煤岩识别研究进展论文

———地下水热液对煤变质作用影响的初步探讨

河南石炭二叠纪含煤岩系在热液活动影响下，煤及其围岩都发生了变化。笔者研究了围岩变化特征及热液的性质，认为热液是大气降水来源的地下水热液;并以地下水热液系统形成机制为核心，把水文地质学中的有关观点应用于煤变质问题研究，指出地下水热液是煤热变质作用过程中的对流传热媒介。此外，用围岩黏土矿物变化特征划分了围岩变化阶段，使之与煤变质阶段对应了起来。

河南石炭二叠纪煤田位于华北石炭二叠纪聚煤坳陷南部，以其含煤层数多和以济源、焦作、偃龙、荥巩诸无烟煤矿区为中心的煤变质分带性明显而著称(图1)。促成该区大面积无烟煤和高变质烟煤形成的煤变质作用一直是许多煤田地质工作者致力研究的课题。近年来，尽管一些研究者 在发现河南煤的热变质特征，进而确认异常地热因素对变质带形成有重要意义等方面，殊途同归，取得了一致的认识。但对于导致煤热变质作用的热源和热的作用方式等问题还有不同的看法。本文通过研究煤热变质作用条件下围岩的变化特征，从地热异常形成机制方面考虑，尝试把水文地质学中关于地下水热液的认识应用于煤的热变质作用研究。

一、区域地质简况

研究区地质发展史与华北大部分地区相似。石炭二叠纪地层是区内最重要的含煤沉积，最大厚度约1500m，与下伏奥陶系或寒武系假整合接触。上覆连续沉积盖层的最大厚度约3500m。二叠系山西组的二1煤层是全区普遍的主要可采煤层，因而，讨论煤变质的水平分带主要针对二1煤层。

各种不同的大地构造观点都认为，河南中北部是不同构造单元的交接处。大致沿郑州—宿县一线延伸的河淮断裂横贯全区，一些中生代的近南北向深大断裂与之相交［1］。全区褶曲构造不发育，以断裂构造为主，比较重要的区域性断裂有五指岭断层、嵩山断层和襄郏断层等北西向断裂。

图 1 河南石炭二叠纪煤田山西组二1煤反射率等值线图

二、含煤岩系岩石的蚀变矿化

野外和矿井地质观察发现，区内无烟煤带的含煤岩系岩石普遍有蚀变和矿化现象。蚀变的主要类型有硅化、方解石化、绿泥石化和叶蜡石化。

硅化和方解石化使含煤岩系中发育许多石英脉和方解石脉，个别地区还有石英被膜包裹碎屑颗粒的现象。这些脉石的宽度大多在1cm左右，最宽的可达20cm以上;长度几厘米至几米，甚至几十米。它们沿岩、煤层张开的裂隙充填，脉体边缘的围岩常常还有窄窄的蚀变边，矿物成分和颜色有不同程度的改变。脉石的出现与围岩的成分有某些一致性，石英脉一般只见于富含SiO2的山西组及其以上地层，很少出现在太原组灰岩中;而方解石脉则多见于富含CaCO3的太原组地层中。

一些菱铁矿脉、黄铁矿脉、绿泥石脉和叶蜡石脉与方解石脉，石英脉相比，规模更小，往往与后者共生。

绿泥石化和叶蜡石化主要发生在富含黏土矿物的岩石中。肉眼观察所见，在泥质岩中它们常呈薄膜状和细脉状，在砂岩中常产于石英脉的边缘，形成1至几毫米的蚀变边。薄膜状者成分较纯，脉状者常混有微晶石英和星点浸染状的金属矿物。经粉晶X射线衍射分析，绿泥石具有特征的衍射峰d(001)=14.2×10－10m，d(002)=7.1×10－10m，d(003)=4.7×10－10m，d(004)=3.53×10－10m;叶蜡石的衍射峰特征是d(002)=9.15×10－10m，d(004)=4.6×10－10m，d(006)=3.07×10－10m。

偃龙、荥巩等矿区的岩矿鉴定资料表明，绿泥石化、叶蜡石化同样见于显微镜下砂岩的泥质填隙物和泥岩中。此外，济源、焦作等地块状无烟煤的外生裂隙也有充填绿泥石和叶蜡石薄膜的，其顶板岩石的绿泥石化和叶蜡石化更是强烈。

