地下煤层自燃区岩石磁性增强特征及机理研究——以内蒙古乌达和宁夏汝萁沟煤矿为例

熊盛青，于长春

中国国土资源航空物探遥感中心，国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室，北京 100083

1 引 言

地下煤层自燃是指地下未开采煤层自我燃烧产生的火灾，在我国新疆、甘肃、宁夏等省（区）发生尤为普遍［1］，浪费了资源又破坏了环境.自燃区分布范围、着火点位置等信息是实施灭火工程的前提，急需寻找有效的探测方法.野外测量实践表明，磁法以其轻便，施工难度低等优势，在自燃区探测工作中应用比较普遍［2－12］.由于煤层及以沉积岩为主的顶底板岩石磁性通常很弱，难以引起明显磁异常，但是围岩经煤自燃烘烤冷却后形成的烧变岩，通常具有较强的磁性［2，13］，成为磁法探测目标.烧变岩磁性增强是高温热剩磁导致的.一般认为，岩石样品加温过程中出现了磁性矿物转换，生成了磁性较强的铁磁性矿物［14－16］.例如，菱铁矿［17－19］热处理后等温剩磁特征表明高温热剩磁是烧变岩磁性增强的主要原因，黄铁矿［20］受热分解最终生成磁黄铁矿，铁硫化物［21］磁黄铁矿在逐步加热过程中经磁铁矿最后氧化成赤铁矿.煤自燃的热分析研究表明煤自燃温度一般可达562℃［22］，这也为烧变岩磁性的形成提供了条件等等.

以往的研究主要关注的是岩石本身的磁学特征和单矿物（如菱铁矿）与温度的关系，有关煤层燃烧过程中持续对岩石加温和煤火燃烧结束后岩石逐渐降温过程中岩石磁性变化过程以及矿物成份的变化情况等研究不够深入.煤火引起岩石磁性变化和磁异常形成的机理仍有许多问题有待研究，例如：

（1）烧变过程中不同温度的岩石磁性是否有明显差异？

（2）岩石中矿物成份如何变化且与磁性关系如何？

（3）岩石加温或退温过程中其磁性是如何变化的？

（4）依据磁异常能否区分无火区、燃烧区和死火区？

本文系统采集了宁夏汝箕沟煤田和内蒙古乌达煤田不同层位的岩石样品，对样品在实验室进行了不同方式的加温、降温磁性测量试验，以及样品加温前后矿物成分的岩矿鉴定.根据实验测试结果，研究温度对岩石磁性的影响规律并进行理论分析，探索不同燃烧阶段岩石磁性变化特征和形成机理.

2 研究区地质概况

乌达煤矿位于内蒙古自治区乌达市西北10km处，位于鄂尔多斯盆地西缘，属华北石炭二叠纪煤田，地层由上而下划分为第四系（Q）、第三系（R）、上二叠系石盒子组（P2sh）、下二叠系山西组（P1s）、上石炭系太原组（C3t）、中石炭系本溪组（C2b）等.下二叠系山西组（P1s）含煤十层，其中1＃、2＃、4＃、6＃、7＃稳定，是煤矿主要可采煤层；上石炭系太原组（C3t）含煤层17 层，其中8＃、9＃、10＃、11＃、12＃上、12＃、12＃下.乌达煤矿1958年开始建井，1961年苏海图煤矿井下9＃、10＃高硫煤自燃，从1978年开始苏海图煤矿井下采空区先后形成Ⅳ－1、Ⅳ－2等6个地面火区.这些火区燃烧时间长，面积广，损失大，污染严重［23］.

