中国北方烧变岩的分布、特征及研究意义*

时志强 王美玲 陈 彬

1成都理工大学沉积地质研究院，四川成都 610059 2聊城大学地理与环境学院，山东聊城 252000

作为一种灾难性现象，煤火在全球分布广泛，其起因是自然的(如煤层自燃或由森林火灾、雷击、强烈的太阳光引燃煤层)或人为的(如由采矿活动而引燃煤层)(Silva and Ktia，2011)。广义的煤层自燃指自然条件下煤的燃烧，其影响因素已被广泛研究(如Beamish，2005;Kusetal.， 2007)，并认为煤层的暴露及其与空气的接触是煤层自燃必不可少的条件(Zhangetal.， 2004;Queroletal.， 2011)。构造抬升、地层风化剥蚀及河流下切等多种地质过程将煤暴露于地表，从而易于引发煤火(Beamish，2005;Kusetal.， 2007;黄雷，2008；Queroletal.， 2011;Song and Kuenzer，2014)。根据煤火的年龄，可将其分为现代煤火和古煤火(Kuenzer and Stracher，2012)。现代煤火主要是人为的，而古煤火通常是非人类影响下煤的自燃(Song and Kuenzer，2014)，其结果是在地质历史时期形成烧变岩。由于相应研究欠缺，上新世—更新世古人类用火与煤层自燃的关系至今未见详细的文献报道。

烧变岩(燃烧变质岩)由燃烧煤炭时产生足够的能量烘烤或烧熔邻近的岩石而产生(Sokoletal.， 2007;Stracheretal.， 2015)。烧变岩经历高温—低压变质作用，因氧化和脱水作用而导致岩石质地、结构和颜色发生变化(Stracheretal.， 2015)，形成燃烧变质复合物(Kuenzer and Stracher，2012;Stracheretal.， 2015)。热变质作用使得烧变岩的外观呈彩色、钢灰色或红色的玻璃状、瓷质或砖状(Novikovetal.， 2008;Žeketal.， 2010)。在中国，烧变岩常作为有效的煤矿找矿标志(刘志坚，1959；刘长龄，1988)，因烧变岩常具大量孔隙而常成为煤层附近的含水层，煤田工作者常关注附近煤层在开采过程突然大量涌水的威胁(贺卫中，2002；侯恩科等，2017)，或利用烧变岩潜水作为煤矿矿井的供水水源(夏斐等，2008)。烧变岩本身也常具有矿产价值，可在烧变岩中开采陶瓷原料、耐火材料、铝质校正原料、园林观赏石和建筑材料(刘长龄，1988；王尤宏，1993；王志宇等，2020)。笔者研究团队近年来的研究显示，烧变岩可能和砂岩型铀矿富集有关(时志强等，2016；Shietal.， 2020)，也可形成具有旅游景观价值的特殊地貌单元(时潜和陈彬，2017；Chenetal.， 2021)。

由于受高温的影响，烧变岩可以提供古煤火的潜在证据(Heffern and Coates，2004;Sokoletal.， 2007)。作为一种特殊的高温变质岩(王玉山，1986)，烧变岩质地坚硬，相对抗侵蚀，常形成悬崖和阶地地貌(Heffernetal.， 2007;Riihimakietal.， 2009)。受古气候控制的大气降水影响，烧变岩在中国北方大量分布，而在南方未见报道。国外所见煤层自燃所致的烧变岩主要分布于北美(Heffern and Coates，2004；Reinersetal.， 2011；Zilberfarb，2014)及中亚地区(Novikov and Sokol 2007;Novikovetal.， 2008， 2016)，其特征、形成时代以及古地貌(河流下切、溯源侵蚀等)、古气候(干旱湿润、冰期—间冰期等)等影响因素已有深入研究。相对而言，烧变岩在中国的研究零星而不系统，鲜有文献涉及烧变岩蕴含的古环境、古地貌、古野火等多种地质信息。鉴于烧变岩在中国北方分布广泛，其古气候、古构造、古地貌等地质意义不容忽视。

