淺埋煤層燒變巖地球化學與變質礦物相特征

楊帆 熱西提·亞力坤 薛小淵 宋世駿 胡儉 張澤宇 姬中奎 黃雷

摘要 以陜北張家峁井田延安組22，31段燒變巖為研究對象，對其進行巖石地球化學遷移規律以及變質礦物相特征分析。結果表明，該區燒變巖為低堿性硅鋁質變質巖，橫向上鈣堿性分布不均一，少部分燒變樣品燒失量大且CaO含量高，Fe元素遷移聚集。Zr相容性比Hf更好，Ba元素富集可能與后期水文作用有關，稀土元素分配趨勢線為略微輕稀土富集型，燒變作用對稀土元素的分配影響相對有限。燒變巖原生礦物多具有燒蝕特征，鏡下發育燒蝕邊、氣孔構造等，新生礦物呈集合體充填礦物間或礦物裂縫中。礦物相組合與熱接觸變質作用中發生高熱變質的透長巖相相近，但變質壓力更低，溫度更高。燒變巖層由下而上可分為薄層板狀燒烤巖、燒熔巖、厚層板狀燒烤巖、厚層層狀燒烤巖的巖石組合，鱗石英+方石英相較莫來石+堇青石+赤鐵礦能更好表征巖石燒變程度的強弱，同層燒烤巖下部燒變程度高于上部，燒熔巖上部板狀燒烤巖燒變程度高于下部板狀燒烤巖。研究區燒變巖具有“隱伏”的特點，且存在同沉積期燒變作用，除暴露在河谷階地的燒變巖層外，部分燒變巖層埋于更新世地層和殘余延安組地層之下。早期形成的燒變巖層后期被破壞，多期燒變地層相互疊置形成現今火燒區。

關鍵詞 燒變巖;張家峁井田;地球化學;變質礦物相;熱接觸變質作用;透長巖相

Geochemistry and metamorphic mineral facies ofburned rocks in shallow coal beds

Abstract The study focuses on the burnt rocks of the 22 and 31 sections of the Yanan Formation in Zhangjiamao Coalfield， Northern Shaanxi， and analyzes their geochemical migration patterns and metamorphic mineral facies characteristics. The results indicate that the burnt rocks in this area are low alkaline silicoaluminal metamorphic rocks， with uneven distribution of calcium and alkali horizontally. A small number of burnt rock samples have high loss on ignition and high CaO content， with Fe elements migrate and accumulate. Zr has better compatibility than Hf， and the enrichment of Ba element may be related to later hydrological processes. The trend line of rare earth element distribution is little L-REE enrichment， and the effect of burning on the distribution of rare earth elements is relatively limited. The primary minerals in burnt rocks often exhibit ablative characteristics， with the development of ablative edges and pore structures under the microscope. Newly formed minerals form aggregates and fill mineral spaces or fractures. The mineral facies combination is similar to the diorite facies that undergoes high thermal metamorphism during thermal contact metamorphism， but the metamorphic pressure is lower and the temperature is higher. The burnt rock layers can be divided from bottom to top into a combination of thin plate-like burnt rock， burnt lava， thick plate-like burnt rock， and thick layered burnt rock. tridymite+cristobalite content can better characterize the burning degreecompared to mullite+cordierite+hematite content. The degree of burning in the lower part of the same layer burnt rock is higher than that in the upper part， and the burning degree of plate-like burnt rock in the upper part of the burnt lava is higher than that in the lower part.? The burnt rocks in the research area have the? "hidden" characteristic? and have the same sedimentary period burnt effect. Except for the burnt rock layers exposed in the valley terrace， some of the burnt rock layers are buried under the Pleistocene strata and residual yanan Formation strata. The early formation of burnt rock layers was later destroyed， and multiple stages of burnt rock layers overlapped to form the current burnt area.

