中國北方煤層自燃產物

時潛　陳彬

摘 要：在中國西北地區多個沉積盆地的邊緣地區，地質露頭中的煤層常在中、新生代發生自燃，形成特殊熱變質巖或熱改造的沉積巖——燒變巖。氧化條件下形成的紅色燒變巖可形成具有旅游景觀價值的特殊地貌單元；燒變巖也常具有礦產價值，可在燒變巖中開采陶瓷原料和耐火材料；在陜西等地的黃土高原地區，堅硬的燒變巖也常被開采，用來當作建筑材料。地表燒變煤層在下沿至地下的部位是良好的煤礦，但在煤礦開采過程中應注意多孔燒變巖作為蓄水層而發生的煤礦透水事故。這都使得燒變巖具有很大的研究價值，應在以后得到重視。

關鍵詞：燒變巖 煤層自燃 古氣候 礦產

中圖分類號：TD75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0058-03

一直以來，研究者對燒變巖的關注主要集中在煤層開采、透水層預測方面，常看作為煤礦附近存在的危險蓄水層和礦井的供水水源。在中國北方的中生界-第四系分布區，普遍巖石固結成度不夠，燒變過程使巖石變硬，使這些地區可以開采其作為建筑材料。燒變巖本身可開采陶瓷粘土及耐火材料，在新疆某些地區（如準噶爾盆地東緣吉木薩爾縣火燒山地區），其鮮紅色的丘陵地貌作為旅游景點吸引了大量游客，可看作是一種成因特殊的地貌景觀，但目前國內地質學者及地理學者一直較少研究此類巖石。

1 煤層自燃與燒變巖

煤層自燃現象在世界范圍內都普遍存在，在干燥氣候條件下（常為內陸地區）可見到正在燃燒的煤層，如在我國新疆、內蒙、陜西、寧夏等地區很多埋藏較淺的煤層正在發生自燃，由于聯通的采煤巷道補充了氧氣，很多正在開采的煤礦也在發生自燃（見圖1），且很難被撲滅。燒變巖是地質歷史時期煤層自燃的產物，也可在世界范圍內發現，一般在有自燃煤存在的地方均可見燒變巖（黃雷，2008）。埋藏條件下的煤層自燃主要取決于與空氣接觸的條件及煤的濕度，黃雷（2008）認為構造運動、地形切割程度以及氣候條件決定著煤層與氧氣的溝通程度，煤層的厚度、產狀等是決定熱量能否聚集的主要因素，煤層的埋藏深度、地溫、煤的粒度以及人為因素等也都影響著煤的自燃。燒變巖是煤層自燃的產物，主要是煤層自燃時產生的高溫對圍巖烘烤而導致圍巖變質形成的（黃雷，2008），也包括煤層自身燃燒后生成的煤灰層。在煤層自燃過程中，其上覆巖層經受高溫烘烤作用致使其外觀、巖石學特征發生改變（見圖2）形成燒變巖（管海晏等，1998）。

2 燒變巖研究意義

2.1 礦產意義

2.1.1 煤礦開采

燒變巖或者燒變礦床可作為找煤的有效找礦標志（劉長齡，1988），是尋找掩蓋煤田的良好線索（劉志堅，1959）。在地下潛水的充足補給地區，可利用燒變巖潛水作為煤礦礦井的供水水源（夏斐等，2008），燒變巖具有豐富的導水及儲水空間，在這樣的地區可形成極強富水區，可作為礦井的供水水源，排供結合，既利用了水源，又減少了燒變巖突然大量涌水的威脅；燒變巖的不利影響主要表現在水害方面及有害氣體的危害，在采掘工程接近燒變巖體時，容易發生突水危害（賀衛中，2008）。

2.1.2 粘土礦及耐火材料

燒變巖的特殊物化性能可使之廣泛地應用于水泥混合材料、鋁質校正原料、耐火材料、園林觀賞石等（王尤宏，1993）。燒變巖本身可開采高嶺石粘土，燒變巖及燒變礦床在后期風化淋濾作用中，常很容易發生次生變化，這是它的極不穩定（除莫來石外）地球化學特性所決定的（劉長齡，1988）；如高嶺石燒變的及偏嶺石燒變的產物很易埃洛石化，可形成埃洛石粘土，因此這類礦床是陶瓷材料等方面較為理想的原料。此外，燒變礦床中有粘土熟料、半粘土熟料或硅質熟料等可應用于耐火材料生產，因此這類礦床也是耐火材料較為理想的原料（劉長齡，1988）。

