淺談煤各變質類型及變質作用

張宇航　王昭輝　吳員

摘要:本文介紹中國煤變質的主要類型,根據受熱的主要熱源及作用方式和煤質特征等,不同的影響因素劃分不同的煤變質作用類型?？偨Y概括為深成變質作用、巖漿熱變質作用、動力變質作用和熱水變質作用。闡述了煤變質作用的特點。在前人研究的基礎上,筆者就影響煤變質的主要因素談談看法,供討論。

關鍵詞:煤變質作用 變質類型 影響因素

1. 前言

煤變質作用指由褐煤轉變?yōu)闊熋?、無煙煤、超無煙煤的物理化學作用。煤變質的范圍是從褐煤到石墨的演變。煤的變質研究是預測煤質與指導開采所需煤種的理論基礎,可以預測煤類,以適應社會主義經濟建設的需要,還可以從另一個側面來探討有關煤的形成條件、地熱和大地構造等問題。煤變質問題與煤的成因及后生變化關系密切,具有重大的經濟意義和理論意義。研究各類變質作用所引起的有關變化特點確定變質類型,是研究煤級分布規(guī)律的重要基礎。

2. 煤的變質類型劃分

煤變質類型有很多分類方法,現總結如下:

煤的變質是溫度、壓力和時間長期作用的結果,其中溫度是煤變質的主導因素,在煤的埋藏過程中,溫度加速化學煤化作用,而壓力可以促進物理結構煤化作用[1]。時間無疑是煤變質的因素之一,不論溫度或壓力等哪種因素起主導作用,都將隨著時間的變化而增減其作用的強度。控制煤及分散有機質演化-變質作用的熱狀態(tài)總體特征,可用含煤巖系各點古地熱流的大小和方向來描述。而含煤巖系古地熱流是古熱導率和古地溫梯度的主控因素,古地溫梯度是煤化梯度的主控因素,以此作為進行煤變質作用熱動力分析的理論依據。以熱力為基準,溫度正常情況下取決于沉降深度、地溫梯度及圍巖的導熱性,其主要以熱源和地熱場強度的不同從而引起地溫梯度不同來影響煤的變質的。據此分為兩類六型[2-4]:

(1)常地溫熱變質作用類:在正常地熱場作用下引起的煤的變質作用。

(2)異常地溫熱變質作用類:在異常地熱場作用下,促進煤的變質作用。此類中,根據地熱異常的不同熱源劃分為:巖漿熱變質型、深大斷裂熱流上導熱變質型、構造應力熱變質型、莫霍面變動熱變質型、其它熱變質型。

關于熱(力)變質問題,不論熱的來源如何,它引起煤的變質作用是顯而易見的。就目前所知,大量的現象表現為巖漿熱變質。它的影響范圍又與巖漿活動的強弱、巖體規(guī)模的大小和持續(xù)時間的長短有關,巖漿的性質和噴氣作用尤為重要。值得注意的是地溫對煤變質的影響并不是單獨起作用的,煤變質的溫度在一般情況下應等于地溫梯度與煤層上覆地層厚度的乘積(火成巖直接影響除外)。在地溫梯度不變的前提下,煤層上覆地層的厚度大,煤變質過程中所處溫度相對較高,相應煤的變質程度也高,形成高變煤所需的溫度可以是上述方式形成,也可以是大的地溫梯度乘以較小的上覆地層厚度。也就是說引起煤變質所需的溫度并不一定都是通過地殼下降這一途徑。另外關于放射性元素蛻變所發(fā)生的熱變質現象,目前還研究得不夠,對這種煤變質作用機理的認識,還有較多的困難,是否可單獨作為熱(力)變質的一種類型,現在下結論為時過早。從促使煤變質的熱源考慮,如因地球內部物質,特別是上地幔物質向上運動所產生的附加熱,深大斷裂上導的高溫,局部莫霍面較高,板塊的活動等都可能增高煤的變質程度。由于促使煤變質的熱源是多種多樣的,因此構成了不同的煤變質作用類型。不同地質條件下,一個每煤田或煤產地的煤在普遍進行深成變質作用之外,又可經受一種或一種以上其他類型的煤變質作用,也可不止一次經受同一類型的變質作用,這就構成了煤的多熱源疊加變質作用[5]。

