冀南地区燕山期岩浆活动与煤的变质作用研究

李胜利，郝俊杰，徐 颖，邱迎芝

(1.河北省地矿局第一地质大队，河北邯郸 056001；2.河北省地矿局第十一地质大队，河北邢台 054000)



冀南地区燕山期岩浆活动与煤的变质作用研究

李胜利1，郝俊杰2，徐 颖2，邱迎芝2

(1.河北省地矿局第一地质大队，河北邯郸 056001；2.河北省地矿局第十一地质大队，河北邢台 054000)

冀南地区煤炭资源丰富,赋煤层位为石炭-二叠系,煤类从无烟煤到气煤，存在非常好的煤类分带现象。煤变质主导作用形成于燕山期中期岩浆活动之后，晚期岩浆活动之前，主导热源体是早、中期岩浆热，煤变质带的展布显示了与构造岩浆活动的一致性。煤变质主导作用是深成岩浆热变质作用。冀南地区干热岩存在很好的找矿前景，武安盆地可以作为首要的勘查对象。

煤类分带；煤变质作用 ； 深成岩浆热变质作用；干热岩 ；冀南地区煤田

0 前言

冀南邯邢地区，晚古生界石炭-二叠系煤炭资源丰富，煤田包括北起临城到邢台、武安、峰峰南至漳河之间多个井田，另外包括阳邑煤产地、鸡呜铺见煤点。它们集中分布于京广铁路以西(图1)。

图1 冀南地区煤田地质略图Figure 1 Southern Hebei area coalfield geological sketch map

冀南地区煤田位于太行山南段赞皇隆起的东缘，与华北断陷相连处。次级构造临城——峰峰断陷盆地呈弧线状做SN、NE向来回偏转，总体走向NNE，展布于赞皇隆起、观台隆起之东侧。区内出露地层除赞皇地区太古界和元古界外，长城系、寒武系、奥陶系、平行不整合其上的石炭系、二叠系、三叠系等，大致呈单斜依次自西向东排列，被NNE、SN向主体断裂构造切割成地堑、地垒式断块构造。褶皱不发育，燕山期岩浆活动频繁。

该区煤田普遍存在非常好的煤类分带现象, 煤类从无烟煤到气煤均有赋存(图2)。

1 煤田构造岩浆活动特征

众所周知, 冀南地区煤田煤变质与燕山期岩浆活动密切相关。

燕山期中性偏碱性杂岩体出露面积约380km2，展布范围：沙河以南、符山—磁山—白沙一线以北；东抵京广铁路，西至符山。出露岩体多处，主要由八大岩体组成。即符山、固镇、武安、矿山、鼓山、綦村、新城、洪山等岩体，东、中、西三个岩浆岩带，它们主要侵位于中奥陶统三组八段至下三叠统刘家沟组中。

据航磁异常以及出露岩体间钻孔资料分析，除符山岩体外，其它岩体在深部奥陶系中连为一个整体，共同构成一个极复杂形态的似层状岩体。

已知似层状岩体，分叉合拢现象多见，其顶面形态波状起伏多变，常形成线状、弧线状、穹隆状、岩柱状等形态之上隆体。晚期岩浆活动，沿上隆体造成上覆围岩虚脱及派生断裂继续上侵，侵入煤系或更高层位，再次沿层间滑动带侧向顺层贯入，形成多层岩床，或岩枝、岩脉。岩床常沿上侵通道向四周贯入，显示出上弱下强、上薄下厚，远离通道层位逐渐抬高、渐薄乃至尖灭，层数减少等特点。

已有同位素测年资料表明，本区中偏碱性岩浆活动属于燕山期，各岩体的地质年龄在110～135Ma，可进一步划分以下三个阶段：

第一阶段：形成时间较早，岩石为角闪闪长岩—闪长岩系列。主要分布于西部岩带符山一带，另在綦村、固镇岩体也有少量分布。本阶段有两次岩浆侵入活动，第一次为中偏基性深色角闪闪长岩类，局部有橄榄辉长岩包体；第二次为斑状角闪闪长岩类。

