大別造山帶晚白堊世含煤巖系變形特征及對煤變質(zhì)作用的影響

大別造山帶晚白堊世含煤巖系變形特征及對煤變質(zhì)作用的影響

煤炭是一種有機(jī)的巖石，對溫度和壓力等環(huán)境條件非常敏感。在淺、表構(gòu)造圈層中,煤化作用進(jìn)程中“變質(zhì)作用”的起始溫度僅50～60℃(Ro>0.5%)(楊起,1996;韓德馨,1996;Stachetal.,1982),大大低于無機(jī)巖類變質(zhì)作用的起點(diǎn)。煤的強(qiáng)度只是泥巖的幾分之一,不足砂巖和灰?guī)r的十分之一,煤與無機(jī)巖類之間存在顯著的形變差異,即使微弱的構(gòu)造應(yīng)力也足以使煤層發(fā)生明顯變形,在典型的脆性變形域,煤可呈現(xiàn)強(qiáng)烈流變等韌性變形現(xiàn)象(Englandetal.,1986;王桂梁等,1988;曹運(yùn)興等,1996)。在構(gòu)造作用與煤化作用關(guān)系研究方面,前人已做了較多工作,一般認(rèn)為圍壓延緩有機(jī)質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率,而定向壓力(構(gòu)造應(yīng)力)對有機(jī)質(zhì)演化具有促進(jìn)作用(Englandetal.,1986;Rossetal.,1990;Wilksetal.,1993;周建勛等,1994)。早就認(rèn)識到高壓力(尤其是剪切應(yīng)力)是石墨化作用的必要條件,在煤的基本結(jié)構(gòu)單元有序度增強(qiáng)和秩理化過程中,定向壓力起關(guān)鍵作用(Stachetal.,1982;Oberlin,1992;Wilksetal.,1993)。地質(zhì)歷史中的各種構(gòu)造-熱事件,必然會不同程度地影響煤化作用進(jìn)程。相對于沉積盆地而言,造山帶具有更為復(fù)雜和強(qiáng)烈的構(gòu)造-熱演化歷史,分布于造山帶內(nèi)或臨近造山帶的煤通常以高煤級、強(qiáng)變形為特征,因而是研究構(gòu)造作用對有機(jī)質(zhì)演化影響的良好天然實驗室(曹代勇等,2000)。本文以大別山北麓北淮陽地區(qū)石炭紀(jì)高煤級煤為例,從微觀和有機(jī)質(zhì)大分子尺度,探討構(gòu)造變形對煤化作用的影響。分析樣品采自大別造山帶北麓北淮陽地區(qū)下石炭統(tǒng)楊山組。北淮陽石炭紀(jì)煤系為一套以粗碎屑巖沉積為主的含煤巖系,根據(jù)前人研究成果,其原型盆地屬板塊對接帶殘余海盆(馬文璞,1991;王仁農(nóng)等,1994),構(gòu)造活動性大、沉積環(huán)境變異性顯著,主要含煤地層楊山組含煤層數(shù)較多,但各煤層發(fā)育極不穩(wěn)定,煤層的厚度及結(jié)構(gòu)在走向上和傾向上變化劇烈。煤的演化程度高,達(dá)無煙煤至變無煙煤階段,鏡質(zhì)組最大反射率Romax普遍超過4%。決定本區(qū)煤層復(fù)雜賦存狀況的地質(zhì)因素是多方面的,復(fù)雜的構(gòu)造-熱演化進(jìn)程是最重要的原因。北淮陽位處大別山北麓,中國東部南北大陸自晚古生代以來的相互作用和大別山造山帶的崛起等重大構(gòu)造事件,無不在煤層形態(tài)和物質(zhì)成分變化方面留下深刻的烙印。在多期不同性質(zhì)、強(qiáng)度的構(gòu)造運(yùn)動和構(gòu)造應(yīng)力的作用下,夾于剛性砂、礫巖間的煤層很容易發(fā)生塑性變形,并因構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度和性質(zhì)的不同產(chǎn)生顯著的差異變形和疊加變形,匯聚成雞窩狀、串珠狀的“煤包”。此外,同構(gòu)造期巖漿侵入造成的異常地溫和伴生應(yīng)力,也對煤層的形變和煤級演化帶來顯著影響。北淮陽地區(qū)石炭紀(jì)煤系上述獨(dú)特的沉積、構(gòu)造環(huán)境造成所含煤層厚度變化頻繁、形態(tài)復(fù)雜、煤級高,具有明顯不同于鄰區(qū)(華北地區(qū))同時代煤層的特點(diǎn)。針對石炭紀(jì)煤層所經(jīng)歷的復(fù)雜構(gòu)造-熱演化特征,系統(tǒng)采集了3類分析煤樣,以進(jìn)行對比研究。其中M組煤樣采自河南省商城縣西部馬鞍山地區(qū),位于SN向強(qiáng)烈剪切應(yīng)變帶內(nèi),煤系基底的下古生界灰?guī)r局部已經(jīng)糜棱巖化,呈現(xiàn)韌性變形特征;P組煤樣采自商城縣東部皮沖地區(qū)燕山期花崗巖侵入體旁側(cè),是受異常熱影響的樣品;B組煤樣采自河南省商城縣至安徽省金寨縣西部地區(qū)的其他小煤礦,主要反映區(qū)域變質(zhì)作用的影響。