河南省石炭-二叠纪煤类分布及煤变质特征

2021-09-16任聚奎李明培张正飞宋建军王德伟邵龙义

中国煤炭地质 2021年7期

任聚奎，李明培，张正飞，宋建军，王德伟，邵龙义

(1.河南省煤炭地质勘察研究总院，郑州 450052；2.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054；3.陕西投资集团创新技术研究院有限公司，西安 710004；4.河南省资源环境调查一院，郑州 450000；5.河南省煤田地质局，郑州 450016；6.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

泥炭沉积之后，由于一系列地球动力学作用，埋深逐渐加大，在温度、时间和压力的共同作用下，经过复杂的物理化学变化形成煤层。由于煤层对温度和覆岩的压力的敏感程度更高于围岩，因此温度、压力随时间的增加会继续影响着煤层的变质作用[1-2]。温度对煤的变质作用的影响总体表现为不同变质程度煤的镜质组反射率值均随温度的升高而增大[3]。压力对变质作用的影响比较局限，不能控制煤的化学变化，但是可以促进煤的物理结构变化[4-6]，因此通常认为压力是煤变质的次要因素，而且在煤的变质阶段只有动压力—即构造引起的动力变质作用对煤的变质有一定影响[7]，范围也比较有限。时间因素是煤变质过程持续性的重要要素，一般煤变质作用持续时间越长，变质程度可能逐步加大[8]。前人研究认为，煤变质程度是温度和时间的函数，煤受短时间高温作用和长时间低温作用可达到相同的变质程度[9-11]，但一般情况煤变质的温度应达到50～60℃。

河南省是我国中东部煤炭大省，石炭-二叠纪煤炭资源丰富，煤层经历了多期次、多种变质作用，形成变质程度高、煤质优良的煤炭资源[12-14]。前人对河南省石炭-二叠纪煤的变质作用、煤类研究成果较多，多聚焦于特殊变质作用对煤的变质作用[15-18]，尚缺乏系统性的研究多种煤变质作用的控制机理及其演化史。本文通过分析大量测试数据资料、野外勘探资料，利用计算机模拟等手段对石炭-二叠纪煤的变质控制作用进行了全面系统研究，以期摸清全省石炭-二叠纪煤的变质演化面貌及其变质演化规律，为煤田勘探和煤炭资源开发提供地质依据。

1 分布特征

河南省煤类分布环带特征明显，其长轴沿济源、焦作、荥阳、郑州和永城一线近南东向展布，环带中心大范围为高变质的无烟煤。无烟煤带之外为向南北方向逐渐过渡为贫煤、瘦煤、焦煤等中等变质的烟煤(图1)。石炭-二叠纪煤的Ro,max亦呈环带状分布，与煤类分布规律类似，济源、焦作、荥阳、郑州一带变质程度最高，Ro,max基本在2.0%以上，向南北及东部逐渐变低，且向南北方向减小的幅度明显高于向东减小的幅度。

图1 河南省石炭-二叠纪煤类及镜质组最大组反射率分布

由于各煤田在煤的变质过程中，其地质历史发展和热演化不尽相同，致使石炭-二叠纪煤类又表现出不均衡性分布的规律。比较典型的是受构造、热液作用，陕渑、宜洛、登封、汝州一带煤变质程度急剧变化，河南省西南—南部宜洛、平顶山、确山等煤田还有零星无烟煤，永夏煤田受岩浆热液侵入，部分地区煤层已变质为天然焦。

2 煤的沉积埋藏史与构造运动史

煤的变质演化可以认为是煤的热演化，它与煤的沉积埋藏史和区域构造运动史有着密切的成因联系[19-21]。河南省地质发展史与华北有相似之处，又有特殊的方面，成煤盆地轮廓是前古生代华北板块基底轮廓，在整个古生代基本处于稳定发展阶段，中生代又进入活化阶段。

