煤岩构造变形与动力变质作用

煤岩是一种对温度、压力等地质环境因素十分敏感的有机岩,地质演化过程中的各种构造-热事件必然导致煤岩发生一系列物理与化学结构的变化,并形成不同类型的构造煤。在构造应力作用下,煤岩不仅发生脆性和韧性变形,而且还产生不同程度的动力变质作用。因而,关于煤岩构造变形与动力变质作用的研究不仅具有重要的科学意义,而且在煤层气资源评价以及煤与瓦斯突出危险性预测方面也具有重要的实际意义。文中在已有研究成果基础上,通过对构造煤系列Ro,max、XRD和NMR(CP/MAS+TOSS)等测试和实验方法的对比研究,深入分析了煤岩不同构造变形和动力变质特征,进一步探讨了构造应力下煤岩动力变质作用的机理。研究成果表明,在构造应力作用下,煤岩脆性变形主要是通过破裂面上快速机械摩擦转化为热能而引起煤岩化学结构与其成分的改变;而韧性变形煤主要是通过局部区域应变能的积累而引起煤岩化学结构的破坏,从而发生不同机制的动力变质作用。     

煤显微组分对煤石墨化作用的影响

煤系石墨是在岩浆接触热变质及构造变质作用下形成的煤系非金属矿产。煤系石墨与晶质石墨相比,具有品位高、易开发的特点,将成为高技术产业和新能源领域的重要原材料。综合概述了煤石墨化作用模式、影响因素以及煤显微组分对煤石墨化的影响,分析了煤石墨化研究的主要问题和发展趋势。目前,煤的物理化学结构和煤系石墨的相关研究已取得了较为显著的进展,但煤石墨化作用机制仍存在许多问题亟待解决。大量的研究集中在煤石墨化的外部地质因素,如温度、压力和介质条件对煤石墨化的控制作用,而对煤显微组分在煤石墨化过程中的作用研究相对较少。由于镜质组、惰质组和壳质组的芳环缩合程度不同,各种显微组分具有不同的芳氢和侧链取代基,从而对煤中芳香结构的演化和纳米结构的形成产生差异影响,造成煤石墨化作用效果和作用机制的复杂性。因此,充分认识显微组分对煤石墨化作用的影响可能是揭示煤石墨化机制的重要途径之一。     

福建漳平可坑矿区煤系石墨赋存规律研究

漳平可坑矿区地处福建省中部含煤条带,赋存有丰富的高变质无烟煤,有较好的煤系石墨资源前景,是福建重要的石墨成矿区。为了查明可坑矿区煤系石墨的赋存规律,利用X射线衍射、拉曼光谱等技术,结合矿区岩浆活动和构造运动,对煤成石墨结构演化特征、煤成石墨化作用机制和控制因素进行了研究。结果表明煤系石墨是岩浆热和构造应力共同作用的产物,在煤成石墨化过程中,岩浆热产生的高温促进芳香层相互连接和横向增长,构造应力有利于芳香层的择优定向和有序堆叠,煤成石墨结构在温度、应力等因素作用下,碳层间结构缺陷逐渐消亡,石墨晶格逐渐形成,微观相逐渐转变,最终形成比较完善的石墨结构。研究明确了矿区构造和岩浆岩侵入对煤成石墨化作用的影响,划分了构造动力—岩浆热变质带、岩浆热—构造变质带、构造动力变质带三个变质带和三级控矿断裂带。可坑矿区煤系石墨产于构造动力—岩浆热变质带中,矿层靠近岩体呈近东西走向的单斜层状、似层状展布,但矿床的展布不完全受制于岩体,在空间上也受三级控矿断裂带的控制。      