汝箕沟煤矿位于宁夏贺兰山北段中央山脉，在银川市西北相距100km处，属侏罗纪煤田.地层由上而下划分为第四系松散堆积，中侏罗统直罗组、下侏罗统延安组、上三叠统延长群.直罗组以粗砂岩为主，出露厚度为130～190m.区内岩层含煤八至九层，自上而下顺序编号为一，二及二1、二2，三，四，五，七11、七21及七2.延安组为矿区主要含煤地层，上部为厚层石英砂岩夹主要煤层，下部为石英粗砂岩、粉砂岩互层夹薄煤层，底部有含鲕状菱铁矿粉砂岩与延长群呈平行不整合接触，厚度在230至270m之间.延长群主要为一套巨厚层粗、中粒砂岩、粉砂岩及泥岩互层.汝箕沟矿区煤层火灾的发生可追溯到清朝同治年间，距今已有百余年历史［24］.成灾原因被认为主要与小煤窑开采中失火有关，有些火区可能源于煤层自燃或地质灾害引起.

3 高分辨率航磁测量及煤火异常特征

2005年中国国土资源航空物探遥感中心使用吊舱式直升机频率域电磁、磁测量系统，在内蒙古自治区乌达煤矿区进行了高分辨率电磁和磁法测量［8］.测线间距50m，测线方向为东西向，磁探头平均离地高度为49m，获得了高精度航磁ΔT磁场图（图1）.

由图1可见，该区的磁场总体上表现为较为平静的区域背景磁场，且具有北东高，西南低的变化趋势，在此背景之上叠加有2条近南北向的弧形升高磁异常带以及其它一些零星分布的局部异常.平静的区域磁场系由该区广泛分布的无磁、弱磁性砂岩等沉积地层及煤层引起，由于煤田地区地质构造、地层分布较为单一，故磁场面貌反映较为平静.近南北向的弧形升高磁异常带与地下煤火区分布大体相吻合.这类磁异常大都为形态规整的正异常或正负伴生的异常，且负值一般位于异常的北侧.

2005年从图1中34个异常中随机选取了21个航磁异常进行了地面踏勘检查.21处磁异常中，正在燃烧的煤层有9处（编号为C1、C9、C10、C14、C16、C17、C18、C20、C24），煤层燃烧已经熄灭的有6处（编号为 C11、C12、C15、C21、C25、C26）；煤矸石堆引起3处（编号为C7、C13、C32），人文活动有关为3处（编号为 C19、C22、C27）［8］.这一结果表明，航空磁测方法能够发现具有一定规模的燃烧煤层及燃烧已熄灭煤层所引起航磁异常.为了研究煤火燃烧产生磁异常的机理，探讨依据航磁异常能否区分无火区、燃烧区和死火区问题，本文进行了大量的实验.

图1 乌达煤矿区航空ΔT磁场图1.地面勘查圈定的煤火区；2.C1—C34为磁异常编号；3煤矿位置.Fig 1 AeromagneticΔTmap in WUDA Coal Ore Region 1.Coal fire combustion areas by ground truth delineated in blue lines；2.C1—C34refer to different magnetic anomalies；3.Place of Coal Ore.

4 实验研究

4.1 实验岩石样品采集

采用以下三种方式在宁夏汝箕沟和内蒙古乌达煤田采集了岩石样品：

（1）在煤与未着火煤层顶板接触带上采集岩石样品.地点在汝箕沟煤矿区，采样间距25～30cm，典型样品编号为 R6－1、R7－1、R8－1、R9－1.

（2）沿实测地质剖面采集岩石样品.地点在汝箕沟煤田阴坡火区，典型样品编号为RP－6.

（3）采集不同的未着火煤层顶板岩石样品.地点在乌达煤田.典型样品编号为 W2－1、W9－1、W12－1.编号规则以 W2－1为例，W为乌达矿区，2－1为2＃煤层顶板岩石1号样品，其它编号依此类推.

这些样品，既有地表岩石、又有地下岩石；有分散采集，又有集中采集，具有良好的代表性.

4.2 岩石加温前后铁质矿物含量分析

采用Opton反光显微镜及Olympus附件，根据光片特征对典型样品进行了常温和加温到700℃并冷却后的含铁氧化物测定，结果见表1和表2.

其特点是：

（1）绝大多数岩石样品中含有黄铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等磁性载体矿物以及可燃有机质，但均无磁铁矿.