2.1 沉积埋藏史

在沉积盆地演化史分析中，地层剥蚀厚度的准确性计算是重建埋藏史的重点和难点[22-23]。研究煤层的沉积埋藏史，就需要弄清楚各时代地层沉积的原始厚度，特别是煤系上覆三叠系厚度。考虑到石炭-二叠系为连续沉积，原始沉积速率较高，期间构造运动和差异升降作用较弱，具有沉积厚度稳定和分布广泛的特点，且岩煤层标志层明显，本文采用地层厚度趋势法，并结合沉积速率法等对三叠系原始地层厚度进行了恢复(图2)。可知，三叠系沉积期荥巩偃龙济源克井一带为沉积中心，三叠系厚度表现为南北相对较薄，中部近南东向较厚，呈近似对称分布趋势。

图2 河南省三叠系原始厚度等值线

为了形象的分析和表达煤层的埋藏史，研究绘制了煤的埋藏史曲线图。图3中实线曲线代表了印支期抬升型，石炭-二叠纪为煤层埋藏期，沉积作用持续进行，埋藏深度逐渐加大，三叠纪末期达到最大埋深，印支期遭受抬升剥蚀，埋藏深度逐渐变小，沉积埋藏期相对较短。图3中虚线曲线代表燕山期抬升型，其沉积埋藏期直至白垩纪早期，达到了最大埋深，燕山期才结束下沉埋藏史，转为抬升剥蚀期，其埋深时间相对较长，济源煤田的克井、焦作西南沁阳矿区属于这种类型。

实线为宜洛煤田宜洛矿区埋藏曲线虚线为济源煤田克井矿区埋藏曲线

根据区域沉积-构造背景，河南省石炭-二叠系及上覆盖层的沉积类型可划分为低位沉积和高位沉积。低位沉积以区域内地壳垂直升降运动为背景，沉降速度相对较慢，河南省多数煤田属于此种类型。高位沉积是由地壳发生水平运动，使地形相对起伏，高差增大，其特征是沉积速度快，但沉积作用的发生并不意味着基底下沉，沉积厚度也不代表基底下沉深度，对促进煤的变质作用意义相对较小。

2.2 构造运动史

河南省地跨华北板块和秦岭褶皱系两个大地构造单元，石炭-二叠系仅分布于华北板块区域[24]。自寒武纪开始，该区域进入古板块形成演化的稳定发展阶段，地壳稳定下沉，接受碳酸盐岩为主的浅海沉积，中奥陶世发生加里东运动，华北地区整体抬升，遭受剥蚀。海西运动期，华北板块地壳又整体下沉，并多次发生海侵、海退，形成了石炭-二叠系连续的海陆交互相含煤岩系。进入中生代以后，华北板块进入活动大陆边缘与板内构造演化阶段，其特征是全区构造运动不均衡，升降分异明显并伴有强烈的岩浆热液活动，特别是从燕山运动开始，华北板块的大地构造格局由南北分异转化为东西分异，中生代以前的盖层发生褶皱和强烈的断块运动，形成华北断坳并卷入我国东部大陆活动边缘，基本形成了现今的构造面貌。这既是构造运动史、沉积埋藏史及煤热演化从均衡演化转为差异演化的转折点，也是地史上的一次重大热事件，其后的喜山运动继承了燕山运动的特点，使断块和沉积分异更为明显。

3 煤的变质作用

3.1 深成变质作用

3.1.1 深成变质作用演化

河南省石炭-二叠纪煤系形成过程中，聚煤盆地基地不断沉降，该过程已在前述沉积埋藏史中论述。随着埋藏深度的增加，即使在地温梯度未发生异常情况下，地温也会逐渐增大，加之上覆岩层静压力增加。在较高的地温和压力下，煤层普遍发生深成变质作用，这在整个华北地区也是普遍存在的变质现象。煤的镜质组反射率数值模拟和沉积埋藏史可以显示石炭-二叠纪煤的变质过程。