与岩石蚀变作用伴生的矿化作用一直未为大家注意。作者观察所见，偃龙、济源、荥巩、焦作等地的石英脉和方解石脉中，有呈斑点浸染状和脉状构造的金属矿物。经矿物粉晶X射线衍射鉴定有黄铁矿、菱铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等，以黄铁矿和菱铁矿多见，并且晶形较佳，有的形成斑晶。

一般地说，蚀变矿化现象主要见于高变质煤区，如济源，焦作、偃龙、荥巩等矿区，以此为中心向外，蚀变矿化现象逐渐消失。

三、脉石矿物包裹体的研究

采用两面抛光的薄片观察包裹体。石英和方解石中的包裹体较多，主要见两相的流体包裹体，外形较规则，椭圆形，在样品中均匀分布，气液比一般为15%～20%;个体较大，通常8～12μm，最大可达30μm以上，一般液相为浅灰色，气相呈灰色，偶尔可见呈淡桃红色的液相。个别样品见少数零星分布的气体包裹体和CO2包裹体。菱铁矿中的包裹体个体小，一般2～5μm左右，外形与菱铁矿晶形一致，液相呈现淡绿色，气液比为10%～15%。所有气液两相的流体包裹体达到其均一温度时，均化为液相。

包裹体测温和包裹体化学成分、水的氢氧稳定同位素分析结果分别列于表1、表2。

表 1 流体包裹体的均化温度和爆裂温度

续表

注: 包裹体测温由核工业部北京铀矿地质研究所完成。

表 2 包裹体的化学成分及包裹体水的稳定同位素组成

注: * 样品由中科院贵阳地化所分析; **样品由北京铀矿地质研究所分析; /表示未检出该项成分。

四、黏土矿物的变化

各矿区泥岩和砂岩泥质填隙物的X射线衍射分析表明，各矿区的黏土矿物组合有较大的差别，济源、焦作、偃龙和荥巩的样品为叶蜡石、绿泥石、伊利石和高岭石组合，而平顶山的样品则为不规则混层黏土矿物、伊利石和高岭石为主的组合。

虽然各地的样品均含伊利石，但衍射曲线反映出它们的结晶度是有差别的。采用We-ber(1972)［3］提出的方法，以伊利石特征衍射峰d(001)峰的相对半高宽Hbrel来表示伊利石的结晶度，在特定的X射线衍射条件下，取伊利石d(001)=10×10－10衍射峰和石英外标d(100)=4.27×10－10m衍射峰半高宽的比值。即

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通常，伊利石结晶度是直接以d(001)=10×10－10m峰的半高宽表示的，因为峰宽易受仪器分析条件的影响，所以不同研究者提出的结晶度没有可比性。采用Hbrel表示的结晶度取得了可与国外一些典型实例比较的数据。样品分析结果见表3，表现出从南部的平顶山矿区向北，随煤化程度的增高，伊利石结晶度增强的趋势。此外，平顶山29－15孔样品和该孔煤化程度受控于埋藏深度一样，表现出随埋藏深度增加，结晶度增强的趋势。

表 3 若干矿区的伊利石结晶度值 Hbrel

注: 样品由石油勘探开发科学研究院实验中心分析。* 黏土矿物颗粒小于 2μm。

五、讨论

( 一) 含煤岩系岩石蚀变矿化与煤变质作用的关系

硅化、方解石化和绿泥石化、叶蜡石化是比较常见的中温蚀变现象。黄铁矿、菱铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等是常见的中温热液矿物共生组合。通过对矿物包裹体测温，证实了形成石英脉和方解石脉的溶液具有中-高温热液性质，最高温度达 200 ～350℃。

以区内含煤岩系及其上覆盖层厚度累计，在正常地温梯度下不可能达到如此高的古地温。热液的形成肯定有异常地热场为背景，这种有热液参与的异常古地温对含煤岩系的改造( 包括促成煤的变质) 是明显的。