（2）不同矿区样品的含铁氧化物含量有差异.汝箕沟矿区阴坡火区标本（RP－6）中不含有赤铁矿，黄铁矿、褐铁矿，含铁氧化物含量总和均低于0.4%.汝箕沟R系列样品中含有一定的黄铁矿、赤铁矿及菱铁矿，但含量一般低于0.2%；褐铁矿含量较高，达1.7%～5.5%.乌达煤田铁矿物含量相对较少且变化大，以赤铁矿及黄铁矿为主，不含褐铁矿.

（3）岩石样品在自然状态下，其所含的含铁氧化物的颗粒小且分散，最小5μm，最大65μm，多数为属于10～100μm的微粒状，属于膺单畴（PSD，1～20μm）颗粒和多畴（MD，大于20μm）结构的含铁氧化物.

（4）岩石样品加热至700℃再冷却到常温以后（见表1），其磁铁矿含量明显加强，达到0.1～0.5%；铁质总量增加，达到1.0～6.0%；矿物结构有变化，加温前一般为不规则微粒状、短脉状和碎屑状，加温后多为规则微粒状，且颗粒大小比加温前略有减小，一般为10～150μm，大多属于多畴（MD，大于20μm）结构，部分膺单畴（PSD，1～20μm）结构.岩石样品的黄铁矿、赤铁矿和褐铁矿含量有变化，其中多数样品黄铁矿含量略有增加，多数样品赤铁矿含量增加、褐铁矿含量减少.

4.3 加温前后岩石磁性变化特征

4.3.1 模拟实验方法

地下煤层在燃烧过程中放出大量的热量，其中大部分的热量被围岩吸收，促使围岩温度升高，形成围绕火源的热异常体.这个热异常体在煤火发生、发展和熄灭的各个阶段，依次出现升温、高温、降温过程.在前两个阶段中，基本是有氧环境，而在煤火熄灭阶段，有时是由于缺氧造成的.因此，考虑到现有实验室条件，设计了如下两个实验方案，全面了解加温前后岩石磁性特征的变化.

方案1：测定了无氧（惰性气体环境）条件下，岩石磁化率与温度关系曲线（κ－T 曲线）.将这些样品研磨成100～200μm细颗粒，之后放入到KLY－3s系统［25］中测量.测量过程是自动且连续，温度变化首先从室温26℃左右开始升高，隔大约3℃左右记录一次磁化率值，温度最高值是700℃，而后逐渐降温到室温，也是隔大约3℃左右记录一次磁化率值，采样密度可以有效地了解曲线细节.测定工作是在中科院地质与地球物理研究所古地磁与地核动力实验室完成的.

表1 典型样品加温前与加温700℃再冷却后含铁氧化物含量对比Table 1 The comparison on the content of iron－containing oxides before being heated and after being cooled from 700℃

表2 典型样品加温前含铁氧化物含量Table 2 The content of iron－containing oxides before being heated

方案2：有氧条件下岩石获取磁性过程的模拟.将岩石样品加工成2cm×2cm的立方体，在室温下测得样品的磁化率和磁化强度，之后把这些样品放入到加热仪器中加热到所需要的温度，再把这些样品放在地磁场里降温至室温，分别测定其磁化率和剩余磁化强度.磁化率测量仪器是南京地质矿产研究所生产的HKB－1型磁化率仪（卡帕桥），剩余磁化强度测量仪器是JR6A型旋转磁力仪.模拟试验是在中国地质大学（北京）环境磁学与古地磁学实验室完成.

4.3.2 无氧条件下岩石磁化率随温度的变化

岩石样品的磁性测量实验分两次进行，主要测定了无氧（惰性气体环境）条件下，岩石磁化率与温度关系曲线（κ－T曲线）.由图2可见：

（1）所有的岩石样品在自然状态下，磁化率都很低，小于10×10－5SI；其中小于3×10－5SI岩石样品占83%.

