印支期、燕山期以来的构造变形，对湘中地区煤系变形和赋存起到关键性的控制作用，原型煤盆地遭受强烈破坏，发育了多种褶皱构造样式、断裂组合样式和多期构造叠加、改造，使煤系赋存状态复杂化，具有显著的时空差异性[1]。煤是对应力、应变和温度十分敏感的有机岩，构造-热事件对煤岩组分、结构和构造变化以及元素迁移和聚散等方面在起着显著控制作用[2-4]，曹代勇等[3-4]提出了构造应力影响煤化作用的两种基本方式，即应力降解和应力缩聚，加深了对煤化作用实质的认识;国内外学者[5-10]对不同地区、不同地质时代煤中稀土元素分布、赋存状态及成因等进行广泛研究，而较少探讨煤中元素的分布、迁移与聚集是对应力-应变环境的响应[2,11-12]。尽管已经注意到岩浆作用对新化地区测水煤系煤高演化程度的影响[13-18]，但是尚未深入分析印支期岩体侵位对煤系变形变质、煤结构变化的构造效应以及元素迁移富集的应力-应变环境响应。因此，笔者在此基础上，揭示煤变形变质特征与构造环境关系，对于认识煤系构造变形复杂性、煤炭资源科学开发利用具有重要意义。

1 区域地质背景

1.1 构造格局

新化地区位于雪峰山构造带东缘(图1(a))，测水煤系构造变形强烈，褶皱、断裂发育，一系列平行排列轴向北东—北北东的褶皱以及走向逆冲断层构成本区基本构造格局[1]。寒婆坳向斜位于新化地区南部，向斜两翼不对称，西翼倾角60°～88°，局部直立或倒转，向斜中南部被天龙山岩体侵位而不完整(图1(b));东翼被寒婆坳逆冲推覆断层的上盘推覆体掩盖，泥盆系及石炭系下统叠覆于二叠系之上;在天龙山岩体侵位及寒婆坳逆冲推覆断层(F1)的挤压作用下，还发育北东或北西向的次级断裂。

1.2 煤系及煤层

寒婆坳向斜出露泥盆系上统，石炭系下统孟公坳组、石磴子组、测水组、梓门桥组，石炭系中上统壶天群，二叠系下统栖霞组、当冲组等。测水组含煤地层为一套滨海海陆交互相的含煤碎屑沉积，分为上、下两段，上段不含煤，厚约54.2 m。下段为含煤段厚60 m左右，主要由灰黑色砂质页岩、炭质页岩夹细砂岩及2～3层煤层组成，其中可采煤层为3,5煤层。

3煤层厚度为0.1～5.0 m，不稳定，煤层结构复杂，向北夹矸层数减少;煤层直接顶底板为砂质页岩或炭质页岩;煤层上部为半暗至半亮型煤，较松散，呈粒状、鳞片状，下部为半亮型煤，呈块状。5煤层厚度为0.3～3.2 m，较稳定，煤层结构简单，一般不含夹矸;煤层顶板为细砂岩，底板为灰黑色粉砂岩或砂质页岩;为半亮型煤，具条带状结构。3,5煤属于中低灰、低硫～中低硫，高发热量无烟煤。由于岩侵位煤层使其逐渐变质为隐晶质石墨，矿石自重增加，北部煤层的密度为1.7～1.9 t/m3，南部石墨矿的密度达到1.98～2.02 t/m3[13]。

1.3 天龙山岩体

天龙山岩体位于寒婆坳向斜西侧，产于北东—北北东向左行剪切的桃江—城步断裂带中。天龙山岩体锆石U-Pb年龄为196～210 Ma[16]，属T3—J1时期，岩性主要为中粒(斑状)黑云母二长花岗岩和黑云母花岗闪长岩。岩体东部与围岩接触呈不规则锯齿状，接触面产状与围岩基本一致，浅部倾角达60°～80°，向深部逐渐变缓。受岩体侵位影响，围岩挤压变形强烈，在岩体东部形成宽0.4～1.5 km的接触变质带[17]，变质相主要为角闪石角岩相，属中级变质，岩浆温度300～500 ℃。

2 实验方法

研究区内所采煤样均为井下煤层煤样。煤中水分、灰分和挥发分依据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》测定;煤中C,H，N元素采用西安科技大学元素分析仪Elemental Analyzer Vario El II，检出限为0.03～2.00 mg;煤镜质体反射率依据GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》测定。此次选择部分煤样，将其磨碎至200目脱矿后，在西安科技大学地环学院实验中心的X射线衍射仪上进行了测定。测定条件为:Co靶、管压36 kV、管流20 mA、狭缝为1，0.30，1、步宽0.01、扫描速度4°/min。稀土元素在澳实分析检测(广州)有限公司完成，采用ME-rMS61r四酸消解法电感耦合等离子体质谱Perkin Elmen Elan9000检测稀土元素含量，对于全部稀土元素精度高于10%。