2.1.3 建筑材料

煤層自燃導致的燒變過程使弱-半固結的煤系地層巖石變硬，因此可開采作為建筑材料。如在鄂爾多斯盆地東北部神木、伊金霍洛等地區，大面積分布的厚層燒變巖常被第四系黃土覆蓋，堅硬的燒變巖常被開采用以粉碎為小石子類的鋪路材料。這樣的采石場在鄂爾多斯盆地東北部邊緣地區烏蘭木倫河沿岸多見。此外，較多的普通燒變巖是水泥等建筑材料原料（劉長齡，1988）。

2.2 旅游價值及地理學意義

中國西北部地區的侏羅系煤層在地質歷史時期（中、新生代）常發生劇烈的自燃，其上方受烘烤而形成的燒變巖硬度較大，因此在第四紀風化作用及流水侵蝕作用下可形成陡崖，風化嚴重時也可形成低矮丘陵地貌。燒變巖多呈現紅色為主的色調，可見紅、褐、白、黃、黑、鋼灰等多種顏色，并由此在我國西北地區形成一種特殊的地貌景觀。這種特殊成因的熱變質巖常表現為紅層地貌，但成因明顯不同于主要形成于紅色碎屑巖（如砂巖、礫巖）體系的丹霞地貌；其也可能被第四系黃土覆蓋，未覆蓋者受風、雨等地質應力改造，可形成類似風蝕成因的雅丹地貌。煤層自燃后形成的這種特殊地貌單元，可構成良好的旅游資源。此類地貌推測為厚煤層劇烈燃燒后形成的高溫變質巖紅層地貌，以準噶爾盆地東緣吉木薩爾縣火燒山地區最為典型（圖2A，B）：在氧氣充分供給的情況下，較厚煤層劇烈自燃，上覆為砂、泥巖厚度不大，一般小于100m，常呈砂（或粉砂巖）與泥巖的薄互層，在氧化條件下受下伏煤層自燃的高溫加熱影響形成堅硬的高溫變質巖，以鮮艷的紅色為主，另可呈現褐色、黃色等色調，遠觀呈現紅色丘陵地貌（圖2C）。在中國西北部地區，受煤層自燃的影響可大可小，顏色也不僅僅限于紅色地貌，還可以呈現黑色、鋼灰色、紫色、斑駁的雜色、黃色、白色等多種顏色混雜的顏色。可以是丘陵地貌（圖2B，C），也常見陡崖（圖2D，E），或熱作用后變色的山丘（圖2C）。識別這種地貌并作為科普知識宣講基地，也將是其待開發的旅游價值。

3 結論

（1）侏羅系煤層自燃在煤礦開采（避免透水事故）、粘土礦物與耐火材料開采方面有顯著的實際研究意義，且可在中國北方中新生代露頭區成為理想的廉價的建筑材料。

（2）煤層自燃形成特殊的熱變質巖和熱改造沉積巖，在氧化條件下形成的紅色燒變巖可形成具有旅游景觀價值的特殊地貌，這使得對燒變巖的研究具有地理學意義。

參考文獻

[1] 黃雷.鄂爾多斯盆地北部延安組燒變巖特征及其形成環境[D].西安：西北大學，2008.

[2] 管海晏，Van Ganderen J L，譚永杰，等.中國北方煤田自燃環境調查與研究[M].北京：煤炭工業出版社，1997： 54-134.

[3] 賀衛中.神府礦區活雞兔礦井燒變巖水害防治工程研究[J].中國煤田地質，2002，14（2）：43-44.

[4] 劉長齡.論燒變礦床與燒變巖研究及其意義[J].地質找礦論叢，1988，3（3）：54-61.

[5] 劉志堅.論燒變巖的特征、成因及地下火燃燒的規律性[J].地質論評，1959，19（5）：209-211.

[6] 王尤宏.新疆淺水河燒變巖礦床的地質特征及開發應用[J].建材地質，1993（1）：21-25.

[7] 夏斐，關汝清，魏捐鵬.檸條塔井田燒變巖的地質特征[J].陜西煤炭，2008（2）：7-10.endprint