煤系剖面上，煤的变质程度随着煤层层位的降低而增高，表现为煤的挥发分自上而下有规律地降低，镜质组反射率则自上而下逐渐升高(表1)。

表1 河南省不同矿区主要煤层的挥发分及镜质组反射率变化

利用古地温、原始地层厚度等数据，通过模拟计算各地区不同时代煤层热演化的成熟度指标TTI和变质程度指标Ro，得出河南省各石炭-二叠纪煤田不同地质时期二1煤变质程度结果，并与现今反射率测试结果对比(表2)，可知：二叠纪末期河南省二1煤的反射率多在0.5%以下，煤的变质程度仅达褐煤阶段。至三叠纪末，二1煤已普遍达到低级烟煤或高级烟煤，此时河南省大部分区域石炭-二叠纪煤的埋深已经达到最大深度。埋藏最深的济源煤田克井矿区则率先进入了无烟煤阶段，反射率达2.69%。侏罗纪末期，各石炭-二叠纪煤田煤变质演化的差距进一步被拉开，出现了低级烟煤、高级烟煤、无烟煤并存的景象。此时克井矿区煤变质程度已达到超级无烟煤，其反射率为4.34%。周边的偃龙、荥巩和焦作煤田西部的二1煤几乎均达到无烟煤阶段。

表2 石炭-二叠纪煤在不同地质时期的镜质组反射率模拟数据与现今测试结果对比(单位：%)

3.1.2 主要煤变质时期

由表2可知，三叠纪和侏罗纪煤的镜质组最大反射率值增幅相对较大，其次为二叠纪，白垩纪煤的变质作用基本停滞。这表明深成变质作用对石炭-二叠纪煤的变质控制作用主要发生在三叠纪和侏罗纪，其次为二叠纪，其变质演化史在侏罗纪末期已基本结束，其后的变质作用非常微弱。

除偃龙、荥巩、济源、焦作、鹤壁(包括安阳)和永夏6个煤田的实测值大于模拟的Ro值外，其他区域实测值均小于模拟值，且差值变化范围较小。由此推断：深成变质作用在煤的整个演化进程中起主导作用。上述六个煤田在侏罗纪末期深成变质作用结束之后，可能又有新的较强的变质作用发生，使煤的演化进程继续向前推进。而其余各石炭-二叠纪煤田煤变质程度则基本是单一的深成质作用控制的结果，即使其后存在其他新的变质作用，其影响程度也非常轻微[25-26]。

3.2 动力变质作用

主要表现为滑动型构造应力变质作用，即滑动构造引起煤的变质[27]。在新密、登封、荥巩和偃龙等煤田表现明显。滑动构造是豫西地区广泛发育的一种特殊断层构造样式，可分为荥阳型和卢店型两种。因其具有多期次活动，断层面(滑面)倾角平缓，且多沿二1煤层发育等特点，故对该煤层的变质有较大作用，一般导致滑面之下各煤层间的变质梯度出现负值，即负梯度。

以新密煤田任岗井田为例，该井田位于荥密复式背斜东南翼，含煤面积3.8km2，井田中西部发育一滑动构造(F6)，致使井田内煤的变质梯度出现两个截然不同的分区(表3)。井田东部，因不受滑动构造影响，二1煤挥发分均大于一1煤，煤的变质规律符合希尔特定律，为正的变质梯度区，而在井田的中西部，由于滑动构造发育，产生滑动变质作用，造成这一区段二1煤挥发分明显减小，其值均小于一1煤，在该区段煤变质规律与希尔特定律明显不符，出现负变质梯度区。

表3 新密煤田任岗井田挥发分统计表

滑动变质作用由于强度不大，作用时间较短，且多发生在燕山期以后，因此这种后期变质作用对已经达到较高变质程度的煤层来说，尚难以使其变质程度进一步明显增大。

3.3 接触变质作用

主要是燕山期岩浆岩侵入活动所致，天然焦是接触变质作用特有产物。河南省的安鹤、永夏、确山、临汝及陕渑煤田都有岩浆岩侵入，尤其是安阳和永夏两个煤田最明显，影响范围较广，强烈的改变了区域内原有的煤变质面貌。

