镜质组反射率测试及其所反映的构造应力场

蒋建平,高广运,康继武.镜质组反射率测试及其所反映的构造应力场.地球物理学报,2007,50(1):138～145Jiang J P ,G ao G Y,K ang J W.T ests on vitrinite reflectance of coal and analysis of tectonic stress field.Chinese J .G eophys .(in Chinese ),2007,50(1):138～145镜质组反射率测试及其所反映的构造应力场蒋建平1,高广运2,康继武31上海海事大学交通运输学院,上海　2001352同济大学地下建筑与工程系,上海　2000923河南理工大学资源与环境工程系,焦作　454000摘　要　为了利用煤镜质组反射率推断豫北构造应力场,基于构造应力是造成镜质组反射率各向异性(VRA )的主要控制因素,对在豫北焦作、安阳、鹤壁三个矿区井下取的定向煤样品进行了室内显微镜下反射率测试,对测试数据按有关公式进行计算后就得出了由最大反射率值、中间反射率值、最小反射率值为轴组成的镜质组反射率椭球体(VRI ).结果表明,研究区煤样显示二轴晶正光性,它们经过了强烈的构造变形,研究区煤样镜质组反射率各向异;由镜质组反射率椭球体(VRI )得出的豫北构造应力场与钻探、节理统计、河南省区域构造应力场分析等方法得出的应力场基本上是吻合的,但也有一定的区别,主要体现在应力场到安阳、鹤壁矿区后发生了向左的偏转.总之,利用煤镜质组反射率各向异性推断构造应力场的方法是可行的、是有效的.关键词　镜质组反射率,构造应力场,煤,豫北文章编号　0001-5733(2007)01-0138-08中图分类号　P313收稿日期　2005-11-01,2006-10-29收修定稿基金项目　上海市交通运输规划与管理重点学科建设项目和上海市教委科研项目(05FZ 03)资助.作者简介　蒋建平,男,1966年生,2002年6月于南京大学获博士学位,2004年5月于同济大学博士后出站.现在上海海事大学任教,主要从事岩土工程、港航工程和工程地质方面的教学和研究工作.E 2mail :jjpwx @1631comT ests on vitrinite reflectance of coal and analysis of tectonic stress fieldJ IANGJian 2Ping 1,G AO G uang 2Y un 2,K ANGJi 2Wu 31College o f Tra ffic Transportation ,Shanghai Maritime Univer sity ,Shanghai 200135,China 2Department o f G eotechnical Engineering ,Tongji Univer sity ,Shanghai 200092,China3College o f Resource and Environment Engineering ,H enan Univer sity o f Science and Technology ,Jiao zuo 454000,ChinaAbstract In order to deduce the tectonic stress field in North Henan by coal vitrinite reflectance ,based on the principle that the tectonic stress is the main controlling factor of the vitrinite reflectance anis otropy (VRA ),we have performed tests of coal vitrinite reflectance under microscope for directional coal specimen collected from Jiaozuo ,Anyang ,Hebi mining field in Henan province ,and gained vitrinite reflectance ellips oids (VRI )made up of reflectance maximum ,reflectance middle value and reflectance minimum through s ome calculation to testing data.The results show that coal specimen in studied area indicate indicatrix of optical biaxial crystal ,which su ffered from