近地表煤层自燃发生烧变作用，使沉积岩层热变质形成烧变岩，可根据烧变程度、岩石颜色和结构等特征分为烧熔岩和烧烤岩两类[1]。这类岩石在世界范围内普遍存在，中国主要分布在北方煤田区侏罗系中、下统中的低变质特厚煤系地层中[2-3]。鄂尔多斯盆地北部侏罗系煤层在地史时期的自燃烧变现象普遍发生，由于其与水文地质及煤矿开采安全问题相关性较大，得到较多关注与研究[3-9]。煤层自燃引起围岩的烧变过程可看作是一种特殊的高温热变质作用，这一变质作用是引起原岩物理性质和化学性质变化的关键。前人研究揭示，烧变作用使原岩层的岩石结构和物理性质发生改变，地层产生规模不等的断裂缝和不规则的通风口，并引起顶部地层塌陷[10-11]，而这种岩石力学性质改变与岩石高温相变有关[12]。实际上，烧变岩作为一类常压下的高温变质岩石，可以很好地反映此类变质作用中的矿物相特征，以及不同温度作用下相应的矿物相转变规律，可为相关科学问题提供天然实验研究。因此，对岩石烧变特征的研究不仅有利于建立烧变岩的矿物学和岩相学格架，提高对烧变作用这一地质现象的认识，而且还可为煤田安全生产、绿色开采等研究提供基础地质保障。本研究针对鄂尔多斯盆地北部张家峁煤田西部烧变岩的元素迁移和矿物相转化特征进行研究，旨在明确烧变岩在热变质形成过程中的矿物相及其转化规律。1研究区概况与样品特征张家峁煤田研究区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡带上，构造简单，断层不发育，地层近水平向NW倾斜，倾角在1°~3°。井田地表大部分被第四系风积沙及黄土所覆盖，煤系地层延安组(J2y)煤层及火烧区多出露于SE向的沟谷之中。前人在研究大量钻孔资料的基础上，勾划出延安组22，31段煤层剥蚀边界和火烧区边界：其走向为NE—SW向，火烧区范围自煤层剥蚀线(露头)沿延安组倾向向NW向延伸，达到一定深度后过渡为正常煤层〔见图1(a)〕[9]。对该区火烧区钻孔的富水性测试证实，不同烧变岩的含水性差异较大，前人研究认为这与火烧区的分布延伸、烧变岩本身性质、垂向位置组合等相关[13]。井区内位于乌兰不拉沟内的野外露头剖面较好地展示了烧变岩的发育特征〔见图1(b)〕。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F001图1陕北神木地区张家峁井田火烧区概况Fig. 1Overview of Zhangjiamao coalfield burning area in Shenmu，Northern Shaanxi露头区为延安组地层，内可见大块紫红色、砖红色岩体，厚度近10 m，裂隙大规模发育且有泉水渗出。岩体分为上下两部分，上部颜色为砖红色，纵向裂缝发育，横向成层性差，呈相对孤立的板状产出，属板状烧烤岩；下部为紫红色，纵横向差异不明显，整体呈块状，岩石多呈角砾状从表面剥落，新鲜面可观察到发育孔洞，属烧熔岩。岩体整体向下发生垮塌，坡下有较多堆积物，向远离岩体一侧逐渐变少；邻近沉积层多为白色、黄白色，脆弱且易碎，变为层状烧烤岩。本次研究对象为延安组22和31煤层自燃形成的烧变岩，分别位于延安组第四段顶部和第三段顶部。研究中，基于钻孔岩心共采集12个样品进行详细的测试化验分析(见图2)；选取了2个原岩样品和10个具有典型烧变特征的样品进行对比研究(见表1)，开展主微量元素测试、XRD衍射物相分析、扫描电镜和镜下薄片观察，并在此基础上对烧变岩的地球化学和矿物学特征进行研究。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.T001表1岩心取样井及岩性分类Tab. 1Sampling wells and lithology classification样品号层位结构钻孔岩性烧变岩分类X9-322砂质沉积层状黄白色粉砂岩原岩X9-622层状，原岩结构略显肉红色粉砂烧烤岩层状烧烤岩X9-1422层状，原岩结构略显肉红色细砂烧烤岩层状烧烤岩X9-1722板状，局部发育碳化粗粒孔棕红色中砂烧烤岩板状烧烤岩X9-1822砂质沉积层状黄色粉砂岩原岩X10-131黏土泥质板状白色泥质烧烤岩板状烧烤岩X10-231黏土泥质层状白色泥质烧烤岩层状烧烤岩X10-331板状，原岩结构略显黄白色中砂烧烤岩板状烧烤岩X20-022层状，原岩结构略显黄白色细砂烧烤岩层状烧烤岩X20-422黏土泥质层状黄白色泥质烧烤岩板状烧烤岩X20-922炉渣蜂窝状，原岩结构不可见紫黑色烧熔岩烧熔岩X20-1122板状，发育裂隙及碳化孔棕红色细砂烧烤岩板状烧烤岩10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F002图2连井剖面岩性柱状图和岩心取样Fig. 