第二阶段：为本区岩浆的主要侵入阶段，包括綦村、矿山、武安、固镇等岩体，主要为闪长岩—二长岩系列，岩石组合多样复杂，蚀变强烈，矿化显著。

本阶段由早到晚形成了一个从中偏基性(角闪闪长岩)—中性(闪长岩)—中偏碱性(二长岩)小的岩浆旋迴，岩石的结构由细粒—粗粒—斑状呈有规律的变化，颜色上则出现以灰绿色—灰白色—淡红色由深到浅的变化特征。

第三阶段：主要发育在洪山岩体，以偏碱性正长岩类为主，具明显的多次性。

煤系中蚀变闪长玢岩、钠长斑岩、钠长岩、含石英闪长玢岩等，皆属中期岩浆经结晶分异，同化混染围岩作用，于中期末到晚期再活动之脉岩相，边缘相产物，持续时间较长。另在峰峰地区的白土、王凤西、大淑村等地见有煌斑岩脉，亦暂归晚期脉岩相。

总之，早期到晚期，岩性由中偏基性—中性—碱性；活动范围由大到小自西向东退缩，侵入层位逐渐抬高，侵入深度由深变浅。显示了本区燕山期岩浆活动多期多次、继承、脉动式，由强到弱等特点。

2 煤变质作用与岩浆岩的时空关系

2.1 煤变质带与岩浆岩的空间展布关系

无烟煤区分布在岩浆岩出露区内，北起葛泉经康二城南至大淑村，长达50km，郭二庄—沙河东西宽约30km(图2)。在洪山岩体南北两侧有隐晶质石墨及石墨化无烟煤赋存，见于洪山北侧大油村及北掌井田和洪山南侧紫3钻孔及焦窑矿。煤系中出现岩床、岩枝、岩脉，在章村—显德汪、北掌、云驾岭—贺庄、康二城—陶庄及大淑村等区段较发育。

岩浆岩区(磁山白沙一线)以南峰峰地区，煤田被鼓山背斜、鼓山断层分为东西两带，煤的类别自北而南逐渐降低，形成东西展布、南北分异的等变质带；

集贤—大淑村贫煤带；

通二矿—牛儿庄瘦煤带；

王凤—峰峰五矿焦煤带；

孙庄—峰峰三矿肥煤带。

过漳河至岗子窑，亦称煤的类别又回升为贫煤，至河南省安林地区岩浆岩区为无烟煤区，并在岩体边缘见有天然焦分布。南区煤系中仅在大淑村、薛村、羊渠河井田有岩床、岩脉赋存。

岩浆岩区北部，葛泉与邢台煤矿仅七千米。葛泉南部属大面积无烟煤区，邢台煤矿则为大片肥煤带，其间贫煤、瘦煤、焦煤条带狭窄连续递变，单一煤种条带宽仅千米左右。煤系中未见岩浆岩分布，煤种条带短距离变化剧烈，显然是受到已知深部隐伏岩体侵位影响。北区仅邢台矿9#煤层中有小岩体，在其周边受接触变质作用变为贫煤、无烟煤，并向外迅速变为肥煤，其对上下煤层无明显影响。邢台煤矿以北至临城一带为大片肥气煤带，直至石家庄市元氏县一带。再向北到井陉，已知受深部大型隐伏岩体影响，产焦煤为主，4#、5#煤层因岩浆呈岩床、岩脉状侵入变为无烟煤。临城竹壁附近有辉绿岩脉，隆尧县一带下层煤变质为贫煤是受隐伏岩体影响。

图2 冀南地区煤田煤种类分布图Figure 2 Southern Hebei area coal rank distribution map

固镇岩体西北，赋存在长轴近南北展布的小型断陷盆地中的阳邑煤矿，煤系中无岩浆活动，产焦煤、瘦煤，以焦煤为主。

2.2 煤变质主导作用与岩浆活动时间关系

众所周知，煤变质带、等变质线形态特征，取决于主导热源体的热状态，反映了煤变质主导作用。据此可利用煤变质带(等变质线)、构造、岩浆岩相互切割关系，确定煤变质主导作用形成时期，与岩浆活动的期次关系。现以沙河市显德汪煤矿为例说明(图3)。

(1)煤变质带与区域地层、主干断裂及褶皱轴线斜交或直交，并且主干断裂切岩浆岩(图3)，表明本次煤变质主导作用形成时间晚于褶皱构造，而且不是构造动力变质作用结果。章村—显德汪9#煤Vdaf值等值线与褶皱构造斜交，断层同时切割岩体和煤变质等值线， 进一步说明煤变质主导作用完成时间应在褶皱后，断裂构造前。