显微组分大分子结构演化差异性及其动力学机制——研究进展与展望

显微组分物理化学性质是影响煤炭清洁高效利用和煤储层物性的重要因素,已经认识到决定显微组分性质的根本原因在于其大分子结构。为了揭示显微组分大分子结构演化特征及其控制因素,从显微组分大分子化学结构与物理结构、大分子结构演化的构造应力效应、煤变质全阶段大分子结构演化特征等方面,总结了国内外研究进展,分析了存在的不足。指出由于富镜质组煤的广泛分布和重要工业用途使之成为煤结构研究的主要对象,惰质组的研究则相对缺乏,阻碍了对煤特性的全面认识。提出“煤变质作用的热-应力条件决定显微组分结构演化、惰质组与镜质组大分子结构演化具有差异性”的研究思路,采用惰质组/镜质组高温高压模拟和热模拟实验并与自然序列变质-变形煤对比,研究显微组分结构演化特征及其控制因素。定量刻画显微组分大分子结构与温压条件的关系,揭示构造应力对显微组分化学结构和纳米孔隙结构的控制,确定煤变质全过程中惰质组大分子结构的演化路径,建立惰质组大分子动力学模型。上述研究成果将充实对煤微观结构演化及其控制因素的全面认识,为煤炭清洁高效利用和煤储层物性评价提供基础依据。      

书讯

正大别山北麓晚古生代杨山煤系以强变形高煤级为特征。作者在详细研究区域地质背景条件的基础上,运用多种方法手段对杨山煤系煤的变形变质作用进行了系统深入的研究,划分了特殊地质环境下高煤级煤的变形变质类型,提出了应力降解机质和应力缩聚机制,揭示了煤化作用与构造-热作用之间的能量和物质交换过程。研究内容涉及煤化作用因素、煤岩变形机制、构造地球化学等煤地质学领域和构造动力学领域的一系列基本问题。     

煤变质古地温恢复方法探讨

煤和其它有机质一样,其变质作用主要取决于所遭受的最高温度及其持续的时间,压力不是主导因素。在煤化作用过程中压力仅能使煤的物理结构、构造发生变化,对中变质阶段的煤化作用却起延滞作用,温度的升高能大大加速煤化作用进程,故煤的煤化作用可以说是一种热的演化过程。      

构造煤结构演化及其应力-应变环境

基于不同变形类型和程度煤样品的X 射线衍射分析（XRD）,研究了构造煤的结构演化及其应力- 应变环境。结果显示, 弱变形构造煤芳香结构参数面网间距（d 002）随煤化程度增高呈阶跃式减小,阶跃点为最大油浸镜质组反射率等于0.69% 左 右,阶跃点后变化不大;鳞片煤Ⅱ的面网间距最小,揉皱糜棱煤与片状碎裂煤Ⅱ相当,介于弱变形构造煤与鳞片煤Ⅱ之间, 揉皱煤的面网间距稍大于揉皱糜棱煤;堆砌度随煤芳香结构演化与面网间距协调变化。认为应力- 应变作用类型和程度的 差异控制了不同变形类型和程度构造煤的形成,应力- 应变作用不仅改变煤体宏观和微观结构,也影响着煤芳香结构的演 化,且不同类型和程度应力－应变作用的影响程度存在较大差异。形成构造煤的应力- 应变环境可分为脆性碎裂变形环境、 韧性变形环境和剪切变形环境三类。弱和中等脆性碎裂变形作用对煤芳香结构影响不大;韧性和剪切变形作用分别以一定 的温压条件和定向的应力作用为主要特征,前者有利于煤中杂原子团的脱落和新芳环的形成,后者有助于煤中分子结构的 有序化,均可促进煤中芳核的生长。     

湖南新化地区煤变形变质与构造环境特征

采用煤质化验、XRD、SEM等测试手段,分析煤的化学组分、结构特征、显微构造等特征,结合古应力估算值、古温度和应变速率等结果,探讨了湖南新化地区煤变形变质特征与构造环境的关系。结果表明:煤样的d₀₀₂值为3.36~3.39 nm,受天龙山构造挤压的局部应力场及叠加岩浆构造热的作用,煤逐渐转变为隐晶质石墨,结晶颗粒是由细小的鳞片组成的集合体,粒径集中在50~250 nm;石墨3R型含量随着煤化程度升高,石墨晶体开始增加,Rh相的数量减少;构造变形环境属于低温低围压高应变速率的浅层脆性-韧脆性构造域;天龙山岩体提供了构造热源,侧向挤压应力使寒婆坳向斜煤大分子结构有序化,层面间距减小,形成隐晶质石墨。      

