煤系石墨的构造-热成矿机制研究

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 1次 | 上传用户:xiaocai
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我国是世界上为数不多的既赋存有晶质石墨和隐晶质石墨的的国家,随着碳时代的到来,石墨资源的开发利用逐渐受到世界各国的重视。煤系石墨,属于隐晶质石墨,由煤的高变质作用阶段进入石墨化阶段的产物。然而,对煤的石墨化作用研究较少,在煤的石墨化特征、煤成石墨化的影响因素、煤系石墨的成矿机制等方面的研究尚不清楚。因此,加强对煤系石墨的特征和石墨化过程的演化特征以及成矿机制研究,对煤系石墨资源的合理开发和高效利用具有重要的经济使用价值。本文以我国华南地区的湖南鲁塘矿区、闽西南地区和江西崇义矿区为研究对象,运用了煤田地质学、矿物学、材料学、煤岩学和构造地质学等理论知识,采用了宏观标本描述、光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射、激光拉曼光谱、高分辨率透射电镜等测试分析方法,对不同演化程度的高变质无烟煤-煤系石墨特征进行研究,以煤的石墨化特征为切入点,揭示了煤系石墨的宏观-微观-超微结构特征,深入研究了煤向石墨演化的特征,剖析了煤系石墨化的成矿控制因素,分析了煤系石墨的差异石墨化特征。在对煤系石墨成矿的构造-热地质背景分析的基础上,以我国区域构造背景和赋煤区带特征为基础,划分了我国煤系石墨成矿区带。此外,探讨了煤系石墨与构造-热活动关系,提出了煤系石墨的成矿模式,并揭示了构造应力在煤系石墨化中的作用机制。(1)我国为由多个板块挤压的大地构造背景,具有多期次、高强度的构造-岩浆活动,以我国区域构造格局和赋煤构造带为基础,结合煤系石墨成矿的构造-岩浆热地质条件,划分了我国煤系石墨成矿区带,包括4个成矿域和9个成矿带,一级成矿域呈现出“一纵三横”的格局,“一纵”为大兴安岭–太行山–雪峰山以东NNE向展布的滨太平洋煤系石墨成矿域(I-1),“三横”为分别受控于3条EW向区域性构造–岩浆带的南岭煤系石墨成矿域(I-2)、秦岭–大别煤系石墨成矿域(I-3)和燕山–阴山煤系石墨成矿域(I-4)。(2)基于光学显微镜、X射线衍射、激光拉曼光谱和高分辨率透射电镜等测试分析方法,从不同尺度揭示了煤系石墨的特征。研究表明,煤系石墨中主要赋存三大类组分,分别为煤岩有机显微组分、热解碳和石墨化组分,石墨化组分呈颗粒状、丝状和鳞片状。随着石墨化程度的增高,芳香大分子结构的结晶程度逐渐增高,002衍射峰逐渐由波状峰过渡为不对称峰,最终为高而尖锐的峰形,拉曼光谱中,D1、D2、D3和D4缺陷峰逐渐减弱直至消失,G峰逐渐增强,二级拉曼中S1峰逐渐强度增强,并逐渐呈不对称形态,代表着三维有序结构的形成。纳米尺度中,弯曲、无序、不定向的碳层随着石墨化程度的增强而逐渐趋于一致取向,在局部率先形成局部分子定向域LMOs,随着碳层的弯曲度逐渐降低,相互连接,碳层近于平直化,形成长程有序的碳层,构成了平直有序的石墨碳层。(3)在煤系石墨演化特征的基础上,以化学组成(FC、Vdaf、H/C)为基础参数,以结构参数(碳层间距d002和拉曼参数R2)为精确指标,提出了煤系石墨鉴定指标,并划分了煤系石墨类型,包括III级石墨化无烟煤,II2级煤系半石墨、II1级煤系半石墨和I级煤系石墨。湖南鲁塘矿区内大部分样品大部分属于I级煤系石墨,闽西南地区以II级煤系半石墨为主,其次为I级煤系半石墨和III级石墨化无烟煤,而江西崇义矿区则主要为III级石墨化无烟煤。(4)明确了煤系石墨成矿的控制因素,可以分为内因和外因,内因主要为煤中不同有机显微组分和矿物,不同煤岩有机组分的化学组成和大分子结构特征各不相同,对温度和压力的响应也不同,其石墨化行为则不同,粘土矿物等矿物在石墨化中则具有“催化”作用。外因主要为温度和构造应力,温度为煤的石墨化提供所需的活化能,由于温度作用的局限性,构造应力则在石墨化中起到关键作用。(5)煤系石墨成矿中呈现出差异性石墨化特征,在显微尺度表现为不同显微组分的差异石墨化,其中壳质组的石墨化速率最快,其次为镜质组,惰质组的石墨化速率最慢,在裂隙或孔隙边缘最先石墨化。不同构造变形造成的差异石墨化,即韧性变形样品相比脆性变形样品具有更高的石墨化程度。在空间尺度,由于构造-岩浆热多因素的影响,煤系石墨在空间分布呈不连续性特征,即与岩体相同距离条件下,样品的石墨化程度不同,与岩体不同距离条件下,可以发育相近石墨化程度的煤系石墨。(6)煤系石墨的成矿、石墨化程度和分布与构造-热地质背景密切相关。湖南鲁塘矿区内,煤的石墨化程度随着构造变形强度和岩浆热变质程度,自西向东,由南向北,逐渐增强;闽西南地区,中部含煤带内强烈复杂的构造-热地质条件,发育III级石墨化无烟煤-I级煤系石墨,西部含煤带构造-岩浆活动较弱,主要赋存高变质无烟煤-III级石墨化无烟煤,东部含煤带则主要赋存II级煤系半石墨-I级煤系石墨。(7)基于煤系石墨成矿的构造-热地质条件,提出了煤系石墨的成矿模式,即封闭式成矿模式,主要形成了高温-高压环境,赋存以I级煤系石墨为主,如湖南鲁塘矿区东部分区和闽西南中部含煤带;半封闭式成矿模式,形成以次高温-高压环境,赋存以II级煤系半石墨为主,如闽西南地区东部含煤带和湖南鲁塘矿区中部分区-中带;开放式成矿模式,形成低温低压环境,赋存以高变质无烟煤和III级石墨化无烟煤为主,如闽西南西部含煤带。(8)构造变形不仅可以造成煤的宏观和微观变形,同时可以导致无序结构的逐渐有序化。借鉴于矿物的动态重结晶作用机制,提出了构造应力作用在煤系石墨化中作用机制,即构造应变诱导石墨化。在韧性变形环境下,由于应力不均匀分布导致应力集中,促使局部BSUs定向排列,形成局部定向域LMOs,随着碳层中位错等结构缺陷的调整、迁移,局部有序结构逐步扩展,样品的石墨化程度逐渐提高。
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