大别造山带晚白垩世含煤岩系变形特征及对煤变质作用的影响

大别造山带晚白垩世含煤岩系变形特征及对煤变质作用的影响

煤炭是一种有机的岩石，对温度和压力等环境条件非常敏感。在浅、表构造圈层中,煤化作用进程中“变质作用”的起始温度仅50～60℃(Ro>0.5%)(杨起,1996;韩德馨,1996;Stachetal.,1982),大大低于无机岩类变质作用的起点。煤的强度只是泥岩的几分之一,不足砂岩和灰岩的十分之一,煤与无机岩类之间存在显著的形变差异,即使微弱的构造应力也足以使煤层发生明显变形,在典型的脆性变形域,煤可呈现强烈流变等韧性变形现象(Englandetal.,1986;王桂梁等,1988;曹运兴等,1996)。在构造作用与煤化作用关系研究方面,前人已做了较多工作,一般认为围压延缓有机质的化学反应速率,而定向压力(构造应力)对有机质演化具有促进作用(Englandetal.,1986;Rossetal.,1990;Wilksetal.,1993;周建勋等,1994)。早就认识到高压力(尤其是剪切应力)是石墨化作用的必要条件,在煤的基本结构单元有序度增强和秩理化过程中,定向压力起关键作用(Stachetal.,1982;Oberlin,1992;Wilksetal.,1993)。地质历史中的各种构造-热事件,必然会不同程度地影响煤化作用进程。相对于沉积盆地而言,造山带具有更为复杂和强烈的构造-热演化历史,分布于造山带内或临近造山带的煤通常以高煤级、强变形为特征,因而是研究构造作用对有机质演化影响的良好天然实验室(曹代勇等,2000)。本文以大别山北麓北淮阳地区石炭纪高煤级煤为例,从微观和有机质大分子尺度,探讨构造变形对煤化作用的影响。分析样品采自大别造山带北麓北淮阳地区下石炭统杨山组。北淮阳石炭纪煤系为一套以粗碎屑岩沉积为主的含煤岩系,根据前人研究成果,其原型盆地属板块对接带残余海盆(马文璞,1991;王仁农等,1994),构造活动性大、沉积环境变异性显著,主要含煤地层杨山组含煤层数较多,但各煤层发育极不稳定,煤层的厚度及结构在走向上和倾向上变化剧烈。煤的演化程度高,达无烟煤至变无烟煤阶段,镜质组最大反射率Romax普遍超过4%。决定本区煤层复杂赋存状况的地质因素是多方面的,复杂的构造-热演化进程是最重要的原因。北淮阳位处大别山北麓,中国东部南北大陆自晚古生代以来的相互作用和大别山造山带的崛起等重大构造事件,无不在煤层形态和物质成分变化方面留下深刻的烙印。在多期不同性质、强度的构造运动和构造应力的作用下,夹于刚性砂、砾岩间的煤层很容易发生塑性变形,并因构造应力强度和性质的不同产生显著的差异变形和叠加变形,汇聚成鸡窝状、串珠状的“煤包”。此外,同构造期岩浆侵入造成的异常地温和伴生应力,也对煤层的形变和煤级演化带来显著影响。北淮阳地区石炭纪煤系上述独特的沉积、构造环境造成所含煤层厚度变化频繁、形态复杂、煤级高,具有明显不同于邻区(华北地区)同时代煤层的特点。针对石炭纪煤层所经历的复杂构造-热演化特征,系统采集了3类分析煤样,以进行对比研究。其中M组煤样采自河南省商城县西部马鞍山地区,位于SN向强烈剪切应变带内,煤系基底的下古生界灰岩局部已经糜棱岩化,呈现韧性变形特征;P组煤样采自商城县东部皮冲地区燕山期花岗岩侵入体旁侧,是受异常热影响的样品;B组煤样采自河南省商城县至安徽省金寨县西部地区的其他小煤矿,主要反映区域变质作用的影响。2煤炭的脆弱性和脆弱性2.1构造煤的描述近几十年来,人们采用显微镜和电子扫描显微镜,对构造煤的显微构造标志进行了研究,并据此进行了显微类型划分。但是对构造煤的研究大多数是与煤和瓦斯突出相关的,因而在描述构造煤时,比较注重构造煤颗粒的大小、形态、构造裂隙的密度及组合(吴俊,1987;李康等,1992;曹运兴,1996)。然而,这种描述往往忽略了构造煤的变形指相意义,难以从本质上有效地区分煤的脆性变形与韧性变形,最突出的例子是将在脆性变形机制下形成的鳞片状结构煤称为糜棱煤,造成与韧性流变条件下具揉流结构的真正意义上的“糜棱煤”之间的混淆。有鉴于此,本文在对大别造山带北麓地区特殊类型高煤级煤详细研究基础上,从煤的变形机制角度,提出构造煤变形序列划分方案(表1)。2.2片面质细粒化煤质以及磨圆手标本和光学显微镜观察,碎裂煤、碎斑煤中常见裂隙、节理,以及沿裂隙、节理破碎形成的碎块、碎斑,断口多平整(图版Ⅰ-1)。鳞片煤呈透镜状或鳞片状,鳞片皆沿某一方向定向排列(图版Ⅰ-2),煤质松软,手捻易碎成片状或细粒状。碎粉煤全部碎粒化,碎粒不同程度地磨圆(图版Ⅰ-3),多与煤层中粘土物质相混杂而呈土状,也可见较大的颗粒周围被粒径较小的颗粒基质包围,这种基质可能是高度粉碎的微粒经构造压实作用形成的。