1 中国烧变岩的分布与时代

1.1 中国烧变岩的分布

1.1.1 地理分布

图 1 中国北方已知的烧变岩分布Fig.1 Distribution of burnt rocks known in northern China

据已有文献及笔者地质调查结果，中国烧变岩主要分布于以昆仑山—秦岭—大别山为界的中国北方地区(韩德馨和孙俊民，1998；陈凯等，2020)，在气候较为湿润的中国南方未见报道。在中国北方地区主要分布于伊犁、准噶尔、塔里木、吐哈、鄂尔多斯、二连等沉积盆地边缘有煤层出露的地方(图 1)，在天山等山脉的山前地带(即盆地边缘)、黄河沿岸也有较为广泛的分布。笔者近年来实地考察了国内多个沉积盆地边缘的烧变岩地质露头，野外实际调查及前人研究显示，无论地表煤层的厚、薄，有煤层出露的地方都可能形成烧变岩(图 2)，在伊犁、鄂尔多斯盆地的钻井显示地表黄土之下亦有可能形成烧变岩。其分布范围在中国北方东西横跨35°经度(从伊犁盆地到太行山南麓)、南北跨度大于15°纬度(从鄂尔多斯盆地到准噶尔盆地)。其分布区域与中国目前的干旱化—半干旱化地区基本一致，但其在地质历史时期与干旱气候的耦合关系还鲜有文献提及。

1.1.2 分布方式

中国北方烧变岩分布范围与地表(或黄土覆盖的近地表)煤层一致，一般以4种方式分布： (1)大面积连片分布。这主要出现在鄂尔多斯盆地东北部及准噶尔盆地东部(图 1)，面积可达数百甚至上千平方千米，与侏罗系煤层大面积出露有关，通常位于埋深较浅的大型、特大型煤田的边缘地区。(2)沿山脉走向的线状分布。位于盆地边缘(即造山带前缘)，其产出状态与煤层在山前的线状分布有关，常产出于天山南缘和北缘(即伊犁盆地南缘、准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘、吐哈盆地南缘等)、祁连山北缘、太行山南缘等。(3)沿河流下切河谷分布。产出于黄河沿岸及新疆、山西等地一些河流的阶地，烧变岩在高阶地的分布更为普遍，但在黄河河谷Ⅰ级阶地、Ⅱ级阶地也发现烧变岩，其形成年代较为年轻。(4)为第四系黄土覆盖。在伊犁盆地南缘、鄂尔多斯盆地东北部常见烧变岩为第四系黄土覆盖，主要覆盖物为晚更新世马兰黄土(图 2-F)，亦见被第四系下部砾石层覆盖者，显示侏罗系煤层的暴露与自燃发生于第四纪黄土沉积之前。从烧变岩产出状态、形成时代(如由铀—钍/氦同位素年龄显示较多的煤层在上新世自燃)分析，中国北方第四系黄土覆盖区可能存在大量烧变岩未出露地表。

A—伊犁盆地南缘苏阿苏沟；B—准噶尔盆地南缘五工梁；C—准噶尔盆地南缘乌鲁木齐西山；D—准噶尔盆地东北缘火烧山，见大面积红色烧变岩；E—吐哈盆地中部火焰山，阴燃导致煤层中夹红色薄层；F—鄂尔多斯盆地东北部神木白柳兔，见红色烧烤岩被第四系黄土覆盖；G—鄂尔多斯盆地东缘耀州崔家沟；H—黄河沿岸河曲旧县；I—河南西北部焦作刘庄后沟。A～G为侏罗系煤系地层中发育的烧变岩，H和I为石炭—二叠系含煤地层中发育的烧变岩图 2 中国北方烧变岩露头宏观特征Fig.2 Macroscopic characteristics of outcrops of burnt rocks in northern China

1.1.3 分布层位

烧变岩赋存的层位与地表或近地表煤层时代一致。中国北方常见侏罗系煤层，因而烧变岩主要赋存于侏罗系岩层露头中，见于西北地区的八道湾组、三工河组和西山窑组(图 2-A至2-E)，在鄂尔多斯盆地，其主要发育于延安组(图 2-F至2-H)。古生界(石炭系—二叠系)煤层在新生代燃烧所致的烧变岩主要见于黄河沿岸，如在陕西东北部、山西、河南西部等地区(图 2-I)。在二连、酒泉等盆地偶见发育在白垩系中的烧变岩。