Keywords burnt rock; Zhangjiamao minefield; geochemistry; metamorphic mineral facies; thermal contact metamorphism; diorite facies

近地表煤層自燃發生燒變作用，使沉積巖層熱變質形成燒變巖，可根據燒變程度、巖石顏色和結構等特征分為燒熔巖和燒烤巖兩類［1］。這類巖石在世界范圍內普遍存在，中國主要分布在北方煤田區侏羅系中、下統中的低變質特厚煤系地層中［2-3］。鄂爾多斯盆地北部侏羅系煤層在地史時期的自燃燒變現象普遍發生，由于其與水文地質及煤礦開采安全問題相關性較大，得到較多關注與研究［3-9］。

煤層自燃引起圍巖的燒變過程可看作是一種特殊的高溫熱變質作用，這一變質作用是引起原巖物理性質和化學性質變化的關鍵。前人研究揭示，燒變作用使原巖層的巖石結構和物理性質發生改變，地層產生規模不等的斷裂縫和不規則的通風口，并引起頂部地層塌陷［10-11］，而這種巖石力學性質改變與巖石高溫相變有關［12］。實際上，燒變巖作為一類常壓下的高溫變質巖石，可以很好地反映此類變質作用中的礦物相特征，以及不同溫度作用下相應的礦物相轉變規律，可為相關科學問題提供天然實驗研究。因此，對巖石燒變特征的研究不僅有利于建立燒變巖的礦物學和巖相學格架，提高對燒變作用這一地質現象的認識，而且還可為煤田安全生產、綠色開采等研究提供基礎地質保障。本研究針對鄂爾多斯盆地北部張家峁煤田西部燒變巖的元素遷移和礦物相轉化特征進行研究，旨在明確燒變巖在熱變質形成過程中的礦物相及其轉化規律。

1 研究區概況與樣品特征

張家峁煤田研究區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶上，構造簡單，斷層不發育，地層近水平向NW傾斜，傾角在1°～3°。井田地表大部分被第四系風積沙及黃土所覆蓋，煤系地層延安組（J2y）煤層及火燒區多出露于SE向的溝谷之中。前人在研究大量鉆孔資料的基礎上，勾劃出延安組22，31段煤層剝蝕邊界和火燒區邊界：其走向為NE—SW向，火燒區范圍自煤層剝蝕線（露頭）沿延安組傾向向NW向延伸，達到一定深度后過渡為正常煤層〔見圖1（a）〕［9］。對該區火燒區鉆孔的富水性測試證實，不同燒變巖的含水性差異較大，前人研究認為這與火燒區的分布延伸、燒變巖本身性質、垂向位置組合等相關［13］。井區內位于烏蘭不拉溝內的野外露頭剖面較好地展示了燒變巖的發育特征〔見圖1（b）〕。

露頭區為延安組地層，內可見大塊紫紅色、磚紅色巖體，厚度近10 m，裂隙大規模發育且有泉水滲出。巖體分為上下兩部分，上部顏色為磚紅色，縱向裂縫發育，橫向成層性差，呈相對孤立的板狀產出，屬板狀燒烤巖；下部為紫紅色，縱橫向差異不明顯，整體呈塊狀，巖石多呈角礫狀從表面剝落，新鮮面可觀察到發育孔洞，屬燒熔巖。巖體整體向下發生垮塌，坡下有較多堆積物，向遠離巖體一側逐漸變少；鄰近沉積層多為白色、黃白色，脆弱且易碎，變為層狀燒烤巖。本次研究對象為延安組22 和31煤層自燃形成的燒變巖，分別位于延安組第四段頂部和第三段頂部。研究中，基于鉆孔巖心共采集12個樣品進行詳細的測試化驗分析（見圖2）；選取了2個原巖樣品和10個具有典型燒變特征的樣品進行對比研究（見表1），開展主微量元素測試、XRD衍射物相分析、掃描電鏡和鏡下薄片觀察，并在此基礎上對燒變巖的地球化學和礦物學特征進行研究。

2 地球化學特征

2.1 主量元素

樣品的主量元素質量分數和燒失量見表2。樣品中SiO2質量分數除X20-9燒熔巖樣品（48.89%）外，質量分數介于61.98%～77.77%；Al2O3質量分數除X9-3原巖樣品（1.48%）外，其質量分數介于11.59%～22.35%，X20井樣品略低于其他井；CaO質量分數X20井與X9-3樣品大于5%，其他樣品則小于1%。