3 结果与讨论

3.1 煤系变形变质特征

3.1.1 煤系构造变形与成因

寒婆坳向斜地质简图显示(图1)，天龙山岩体以东的轴向近南北的褶皱和断裂在岩体附近发生偏转，构造变形强度向南增强，向斜西翼浅部地层产状逐渐倒转。据野外地质调查证实，天龙山岩体周边地层产状呈规律性变化，走向与岩体边界趋于一致性。岩体东部石槽铺附近测水组地层倒转(264°∠41°)，远离岩体地层倒转倾角变陡(茅口组269°∠77°，测水组289°∠83°)。根据共轭剪节理及岩组分析反演结果，初步确定岩体东缘存在最大主压应力轴与岩体边界近于垂直的放射状应力场(表1，2)。

表1 天龙山岩体东侧节理组应力分析
Table 1 Stress analysis result of joint set in the east side of Tianlongshan granite body

表2 天龙山岩体东侧岩组分析
Table 2 Petrofabric analysis in the east side of Tianlongshan granite body

在靠近天龙山的构造岩样薄片中常见石英波状消光、云母扭折带等韧性变形(图2，G161)的原因，应是在浅层低温高压环境下由石英颗粒内部滑移和粒间旋转产生;而远离岩体的构造岩样薄片中常见晶内裂隙、晶间裂隙、穿晶裂隙等脆性变形(图2，G153)，反映受岩体影响弱的低温低压脆性变形环境。

3.1.2 煤的变形变质特征

寒坡坳向斜测水煤系赋存条件复杂，均为小煤矿开采，由南向北主要分布有三尖、石巷里、稗冲、胜利、稠木及红寨等煤矿(图1)。在多期构造应力作用下，煤的原生结构、构造发生不同程度的碎裂或韧性变形或叠加破坏甚至达到内部化学成分和结构变化。寒婆坳向斜西翼由于受到天龙山岩体的挤压，靠近岩体构造变形逐渐增强(表3)，揉皱强烈者煤体结构呈碎裂、碎粒、鳞片、碎粉状;变形轻者呈层状，强烈呈不规则的团块状或粉状构造(图3)。不同构造变形煤在扫描显微镜下有不同的显微结构构造、破碎程度、碎块形态和揉皱等变形特征，岩浆热变质作用影响下，显示镶嵌结构、气孔等特征，细小鳞片状隐晶质石墨颗粒粒径变化于50～250 nm(图3)。岩体附近变形煤的Ro,max变化于5.46%～7.89%，均值为6.55%(表3);挥发分变化于4.21%～6.95%，均值5.13%，均属于高变质无烟煤。靠近岩体煤变质程度升高(图4)，煤大分子结构趋向均一化、有序化，XRD衍射图出现明显的石墨衍射峰(002峰与100峰)，高煤级煤样的002峰变窄变高(图5,SXL130)，而相对变质程度低一些煤样的002峰低且宽缓(图5，CM130N34)，芳香层片间距d002值变化于0.336 6～0.355 8 nm，d002值、La/Lc与Ro,max呈明显正相关关系，且d002值随远离岩体增大，La/Lc远离岩体而减小(图6)。换而言之，地质历史时期存在使煤变质程度升高的热源机制(即天龙山岩体侵位)，异常地温与应力作用不断使煤变质程度升高，甚至石墨化，煤及围岩出现大量热变质矿物，对煤中稀土元素的赋存状态亦产生重要影响。

3.2 煤中稀土元素分布特征

新化寒坡坳向斜稠木煤矿、胜利煤矿、稗冲煤矿及石巷里煤矿煤中稀土元素∑REE总平均含量分别为52.0×10-6，66.7×10-6，44.7×10-6和172.23×10-6;各煤矿3号煤层样品中∑REE平均含量分别为66.94×10-6，88.40×10-6，38.98×10-6和200.82×10-6;各煤矿5号煤层样品中∑REE平均含量分别为37.12×10-6，23.21×10-6，50.39×10-6和143.65×10-6;与马东升等[19]统计的湘中盆地煤中稀土元素总量(68.80×10-6)相比，仅石巷里煤矿平均值较高;显示岩浆侵位使煤中REE含量增加。

表3 寒坡坳向斜煤矿煤样变形变质综合测试成果
Table 3 Integrative experimental result of coal samples in Hanpo’ao syncline