1.2 中国烧变岩的形成时代

已开展研究的国内烧变岩常见于鄂尔多斯盆地东北部地区(Grapesetal.， 2009；黄雷和刘池洋，2014；时志强等，2016；王志宇等，2020；张跃恒等，2020)和准噶尔盆地(单金榜，1986；Zhangetal.， 2004；曹博等，2020；Chenetal.， 2021)，此外在伊犁盆地(时志强等，2016；Shietal.， 2020)、塔里木盆地北缘(业渝光等，1998；李明星，2018)等地见零星报道。在早期的研究中，王玉山(1986)将烧变岩归为一种特殊而少见的变质岩，刘志坚(1959)认为烧变岩兼具三大类岩石的特点，可将其作为三大类岩间的一种新型岩类。根据其特征及受热温度，研究者通常将中国西北地区的烧变岩进行了分类(管海晏等，1998；黄雷，2008；时志强等，2016)。近年来，研究者对于中国烧变岩的研究也关注了其岩石学、矿物学特点、古地貌因素及煤层自燃过程，如Grapes等(2009)对黄河沿岸烧变岩的矿物学特征进行了深入研究；Zhang 等(2020)对鄂尔多斯盆地烧变岩的矿物学和地球化学特征进行了研究，并指出烧烤岩中含有的矿物组合；陈彬(2021)关注了伊犁、准噶尔、鄂尔多斯等盆地边缘烧变岩的形成过程及古地貌。

尽管烧变岩在中国分布广泛，但国内关于烧变岩形成时代的研究较为薄弱，仅有零星的年龄数据，如业渝光等(1998)曾用电子自旋共振(ESR)方法确定塔里木盆地库车河烧变岩形成年龄为3.26 Ma和2.37 Ma；Novikov和Sokol(2007)利用Ar-Ar同位素测年方法确定中亚地区(含天山北缘)燃烧变质事件年代集中于1.2±0.4 Ma和0.2±0.3 Ma；黄雷(2008)根据裂变径迹测试推测鄂尔多斯盆地东北部烧变岩的形成时间为晚白垩世末期至第四纪，且具阶段性烧变的特征；孙家齐等(2001)以K-Ar 同位素测试的乌鲁木齐煤田自燃烧变岩年龄为0.158～0.164 Ma。笔者近年来用锆石铀—钍/氦及磷灰石裂变径迹方法获得了伊犁、准噶尔及鄂尔多斯等盆地边缘部分烧变岩年龄，显示中国北方煤层自燃可能存在5.0 Ma±、1.5 Ma±及0.5 Ma±的燃烧峰值。根据目前较为有限的年龄数据分析，中国烧变岩显示出时间跨度大、以上新世和更新世为主的特点，不同地区的烧变岩形成时代有差异。

2 烧变岩颜色、分类及结构构造

除了在中国北方、特别是西北地区分布外，烧变岩在中亚地区和北美地区也广泛分布，并被广泛研究。全球烧变岩的分类、颜色、矿物组成、结构构造是大致相同的。本次研究涉及烧变岩的总体特征，并指出中国烧变岩的特点及最新研究进展。

2.1 颜色

烧变岩最显著的岩石学特征是其独特的、较鲜艳的颜色(图 2，图 3)，气候干旱区或燃烧时代较近的烧变岩，其所受风化作用弱，颜色更为鲜艳。相对低温条件下形成的烘烤岩，其典型的变化是高岭石填隙物所致的白色砂岩或灰白色粉砂岩(图 3-F)，而烧烤岩通常呈现砖红色或赭红色(图 3-A，3-E)，烧熔岩则通常呈现棕色、钢灰色或灰黑色(图 3-D，3-G，3-H)。烧烤岩的红色主要是由煤燃烧过程中铁的氧化所致，在蚀变过程中发生赤铁矿侵染(Vassilev and Vassileva，1996;Evans and Heller，2003;Heffern and Coates，2004;Surez-Ruiz and Crelling，2008)。煤层的燃烧过程中，煤层及原岩中的黄铁矿和菱铁矿转变为赤铁矿、磁赤铁矿与磁铁矿(Evans and Heller，2003；Surez-Ruiz and Crelling，2008)，而赤铁矿的红色和磁铁矿的黑色主导了露头的颜色。此外，由于热变质程度的不同，红色的深浅亦不同(Grapes，2010)，覆盖在燃烧的煤层上的原岩由于铁的氧化作用，岩石的颜色也逐渐从黄色变为更强烈的橙色和红色。在还原条件下，煤热解形成的CO和H2等气体，往往会导致氧化铁在烧熔岩中还原为磁铁矿(Heffernetal.， 2007)。由于磁铁矿的存在，烧熔岩主要表现为灰色或黑色。煤层在地腹的阴燃，氧气供给不充分时亦可导致灰绿、蓝灰色烧变岩。

