湖南寒婆坳矿区煤层夹矸的岩石矿物特征及其地质意义

李焕同，张卫国，王 楠，潘彦宁，陈应涛

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引 言

煤层夹矸是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比煤坚硬的黑灰色砂、泥质岩石，呈透镜体状、似层状或层状，使煤层结构复杂化及灰分增高，会给工业开采带来一定困难，通常用作发电、制造建筑材料、陶瓷、耐火材料或直接井下充填等。一定范围内稳定展布的煤层夹矸层可作为可靠的标志层帮助煤层对比，为恢复聚煤期古地理、沉积特征提供依据，并且之中的黏土矿物在成岩过程中对低温低压敏感，其成分、结构、形态、共存矿物等标型特征可反映成煤期后的变形环境，如利用伊利石结晶度、多型等[1-4]定性或半定量的地质温度计估算温度值，利用伊利石b0值分析变形环境中的压力条件；黏土矿物随着温、压力等环境的转变如同煤中有机质结构的演化一样是不可逆转的[5]，因此其特征可作为指示有机质成熟度的重要标志。煤同样对成煤期后的物理化学条件的变化特别敏感[6-9]，其有机质结构演化受温度、变质压力(尤其是剪应力)、变质持续时间、矿物质催化、流体成分和成煤原始物质等的综合影响[7,10-11]，趋势是增碳、脱氢氧、结构有序化程度逐渐提高[12]。不同变质温度条件下，有机质或炭质物具有不同的拉曼光谱吸收谱带，利用该技术检测炭质物的结晶度，并利用炭质物拉曼光谱温度计[13]反演不同变质类型煤的形成温度。

有机质的演化路径受温度、压力、流体及矿物催化等多种因素影响，尤其是温度和压力为最重要的因素。然而，不同地区的构造-热作用具有差异性，以致在对比有机质演化不同控制因素的贡献程度时存在一定难度，但是某一地区特定背景下有机质演化的控制因素(如温度、压力)可经过多方面证据逐一核实。因此，笔者研究了雪峰山构造带东缘寒婆坳矿区下古生界测水煤层夹矸显微构造特征、黏土矿物伊利石结晶度、煤中镜质体反射率及激光拉曼光谱地质温度计，探讨了岩浆热变质作用下煤层夹矸中矿物反映的温压环境的地质意义，研究天龙山岩体侵入引起煤系变质作用强度和规律，为本地区高煤级煤分级分质利用、煤炭由燃料向工业原料转变提供支持。

1 样品来源与测试

样品采自湖南寒婆坳矿区稠木煤矿、胜利煤矿、稗冲煤矿和石巷里煤矿3、5号煤层及夹矸(编号为g-CM、g-SL、g-BC、g-SXL3、g-SXL5)，均为井下采样，采集后及时装入塑料样袋中封存，避免污染。煤样依据GB/T 212—2008、GB/T 31391—2015和GB/T 6948—2008分别进行工业分析、元素分析、镜质体反射率测定。

利用偏光显微镜进行了显微构造现象的观测与拍照；煤层夹矸样品在室内自然温度下经空气干燥，然后选择适量样品粉碎过筛至200目(0.074 mm)以下，同时与脱矿煤粉样品，分别采用MSAL - XD2X射线衍射仪获取相应谱图，测试条件为Cu靶，K辐射，管流30 mA，发散狭缝1 mm，接收狭缝0.30 mm，步进式扫描，步宽0.02°，扫描速度2(°)/min，扫描范围为5°～70° 。采用LabRam HR Evolution型光谱仪对脱矿煤粉进行Raman测试，Ar+激发，激光波长532 nm，扫描范围400～4 000 cm-1，由于煤的非均质性，每次测试都在煤粉样的6个不同位置进行。

2 结果与讨论

2.1 岩石矿物学特征

2.1.1 岩石学特征

寒婆坳矿区测水组煤层中夹矸的主要岩石类型为泥岩、炭质泥岩(图1a、图1b)和砂质泥岩(图1c、图1d)，颜色为黑灰色，薄-中厚层状，致密硬实，层理较发育，层面上含稀疏植物化石碎屑。在花岗岩体侵入的热变质作用和定向应力影响下，随着向岩体接近，在强应变下岩石中矿物旋转定向(图1a、图1c)；重结晶过程未达到充分平衡时，仅部分矿物重结晶，形成红柱石(空晶石)(图1b)，残留炭质包裹体呈带状或面状分布，热峰后退变质表现为红柱石绢云母化；高温环境中，石英晶粒不规则边界会逐渐变直，颗粒粒径增大，静态恢复重结晶使石英颗粒呈现六边形镶嵌结构(图1d 左上)；同时，靠近岩体的煤层转变成无烟煤-半石墨，直至隐晶质石墨。煤系中泥质类岩石形成红柱石(空晶石)等各类角岩，所需的温、压条件中，较主要的还是较高的受热条件。

