摘要：煤變質程度升高和煤層夾矸中礦物的轉化與周圍變形環境變化密切相關，利用偏光顯微鏡、X射線衍射(XRD)等測試手段，對湖南寒坡坳礦區煤層夾矸的巖石礦物學特征、伊利石結晶度等進行了研究，并探討了黏土礦物特征直接或間接指示煤變質程度，以及對溫度、壓力等變化的響應。結果表明：黏土礦物這一層狀結構硅酸鹽礦物對研究區變形環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，伊利石結晶度高，結晶度分布于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、半高寬分別與不規則部分γ峰的面積和半高寬的比值，伊利石結晶有序度顯示與煤有機結構演化一致的特征;鏡質組反射率和拉曼光譜地質溫度計揭示煤系石墨形成的變質溫度為400~500℃或更高，指示研究區煤層遭受低級淺變質作用，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境，形成的壓力條件在250~400MPa或更高;依據不同變質程度煤的XRD結構參數隨形成溫度的變化，顯示較高的受熱條件是有機質演化和夾矸中礦物轉變的重要因素，但是相近溫度變化區間內煤中有機質結構單元面網間距(d002)持續減小，指示著地質過程強烈的構造應力能明顯催化石墨化進程。
關鍵詞：湖南寒坡坳礦區;煤層夾矸;礦物特征;伊利石;地質意義
0引言
煤層夾矸是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量低、比煤堅硬的黑灰色砂、泥質巖石，呈透鏡體狀、似層狀或層狀，使煤層結構復雜化及灰分增高，而且會給工業開采帶來一定困難，通常用作發電、制造建筑材料、陶瓷、耐火材料或直接井下充填等。一定范圍內穩定展布的煤層夾矸層可作為可靠的標志層幫助煤層對比，為恢復聚煤期古地理、沉積特征提供依據，并且之中的黏土礦物在成巖過程中對低溫低壓敏感，其成分、結構、形態、共存礦物等標型特征可反映成煤期后的變形環境，如利用伊利石結晶度、多型等[1-4]定性或半定量的地質溫度計估算溫度值，利用伊利石b0值分析變形環境中的壓力條件。
黏土礦物隨著溫、壓等環境的轉變如同煤中有機質結構的演化一樣是不可逆轉的[5]，所以其特征可作為指示有機質成熟度的重要標志。煤同樣對成煤期后的物理化學條件的變化特別敏感[6-9]，其有機質結構演化受溫度、變質壓力(尤其是剪應力)、變質持續時間、礦物質催化、流體成分和成煤原始物質等的綜合影響[7,10,11]，趨勢是增碳、脫氫氧、結構有序化程度逐漸提高[12]。
巖石論文范例：地質巖石礦物分析測試技術研究
不同變質溫度條件下，有機質或炭質物具有不同的拉曼光譜吸收譜帶，利用該技術檢測炭質物的結晶度，并利用炭質物拉曼光譜溫度計[13]反演不同變質類型煤的形成溫度。有機質的演化路徑受溫度、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，不同地區的構造-熱作用具有差異性，以致在對比有機質演化不同控制因素的貢獻程度時存在一定難度，但是某一地區特定背景下有機質演化的控制因素(如溫度、壓力)可經過多方面證據逐一核實。
因此，本文研究了雪峰山構造帶東緣寒婆坳礦區下古生界測水煤層夾矸顯微構造特征、黏土礦物伊利石結晶度、煤中鏡質組反射率及激光拉曼光譜地質溫度計，探討了巖漿熱變質作用下煤層夾矸中礦物反映的溫壓環境的地質意義，研究天龍山巖體侵入引起煤系變質作用強度和規律，為本地區高煤級煤分級分質利用、煤炭由燃料向工業原料轉變提供支持。
1樣品來源與實驗測試
本文樣品采自湖南寒婆坳礦區稠木煤礦、勝利煤礦、稗沖煤礦和石巷里煤礦3、5號煤層及煤層夾矸(編號為g-CM、g-SL、g-BC、g-SXL3、g-SXL5)，均為井下采樣，采集后及時裝入塑料樣袋中封存，避免污染。煤樣依據GB/T212-2008、GB/T31391-2015和GB/T6948-2008標準分別進行工業分析、元素分析、鏡質組反射率測定。利用偏光顯微鏡進行了顯微構造現象的觀測與拍照;煤層夾矸樣品在室內自然溫度下經空氣干燥，然后選擇適量樣品粉碎過篩至200目以下，同時與脫礦煤粉樣品，分別采用MSAL-XD2X射線衍射儀獲取相應譜圖，測試條件為Cu靶，K輻射，管流30mA，發散狹縫1mm，接收狹縫0.30mm，步進式掃描，步寬0.02°，掃描速度2°/min，2θ掃描范圍為5°~70°。采用LabRamHREvolution型光譜儀對脫礦煤粉進行Raman測試，Ar+激發，激光波長532nm，掃描范圍400~4000cm-1，由于煤的非均質性，每次測試都在煤粉樣的6個不同位置進行。
2結果與討論
2.1巖石礦物學特征
2.1.1巖石學特征
寒婆坳礦區測水組煤層中夾矸的主要巖石類型為泥巖、炭質泥巖或砂質泥巖。煤層夾矸顏色為黑灰色，薄-中厚層狀，致密硬實，層理較發育，層面上含稀疏植物化石碎屑。在花崗巖體侵入的熱變質作用和定向應力影響下，隨著向巖體接近，在強應變下巖石中礦物旋轉定向;重結晶過程未達到充分平衡時，僅部分礦物重結晶，形成紅柱石(空晶石)，殘留炭質包裹體呈帶狀或面狀分布，熱峰后退變質表現為紅柱石絹云母化;若處在高溫環境中，石英晶粒不規則邊界會逐漸變直，顆粒粒徑增大，靜態恢復重結晶使石英顆粒呈現六邊形鑲嵌結構;同時，靠近巖體的煤層轉變成無煙煤-半石墨，直至隱晶質石墨。煤系中泥質類巖石形成紅柱石(空晶石)等各類角巖，所需的溫、壓條件中，較主要的還是較高的受熱條件。
2.1.2礦物學特征
天龍山巖體侵位引起煤系強烈變形、變質，同時使其圍巖發生熱變質作用，形成綠泥石帶、紅柱石(空晶石)帶等不同程度的變質帶，煤層夾矸中主要礦物成分為黏土礦物(伊利石)、石英及炭質，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。