2Bar graph of continuous well profile and lith2地球化学特征2.1主量元素样品的主量元素质量分数和烧失量见表2。样品中SiO2质量分数除X20-9烧熔岩样品(48.89%)外，质量分数介于61.98%~77.77%；Al2O3质量分数除X9-3原岩样品(1.48%)外，其质量分数介于11.59%~22.35%，X20井样品略低于其他井；CaO质量分数X20井与X9-3样品大于5%，其他样品则小于1%。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.T002表2主量元素化学分析结果Tab. 2Chemical analysis results of major elements编号氧化物质量分数/%SiO2TiO2Al2O3TFe2O3MnOMgOCaONa2OK2OP2O5LoI岩性X9-371.820.371.480.510.950.7412.80.100.130.0210.69原岩X9-671.561.0320.582.020.010.580.150.192.970.120.56层状烧烤岩X9-1472.231.0417.253.040.030.970.510.932.700.250.95层状烧烤岩X9-1769.140.7416.895.790.091.080.931.242.810.120.96板状烧烤岩X9-1866.300.8517.333.340.021.210.632.282.850.184.91原岩X10-162.870.9022.357.070.082.100.491.022.760.210.41板状烧烤岩X10-277.770.7219.331.040.010.140.050.060.380.020.69层状烧烤岩X10-365.600.9221.884.990.032.020.330.392.590.190.90板状烧烤岩X20-069.010.6813.344.890.082.125.181.502.480.100.55层状烧烤岩X20-461.980.8917.617.610.172.155.560.952.390.150.34板状烧烤岩X20-948.890.6011.594.270.072.1119.60.961.760.129.63烧熔岩X20-1162.090.6512.594.780.101.2211.51.281.690.123.69板状烧烤岩注：数据来自西北大学大陆动力学国家重点实验室测试结果。由Fe2O3-Al2O3-SiO2三元相图可知〔见图3(a)〕，岩样主要为硅铝质，镁铁组分含量相对较少，TFe2O3＋MgO质量分数平均值为4.76%，而原岩与烧变岩差异性小，即使烧熔岩样也相差不大。P2O5的质量分数极低，均小于0.25%。金属氧化物Fe＋Mn＋Mg＋Ti-CaO-Na2O＋K2O的三端元图中〔见图3(b)〕，烧变岩烧变程度与元素分布之间相关性较差，表现出与样品所在钻孔的不同相关，X20井样品表现为低碱高钙，而X9井、X10井除X9-3样品外表现为低碱低钙。处于同层段的X9井和X20井差异却较大，表明岩石横向具有不均一性。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F003图3烧变岩元素质量分数关系图Fig. 3Relationship between main elements of burnt rock此外，从几个样品的Fe质量分数来看(见表2)，原岩与烧变岩全铁质量分数差别较大，原岩样品TFe2O3平均质量分数为1.92%，X9井、X10井和X20井烧变岩TFe2O3平均质量分数分别为3.62%、4.37%和5.39%，这说明Fe元素在烧变过程中可能发生了局部聚集。