2煤炭的脆弱性和脆弱性2.1構(gòu)造煤的描述近幾十年來,人們采用顯微鏡和電子掃描顯微鏡,對構(gòu)造煤的顯微構(gòu)造標(biāo)志進(jìn)行了研究,并據(jù)此進(jìn)行了顯微類型劃分。但是對構(gòu)造煤的研究大多數(shù)是與煤和瓦斯突出相關(guān)的,因而在描述構(gòu)造煤時,比較注重構(gòu)造煤顆粒的大小、形態(tài)、構(gòu)造裂隙的密度及組合(吳俊,1987;李康等,1992;曹運(yùn)興,1996)。然而,這種描述往往忽略了構(gòu)造煤的變形指相意義,難以從本質(zhì)上有效地區(qū)分煤的脆性變形與韌性變形,最突出的例子是將在脆性變形機(jī)制下形成的鱗片狀結(jié)構(gòu)煤稱為糜棱煤,造成與韌性流變條件下具揉流結(jié)構(gòu)的真正意義上的“糜棱煤”之間的混淆。有鑒于此,本文在對大別造山帶北麓地區(qū)特殊類型高煤級煤詳細(xì)研究基礎(chǔ)上,從煤的變形機(jī)制角度,提出構(gòu)造煤變形序列劃分方案(表1)。2.2片面質(zhì)細(xì)?；嘿|(zhì)以及磨圓手標(biāo)本和光學(xué)顯微鏡觀察,碎裂煤、碎斑煤中常見裂隙、節(jié)理,以及沿裂隙、節(jié)理破碎形成的碎塊、碎斑,斷口多平整(圖版Ⅰ-1)。鱗片煤呈透鏡狀或鱗片狀,鱗片皆沿某一方向定向排列(圖版Ⅰ-2),煤質(zhì)松軟,手捻易碎成片狀或細(xì)粒狀。碎粉煤全部碎粒化,碎粒不同程度地磨圓(圖版Ⅰ-3),多與煤層中粘土物質(zhì)相混雜而呈土狀,也可見較大的顆粒周圍被粒徑較小的顆?；|(zhì)包圍,這種基質(zhì)可能是高度粉碎的微粒經(jīng)構(gòu)造壓實作用形成的。在掃描電鏡下脆性變形煤顆粒多呈近等軸狀或長軸狀,顆粒間排列松散,顆粒表面多光潔平整,也可見摩擦痕跡,棱角較明顯(圖版I-4)。2.3非均質(zhì)結(jié)構(gòu)煤的表征宏觀上,除揉流糜棱煤常與煤層夾矸互相揉皺成光澤暗淡、堅硬的塊體外,韌性變形煤與脆性變形煤沒有明顯區(qū)別。在單偏光顯微鏡下,非均質(zhì)結(jié)構(gòu)煤多見線狀、條帶、片狀等波狀消光現(xiàn)象(圖版Ⅰ-5);揉流糜棱煤可見鏡質(zhì)組因壓扁拉長呈細(xì)條帶狀產(chǎn)出,有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)相間排列,波狀消光強(qiáng)烈(圖版1-6)。在掃描電鏡下,非均質(zhì)結(jié)構(gòu)煤可見由于韌性流變造成的表面平滑致密、孔隙定向排列的現(xiàn)象(圖版I-7);揉流糜棱煤顆粒間排列緊密(圖版Ⅰ-8),可見因壓扁拉長而形成的流動面理、流動線理。3煤中晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析煤雖然不是典型的結(jié)晶物質(zhì),但存在著類似晶體的結(jié)構(gòu),稱之為煤的基本結(jié)構(gòu)單元或“微晶”。微晶是由芳香環(huán)層片疊合而成,芳香環(huán)層片則主要由芳香核和烴的支鏈及各種官能團(tuán)組成。低、中煤級階段含氧官能團(tuán)、側(cè)鏈、橋鍵、氫鍵較多,結(jié)構(gòu)比較松散,微晶中疊合的芳香層片較少,芳香層片定向性較差。煤化作用是富碳、去氫、脫氧過程,一方面?zhèn)孺満凸倌軋F(tuán)依據(jù)鍵能大小相繼裂解析出,形成各種烴類;另一方面,通過芳構(gòu)化和縮聚作用實現(xiàn)分子重排、密集、有序度增強(qiáng)、微晶增大,最終演變?yōu)榫呷S晶體結(jié)構(gòu)的石墨(Stachetal.,1982;楊起,1996)。由于煤的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)具有由非晶質(zhì)向晶質(zhì)過渡演化性質(zhì),主要用于研究固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)的X射線衍射方法也是進(jìn)行煤“微晶”結(jié)構(gòu)分析的有效手段(翁成敏等,1981;張代均等,1991)。芳香層片的直徑La(=Lb)、芳香層單層之間的距離d002(002面網(wǎng)間距)、微晶的層片平均堆砌厚度Lc是描述煤微晶結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)。