A—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，煤灰之上为褐红色烧烤岩；B—鄂尔多斯盆地东北部神木孙家沟岔，白色煤灰及之上的红色烧烤岩(厚度薄)、褐色烧烤岩；C—伊犁盆地南缘苏阿苏沟，大套烧熔岩及煤灰之下发育黑色烧烤岩；D—准噶尔盆地南缘硫磺沟，钢灰色、褐黄色烧熔岩具角砾状构造；E—准噶尔盆地东部火烧山，褐红色烧烤岩普遍发育；F—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，红色烧烤岩与白色烘烤岩共生；G—准噶尔盆地南缘五工梁，杂色角砾岩；H—鄂尔多斯盆地东北部榆林荒草界，钢灰色、褐色烧熔岩图 3 中国北方发育于侏罗系的烧变岩类型及颜色Fig.3 Type and color of burnt rocks developed in the Jurassic in northern China

2.2 分类

自燃煤层的燃烧产物是煤灰，其颜色一般为灰色或灰白色，质地疏松，轻压即碎，具有滑感，厚度通常为1～20 cm(图 3-A，3-B)，煤灰的成分以玻璃为主，含有少量莫来石、尖晶石、硫酸盐和其他矿物(Howeretal.， 2017；陈彬，2021)。而烧变岩是煤层自燃过程中高温烘烤导致围岩高温变质而形成的一种特殊的变质岩(Heffern and Coates，2004;Stracheretal.， 2015)。根据其特征及受热温度，有研究者将烧变岩划分为烧熔岩和烧烤岩(Bentoretal.， 1981；Coscaetal.， 1989；管海晏等，1998；黄雷，2008)，或更进一步划分为烧熔岩、烧烤岩和烘烤岩(Kuenzer and Stracher，2012；时志强等，2016；陈彬，2021)。这3种类型的烧变岩在中国北方都有广泛分布，通常是根据垂向上距离燃烧中心的远近，由近及远依次为烧熔岩、烧烤岩和烘烤岩，在燃烧煤层的下部通常发育烧烤岩。自燃煤层的厚度制约着上覆烧变岩的厚度及烧变程度，对于自燃的薄煤层，上覆岩层可只有较薄的烧烤岩(图 3-B)，而厚煤层的燃烧可造就厚度达数十米的巨厚烧变岩，其中烧熔岩及烧烤岩极为普遍(图 2-B，2-C；图 3-E)。

2.2.1 烘烤岩

常表现为受到低温烘烤，热变质程度最低，其形成在距离煤层燃烧中心最远或煤层阴燃处。相比正常沉积岩，其颜色略微发生改变，结构和构造未发生改变，裂隙相对增加，与正常围岩过渡(张渝等，2016；Chenetal.， 2020)。在中国北方烧变岩分布区常见白色砂岩，毗邻红色烧变岩(图 3-F)，为煤层自燃过程中形成的表生低温热液改造所致(Chenetal.， 2020)，被认为是低温烘烤岩的一种类型(时志强等，2016；陈彬，2021)。在显微镜下，鄂尔多斯、伊犁等盆地边缘所见褐色、白色烘烤岩颗粒与原岩相比变化不大，填隙物中可见铁质矿物(图 4-A)，白色烘烤砂岩中填隙物主要为高岭石(图 4-B，4-C)，可见表生热液(时志强等，2016)蒸腾岩石所生成的气体通道(图 4-B; Chenetal.， 2020)。

A—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，白色烘烤砂岩中见铁质填隙物，局部呈浸染状; B—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，白色烘烤砂岩中见水汽通道产生的孔洞(Chen et al.， 2020)；C—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，白色烘烤砂岩中见丰富的高岭石填隙物；D—鄂尔多斯盆地东北部白柳兔，红色烧烤岩中见大量被方解石充填的裂缝；E—鄂尔多斯盆地东北部白柳兔，褐色烧烤岩中发育高温黏土矿物；F—鄂尔多斯盆地东北部高头窑，红色烧烤岩中碱性长石呈现烧熔特征；G—准噶尔盆地南缘五工梁，灰白色烧烤岩中发育被方解石充填的裂缝；H—鄂尔多斯盆地东北部白柳兔，杂色烧熔岩中可见黏土质填隙物呈熔融微球状；I—伊犁盆地南缘蒙其古尔，钢灰色烧熔岩呈现的物质熔融特征，裂缝发育图 4 中国北方烧变岩微观特征Fig.4 Microscopic characteristics of burnt rocks in northern China

