質(zhì)組反射率是公認(rèn)的反映沉積有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度的指標(biāo)，亦是煤化作用階段的劃分和對比的重要指標(biāo)，由于芳環(huán)結(jié)構(gòu)縮合和締合形成芳香層片密集單元使反射率升高，并保持連續(xù)不可逆的變化，所以可記錄地質(zhì)歷史時(shí)期有機(jī)質(zhì)遭受的變質(zhì)溫度。一般認(rèn)為淺變質(zhì)帶Ro(鏡質(zhì)組反射率)>4.0 %，溫度大于300～350 ℃[17]，因此可定性地描述鏡質(zhì)體反射率與古地溫(極低級變質(zhì)作用)的關(guān)系。又如利用鏡質(zhì)組反射率地質(zhì)溫度計(jì)式lnRo=0.007 8Tmax-1.2，來估算最大的古地溫[18]，由此式，可計(jì)算得出研究區(qū)煤層所遭受的變質(zhì)溫度為373～419 ℃(圖3)，因而形成煤系石墨的溫度應(yīng)在410 ℃以上。由鏡質(zhì)組反射率地質(zhì)溫度計(jì)估算的溫度值與伊利石結(jié)晶度正相關(guān)，同時(shí)與其反應(yīng)的變質(zhì)溫度一致。

表3 寒婆坳礦區(qū)煤樣綜合測試成果[7-8]

采用研究區(qū)煤樣有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的拉曼光譜參數(shù)[7,9]，根據(jù)拉曼光譜地質(zhì)溫度計(jì)式T=221Z22-637.1Z2+672.3[3]，其中Z2=D1/(G+D1+D2)area，Z2為中間參數(shù)代號，D1，G、D2為拉曼光譜擬合分峰。估算寒婆坳礦區(qū)煤層的變質(zhì)古地溫為312～480 ℃，其中石巷里煤礦煤層的變質(zhì)溫度要遠(yuǎn)大于利用鏡質(zhì)組反射率溫度計(jì)估算結(jié)果，同時(shí)PRESSWOOD等[19]利用式InRo=0.007 8Tmax-1.2估算巖漿侵入影響煤樣的變質(zhì)溫度時(shí)，亦發(fā)現(xiàn)由鏡質(zhì)體反射率溫度計(jì)估算值偏低，這種情況在一定程度上也可以理解為在巖體侵位的熱變質(zhì)作用下形成煤系石墨時(shí)，有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的躍變(拉曼參數(shù)等)要優(yōu)先于物理參數(shù)Rm的變化。綜合研究區(qū)巖石特征、礦物特征、鏡質(zhì)組反射率和拉曼參數(shù)等研究，可推斷煤系石墨的變質(zhì)溫度應(yīng)為400～500 ℃或更高(圖3)。

T1—鏡質(zhì)組反射率地質(zhì)溫度計(jì)；T2—拉曼光譜地質(zhì)溫度計(jì)；Ⅰ—石墨；Ⅱ—半石墨；Ⅲ—超無煙煤；Ⅳ—無煙煤

煤是一種短程有序、長程無序的非晶態(tài)物質(zhì)，其對應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的作用敏感，隨著變質(zhì)程度增高，煤的基本結(jié)構(gòu)單元線度持續(xù)增大，面網(wǎng)間距d002持續(xù)減小，一般采用結(jié)構(gòu)參數(shù)d002劃分石墨(d002<0.338 nm)、半石墨(0.338 nm≤d002≤0.340 nm)、超無煙煤(0.340 nm≤d002≤0.344 nm)和無煙煤(d002>0.344 nm)等類型，可見研究區(qū)煤樣(表3)呈現(xiàn)出超無煙煤～隱晶質(zhì)石墨的分帶[7]，煤系石墨形成的最大溫度在480 ℃左右(圖3)。然而，無煙煤在人工條件下2 000 ℃以上的高溫才能轉(zhuǎn)化為石墨，遠(yuǎn)大于自然條件下煤系石墨的形成溫度，即使在無煙煤樣品加壓熱處理進(jìn)行時(shí)，整個(gè)樣品在1 700 ℃才突然轉(zhuǎn)化為石墨[11]，圖3中在無煙煤階段IV～半石墨I(xiàn)I階段隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)d002減小而變質(zhì)溫度變化不顯著，所以推斷在較高溫度作用的基礎(chǔ)上，構(gòu)造應(yīng)力(擠壓或剪切應(yīng)力)縮聚機(jī)制致使芳香結(jié)構(gòu)向整體秩理化擴(kuò)展，面網(wǎng)間距快速減小，才是天然條件下煤中有機(jī)質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)向石墨這種無機(jī)礦物轉(zhuǎn)變的重要促進(jìn)因素。再者，根據(jù)伊利石(白云母)b0值(低中壓的環(huán)境)判斷研究區(qū)相當(dāng)于綠片巖相變質(zhì)帶，估計(jì)天然石墨形成的壓力條件在250～400 MPa或更高，顯然強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力能明顯加速石墨化進(jìn)程。

煤中有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)變化不僅是溫度的函數(shù)，而且還受到熱事件持續(xù)時(shí)間、壓力、剪切應(yīng)力、原始物質(zhì)類型(煤巖組分)和巖漿熱液成分(水、堿金屬鹵化物)的影響，光學(xué)性質(zhì)變化表現(xiàn)在鏡質(zhì)組反射率不斷增加，化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分的變化使芳香稠環(huán)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)間距減小、延展度及堆砌度增大。黏土礦物基本結(jié)構(gòu)相似的含水層狀硅酸鹽礦物，對構(gòu)造物理化學(xué)條件同樣敏感，相應(yīng)其結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生變化，所以本次對d001=10.0×10-1nm 峰進(jìn)行擬合(圖2)，用(001)峰面積、半高寬與不規(guī)則部分γ峰相比，記為A(001)/A(γ)、FWHM(001)/FWHM(γ)，煤層夾矸中伊利石結(jié)晶有序度與煤變質(zhì)程度(圖4)、結(jié)構(gòu)演化相一致，并能提供溫度、壓力等更有意義的信息。

圖4 煤層夾矸中伊利石(001)峰與γ峰的分峰面積、半高寬比值隨Rmax演化趨勢

3 結(jié) 論

1)寒婆坳礦區(qū)測水組煤層夾矸中紅柱石(空晶石)與伊利石、葉蠟石和綠泥石等共生，表現(xiàn)為熱峰后退變質(zhì)絹云母化，殘留炭質(zhì)包裹體呈帶狀或面狀分布，伊利石結(jié)晶度高，構(gòu)造巖組分析變形環(huán)境整體為較高受熱條件的低溫低壓的脆性-韌脆性構(gòu)造域。

2)煤層夾矸中伊利石結(jié)晶度分布于0.140 6°～0.090 9°△2θ，多為2M1多型，b0分布于8.883 6～9.030 5×10-1nm，表明研究區(qū)變質(zhì)溫度高于350 ℃，屬于低級淺變質(zhì)帶低中壓的環(huán)境，煤系石墨形成的壓力條件在250～400 MPa或更高。

3)鏡質(zhì)組反射率和拉曼光譜地質(zhì)溫度計(jì)揭示煤系變質(zhì)溫度為400～500 ℃或更高，與伊利石結(jié)晶度等一致；利用伊利石(001)峰面積、半高寬與不規(guī)則部分γ峰的面積和半高寬的比值，伊利石結(jié)晶有序度顯示與煤有機(jī)結(jié)構(gòu)演化一致的特征。