（2）在无氧加热处理过程中，多数岩石样品在低于400℃时，其磁化率没有明显的变化；多数岩石样品（77%）当温度持续升高到500℃左右时，其磁化率κ出现了峰值，少数出现了双峰，但温度位置相差较大，峰值磁化率一般是常温的4～5倍，少数（33%）达到10～100倍；各种岩石样品的磁化率在500℃之后开始急剧的下降并趋于0；继续加温到600℃以后，岩石样品的磁性消失.

（3）在冷却过程中，居里点温度以上的无磁性样品随着温度的降低，磁化率κ陡然增大，样品中的铁磁性矿物随着温度的降低又获得了磁性；当温度降到500℃左右，磁化率曲线上出现了峰值；随着温度的继续下降，样品R6－1、R8－1在200℃时出现了第二个峰值，而第二个峰值比第一个峰值要小；继续冷却到24℃（室温），磁化率κ也逐渐的减小，但是远大于原岩磁化率值.

图2 典型样品κ－T曲线图Fig.2 Temperature dependence susceptibility measurements for type sample

纵观所有岩石样品降温的κ－T曲线，均没有沿升温曲线返回到原点，而且是比原值有较大程度升高.特别是在常温下，高温处理过的岩石样品的磁化率比原岩石样品磁化增大很多倍（50%比原来增大100～800倍，33%增大10倍以上）；在降温过程中k－T曲线出现峰值，最大峰值多数位于450～500℃之间.

（4）对比图2中a、b、c和e、f图，乌达地区岩样降温磁化率曲线峰值小于汝箕沟，说明乌达烧变岩磁性弱于汝箕沟地区.

4.3.3 有氧条件下岩石获取磁性过程的模拟研究

地下煤层在燃烧过程中放出大量的热量，其中大部分的热量被围岩吸收，促使围岩温度升高.由于热量的扩散主要以岩石传导为主，因此距离火源较近的岩石温度高，距离火源远的岩石温度低，形成围绕火源的热异常体.这个热异常体在煤火发生、发展和熄灭的各个阶段，依次出现升温、高温、降温过程.但温度条带所达到的最高温度是不同的，获得的磁性大小也应该有差别的.

实验以50℃间隔，依次加温升至700℃，少数样品加热到1100℃.典型样品测量结果如图3所示.

由于同一样品相对应的磁化率曲线和磁化强度曲线的形态相似，图3中a、b、c、d、e、f图给出了不同截止温度（指岩石样品降温前的温度）降温获得的剩余磁化强度的曲线.这组曲线的特点是，各个样品的剩余磁化强度曲线随温度升高其曲线上升的趋势是一致的；随着截止温度的继续升高到500～600℃之间，R系列岩样的磁化率和磁化强度曲线都明显出现了一个阶段式的升高，幅度达到几百倍以上.加热到700℃以上后样品的磁性出现明显的下降，趋于消失.

对比图2和图3可知，在有氧条件下加热岩石获取磁性比无氧条件下加热岩石获取磁性强许多，磁化率要高将近一个级次，其原因是有氧加温条件下形成了新的铁磁性矿物.

以上分析结果表明，煤层围岩的温度一般要达到500℃以上，才能获得较强磁性.也就是说，在乌达、汝箕沟地区与烧变岩有关的磁异常主要是由温度高于500℃围岩形成的.

图3 典型样品磁性与温度关系图Fig.3 Temperature dependence magnetic features for type sample

5 煤火区岩石磁性特征与变化机理分析

综合分析煤火区岩石磁性测试分析结果及实测航磁数据，可将煤火区煤层自燃不同阶段的岩石磁性特征归纳如下：

岩石磁学研究结果表明［14，26－28］，岩石磁性的大小是由磁化率、感应磁化强度和剩余磁化强度来表示，其中磁化率是衡量岩石磁性的重要参数之一，主要取决于磁铁矿等磁性矿物的含量.岩石中磁性矿物的含量与岩石的磁性之间的关系是很复杂的.一般来说，铁磁性矿物含量越多，磁性也就越强.对许多矿区岩矿石标本的磁化率及磁铁矿体积百分含量所进行的相关分析结果表明，标本的磁化率随磁铁矿的体积百分含量的增多而增大.尽管如此，他们之间并没有严格的正比关系.对于相同的铁磁性矿物来说，外磁场的强度变化，还有温度等各种因素都会影响岩石磁化率的大小.特别是温度对岩石磁性的影响，就其数值大小而言，它比地磁场变化影响还要大.