2.2.2 烧烤岩

当受热变质程度较低时一般为浅红色、红褐色或砖红色(图 3-A)，硬度略有增大，岩石层理清晰，结构和构造未改变，基本上保留了原始砂岩或泥岩的层理特征(图 4-G)，常见保留结构清晰的植物痕迹(Novikovetal.， 2008；Žeketal.， 2010)。其显微特征以浸染状或广泛分布的褐铁矿等三价铁矿物填隙物为主要特征(Shietal.， 2020)。而当变质程度加剧，原岩发生轻微的塑性变形，但未完全发生熔融(Fediuk，1987;Kuenzer and Stracher，2012)。其最为显著的特征是岩石多呈现不同色调的鲜艳红色(图 3-E)，结构和构造有改变，仅部分保留了原岩的特征(图 4-D，4-E，4-F)，质地较为坚硬，主要呈现片状或板状构造，随着烧变温度的升高，烧烤岩会变硬变脆(陈彬，2021)，从而致使裂隙发育(图 4-D，4-G)，局部已有熔融迹象(图 4-F)。其在中国北方烧变岩区最为常见(图 3-C;
图 4-E)，原岩为泥质岩的烧烤岩中常发育微柱状节理、瓷化结构等。

2.2.3 烧熔岩

是原岩因煤的燃烧而高温熔化后快速冷凝形成的一种变质岩。主要呈现黑色、钢灰色或暗红色，具有明显的玻璃质流动构造和迅速冷凝的外观，具有金属光泽(Grapesetal.， 2011)。在鄂尔多斯、准噶尔、伊犁等盆地的多个地区，可见烧熔岩表面光滑，具有水滴状下垂体。其较高的变质温度可使岩石呈熔融结构、炉渣状、角砾状、蜂窝状(图 3-D，3-G，3-H)。显微镜下可见熔融特征(图 4-H，4-I)。

2.3 典型矿物

烧变岩矿物学特征取决于原岩的组分和燃烧变质强度。利用薄片观察和X射线衍射分析(XRD)，可对不同烧变岩中的矿物进行观察和定量测定(陈彬，2021)。烘烤岩和烧烤岩保存了原岩(沉积岩)的成分和矿物，新生成的矿物主要是赤铁矿、磁铁矿、高岭石等，其使得烧烤岩及烘烤岩发红或变白。烧烤岩和烧熔岩中主要的矿物包括石英、长石、鳞石英、方石英、堇青石、铁堇青石、莫来石、赤铁矿和磁铁矿等，其中鳞石英、方石英、堇青石、铁堇青石、莫来石是由燃烧过程中高温变质反应的产物(Saxby，2000;Baboolaletal.， 2018)。不同变质程度的烧变岩具有的高温矿物组合不同，因此，利用烧变岩中存在不同的矿物组合，可以明确烧变岩形成的最高温度(陈彬，2021)。

2.4 烧变岩的结构与构造

2.4.1 瓷化结构

原岩为泥岩的烧烤岩可呈瓷化结构，其形成过程与瓷器的形成类似，为经高温变质作用下泥质岩黏土成分变硬变脆所致(Cosca，1989；管海晏等，1998；黄雷，2008)。具瓷化结构的烧变岩为烧烤岩，其外观似陶片，易碎裂，颜色可呈灰白、土黄及淡褐色(陈彬，2021)。尽管该类烧变岩被诸多文献广泛提及，但在中国的烧变岩区罕见，笔者仅在鄂尔多斯盆地东北部的神木白柳兔剖面见具瓷化结构的烧烤岩(图 5-A)。

2.4.2 白化结构

在中国北方烧变岩发育地区，常可见白色砂岩与红色烧烤岩共生(图 5-B)，白色砂岩为一种特殊的烘烤岩(时志强等，2016；Chenetal.， 2020)。这种岩石中偶见圆柱状气体逸出通道(图 4-B)，显示其成因和煤层自燃有关。X射线衍射分析显示白色砂岩的黏土矿物中高岭石占主导地位，占总黏土矿物重量的70%～80%，长石颗粒常被高岭石交代(陈彬，2021)。

2.4.3 烧熔结构

常发育于烧熔岩中。在煤层自燃过程中，高温烘烤熔融围岩，形成的熔岩发生一定的流动，冷凝后，在烧熔岩中形成的各种次一级的似玄武岩熔岩形态的构造，如熔岩表壳构造和熔岩空洞构造等(Grapesetal.， 2009，2011)。该现象在中国烧变岩中广泛发育，主要产于烧变岩厚度较大(即厚煤层剧烈自燃过)的地区(如图 5-F)。具烧熔构造的烧熔岩其表面较为平坦和光滑，具玻璃状表皮，在烧熔岩空洞中，可见水滴状的下垂体，为残留在洞壁的液态熔岩在重力作用下形成(陈彬，2021)。

