摘要：煤變質(zhì)程度升高和煤層夾矸中礦物的轉(zhuǎn)化與周?chē)冃苇h(huán)境變化密切相關(guān)，利用偏光顯微鏡、X射線衍射(XRD)等測(cè)試手段，對(duì)湖南寒坡坳礦區(qū)煤層夾矸的巖石礦物學(xué)特征、伊利石結(jié)晶度等進(jìn)行了研究，并探討了黏土礦物特征直接或間接指示煤變質(zhì)程度，以及對(duì)溫度、壓力等變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：黏土礦物這一層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物對(duì)研究區(qū)變形環(huán)境變化反映十分敏感，煤層夾矸中紅柱石(空晶石)與伊利石、葉蠟石和綠泥石等共生，伊利石結(jié)晶度高，結(jié)晶度分布于0.1406～0.0909°△2θ，平均晶層厚度(Lc)大于566×10-1nm;利用伊利石(001)峰面積、半高寬分別與不規(guī)則部分γ峰的面積和半高寬的比值，伊利石結(jié)晶有序度顯示與煤有機(jī)結(jié)構(gòu)演化一致的特征;鏡質(zhì)組反射率和拉曼光譜地質(zhì)溫度計(jì)揭示煤系石墨形成的變質(zhì)溫度為400~500℃或更高，指示研究區(qū)煤層遭受低級(jí)淺變質(zhì)作用，煤層夾矸中伊利石為2M1多型，b0分布于8.8836×10-1～9.0305×10-1nm，指示煤層及圍巖遭受低中壓的變形環(huán)境，形成的壓力條件在250~400MPa或更高;依據(jù)不同變質(zhì)程度煤的XRD結(jié)構(gòu)參數(shù)隨形成溫度的變化，顯示較高的受熱條件是有機(jī)質(zhì)演化和夾矸中礦物轉(zhuǎn)變的重要因素，但是相近溫度變化區(qū)間內(nèi)煤中有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)單元面網(wǎng)間距(d002)持續(xù)減小，指示著地質(zhì)過(guò)程強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力能明顯催化石墨化進(jìn)程。
關(guān)鍵詞：湖南寒坡坳礦區(qū);煤層夾矸;礦物特征;伊利石;地質(zhì)意義
0引言
煤層夾矸是在成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色砂、泥質(zhì)巖石，呈透鏡體狀、似層狀或?qū)訝?，使煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化及灰分增高，而且會(huì)給工業(yè)開(kāi)采帶來(lái)一定困難，通常用作發(fā)電、制造建筑材料、陶瓷、耐火材料或直接井下充填等。一定范圍內(nèi)穩(wěn)定展布的煤層夾矸層可作為可靠的標(biāo)志層幫助煤層對(duì)比，為恢復(fù)聚煤期古地理、沉積特征提供依據(jù)，并且之中的黏土礦物在成巖過(guò)程中對(duì)低溫低壓敏感，其成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、共存礦物等標(biāo)型特征可反映成煤期后的變形環(huán)境，如利用伊利石結(jié)晶度、多型等[1-4]定性或半定量的地質(zhì)溫度計(jì)估算溫度值，利用伊利石b0值分析變形環(huán)境中的壓力條件。
黏土礦物隨著溫、壓等環(huán)境的轉(zhuǎn)變?nèi)缤褐杏袡C(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化一樣是不可逆轉(zhuǎn)的[5]，所以其特征可作為指示有機(jī)質(zhì)成熟度的重要標(biāo)志。煤同樣對(duì)成煤期后的物理化學(xué)條件的變化特別敏感[6-9]，其有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)演化受溫度、變質(zhì)壓力(尤其是剪應(yīng)力)、變質(zhì)持續(xù)時(shí)間、礦物質(zhì)催化、流體成分和成煤原始物質(zhì)等的綜合影響[7,10,11]，趨勢(shì)是增碳、脫氫氧、結(jié)構(gòu)有序化程度逐漸提高[12]。