上石炭统太原组灰岩中黄铁矿重结晶形成的粗大立方晶体经常可见。有时，黄铁矿脉甚至穿插到煤层中。图 2 是沁阳水峪寺煤矿太原组底部煤层被黄铁矿交代的情形。镜下可见大量黄铁矿细晶溶解，重结晶连成片状，原来单个小立方晶的晶形尚依稀可辨，该煤层顶板灰岩中的方解石脉爆裂法测温为 365℃，方解石脉中还有少量黄铜矿共生。

图 2 沁阳水峪寺煤矿太原组煤层黄铁矿化示意图

焦作、偃龙等矿区太原组煤在镜下常见黄铁矿、方解石和石英的网状脉，在这些网脉中，黄铁矿往往作为方解石或石英的嵌晶出现，这些黄铁矿嵌晶又可包含方解石或石英晶体。这和图 2 的实例一样，反映了在异常古地温和热液作用下，沉积的 FeS2活化迁移，沉凝、重结晶。从石炭系以外的岩层、煤层中很少出现黄铁矿脉和含黄铁矿的网状方解石脉、石英脉，可以判断 FeS2迁移的范围有限。对焦作矿区李封矿的两个样品测温，一个样品是石英脉含黄铁矿立方晶体，另一个样品是有石英脉穿插的块状黄铁矿; 前者石英的爆裂温度为135℃ ，黄铁矿的爆裂温度为 110℃ ; 后者黄铁矿的爆裂温度为 130℃ 。证明了黄铁矿是在比较高的温度下沉凝、重结晶的。

作为有机岩的煤，对高温的敏感更胜于围岩。200 ～350℃的最高古地温足以使煤发生强烈变质，形成无烟煤。高变质带分布与蚀变强烈地带的吻合也说明了这一点。从蚀变现象范围的广泛和较高的古地温来看，异常古地热场是区域性的。因此，我们把河南石炭二叠纪煤那样大面积的变质分带的成因归之于这一异常古地热场。关于煤在热液作用下的变化特征，已有专文讨论［4］。

( 二) 热液成因与异常地热场形成的关系

近年来，一些研究者在指出异常古地温对河南煤变质分带形成的重要影响的同时，都囿于区域岩浆热变质作用的地质模式，致力寻找隐伏岩体，忽略了对异常地热形成机制的进一步讨论。

事实上，区内除少数几个小型喜山期和燕山期岩体外，至今未发现煤田内有其他火成岩体出露，而且已发现的岩体主要分布在高变质带以外的矿区，也没有被确认是隐伏岩体造成的地球物理异常，区内的航磁异常一般为前寒武系结晶基底顶面起伏变化的反映。即使是认为存在一些较高异常值圈出的隐伏岩体，其规模也不足以产生影响全区的岩浆热液，使区域发生热活化。因此，煤的区域岩浆热变质作用模式的应用遇到了困难。

我们注意到，野外发现的各种矿脉的规模都很小，但却普遍出现。小而分散是脉石的分布特点，并且脉石成分与围岩的化学成分有明显的一致性，表明矿质主要并非热液原先所具有的，而是在热液渗流过程中从围岩转移出来的，也表明热液的成因、演化与地质特征有一定的联系。在这里，热液的成因实际上涉及地热异常形成机制问题。水是热液的主要组成，因而研究水的来源和成因是研究热液成因的关键。水的最终来源只有通过研究水分子本身的某些地球化学参数才能识别，而氢氧稳定同位素提供的正是这样一种参数。

矿物包裹体研究的理论告诉我们，原生的包裹体实际上就是矿物形成时所保存的一部分原始的热液，因此，热液中水的来源及演化特征，可以通过测定包裹体水的氢氧稳定同位素的组成来判断。笔者参考Sheppard(1977)的各种不同成因水的同位素组成综合图［5］编成了图3。可以看到，研究区石英包裹体水的δD和δ18O值落在了图中雨水线的附近，δD值变化幅度很小，但δ18O却显示出偏离雨水线向更高的δ18O方向迁移的特点，一般认为这是热水与硅酸盐和碳酸盐围岩进行同位素交换的结果［6］。也就是说，区内形成石英脉、方解石脉的热液中的水主要来源于雨水(大气降水)。以水的来源划分，这种热液被称为地下水热液，它是大陆地壳最上部2～4英里(约3～6.5km)最常见的热液系统，日益受到矿床学家的重视［7，8］。当然，单一来源的热液水是难以想象的，我们也不排除少量的深部变质作用或岩浆作用产生的水加入到这一热液系统的可能性。