2.4.4 残余构造

原岩在热变质作用过程中，由于重结晶、玻璃化、变质结晶作用不完全，原岩(一般为沉积岩)的构造特征被部分保留下来，其主要保存于烘烤岩和低温烧烤岩中(Zhangetal.， 2020)。在鄂尔多斯盆地、伊犁盆地等均可见红、褐色侏罗系含煤地层中(显示为烧烤岩)的植物化石痕迹(图 5-C)。在原岩为砂岩的低温烧烤岩中，亦常见平行层理(图 5-D)、交错层理、沙纹层理等沉积构造的残余。

2.4.5 气孔构造

气孔构造(图 5-E)是烧变岩中常见的一种构造，为岩石中可燃或挥发性物质被燃烧或挥发后、岩石内或表面产生的圆形或椭圆形气孔空洞(陈彬，2021)。主要发育在烧熔岩中，以烧变炉渣状烧熔岩中的气孔构造最为发育，在中国北方广泛可见。此外，在烧烤岩中也存在气孔构造，通常被认为是煤层自燃产生的高温在大气压力下导致燃烧煤层之上的沉积物膨所引起；在烧熔岩中，当温度达到1050～1100 ℃以上，熔体会形成脱气通道，具有囊泡状外观(陈彬，2021)。

A—鄂尔多斯盆地东北部白柳兔，具瓷化结构的烧烤岩；B—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，白色烘烤岩与红色烧烤岩共生；C—伊犁盆地南缘乌库尔奇，红色烧烤岩中的植物化石痕迹；D—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，红色烧烤岩中见层理构造；E—鄂尔多斯盆地东北部高头窑，具气孔构造的烧熔角砾岩；F—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，烧熔岩；G—鄂尔多斯盆地东北部白柳兔，红色烧烤岩中的柱状节理；H—准噶尔盆地东缘火烧山，红色烧烤岩中的柱状节理；I—伊犁盆地南缘蒙其古尔，烧熔角砾岩图 5 中国北方烧变岩结构与构造Fig.5 Structures and textures of burnt rocks in northern China

2.4.6 微柱状节理构造

火山岩、如玄武岩常具柱状节理。而烧变岩中的柱状节理(图 5-G，5-H)发育在原岩为泥岩的烧烤岩中，单个柱状体长为5～20 cm，直径为5～10 mm，横截面多为四边形或五边形，少见六边形(图 5-G，5-H)，笔者称之为微柱状节理。其常表现为一端粗而另一端收缩变细的特点，有时群体常呈锥形体(陈彬，2021)。微柱状节理的形成与加热和冷却有关(Grapes，2010)，此外有机物氧化过程中质量和体积损失，以及重结晶过程中结构和孔隙的变化同样是棱形柱状体形成的因素(Weinberger and Burg，2019)。

2.4.7 角砾状构造

在较高温度下，岩石熔融会造成体积收缩，此外煤层烧空区也存在垮塌现象，这都会造成烧变岩裂隙及孔洞发育，部分岩层紊乱，支离破碎，烧变岩和围岩垮塌破碎成角砾状，形成角砾状构造，角砾被熔体胶结在一起，即形成烧变角砾岩(Peacor and Clark，1992;Heffernetal.， 2007)。这类角砾岩在中国广泛可见，主要发育在厚煤层自燃形成的烧变岩区(图 3-D，3-H;图 5-E，5-I)。烧变角砾岩的砾石一般为烧变岩碎片，其颜色通常为浅红色和红色，胶结物为铁质熔融体(陈彬，2021)。

2.4.8 垮塌构造

A—鄂尔多斯盆地东北部神山沟，地腹煤层自燃引起的垮塌造成地面裂缝发育；B—鄂尔多斯盆地东北部白柳兔，烧烤岩中发育逆断层；C—噶尔盆地东缘火烧山，红色烧烤岩裂隙中发育石膏；D—鄂尔多斯盆地东北部白柳兔，红色烧烤岩中见方解石充填裂隙；E—鄂尔多斯盆地东北部神木孙家塔，红色烧烤岩中见方解石充填裂隙；F—准噶尔盆地南缘五工梁，红色烧烤岩中的裂隙被方解石充填图 6 中国北方烧变岩区的垮塌构造及裂缝充填特征Fig.6 Characteristics of collapse structure and fissure filling minerals of burnt rocks in northern China