根據熱源類型、熱傳導方式、熱源的埋深、規(guī)模、形態(tài)的不同而引起煤變質特征的差異,劃分的煤變質類型如下[6-8]:

1.煤的深成變質作用

煤的深成變質作用是指在正常低溫狀態(tài)下,煤的變質程度隨煤層沉降幅度的加大、地溫增高和受熱時間的持續(xù)而增高。德國學者希爾特1873年在研究魯爾等煤田時,發(fā)現隨地層深度增加煤的揮發(fā)分產率有規(guī)律地減少。這一現象稱之謂希爾特定律。希爾特定律奠定了煤的深成變質作用類型的基礎。多數煤田遵循這一規(guī)律,然而也有煤田出現反常,較淺煤層變質程度比深煤層高,或同一煤層在很短距離內變質程度差異較大。這些反?？赡苁敲杭壭纬傻亩嘁蛩赜绊?、多階段疊加、多種作用復合的結果。深成變質煤的演化程度總與一定的構造沉降、地熱作用及有效受熱時間的配置相對應,是一種具有普遍意義的煤變質現象。地溫分布的不均一性及其隨時間的地溫場變化在一定程度上制約煤深成變質作用的發(fā)展。

2.煤的區(qū)域巖漿熱變質作用

煤的區(qū)域巖漿熱變質作用是指聚煤凹陷內有巖漿活動,巖漿及所攜帶氣液體的能量可使地溫場增高。形成地熱異常帶,從而引起煤的變質作用。根據巖漿性質、侵入規(guī)模、侵入深度和沉積蓋層的封閉程度分為3個亞型:淺成、中深成、和深成巖漿熱變質作用。區(qū)域巖漿熱變質作用?？蛇_到很高的變質程度,煤級分帶一般為環(huán)帶狀,越靠近巖體,煤的變質程度就越高,受區(qū)域巖漿熱變質作用影響的煤,變質梯度高且涉及的地域廣且疊加效果顯著。高變質煤帶的圍巖往往發(fā)生蝕變,圍巖中熱液石英脈和方解石脈是區(qū)域巖漿熱變質作用的重要標志。

3.煤的接觸變質作用

煤的接觸變質作用是指巖漿直接接觸或侵入煤層,由其所帶來的高溫、氣體、液體和壓力,促使煤發(fā)生變質作用。根據巖體規(guī)模及侵入方式,將煤的接觸變質作用分為3個亞型:脈巖巖漿接觸變質作用、小型淺成巖漿接觸變質作用和大型深成巖漿接觸變質作用。接觸變質作用使煤層、煤的顯微組分、煤級、化學及工藝性質、顯微結構和化學結構等均受熱發(fā)生變化。許多資料說明火成巖只在與煤層接觸部位或不大的范圍內有明顯影響,較小的巖體其影響范圍很少超過50m。由于巖體規(guī)模小,熱量少,散熱快,此類型較常見但影響所及的范圍有限。巖體的種類、大小、產狀等,都直接影響著接觸變質帶的范圍,應作為巖漿熱變質的一種特殊類型來看待。

4.煤的熱液熱水變質作用

煤的熱液熱水變質作用是指煤在由來自地殼深部的巖漿分異氣液或高溫承壓水所引起的異常地熱場中發(fā)生的變質作用,可根據其特殊的熱源性質熱導介質和傳熱方式加以識別。煤的熱液熱水變質作用可在斷裂帶或巖漿活動區(qū)發(fā)育。按流體性質可分為熱液變質作用亞型、熱水變質作用兩種類型。前者是煤田、礦區(qū)深部或附近有聚煤期后的巖漿活動和熱液活動;后者指煤田內或附近有深大斷裂帶、斷層和透水層等熱水運移通道,兩者都需要在煤田內或附兩者都需要在煤田內或附近有保持熱液或熱水循環(huán)的地形和水文地質條件。熱液熱水變質煤的煤級展布比較復雜,在同一煤系中,煤層的煤級可呈現上高下低或波狀起伏形態(tài),平面上,煤級總的變化趨勢與地下熱水流向和距熱液、熱水活動通道的距離有關,越靠近主通道煤級越高。