在扫描电镜下脆性变形煤颗粒多呈近等轴状或长轴状,颗粒间排列松散,颗粒表面多光洁平整,也可见摩擦痕迹,棱角较明显(图版I-4)。2.3非均质结构煤的表征宏观上,除揉流糜棱煤常与煤层夹矸互相揉皱成光泽暗淡、坚硬的块体外,韧性变形煤与脆性变形煤没有明显区别。在单偏光显微镜下,非均质结构煤多见线状、条带、片状等波状消光现象(图版Ⅰ-5);揉流糜棱煤可见镜质组因压扁拉长呈细条带状产出,有机质与矿物质相间排列,波状消光强烈(图版1-6)。在扫描电镜下,非均质结构煤可见由于韧性流变造成的表面平滑致密、孔隙定向排列的现象(图版I-7);揉流糜棱煤颗粒间排列紧密(图版Ⅰ-8),可见因压扁拉长而形成的流动面理、流动线理。3煤中晶体结构结构分析煤虽然不是典型的结晶物质,但存在着类似晶体的结构,称之为煤的基本结构单元或“微晶”。微晶是由芳香环层片叠合而成,芳香环层片则主要由芳香核和烃的支链及各种官能团组成。低、中煤级阶段含氧官能团、侧链、桥键、氢键较多,结构比较松散,微晶中叠合的芳香层片较少,芳香层片定向性较差。煤化作用是富碳、去氢、脱氧过程,一方面侧链和官能团依据键能大小相继裂解析出,形成各种烃类;另一方面,通过芳构化和缩聚作用实现分子重排、密集、有序度增强、微晶增大,最终演变为具三维晶体结构的石墨(Stachetal.,1982;杨起,1996)。由于煤的有机大分子结构具有由非晶质向晶质过渡演化性质,主要用于研究固态结晶物质的X射线衍射方法也是进行煤“微晶”结构分析的有效手段(翁成敏等,1981;张代均等,1991)。芳香层片的直径La(=Lb)、芳香层单层之间的距离d002(002面网间距)、微晶的层片平均堆砌厚度Lc是描述煤微晶结构的基本参数。微晶尺寸La和Lc)随着煤化作用进程而增加,而层间距d002则不断减小,最终趋向于石墨的结构参数。对3组煤样分别进行X射线衍射分析,衍射谱图和结构参数(表1)显示出系统差异。M组揉流糜棱煤的X衍射曲线(002)衍射峰高而紧闭、衍射峰呈很好的对称形态,La和Lc最大,La/Lc最小,d002最小。B组脆性变形煤的衍射曲线(002)衍射峰宽缓,对称性较差,La和Lc最小,d002较大。P组非均质结构煤的(002)衍射峰较宽缓、衍射峰也呈较好的对称形态,Ls和La以及d002分别介于M组与B组煤样之间。在Ronax-Lc和Romax-La散点图上,很容易区分3组煤样(图1)。以强剪切变形为特征的M组煤样的基本结构单元尺寸最大,表明定向压力对芳香核的增高和芳香层片的扩大都有很强的促进作用。而异常热作用导致韧性流变的P组煤样的煤级高(Romax值大),Lc与B组煤样接近,La与M组煤样相当,这种现象说明温度是煤化作用的主要因素,高温对芳香层片的扩大起主要作用,而对芳香核的增高作用甚微。4煤的动力变质作用煤的动力变质作用是长期争论的问题。早在1925年,怀特就用动力变质来解释美国东部煤的变质问题,早期一些苏联学者也强调煤的动力变质。随着煤田地质研究的深入,一些传统“典型的”动力变质实例几乎被否定(Teichmüleretal.,1966)。目前,比较公认的观点是,煤的动力变质作用是叠加在煤变形时原有煤级之上并分布在有限的强烈变形范围内。除了个别实例,如Darjeeling-喜马拉雅变形区(Ghosh,1990)、落基山脉逆冲断层内(Bustin,1983)和瑞士Helvetic阿尔卑斯山局部地区(Suchyetal.,1997)的煤或碳质碎屑反射率有明显升高外,一般动力变质作用很难引起煤级的大幅度和大面积的升高,其影响范围、影响程度都很有限。笔者认为,构造变形对高煤级煤变质程度的影响取决于应变性质和变形温压条件。4.1脆性变形高煤级煤镜质组脆性较大,在温度较低的情况下,煤中应变能的消减是通过碎块间的相互换位来实现的,这样形成的变形煤以脆性变形为主,因此,脆性变形中煤体破裂缓冲了构造变形对煤的大分子结构的影响,脆性变形不易提高煤的变质程度。在北淮阳地区,脆性变形煤的煤级和结构参数均表现为一种较低且较稳定的区域背景值。4.2环缩合作用机理在古地温较高的地质环境中,煤中有机组分活动性加大,在构造应力(尤其是剪切应力)作用下,极易发生韧性变形。韧性流变煤中应变能的消减可能与大分子的环缩合与拼叠有关,主要通过如下两种机制促进煤的演化:一是应变能增加了煤化作用的热活性,促进化学键重新键合,提供环缩合作用的有利条件;其二是定向压力作为环缩合作用与拼叠作用的“催化剂”,当应变发展到芳香结构层次时,应力作用促使芳香碳网在平行于应力方向择优生长,在垂直应力方向则优先拼叠。北淮阳地区韧性变形煤、特别是强烈剪切变形的揉流糜棱煤具有较大的Romax、Robi、La和Lc,为上述机制提供了佐证。5煤系变形机理(1)脆性变形不引起煤级的变化,而韧性变形是涉及到煤芳香层结构的变异,可促进煤化作用进程。(2)温度是引起煤级升高的主导因素,而