巖石論文范例：地質(zhì)巖石礦物分析測(cè)試技術(shù)研究
不同變質(zhì)溫度條件下，有機(jī)質(zhì)或炭質(zhì)物具有不同的拉曼光譜吸收譜帶，利用該技術(shù)檢測(cè)炭質(zhì)物的結(jié)晶度，并利用炭質(zhì)物拉曼光譜溫度計(jì)[13]反演不同變質(zhì)類(lèi)型煤的形成溫度。有機(jī)質(zhì)的演化路徑受溫度、壓力、流體及礦物催化等多種因素影響，尤其是溫度和壓力是最要的因素。然而，不同地區(qū)的構(gòu)造-熱作用具有差異性，以致在對(duì)比有機(jī)質(zhì)演化不同控制因素的貢獻(xiàn)程度時(shí)存在一定難度，但是某一地區(qū)特定背景下有機(jī)質(zhì)演化的控制因素(如溫度、壓力)可經(jīng)過(guò)多方面證據(jù)逐一核實(shí)。
因此，本文研究了雪峰山構(gòu)造帶東緣寒婆坳礦區(qū)下古生界測(cè)水煤層夾矸顯微構(gòu)造特征、黏土礦物伊利石結(jié)晶度、煤中鏡質(zhì)組反射率及激光拉曼光譜地質(zhì)溫度計(jì)，探討了巖漿熱變質(zhì)作用下煤層夾矸中礦物反映的溫壓環(huán)境的地質(zhì)意義，研究天龍山巖體侵入引起煤系變質(zhì)作用強(qiáng)度和規(guī)律，為本地區(qū)高煤級(jí)煤分級(jí)分質(zhì)利用、煤炭由燃料向工業(yè)原料轉(zhuǎn)變提供支持。
1樣品來(lái)源與實(shí)驗(yàn)測(cè)試
本文樣品采自湖南寒婆坳礦區(qū)稠木煤礦、勝利煤礦、稗沖煤礦和石巷里煤礦3、5號(hào)煤層及煤層夾矸(編號(hào)為g-CM、g-SL、g-BC、g-SXL3、g-SXL5)，均為井下采樣，采集后及時(shí)裝入塑料樣袋中封存，避免污染。煤樣依據(jù)GB/T212-2008、GB/T31391-2015和GB/T6948-2008標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、鏡質(zhì)組反射率測(cè)定。利用偏光顯微鏡進(jìn)行了顯微構(gòu)造現(xiàn)象的觀測(cè)與拍照;煤層夾矸樣品在室內(nèi)自然溫度下經(jīng)空氣干燥，然后選擇適量樣品粉碎過(guò)篩至200目以下，同時(shí)與脫礦煤粉樣品，分別采用MSAL-XD2X射線衍射儀獲取相應(yīng)譜圖，測(cè)試條件為Cu靶，K輻射，管流30mA，發(fā)散狹縫1mm，接收狹縫0.30mm，步進(jìn)式掃描，步寬0.02°，掃描速度2°/min，2θ掃描范圍為5°~70°。采用LabRamHREvolution型光譜儀對(duì)脫礦煤粉進(jìn)行Raman測(cè)試，Ar+激發(fā)，激光波長(zhǎng)532nm，掃描范圍400~4000cm-1，由于煤的非均質(zhì)性，每次測(cè)試都在煤粉樣的6個(gè)不同位置進(jìn)行。
2結(jié)果與討論
2.1巖石礦物學(xué)特征
2.1.1巖石學(xué)特征
寒婆坳礦區(qū)測(cè)水組煤層中夾矸的主要巖石類(lèi)型為泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖。煤層夾矸顏色為黑灰色，薄-中厚層狀，致密硬實(shí)，層理較發(fā)育，層面上含稀疏植物化石碎屑。在花崗巖體侵入的熱變質(zhì)作用和定向應(yīng)力影響下，隨著向巖體接近，在強(qiáng)應(yīng)變下巖石中礦物旋轉(zhuǎn)定向;重結(jié)晶過(guò)程未達(dá)到充分平衡時(shí)，僅部分礦物重結(jié)晶，形成紅柱石(空晶石)，殘留炭質(zhì)包裹體呈帶狀或面狀分布，熱峰后退變質(zhì)表現(xiàn)為紅柱石絹云母化;若處在高溫環(huán)境中，石英晶粒不規(guī)則邊界會(huì)逐漸變直，顆粒粒徑增大，靜態(tài)恢復(fù)重結(jié)晶使石英顆粒呈現(xiàn)六邊形鑲嵌結(jié)構(gòu);同時(shí)，靠近巖體的煤層轉(zhuǎn)變成無(wú)煙煤-半石墨，直至隱晶質(zhì)石墨。煤系中泥質(zhì)類(lèi)巖石形成紅柱石(空晶石)等各類(lèi)角巖，所需的溫、壓條件中，較主要的還是較高的受熱條件。
