地球科学进展

地球科学进展 ›› 2021, Vol. 36 ›› Issue (10): 1015 -1025. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.091

沉积改造进展 上一篇    下一篇

湘中寒婆坳矿区测水组无烟煤—煤系石墨变质温度研究
胡棉舒( ), 李阔( ), 曹海月, 王兆国, 刘钦甫   
  1. 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083
  • 收稿日期:2021-05-06 修回日期:2021-08-02 出版日期:2021-10-10
  • 通讯作者: 李阔 E-mail:hmszlhy@163.com;cumtblk@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目“煤中矿物组分对煤石墨化的影响机理研究”(42002187);“煤系隐晶质石墨成矿过程中结构和性能变化研究”(41672150)

Investigation on the Metamorphic Temperature of the Series Naturally Graphitized Coals from Anthracite to Coaly Graphite from Ceshui Formation of Hanpo'ao Mining Area， Central Hunan

Mianshu HU( ), Kuo LI( ), Haiyue CAO, Zhaoguo WANG, Qinfu LIU   

  1. College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology （Beijing），Beijing 100083，China
  • Received:2021-05-06 Revised:2021-08-02 Online:2021-10-10 Published:2021-11-19
  • Contact: Kuo LI E-mail:hmszlhy@163.com;cumtblk@163.com
  • About author:HU Mianshu (1997-), female, Xingyang City, Henan Province, Master student. Research areas include the minerogenetic condition of coaly graphite. E-mail: hmszlhy@163.com
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China "Investigation on the influence mechanism of mineral components in coal on the graphitization of coal"(42002187);"The structure and property changes of cryptocrystalline graphite in the coal-bearing strata during its formation"(41672150)
全文 ( 26 ) 下载PDF ( 411 )

煤系石墨是由煤经构造—岩浆事件改造而成的煤系共伴生矿产资源。为探究无烟煤—煤系石墨的变质温度，以湖南新化寒婆坳矿区无烟煤—煤系石墨及其顶底板岩石、夹矸为研究对象，采用变质矿物组合特征、镜质体反射率地质温度计和拉曼光谱地质温度计等手段进行研究。结果表明：大规模岩浆侵入初期，煤层及其顶底板受热温度较高，但持续时间短，而煤石墨化过程和围岩变质过程相对缓慢，最终，煤系石墨及其围岩与周围环境的热力学平衡温度相对较低。多手段综合确定寒婆坳矿区无烟煤的变质温度为220~250 ℃，变质无烟煤的变质温度为330~370 ℃，煤系半石墨的变质温度为390~450 ℃，石巷里矿煤系石墨变质温度为500~550 ℃。寒婆坳矿区无烟煤—煤系石墨变质系列整体上处于中低温变质作用阶段。研究结果可为煤系石墨勘探靶区圈定提供科学指导。

关键词: 煤系石墨, 变质温度, 矿物组合, 镜质体反射率, 拉曼光谱

Coaly graphite is an associated mineral resource occurrence at coal measure that transformed from coal during tectonic-magmatic events. The series naturally graphitized coals from anthracite to coaly graphite and their associated roof rocks， floor rocks， and partings of the Hanpo'ao mining area， central Hunan Province， were studied by using X-ray diffraction， clay mineralogy， combining with the metamorphic mineral assemblage characteristics， vitrinite reflectance geothermometer， and Raman spectroscopic geothermometer. The purpose was to study the minerogenetic temperature of these series naturally graphitized coals. The results show that in the early stage of large-scale magmatic intrusion， the heating temperature of coal and its country rocks is relatively high， but the duration is short， whereas the graphitization process of coal and the metamorphism process of country rocks are relatively slow， thus， the thermodynamic equilibrium temperature between coaly graphite and its country rocks is relatively low. The metamorphism conditions of the series naturally graphitized coals from anthracite to coaly graphite cannot be well constrained by a single approach， and the minerogenetic temperature of these series naturally graphitized coals should be calibrated by mineralogy， coal petrography and Raman spectroscopy. Metamorphic minerals such as andalusite and staurolite have been observed in the surrounding rocks of coaly graphite， indicating that coaly graphite is in the medium-grade metamorphism zone， but andalusite and staurolite have been changed into sericite by hydrothermal alteration in the later stage. The metamorphic temperature of anthracite is about 220~250 ℃， meta-anthracite is formed at 330~370 ℃， and the metamorphic temperature of semi-graphite and coaly graphite in the Shixiangli Mine are determined at 390~450 ℃ and 500~550 ℃， respectively. The metamorphism of the series naturally graphitized coals is at medium-to-low metamorphic stage. The results can provide scientific guidance for exploration and exploitation of the coaly graphite.