在煤层自燃过程里，由早期裂缝连通的地腹煤层的燃烧作用可致使基岩表面进一步破裂及地表基岩沉降，形成裂隙、小型漏斗塌陷和喷口等(Heffernetal.， 2007;Kuenzer and Stracher，2012)，更多的裂隙可使氧气供给更为畅通，进一步促进煤层自燃。裂隙不仅是地下煤层自燃通风的主要输入途径，同时它们也是排放气体的途径，很大程度上它们向一个方向延伸，形成狭窄的线性结构(Kuenzer and Stracher，2012)，其在中国烧变岩区广泛可见(图 6-A)。由于煤层体积的损失不足以支撑上覆地层，进一步的燃烧可致地面形成漏斗状塌陷，表现为小型正断层(陈彬，2021)。但在鄂尔多斯盆地亦见逆断层(图 6-B)，鉴于其200～300 m外有烧变岩垮塌现象，推测逆断层为剧烈的垮塌引起附近地层的上冲而形成。

2.4.9 裂缝充填

烧变岩中常见方解石、石膏等矿物充填裂缝，这在前人文献中提及较少。煤层燃烧使得煤层及围岩体积缩减，地腹煤层的燃烧可引起地面垮塌，这都使得烧变岩中发育各种类型的裂缝，在大气降水作用下易发生方解石的沉淀(图 6-D，6-E，6-F)。据笔者最近对于准噶尔盆地南缘(五工梁剖面)及鄂尔多斯盆地东北部(白柳兔剖面)的研究，方解石铀—铅测年显示其形成晚于煤层自燃时代(锆石铀—钍/氦年龄)，团簇同位素测试结果也显示其形成温度多与煤层自燃无关，方解石是烧变岩形成后沉淀的。在新疆准噶尔盆地及吐哈盆地，干旱的气候也可致使石膏沉淀于烧变岩孔洞及裂缝中(图 6-C)。

3 烧变岩的地质意义探讨

由于研究资料相对匮乏，目前对中国烧变岩发生的原因、分布规律、规模与期次还需要深入研究，其地质意义还远未揭示，其中加强烧变岩年代学研究尤其重要。此外，中新世、特别是上新世以来，中国西部、北部地区构造活动强烈，同时干旱古气候加剧(施雅风等，1999；Anetal.， 2001；刘晓东等，2001；方小敏等，2007，2008)，烧变岩的形成也主要集中于这一时期。烧变岩与古构造、古地貌、古气候的关系在中亚地区、北美地区被俄罗斯、美国学者提及较多，但在国内的研究亟待加强。除了各种矿产及地貌景观等方面的地质意义，烧变岩还蕴含着潜在地质意义。

3.1 烧变岩的古构造、古地貌及古气候意义

干旱—半干旱气候被认为是煤层自燃的有利条件之一(Guoetal.， 2008；黄雷，2008；Westaway，2009；时志强等，2016)，因此地质历史时期形成的烧变岩可在一定程度上反映同时代偏干旱的古气候条件。此外，构造运动可使造山带前缘或盆地边缘的煤层暴露于地表而易于引发煤层燃烧(Beamish，2005;Kusetal.， 2007)，有国外研究者将烧变岩形成时间近似当成煤层暴露时间用以研究构造运动对古地貌的控制(如Heffern and Coates，2004；Heffernetal.， 2007；Kuenzer and Stracher，2012)。在中国西北及北方地区，青藏高原、天山及太行山等在新生代急剧隆升，且青藏高原的隆升深刻影响着亚洲内陆干旱化过程及东亚季风系统变迁(Manabe and Broccoli，1990；Kutzbachetal.， 1993；Anetal.， 2001)，使得中新世以来内陆阶段性干旱气候加剧、季风系统加强(刘晓东等，2001；安芷生等，2015)。近年来的研究显示，新生代构造运动造就的山脉隆升及其相关的古地貌变化促进了中国西北地区煤层在地质历史时期的大规模自燃(Novikov and Sokol，2007；陈彬，2021)。鄂尔多斯东北部烧变岩的形成年龄与河流发生强烈侵蚀时间具有较好的一致性，烧变岩的形成受控于该地区河流侵蚀作用(陈彬，2021)。但煤层自燃及烧变岩形成与青藏高原隆升相关的亚洲内陆阶段性干旱气候是否耦合，还需要更多的年代学数据支撑。