图3 显德汪井田9#煤Vdaf值等值线图Figure 3 Isogram of coal No.9 Vdaf in Xiandewang minefield

(2)以往铁矿勘探资料表明：中关-白涧背斜、王窑背斜是随深部(中期)岩浆活动上拱形成，这就限定了煤变质主导作用形成于中期岩浆活动之后。又从Vdaf值等值线不受煤系中晚期岩浆岩产状、形态控制，仅因其迭加造成局部Vdaf值等值线总体展布方向的改变，肯定了煤变质主导作用完成在中期岩浆活动之后，晚期岩浆活动之前。

(3)Vdaf值等值线总体呈NE方向展布，向NW逐渐升高，渐变为向NW开口的“U”字型。这与綦村、矿山两岩体在本区深部相连，构成NW向凹槽相吻合，它还显示受到了綦村、养儿河、矿山岩体及中关、王窑两个线状上隆体所构成的环状包围、向NW开口的热状态控制，又随岩体顶面形态起伏与煤层间距变化而改变等特征。

(4)以往钻探工作揭露中关—白涧一带深部岩体厚度大于500m，向西至刘石岗仅440m，再向西跷起，层位抬高厚度变薄，在张沟村西出露地表。其热作用向NW渐弱，这也是煤变质向NW减弱原因之一，同时也表明受到深部岩体的控制。

综上述分析，本区煤变质主导作用形成于中期岩浆活动之后，晚期岩浆活动之前，主导热源体是早中期岩浆，并且使得显德汪井田北部无岩浆侵入区的煤也变质为无烟煤( 4#～10#煤)、贫煤(1#～3#煤)。

3 煤变质带特征

从本区煤变质作用与岩浆岩时空关系可归纳煤变质带具有如下特征(图4)：

(1)无烟煤区位于岩浆岩出露区内，它受早中期岩浆活动控制。煤系中无晚期岩浆侵入的葛泉、许庄、三汪村和万年等井田无烟煤的存在，进一步加以证实。

(2)岩浆岩出露区内高变质煤的分布，显示了以洪山岩体为中心，随三期岩浆热迭加程度不同，向外递变。因构造剥蚀，断层切割，深部未被揭露，破坏了环带状展布的完整性，仅保留了向南、向北的递变分带(图4)。

图4 高变质无烟煤与岩浆岩平面展布关系图Figure 4 Extending relationship between peranthracite and magmatic rocks on plane

①三期岩浆活动迭加区，洪山岩体周围—隐晶质石墨及石墨化无烟煤环带。

②早中期岩浆活动区—无烟煤、贫煤环带。

贫煤环带不完整，显德汪北段贫煤区与岩浆岩区南北贫煤带推测为同一环带。

③早期岩浆活动区，阳邑瘦煤、焦煤与岩浆岩区南北的瘦煤、焦煤带推测为同一环带。

(3)岩浆岩区南北两侧煤变质带呈东西向展布，与区域地层、构造线方向直交或斜交。以无烟煤区为中心向南北递变分带，降为肥煤或肥气煤同级煤种条带南宽北窄。

总之，煤变质带的展布，显示了与构造岩浆活动的一致性。

4 深成岩浆热变质—煤变质主导作用的分析

造成煤变质的因素甚多，往往是多种作用迭加起作用，但其中必有一种起主导作用，决定着煤变质特征。

4.1 煤的动力变质作用

摩擦热及接触变质作用微弱，规模甚小，已为公认。冀南煤田大面积无烟煤及煤种条带的展布，与区域构造线、煤系中岩浆岩产状不协调一致的现象限定了上述两种热作用不起主导作用。

4.2 煤的深成变质作用

希尔特规律被公认为深成热变质作用的核心，它强调随地层剖面向深处，各煤级有规律分布，煤的挥发分产率有规律地减少。大致每百米降深Vdaf值减少2.3%左右。经进一步研究，发展了垂向变化规律，并归纳为如下三条：