注:d002为芳香层单层之间的距离;La为芳香层片的直径;Lc为芳香层片平均堆砌厚度。

对寒坡坳向斜各煤矿煤层样中稀土元素含量进行了球粒陨石标准化计算，并作出稀土元素分配模式曲线图(图7)，可以归纳为3种分配类型。

(1)A型(SXL130,BC110):为5号煤层煤样，且靠近岩浆岩体;分配曲线呈向右倾斜的二阶平台型，La-Ce,Pr-Eu线段斜率较大且较陡，Ce-Pr,Eu-Gd线段斜率相对前者较小且反向，Gd-Lu线段斜率较小且缓;Ce与Eu处呈小或中等V字形谷，负异常明显(图7 A型)。∑REE为(50.39～143.65)×10-6，∑L/∑H=1.69～2.26，δCe=0.52～0.75，δEu=0.64～0.66(表4)。

(2)B型(SLN100,CM130SSM,CM34SM):为5号煤层煤样;分配曲线呈向右倾斜，整体上较为平缓，La-Eu线段斜率较小，呈向上的弧形，Eu-Lu线段平缓略向上翘起;Ce峰明显，呈弱正异常，Eu处为小或中等V字形谷，负异常明显(图7 B型)。∑REE为(23.21～37.30)×10-6，∑L/∑H=0.51～0.94，δCe=1.19～1.89，δEu=0.62～1.12(表4)。

(3)C型(C1亚型:SXL100,SL3131;C2亚型:BC210,SL150S,CM130N34,CM130S39):均为3号煤层煤样;分配曲线较协调，向右倾斜，La-Sm线段斜率较大且陡，Gd-Lu线段斜率较小且缓;Ce峰或谷很不明显，基本无异常或微弱正异常，Eu处为小或中等V字形谷，负异常显著(图7 C1，C2)。∑REE为(28.60～200.82)×10-6，∑L/∑H=1.57～8.20，δCe=0.94～2.37，δEu=0.55～12.67(表4)。

从所有样品的稀土元素特征对比来看，虽然各煤矿煤中稀土元素含量存在差异，但大部分煤样稀土元素的分配曲线存在相似性，说明煤层沉积和演化过程相似，煤化作用过程中稀土元素含量基本不受影响。寒坡坳向斜煤矿煤中ΣREE，ΣLREE，ΣHREE具有较一致的变化趋势，靠近岩浆岩体的煤中REE含量增大(图8)，① 湘中盆地各类岩样∑REE表现为:泥盆系灰岩及硅化灰岩<煤<基底前寒武纪板岩及蚀变板岩<白马山天龙山花岗岩(表5);② 靠近天龙山的石巷里煤矿SXL130、稗冲煤矿BC110煤样∑REE偏高，从分配模式图7 A型看，与泥盆纪灰岩及硅化灰岩相似;岩浆热液使围岩矿化，稀土元素发生迁移、富集，但局限于蚀变带。ΣL/ΣH值变化于0.51～8.20，均值为2.62，与马东升等[19]统计的湘中盆地煤中稀土元素ΣL/ΣH均值(6.91)相比，本文所采样品值偏低。FINKELMAN等[24]认为火成岩侵入改变无烟煤元素组成的方式主要通过热液流体迁移或富集、受热挥发及岩浆残留，显然本文稀土元素富集局限于蚀变带应与岩浆残留无关，受岩浆高热烘烤的煤中不同组分或矿物重新分布[25]，结合成更稳定的状态;结合稀土元素分配类型，岩浆热及构造应力可能使煤中稀土元素分馏，岩浆热驱使煤中稀土元素向富轻稀土方向演化(图7 A型、C1型)，构造应力驱使稀土元素向着富重稀土的方向演化(图7 B型、C2型)。

注:球粒陨石标准化数据采用Boynton，1984标准值[23];∑LREE=La+Ce+Pr+Nd+Sm+Eu;∑HREE=Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu;∑REE=∑LREE+∑HREE;LaN,CeN,SmN,EuN,GdN,PrN,YbN为球粒陨石标准化后的值，(La/Yb)N为球粒陨石标准化后值的比值，δCe=CeN/(SmN×GdN)1/2;δEu=EuN/(LaN×PrN)1/2。

根据前文分析测试结果(表5)，对煤中稀土元素进行了Q型聚类分析(统计量:相似性系数，最近距离聚类法，Pearson度量标准)，得到相关谱系图(图9)。由图9可以看出参加聚类的煤矿煤样被分为三大类，即：① A型(SXL130,BC110);② B型(SLN100,CM130SSM,CM34SM);③ C型(C1亚型SXL100,SL3131;C2亚型BC210,SL150S,CM130N34,CM130S39)，与稀土元素分配模式曲线有较大一致性，揭示岩浆热变质与构造-热变质作用在研究区有着较为临近的成因联系;岩浆侵位的构造效应(机械能、热能及化学能)造成煤岩结构破坏、变质程度升高以及元素富集、迁移，B型与C2型在区域变质作用的基础上叠加了构造-热变质作用，A型与C1型靠近岩体叠加了岩浆热变质作用，煤中REE与∑L/∑H较高(表4)。