由Fe2O3-Al2O3-SiO2三元相圖可知〔見圖3（a）〕，巖樣主要為硅鋁質，鎂鐵組分含量相對較少，TFe2O3+MgO質量分數平均值為4.76％，而原巖與燒變巖差異性小，即使燒熔巖樣也相差不大。P2O5的質量分數極低，均小于0.25％。金屬氧化物Fe+Mn+Mg+Ti-CaO-Na2O+K2O的三端元圖中〔見圖3（b）〕，燒變巖燒變程度與元素分布之間相關性較差，表現出與樣品所在鉆孔的不同相關，X20井樣品表現為低堿高鈣，而X9井、X10井除X9-3樣品外表現為低堿低鈣。處于同層段的X9井和X20井差異卻較大，表明巖石橫向具有不均一性。

此外，從幾個樣品的Fe質量分數來看（見表2），原巖與燒變巖全鐵質量分數差別較大，原巖樣品TFe2O3平均質量分數為1.92%，X9井、X10井和X20井燒變巖TFe2O3平均質量分數分別為3.62%、4.37%和5.39%，這說明Fe元素在燒變過程中可能發生了局部聚集。樣品中原巖的燒失量分別為4.91%和10.69%，燒變巖中X20-9燒熔巖和X20-11板狀燒變巖的燒失量為9.63%和3.69%，其余均小于1%。燒變巖經歷了高溫烘烤作用，其燒失量應當較小，X20-9、X20-11的高燒失量可能是由于其CaO質量分數較高造成的（二者質量分數分別為19.6%和11.45%），燒變后充填方解石脈未經高溫，易揮發成分含量較高。

整體而言，研究區燒變巖是一類長英質變質巖（硅鋁質系列），燒變過程中Fe元素發生遷移聚集，鐵元素質量分數高于原巖，與前人在該區燒變巖地化特征研究結果一致［14］；同層樣品鈣堿性不同表明巖石橫向不均一，后期CaO等充填影響了燒變巖燒失量的變化。

2.2 微量元素

各樣品的微量元素質量分數見表3。樣品中，燒變巖親石元素的Rb，Ba質量分數高于原巖〔（見圖4（a）〕，Sr質量分數低，Cs、Eu相對虧損。高場強元素中Zr質量分數在所有樣品中普遍較高〔見圖4（b）〕（層狀燒烤巖樣略高于其他巖樣），除Zr外其余元素豐度較低，不同類型巖樣均具有Y、Zr、Pb富集的特征；高場強元素在燒變作用下變化不顯著；而樣品中過渡族元素分布規律性較差〔見圖4（c）〕。高場強元素中，Zr與Hf電價和離子半徑相近，二者在巖漿演化中往往具有相似的化學性質［15］，但在所研究樣品中，即使是在燒熔巖中也表現為Zr質量分數異常高，表現為Zr相容性比Hf更高，這表明元素遷移過程在這種近地表燒變過程和地下巖漿熔融再冷卻過程中存在差異。此外，在所有樣品中，Ba元素的質量分數平均值高于0.000 2%。Ba是一類地球化學性質活潑的金屬，易受到巖石風化、植物根吸、大氣水循環等因素影響［16］，本研究中，所有樣品中Ba出現富集，推測可能與燒變后發生的水文地質作用有關。

2.3 稀土元素

各樣品的稀土元素質量分數見表3。分別利用球粒隕石和上地殼稀土元素豐度值對樣品的稀土元素數據進行標準化后做蛛網圖［17］（見圖5）。由圖5可知，樣品的稀土元素豐度趨勢曲線出現差異化分布，分為3類不同的趨勢。①X9-6燒變巖明顯右傾，與其他樣品之間存在一個數量級的差距，且LREE明顯富集，配分相對趨緩，HREE則彼此相差較大，表現為明顯的輕稀土富集型曲線。②X10-2燒變巖和X9-3原巖的趨勢相近，HREE豐度略高，曲線向左側略微傾斜，表現為輕稀土略微虧損。③其他樣品則均趨于平坦，輕稀土略微富集右傾，稀土元素豐度更接近碎屑巖整體水平。