样品中原岩的烧失量分别为4.91%和10.69%，烧变岩中X20-9烧熔岩和X20-11板状烧变岩的烧失量为9.63%和3.69%，其余均小于1%。烧变岩经历了高温烘烤作用，其烧失量应当较小，X20-9、X20-11的高烧失量可能是由于其CaO质量分数较高造成的(二者质量分数分别为19.6%和11.45%)，烧变后充填方解石脉未经高温，易挥发成分含量较高。整体而言，研究区烧变岩是一类长英质变质岩(硅铝质系列)，烧变过程中Fe元素发生迁移聚集，铁元素质量分数高于原岩，与前人在该区烧变岩地化特征研究结果一致[14]；同层样品钙碱性不同表明岩石横向不均一，后期CaO等充填影响了烧变岩烧失量的变化。2.2微量元素各样品的微量元素质量分数见表3。样品中，烧变岩亲石元素的Rb，Ba质量分数高于原岩〔(见图4(a)〕，Sr质量分数低，Cs、Eu相对亏损。高场强元素中Zr质量分数在所有样品中普遍较高〔见图4(b)〕(层状烧烤岩样略高于其他岩样)，除Zr外其余元素丰度较低，不同类型岩样均具有Y、Zr、Pb富集的特征；高场强元素在烧变作用下变化不显著；而样品中过渡族元素分布规律性较差〔见图4(c)〕。高场强元素中，Zr与Hf电价和离子半径相近，二者在岩浆演化中往往具有相似的化学性质[15]，但在所研究样品中，即使是在烧熔岩中也表现为Zr质量分数异常高，表现为Zr相容性比Hf更高，这表明元素迁移过程在这种近地表烧变过程和地下岩浆熔融再冷却过程中存在差异。此外，在所有样品中，Ba元素的质量分数平均值高于0.000 2%。Ba是一类地球化学性质活泼的金属，易受到岩石风化、植物根吸、大气水循环等因素影响[16]，本研究中，所有样品中Ba出现富集，推测可能与烧变后发生的水文地质作用有关。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.T003表3微量元素和稀土元素化学分析结果Tab. 3Chemical analysis results of trace elements & rare earth elements名称X10-1X10-2X10-3X20-0X20-4X20-9X20-11X9-3X9-6X9-14X9-17X9-18Li77.65.247.029.423.624.827.59.918.213.316.736.2Be2.22.04.02.12.61.82.00.75.42.43.12.2Sc16.48.220.412.515.911.511.31.729.612.816.113.7V115.059.4139.562.8119.677.087.727.3131.5104.5125.2101.8Cr108.594.0117.473.390.870.468.812.2122.995.497.0260.4Co89.1172.3139.478.083.037.168.3112.2150.4127.699.533.2Ni54.113.251.339.248.133.132.411.422.737.032.924.3Cu36.75.528.321.36.123.234.33.842.015.921.827.9Zn193.324.9116.872.792.957.774.57.8160.585.211.695.6Ga29.118.128.816.223.415.216.42.129.919.921.621.3Ge1.00.40.70.71.11.00.91.93.00.71.10.8Rb100.328.7104.698.0113.776.663.14.2212.190.593.394.7Sr95.422.972.3161.1198.5185.3160.894.289.987.4144.6280.5Y30.76.434.726.325.523.822.012.3100.828.232.829.9Zr148.7292.0168.3234.8227.3157.4251.3123.0351.5539.1247.0250.3Nb18.011