煤镜质组反射率的定向特征及其应力指示意义+——以淮北矿区为例

为便于最终确立椭球体地理空间方位， 将煤光 片切成以北方向作为空间坐标系 Ｘ轴负方向、 水平 切面作为上面的立方体形状。镜质组油浸反射率测 试采 用 由 德 国 Ｚ Ｅ Ｉ Ｓ Ｓ公 司 生 产 的 型 号 为 Ａ Ｘ Ｉ Ｏ Ｉ ｍ ａ ｇ ｅ ｒ Ｍ ｌ ｍ显微光度计， 光度计线性度良好， 拟合度 Ｒ＝ ０ ９ ９ ９ ９ ８ １ 。偏振初始方位在平面坐标系 Ｘ轴方 向， 顺时针旋转载物台， 每隔 １ ０ ° 测定一个数据， 旋 转一周共测 ３ ６个数据为一组。每个截面随机选取 ５个点进行测量， 每个煤样共测 ３个相互垂直的截 面（ 姜波等， １ ９ ９ ７ ） ， 测量按照“ 上面—煤样逆时针旋 转至右面—煤样向后翻转至前面” 的顺序进行测量 （ 图２ ） 。 理想情况下， 每个截面中的每个点所测定的镜 质组反射率均可组成一个平面椭圆， 三个垂直截面 中的平面椭圆均出自同一个空间椭球， 且过球心。 本文利用 Ｍ ａ ｔ Ｌ ａ ｂ软件并采用最小二乘法进行平面 椭圆拟合， 并将每个截面上所得到的 ５组主轴最大、 最小值分别求平均值。椭球拟合采用 Ｒ ａ ｍ ｓ ａ ｙ 提出 Ｒ ａ ｍ ｓ ａ ｙ ， １ ９ ６ ７ ） ， 应用加权最小二 的椭球拟合方法（ 乘法进行相容性调整（ Ｏ ｅ ｒ ｔ ｅ ｌ ， １ ９ ７ ８ ） 。然后， 通过空 间直角坐标系向地理坐标系转换， 获得镜质组最大 反射率（ Ｒ ） 、 中间反射率（ Ｒ ） 、 最小反射率（ Ｒ ） 及 ａ ｂ ｃ
裹， 全部进行 “ 煮胶” 固化。最 后 依 次 完 成 定 向 切 割、 剖光等工序， 使正北方向垂直前面指向后面（ 图 ２ ） 。
图 ２坐标系及煤砖正交截面内椭圆示意图 Ｆ ｉ ｇ ． ２Ｃ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｅｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｄｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ ｓ ｅｉ ｎｃ ｏ ａ ｌ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
１ ） 中国矿业大学资源与地球科学学院， 江苏徐州， ２ ２ １ １ １ ６ ； ２ ） 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室， 江苏徐州， ２ ２ １ ０ ０ ８ ； ３ ） 中国石油大学（ 北京） 地球科学学院， 北京， １ ０ ２ ２ ４ ９ ； ４ ） 西南石油大学资源与环境学院， 成都， ６ １ ０ ５ ０ ０
大了煤级范围的条件下开展高温高压实验， 发现镜 质组反射率的偏转与煤级有关； 姜波等（ １ ９ ９ ７ ） 在进 一步完善实验条件的基础上验证了上述结论的可靠 性， 同时提出煤镜质组反射率偏转与煤应变强度有 关。目前， 对煤镜质组反射率定向性地质指示意义 的认识仅限于以上所述 ２ ０世纪 ８ ０年代末至 ９ ０年 代末取得的研究成果， ２ １世纪以来的相关研究主要 是对 已 有 认 识 的 应 用 （ 姜 波 等， ２ ０ ０ ２ ； 蒋 建 平 等， ２ ０ ０ ７ ； 胡宝林等， ２ ０ ０ ４ ） 。然而， 煤镜质组反射率定向 性是否有深层次的指示意义？其定向偏转的影响因 素是否只与煤级和应变强度有关？由岩石有限应变 分析引入的弗林参数是否可以很好的指示煤储层的 应力—应变环境？这些问题尚待深入研究。本文拟 在前人研究的基础上， 以淮北矿区为研究区域， 选择 位于徐 宿（ 徐州—宿州） 弧形逆冲推覆构造带不同
自 ２ ０世纪 ８ ０年代末， 通过借鉴岩石有限应变 的分析方法和手段， 煤镜质组反射率光性组构被引 入煤 田 构 造 的 应 力 应 变 环 境 的 研 究。 Ｈ ｏ ｗ ｅ ｒ等 （ １ ９ ８ １ ） 首次提出煤镜质组反射率可作为应力—应 变标志物， 最大—中间反射组成的平面与褶皱轴面 平行； Ｌ ｅ ｖ ｉ ｎ ｅ 等（ １ ９ ８ ４ ） 论证了煤镜质组反射率各向 异 性 揭 示 岩 层 形 变 的 可 能 性 和 有 效 性； 王文侠 （ １ ９ ８ ７ ， １ ９ ８ ８ ） 首次应用煤镜质组最小反射率主轴方 向指示区域构造最大主应力方位， 同时引入弗林参 １ ９ ９ ０ ） 、 数指示煤储层的应力—应变环境； 曹代勇 （ 曹代勇等（ １ ９ ９ ０ ） 、 姜波等（ ２ ０ ０ ２ ） 则在上述结论的基 础上做了深入而广泛的野外验证， 均取得了良好的 指示效果。Ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｎ等（ １ ９ ８ ６ ） 的研究结果表明， 无烟 煤镜质组反射率在高温高压实验条件下可发生重新 定向， 且各向异性增强； 周建勋等（ １ ９ ９ ３ ， １ ９ ９ ４ ） 在扩