intense tectonic deformation and the vitrinite reflectance anis otropy (VRA )is induced by tectonic stress.The tectonic stress field of North Henan obtained from vitrinite reflectance ellips oids (VRI )is accordant basically with the tectonic stress field acquired from other methods ,such as drilling ,joint statistics and Henan province territorial tectonic stress field analysis ,but there is small difference that the tectonic stress field has left deflexion in Anyang and Hebi.In short ,the method deducing tectonic stress field by vitrinite reflectance anis otropy (VRA )is feasible and effective.K eyw ords Vitrinite reflectance ,T ectonic stress field ,C oal ,North Henan第50卷第1期2007年1月地　球　物　理　学　报CHI NESE JOURNA L OF GE OPHY SICSV ol.50,N o.1Jan.,20071　引　言 光、波等在遇到界面时一般会产生反射或折射[1,2].自然界中有些物质的反射率可作为标志性指标来研究该物质的一些重要性能.如烧结矿中铁酸钙的反射率与其组成结构、冶金性能有相关关系[3];动物有机碎屑(如笔石、胞石)、沥青等的反射率可作为烃源岩成熟度的指标[4～7];镜质体反射率记录了地层经历的温度历史,已成为研究盆地热史的主要手段之一[8];有机物镜质体反射率是目前国际上公认的有机质成熟度指标[9].煤层中的镜质组反射率是研究煤层变质程度的有效指标[10],它架起了研究煤变形与变质关系的桥梁[11,12].由于煤层相对围岩的软弱性,构造煤镜质组反射率的演化又受到构造应力环境的影响,它最完整地记录了构造变形历史中应力作用和应变环境,是进行构造煤所处构造环境研究的重要标志物.20世纪70年代末期以来,煤镜质组反射率各向异性分析方法作为一种新手段,逐步应用于煤田构造研究,在研究推覆构造特征、煤反射率异常与基底断裂的关系、有限应变等方面[13～16],已取得一定成果.本文就是基于煤镜质组反射率对豫北地区的构造应力场进行分析.构造应力及其应力场[1～8,17～24]不仅是基础地质研究的需要,也是力学中的重要研究内容之一,特别是构造应力场是岩土力学或岩土工程中的一个重要问题,它关系到各类工程的稳定性和安全性,如在地下采矿工程、隧道工程、各类建(构)筑物的地基基础工程中.所以本文的研究具有重要的理论和实际意义.2　取样与测试211　取　样研究区为河南省境内黄河以北、京广线以西的地区,包括焦作、鹤壁、安阳3个矿区.大地构造位置处于华北古板块南缘带,是华北晚古生代聚煤盆地的一部分.该地区地层发育比较齐全,二l煤所在的煤系软岩位于二叠系下统山西组底部,二l煤平均厚5m,属稳定煤层,煤种为瘦煤～无烟煤.取样主要在上述的3个矿区二l煤中进行,取样点分布如图1所示.取样时先用地质罗盘定向,取好后将医用白胶布条贴于样品上,再在胶布上用箭头标明方向及度数,同时在胶布上写明样品号及取样地点,样品的详细情况还应在记录本上写清.煤样全部采于井下巷道及工作面.采样点选择在无明显断层和褶曲的区段,并要选在煤体破坏最严重的部位,以反映取样点煤体镜质组最大反射率.图1　研究区取样点分布Fig.1　Locations of sampling sites in the studied area212　测　试(1)制煤砖方法先将煤标本煮胶后切制成3～4cm的立方体(煤砖),共做了18块煤砖.选择一个面平行于取样时已定的方向,另两个面与之垂直,将3个面抛光(这样就得到测试光片54块,浸油后可放到显微镜下测试),建立独立直角坐标系,以3个互相垂直截面的3条交线代表3个坐标轴(X,Y,Z)(图2a).(2)测量方法用显微光度计分别顺制好的3个光面(截面)上测量镜质组的油浸视最大反射率(R0max)、视最小反射率(R0min)及视最小反射率与坐标轴的夹角(θ),一般每个光面上应测大于30个有效测点,然后分别计算出各自的平均值( R0max, R0min, θ),这样3个光面可得9个参数参加下面的计算.