對燒變巖運用球粒隕石（CI）標準化后發現〔見圖5（a）〕，樣品平均δEu<0.7（見表4），δEu為負異常，表明該處燒變作用對Eu元素的分配可能影響不大，δCe異常特征亦不明顯;但在大陸上地殼（UCC）碎屑巖標準化中〔見圖5（b）〕，δEu的異常特征不明顯，部分燒變巖樣品（如X9-6、X9-16、X20-11）甚至出現了正異常，燒變巖樣品除X20-9之外，δCe均表現為正異常，而原巖樣品為負異常。

巖石在高級變質和強烈蝕變作用過程中，稀土元素的豐度發生變化［18］。若將巖石燒變作用近似看成巖漿熔融分異過程，參考與沉積巖性質相近的長英質火成巖的分餾結晶過程來看［19］，部分熔融作用中，長石遺留在源區會帶來Eu的負異常，而變質礦物的出現常帶來Eu的正異常。因此，燒變巖球粒隕石標準化中Eu負異?？赡苷f明燒變過程存在熔融作用，而上地殼標準化中部分樣品的正異常則可解釋為存在相對原巖的變質作用。

3 礦物學特征

3.1 礦物類型

研究區延安組燒變巖屬于古煤火事件的產物，因此，自燒變作用發生至今經歷了較長的地質歷史時期，除燒變作用外，還經歷了風化以及地下水的改造成巖作用，巖石燒變后變得疏松多孔，進一步促進了這一過程。利用X射線衍射分析方法，測得各樣品的礦物相組成及質量分數（見表4）。根據實驗測試結果以及各類礦物成因，將樣品中出現的礦物分為以下3類。

3.1.1 一般礦物

這類礦物為沉積巖中主要的成巖礦物，主要包括石英、長石和伊利石等。

1）石英是一般沉積巖最基礎的組成礦物，從原巖樣X9-3和X9-18來看，總質量分數為76.3％和62％。石英是研究區燒變巖樣品中普遍存在的礦物，在原巖中含量最高，燒變巖含量明顯減少，其原因是燒變作用下礦物相發生了轉變。

2）斜長石和鉀長石同屬長石類礦物，這類架狀硅酸鹽礦物往往在煤自燃初期低溫時發生成巖溶蝕作用［20］，且隨著溫度的升高不再發生變化或發生重結晶，并在低溫熱液流體的影響下發生蝕變作用。從斜長石和鉀長石的質量分數上看，其分布與巖樣所在的層段有關、而與是否燒變無關，如22段巖樣斜長石+鉀長石平均質量分數為4.34％，31段平均質量分數則為29.56%。

3）伊利石在原巖中發現，說明該地區沉積物中包括伊利石等黏土礦物;此外，燒變過程在常壓、550 ℃的高溫條件下［21］，伊利石亦可由高嶺石等黏土礦物轉變而來。

3.1.2 燒變礦物

燒變礦物是特征變質礦物，根據燒變程度和原巖所含礦物的差異，會產生不同的燒變產物。有些礦物組分不僅在燒變作用下形成，在沉積、風化作用下也可能由原生礦物轉化而來，而具有多成因特征。研究中發現的此類礦物主要有以下幾種。

1）鱗石英、方石英等石英同質變體。據相關巖石物理學模擬實驗［22］，鱗石英完全轉化溫度為870 ℃，而在1 470 ℃時全部變成方石英，如果燒變巖中存在這兩種礦物，則表明燒變巖形成的溫度區間為767～1 125 ℃。當然，巖石是具多個礦物和化學成分的復雜體系，更多的材料學實驗也證實了這一點，如Fe2O3能促進巖石燒結而改變其組成礦物的相變溫度［23］。