Key words: Coaly graphite, Metamorphic temperature, Mineral assemblage, Vitrinite reflectance, Raman spectroscopy

中图分类号: 

图1 湘中涟源凹陷地质简图（据参考文献［ 17 ， 18 ］修改）
Fig. 1 Geological map sketch of the Lianyuan sag of central Hunan Province （modified after references ［17，18］）
图2 湘中涟源凹陷钻孔柱状图（据参考文献［ 17 ］修改）
Fig. 2 Stratigraphic column of a drill hole from the Lianyuan sag of central Hunan Province （modified after reference ［ 17 ］）
表1 采自寒婆坳赋煤矿区的样品信息（部分数据源自参考文献［ 5 ］）
Table 1 General information of the collected samples from the Hanpo'ao mining area（ part of data from reference［ 5 ］）
样品信息

金竹

山矿

 联新矿 稠木矿 稠木矿 胜利矿 胜利矿 稗冲矿 稗冲矿 石巷里矿 石巷里矿
与岩体距离/km 21 6.5 2 2 1.1 1.1 0.6 0.6 0.3 0.3
煤样编号 JZS-3 LX-3 CM-3 CM-5 SL-5 SL-3 BC-3 BC-5 SXL-3 SXL-5
煤样变质程度 无烟煤 无烟煤 变质无烟煤 变质无烟煤 变质无烟煤 半石墨 半石墨 半石墨 石墨 石墨
围岩类别 夹矸 - - - 顶板 底板 夹矸 夹矸 顶板 顶板 底板
围岩样品编号 JZS-J - - - SL-5DING SL-3DI BC-3J BC-5J SXL-3DING SXL-5DING SXL-5DI
图3 围岩中矿物的微观特征
（a）单偏光，JZS-J；（b）正交光，SL-5DING；（c）正交光，SL-3DI；（d）和（e）单偏光，SXL-5DING；（f）反射光，SXL-5DI
Fig. 3 Microscopic characteristics of minerals in country rocks
（a） Polarized light， JZS-J； （b） Cross-polarized light， SL-5DING； （c） Cross-polarized light， SL-3DI； （d） and （e） Polarized light， SXL-5DING； （f） Reflect light， SXL-5DI
图4 围岩样品的XRD图谱
Fig. 4 XRD pattern of country rocks samples
图5 JZS-J样品中黏土矿物XRD图谱
Fig. 5 XRD pattern of clay minerals in the sample JZS-J
图6 无烟煤—煤系石墨反射光下显微煤岩学特征
（a）和（b）无烟煤，JZS-3；（c）变质无烟煤，SL-5；（d）半石墨，BC-5；（e）和（f）煤系石墨，SXL-3；V：镜质组；I：惰质组；Pf：火焚丝质体；NG：针状石墨；MG：石墨化颗粒；PC：热解碳；FG：鳞片石墨
Fig. 6 Petrographic features of the series samples from anthracite to coaly graphite under reflect light
（a） and （b） Anthracite， JZS-3； （c） Meta-anthracite， SL-5； （d） Semi-graphite， BC-5； （e） and （f） Coaly graphite， SXL-3；V： Vitrinite； I： Inertinite； Pf： Pyrofusinite； NG： Needle-like Graphite； MG： Microcrystalline Graphite； PC： Pyrolytic Carbon； FG： Flake Graphite
表2 无烟煤—煤系石墨的组分定量和平均随机反射率 ［ 18 ， 26 ］
Table 2 Microscopically identifiable components and mean random reflectance of the series samples from anthracite to coaly graphite ［ 18 ， 26 ］
煤样分析 JZS-3 LX-3 CM-3 CM-5 SL-5 SL-3 BC-3 BC-5 SXL-3 SXL-5
距离/km 21 6.5 2 2 1.1 1.1 0.6 0.6 0.3 0.3
样品类型 无烟煤 无烟煤 变质无烟煤 变质无烟煤 变质无烟煤 半石墨 半石墨 半石墨 石墨 石墨
镜质组/% 54.5 53.5 51.7 48.2 45.1 37.7 17.5 17.0 0 0.9
惰质组/% 45.2 46.2 48.2 51.1 50.4 39.6 27.3 30.8 0.4 4.3
微晶石墨/% 0 0 0 0 0.2 15.3 46.6 41.6 86.0 82.6
热解碳/% 0.3 0.3 0.1 0 1.1 1.3 3.8 6.4 9.6 4.8
针状石墨/% 0 0 0.2 0.7 2.8 6.0 4.4 3.9 3.7 6.8
鳞片石墨/% 0 0 0 0 0.4 0.1 0.4 0.3 0.3 0.6
Rr/% 4.36 4.70 5.91 7.67 8.23 6.09 6.62 7.48 4.58 5.01
表3 根据镜质体反射率地质温度计所得无烟煤—煤系石墨的变质温度
Table 3 Metamorphic temperature of the series samples from anthracite to coaly graphite calculated based on vitrinite reflectance geothermometer
变质温度 JZS-3 LX-3 CM-3 CM-5 SL-5 SL-3 BC-3 BC-5 SXL-3 SXL-5
T1/℃ 254 260 279 300 305 281 288 298 258 265
T2/℃ 340 350 379 413 422 383 394 409 347 358
图7 系列煤样中镜质组和隐晶质石墨的显微拉曼光谱
Fig. 7 Micro-Raman spectra of vitrinite and microcrystalline graphite in the series samples
表4 系列煤样中镜质组和隐晶质石墨的显微拉曼光谱参数
