山西含煤地層中的巖漿巖及其對煤層的影響

李昌盛，劉漢斌，李淼

(1.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250014;2.山西省煤炭地質局，山西 太原 030006;3.山西省煤炭地質148勘查院，山西 太原 030053)

0 引言

山西地質歷史時期巖漿活動頻繁，從太古代、元古代到古生代、中生代、新生代都有巖漿活動發生，其中印支期和燕山期巖漿活動頻繁，侵入活動強烈，對煤層影響較大。印支期巖漿活動主要發生于山西北部的大同盆地，燕山期巖漿活動主要發生于山西省西部的鄂爾多斯盆地東緣和中部的斷陷盆地。巖漿活動或侵入煤層中，破壞煤層結構，造成大規模煤層吞蝕或隱伏地下造成煤層大規模區域熱變質作用[1]。該文在綜合前人研究的基礎上，分析研究了對山西含煤地層影響較大的印支期和燕山期巖漿巖及其對煤層的影響。

1 巖體特征研究

含煤地層中的巖漿巖在山西省六大含煤盆地均有分布，其中部分為地表揭露，部分為鉆探揭露的隱伏巖體。由北到南，目前發現的主要有大同盆地煌斑巖侵入體，鄂爾多斯盆地紫金山巖體，西山盆地狐偃山巖體，臨汾盆地塔兒山-二峰山巖體和運城盆地孤峰山巖體①山西煤田地質局，山西省煤炭資源預測與評價，1995年。，以及鉆探發現的祁縣隱伏巖體。

1.1 大同煌斑巖體

大同煌斑巖侵入體，主要分布于大同煤田中北部和西南部，分為塔山巖體、鵝毛口巖體、馬脊梁巖體、東周窯巖體和小京莊巖體5個巖體[2-4]。塔山巖體為基性—超級性的煌斑巖和碳酸鹽巖[5-6]，以巖床的形式侵入塔山井田東南部和北中部太原組3,5號煤。鵝毛口巖體[7]，巖性為煌斑巖，一般以巖床的形式侵入太原組3～5號煤和8號煤，對煤層破壞嚴重。馬脊梁巖體[8]，巖性為煌斑巖和輝綠巖，侵入到山西組、太原組含煤地層中，主要侵入煤層為太原組8號煤和山西組3號煤。東周窯巖體[8]，巖性主要為云斜煌斑巖和輝綠巖。巖體以巖墻形式侵入，對煤層破壞影響不大。小京莊巖體[9]，巖性主要為碳酸巖化煌斑巖，主要侵入于5號煤層和8號煤層底板以下地層(表1)。

表1 大同煤田煤系巖漿巖和侵入煤層

1.2 紫金山巖體

紫金山巖體出露于河東煤田中北部臨縣紫金山、大肚山一帶，平面呈NNE向分布，長軸長7km，短軸長4km，出露總面積23.3km2。巖體呈巖筒、巖床狀侵入于中三疊世二馬營組中。不同期次侵入巖總體呈放射狀、半環帶狀分布。由外向內出露的巖體依次為二長巖、霓輝正長巖、暗霞正長巖、霞石正長巖、白榴石響巖及響巖質粗面火山角礫巖、粗面巖及粗面質火山角礫巖。巖體中廣泛分布粗面斑巖脈，假白榴石響巖脈和方解石脈[10-11]。巖漿巖侵入含煤地層，使環紫金山巖體周邊出現焦煤，巖體附近出現接觸熱變質煤和天然焦。

1.3 狐偃山巖體

狐偃山巖體出露于西山煤田西翼，古交市和交城縣交界處狐偃山主峰以北及以南的地區，巖體以二長巖為主的巖株、巖床、巖墻和巖脈，總面積200km2，出露面積50km2[12]，分為6個巖帶和20多個巖體巖脈，巖體規模1～16km2。部分巖體侵入到奧陶紀馬家溝組和峰峰組中，在交城水峪貫和古交馬蘭地區，巖體侵入到山西組和太原組煤層中，使煤層發生接觸熱變質作用，圍繞侵入體煤級出現環帶分布，局部出現天然焦。此外，在西山煤田南部的交城、清徐區塊，部分鉆孔也發現蝕變的二長巖與熱液石英脈，推測與狐偃山隱伏巖體有關。