微晶尺寸La和Lc)隨著煤化作用進(jìn)程而增加,而層間距d002則不斷減小,最終趨向于石墨的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對3組煤樣分別進(jìn)行X射線衍射分析,衍射譜圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)顯示出系統(tǒng)差異。M組揉流糜棱煤的X衍射曲線(002)衍射峰高而緊閉、衍射峰呈很好的對稱形態(tài),La和Lc最大,La/Lc最小,d002最小。B組脆性變形煤的衍射曲線(002)衍射峰寬緩,對稱性較差,La和Lc最小,d002較大。P組非均質(zhì)結(jié)構(gòu)煤的(002)衍射峰較寬緩、衍射峰也呈較好的對稱形態(tài),Ls和La以及d002分別介于M組與B組煤樣之間。在Ronax-Lc和Romax-La散點(diǎn)圖上,很容易區(qū)分3組煤樣(圖1)。以強(qiáng)剪切變形為特征的M組煤樣的基本結(jié)構(gòu)單元尺寸最大,表明定向壓力對芳香核的增高和芳香層片的擴(kuò)大都有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。而異常熱作用導(dǎo)致韌性流變的P組煤樣的煤級高(Romax值大),Lc與B組煤樣接近,La與M組煤樣相當(dāng),這種現(xiàn)象說明溫度是煤化作用的主要因素,高溫對芳香層片的擴(kuò)大起主要作用,而對芳香核的增高作用甚微。4煤的動力變質(zhì)作用煤的動力變質(zhì)作用是長期爭論的問題。早在1925年,懷特就用動力變質(zhì)來解釋美國東部煤的變質(zhì)問題,早期一些蘇聯(lián)學(xué)者也強(qiáng)調(diào)煤的動力變質(zhì)。隨著煤田地質(zhì)研究的深入,一些傳統(tǒng)“典型的”動力變質(zhì)實例幾乎被否定(Teichmüleretal.,1966)。目前,比較公認(rèn)的觀點(diǎn)是,煤的動力變質(zhì)作用是疊加在煤變形時原有煤級之上并分布在有限的強(qiáng)烈變形范圍內(nèi)。除了個別實例,如Darjeeling-喜馬拉雅變形區(qū)(Ghosh,1990)、落基山脈逆沖斷層內(nèi)(Bustin,1983)和瑞士Helvetic阿爾卑斯山局部地區(qū)(Suchyetal.,1997)的煤或碳質(zhì)碎屑反射率有明顯升高外,一般動力變質(zhì)作用很難引起煤級的大幅度和大面積的升高,其影響范圍、影響程度都很有限。筆者認(rèn)為,構(gòu)造變形對高煤級煤變質(zhì)程度的影響取決于應(yīng)變性質(zhì)和變形溫壓條件。4.1脆性變形高煤級煤鏡質(zhì)組脆性較大,在溫度較低的情況下,煤中應(yīng)變能的消減是通過碎塊間的相互換位來實現(xiàn)的,這樣形成的變形煤以脆性變形為主,因此,脆性變形中煤體破裂緩沖了構(gòu)造變形對煤的大分子結(jié)構(gòu)的影響,脆性變形不易提高煤的變質(zhì)程度。在北淮陽地區(qū),脆性變形煤的煤級和結(jié)構(gòu)參數(shù)均表現(xiàn)為一種較低且較穩(wěn)定的區(qū)域背景值。4.2環(huán)縮合作用機(jī)理在古地溫較高的地質(zhì)環(huán)境中,煤中有機(jī)組分活動性加大,在構(gòu)造應(yīng)力(尤其是剪切應(yīng)力)作用下,極易發(fā)生韌性變形。韌性流變煤中應(yīng)變能的消減可能與大分子的環(huán)縮合與拼疊有關(guān),主要通過如下兩種機(jī)制促進(jìn)煤的演化:一是應(yīng)變能增加了煤化作用的熱活性,促進(jìn)化學(xué)鍵重新鍵合,提供環(huán)縮合作用的有利條件;其二是定向壓力作為環(huán)縮合作用與拼疊作用的“催化劑”,當(dāng)應(yīng)變發(fā)展到芳香結(jié)構(gòu)層次時,應(yīng)力作用促使芳香碳網(wǎng)在平行于應(yīng)力方向擇優(yōu)生長,在垂直應(yīng)力方向則優(yōu)先拼疊。北淮陽地區(qū)韌性變形煤、特別是強(qiáng)烈剪切變形的揉流糜棱煤具有較大的Romax、Robi、La和Lc,為上述機(jī)制提供了佐證。5煤系變形機(jī)理(1)脆性變形不引起煤級的變化,而韌性變形是涉及到煤芳香層結(jié)構(gòu)的變異,可促進(jìn)煤化作用進(jìn)程。(2)溫度是引起煤級升高的主導(dǎo)因素,而