第 ６０卷 第 ５期 ２０１４ 年 ９ 月
地 质 论 评 Ｇ Ｅ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｉ Ｃ Ａ ＬＲ Ｅ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ
Ｖ ｏ ｌ ６ ０ Ｎ ｏ ５ Ｓ ｅ ｐ ｔ ． ２ ０ １ ４
煤镜质组反射率的定向特征及其应力指示意义
— — —以淮北矿区为例
， ２ ） ， ２ ） ） ） ） ， ２ ） 师庆民１ ， 屈争辉１ ， 冯乐１ ， 窦鲁星３ ， 江煜波４ ， 赵迪斐１
１ 地质概况
淮北矿区为我国重要的煤炭工业基地， 石炭系 和二叠系为主要的含煤岩系： 本溪组和太原组含薄 煤层， 均不可采； 山西组和下石盒子组为主要含煤层 １ １和 ４ ～ ８煤层； 上石盒子组煤 位， 分别发育 ９ ～ 层仅局部可采， 发育 １ ～ ３煤层（ 屈争辉， ２ ０ １ ０ ） 。 研究区位于华北板块东南缘郯庐断裂西侧， 夹
内容提要：基于淮北矿区 ４个矿井共 １ ５块煤定向样品的镜质组反射率测试数据， 在相容性调整的基础上， 开展 煤样镜质组反射率三维椭球体进行拟合。结合区域及采样地成煤后构造演化分析及煤样变形类型特征， 深入研究 煤镜质组反射率三维椭球体的方位和形状对应力、 温度和变形结构的响应， 并探讨其内在机理。结果显示： 煤镜质 组反射率三维椭球体最大—中间反射率所在平面的倾向多与区域应力来源方向相近， 其原因可能归结于煤中芳香 片层向垂直于岩石圈当中近水平构造应力和上覆地层压力的合力方向优势发育。垂直于挤压应力方向延伸的断层 的干扰、 煤变形程度和多期应力场的叠加效应是导致少数样品指示异常的主因。在多期应力场叠加影响区域， 镜质 组反射率定向会向后期应力方向发生不同程度偏转。但对于强变形构造煤， 煤体颗粒间的移位旋转会削弱镜质组 反射率重新定向偏转的程度， 使其镜质组最大—中间反射率平面倾向主要指示前期应力来源方向。岩浆热异常是 导致最大—中间反射率所在平面陡倾的主要因素之一。根据弗林参数， 多数样品表现为扁椭球型， 仅是煤正常演化 的反映， 而长椭球型则主要反映了岩浆热异常的的影响。 关键词： 镜质组； 反射率； 定向； 应力； 椭球； 淮北
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图 １淮北矿区构造纲要图及采样矿井分布图（ 据屈争辉， ２ ０ １ ０ ， 修改） Ｆ ｉ ｇ ． １Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｏ ｕ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ Ｈ ｕ ａ ｉ ｂ ｅ ｉ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇａ ｒ ｅ ａａ ｎ ｄｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ （ ｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎＱ ｕＺ ｈ ｅ ｎ ｇ ｈ ｕ ｉ ， ２ ０ １ ０ ）
２ 取样与测试计算
淮北矿区区域构造位置特殊， 不同矿井构造位 置差异性较大。本次共采集 １ ５块煤定向样品， 样品 采自山西组、 下石盒子组和上石盒子组 ３个层位， 构 造位置分布宿北断裂北部和南部以及徐 宿弧形逆 冲推覆构造上覆系统和下伏系统， 采样位置尽量控 制大小不同构造类型。由于构造煤更能反映构造应 力的作用情况， 因此所采煤样均为构造煤样， 煤岩变 Ｒ ８ ５ ％ 形类型包括脆性变形—韧性变形系列， ｏ ， ｍ ａ ｘ０ ～ ２ ８ ％， 涉及气煤—无烟煤（ 表１ ） 。本次采样尽量 采取大块煤样以保障采样过程中除边界外区域不变 形。采样过程中首先选取任意相对平整面样， 样品用泡沫塑料（ 或卫生纸） 和胶带分别内外包裹 以减震定型， 样品为各自分装， 人工运到地面。制样 时， 首先根据产状标记面刻画水平面和正北方向， 在 保证不碎的前提下切取其中一大块煤样用纱布包