Table 4 Micro-Raman spectral parameters of vitrinite and microcrystalline graphite in the series samples
拉曼参数 JZS-3V LX-3V CM-3V CM-5V SL-5V SL-3V BC-3V BC-5V SL-5G SL-3G BC-3G BC-5G SXL-3G SXL-5G
D1峰/cm-1 1 331 1 334 1 347 1 347 1 348 1 348 1 348 1 348 1 347 1 348 1 349 1 347 1 348 1 349
D1峰半高宽/cm-1 113 104 58 62 50 51 44 50 48 41 37 49 45 37
G峰/cm-1 1 598 1 601 1 598 1 598 1 591 1 592 1 589 1 591 1 583 1 583 1 581 1 580 1 580 1 580
G峰半高宽/cm-1 39 36 52 52 47 48 46 46 30 31 24 23 23 21
R1 0.62 0.56 1.87 1.78 2.69 2.69 3.06 2.70 1.18 1.19 0.55 0.45 0.52 0.43
R2 0.64 0.62 0.68 0.68 0.71 0.70 0.71 0.71 0.60 0.57 0.42 0.45 0.46 0.42
表5 根据拉曼地质温度计所得无烟煤—煤系石墨的变质温度
Table 5 Metamorphic temperature of the series samples from anthracite to coaly graphite calculated based on Raman spectroscopic geothermometer
变质温度 JZS-3 LX-3 CM-3 CM-5 SL-5 SL-3 BC-3 BC-5 SXL-3 SXL-5
T3/℃ V 222 230 330 327 259 270 207 258 - -
G - - - - 363 397 441 385 392 412
T4/℃ V 355 362 341 341 331 335 331 331 - -
G - - - - 370 381 444 430 426 444
T5/℃ V 234 254 353 344 371 369 383 371 - -
G - - - - 374 389 399 374 380 398
1 CAO Daiyong， ZHANG He， DONG Yeji， et al. Research status and key orientation of coal-based graphite mineral geology ［J］. Earth Science Frontiers， 2017， 24（5）： 317-327.
曹代勇， 张鹤， 董业绩， 等. 煤系石墨矿产地质研究现状与重点方向［J］. 地学前缘， 2017， 24（5）： 317-327.
2 MO Rujue， LIU Shaobin， HUANG Cuirong， et al. Geologic study of Chinese graphite deposits ［M］. Beijing： China Architecture and Building Press， 1989.
莫如爵， 刘绍斌， 黄翠蓉， 等. 中国石墨矿床地质［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 1989.
3 LU Dadao. Geographical conditions and national strategies［J］. Advances in Earth Science， 2020， 35（3）： 221-230.
陆大道. 地理国情与国家战略［J］. 地球科学进展， 2020， 35（3）： 221-230.
4 PAN Wei'er， YANG Qi， PAN Zhigui. Magmatic thermametamorphism of coal in central-southern Hunan and Jiangxi Province ［J］. Geoscience， 1993， 7（3）： 326-336.
潘伟尔， 杨起， 潘治贵. 湘赣中南部地区煤的岩浆热变质作用［J］. 现代地质， 1993， 7（3）： 326-336.
5 LI Kuo， LIU Qinfu， SONG Botao， et al. Investigation on structural evolution and thermal reaction of coal-based graphite from Xinhua County， Hunan Province ［J］. Coal Geology and Exploration， 2020， 48（1）： 42-47.
李阔， 刘钦甫， 宋波涛， 等. 湖南新化煤系石墨结构演化及其热反应行为［J］. 煤田地质与勘探， 2020， 48（1）： 42-47.
6 WANG Lu， DONG Yeji， ZHANG He， et al. Factors affecting graphitization of coal and the experimental validation ［J］. Journal of Mining Science and Technology， 2018， 3（1）： 9-19.
王路， 董业绩， 张鹤， 等. 煤成石墨化作用的影响因素及其实验验证［J］. 矿业科学学报， 2018， 3（1）： 9-19.
7 CAO Daiyong， WANG Lu， LIU Zhifei， et al. The research status and prospect of coal-based graphite in China ［J］. Coal Geology and Exploration， 2020， 48（1）： 1-11.
曹代勇， 王路， 刘志飞， 等. 我国煤系石墨研究及资源开发利用前景［J］. 煤田地质与勘探， 2020， 48（1）： 1-11.
8 BEYSSAC O， GOFFÉ B， CHOPIN C， et al. Raman spectra of carbonaceous material in metasediments： a new geothermometer ［J］. Journal of Metamorphic Geology， 2002， 20（9）： 859-871.