2）堇青石是硅酸鹽礦物高溫變質作用產生的典型礦物［24］，經過中度到高度熱力變質作用所形成，其變質溫度高于1 000 ℃。

3）莫來石是與黏土礦物直接相關的燒變礦物，鎂綠泥石、伊利石、高嶺石都能在一定條件相變為莫來石和赤鐵礦，尤以高嶺石為其形成的主要來源。

4）磁鐵礦是在高溫階段層狀硅酸鹽礦物分解的產物熔化形成，菱鐵礦在300 ℃時開始轉化為磁鐵礦［24］。

5）輝石在沉積巖中并不常見，但在本研究中，在燒熔巖中發現其質量分數達到41％。研究表明，高溫下，鎂綠泥石在1 000 ℃轉化為莫來石以及輝石，且在1 200 ℃時輝石的含量會逐漸增加［25］，因此這些輝石極可能是高溫燒變的產物。

6）赤鐵礦多由黃鐵礦在300～530 ℃時轉變而來，隨著溫度升高至680 ℃，磁鐵礦也會向赤鐵礦轉化［26］。

7）方解石一般與沉積作用有關，但碳酸鹽礦物高溫熔融下，也可形成具良好晶形的方解石晶體。

8）非晶態組分（SiO2，Al2O3）一般認為與高溫下物質相變有關，但在原巖樣品X9-3中出現，可能說明其參與了風化再沉積過程。

3.1.3 其他礦物

研究中還發現一些除沉積作用、燒變作用之外的其他與風化沉積和低溫熱液有關的礦物。

1）由黃鐵礦在氧化條件下分解形成的氫氧化鐵，如針鐵礦和纖鐵礦等;針鐵礦是含鐵礦物風化作用的產物，常分布在銅鐵硫化物礦床的露頭部分而構成“鐵帽”，沉積成因的針鐵礦見于湖沼和泉水中，某些熱液脈的空隙中也可見低溫熱液成因的針鐵礦。

2）四方硫鐵礦是礦床中熱液成因的礦物［26］，見于蛇紋石化的橄欖巖和輝石巖中，亦見于碳酸巖和偉晶巖中，也見于河底泥沙環境中；可能是由于硫酸鹽將細菌還原發生變質作用，極少量見于鐵和碳質粒狀隕石中。

3）高嶺石僅在X10-1燒變樣品中出現， 但從其發育方石英的特征判斷燒變溫度要高于600 ℃，這一燒變溫度極可能會使高嶺石等黏土礦物全部轉化為伊利石或莫來石等其他礦物［24］；考慮到高嶺石質量分數僅為3.7％，推測高嶺石礦物可能是在燒變作用后形成的化學沉積作用的產物。

3.2 鏡下特征

燒變巖中，石英、長石等礦物具有明顯的燒熔特征，且在燒熔巖中更為明顯。在本次研究的燒變巖樣品中均發現了燒熔痕跡〔見圖6（a）〕，自形晶較為少見，以半自形晶體、燒蝕細小礦物居多，同時局部富集不定型的變質礦物〔見圖6（b）、6（d）〕；新生礦物集合體呈縫狀充填，分布在塊狀不規則的石英、長石等顆粒之間。晶體間常常有燒熔殘余的碎屑顆粒、泥質及微晶充填，是強烈燒熔作用后局部富集的泥晶交代、方解石等后生礦物重結晶的結果〔見圖6（c）〕。樣品中石英的形態發生改變，出現晶簇狀、絨毛狀和針狀石英晶體〔見圖6（e）〕，這類石英的特征為單晶粒徑往往較小，反映了在高溫熔融狀態下快速冷卻的特征。晶簇狀石英是硅酸鹽礦物徹底熔融后，晶體重新發生結晶的結果，其形成溫度相對較高， 而且絨毛狀-細針狀石英出現在原石英顆粒表面，形成溫度相對較低，二者均表明巖石發生了燒熔作用。原巖樣品中發育裂紋〔見圖6（f）〕，其內部未充填變質礦物，證實燒變作用對原巖影響有限。燒熔巖樣品在正交偏光顯微鏡下可以觀察到變形礦物〔見圖6（g）〕，板狀燒烤巖樣品礦物邊大多不規則，并存在港灣狀熔蝕，孔隙之間有大量石英礦物集合體充填〔見圖6（h）〕。層狀燒烤巖樣品可見不規則氣孔，指示高溫下可能的流體活動〔見圖6（i）〕。