图1 煤层夹矸显微镜下典型照片(正交偏光)

2.1.2 矿物学特征

天龙山岩体侵位引起煤系强烈变形、变质，同时使其围岩发生热变质作用，形成绿泥石带、红柱石(空晶石)带等不同程度的变质带，煤层夹矸中主要矿物成分为黏土矿物(伊利石)、石英及炭质，另外还有少量电气石、白云石和菱铁矿等(表1，图2)；黏土矿物以伊利石(白云母)、绿泥石、叶蜡石为主，含有少量绿泥石、云母、高岭石。根据黏土矿物和脆性矿物的含量将煤层夹矸划分为泥(页)岩(石英质量分数<25%)、砂质泥(页)岩(石英质量分数一般为35%～75%)，变质作用开始后变为板岩和千枚岩，如变形岩石中石英常表现为刚性(图1a)，黏土矿物和炭质作为塑性基质常通过粒间滑移构成条带状构造(图1c)，石英颗粒波状消光、变形纹、剪裂纹等较发育(图1d)，反映一定程度上构造应力使岩石内部物质结构发生调整，变形环境总体上属于低温低压的脆性-韧脆性构造域。

表1 煤层夹矸中矿物含量特征

伊利石是一种含钾、硅和铝的含羟基层状结构硅酸盐矿物，通常与白云母相似，大多数是2∶1型结构单元层的二八面体类型，并已被证实有2M1、1M、1Md和3T等多型，化学结构式为KAl2[(Si，Al)4O10]·(OH)2·nH2O。X射线衍射图中(图2a)，伊利石d001=9.98～10.19×10-1nm，其他衍射峰也很明显。在沉积盆地或浅变质岩区，伊利石可为物源区原生沉积，或由蒙脱石、高岭石在富钾、碱性条件下转变而成[5,14]，伊利石结晶程度取决于伊利石形成的古温度、压力、化学环境及生长时间等，但温度起决定性作用。而且随埋藏深度或者古地温增加，伊利石(001)峰峰形变窄、趋于对称，不规则肩峰(γ峰)则逐渐收缩(图2b,图2c)，反映无序度减小，而研究区伊利石结晶度均小于0.25 °△2θ，属于低级变质带，靠近岩体的石巷里煤层夹矸中伊利石结晶度最好，KI=0.090 9°△2θ(表2)。

叶蜡石一种结晶结构为2∶1型的层状含羟基铝硅酸盐矿物，晶体有2M、1T等多型变体，理想结构式为Al2Si4O10(OH)2。X射线衍射图中(图2a)，煤层夹矸中叶蜡石的d001=9.21～9.23×10-1nm。通常煤系中叶蜡石出现与低级变质作用有关，叶蜡石的形成温度(300 ℃)高于伊利石，在华北石炭二叠纪煤系的太原西山、豫西及北京门头沟等均有报道[14-16]。叶蜡石的形成原因与热液交代作用、受热接触变质作用或动力变质作用相关[15]，但是寒婆坳矿区煤层中未见岩浆侵入，从而排除热液交代作用，同时煤层夹矸中发现红柱石(空晶石)等热接触变质矿物，由此认为叶蜡石形成与受热接触变质密切相关，是硅铝酸盐矿物在温度压力增高的硅化脱水而成。