表2列出的包裹体化学成分没有岩浆热液通常所具有的复杂成分。包体水中的阴离子有SO42－、HCO－3和Cl－，济源的样品中还有微量F－，阳离子有K+，Na+，Ca++，Mg++，以阴阳离子总和表示的总矿化度也是较低的，为26.6～53.1mg/g，属HCO3－SO4－NaCa和Cl－Na型水，表现出砂页岩及煤系分布区受深大断裂控制的深循环型地下热水的某些性质［8］。这种富含氧、二氧化碳和硫酸根离子的地下水溶液具有较强的侵蚀能力，在其渗滤过程中能逐渐溶取围岩中富含的各种元素，成为含矿溶液，沉淀出各种脉石和金属矿物。

图3 包裹体水的稳定同位素组成图|Fig.3 Stable isotope composition of the inclusion liquid|虚线表示热水-岩石间同位素交换引起的δ18O迁移 Broken linedenotestheδ18O migration cause by isotopic exchange between thermal waters and rocks

很显然，大气降水是进入地下渗流过程中被加热，演变成热液的。地热学和水文地质学的研究都证明，地下水的运动是影响岩石圈上部温度场分布的最活跃的因素，循环于地壳的地下水具有较大的热容量和很好的对流传热性能，是地壳中理想的载热流体，是将地下热能从深部传递到地表的重要媒介［8，9］。由地下水深循环加热作用形成的地热异常，无论是板块内部的地壳隆起区，还是沉降区都有广泛分布。

理所当然，这种地下水的升温主要依赖于地下的供热系统。我们注意到，地下水热液活动范围的广泛，是由于区域发生热活化，热流和地温梯度普遍提高，而象这种活化现象不可能是由一个个侵入体释放的热造成的。区内缺乏岩浆活动的实际情况，也使得把区域热活化归因于岩浆侵入的依据不足。初步分析认为，使地下水升温的“供热站”可能和华北地区南部晚中生代大地构造格局变化及莫霍面起伏变化在深部形成的热源有关。

图1煤变质带的走向和分布明显受一些深大断裂的控制，同时，在重要的区域性断裂近侧，反射率等值线发生畸变。其他煤级参数，如挥发分、H/C原子比等都从两侧向断裂方向规律变化，表明了断裂有可能作为深部热流上涌以及地下水活动的宏观通道。地下水热液实质上是深部热源和含煤岩系之间的传热媒介，它与围岩的相互作用，包括了在渗流过程中的蚀变作用及与围岩的热交换，对含煤系加温，促成煤的热变质。这样，河南石炭二叠纪煤的热变质作用时期，也就是地下水热液形成和活动时期，相当于晚中生代华北地区南部的大地构造格局及上地幔顶界面起伏态势的变化时期。

采用多种手段研究区内煤的显微变质特征，岩层、煤层孔隙作为地下水热液渗流的微观通道的可能性得到了证实［4，10］。

(三)围岩后生变化阶段与煤变质阶段的关系

黏土矿物的变化是地下水热液影响的异常古地温作用的一种效应。与区内无烟煤带岩石相似的后生变化，国外也有报道［11，12］。如法国洛林附近Belledonne的上石炭统、美国宾夕法尼亚无烟煤矿区和联邦德国下萨克森盆地Bramche地区的中石炭统和下白垩统。它们都与异常古地温有关。

在岩石浅层变质作用(anchimetamorphism)阶段存在下列平衡［11］:

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在水分压为0.1GPa的条件下，叶蜡石的生成温度约350℃，这一平衡中Si的活性增加，水的逸度减小，平衡温度会更低些。

自生伊利石结晶度的增加主要取决于温度，而与岩石的变形程度无关。区内岩石的伊利石结晶度Hbrel值反映出从平顶山矿区向热液活动强烈的济源、偃龙等矿区结晶度增高的趋势。根据上述分析，初步划分了围岩后生变化阶段(表4)。

区内无烟煤带含煤地层岩石已经进入浅层变质作用阶段。叶蜡石发育，蒙脱石、伊利石－蒙脱石不规则混层的消失以及在碎屑沉积岩中伊利石、绿泥石等矿物占优势，都是浅层变质作用的标志。