表3 煤火区不同燃烧阶段岩石的磁性特征Table 3 The magnetic features of the rocks being different burning periods in coal combustion area

上述岩石样品岩性及其在常温及加热处理过程中磁性、铁质矿物含量及其结构变化有如下特点：

（1）在常温下，由于煤田分布区岩石样品中的铁磁性矿物含量较少，黄铁矿和赤铁矿的一般在0.1～0.3%，褐铁矿含量相对要多一些，则常温下均显示了弱磁性.

（2）在加热过程中，多数岩石样品在低于400℃时，其磁性（磁化率和剩余磁化强度）没有明显的变化，这是因为低温条件尚不足以产生新的矿物；多数岩石样品当温度持续升高到500℃左右时，其磁化率κ出现了峰值，其原因是继续加热的过程中，样品中的铁质性矿物受温度的作用产生的新的磁性矿物，具有了较强的磁性，即磁化率随着温度的升高逐渐的增加；继续加温到约600℃以后，岩石样品的磁性都消失了，这是因为岩石样品中铁质矿物达到居里温度后发生退磁所致，如磁黄铁矿在高温下可转变为无磁性的赤铁矿（表4）.

总体上讲，岩石样品在加热后降温过程中获得的磁性较加温过程中获得的磁性强，且只有在温度超过居里温度后才有可能获得较强的磁性.对比岩石样品升温和降温时磁化率曲线，发现冷却过程中样品磁化率κ不再沿升温过程的曲线返回，岩石磁化率在降温过程中的数值要比升温过程的数值大得多，说明经过热磁作用后，岩石标本的磁性显著增强了，这是因为样品保存了升温过程中产生的新的强磁性矿物（磁铁矿等）造成的.内蒙古平庄西露天煤矿顶板砂岩的磁性研究发现［16］，自然状况下样品中的菱铁矿和黄铁矿，经高温热处理后基本上都转化为强磁性的磁铁矿，但在加热过程中，含菱铁矿的岩石磁性比含黄铁矿岩石大一个级次.所以，煤田的盖层内所含的菱铁矿砂岩是引起燃烧区煤田上方磁异常的主要原因，黄铁矿是燃烧区磁异常的次要原因.变泥质岩包体样品的热磁实验鉴别结果表明［15］，在500℃以后磁化率的升高则是由磁铁矿从钛磁赤铁矿中出溶所致，即由加热过程中次生的磁铁矿引起，而并非代表原始（即加热前）样品中的磁铁矿成分.

在降温过程中有的岩样出现了两个峰值，提示岩石样品中的铁磁性矿物处于不稳定状态中.通过降温和升温的磁化率曲线上500℃时的峰值大小不相等，降温的岩石磁化率比升温的岩石磁化率峰值高了几十倍甚至上千倍，说明岩石标本中含有不同居里点温度的两种以上的铁磁性矿物.不同岩石样品的磁性升高时的温度不同是由于矿物成份的居里温度有差异所致，见表4.

