煤镜质组反射率的定向特征及其应力指示意义——以淮北矿区为例

师庆民，屈争辉，冯乐，窦鲁星，江煜波，赵迪斐

1)中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州，221116； 2)煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州，221008； 3)中国石油大学(北京)地球科学学院，北京，102249； 4)西南石油大学资源与环境学院，成都，610500

内容提要: 基于淮北矿区4个矿井共15块煤定向样品的镜质组反射率测试数据，在相容性调整的基础上，开展煤样镜质组反射率三维椭球体进行拟合。结合区域及采样地成煤后构造演化分析及煤样变形类型特征，深入研究煤镜质组反射率三维椭球体的方位和形状对应力、温度和变形结构的响应，并探讨其内在机理。结果显示：煤镜质组反射率三维椭球体最大—中间反射率所在平面的倾向多与区域应力来源方向相近，其原因可能归结于煤中芳香片层向垂直于岩石圈当中近水平构造应力和上覆地层压力的合力方向优势发育。垂直于挤压应力方向延伸的断层的干扰、煤变形程度和多期应力场的叠加效应是导致少数样品指示异常的主因。在多期应力场叠加影响区域，镜质组反射率定向会向后期应力方向发生不同程度偏转。但对于强变形构造煤，煤体颗粒间的移位旋转会削弱镜质组反射率重新定向偏转的程度，使其镜质组最大—中间反射率平面倾向主要指示前期应力来源方向。岩浆热异常是导致最大—中间反射率所在平面陡倾的主要因素之一。根据弗林参数，多数样品表现为扁椭球型，仅是煤正常演化的反映，而长椭球型则主要反映了岩浆热异常的的影响。

自20世纪80年代末，通过借鉴岩石有限应变的分析方法和手段，煤镜质组反射率光性组构被引入煤田构造的应力应变环境的研究。Hower等 (1981)首次提出煤镜质组反射率可作为应力—应变标志物，最大—中间反射组成的平面与褶皱轴面平行；Levine等(1984)论证了煤镜质组反射率各向异性揭示岩层形变的可能性和有效性；王文侠(1987，1988)首次应用煤镜质组最小反射率主轴方向指示区域构造最大主应力方位，同时引入弗林参数指示煤储层的应力—应变环境；曹代勇(1990)、曹代勇等(1990)、姜波等(2002)则在上述结论的基础上做了深入而广泛的野外验证，均取得了良好的指示效果。Bustin等(1986)的研究结果表明，无烟煤镜质组反射率在高温高压实验条件下可发生重新定向，且各向异性增强；周建勋等(1993，1994)在扩大了煤级范围的条件下开展高温高压实验，发现镜质组反射率的偏转与煤级有关；姜波等(1997)在进一步完善实验条件的基础上验证了上述结论的可靠性，同时提出煤镜质组反射率偏转与煤应变强度有关。目前，对煤镜质组反射率定向性地质指示意义的认识仅限于以上所述20世纪80年代末至90年代末取得的研究成果，21世纪以来的相关研究主要是对已有认识的应用(姜波等，2002；蒋建平等，2007；胡宝林等，2004)。然而，煤镜质组反射率定向性是否有深层次的指示意义？其定向偏转的影响因素是否只与煤级和应变强度有关？由岩石有限应变分析引入的弗林参数是否可以很好的指示煤储层的应力—应变环境？这些问题尚待深入研究。本文拟在前人研究的基础上，以淮北矿区为研究区域，选择位于徐-宿(徐州—宿州)弧形逆冲推覆构造带不同构造部位的典型矿井，采集煤定向样品，重点研究其镜质组反射率定向的地质响应。

1 地质概况

图1 淮北矿区构造纲要图及采样矿井分布图(据屈争辉，2010，修改)Fig. 1 Structural outline diagram of Huaibei mining area and distribution of sampling mining (based on Qu Zhenghui, 2010)