.517.013.817.912.412.56.819.018.614.415.6Cs4.55.76.95.87.74.72.80.221.52.56.65.4Ba690.1164.4608.6548.0707.5453.0560.1290.9774.4654.3590.8502.8La50.07.760.532.143.131.434.211.8322.159.755.737.1Ce100.219.2125.364.392.159.167.319.0701.2121.8108.974.8Pr10.81.513.37.39.57.07.61.978.813.512.08.8Nd41.25.650.928.736.027.029.07.0292.851.545.634.6Sm7.51.19.45.66.65.05.31.350.09.28.37.1Eu1.50.21.81.11.31.01.10.310.01.81.81.4Gd6.51.08.15.05.64.54.61.440.17.57.36.2Tb0.90.11.10.80.80.70.70.25.31.01.00.9Dy5.40.96.44.64.43.93.81.325.15.65.65.4Ho1.10.21.20.90.90.80.80.34.11.11.11.1Er3.00.63.52.62.52.22.20.810.02.93.13.0Tm0.40.10.50.40.40.30.30.11.30.40.50.5Yb2.80.73.32.62.52.22.10.87.52.72.92.9Lu0.40.10.50.40.40.30.30.11.00.40.40.4Hf4.27.34.66.15.94.06.22.99.013.46.26.5Ta1.31.21.41.21.40.91.00.81.71.61.11.2Pb34.78.25.45.511.73.48.51.344.010.01.119.6Th15.07.415.411.012.48.58.51.714.812.713.411.3U3.11.74.22.12.92.12.10.83.72.94.63.7La50.027.7260.5432.1543.1031.4334.2011.8322.059.7455.6737.14Ce100.219.1125.264.3492.0659.1067.3419.1701.2121.8108.874.82Pr10.841.5413.347.309.526.977.571.9078.8113.4912.048.81Nd41.165.6350.9128.7336.0227.0129.027.04292.751.4945.6434.57Sm7.451.069.435.646.635.045.341.2650.039.208.347.06Eu1.510.191.761.141.341.041.110.2710.051.771.771.41Gd6.520.978.155.035.634.524.601.3640.137.547.266.18Tb0.950.141.140.760.790.660.660.215.271.021.000.93Dy5.440.876.404.554.453.883.821.3225.075.635.645.40Ho1.060.191.230.920.880.780.750.294.131.061.111.06Er2.960.613.462.652.482.202.160.8510.022.913.112.97Tm0.430.100.510.400.380.330.330.121.310.430.450.45Yb2.790.723.302.622.472.162.130.797.522.742.882.94Lu0.410.120.490.390.360.320.320.130.960.400.430.43Y30.686.4034.6826.2925.4523.8222.0212.3100.828.2332.7929.85ΣREE262.445.3320.5182.9231.5169.2181.358.61650307.4286.