图2 寒婆坳矿区煤层夹矸XRD谱图

2.2 煤层夹矸中伊利石结晶度、多型、b0的地质意义

伊利石结晶度研究包括晶体结构的完整程度，以及结构中原子或离子在三度空间上的延展和有序性，一些学者利用伊利石结晶度与其形成温度之间的关系提出了成岩-极低级变质作用的划分方案[2,17]：即晚期成岩带(高级成岩带)的伊利石结晶度为1.0°～0.42°△2θ，温度上限200 ℃；低级近变质带(极低级变质带Ⅰ)的伊利石结晶度在0.42°～0.30°△2θ；高级近变质带(极低级变质带Ⅱ)的伊利石结晶度变化于0.30°～0.25°△2θ，温度上限300～350 ℃；浅变质带的伊利石结晶度<0.25°△2θ，温度下限350 ℃。由表2可知，伊利石结晶度变化于0.140 6°～0.090 9°△2θ之间，平均值0.119 5°△2θ，石巷里煤矿煤层夹矸变形相对强烈，反映热变质对伊利石结晶度的较大影响，其伊利石结晶度为0.090 9°△2θ。按照成岩-极低级变质作用的划分方案[2,17]，表明研究区变质温度高于350 ℃，早古生代测水组煤系属于低级变质带，伊利石结晶度依次升高：g-CM→g-SL→g-BC→g-SXL3→g-SXL5。

表2 寒婆坳矿区煤层夹矸伊利石(白云母)XRD参数

伊利石(白云母)多型是结构单元层的叠置方式不同而形成的变体，每一种多型成分相同，晶体结构有差异。2M1型伊利石，在d006=3.36×10-1nm衍射峰两侧，还有3.88、3.65、3.10、2.86和2.57×10-1nm等7条清晰的衍射峰，而1M型伊利石，在d003=3.33×10-1nm衍射峰两侧只有对称的3.62和3.08×10-1nm两个衍射峰。伊利石(白云母)多型与形成时的古温度、压力等因素密切相关。伊利石(白云母)1Md多型，经常出现在晚期成岩带，形成温度一般小于200 ℃[17]；2M1多型，多为极低级变质作用的产物，形成温度一般大于200 ℃，寒坡坳矿区煤层夹石中伊利石(白云母)多型均为2M1多型，堆垛高度Lc为566.89～876.83×10-1nm，平均层数N为56.62～88.86，反映形成时的古温度相对较高，在200 ℃以上，属于近变质带-浅变质带的产物，这同伊利石结晶度的研究结果一致。

伊利石(白云母)可以作为一种应力矿物应用在成岩-极低变质作用研究中，其单位晶胞结构参数b0值作为岩体形成应力的函数[1,4]。根据伊利石(白云母)b0值的大小[1]，将应力划分成3个系列：b0<9.000 0×10-1nm，为低压相；9.000 0×10-1nm9.040 0×10-1nm，属中压相；b0>9.040 0×10-1nm，是高压相。研究区伊利石(白云母)b0值分布于8.883 6～9.030 5×10-1nm，平均值9.019×10-1nm，表明区内早古生代地层的变质压力属于低-中压的环境，而且仅有g-SXL5样品b0值偏高，其余与构造岩组研究显示区域上的低压环境相一致。

2.3 煤变质程度与煤层夹矸矿物特征的关系

煤样根据GB/T 5751—2009中国煤炭分类，属于无烟煤二号，其镜质体最大反射率(Rmax)变化于5.46%～7.89%(表3)，平均值6.51%，根据ISO 11760:2005 (E) 分类，煤级处于高阶无烟煤阶段。镜质组反射率是公认的反映沉积有机质热演化成熟度的指标，亦是煤化作用阶段的划分和对比的重要指标，由于芳环结构缩合和缔合形成芳香层片密集单元使反射率升高，并保持连续不可逆的变化，所以可记录地质历史时期有机质遭受的变质温度。一般认为浅变质带Ro(镜质组反射率)>4.0 %，温度大于300～350 ℃[17]，因此可定性地描述镜质体反射率与古地温(极低级变质作用)的关系。又如利用镜质组反射率地质温度计式lnRo=0.007 8Tmax-1.2，来估算最大的古地温[18]，由此式，可计算得出研究区煤层所遭受的变质温度为373～419 ℃(图3)，因而形成煤系石墨的温度应在410 ℃以上。由镜质组反射率地质温度计估算的温度值与伊利石结晶度正相关，同时与其反应的变质温度一致。

表3 寒婆坳矿区煤样综合测试成果[7-8]