(3)计算方法用前面测得的数据( R0max, R0min, θ)计算下列参数(图2b).YOZ面、ZOX面与XOY面类似:令λ′x=1λx,　λ′y=1λy,　λ′z=1λz,γ′=γλ=γλ′;λ′x=cos2 θx( R0max)2xy+sin2 θx( R0min)2xy,λ′y=cos2 θy( R0max)2yz+sin2 θy( R0min)2yz,931　1期蒋建平等:镜质组反射率测试及其所反映的构造应力场图2　坐标系及煤砖正交截面内VR椭圆示意图(a)坐标系及煤砖截面椭圆;(b)XOY反射率椭圆.Fig.2　C oordinates and coal brick VR ellipses(a)C oordinates and coal brick section ellipse;(b)XOY reflectance ellipse.λ′z =cos2 θz( R0max)2zx+sin2 θz( R0min)2zx;γ′xy =1( R0max)2xy-1( R0min)2xy・sin θx・cos θx,γ′yz =1( R0max)2yz-1( R0min)2yz・sin θy・cosθy,γ′z x =1( R0max)2zx-1( R0min)2zx・sin θz・cosθz.式中:λ代表平方长度比,γ代表二维应变椭圆的剪应变.由这些参数得到一个椭球方程:λ′xx2+λ′y y2+λ′z z2-2γ′x y xy-2γ′y z yz-2γ′z x zx=1.解此方程可得到光率体椭球的主半轴长度:1+e i=λi=33w i,i=1,2,3(e为伸长度)其中:w1=2a・cosα,w2=2a・cosα+23π,w3=2a・cosα-23π;a=2K13,　K1=J213-J2,cos3α=2K2a3,　K2=J3-13J1・J2+2J133;J1=λ′x+λ′y+λ′z,J2=λ′xλ′y+λ′yλ′z+λ′zλ′x-γ′2xy-γ′2yz-γ′2zx, J3=λ′xλ′yλ′z-2γ′xyγ′yzγ′z x-λ′xγ′2yz-λ′yγ′2zx-λ′zγ′2xy. 这样,在3个光面椭圆相容的前提下,煤的反射率光率体椭球的3个主半轴长度(1+ei,即真反射率)就可求得,即椭球体形态已确定.213　镜质组反射率测试结果将测得的研究区各煤样的反射率光率体椭球的3个主半轴长度(表1)转换成有关参数K=ln1+e11+e2ln1+e21+e3,投于Ramsy[25]改进的弗林图解上(图3),可以看到,研究区的煤样点除一点外都落在K=1直线的上方,即K>1,亦即(1+e1)-(1+e2)>(1+e2)-(1+e3)或Ra-R b>R b-R c(Ra、Rb、R c分别为最大、中间、最小反射率(轴)),根据前面的分析及Chandra理论[26]知,研究区煤样显示二轴晶正光性,它们经过了强烈的构造变形.图3　研究区镜质组反射率椭球体弗林图解Fig.3　Fulin diagram of VRI in the studied areaK>1的点,即在K=1线上方,其反射率光率041地球物理学报(Chinese J.G eophys.)50卷　体为长球形椭球体;在K =1线下方的点属于扁球形椭球体.由表1中K 值大小和双反射率大小可知研究区煤样在构造应力作用下变形程度的相对大小.表1　研究区镜质组反射率光率体参数表T able 1　VRI p arameters in the studied area矿区矿点煤样类型最大反射率(R max )最小反射率(R min )双反射率(R max -R min )ln1+e 11+e 2ln1+e 21+e 3K1　冯营矿无烟煤316512131811333018840123331794焦作矿区2　冯营矿无烟煤3137521026113490195501301311733　九里山矿无烟煤4102321608114150199301284314964　韩王矿无烟煤316092131401755016270125421468安阳矿区5　大众矿贫煤217601165211108015380165901816鹤壁矿区6　六矿瘦煤2137811410019680161301339118083　用镜质组反射率判定构造应力场图4　镜质组反射率各向异性与应力应变的关系对应图解Fig.4　C orresponding connection between VRA and stress ,strain311　镜质组反射率与构造应力相关的原理煤镜质组反射率与煤的分子结构密切相关,反射率随着芳香稠环缩合程度的增加和稠环中碳原子数的增多而增大[10],即芳香核叠片的排列由无序向有序转变,镜质组反射率各向异性(VRA )明显地反映了这一转变.