9214.0LREE211.235.2261.2139.3188.6130.5144.541.31454257.5232.3163.8HREE51.2510.159.3543.6142.8938.6736.7817.3195.249.9654.6650.22L/HREE4.123.494.403.194.403.383.932.387.455.154.253.26δEu(UCC)0.980.840.910.970.990.991.010.931.010.961.020.96δCe(UCC)1.051.351.071.021.100.971.020.971.071.041.021.00δEu(CI)0.650.560.600.640.660.650.670.630.660.630.680.64δCe(CI)0.991.261.020.971.050.920.970.881.030.990.970.96单位：10－6注：数据来自西北大学大陆动力学国家重点实验室测试结果。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F004图4烧变岩微量元素质量分数关系图Fig. 4Relationship between main elements of burnt rock2.3稀土元素各样品的稀土元素质量分数见表3。分别利用球粒陨石和上地壳稀土元素丰度值对样品的稀土元素数据进行标准化后做蛛网图[17](见图5)。由图5可知，样品的稀土元素丰度趋势曲线出现差异化分布，分为3类不同的趋势。①X9-6烧变岩明显右倾，与其他样品之间存在一个数量级的差距，且LREE明显富集，配分相对趋缓，HREE则彼此相差较大，表现为明显的轻稀土富集型曲线。②X10-2烧变岩和X9-3原岩的趋势相近，HREE丰度略高，曲线向左侧略微倾斜，表现为轻稀土略微亏损。③其他样品则均趋于平坦，轻稀土略微富集右倾，稀土元素丰度更接近碎屑岩整体水平。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F005图5烧变岩元素质量分数关系图Fig. 5Standardization of rare earth elements in the chondrites对烧变岩运用球粒陨石(CI)标准化后发现〔见图5(a)〕，样品平均δEu0.7(见表4)，δEu为负异常，表明该处烧变作用对Eu元素的分配可能影响不大，δCe异常特征亦不明显；但在大陆上地壳(UCC)碎屑岩标准化中〔见图5(b)〕，δEu的异常特征不明显，部分烧变岩样品(如X9-6、X9-16、X20-11)甚至出现了正异常，烧变岩样品除X20-9之外，δCe均表现为正异常，而原岩样品为负异常。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.T004表4X射线衍射物相分析结果Tab. 4X-ray diffraction phase analysis results矿物样品石英方石英鳞石英斜长石钾长石硫铁矿针铁矿赤铁矿磁铁矿堇青石方解石高岭石莫来石伊利石辉石非晶相黄铁矿X9-376.3－－1.00.7－－－－－17.0－－－－5－X9-669.68.5－－8.8－－1.4－－－－11.7－－－－X9-1441.05.77.82.2－－－3.6－7.51.8－20.4－－10－X9-1718.210.35.13.7－－－2.5－14.94.2－31.1－－10－X9-1862.0－－23.65.4－－－－－－－－7.9－－1.1X10-120.523.49.05.86.91.110.17.3－9.92.33.7－－－－－X10-259.55.218.4－0.6－－2.2－－－－14.1－－－－X10-33.03.039.1－－－－3.2－22.6－－19.1－－10－X20-036.911.217.223.45.7－－5.6－－－－－－－－－X20-44.210.222.422.94.9－－－13.514.37.6－－－－－－X20-91.7－－27.42.5－－－－－17.4－－－41.010－X20-1133.610.112.326.15.9－－3.9－－8.1－－－－－－单位：%注：数据来自西北大学大陆动力学国家重点实验室测试结果。