淮北矿区为我国重要的煤炭工业基地，石炭系和二叠系为主要的含煤岩系：本溪组和太原组含薄煤层，均不可采；山西组和下石盒子组为主要含煤层位，分别发育9#～11#和4#～8#煤层；上石盒子组煤层仅局部可采，发育1#～3#煤层(屈争辉，2010)。

研究区位于华北板块东南缘郯庐断裂西侧，夹于丰沛隆起与蚌埠隆起之间，整体被宿北断裂分为北、南两段(图1)，具有南北分段、东西分带的构造格局(王桂梁等，1998)。在徐-宿弧形推覆构造上覆系统的宿北断裂以北，主要构造线方位东侧为NEE，西侧为NE，为一系列倾向SE，向NW推掩的逆冲断层及与之伴生的线性褶皱，而西侧前缘发育张集反向逆冲断裂。向南构造线主体方位逐渐过渡为NNE向，但由于南端边界断裂左行走滑性质，导致宿北断裂附近转为近SN向。宿北断裂以南称之为南段，主要发育弧形构造的前锋带，所受构造应力较小，不具有反向逆冲断层(屈争辉，2010；王桂梁等，1998)。

从冲断的逆掩、褶皱的倒伏、擦痕和微观组构等证据分析：徐-宿弧形推覆体早期(J1)运动方向以NNW为主；后期(J2-3)逐渐转为NWW和EW，从倾向上后缘多向NNW运动，前缘则转为NW或NWW，同时叠加丰沛隆起由N向S的的挤压应力。从而形成一套由NW、近EW到SWW呈扇状的挤压构造应力轨迹(王桂梁等，1998)。根据徐-宿弧形构造上覆系统构造线，其主要构造受燕山期作用影响，而对喜马拉雅期构造作用响应相对较小。下伏系统发育规模不等的NE、NNE向正断层，则反映了喜马拉雅期NNE向挤压构造作用(琚宜文等，2011)。

研究区岩浆活动以燕山期最为活跃，尤以中性和酸性岩浆岩分布较广，多以岩墙、岩床和岩脉等直接侵入煤层中，造成淮北地区煤级由深成作用下的长焰煤—气煤阶段扩展到气煤—无烟煤甚至天然焦，表现出了深成变质作用基础上叠加了岩浆热力变质对淮北煤变质带分布的控制(琚宜文等，2005)。

本文涉及的采样矿井中，石台矿和朱仙庄矿分别位于徐-宿弧形推覆体主体构造的北段中部和南段前缘(图1)，所受燕山期构造应力明显小于上覆系统的构造区域，主要发育NE、NNE以及近EW的伸展构造样式，反映了印支期、燕山中晚期和喜马拉雅期构造应力叠加作用(屈争辉，2010)。

2 取样与测试计算

淮北矿区区域构造位置特殊，不同矿井构造位置差异性较大。本次共采集15块煤定向样品，样品采自山西组、下石盒子组和上石盒子组3个层位，构造位置分布宿北断裂北部和南部以及徐-宿弧形逆冲推覆构造上覆系统和下伏系统，采样位置尽量控制大小不同构造类型。由于构造煤更能反映构造应力的作用情况，因此所采煤样均为构造煤样，煤岩变形类型包括脆性变形—韧性变形系列，Ro,max0.85%～2.8%，涉及气煤—无烟煤(表1)。本次采样尽量采取大块煤样以保障采样过程中除边界外区域不变形。采样过程中首先选取任意相对平整面量取平面产状并进行标记，取样采用切割掏槽方式原位取样，样品用泡沫塑料(或卫生纸)和胶带分别内外包裹以减震定型，样品为各自分装，人工运到地面。制样时，首先根据产状标记面刻画水平面和正北方向，在保证不碎的前提下切取其中一大块煤样用纱布包裹，全部进行“煮胶”固化。最后依次完成定向切割、剖光等工序，使正北方向垂直前面指向后面(图2)。