镜质组反射率各向异性(VRA )是指芳香环叠片逐渐采取定向排列,是多种因素(静压力、构造应力、温度、时间)综合作用的结果,但起主要作用的则是构造应力中的压力因素,构造应力的作用是控制反射率演化的主要因素[27].研究表明,剪切应力可以促使石墨晶格形成并加速石墨化,表现为VRA 增强;在足够强度的剪应力作用下,石墨结构甚至可形成于低煤级阶段;在同一煤层中,构造变形煤分层和非构造煤分层在镜煤反射率特征方面存在差异,反映了应力促使VRA 增强的基本规律.定向压力给芳香环叠片发育施加一个优势方位,而温度只能增加分子排列的随机性,因此,定向压力是VRA 定向性的根本原因.Levine et al.[28]指出,正如应力作用下晶体可以重新定向一样,定向压力促使芳香环叠片重新排列,新的芳环层平行于最小挤压应力方向发育,导致煤最大反射率R max 趋于最小挤压应力方向,煤最小反射率R min 趋于垂直最小挤压应力方向,最终形成的镜煤反射率椭球体(VRI )型式代表了煤化进程中增量应变的总和.根据VRA 成因的理论,可以建立应力、应变方位与主反射率的对应关系(图4).从而,不计煤化作用进程中镜质组反射率的绝对增长,仅考虑反射率相对各向异性(以VRI 三主轴的轴率表示),可以将VRI 近似比于有限应变椭球体,这就为利用VR A 开展有限应变分析提供了可能.在煤化作用过程中,地质应力包括静压力和构造应力,两者都可以造成煤光率体椭球形态的变化.Levine et al.[28]通过对美国加利福尼亚州Broad T op煤田的反射率研究认为,在构造变形很弱或不变形的地区以水平岩层的静压力作用为主,最大反射率(R a )在层面上,且各个方向近于相等,而最小反射率(R c )与层面垂直.镜质组的光性与矿物的一轴晶负光性相似(R a -R b <R b -R c ),煤光率体为扁椭球形(烙饼状),且最大扁平面平行于层面.强烈构造变形地区,如Broad T op 煤田西部地区,煤的光性显示141　1期蒋建平等:镜质组反射率测试及其所反映的构造应力场二轴晶正光性(R a -R b >R b -R c ),呈三轴不等的椭球体,并且最小光率轴(R c )与最大压应力方向平行.在构造变形较弱的地区,如Broad T op 煤田东部,煤的光性显示二轴负光性.由此可看出,煤的光性从一轴负光性、二轴负光性、二轴正光性依次反映煤的构造变形从很弱(或无)到逐渐增强的变化趋势.因此,地质应力可以促使煤中的芳环叠片重新排列,以致光轴c 始终保持着与最大压应力方向一致的方位.镜质组反射率可以由各向同性向一轴负光性或二轴光率体变化,二轴光率体的镜质组反射率为一个三轴不等的椭球体.其轴率及主轴方位与构造作用密切相关,反映了构造应力的相对大小和受力的大致方位,表明煤的镜质组反射率椭球体也是一种可以用来进行有限应变分析的应变标志物.312　构造应力场的判定由前面分析知,研究区煤样的变形是由构造应力引起的.因此,由镜质组反射率各向异性(VRA )即镜质组反射率椭球体与应力应变的关系,推出了研究区的构造应力场(表2和图5).图5中的黑色椭圆为反射率椭球体按图4得出的水平投影.由图5可知,研究区煤受到了先期的挤压变形和后期的拉伸变形,其中焦作矿区和安阳、鹤壁矿区的有区别.表2　研究区反射率椭球体三轴的方位T able 2　Three 2axis directionsof VRI in the studied area矿区矿点R a 方位(即最大主应力σ1方位)R c 方位(即最小主应力σ3方位)R b 方位(即中间主应力σ2方位)冯营矿32°∠13°125°∠23°221°∠54°焦作矿区冯营矿38°∠11°134°∠15°230°∠45°韩王矿72°∠21°155°∠16°252°∠57°九里山矿58°∠17°165°∠8°211°∠59°安阳矿区大众矿328°∠12°234°∠22°140°∠48°鹤壁矿区六矿19°∠8°144°∠19°322°∠73°图5　镜质组反射率椭球体反映的构造应力场(a )焦作矿区;(b )安阳矿区、鹤壁矿区.Fig.5　T ectonic stress field derived from VRI of coal(a )Jiaozuo mines ;(b )Anyang ,Hebi mines. 图6为作者拍摄的煤砖显微照片[11],照片显示沿褶曲的轴部有一张性断层,表明该煤砖是先受到了挤压作用,然后又受到拉伸作用.河南煤田地质勘探公司[29]从节理统计、河南省区域构造应力场、钻探等方面的研究表明,豫北存在两期构造变形.先期存在向NW 逆冲的挤压变形;后期为伸展变形.(1)节理统计表明太行区存在两套共轭剪节理(图7).第1套共轭剪节理:一组NNW -NNE 向,左型剪切;一组NWW 向,右型剪切,最大主压应力指示NW 向,平均方位317°∠3°.第2套共轭剪节理:一组NNE 向,右型剪切;一组NEE -SEE 向,左型剪切,最大主压应力指示NE 向,平均方位52°∠5°.