岩石在高级变质和强烈蚀变作用过程中，稀土元素的丰度发生变化[18]。若将岩石烧变作用近似看成岩浆熔融分异过程，参考与沉积岩性质相近的长英质火成岩的分馏结晶过程来看[19]，部分熔融作用中，长石遗留在源区会带来Eu的负异常，而变质矿物的出现常带来Eu的正异常。因此，烧变岩球粒陨石标准化中Eu负异常可能说明烧变过程存在熔融作用，而上地壳标准化中部分样品的正异常则可解释为存在相对原岩的变质作用。3矿物学特征3.1矿物类型研究区延安组烧变岩属于古煤火事件的产物，因此，自烧变作用发生至今经历了较长的地质历史时期，除烧变作用外，还经历了风化以及地下水的改造成岩作用，岩石烧变后变得疏松多孔，进一步促进了这一过程。利用X射线衍射分析方法，测得各样品的矿物相组成及质量分数(见表4)。根据实验测试结果以及各类矿物成因，将样品中出现的矿物分为以下3类。3.1.1一般矿物这类矿物为沉积岩中主要的成岩矿物，主要包括石英、长石和伊利石等。1)石英是一般沉积岩最基础的组成矿物，从原岩样X9-3和X9-18来看，总质量分数为76.3%和62%。石英是研究区烧变岩样品中普遍存在的矿物，在原岩中含量最高，烧变岩含量明显减少，其原因是烧变作用下矿物相发生了转变。2)斜长石和钾长石同属长石类矿物，这类架状硅酸盐矿物往往在煤自燃初期低温时发生成岩溶蚀作用[20]，且随着温度的升高不再发生变化或发生重结晶，并在低温热液流体的影响下发生蚀变作用。从斜长石和钾长石的质量分数上看，其分布与岩样所在的层段有关、而与是否烧变无关，如22段岩样斜长石＋钾长石平均质量分数为4.34%，31段平均质量分数则为29.56%。3)伊利石在原岩中发现，说明该地区沉积物中包括伊利石等黏土矿物；此外，烧变过程在常压、550 ℃的高温条件下[21]，伊利石亦可由高岭石等黏土矿物转变而来。3.1.2烧变矿物烧变矿物是特征变质矿物，根据烧变程度和原岩所含矿物的差异，会产生不同的烧变产物。有些矿物组分不仅在烧变作用下形成，在沉积、风化作用下也可能由原生矿物转化而来，而具有多成因特征。研究中发现的此类矿物主要有以下几种。1)鳞石英、方石英等石英同质变体。据相关岩石物理学模拟实验[22]，鳞石英完全转化温度为870 ℃，而在1 470 ℃时全部变成方石英，如果烧变岩中存在这两种矿物，则表明烧变岩形成的温度区间为767~1 125 ℃。当然，岩石是具多个矿物和化学成分的复杂体系，更多的材料学实验也证实了这一点，如Fe2O3能促进岩石烧结而改变其组成矿物的相变温度[23]。2)堇青石是硅酸盐矿物高温变质作用产生的典型矿物[24]，经过中度到高度热力变质作用所形成，其变质温度高于1 000 ℃。3)莫来石是与黏土矿物直接相关的烧变矿物，镁绿泥石、伊利石、高岭石都能在一定条件相变为莫来石和赤铁矿，尤以高岭石为其形成的主要来源。4)磁铁矿是在高温阶段层状硅酸盐矿物分解的产物熔化形成，菱铁矿在300 ℃时开始转化为磁铁矿[24]。5)辉石在沉积岩中并不常见，但在本研究中，在烧熔岩中发现其质量分数达到41%。研究表明，高温下，镁绿泥石在1 000 ℃转化为莫来石以及辉石，且在1 200 ℃时辉石的含量会逐渐增加[25]，因此这些辉石极可能是高温烧变的产物。6)赤铁矿多由黄铁矿在300~530 ℃时转变而来，随着温度升高至680 ℃，磁铁矿也会向赤铁矿转化[26]。7)方解石一般与沉积作用有关，但碳酸盐矿物高温熔融下，也可形成具良好晶形的方解石晶体。8)非晶态组分(SiO2，Al2O3)一般认为与高温下物质相变有关，但在原岩样品X9-3中出现，可能说明其参与了风化再沉积过程。3.1.3其他矿物研究中还发现一些除沉积作用、烧变作用之外的其他与风化沉积和低温热液有关的矿物。1)由黄铁矿在氧化条件下分解形成的氢氧化铁，如针铁矿和纤铁矿等；针铁矿是含铁矿物风化作用的产物，常分布在铜铁硫化物矿床的露头部分而构成“铁帽”，沉积成因的针铁矿见于湖沼和泉水中，某些热液脉的空隙中也可见低温热液成因的针铁矿。2)四方硫铁矿是矿床中热液成因的矿物[26]，见于蛇纹石化的橄榄岩和辉石岩中，亦见于碳酸岩和伟晶岩中，也见于河底泥沙环境中；可能是由于硫酸盐将细菌还原发生变质作用，极少量见于铁和碳质粒状陨石中。