3. 討論煤的變質因素

以上談的煤的變質類型,其實質是把引起煤變質的因素歸為溫度、壓力和時間。但這都只是使煤變質的外部條件。必須考慮煤層本身甚至圍巖在煤變質過程中所起的作用。

1.成煤原始物質成分與環(huán)境的不同,在相同的溫度和壓力作用下煤的變質程度顯然會有差別。因為成煤時古地理環(huán)境不同,引起成煤植物群落的差異,不同的植物群落形成的煤其煤巖組分和化學成分會有不同。介質不同的氧化還原條件,對最終參加成煤物質的成分也起著很大作用。煤巖組分中穩(wěn)定組分含量高的煤,其變質程度相對偏低。煤變質程度較高的地區(qū),穩(wěn)定組分很少或見不到。這可能是與穩(wěn)定組分的結構有關,因為穩(wěn)定組分這類物質結構上縮合芳香部較少而側鏈較長,在煤的變質過程中側鏈的穩(wěn)定性小容易逸散。側鏈的逸散消耗了使煤變質的能量。其它煤巖組分,如鏡質組含量對煤質的影響已有不少報道。

2.同沉積構造對煤變質的影響,在成煤過程中,同沉積構造控制了成煤期的古地理環(huán)境,古地理環(huán)境的不同可導致植物群落發(fā)育的差異,有機物的氧化、保存以及混入礦物雜質的多少和圍巖成分等的差異。煤的變質帶、煤系的等厚線,含煤性分區(qū)線、煤的變質帶方向與煤系等厚線及含煤性分區(qū)界線方向的聯系,可以知道煤的變質與同沉積構造控制下的古地理環(huán)境有密切關系或是受到后期改造。

鏡質組反射率在測定低煤化階段時輔以殼質組的熒光性是目前測試煤級最有效的參數.不過由于雙反射的影響,在測試高變質煤時仍不夠理想。新的煤級參數,如以牙形刺的色變指數、抱粉的透明度和顏色變化、伊利石的結晶度、共生礦物的形成溫度以及碳優(yōu)勢指數等在煤化過程中的變化表示煤級,都可作為煤級參數[9-11]。另外,煤中礦物形成溫度和粘土礦物隨溫度增高產生的變化可用于確定成煤溫度,進而估算出煤化程度。

4. 結束語

各種變質現象,都是客觀存在的,它們是在千變萬化的地質條件下,相互影響,相互疊加,自身也呈現出巨大的變化。雖然就不同地區(qū)來講,可能以某種煤變質因素為主,從而掩蓋了另一些因素,但就對煤變質所起的重要性而言,它們之間的作用,顯然是不能等量齊觀的。促使煤變質的熱源往往相互迭加,共同起作用,所以煤的變質程度常常是幾種變質類型綜合作用的結果。多煤級的形成是多階段演化、多熱源疊加變質的結果?？傊?我們在研究煤變質問題時,既要承認客觀存在的各種煤變質現象,又要正確估價不同地區(qū)各種變質類型所起的作用,還應探討新的煤變質作用類型。這就要從成煤物質成分開始,考慮煤變質過程中可能出現的各種因素的影響,才能排除某些千擾,得出比較正確的結論。

參考文獻:

[1]王德本,略論煤的變質問題.中國煤田地質,2002,(14)2:9-12.

[2]牛歡、胡涵、李磊佳,淺談煤變質類型及其特點.消費導刊.

[3]袁耀庭、曲星武、王金城,煤的變質作用雛議,1980,1:1-8.