图2 坐标系及煤砖正交截面内椭圆示意图Fig. 2 Coordinate system and schematic diagram of ellipse in coal vertical section

为便于最终确立椭球体地理空间方位，将煤光片切成以北方向作为空间坐标系X轴负方向、水平切面作为上面的立方体形状。镜质组油浸反射率测试采用由德国ZEISS公司生产的型号为AXIO Imager Mlm显微光度计，光度计线性度良好，拟合度R=0.999981。偏振初始方位在平面坐标系X轴方向，顺时针旋转载物台，每隔10°测定一个数据，旋转一周共测36个数据为一组。每个截面随机选取5个点进行测量，每个煤样共测3个相互垂直的截面(姜波等，1997)，测量按照“上面—煤样逆时针旋转至右面—煤样向后翻转至前面”的顺序进行测量(图2)。

理想情况下，每个截面中的每个点所测定的镜质组反射率均可组成一个平面椭圆，三个垂直截面中的平面椭圆均出自同一个空间椭球，且过球心。本文利用MatLab软件并采用最小二乘法进行平面椭圆拟合，并将每个截面上所得到的5组主轴最大、最小值分别求平均值。椭球拟合采用Ramsay提出的椭球拟合方法(Ramsay，1967)，应用加权最小二乘法进行相容性调整(Oertel，1978)。然后，通过空间直角坐标系向地理坐标系转换，获得镜质组最大反射率(Ra)、中间反射率(Rb)、最小反射率(Rc)及其地理产状等指标(表1)，其中反映椭球体形态的弗林参数(F)采用Ramsay改进后的公式：

计算求得。

3 结果与讨论

通过以上算法得到的镜质组最大反射率与实测值之间的标准差介于0.0006%～0.1594%(表1)。结合样品产出的构造环境，煤镜质组反射率椭球体的地理产状特征和几何形态表现为与温度和主应力方向的强响应。

3.1 镜质组反射率与应力的关系

将煤镜质组反射率三维椭球体最大—中间主轴所在的平面[“the maximun—intermediate reflectance plane(Hower et al.，1981)”，简称“MIRP”]进行极射赤平投影(图3)，结果表明MIRP倾向与最大主应力来源方向具有较好的一致性。

图3 淮北地区采样矿井构造纲要图及煤镜质组反射率极射赤平投影图 (a)石台矿；(b)朱仙庄矿；(c)海孜矿；(d)涡北矿Fig. 3 Structural outline diagram of sampling mining in Huaibei and steregraphic polar projection of Vitrinite Reflectance (a) Shitai mining; (b) Zhuxianzhuang mining; (c) Haizi mining; (d) Guobei mining

海孜矿主体构造为走向近EW，向北倾斜的单斜构造，地层倾角西缓东陡，一般为10°～30°，岩浆活动强烈。海孜矿在印支期EW向构造体系的基础上叠加燕山构造运动作用，分别发育NE、NNE向压性断裂构造，其后在喜马拉雅期构造作用下反转为正断层。海孜矿地质条件较为复杂，构造煤非常发育(琚宜文等，2002)，所采煤样的MIRP倾向同样与区域构造应力具有较好的对应关系，指示应力来源方向分别为近SE(H17和H33)、SSE(H13)、E(H24)和SSW(H35)，除H13外，均指示了燕山期或喜马拉雅期的应力来源方向。H13的取样位置与H17相近，MIRP倾向迥异，可能归结于煤体结构差异和两期应力叠加导致的指示方向偏转(详见章节3.2)。

所采15个煤样中，12个煤样的MIRP倾向指示应力来源方向；2个煤样(S75和G9)的MIRP倾向与应力来源方向相反，分别与采样点附近断层F3和F6的倾向一致；1个煤样(H13)与同构造位置不同变形类型煤样(H17)相比，MIRP倾向明显偏转，表明煤MIRP倾向多与区域应力来源方向相近。同时，指示效果可能受倾向与构造应力来源方向相反的断层的控制作用，煤变形类型及应力的叠加也有一定的影响。