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地 质 论 评
２ ０ １ ４年
构造部位的典型矿井， 采集煤定向样品， 重点研究其 镜质组反射率定向的地质响应。
于丰沛隆起与蚌埠隆起之间， 整体被宿北断裂分为 北、 南两段（ 图１ ） ， 具有南北分段、 东西分带的构造 格局（ 王桂梁等， １ ９ ９ ８ ） 。在徐 宿弧形推覆构造上覆 系 统 的 宿 北 断 裂 以 北， 主要构造线方位东侧为 Ｎ Ｅ Ｅ ， 西侧为 Ｎ Ｅ ， 为一系列倾向 Ｓ Ｅ ， 向Ｎ Ｗ 推掩的 逆冲断层及与之伴生的线性褶皱， 而西侧前缘发育 张集反向逆冲断裂。向南构造线主体方位逐渐过渡 为Ｎ Ｎ Ｅ向， 但由于南端边界断裂左行走滑性质， 导 致宿北断裂附近转为近 Ｓ Ｎ向。宿北断裂以南称之 为南段， 主要发育弧形构造的前锋带， 所受构造应力
注：本文为国家科技重大专项（ 编号 ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ３ ４ ） 、 国家青年科学基金项目（ 编号 ４ １ ３ ０ ２ １ ３ ０ ） 、 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目（ 编号 ２ ０ １ ０ Ｌ Ｋ Ｄ Ｚ ０ ４ 、 ２ ０ １ ３ ０ ０ ７ ） 的成果。 收稿日期： ２ ０ １ ４ ０ ２ １ ８ ； 改回日期： ２ ０ １ ４ ０ ７ ２ ４ 。责任编辑： 黄敏。 ９ ９ ０年 生。 在 读 研 究 生。 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｓ ｈ ｉ ｑ ｉ ｎ ｇ ｍ ｉ ｎ ＿ ｃ ｕ ｍ ｔ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 。 通 讯 作 者： 屈 争 辉，１ ９ ８ １年 生。 讲 师。 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： 作者 简 介： 师 庆 民，１ ｑ ｕ ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｈ ｕ ｉ ｙ ｙ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 。
第 ５期
师庆民等： 煤镜质组反射率的定向特征及其应力指示意义— — —以淮北矿区为例
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较小， 不具有反向逆冲断层 （ 屈争辉， ２ ０ １ ０ ； 王桂梁 等， １ ９ ９ ８ ） 。 从冲断的逆掩、 褶皱的倒伏、 擦痕和微观组构等 证据分析： 徐 宿弧形推覆体早期 （ Ｊ ） 运动方向以 １ Ｎ Ｎ Ｗ 为主； 后期（ Ｊ ） 逐渐转为 Ｎ ＷＷ 和 Ｅ Ｗ， 从倾 ２ － ３ 向上 后 缘 多 向 Ｎ Ｎ Ｗ 运 动， 前缘则转为 Ｎ Ｗ或 Ｎ ＷＷ， 同时叠加丰沛隆起由 Ｎ向 Ｓ的的挤压应力。 从而形成一套由 Ｎ Ｗ、 近Ｅ Ｗ到 Ｓ ＷＷ 呈扇状的挤压 构造应力轨迹（ 王桂梁等， １ ９ ９ ８ ） 。根据徐 宿弧形构 造上覆系统构造线， 其主要构造受燕山期作用影响， 而对喜马拉雅期构造作用响应相对较小。下伏系统 发育规模不等的 Ｎ Ｅ 、 Ｎ Ｎ Ｅ向正断层， 则反映了喜马 拉雅期 Ｎ Ｎ Ｅ向挤压构造作用（ 琚宜文等， ２ ０ １ １ ） 。 研究区岩浆活动以燕山期最为活跃， 尤以中性 和酸性岩浆岩分布较广， 多以岩墙、 岩床和岩脉等直 接侵入煤层中， 造成淮北地区煤级由深成作用下的 长焰煤—气煤阶段扩展到气煤—无烟煤甚至天然 焦， 表现出了深成变质作用基础上叠加了岩浆热力 变质 对 淮 北 煤 变 质 带 分 布 的 控 制 （ 琚 宜 文 等， ２ ０ ０ ５ ） 。 本文涉及的采样矿井中， 石台矿和朱仙庄矿分 别位于徐 宿弧形推覆体主体构造的北段中部和南 ） ， 所受燕山期构造应力明显小于上覆 段前缘（ 图１ 系统的构造区域， 主要发育 Ｎ Ｅ 、 Ｎ Ｎ Ｅ以及近 Ｅ Ｗ的 伸展构造样式， 反映了印支期、 燕山中晚期和喜马拉 雅期构造应力叠加作用（ 屈争辉， ２ ０ １ ０ ） 。