9 RANTITSCH G， GROGGER W， TEICHERT C， et al. Conversion of carbonaceous material to graphite within the Greywacke Zone of the Eastern Alps ［J］. International Journal of Earth Sciences， 2004， 93（6）： 959-973.
10 RAHL J M， ANDERSON K M， BRANDON M T， et al. Raman spectroscopic carbonaceous material thermometry of low-grade metamorphic rocks： calibration and application to tectonic exhumation in Crete， Greece ［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2005， 240（2）： 339-354.
11 LAHFID A， BEYSSAC O， DEVILLE E， et al. Evolution of the Raman Spectrum of carbonaceous material in low-grade metasediments of the Glarus Alps （Switzerland） ［J］. Terra Nova， 2010， 22（5）： 354-360.
12 AOYA M， KOUKETSU Y， ENDO S， et al. Extending the applicability of the Raman carbonaceous‐material geothermometer using data from contact metamorphic rocks ［J］. Journal of Metamorphic Geology， 2010， 28（9）： 895-914.
13 KOUKETSU Y， MIZUKAMI T， MORI H， et al. A new approach to develop the raman carbonaceous material geothermometer for low-grade metamorphism using peak width ［J］. Island Arc， 2014， 23： 33-50.
14 TIAN Ye， TIAN Yuntao. Fundamentals and applications of Raman Spectroscopy of Carbonaceous Material （RSCM） thermometry ［J］. Advances in Earth Science， 2020， 35（3）： 259-274.
田野， 田云涛. 石墨化碳质物质拉曼光谱温度计原理与应用［J］. 地球科学进展， 2020， 35（3）： 259-274.
15 HUANG Baoyou， ZHANG Bo， ZHANG Jinjiang， et al. Carbon material Raman spectroscopy metamorphic thermometer and its application in reconstruction and evolution of orogenic belt thermal structure ［J］. Acta Petrologica Sinica， 2020， 36（2）： 526-540.
黄保有， 张波， 张进江， 等. 碳质物拉曼光谱变质温度计及其在造山带热结构重建与演化中的应用［J］. 岩石学报， 2020， 36（2）： 526-540.
16 PENG Yanyan， SONG Botao， LIU Lu， et al. Metamorphic mineral assemblage and metamorphic zones of Yangshigou area in western Beijing ［J］. Coal Geology and Exploration， 2017， 45（2）： 32-38.
彭燕燕， 宋波涛， 刘路， 等. 京西羊屎沟变质矿物组合及变质带［J］. 煤田地质与勘探， 2017， 45（2）： 32-38.
17 TIAN Wei， PENG Zhongqin， BAI Yunshan， et al. Reservior characteristics and exploration potential of lower carboniferous shale gas in Lianyuan Sag，Central Hunan ［J］. Earth Science， 2019， 44（3）： 939-952.
田巍， 彭中勤， 白云山， 等. 湘中涟源凹陷石炭系测水组页岩气成藏特征及勘探潜力［J］. 地球科学， 2019， 44（3）： 939-952.
18 LI K， RIMMER S M， LIU Q. Geochemical and petrographic analysis of graphitized coals from Central Hunan， China ［J］. International Journal of Coal Geology， 2018， 195： 267-279.
19 SHAO Longyi， ZHANG Pengfei， LIU Qinfu， et al. The lower carboniferous Ceshui Formation in Central Hunan， South China： depositional sequences and episodic coal accumulation ［J］. Geological Review， 1992（1）： 52-59.
邵龙义， 张鹏飞， 刘钦甫， 等. 湘中下石炭统测水组沉积层序及幕式聚煤作用［J］. 地质论评， 1992（1）： 52-59.
20 LIU Jianqing， XIE Yuan， ZHAO Zhan， et al. The geochronologic characteristics of Baimashan granite in western Hunan Province and its geotectonic significance ［J］. Earth Science Frontiers， 2013， 20（5）： 25-35.
刘建清， 谢渊， 赵瞻， 等. 湖南雪峰山地区白马山花岗岩年代学特征及构造意义［J］. 地学前缘， 2013， 20（5）： 25-35.
21 LI K， LIU Q， RIMMER S M， et al. Investigation of the carbon structure of naturally graphitized coals from Central Hunan， China， by density-gradient centrifugation， X-ray diffraction， and high-resolution transmission electron microscopy ［J］. International Journal of Coal Geology， 2020， 232：103628