4 討論

4.1 變質相組合特征

根據樣品的燒變程度，結合上述燒變巖巖石礦物學特征分析結果，將燒變巖的變質礦物組合由低到高分為以下3個系列。

1） 層狀燒烤巖：鱗石英+方石英+赤鐵礦+堇青石（少）+方解石+莫來石（少）+非晶態。

2） 板狀燒烤巖：鱗石英（多）+方石英（多）+赤鐵礦+堇青石+方解石+莫來石+非晶態。

3） 燒熔巖：輝石+方解石（多）+非晶態。

其中，層狀和板狀燒變巖的礦物組成相差不大，主要變質礦物類型相近，區別主要在含量上，這與其燒變程度有關。據前人對高溫、低壓下礦物相變關系的研究［20-21，25，27-30］，研究區可能存在以下變質反應：

1）αQz（石英）→βQz→βTrd（鱗石英）→β1Trd英）Trd（鱗石英）；

2）βTrd （鱗石英）→βCrs（方石英）→αCrs（方石英）；

3）Kln（高嶺石）高Chl（綠泥石）

→Px（輝石）+Mul（莫來石）

→Px（輝石）+Hem（赤鐵礦）；

4）Mnt（蒙脫石）→蒙脫（鈣長石）→鎂鋁硅酸鹽（Mg2Al4Si5O18）→Crd（堇青石）+Mul（莫來石）；

5）Sd（菱鐵礦）→菱鐵礦（磁鐵礦）→磁鐵礦（赤鐵礦）；

6）Py（黃鐵礦）→黃鐵（磁黃鐵礦）→磁黃鐵（磁鐵礦）→磁鐵礦（赤鐵礦）。

蒙脫石、綠泥石在所有樣品中均未出現，但作為沉積巖泥質組分，在一般沉積物中往往廣泛發育。本次研究發現，樣品中卻缺失黏土類礦物，僅發育少量高嶺石和伊利石，這可能是在燒變作用下伴隨溫度升高發生相變而消失，由此造成了燒變巖的黏土礦物缺失。地表巖石燒變過程近似低壓條件下的熱接觸變質作用，原巖礦物在高溫下發生變質結晶和重結晶，其變質條件與熱接觸變質作用具有可比性［28］。燒變作用礦物相與透長巖變質相相近，這種變質相與熱接觸變質作用中的高熱變質作用相近，在噴出巖或次火山巖接觸的圍巖或捕虜體中發育［30］，特征為小范圍極高溫的變質作用，作用時間短，壓力小，降溫快。圍巖或捕虜體發生褪色，常局部熔融出現玻璃質，并發育莫來石+鱗石英+堇青石等礦物，溫度在800～1 000℃。

根據相關變質礦物的成分關系分類，研究區燒變巖礦物相與透長巖礦物相之間的異同點有：①二者黏土類、云母類礦物缺失，說明相變溫度和巖石變質程度較高;②均發育長石類、石英類等貫通礦物，且與其他熱接觸變質相相比（除燒熔巖外）均發育了鱗石英，燒烤巖中還發育代表更高變質溫度的方石英，可作為其變質特征礦物;③均發育輝石礦物，但缺少角閃石類礦物，且僅在燒熔巖發育，燒烤巖不發育角閃石類-輝石類暗色礦物系列;④鈣質硅酸鹽類中燒變巖僅發育方解石，而透長巖相發育硅灰石、鈣鎂橄欖石;⑤均發育莫來石，燒變巖中夕線石不發育;⑥二者發育的富鐵硅酸鹽類高度相似;⑦二者均發育非晶態玻璃質成分，這一現象實質反映了未達到化學平衡的快速出融環境，與反應時間短、降溫速度快有關。

