豫西煤田构造应力对煤反射率的影响

豫西煤田构造应力对煤反射率的影响

结果表明，受后续构造破坏的煤层的变质过程非常高。一般来说，构造煤镜质组的反射率大于正常煤，这是动力学变质作用的结果。多年来,国内外一些学者分别从不同角度探讨了镜煤反射率(reflectance)及其各向异性在岩层静压力和构造应力作用下的变化情况,提出了不同观点[4,5,6,7,8,9,10,11,12]。多数观点认为,在未经任何退变质作用的煤中,反射率模型取决于煤在整个埋深史中温度、时间和压力诸因素的作用,平均反射率值主要受温度和时间的控制,而反射率各向异性(即双反射率)则主要受应力的控制。豫西煤田位于华北煤田的南缘,经过多次构造变形,不同矿区的二1煤存在多个煤级,因此,研究该区构造煤的镜煤反射率特征及其与古构造应力场的关系具有重要的理论意义。1根据镜煤反射率数据1.1造区的6对矿井二1煤样品分别采自研究区北部嵩箕构造区的王庄、大峪沟、登封和南部崤熊构造区的平顶山十矿、五矿、大庄矿的6对矿井(图1)。在井下正常煤层和构造带(如剪切带)中,分别采集原生结构煤和构造煤的定向标本,将标本制成边长为3~4cm的立方体,并任选互相垂直的3个面进行抛光。1.2煤的反射率光率体/方向用德国产的MPVCOMPACT显微光度计,分别在制好的3个光面(截面)上测量镜质组的油侵视最大反射率(Ro,max)、视最小反射率(Ro,min)及视最大反射率与坐标轴的夹角(θ),每个光面上测30多个有效测点,然后分别计算出各自的平均值这样,3个光面就可得到9个参数。借鉴Ramsay的方法,即通过任意3个互相垂直截面上的应变参数求解应变椭球,来计算煤的反射率光率体椭球。求得煤的反射率光率体椭球的3个主半轴长度(1+ei,,即真反射率Ro,max、Ro,min及Ro,maxRo,min,其中e为各方向光率体的相对伸长度)见表1。2反射率特征分析2.1压力构造应力对热变质煤的影响从表1可以看出,研究区二1煤具有明显的双反射率特征,且同一矿点,构造煤比原生结构煤的反射率有不同程度的增高,双反射率特征更明显。Chandra通过对实验室中无超压(正常大气压下)和超压条件下碳化煤的反射率研究指出:若热变质煤的反射率特征与实验室无超压条件下碳化煤的反射率特征相类似,则压力的影响可以忽略;如果热变质煤反射率特征与实验室无超压条件下碳化煤的反射率特征不同,则这种差别正表明了压力对热变质煤的影响。将研究区构造煤和原生结构煤(C质量分数均<85%)的最大和最小反射率按不同矿区分别投于Chandra图解上(图2),可以看出,所有的构造煤点都落在线下方,即超压条件下碳化煤范围之内,而原生结构煤几乎都落在线上方,即无超压条件下的碳化煤范围之内(注:图中各线为不同碳化程度下超压与无超压煤的分界线,线上为无超压区,线下为超压区)。这说明压力(构造应力)对研究区构造煤的光性和结构有明显影响;对崤熊区原生结构煤的影响不大或无影响;而大峪沟(嵩箕区)原生结构煤除压力影响外还叠加有其他(如岩浆岩)因素。2.2b.熊区原生结构煤将测得的各煤样镜质组反射率光率体椭球的3个主半轴长度(表1)转换成相关参数投于Ramsy(1967)改进的弗林图解上(图3),可以看出:a.嵩箕构造区的构造煤数据点都落在K=1直线上方,即K>1,亦即(1+e1)-(1+e2)>(1+e2)-(1+e3),显示其镜质组反射率光率体为二轴晶正光性,根据Chandra理论,说明该区煤层经过强烈的构造变形;b.崤熊区原生结构煤数据点落在K=1直线下方(靠近横坐标轴),显示其镜质组反射率光率体为一轴晶负光性,说明构造应力对崤熊区原生结构煤影响不大或没影响;c.嵩箕区原生结构煤及崤熊区构造煤数据点落在K=1直线下方附近,显示其镜质组反射率光率体为二轴晶负光性,说明它们受构造应力的影响处于上述两种情况之间。2.3聚煤期后发生的主要构造运动J.R.Levine等人(1984)通过对美国加里福尼亚州BroadTop煤田煤的反射率研究认为,在构造变形很弱或无变形地区,以水平岩层的静压力作用为主,最大反射率在层面上,且各个方向近于相等,而最小反射率与层理(面)垂直,并且最小光率轴与最大构造主压应力方向平行。研究区构造煤的光率体所代表的三轴应力见表2。据河南煤田地质公司研究资料,研究区聚煤期后发生了4次大的构造运动:a.印支运动表现为近SN向挤压应力,形成了近EW向的褶皱构造,在嵩箕构造区表现尤为明显,其最大主压应力指示近SN向;b.燕山运动表现为NWW-SEE向挤压,造就了NW向左型走滑断裂和走滑扭动,最大主压应力指示NW向;c.燕山晚期的四川运动SW-NE向的区域挤压应力,在嵩箕构造区形成了NE-SW向的断裂,在崤熊构造区形成了褶皱逆冲带;d.喜山早期的太平洋运动由于太平洋板块对欧亚板块的俯冲,产生EW向挤压应力场,形成EW向裂陷和大规模断块掀斜,造成深层基底拆离,诱发表层重力滑动构造。虽然造成煤反射率各向异性的力为构造应力和上覆岩系静压力的合力,且从反射率光率体上也无法将它们分解出来,但从表2大致能看出,造成反射率各向异性的最大挤压应力(б1)方向分别为:嵩箕区(王庄矿、大峪沟矿)的近EW向、崤熊区的近NE-SW向和NW-SE向。通过与研究区成煤期后各次构造运动形式和主应力方向的对比,可以推知,影响嵩箕区二1煤变形和镜煤反射率的主要构造,是在前期断裂基础上喜山早期掀斜运动诱发的重力滑动构造,而影响崤熊区的则为燕山晚期的逆冲推覆作用。3煤的反射率特征通过对研究区原生结构煤和构造煤反射率测试结果的对比研究发现,豫西煤田二1煤在多次构造运动影响下,导致强烈变形,产生了构造煤,使煤的反射率明显提高,且出现了双反射率现象,这是动力变质作用的结果。经过对研究区构造煤反射率的解析,可得到影响两构造区反射率的古构造应力