第1套共轭剪节理表明,太行区在燕山早期发育一期NW -SE 向的挤压构造变形.第2套共轭剪节理表明,太行区在燕山晚期受到一期NE 向的伸241地球物理学报(Chinese J.G eophys.)50卷　图6　煤样显微构造照片(放大250倍)Fig.6　Microscope photograph of coal sample (×250)图7　节理统计分析图Fig.7　Joint statistics chart展构造变形.(2)河南省区域构造应力场方面的研究表明,河南省大地构造演化经历了8个阶段.其中第5阶段和第6阶段为影响研究区煤层的两个重要阶段,第7阶段的影响已不明显.第5阶段即燕山构造运动早期.板块间左型走滑运动在板内形成NW 向具有走滑平移性质的断裂带,这是区域内NWW -SEE 挤压形成的构造形迹.豫北也受到NWW -SEE 向挤压,应力场测量结果为最大主压应力方向NW ,产状317°∠3°.此阶段为第1期二1煤层变形期(图8).第6阶段即燕山构造运动晚期.是陆壳强烈压缩期,表现为华北板块向南仰冲,华南板块向北俯冲,河南区域应力场是近S N 向挤压.但由于河南板内动力来源于南部边界,应力传递由南向北衰减,应力场测量结果为最大主压应力方向NE ,产状52°∠5°.此阶段为第2期二1煤层变形期(图9).(3)如图10所示,罗1井的钻探表明,中原油田在聊兰断裂(NNE 向)下存在一个逆冲断裂系,走向和聊兰断裂平行,倾向SE ,向NW 向逆冲,称作新罗逆断层.从断层交接关系看,聊兰断裂切割了新罗逆图8　河南省燕山早期构造应力场[29]Fig.8　T ectonic stress field of Henan provincein the early Y anshan time[29]图9　河南省燕山晚期构造应力场[29]Fig.9　T ectonic stress field of Henan provincein the late Y anshan time[29]断层,说明在NE 向拉伸断裂形成之前,存在一期向341　1期蒋建平等:镜质组反射率测试及其所反映的构造应力场图10　罗1井钻探剖面图[29]N-上第三系T ertiary;K-白垩系Cretaceous;O-奥陶系Ordovician; P-二叠系Permian;Q-第四系Quaternary;C-石炭系Carboniferous Fig.10　Cutaway view of Luo1drilling well[29]NW向逆冲的挤压变形.综上所述,本文的研究结果和其他方法得到的应力场基本上是吻合的,但也有一定的区别.区别主要体现在安阳、鹤壁矿区,说明构造应力场在豫北的安阳、鹤壁矿区发生了变化,即,在燕山早期,豫北的焦作矿区受到的NWW-SEE向挤压,到豫北的安阳、鹤壁矿区已转化为NEE-SWW向挤压;在燕山晚期,焦作矿区的NNE-SSW向拉伸,到安阳、鹤壁矿区已转化为NNW-SSE向拉伸.4　结　论(1)构造应力是造成镜质组反射率各向异性(VRA)的主要控制因素.(2)研究区煤样显示二轴晶正光性,它们经过了强烈的构造变形,研究区煤样镜质组反射率各向异性是由构造应力所引起.(3)由镜质组反射率椭球体(VRI)得出的豫北构造应力场与钻探、节理统计、河南省区域构造应力场分析等方法得出的应力场基本上是吻合的,但也有一定的区别,主要体现在应力场到安阳、鹤壁矿区后发生了向左的偏转,即,在燕山早期,豫北的焦作矿区受到的NWW-SEE向挤压,到豫北的安阳、鹤壁矿区已转化为NEE-SWW向挤压;在燕山晚期,焦作矿区的NNE-SSW向拉伸,到安阳、鹤壁矿区已转化为NNW-SSE向拉伸.(4)煤镜质组反射率各向异性分析法推断构造应力场是可行的、有效的.参考文献(References)[1]　孙成禹,杜世通.平面波在粗糙界面上的反射特征研究.地球物理学报,2006,49(3):903～907　Sun C Y,Du S T.Reflection features of planar acoustic waves fromrough interfaces.Chinese J.G eophys.(in Chinese),2006,49(3):903～907[2]　刘福平,李瑞忠,杨长春等.非均匀电磁波在导电媒质界面反射的横向偏移.地球物理学报,2006,49(2):533～539　Liu F P,Li R Z,Y ang C C,et al.The lateral shift of inhom ogeneousreflected electromagnetic wave on the interface of conductive media.Chinese J.G eophys.(in 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