(1)煤变质程度随地层深度加大而增高(指上下煤层垂向变化)。

(2)煤变质程度随含煤系及上覆地层厚度(沉降幅度)加大而增高。

(3)煤变质程度随现代埋深加大而增高(指同一煤层沿倾斜埋深变化)。并据煤变质垂直分带引伸出水平投影分带。

煤种垂向分带规律，在国内外煤田中普遍存在。冀南煤田普遍有所显示，如无显著岩浆活动的临城井田， 上下煤层仅仅相隔百余米(2#、9#煤)，下煤层变质程度高于上煤层。

但同一煤层随现代埋深变化不大，即使在华北平原千米以深的石炭-二叠纪煤层，仍处肥气煤阶段。可见煤质垂向分带成因尚须探讨。

石油地质研究认为，石油的生成演化与煤的深成变质作用有对应演化过程，二者密切相关，并确定了煤类变化深度和温度区间。依此对比临城井田，2#煤和9#煤相隔百余米，就可由QM变为QF。如此的变化尚须有热源补充。山西宁武煤田侏罗系与石炭-二叠系相隔2300m，两系煤却同属于气煤，这一事实表明临城井田不是简单的深成变质作用结果。综合航磁负异常带、竹壁辉绿岩、隆尧隐伏岩体的存在推断，本区更深处可能有大型隐伏岩体，深成岩浆热的补充，才导致了如此的煤质变化。

显德汪井田煤质垂向变化，多认为是深成变质作用所主导。通过煤变质与岩浆岩的时空关系分析，认为属深成岩浆热变质作用主导更为恰当(图5)。

图5 显德汪井田各煤层挥发分变化曲线图Figure 5 Volatile matter variation curves of coa seams in Xiandewang minefield

4.3 深成岩浆热变质作用

无烟煤区各个井田煤质变化，不管煤系中有无晚期岩浆活动，都显示了与深部早中期岩浆活动相关。下面以晚期岩浆活动强烈的康二城、陶庄井田为例说明如下(图6)。

康二城、陶庄井田煤系、煤层中赋存岩床多达10层，普遍发育，最厚达124.34m(半个山村2349孔)，仍显示出随深部岩体顶面埋深北浅南深而各煤层Vdaf值总体呈北低南高的变化规律。从图6可以看出2#煤Vdaf值总体变化为：北部3%～4%，中部4%～5%，南部6%～7%，它不受煤系中岩床分布范围和厚度所控制，仅仅受其干扰。

图6 康二城、陶庄井田2#煤Vdaf值等值线图Figure 6 Isogram of coal No.2 Vdaf in Kangercheng and Taozhuang minefields

康二城井田西部CK2孔，虽有晚期岩浆贯入干扰，仍显示了煤变质受深部岩体作用为主的垂向规律递变，Vdaf值随深度加大，逐渐降低。煤系中厚达百米岩床对上下煤层干扰虽大，垂向变化规律仍得以保留。

综前所述，煤质垂向变化规律普遍存在，它不属深成变质作用所特有，深成变质作用煤种变化深度以千米为梯级，煤质变化梯度(Vdaf值每百米降深变化值)小于深成岩浆热变质作用。它对煤质变化的影响，充其量能达到气煤阶段。故认为冀南煤田煤变质和煤种分带，不是深成变质作用起主导作用，它只是煤种分带的地质背景。

既然动力变质、接触变质和深成变质作用都不是本区煤变质的主导作用，煤变质及煤种分带与深部岩浆体时空关系又如此密切,所以有理由认为深成岩浆热变质是本区煤变质的主导作用。

5 深成岩浆热变质作用的依据

煤的深成岩浆热变质作用是岩浆热变质作用的主体部分。已知该煤田深部有大型岩浆热源体赋存，并对煤变质起主导作用，尚有如下深成岩浆热变质特征，可以进一步推定。

煤质变化受深部岩浆体多期活动的规律、展布范围、迭加程度、形态产状、厚度等控制，决定了煤质变化呈环状、条带状自岩浆活动中心向外，侧向水平分带，自岩体顶面垂直向上规律递变。

煤质变化受深部岩体热状态控制，可以短距离剧烈递变(北部)或宽缓递变分带(南部)，这是重要特征之一。

深成岩浆热变质作用的另一重要特征是高变质煤区内热液矿化、蚀变作用发育，并伴有热液矿床。在未揭露隐伏岩体的情况下，可结合磁异常，据此特征可以区别于煤的深成变质作用。