4 结 论

(1)天龙山岩体侵位岩浆热及应力作用，不仅造成煤化程度增高，甚至形成隐晶质石墨。岩体附近向斜轴及地层线偏转，地层倾角倒转，远离岩体地层倾角较陡，向深部逐渐变缓，节理与岩组主压应力轴方位与岩体边界近于垂直;煤变形类型多为碎裂煤、碎粒煤及鳞片状煤等，属脆性-脆韧性变形机制，浅层低温高压构造环境。岩体附近变形煤的Ro,max高达7.89%，Vdaf变化于4.21%～6.95%;构造应力与岩浆热变质叠加作用对煤的大分子结构影响显著，d002值、La/Lc分别随变质程度降低及远离岩体而减小。

(2)煤中稀土元素∑REE均值76.54×10-6，靠近岩体的煤层受岩浆热作用显著，煤中REE含量显著增加，石巷里煤矿3煤、5煤稀土元素∑REE平均含量为200.82×10-6,143.65×10-6;根据稀土元素球粒陨石标准化分配模式曲线特征，划分为3种类型，且B,C2亚型受构造-热变质作用较强，A型、C1亚型在前者基础上叠加了岩浆热变质作用，d002显著减小，La/Lc增大;岩浆热变质作用驱使稀土元素向富轻稀土方向演化，构造应力驱使稀土元素向着富重稀土的方向演化，导致ΣL/ΣH比值偏低。

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Effect of intrusion of the Tianlongshan Granite Body on coal seam deform- ation and metamorphism characteristics in Xinhua Area,Hunan Province

LI Huantong1,CHEN Fei1,ZOU Xiaoyan2,ZUO Xiaofeng1,MO Jiafeng3,HAN Xue1,CHEN Xi1

(1.School of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 2.College of Geosciences and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China; 3.Academy of Coal Geological Survey of Hunan Province,Changsha 410014,China)

Abstract:Coal is sensitive to stress,strain and temperature.Under the multi-stage and multi-layer tectonic-thermal movement,there will inevitably be various traces of stress (static pressure and structural stress).This paper discusses the effect of intrusion of the Tianlongshan granite body on coal seam deformation and metamorphism,molecular structure,trace elements migration and aggregation in detail by proximate and ultimate analysis,XRD,SEM,ICP-MS methods.The results show that the coal turned itself into aphanitic graphite with the increase of coalification degree under the local stress field which was caused by Tianlongshan granite body intrusion and magmatic hydrothermalism,and the large quantities of thermal metamorphic minerals appeared in the coals and surround rock.Radial compressive stress concentration zone was applied to the rock mass emplacement,σ1 orientation of joint and petrofabric was perpendicular to the granite body boundary,under the ductile-brittle deformation with low temperature,low stress,and high strain rate.The superposition of tectonic stress and magmatic thermal metamorphism had a significant effect on the macromolecular structure of the coals,and the value of d002 and La/Lc reduction with the decrease of metamorphism degree and away from the magmatic intrusion,respectively.The coal seam near the granite body was obviously affected by magmatic heat.Structural effects of magmatic intrusion (mechanical energy,thermal energy and chemical energy) caused structural damage to coal petrography,the increase of metamorphism degree,and element enrichment and migration,REE content obviously increased,chondrite-normalized REE patterns could be divided into three types,Type A and C1 superimposed magmatic thermal metamorphism near the rock mass,similar to the distribution pattern curve of rare earth elements in Devonian limestone and silicified limestone.Magmatic hydrothermal fluid mineralized the surrounding rock,but was limited to the alteration zone.The magmatic thermal metamorphism led to an enrichment of LREE,while structural stress led to an enrichment of HREE,the concentration of local stress in the east side of Tianlongshan granite body caused the lower value of ΣL/ΣH.

Key words:Tianlongshan granite body;coal deformation and metamorphism;XRD;trace elements;structural effect

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中图分类号:P55

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2019)07-2206-10

收稿日期:2018-07-24

修回日期:2018-11-22

责任编辑:韩晋平

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41502160);中国博士后科学基金资助项目(2016M592907XB)

作者简介:李焕同(1986—)，男，山东单县人，讲师，硕士生导师，博士后。E-mail:htlcumt@126.com