根據黏土礦物和脆性礦物的含量將煤層夾矸劃分為泥(頁)巖(石英<25%)、砂質泥(頁)巖(石英一般為35%~75%)，變質作用開始后變為板巖和千枚巖，如變形巖石中石英常表現為剛性，黏土礦物和炭質作為塑性基質常通過粒間滑移構成條帶狀構造，石英顆粒波狀消光、變形紋、剪裂紋等較發育，反映一定程度上構造應力使巖石內部物質結構發生調整，變形環境總體上屬于低溫低壓的脆性-韌脆性構造域。伊利石是一種含鉀、硅和鋁的含羥基層狀結構硅酸鹽礦物，通常與白云母相似，大多數是2﹕1型結構單元層的二八面體類型，并已被證實有2M1﹑1M﹑1Md和3T等多型，化學結構式為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巖區，伊利石可為物源區原生沉積，或由蒙脫石、高嶺石在富鉀、堿性條件下轉變而成[5,14]，伊利石結晶程度取決于伊利石形成的古溫度、壓力、化學環境及生長時間等，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、趨于對稱，不規則肩峰(γ峰)則逐漸收縮，反映無序度減小，而研究區伊利石結晶度均小于0.25°△2θ，屬于低級變質帶，靠近巖體的石巷里煤層夾矸中伊利石結晶度最好KI=0.0909(°△2θ)。
葉蠟石一種結晶結構為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，理想結構式為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與低級變質作用有關，葉蠟石的形成溫度(300℃)高于伊利石，在華北石炭二疊紀煤系的太原西山、豫西及北京門頭溝等均有報導[14-16]。葉蠟石的形成原因與熱液交代作用、受熱接觸變質作用或動力變質作用相關[15]，但是寒婆坳礦區煤層中未見巖漿侵入，從而排除熱液交代作用，同時煤層夾矸中發現紅柱石(空晶石)等熱接觸變質礦物，由此認為葉蠟石形成與受熱接觸變質密切相關，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晶度、多型、b0的地質意義
伊利石結晶度研究包括晶體結構的完整程度，以及結構中原子或離子在三度空間上的延展和有序性，一些學者利用伊利石結晶度與其形成溫度之間的關系提出了成巖-極低級變質作用的劃分方案[2,17]：即晚期成巖帶(高級成巖帶)的伊利石結晶度為1.0~0.42°△2θ，溫度上限200℃;低級近變質帶(極低級變質帶A)的伊利石結晶度在0.42~0.30°△2θ;高級近變質帶(極低級變質帶B)的伊利石結晶度變化于0.30~0.25°△2θ，溫度上限300~350℃;淺變質帶的伊利石結晶度<0.25°△2θ，溫度下限350℃。由表2可知，伊利石結晶度變化于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強烈，反映熱變質對伊利石結晶度的較大影響，其伊利石結晶度為0.0909°△2θ。按照成巖-極低級變質作用的劃分方案[2,17]，表明研究區變質溫度高于350℃，早古生代測水組煤系屬于低級變質帶，伊利石結晶度依次升高：g-CM→g-SL→g-BC→g-SXL3→g-SXL5。
伊利石(白云母)多型是結構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，晶體結構有差異。2M1型伊利石，在d0063.36×10-1nm衍射峰兩側，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衍射峰兩側只有對稱的3.62和3.08×10-1nm兩個衍射峰。伊利石(白云母)多型與形成時的古溫度、壓力等因素密切相關。伊利石(白云母)1Md多型，經常出現在晚期成巖帶，形成溫度一般小于200℃[17];2M1多型，多為極低級變質作用的產物，形成溫度一般大于200℃，寒坡坳礦區煤層夾石中伊利石(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N為56.62~88.86，反映形成時的古溫度相對較高，至少在200℃以上，屬于近變質帶-淺變質帶的產物，這同伊利石結晶度的研究結果一致。
3結論
(1)寒婆坳礦區測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，表現為熱峰后退變質絹云母化，殘留炭質包裹體呈帶狀或面狀分布，伊利石結晶度高，構造巖組分析變形環境整體為較高受熱條件的低溫低壓的脆性-韌脆性構造域。
(2)煤層夾矸中伊利石結晶度分布于0.1406～0.0909°△2θ，多為2M1多型，b0分布于8.8836×10-1~9.0305×10-1nm，表明研究區變質溫度高于350℃，屬于低級淺變質帶低中壓的環境，煤系石墨形成的壓力條件在250~400MPa或更高。
(3)鏡質組反射率和拉曼光譜地質溫度計揭示煤系變質溫度為400~500℃或更高，與伊利石結晶度等一致;利用伊利石(001)峰面積、半高寬與不規則部分γ峰的面積和半高寬的比值，伊利石結晶有序度顯示與煤有機結構演化一致的特征。
參考文獻(references):
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作者：李煥同1,2，張衛國1，王楠1，潘彥寧1，陳應濤1
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