煤MIRP倾向之所以能够指示应力来源方向，Levine等(1989)、Bustin等(1995)、周建勋等(1993，1994)认为镜质组反射率的定向主要原因在于分子结构的定向以及应力作用下内部结构单元的偏转，仅能解释最小反射率的方向性，无法解释MIRP对应力来源的指示作用。作者认为，煤MIRP定向性的实质是芳香层片存在向应力方向择优生长的趋势，即向着垂直于应力方向旋转生长。而岩石圈中岩石主要受近水平的构造应力和铅直方向的上覆岩层压力，煤中芳香片层向着与二者合力垂直的方向优势发育，导致煤MIRP向构造应力来源方向倾斜。也正基于煤大分子角度考虑，中低煤级煤可以为镜质组反射率定向过程提供更多的物质基础和生长空间。因此，一般认为，中低煤级煤对构造应力指示效果更明显(周建勋等，1993，1994)。

3.2 煤体结构和温度对煤MIRP的控制

在煤镜质组反射率定向与煤级的关系中，周建勋通过不同煤级煤在不同温压条件下的实验认为，光性指示面的Z轴(即最小反射率方位)主要反映煤级相对较低阶段的构造挤压应力方向，高煤级煤Z轴偏转幅度微小(周建勋等，1993，1994；姜波等，1997)。煤镜质组反射率定向反映了煤内部结构单元的排布规律，而煤级、温度以及煤体的宏观变形特征都会在一定压力下对煤内部结构单元的排布规律造成影响。如上所述，海孜矿是受构造变形和岩浆活动较强烈的区域，其煤样的MIRP产状在以煤体结构或温度占主导作用条件下具有明显的异常特征(图3c)：H13煤MIPR倾向具有重新定向偏转的特征；H24、H33、H35煤的MIRP则在岩浆侵入较严重的区域表现为高角度倾斜。

图4 淮北矿区海孜矿H17煤样镜下颗粒移位图 (单偏光，×40)Fig. 4 Particle displacement in the microscope on H17 coal sample in mining of Huaizi in Huaibei mining area(single polarizing, ×40)

样品中H35煤级和偏转程度均高于H13。姜波等(1997)在煤光性组构变形实验中，同样发现有虽然煤级较高，但相对低煤级偏转角度增大的现象，反映了煤镜质组反射率重新定向偏转程度并非随煤级增大单调递减的，同时需考虑温度、时间、应力集中程度、煤岩组成等诸多因素的影响。

H24、H33和H35均为海孜矿受岩浆热异常影响较大的煤样，分别取自10#、8#、7#煤层。3块样品的MIRP倾向分别为近E、SE和SSW，碎裂程度分别为脆性变形、韧性变形和脆性变形。该区5#煤层是岩浆侵入较为严重的层位(屈争辉，2010)，在区域岩浆热力变质作用下，海孜矿煤级可达贫煤—低级无烟煤阶段(琚宜文等，2005)。因此，其煤化作用与岩浆热异常作用具有密切关系，进而对煤镜质组反射率定向造成影响。三块样品的MIRP倾角均在70°以上，说明岩浆热异常可使煤MIRP向与近水平的构造应力垂直的方向偏转，且偏转程度较大。

温度主要控制煤化作用中的化学反应，提高煤大分子的活化能，进而促进煤分子结构延展生长(曹代勇等，2002)。在高温条件下边基侧链和非芳官能团脱落，低中煤级通过芳构化作用和环缩合反映不断形成新的芳环，并在与水平构造应力垂直的方向上定向成核生长，从而达到煤内部结构单元定向。除H24、H33、H35外，S77采自石台矿天然焦界线附近，煤级达到3.52%，其受岩浆热作用同样表现出煤MIRP倾角高异常现象。但是，朱仙庄矿Z63和涡北矿G5采样点附近并无岩浆侵入影响，煤样MIRP倾角仍表现为高异常，可能是受断层面倾角等的影响，体现了地质问题具有多解性的特点。