安阳煤田沿矿区西部的煤层露头，北自积善矿，南止王家岭矿，在长24km，宽约6km的区域内，岩体断续出露，是岩浆强烈活动地区，侵入层位多为奥陶系，亦见直接侵入二1煤层，使得煤田大致呈东西向展布的煤变质带在浅部转成近南北向，形成了以岩体为核心，由天然焦、无烟煤、贫煤等组成的环状变质带。环带内煤变质程度由里到外，由西向东逐渐降低，但范围不大，煤田中深部煤层仍保留着深成变质作用的原有特征。

在永夏煤田，岩浆岩侵入层位多在奥陶系和石炭-二叠系，尤其沿煤层顶、中、底顺层侵入最为常见，致使该区主要可采二1煤层大面积变质为天然焦和无烟煤，成为河南省最大的天然焦赋存区。该区与岩体接触处的煤质大都强烈变质而成为天然焦，再远则出现无烟煤和贫煤，同一煤层岩浆岩侵入层位不同，对煤变质的影响程度也有一定差异。当岩浆沿煤层底部侵入，其上部煤层全部变为天然焦，直至被岩浆岩全部替代。当岩浆沿顶部或中部侵入时，煤层与岩体接触处形成天然焦，稍远即转正常，部分地区岩浆岩与煤层有接触，但也没有天然焦形成，说明岩浆的热量向下作用的距离较近，范围有限。图4为永夏煤田岩浆岩侵入类型及其变质产物示意图。因此，接触变质作用只能使局部煤的变质程度在原有基础上进一步提高，产生新的煤类分带，但影响范围和程度都有一定局限性，在河南省煤变质总体高水平背景下，对煤的变质作用影响较小。

图4 永夏煤田岩浆岩侵入类型示意图

3.4 区域岩浆热变质作用

从现有勘探资料、区域研究成果看，河南省石炭-二叠纪煤的区域岩浆热液变质作用主要有两种类型：以气液对流、循环方式的气水热液变质型和以岩层热传导方式的正常区域岩浆热变质型[28]。

3.4.1 气水热液变质作用

气水热液是大气降水、地下水循环到一定深度(几公里至几十公里)被加热后，形成的以H2O为主并含有Cl、S等多种挥发性元素及成矿元素的一种气态和液态溶液。因其温度较高(数十度至数百度)，且活动能力较强。气水热液对局部煤层的变质作用影响较大，多形成“超无烟煤”，图5为燕山期气水热液循环示意图。河南省“超无烟煤”分布区内气水热液活动剧烈，主要有下述表现：

图5 燕山期气水热液循环示意图

1)煤层及其围岩中普遍发育气水热液活动产生的脉石矿物。其中石英脉和方解石脉最为常见，亦有菱铁矿和菱铁脉等。它们与岩层、煤层以各种角度相交，沿裂隙填充，边缘平整，与围岩有截然分界，宽度多为1cm左右，热液成因特征明显。

2)围岩蚀变严重，常见的是绿泥石化和叶蜡石化，呈薄膜状和脉状黏土矿物出现在泥岩和砂质泥岩中。亦有少量金属矿化现象，在SiO2和CaCO3脉石内有斑点状和浸染状黄铁矿和闪锌矿，且晶型较好。

3)煤中各项异性石炭比较发育，有镶嵌结构体，纤维状体，基础各向异性体及中间相小球体。

4)煤孔隙周围只有显微接触变质现象，既热流顺岩、煤层孔隙上升，与孔隙内壁接触，在其外围形成“焦雏”等各向异性体，呈现接触变质微象。

3.4.2 热传导区域岩浆热变质作用

主要指岩浆热以传导方式使古地温升高而使煤变质的变质作用。河南省石炭-二叠纪煤的岩浆热变质作用影响着河南省大部分地区的煤变质，出现煤级分带现象。该变质作用影响的区域主要包括济源、焦作、偃龙、荥巩、登封、新密及禹州等煤田，为深部岩浆热传导使得煤层变质[28]。另外，在河南省东部永夏煤田，区域接触变质作用普遍，但在局部未受岩浆直接影响的地区存在区域岩浆热变质作用。