2.1.2礦物學(xué)特征
天龍山巖體侵位引起煤系強(qiáng)烈變形、變質(zhì)，同時(shí)使其圍巖發(fā)生熱變質(zhì)作用，形成綠泥石帶、紅柱石(空晶石)帶等不同程度的變質(zhì)帶，煤層夾矸中主要礦物成分為黏土礦物(伊利石)、石英及炭質(zhì)，另外還有少量電氣石、白云石和菱鐵礦等;黏土礦物以伊利石(白云母)、綠泥石、葉蠟石為主，含有少量綠泥石、云母、高嶺石。
根據(jù)黏土礦物和脆性礦物的含量將煤層夾矸劃分為泥(頁(yè))巖(石英<25%)、砂質(zhì)泥(頁(yè))巖(石英一般為35%~75%)，變質(zhì)作用開(kāi)始后變?yōu)榘鍘r和千枚巖，如變形巖石中石英常表現(xiàn)為剛性，黏土礦物和炭質(zhì)作為塑性基質(zhì)常通過(guò)粒間滑移構(gòu)成條帶狀構(gòu)造，石英顆粒波狀消光、變形紋、剪裂紋等較發(fā)育，反映一定程度上構(gòu)造應(yīng)力使巖石內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，變形環(huán)境總體上屬于低溫低壓的脆性-韌脆性構(gòu)造域。伊利石是一種含鉀、硅和鋁的含羥基層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，通常與白云母相似，大多數(shù)是2﹕1型結(jié)構(gòu)單元層的二八面體類(lèi)型，并已被證實(shí)有2M1﹑1M﹑1Md和3T等多型，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為KAl2[(Si，Al)4O10]·(OH)2·nH2O。
X射線衍射圖中，伊利石d001=9.98×10-1~10.19×10-1nm，其他衍射峰也很明顯。在沉積盆地或淺變質(zhì)巖區(qū)，伊利石可為物源區(qū)原生沉積，或由蒙脫石、高嶺石在富鉀、堿性條件下轉(zhuǎn)變而成[5,14]，伊利石結(jié)晶程度取決于伊利石形成的古溫度、壓力、化學(xué)環(huán)境及生長(zhǎng)時(shí)間等，但溫度起決定性作用。而且隨埋藏深度或者古地溫增加，伊利石(001)峰峰形變窄、趨于對(duì)稱(chēng)，不規(guī)則肩峰(γ峰)則逐漸收縮，反映無(wú)序度減小，而研究區(qū)伊利石結(jié)晶度均小于0.25°△2θ，屬于低級(jí)變質(zhì)帶，靠近巖體的石巷里煤層夾矸中伊利石結(jié)晶度最好KI=0.0909(°△2θ)。
葉蠟石一種結(jié)晶結(jié)構(gòu)為2：1型的層狀含羥基鋁硅酸鹽礦物，晶體有2M﹑1T等多型變體，理想結(jié)構(gòu)式為Al2Si4O10(OH)2。X射線衍射圖中，煤層夾矸中葉蠟石的d001=9.21×10-1~9.23×10-1nm。通常煤系中葉蠟石出現(xiàn)與低級(jí)變質(zhì)作用有關(guān)，葉蠟石的形成溫度(300℃)高于伊利石，在華北石炭二疊紀(jì)煤系的太原西山、豫西及北京門(mén)頭溝等均有報(bào)導(dǎo)[14-16]。葉蠟石的形成原因與熱液交代作用、受熱接觸變質(zhì)作用或動(dòng)力變質(zhì)作用相關(guān)[15]，但是寒婆坳礦區(qū)煤層中未見(jiàn)巖漿侵入，從而排除熱液交代作用，同時(shí)煤層夾矸中發(fā)現(xiàn)紅柱石(空晶石)等熱接觸變質(zhì)礦物，由此認(rèn)為葉蠟石形成與受熱接觸變質(zhì)密切相關(guān)，是硅鋁酸鹽礦物在溫度壓力增高的硅化脫水而成。
2.2煤層夾矸中伊利石結(jié)晶度、多型、b0的地質(zhì)意義