1.4 塔兒山-二峰山巖體

塔兒山-二峰山巖體分布于霍西煤田南部的塔兒山—二峰山—司空山一帶，分為地上和地下隱伏巖體兩部分，巖體總面積1750km2。侵入巖體為閃長巖、閃長斑巖、正長斑巖和二長斑巖，一般侵入于太原組，最高侵入層位為下石盒子群。呈巖床狀出現。在霍西煤田楊談勘探區，侵入含煤地層中的巖漿巖巖性主要為閃長玢巖[13]，主要以巖床形式沿煤層頂、底板侵入煤系，使區內山西組、太原組煤層均不同程度受到影響，巖體附近煤變質程度升高，揮發分降低。

1.5 祁縣隱伏巖體

祁縣隱伏巖體，最早發現于祁縣南豐，分布于祁縣城西常家堡、梁家堡、高村、祁城一帶，推測分布面積57km2[14]。巖體為石英二長巖體，侵入中侏羅紀凝灰巖地層。鉆探發現的石英二長巖體，巖體呈灰白色，不等?！瓢郀?、中細粒二長結構。凝灰巖中的石英二長斑巖床，巖石呈灰白色，斑狀結構，基質為顯微粒狀結構[14]。

1.6 孤峰山巖體

孤峰山巖體出露于運城盆地萬榮縣城以南約11km處孤峰山,出露面積約30km2[15]。巖體主要是灰白色花崗閃長巖，具中細?！毩；◢徑Y構，塊狀構造，主要礦物組成有斜長石、鉀長石、石英、角閃石等，副礦物以磷灰石為主?？辈橘Y料顯示，孤峰山的地下隱伏體已經侵入萬榮-王顯區塊太原組含煤地層中，對煤層造成不同程度影響。

2 侵入時間和形成機制

2.1 侵入時間

整理前人對山西中生代巖漿巖體的測年數據得表2?？梢钥闯?，侵入大同煤田的煌斑巖侵入體年齡整介于198～229Ma之間，屬于印支晚期三疊紀晚期。侵入鄂爾多斯盆地東緣河東煤田和中部的斷陷盆地的侵入體，年齡介于127～138Ma之間，屬于燕山晚期早白堊紀，巖體侵入時間由北到南，逐漸變新。

表2 山西煤系巖漿巖體測年數據

2.2 形成機制

從巖性特征看，除大同煤田為煌斑巖外，其余均為堿性—偏堿性巖體?；桶邘r源于殼幔混合巖漿的部分熔融，產生于伸展構造背景下，受區域深大斷裂控制[24]。堿性巖漿巖一般來源于部分熔融程度低、源區深部大的深部環境，或裂谷、地塹、地幔上拱帶等拉張條件下，地球上分布比較少，具有特殊的地質意義[22]。地球化學特征顯示[15]，孤峰山花崗閃長巖源自加厚的基性下地殼的部分熔融，是華北克拉通東部早白堊世大規模巖漿活動結果。山西中部地塊堿性—偏堿性侵入巖侵入時間相近，巖石組成相似，說明它們可能具有相似的巖石成因。華北地塊中部早白堊世大規模富堿侵入巖，源于巖石圈地幔物質的部分熔融，是古太平洋板塊西向俯沖動力學背景下巖石圈拆沉減薄的結果[24]。

2.3 侵入特征

巖漿巖侵入煤層一般以斷層為通道侵入，巖體結構以巖墻為主，侵入巖層后順煤層展布呈巖床狀[1]。靠近巖墻部分，巖床較厚，結構復雜，遠離巖墻部分巖床較薄，結構簡單。塔山巖體侵入范圍受大同-懷仁斷裂帶控制[3,8]，遠離深大斷裂和斷層地方巖漿活動相對較弱。鵝毛口巖體巖漿上升通道為東南部井田邊界處的口泉山前大斷裂[7]。馬脊梁巖體以斷層為通道向上侵入到山西組、太原組含煤地層中[8]。塔兒山巖漿巖主要以巖床的形式經過斷層由SW向NE侵入煤系[13]。侵入霍西煤田襄汾礦區的塔兒山-二峰山隱伏巖體也以斷層為通道，侵入盆地含煤地層中。