燒變巖變質相與熱接觸變質透長巖相之間也存在差異，如鈣質硅酸鹽僅發育方解石，缺少相對應的硅灰石與鈣鎂橄欖石發育。這可能與近地表壓力相對硅灰石和鈣鎂橄欖石常發育的深成變質巖要低有關，燒變巖中缺少透長巖相中指示一定壓力環境的夕線石，也可證實這一點。此外，燒變巖中發育相對鱗石英更高溫變質的方石英，方石英相變溫度可能超過1 000 ℃［30］。因此，與接觸變質作用而形成的透長巖相相比，燒變巖相代表了更高溫度和更低壓力的變質環境。

值得注意的是，燒熔巖中出現輝石，雖然熱接觸變質透長巖相中也發育輝石礦物，但樣品中石英的含量極高，質量分數達到了41％，且不發育高溫相變石英，普通石英質量分數也僅為1.7％，同時富鋁硅酸鹽類和富鐵氧化物也不發育，但方解石質量分數達17.4％，這一現象值得進一步研究。

4.2 燒變巖變質特征

本研究所采樣品主要由晶態變質礦物組成，但多個樣品在衍射圖譜上存在寬化的饅頭峰〔見圖7（a）、（b）〕或主峰之間形成背底〔見圖7（c）〕的非晶相區。礦物非晶態一般代表在超高溫下形成的（硅質、富鉀質或富鋁質）玻璃［31］。非晶相成分形成時不具有固定溫度，當溫度達到初始相變溫度時，礦物晶體形態即可能開始發生轉變，礦物硅酸鹽骨架開始破解并重組，表現為原2θ值范圍內衍射峰背景逐漸加厚，直至達到徹底相變溫度時消失，并出現了新物相的衍射峰。如高嶺石相變溫度為500 ℃，但在到900 ℃時高嶺石才會完全消失并徹底相變為莫來石［27］。

X20-0和X20-4樣品取樣位置為同一鉆孔、同一巖層的上下段， 長石類礦物含量相近， 但石英類和鐵氧化礦物含量卻存在明顯差異， X20-4樣品鱗石英、 方石英含量更多， 且鐵氧化物為燒變形成溫度相較赤鐵礦更高的磁鐵礦， 這種特征在其他樣品中也存在。 板狀燒烤巖中， 鱗石英+方石英總含量大于層狀燒烤巖（見圖8）。 此外， 在同一口井中， 處于相對靠近底部的燒變巖莫來石和堇青石含量高于上部（如層狀燒烤巖X9-6、X9-14），且堇青石除X9-14樣品外只在板狀燒變巖中出現，莫來石在X20井燒變巖中未出現，X20-0燒變巖樣中既未發育堇青石，也未發育莫來石，僅有方石英和鱗石英出現，由此可見，利用石英及其高溫變體是否存在對燒變作用進行判斷更可靠。赤鐵礦雖然存在多成因來源，除X20-4板狀燒烤巖和X20-9燒熔巖外，其余樣品中均出現了原巖中未出現的赤鐵礦，但燒熔巖中石英相、堇青石、莫來石和赤鐵礦均不發育的原因值得探究。相較前人認為的堇青石、莫來石作為燒變特征變質礦物［32］，研究區中石英的同質異象體方石英、鱗石英等更能有效表征燒變作用。

燒變巖是一套在成因上有聯系的熱變質巖組合， 包括底部與自燃煤層相近的較薄燒熔巖層， 該層頂底發育板狀燒烤巖， 頂板狀燒烤巖上發育層狀燒烤巖。 X20井頂底板燒烤巖的燒變石英質量與所有石英質量的比值分別為88.59%， 40.00%，且只在頂板狀燒烤巖中磁鐵礦、堇青石等發育。X10井板狀燒烤巖中燒變石英與所有石英質量分數比值分別為93.35%，61.25%，二者雖然均發育堇青石，但X10-3燒變巖堇青石質量分數為22.6%，X10-1僅為9.9%，因此，X10-1板狀燒烤巖可能是一期已經被剝蝕的燒變巖組合的底板。