伊利石結(jié)晶度研究包括晶體結(jié)構(gòu)的完整程度，以及結(jié)構(gòu)中原子或離子在三度空間上的延展和有序性，一些學(xué)者利用伊利石結(jié)晶度與其形成溫度之間的關(guān)系提出了成巖-極低級(jí)變質(zhì)作用的劃分方案[2,17]：即晚期成巖帶(高級(jí)成巖帶)的伊利石結(jié)晶度為1.0~0.42°△2θ，溫度上限200℃;低級(jí)近變質(zhì)帶(極低級(jí)變質(zhì)帶A)的伊利石結(jié)晶度在0.42~0.30°△2θ;高級(jí)近變質(zhì)帶(極低級(jí)變質(zhì)帶B)的伊利石結(jié)晶度變化于0.30~0.25°△2θ，溫度上限300~350℃;淺變質(zhì)帶的伊利石結(jié)晶度<0.25°△2θ，溫度下限350℃。由表2可知，伊利石結(jié)晶度變化于0.1406~0.0909°△2θ之間，平均值0.1195°△2θ，石巷里煤礦煤層夾矸變形相對(duì)強(qiáng)烈，反映熱變質(zhì)對(duì)伊利石結(jié)晶度的較大影響，其伊利石結(jié)晶度為0.0909°△2θ。按照成巖-極低級(jí)變質(zhì)作用的劃分方案[2,17]，表明研究區(qū)變質(zhì)溫度高于350℃，早古生代測(cè)水組煤系屬于低級(jí)變質(zhì)帶，伊利石結(jié)晶度依次升高：g-CM→g-SL→g-BC→g-SXL3→g-SXL5。
伊利石(白云母)多型是結(jié)構(gòu)單元層的疊置方式不同而形成的變體，每一種多型成分相同，晶體結(jié)構(gòu)有差異。2M1型伊利石，在d0063.36×10-1nm衍射峰兩側(cè)，還有3.88、3.65、3.10、2.86和2.57×10-1nm等7條清晰的衍射峰，而1M型伊利石，在d0033.33×10-1nm衍射峰兩側(cè)只有對(duì)稱(chēng)的3.62和3.08×10-1nm兩個(gè)衍射峰。伊利石(白云母)多型與形成時(shí)的古溫度、壓力等因素密切相關(guān)。伊利石(白云母)1Md多型，經(jīng)常出現(xiàn)在晚期成巖帶，形成溫度一般小于200℃[17];2M1多型，多為極低級(jí)變質(zhì)作用的產(chǎn)物，形成溫度一般大于200℃，寒坡坳礦區(qū)煤層夾石中伊利石(白云母)多型均為2M1多型，堆垛高度Lc為566.89×10-1~876.83×10-1nm，平均層數(shù)N為56.62~88.86，反映形成時(shí)的古溫度相對(duì)較高，至少在200℃以上，屬于近變質(zhì)帶-淺變質(zhì)帶的產(chǎn)物，這同伊利石結(jié)晶度的研究結(jié)果一致。
3結(jié)論
(1)寒婆坳礦區(qū)測(cè)水組煤層夾矸中紅柱石(空晶石)與伊利石、葉蠟石和綠泥石等共生，表現(xiàn)為熱峰后退變質(zhì)絹云母化，殘留炭質(zhì)包裹體呈帶狀或面狀分布，伊利石結(jié)晶度高，構(gòu)造巖組分析變形環(huán)境整體為較高受熱條件的低溫低壓的脆性-韌脆性構(gòu)造域。
(2)煤層夾矸中伊利石結(jié)晶度分布于0.1406～0.0909°△2θ，多為2M1多型，b0分布于8.8836×10-1~9.0305×10-1nm，表明研究區(qū)變質(zhì)溫度高于350℃，屬于低級(jí)淺變質(zhì)帶低中壓的環(huán)境，煤系石墨形成的壓力條件在250~400MPa或更高。
(3)鏡質(zhì)組反射率和拉曼光譜地質(zhì)溫度計(jì)揭示煤系變質(zhì)溫度為400~500℃或更高，與伊利石結(jié)晶度等一致;利用伊利石(001)峰面積、半高寬與不規(guī)則部分γ峰的面積和半高寬的比值，伊利石結(jié)晶有序度顯示與煤有機(jī)結(jié)構(gòu)演化一致的特征。
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作者：李煥同1,2，張衛(wèi)國(guó)1，王楠1，潘彥寧1，陳應(yīng)濤1
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