3.3 弗林图解

弗林图解借鉴于岩石有限应变研究方法，已成为应用煤镜质组反射率分析煤岩应力—应变环境的重要手段(王文侠，1998；曹代勇等，1990；曹代勇，1990；姜波等，2002；蒋建平等，2007)。岩石有限应变应用弗林图解的原理是在假设物质初始状态为球形，且物质均匀、变形均匀、总体积不变的基础上(Ramsay，1967)，由于定向受力而使该物质在不同方向上产生不同的应变量从而表现出不同的椭球形态，其大致可分为三类，并以弗林参数K值表示：0

图5淮北矿区煤弗林图解Fig. 5 Flinn scheme of coal samle in Huaibei mining

将所测样品进行投点得弗林图解(图5)。淮北矿区煤镜质组反射率拟合椭球体主要为扁椭球型，仅H24、S75、S77投点位于K>1区域，即长椭球型。其中，投点位于长椭球型区域的三块样品均受岩浆热异常影响，煤级大幅升高达到无烟煤级别。在岩浆热异常作用下，受热速率高、时间短，造成煤基本结构单元空间排列组合与其化学结构特征不平衡(秦勇，1994)，当温度达到一定条件时，煤镜质组反射率各向异性还会受到削弱甚至消失(杨起，1996)。因此，H24、S75、S77可能是岩浆热异常作用下化学煤化作用超前于物理煤化作用而使得煤内部结构空间排布滞后的表现。但高温岩浆热异常环境下的煤样同样可以在扁椭球型区域找到(如H33、H35等)，可能是岩浆作用过后，正常演化过程重新占据主导地位的结果。

根据弗林参数计算公式，如果最大、中间反射率演化速率相近，而中间、最小反射率演化速率相差较大，则拟合椭球体为扁椭球型；反之，则为长椭球型。但煤化作用的最终演化结果均为趋近于石墨化的扁椭球型，即最大、中间反射率值趋于一致。因此，可以认为扁椭球型区域亦不能完全代表构造挤压的应力环境，而是煤级、温度、压力、时间共同作用下的煤岩正常演化结果。

4 结论

煤镜质组反射率椭球体拟合是基于最小二乘法进行椭圆拟合，并应用加权最小二乘法解决不同截面的椭圆相容性问题，采用Ramsay提出的三维椭球体拟合方法进行拟合获得的。结合样品产出的地质环境分析，取得如下新认识。

(1) 煤MIRP倾向多数与应力来源方向相近，主要原因可能是芳香片层向垂直近水平构造应力与上覆岩层压力的合力方向择优定向成核生长。少量样品因断层、煤变形程度和多期应力叠加影响MIRP倾向指示异常，表明煤MIRP倾向不仅反映其受力方向，还能指示力源。

(2) 多期应力场叠加影响区域，镜质组反射率定向可能会向后期应力方向发生不同程度偏转。但对于强变形构造煤，由于煤体颗粒间的移位旋转削弱了镜质组反射率重新定向偏转的程度，主要指示前期应力来源方向。镜质组反射率偏转程度并非严格随煤级增大单调递减，应需考虑温度、煤岩组分和作用时间等的影响。

(3) 岩浆热异常对煤MIRP定向具有明显的促进作用，使煤MIRP向着垂直近水平构造应力方向偏转，原因可能是温度主导下的芳构化作用和环缩合反应为应力条件下煤内部结构定向成核生长提供了物质基础。但岩浆热异常并非煤MIRP陡倾的唯一的原因，体现了地质问题的多解性。

(4) 依据弗林参数，多数样品镜质组反射率椭球体呈扁椭球型，仅反映煤镜质组反射率向一轴晶负光性演化的正常趋势，不能完全指示挤压构造应力环境。位于长椭球型区间的煤样，采样点均为岩浆岩发育区，应为岩浆热干扰所致。