3.2 烧变岩形成时代的地质意义

烧变岩的形成时代(即煤层自燃的时代)是提取烧变岩蕴含各种地质信息最为关键的线索，其潜在的地质意义主要反映在以下各个方面。

3.2.1 煤层自燃是否可提供现代化石燃料导致气候变化的古代范本？

工业革命以来，人类大量使用化石燃料从而导致气候变化已几近成为共识，但地质历史时期的煤层自燃可否成为现代社会可资借鉴的古代研究范本？尽管煤层自燃释放大量二氧化碳有被文献提及(Rosemaetal.， 1995;Kuenzeretal.， 2007；Eliseevetal.， 2014;Oliveiraetal.， 2019)，但其规模是否达到影响全球气候还未有定论。笔者的计算显示鄂尔多斯盆地东北部区域性分布的所有烧变岩(国内分布面积最大的烧变岩)反映的煤层同时燃烧释放的CO2质量，只大致相当于现代社会一年化石燃料燃烧释放的CO2(另文讨论)，由此看单一地区煤层自燃释放的CO2，可能还难以影响全球气候，但其对地区性气候变化的影响还未有研究涉及。而已有研究显示煤层自燃通常是多期的，延续时间较长。只有地质历史时期等时性的大规模煤层燃烧，才能提供现代世界化石燃料大量燃烧导致气候变化的古代范例，因此对大体积、大范围烧变岩形成时代的研究显得尤为重要。

3.2.2 煤层自燃是否影响了海相、陆相沉积中的黑碳含量？

古代海洋、湖泊或黄土沉积中的黑碳(燃烧碳、碳黑)常被用来重建火灾事件和陆地植被演化历史(如Wolbachetal.， 1988；Zhouetal.，2014；宋建中等，2015)，也曾用于示踪大气CO2及O2浓度(Wildmanetal.， 2004；Belcher and Mcelwain，2008)，或反映古气候和古环境的变化(Verardo and Ruddiman，1996；穆燕等，2011；祝孟博等，2017)。作为黑碳的主要来源之一，地质历史时期煤的燃烧不可忽视，因为煤炭被引燃后就会有细颗粒黑碳(Corbinetal.， 2013;Bertòetetal.， 2021)，目前国内外关于煤炭燃烧引起黑碳含量增加的研究多集中于现代，对于地质历史时期的研究还近乎空白。鉴于煤炭的燃料特性优于树木，推测燃烧过程里会有固体燃料—气体产物—冷凝固体产物的变化过程，其冷凝的固体产物直径一般为2 μm左右，进入大气后以气溶胶为载体(张华等，2008)，可运输至很远的距离。在以往的研究中，煤层自燃对于古火灾事件的影响认识模糊或被忽视。晚上新世以来，中国近海及黄土沉积中黑碳含量显著增加(Jiaetal.， 2003；Zhouetal.， 2014)，其是否与这一时期煤层大规模燃烧相对应，值得深入研究。

4 研究展望

作为煤层自燃的产物，烧变岩在中国广泛分布于以昆仑山—秦岭—大别山为界的中国北方，但其通常只被煤田地质工作者重视，已有的研究零星而不系统，仅在新疆、鄂尔多斯等地区见相关研究，且总体研究程度较低。相比较而言，国外研究者对于烧变岩的宏观和微观特征、形成过程及形成时代等方面进行了较为系统的研究(如Grapesetal.，2009;Baboolaletal.，2018;Sokoletal.， 2018)。笔者近年来实地考察了国内多个沉积盆地边缘的烧变岩露头剖面，野外考察及结合前人研究显示，烧变岩的分布范围广、层位多，有煤层暴露的地方多发育烧变岩。但总体上国内对于烧变岩形成时代、控制因素及古构造、古气候、古地貌、古野火研究的意义都认识模糊，研究亟待加强。对烧变岩特征及年代学的研究，有利于深入探讨煤层自燃时代，理清烧变岩的形成过程及控制因素，进而反映古煤层自燃发生时期的构造运动、河流侵蚀、古气候、古地理、古地貌等地质信息，为研究中国西北地区构造运动、古气候变化、古环境变迁、古野火分布等提供一种全新的研究思路。

致谢参加野外工作的还有成都理工大学段雄、杜怡星、王小端、葛禹、王艳艳和中国科学技术大学时潜等。感谢成都理工大学冯明石在扫描电镜等样品测试方面的帮助。感谢评审专家的意见和建议!