岩石样品在加温和降温过程中的磁性变化可能还与其岩性及其新形成的磁性矿物的结构有关.根据岩石磁学的有关理论［26，28］，岩石的磁性反映磁性矿物的微结构，特别是决定颗粒的磁畴状态的颗粒大小和形状等因素.磁铁矿颗粒大小为0.5～1μm时，具有单（磁）畴（SD，single domain）结构，磁化是均匀的朝着一个方向，因此磁性超强；颗粒大小大于20μm时，具有多畴（MD，multidomain）结构，颗粒包含许多磁畴，磁畴的磁化方向各不相同；大于1μm、小于20μm的颗粒具有介于SD和 MD颗粒之间的性质，称为膺单畴（PSD，pseudosingle domain）颗粒.单畴磁铁矿的磁化强度比多畴结构磁铁矿的磁化强度大2～3个数量级.当岩石从高温经过居里点达到常温时，SD和几微米大小的PSD颗粒能够获得稳定的很强的剩余磁化（TRM），比MD颗粒所能获得的要大几个数量级.本次岩矿测试结果表明，岩石样品在自然状态下，其所含的铁质矿物一般为不规则微粒状、短脉状和或碎屑状，颗粒小且分散，最小5μm，最大650μm，多数为属于10～100μm的微粒状，因不含或很少含磁铁矿，故在常温条件下样品的磁性较弱.使用ZH－1磁化率仪测量汝箕沟地区的岩样磁化率一般在20～30×10－5SI左右，而乌达地区的岩样磁化率一般在5～20×10－5SI之间，说明煤火试验区正常围岩的磁性较弱.岩石样品加热至700℃再冷却到常温以后，铁质矿物结构有变化，多为较规则的微粒状，颗粒大小比加温前略有减小，一般为10～150μm，大多属于多畴（MD，大于20μm）结构，部分膺单畴（PSD，1～20μm）结构，因而磁性增强.，其磁化率一般为n×100×10－5SI，因此在煤层自然区一般可形成磁异常，但不会形成强磁异常.

表4 不同矿物磁性特征及居里温度Table 4 The magnetic features of different iron deposits and Curie temperature

而各个岩石样品磁化率增大的幅度不同，主要是因为岩石岩性及其内含的磁性物质的成分、含量不同所致，或者是磁性矿物的颗粒大小、结构、机械外力作用、地质作用（包括氧化还原作用、变质作用、蚀变作用）等因素也可能产生影响.一般泥质粉砂岩、沙质粉砂岩等的磁性较粗粒砂岩的磁性强，自然状态下铁质物质含量高的岩石磁性较强；有氧条件下岩石获得的磁性比无氧条件下获得的磁性强；地磁场的作用影响相对较小［16］.

6 结论与讨论

6.1 地下煤层自燃时温度可达800～1000℃以上，岩层受高温烘烤变质成浅红色、赭色、浅黄色烧变岩，顶底板围岩原有的结构性质要发生变化，其矿物成分也要发生物理化学性质（如磁性）的变化，主要原因是含有少量铁磁性矿物的岩石在温度升高时产生了新的铁磁性矿物（如磁铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿等）.

6.2 煤层的磁性随温度变化很小，围岩磁性变化较大.围岩磁性的变化在煤层不同燃烧阶段有不同的特征.在自燃的初始阶段（小于400℃）时，围岩表现为无或弱磁性；随着在煤层进一步燃烧，达到燃烧中心形成期（400～600℃）时，围岩温度逐渐上升，磁性出现升高，但变化较大；在燃烧系统形成期（600～900℃），围岩磁性迅速下降；在更高温度条件下（900℃以上），围岩磁性消失；在煤层燃烧后期至燃烧结束后，温度高于500℃的围岩温度降低，岩石磁性较原岩有显著升高.不同地区由于岩石岩性及其矿物成份的差异，引起的磁性变化的大小不同，但变化规律是基本一致的.

6.3 野外测量表明，在自燃的初始阶段，磁测难以获得有效的磁异常；达到燃烧中心形成期，磁测可获得有效的磁异常，但磁异常成点或线状，异常强弱不均；在煤层燃烧后期至燃烧结束后，形成了烧变岩，磁测可获得明显的磁异常，相对其它初始和燃烧阶段，此时磁异常成片或带状，基本覆盖煤火燃烧区域，具有面积大、强度高或伴有较大负异常等特征.

6.4 由于煤火自燃引起的磁异常轴向及展布范围与煤火燃烧区密切相关，与区域内其它磁性地质体产生的磁异常特征存在一定差异，因此，通过测量和解释地下煤层自燃区的磁场，可以有效地发现烧变岩体并区分不同的燃烧阶段，指导灭火工作.

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