我国煤系石墨研究及资源开发利用前景

煤系石墨属于特殊的非典型晶质矿物,多为隐晶质石墨,既是石墨矿产的重要组成部分,也是煤系综合矿产的一种。煤系石墨与煤层为同层异矿,煤向石墨演化的实质在元素组成上表现为富碳、去氢和脱氧,在分子结构上表现为有序化增强和石墨晶体结构的逐渐形成。煤岩组分、岩浆热和地质构造等均对煤成石墨化作用具有重要的影响,在多因素综合作用下,煤系石墨成矿常表现出差异石墨化特征。从煤系石墨成矿机理入手,提出了以化学组成参数为基础指标,以结构参数为精确指标的煤系石墨鉴别指标体系;从资源评价需求出发,将不同演化程度的煤系石墨划分为Ⅰ级（石墨）、Ⅱ级（半石墨）和Ⅲ级（石墨化无烟煤）等3类。煤系石墨的形成与岩浆活动和挤压性构造环境密切相关,受区域性构造-岩浆带控制,煤系石墨分布具有方向性、递变性、集中成带的特点,成矿区带呈现出“一纵三横”的分布特点,划分为滨太平洋成矿域、南岭成矿域、秦岭-大别山成矿域和阴山-燕山成矿域和9个成矿带。分析了我国煤系石墨资源现状,指出由于我国煤炭资源丰富和赋煤区构造-热叠加作用显著,煤系石墨资源潜力巨大。煤系石墨开发利用对于增强石墨矿产的战略保障能力、促进煤系矿产资源合理开发利用和推动煤炭企业转型升级等均具有重要意义。分析了当前煤系石墨矿产资源开发利用方面存在的问题,提出了相应的政策建议。      

淮北宿临矿区构造煤中黄铁矿赋存特征及其地质控制

通过淮北宿临矿区不同类型构造煤中黄铁矿形态和分布的显微观测,结合常量及伴生元素分布特征分析,探讨了构造煤中黄铁矿的分布规律、形成机制及其地质控制作用。黄铁矿是典型的多期成因矿物,其分布受沉积环境和应力-应变环境共同作用,可划分为4 个形成阶段12 种类型;构造煤中的Co、Sb、Mn 等元素与黄铁矿关系密切,其分布反映应力-应变环境;进一步发现构造煤中的Hg 与硫化铁硫（Sp.d）呈良好相关性,随构造煤变形程度的增加呈“高-低-高”的演变趋势,受构造煤形成的动力学机制影响;构造煤中的黄铁矿可分为同生和后生两种模式,前者受控于沉积环境和古构造条件,而后者与构造改造和构造煤变形相关。分析认为,脆性变形阶段煤体结构的物理变化及过程为黄铁矿发育提供了赋存空间和条件,而韧性变形阶段中的动力变质和力化学作用为元素的迁移、散失及富集提供了动力,从而影响了黄铁矿的形成类型和分布。     

湘赣中南部地区煤的岩浆热变质作用

湘赣中南部地区的煤主要是高变质煤。虽然深成变质作用存在,但煤本身变化显著,煤与石墨、天然焦同层异矿,煤层围岩蚀变和煤变质带展布与侵入岩体及火山岩的分布密切相关等,都证明岩浆热变质作用是湘赣中南部地区煤变质作用的主要类型。印支—燕山期的岩浆活动形成广阔的高温区,从而形成这一地区大量的高变质烟煤和无烟煤。侵入岩体周围形成煤变质正向环带,岩体群之间则形成反向环带;接触带煤变质呈现向石墨或天然焦两个不同的演化方向;叠加在深成变质作用基础上的岩浆热变质作用控制了这一地区煤变质带展布的格局。     