浅层变质作用阶段的温度范围200～350℃，是与热液矿物包体测温确定的最高古地温范围一致的，说明有可能利用伊利石结晶度Hbrel划分岩石后生变化阶段和判断古地温。区内Hbrel<250与浅层变质作用阶段和200～350℃的最高古地温对应。

表 4 围岩后生变化阶段与煤变质阶段的关系

*R°max为油浸介质中镜质组最大反射率;R°min为油浸介质中镜质组最小反射率;**波浪线表示界线不是整齐划一的。

此表据Teichmüller等(1979)的表改编。表中的伊利石结晶度Hbrel均采用小于2μm黏土矿物的X射线衍射数据。

六、几点认识

(1)河南石炭二叠纪含煤岩系在较大范围发生了热液蚀变矿化，它是曾经存在过异常古地温作用的直接证据。热液矿物包裹体测温确定，热液作用的最高温度达200～350℃。这一温度范围对于区内无烟煤的形成是合适的，从热液强烈活动地区与高变质带分布的吻合可以得到证实。

(2)应用氢氧稳定同位素分析方法研究热液矿物包裹体水，包裹体水的δD和δ18O值组成特征表明，热液中的水主要来源于大气降水。大气降水无疑是进入地下深处之后被加热而演变成地下水热液的。

(3)在河南石炭二叠纪煤的热变质作用中，地下水热液作为载热流体，是联系深部热源与含煤岩系的媒介，它在沿岩层、煤层孔隙渗流过程中与围岩发生热交换，通过对流方式把异常地热传递到岩层、煤层，促成煤的变质。

受深大断裂格局控制的地下水热液变质作用决定了河南煤变质带的取向和分布。

( 4) 粘上矿物组合的变化、伊利石结晶度的增加，同样是热液作用下异常古地温的效应。利用黏土矿物变化和伊利石结晶度划分岩石后生变化阶段，进而确定煤化作用的古温度是可能的。

以往煤的热变质作用研究，比较强调岩浆热直接烘烤的传导传热方式，忽视了传热效率更高的载热流体介质以对流方式的影响。以河南为实例，从地热异常形成机制方面考虑，我们提出了一种以地下水热液为传热媒介的煤热变质作用方式，为求进一步讨论和研究。

本文的研究工作得到了韩德馨教授的热情指导和河南省煤田地质勘探公司以及河南省许多煤矿的大力协助。承蒙石油勘探开发科学研究院实验中心、河南地矿局实验室、核工业部北京铀矿地质研究所和中科院贵阳地球化学研究所的有关实验室帮助进行了样品的测试，对此，作者表示诚挚的谢意。

参 考 文 献

［1］ 张文佑、张抗、赵永贵、王信和、徐贵忠、吴海威、韩贝传、曾湘山，1983，华北断块区中新生代地质构造特征及岩石圈动力学模型。地质学报，第 57 卷，第 l 期，第 33 页

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The alteration of the Permo-Carboniferous coal-bearing series in Henan resulting from the coal thermal metamorphism

—A Preliminary Approach to the Influences of Thermal Groundwater on Coal M etamorphism

Zhong Ningning

( Jianghan Petroleum Institute，Shashi，Hubei)

Ren Deyi

( Beijing Gradute School，China University of Mining and Technology，Beijing)

Abstract: Some changes have taken place in the coal and its surrounding rocks of the Per- mo-Carboniferous coal-bearing series in Henan affected by hydrothermal activity. Having inves- tigated the characteristics of the alteration of the surrounding rocks and the properies of the hy- drothermal solutions，the authors considered that the hydrothermal solutions may be thermal groundw ater derived from meteoric w aters. With the formation mechanism of the thermal groundw ater system as the focus and by applying the relevant view -points in hydrogeology to the study of coal metamorphism，the authors point out that thermal grondw ater acts as a heat transfer ( convection) medium in the process of coal thermal metamorphism. Furthermore，the alteration characteristics of the clay minerals in the surrourding rocks are used to distinguish the alteration stages of the surrounding rocks，w hich are made to correspond w ith the stages of coal metamorphism.

( 本文由钟宁宁、任德贻合著，原载《地质论评》，1990 年第 36 卷第 2 期)