3 對煤層的破壞和影響

3.1 對煤層的破壞

巖漿巖在上升過程中，使含煤地層錯斷、位移，連續性變差。巖漿巖侵入煤層后，吞蝕了煤層位置，使煤層變薄，煤質變差，甚至喪失工業價值[25]。部分巖體在空間上完全取代煤層位置，或者引起地層大面積上拱而剝蝕形成無煤區[1-2,16]。巖墻巖脈在穿插中切割煤層，使煤層破壞，難以開采。大同煤田被煌斑巖酸性巖侵入的含煤地層出露面積達260km2(圖1)[24]。巖漿順頂底板流動時，造成煤層被吞蝕，煤層結構發生破壞，頂底板變硬，煤層灰分變大，甚至局部形成糜棱煤[注]山西煤田地質局，山西省煤炭資源預測與評價，1995年。。

圖1 大同煤田北部礦區巖漿巖分布區

3.2 對煤變質的影響

山西的含煤地層，燕山期之前主要受深成變質作用，燕山期之后由于構造運動和巖漿巖的侵入，含煤地層的古地溫逐漸升高，在深成變質作用之上又疊加了區域巖漿熱變質作用和區域性的接觸變質作用[26-27]。河東煤田紫金山巖體附近，煤層受侵入巖體影響，煤層鏡質組反射率增高，向四周逐漸降低[28-29]。西山煤田燕山期狐偃山侵入巖體東側煤層發生接觸變質作用，形成環帶狀的無煙煤、貧煤、瘦煤帶，局部形成天然焦，煤變質帶寬2～4km[27]，煤級圍繞巖體呈環帶狀分布(圖2)?；粑髅禾锼荷?二峰山巖漿巖侵入含煤地層后，使煤層在較大面積內形成高變質帶，圍繞巖體煤類呈現環帶狀分布[27]。除地表出露巖體外，塔兒山-二峰山的隱伏侵入巖體對煤層的影響更大(圖3)，隱伏巖體的大規模侵入造成地下大量無煤區和煤層結構破壞。霍西煤田楊談勘查區內，山西組、太原組煤層均不同程度地受到巖漿侵入影響，煤的變質程度進一步加深，局部變質為熱變煤或天然焦[13]。沁水煤田陽泉、晉城等地的高變質煤也與巖漿活動有關，巖漿熱液提高了煤的變質程度[30]。接觸變質會使煤粘結指數急劇降低，甚至喪失，氫含量降低，灰分增大，但接觸變質影響范圍較小[1]，如大同煤田煌斑巖侵入巖脈兩側的煤層僅輕微變質，數米之外即正常①山西煤田地質局，山西省煤炭資源預測與評價，1995年。。

圖2 西山煤田煤級分布圖

圖3 霍西煤田襄汾礦區巖漿巖與隱伏巖體分布圖

3.3 對煤層氣的影響

山西燕山期堿性—偏堿性侵入體是山西烴源巖巖漿熱變質作用的重要熱源，對山西石炭-二疊紀煤層的生烴演化有重要影響[31]。臨縣紫金山巖漿熱力作用促進了河東煤田中部上古生界煤系烴源巖熱演化，促進了煤發生二次生烴作用[28]，在巖體熱異常影響區塊，煤的煤層氣發生量顯著提高[32]。西山煤田狐偃山巖體也使得西山煤田西翼煤層普遍發生二次生氣，生氣量顯著增加[33]，巖漿活動形成的大量煤層割理，也在一定程度上改造了煤儲層的物性條件[34]，在提高煤層變質程度的基礎上，提高了煤層的滲透率，為煤層氣的富集創造條件。

3.4 對煤中微量元素的影響

巖漿燕山期巖漿熱液活動對煤中微量元素的富集具有重要影響。西山煤田狐偃山巖漿熱液活動使煤中Cl，Br等元素含量明顯增高，巖體周邊東塔礦區，在距離巖體5000m的煤中，氯含量高達1865μg/g[35]。河東煤田紫金山巖體的活動使得河東煤田中部煤中Cl，Br，Se，Hg，Sb等揮發性元素的含量明顯增加[36]。

4 結論

山西含煤地層巖漿巖主要分為三疊紀晚期的煌斑巖體和白堊紀早期的堿性—偏堿性巖，前者產生于伸展構造背景下，受區域深大斷裂控制，后者是華北克拉通東部早白堊紀巖石圈減薄，大規模巖漿活動的結果。巖漿巖的大規模侵入破壞了煤層的穩定性和連續性，造成了部分無煤區，降低了煤的工業利用價值，但煤系巖漿巖的侵入提高了地質歷史時期的古地溫梯度和煤的區域熱變質程度，促進了煤層的二次生烴，提高了煤層滲透率。此外，巖漿活動也影響了煤中微量元素，使部分微量元素明顯富集。