区内煤系受深部岩浆热作用形成变质岩石常见有：大理岩或结晶灰岩、变质砂岩、角岩或板岩等。并伴有多种热液矿化、蚀变作用，常见有钠长石化、方柱石化、绿泥石化、绿帘石化、硅化、碳酸盐化、绢云母化及黄铁矿化等等，常见热液矿床有：赋存在煤田深处的“邯邢式含钴镍富铁矿床”；赋存在各煤层层位的“三王村含钴铜硫铁矿床”，与微晶绢云母化有关的章村瓷土矿床以及洪山南侧的兰石棉矿点和北侧大油村隐晶质石墨矿、铜、金及多金属矿化现象等等。

煤层中岩浆热变质现象除隐晶质石墨矿化外，尚见有天然焦化、气孔构造等随高温热液或石英细脉产于下部煤层，仅见个别区段少量钻孔中。碳酸盐化、黄铁矿化全区各煤层中普遍可见，自岩浆活动中心向外，由强变弱。

由以上讨论可以知道,本区普遍发育深成岩浆热变质作用,说明本区深部普遍存在深成岩浆活动。所以在覆盖厚度大的地区,岩浆的热量没有得到释放,可能仍然存在岩浆岩中,这就为我们寻找另外一种新的清洁能源—干热岩提供了理论依据,另外武安地区存在的地热也间接证明了本区具有干热岩的找矿前景。

所以选择武安盆地开展干热岩勘查具有基本的前提和条件,具体而言,按照磁异常找深部隐伏岩体；开展地热梯度调查；根据地层的分布情况,参考构造破坏情况选择覆盖厚度大于1200～1500m的地区作为首个勘查目标。注意加强大测深物探手段，比如可控源音频大地电磁测深和广域电磁法等的应用，为综合勘查提供深部地质信息参考。

6 初步结论

(1)冀南地区煤田煤变质变化的主导作用是深成岩浆热变质作用；深成变质作用是低温高压环境下长期缓慢的变质作用，它只是本区煤变质的地质背景。

(2)煤的深成岩浆热变质规律的研究，使本区煤的接触变质无明显分带和天然焦产生之因，得到较合理解释。

(3)根据深成岩浆热变质作用主导的煤质分带、变质等值线(Vdaf值)的形态特征以及变化规律，可以对本区深部隐伏岩体的存在与否，形态产状及其变薄尖灭等特征做出初步综合推断解释。

(4)根据煤变质带、煤变质等值线(Vdaf值)与构造线、岩浆岩相互切割关系的分析研究，可以对复杂构造与岩浆活动进行初步分期，初步确定它们的相对新老关系。

(5)深成岩浆热变质作用的存在为开展干热岩勘查提供了依据。冀南地区存在很好的干热岩成矿条件，武安盆地可以作为首要的勘查对象。

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A Study on Yanshanian Magmatic Activities and Coal Metamorphism in Southern Hebei Area

Li Shengli1, Hao Junjie2, Xu Ying2and Qiu Yingzhi2

(1.The First Geological Survey Team, Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources, Handan, Hebei 056001;2.The Eleventh Geological Survey Team, Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources, Xingtai, Hebei 054001)

Coal resources in the southern Hebei area are abundant. The coal hosting horizon belongs to the Permo-Carboniferous. Coals ranked from anthracite to gas coal with very good zonation. The main coal metamorphism had arisen between the mid-term and terminal magnetic activities. The main heat source was early to mid-term magmatic heat. The extending pattern of coal metamorphic belts has shown consistency with tectonomagmatic activities. The leading role of coal metamorphism is the hypogene magma thermometamorphism. The hot dry rock in southern Hebei area has quite good prospecting prospect and the Wuan Basin could be the primary exploration target.

coal rank zonation;coal metamorphism;hypogene magmatic thermometamorphism;hot dry rock;coalfields in southern Hebei

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.01

1674-1803(2017)04-0001-07

河北省地质勘查基金项目“河北省魏县北皋集一带煤炭资源预查”资助。

李胜利(1968—)，男，高级工程师，主要从事地质矿产勘查以及综合研究工作。

郝俊杰(1967—)，男，正高级工程师，主要从事地质矿产勘查与综合研究工作。

2016-12-08

文献标识码：A

责任编辑：宋博辇