22 TUNISTRA F， KOENIG J L. Raman spectrum of graphite ［J］. The Journal of Chemical Physics， 1970， 53（3）： 1 126-1 130.
23 HENRY D G， JARVIS I， GILLMORE G， et al. Raman spectroscopy as a tool to determine the thermal maturity of organic matter： application to sedimentary， metamorphic and structural geology ［J］. Earth-Science Reviews， 2019， 198：102936.
24 CUESTA A， DHAMELINCOURT P， LAUREYNS J， et al. Comparative performance of X-ray diffraction and Raman microprobe techniques for the study of carbon materials ［J］. Journal of Materials Chemistry， 1998， 8（12）： 2 875-2 879.
25 BALUDIKAY B K， FRANÇOIS C， SFORNA M C， et al. Raman microspectroscopy， bitumen reflectance and illite crystallinity scale： comparison of different geothermometry methods on fossiliferous Proterozoic sedimentary basins （DR Congo， Mauritania and Australia） ［J］. International Journal of Coal Geology， 2018， 191： 80-94.
26 LI K， RIMMER S M， LIU Q ， et al. Micro-Raman spectroscopy of microscopically distinguishable components of naturally graphitized coals from Central Hunan Province， China ［J］. Energy and Fuels， 2019， 33（2）： 1 037-1 048.
27 LI Kuo， LIU Qinfu， ZHANG Shuai， et al. Microscopically distinguishable components and structure of coaly graphite ［J］. Acta Mineralogica Sinica， 2021， 41（1）： 101-108.
李阔， 刘钦甫， 张帅， 等. 煤系石墨显微组分与结构特征［J］. 矿物学报， 2021， 41（1）： 101-108.
28 KWIECIŃSKA B， PETERSEN H I. Graphite， semi-graphite， natural coke， and natural char classification-ICCP system ［J］. International Journal of Coal Geology， 2004， 57（2）： 99-116.
29 BARKER C E， PAWLEWICZ M J. Calculation of vitrinite reflectance from thermal histories and peak temperatures. A comparison of methods ［J］. Fuel and Energy Abstracts， 1994， 36（4）： 242.
30 LI Kuo. Investigation on the structural ordering of natural coaly graphite from Xinhua， Hunan Province， China ［D］. Beijing： China University of Mining and Technology （Beijing）， 2019.
李阔. 湖南新化煤系石墨结构有序化过程研究［D］. 北京： 中国矿业大学（北京）， 2019.
31 RIMMER S M， CRELLING J C， YOKSOULIAN L E. An occurrence of coked bitumen， Formation Raton， Purgatoire River Valley， Colorado， U.S.A ［J］. International Journal of Coal Geology， 2015， 141/142： 63-73.
32 KWIECIŃSKA B， PUSZ S. Pyrolytic carbon-Definition， classification and occurrence ［J］. International Journal of Coal Geology， 2016， 163： 1-7.
33 SPEAR F S， CHENEY J T. A petrogenetic grid for pelitic schists in the system SiO2-Al2O3-FeO-MgO-K2O-H2O ［J］. Contributions to Mineralogy and Petrology， 1989， 101： 149-164.
[1] 田野,田云涛. 石墨化碳质物质拉曼光谱温度计原理与应用[J]. 地球科学进展, 2020, 35(3): 259-274.
[2] 药瑛, 孙樯. 应用于流体包裹体CO 2碳同位素组成的拉曼光谱定量研究探讨[J]. 地球科学进展, 2016, 31(10): 1032-1040.
[3] 郑海飞;段体玉;孙樯;乔二伟. 一种潜在的地质压力计：流体包裹体子矿物的激光拉曼光谱测压法[J]. 地球科学进展, 2005, 20(7): 804-808.
阅读次数
全文


摘要

版权所有 © 《地球科学进展》编辑部
地址：甘肃省兰州市天水中路8号
QQ：114723517
电话：0931-8762293　E-mail：adearth@lzb.ac.cn
陇ICP备2021001824号-5　 甘公网安备62010202000687