4.3 燒變巖分布

一般來說，煤層越厚，燒變巖厚度越厚，例如火燒區邊界位置也是煤層減薄的位置。除此之外，燒變巖的分布與煤自燃時間、出露高度、古地理氣候環境等相關。從平面來看，研究區燒變巖最大的特點是“隱伏”，除一部分在露頭顯示之外，燒變巖大體深埋于地下，表層覆蓋最大20 m厚的第四紀沉積。這種特點在西部緊鄰的檸條塔井田南部亦有出現［33］，該鄰區僅延安組12段發生燒變，其下22段煤層完全保留，且上覆的直羅組風化基巖仍存在，頂部保德組紅土層不整合上覆于直羅組之上，因此其燒變作用發生的時間從侏羅世晚期至晚中新世保德期前均有可能。研究區張家峁煤田缺失延安組12段，延安組22、31段及以下的延安組41、51段均發生了燒變作用，不同時期的“隱伏”燒變巖層相互疊置，可見歷史時期中該地層應該被抬升接近地表發生燒變，而后再次隱伏下來（見圖9）。

對研究區燒變巖的形成期次問題目前爭議頗多，前人利用地層接觸關系、磷灰石裂變徑跡測年、鋯石測年，得到了中晚侏羅世、晚白堊世、漸新世、第四紀不同時期等多個年齡，時間跨度從（1.43±0.09）Ma至（148.6±9.2）Ma多個時期［3，4，34-35］。目前主流的認識是，掩埋地層抬升風化暴露地表發生燒變作用，并結合黃河等河流侵蝕時間認為燒變發生的主要時間為是上新世早期以來［36-38］。但本研究發現，不同層段隱伏的燒變巖具有疊置關系，X10井頂部發現了底板狀燒變巖，且在X9井延安組22段燒變巖層上的正常延安組地層中發現了非晶態成分，這些證據都說明，在上新世沉積前，甚至侏羅世沉積時期即可能存在燒變作用。研究區所在的鄂爾多斯盆地東北部受燕山運動主幕構造變動的影響［39-40］，自晚侏羅世以來持續遭受抬升剝蝕，晚白堊世至古近紀，全區處于緩慢隆升狀態，這一構造背景為燒變作用的發生提供了有利條件。許云對鄂爾多斯盆地中侏羅世延安組古野火事件進行了研究，確定該時期鄂爾多斯盆地大氣中的古氧氣體積分數可高達27.9％，僅中國西北地區泥炭沼澤系統野火釋放的CO2量就相當于目前大氣圈中CO2總量的57.7％，5組主要煤層的頂底板中均發現了大量炭屑，因此侏羅世延安組同沉積時期中存在燒變作用也有可能［41］。

5 結論

1）張家峁煤田延安組22、31段燒變巖為低堿性硅鋁質（長英質）變質巖，其鎂鐵組分含量相對較少，相較原巖Fe元素遷移聚集。微量元素Rb、Ba、Y、Zr、Pb相對富集，其中Zr含量異常高，Zr相容性比Hf更高。稀土元素分配模式相較于球粒隕石而言，與上地殼更具有相似性，趨勢線表現為輕稀土富集型，燒變作用對稀土元素的分配影響相對有限。

2）燒變巖的礦物變質相組合可以分為兩類。① 燒烤巖：鱗石英+方石英+赤鐵礦+堇青石+方解石+莫來石+非晶態。② 燒熔巖：輝石+方解石+非晶態。黏土礦物含量極少，沒有云母類礦物，長石以斜長石為主，發育具燒蝕特征的高溫斜長石，發育具高溫特征的鱗石英和方石英。角閃石類-輝石類暗色礦物在燒熔巖中發育，鈣質硅酸鹽僅發育方解石，富鋁硅酸鹽發育莫來石，富鐵氧化物種類較多，如堇青石、赤鐵礦、磁鐵礦等。礦物相組合也與熱接觸變質作用中發生高熱變質的透長巖相相近，二者均是低壓、高溫變質環境的產物，但變質礦物組合之間存在差異。

3）研究區燒變巖具有“多層疊置、主體隱伏”的特點。研究區張家峁煤田火燒區是在長時間跨度的地質歷史中逐漸形成的，同沉積燒變作用發生后混入同期沉積物中；而早期形成的燒變巖層后期被破壞，在長期抬升剝蝕的暴露環境下，多期燒變地層相互疊置形成。

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