贵州织纳煤田水公河向斜上二叠统8煤层三史模拟

埋藏史、受热史和有机质成熟史(简称"三史")模拟技术已广泛应用于油气地质研究,但其在煤和煤层气地质领域则应用较少。根据实测煤的镜质组最大反射率、古地温梯度和地层残余厚度等资料,运用Petromod 1D模拟软件对贵州织纳煤田水公河向斜上二叠统8煤层"三史"演化过程进行研究。结果显示,水公河向斜地质演化史可分为3个阶段:第1阶段从晚二叠世至侏罗纪末,煤层埋深增加,最大至5 925~5 959 m,地温梯度为2.91/hm℃,受深成变质作用影响,煤级从褐煤演化至焦煤阶段;第2阶段从侏罗纪末至白垩纪末,受燕山运动影响,煤层埋深降低,地温梯度为3.29~3.46/hm℃,区域岩浆热变质作用使煤级从焦煤演化至无烟煤阶段;第3阶段从白垩纪末至今,地层少量沉积后发生抬升作用,地温梯度为2.78℃/hm,煤化作用基本停止。总之,深成变质作用是向斜煤层气生成的主要影响原因,距今230~170 Ma是煤有机质生烃的关键时期。      

高温高压下煤超微构造的变形特征

本文通过不同温、压实验条件下,不同煤级煤的应力-应变曲线及超微变形构造特征分析,深入探讨了不同煤化程度煤的变形行为及其影响因素。阐明了高温高压和差异应力作用是促使煤结构由无序向有序方向转化,使大分子结构有序畴和定向性增大的重要因素。论述了温度和压力在不同的煤级和不同的实验条件下,具有不同的作用。在中煤级阶段,虽然围压的增大可在一定程度上提高煤的强度,但温度的影响更为重要。较高煤级在小应变阶段,温度起主导作用;而到了大变形阶段,围压的作用又逐渐上升到主导地位。在整个变形过程中,定向压力都是不容忽视的重要因素。     

实验变形煤结构演化的电子顺磁共振研究

通过１４件高温高压实验样品及其原样的电子顺磁共振研究,论述了温度、压力、应力、应变速率和应变强度等是影响变形煤化学结构演化的重要因素,但在不同的煤级中和不同的实验条件下,各因素所起的作用是不同的。变形煤ＥＰＲ参数的演化与镜质组反射率的变化密切相关,并且具有较好的规律性。说明镜质组反射率是煤化学结构演化的外在反映,是煤田构造研究中极为重要的标志物之一。     

山西省河东煤田北区煤变质特征及煤的荧光研究

为了探讨煤化作用的化学实质和改进荧光分析技术,对煤的可溶有机质进行了化学分析和荧光测定。通过采用镜质组反射率（R°max）及其它煤变质指标,得出了河东煤田北区煤级变化规律。研究发现本区煤的变质作用与鄂尔多斯盆地的地质发展过程密切相关。     

Rank of coal beds of the Narragansett basin,Massachusetts and Rhode Island

Coal of the Narragansett basin generally has been considered to be anthracite and/or meta-anthracite. However, no single reliable method has been used to distinguish these two ranks in this basin. Three methods — chemical, X-ray, and petrographic — have been used with some degree of success on coal of the Narragansett basin, but too often the results are in conflict. Chemical methods have been limited by inadequate sampling on a coal-bed-by-coal-bed basis and by a lack of analyses made according to (American Society for Testing and Materials, 1974) standard specifications.In addition, when corrections are made by using the Parr formulas, as required by the ASTM (1974) procedures, the generally high to very high ash content of coal from the Narragansett basin causes the fixed-carbon content to appear higher than it actually is. X-ray methods using the degree of graphitization as a measure of rank are not reliable because some of the graphite is related to shearing and brecciation associated with folding and faulting. Petrographic methods using reflectance on vitrinite give results that are generally consistent with results from chemical determinations. However, it is not clear whether the mean maximum reflectance or mean bireflectance is a better indicator of similar rank of such high-rank coals that have been structurally deformed.Coal from the Cranston Mine, RI, is probably meta-anthracite and coal from the Portsmouth Mine is probably anthracite. These ranks are based on chemical,X-ray, and petrographic data and are supported by associated metamorphic mineral assemblages that indicate that the Cranston Mine is in a higher metamorphic zone than the zone containing the Porthmouth Mine. Interpretation of the rank of Mansfield, MA, coal on the basis of extant chemical data is difficult because it is an impure coal with an ash content of 33 to 50%. Reflectance data indicate that the Mansfield, Foxborough, and Plainville coals in the northern part of the Narragansett basin are meta-anthracite but this is in disagreement with the rank suggested by the low degree of metamorphism of the associated rocks.