采用研究区煤样有机质结构的拉曼光谱参数[7,9]，根据拉曼光谱地质温度计式T=221Z22-637.1Z2+672.3[3]，其中Z2=D1/(G+D1+D2)area，Z2为中间参数代号，D1，G、D2为拉曼光谱拟合分峰。估算寒婆坳矿区煤层的变质古地温为312～480 ℃，其中石巷里煤矿煤层的变质温度要远大于利用镜质组反射率温度计估算结果，同时PRESSWOOD等[19]利用式InRo=0.007 8Tmax-1.2估算岩浆侵入影响煤样的变质温度时，亦发现由镜质体反射率温度计估算值偏低，这种情况在一定程度上也可以理解为在岩体侵位的热变质作用下形成煤系石墨时，有机质结构的跃变(拉曼参数等)要优先于物理参数Rm的变化。综合研究区岩石特征、矿物特征、镜质组反射率和拉曼参数等研究，可推断煤系石墨的变质温度应为400～500 ℃或更高(图3)。

T1—镜质组反射率地质温度计；T2—拉曼光谱地质温度计；Ⅰ—石墨；Ⅱ—半石墨；Ⅲ—超无烟煤；Ⅳ—无烟煤

煤是一种短程有序、长程无序的非晶态物质，其对应力、应变和温度的作用敏感，随着变质程度增高，煤的基本结构单元线度持续增大，面网间距d002持续减小，一般采用结构参数d002划分石墨(d002<0.338 nm)、半石墨(0.338 nm≤d002≤0.340 nm)、超无烟煤(0.340 nm≤d002≤0.344 nm)和无烟煤(d002>0.344 nm)等类型，可见研究区煤样(表3)呈现出超无烟煤～隐晶质石墨的分带[7]，煤系石墨形成的最大温度在480 ℃左右(图3)。然而，无烟煤在人工条件下2 000 ℃以上的高温才能转化为石墨，远大于自然条件下煤系石墨的形成温度，即使在无烟煤样品加压热处理进行时，整个样品在1 700 ℃才突然转化为石墨[11]，图3中在无烟煤阶段IV～半石墨II阶段随着结构参数d002减小而变质温度变化不显著，所以推断在较高温度作用的基础上，构造应力(挤压或剪切应力)缩聚机制致使芳香结构向整体秩理化扩展，面网间距快速减小，才是天然条件下煤中有机质大分子结构向石墨这种无机矿物转变的重要促进因素。再者，根据伊利石(白云母)b0值(低中压的环境)判断研究区相当于绿片岩相变质带，估计天然石墨形成的压力条件在250～400 MPa或更高，显然强烈的构造应力能明显加速石墨化进程。

煤中有机质结构变化不仅是温度的函数，而且还受到热事件持续时间、压力、剪切应力、原始物质类型(煤岩组分)和岩浆热液成分(水、碱金属卤化物)的影响，光学性质变化表现在镜质组反射率不断增加，化学结构和成分的变化使芳香稠环结构面网间距减小、延展度及堆砌度增大。黏土矿物基本结构相似的含水层状硅酸盐矿物，对构造物理化学条件同样敏感，相应其结构也会产生变化，所以本次对d001=10.0×10-1nm 峰进行拟合(图2)，用(001)峰面积、半高宽与不规则部分γ峰相比，记为A(001)/A(γ)、FWHM(001)/FWHM(γ)，煤层夹矸中伊利石结晶有序度与煤变质程度(图4)、结构演化相一致，并能提供温度、压力等更有意义的信息。

图4 煤层夹矸中伊利石(001)峰与γ峰的分峰面积、半高宽比值随Rmax演化趋势

3 结 论

1)寒婆坳矿区测水组煤层夹矸中红柱石(空晶石)与伊利石、叶蜡石和绿泥石等共生，表现为热峰后退变质绢云母化，残留炭质包裹体呈带状或面状分布，伊利石结晶度高，构造岩组分析变形环境整体为较高受热条件的低温低压的脆性-韧脆性构造域。

2)煤层夹矸中伊利石结晶度分布于0.140 6°～0.090 9°△2θ，多为2M1多型，b0分布于8.883 6～9.030 5×10-1nm，表明研究区变质温度高于350 ℃，属于低级浅变质带低中压的环境，煤系石墨形成的压力条件在250～400 MPa或更高。

3)镜质组反射率和拉曼光谱地质温度计揭示煤系变质温度为400～500 ℃或更高，与伊利石结晶度等一致；利用伊利石(001)峰面积、半高宽与不规则部分γ峰的面积和半高宽的比值，伊利石结晶有序度显示与煤有机结构演化一致的特征。