3)高岭石仅在X10-1烧变样品中出现，但从其发育方石英的特征判断烧变温度要高于600 ℃，这一烧变温度极可能会使高岭石等黏土矿物全部转化为伊利石或莫来石等其他矿物[24]；考虑到高岭石质量分数仅为3.7%，推测高岭石矿物可能是在烧变作用后形成的化学沉积作用的产物。3.2镜下特征烧变岩中，石英、长石等矿物具有明显的烧熔特征，且在烧熔岩中更为明显。在本次研究的烧变岩样品中均发现了烧熔痕迹〔见图6(a)〕，自形晶较为少见，以半自形晶体、烧蚀细小矿物居多，同时局部富集不定型的变质矿物〔见图6(b)、6(d)〕；新生矿物集合体呈缝状充填，分布在块状不规则的石英、长石等颗粒之间。晶体间常常有烧熔残余的碎屑颗粒、泥质及微晶充填，是强烈烧熔作用后局部富集的泥晶交代、方解石等后生矿物重结晶的结果〔见图6(c)〕。样品中石英的形态发生改变，出现晶簇状、绒毛状和针状石英晶体〔见图6(e)〕，这类石英的特征为单晶粒径往往较小，反映了在高温熔融状态下快速冷却的特征。晶簇状石英是硅酸盐矿物彻底熔融后，晶体重新发生结晶的结果，其形成温度相对较高，而且绒毛状－细针状石英出现在原石英颗粒表面，形成温度相对较低，二者均表明岩石发生了烧熔作用。原岩样品中发育裂纹〔见图6(f)〕，其内部未充填变质矿物，证实烧变作用对原岩影响有限。烧熔岩样品在正交偏光显微镜下可以观察到变形矿物〔见图6(g)〕，板状烧烤岩样品矿物边大多不规则，并存在港湾状熔蚀，孔隙之间有大量石英矿物集合体充填〔见图6(h)〕。层状烧烤岩样品可见不规则气孔，指示高温下可能的流体活动〔见图6(i)〕。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F006图6各样品镜下典型特征Fig. 6Typical under-microscope characteristics of samples(a)烧熔边构造；(b)针柱状莫来石；(c)晶体过烧现象；(d)纤维状堇青石；(e)石英晶簇；(f)原岩裂缝；(g)矿物变形(烧熔岩)；(h)矿物边熔蚀(板状烧烤岩)；(i)不规则气孔(层状烧烤岩)4讨论4.1变质相组合特征根据样品的烧变程度，结合上述烧变岩岩石矿物学特征分析结果，将烧变岩的变质矿物组合由低到高分为以下3个系列。1)层状烧烤岩：鳞石英＋方石英＋赤铁矿＋堇青石(少)＋方解石＋莫来石(少)＋非晶态。2)板状烧烤岩：鳞石英(多)＋方石英(多)＋赤铁矿＋堇青石＋方解石＋莫来石＋非晶态。3)烧熔岩：辉石＋方解石(多)＋非晶态。其中，层状和板状烧变岩的矿物组成相差不大，主要变质矿物类型相近，区别主要在含量上，这与其烧变程度有关。据前人对高温、低压下矿物相变关系的研究[20-21, 25, 27-30]，研究区可能存在以下变质反应：1)αQz(石英)→βQz→βTrd(鳞石英)→β1Trd英)Trd(鳞石英)；2)βTrd (鳞石英)→βCrs(方石英)→αCrs(方石英)；3)Kln(高岭石)高Chl(绿泥石)→Px(辉石)＋Mul(莫来石)→Px(辉石)＋Hem(赤铁矿)；4)Mnt(蒙脱石)→蒙脱(钙长石)→镁铝硅酸盐(Mg2Al4Si5O18)→Crd(堇青石)＋Mul(莫来石)；5)Sd(菱铁矿)→菱铁矿(磁铁矿)→磁铁矿(赤铁矿)；6)Py(黄铁矿)→黄铁(磁黄铁矿)→磁黄铁(磁铁矿)→磁铁矿(赤铁矿)。蒙脱石、绿泥石在所有样品中均未出现，但作为沉积岩泥质组分，在一般沉积物中往往广泛发育。本次研究发现，样品中却缺失黏土类矿物，仅发育少量高岭石和伊利石，这可能是在烧变作用下伴随温度升高发生相变而消失，由此造成了烧变岩的黏土矿物缺失。地表岩石烧变过程近似低压条件下的热接触变质作用，原岩矿物在高温下发生变质结晶和重结晶，其变质条件与热接触变质作用具有可比性[28]。烧变作用矿物相与透长岩变质相相近，这种变质相与热接触变质作用中的高热变质作用相近，在喷出岩或次火山岩接触的围岩或捕虏体中发育[30]，特征为小范围极高温的变质作用，作用时间短，压力小，降温快。围岩或捕虏体发生褪色，常局部熔融出现玻璃质，并发育莫来石＋鳞石英＋堇青石等矿物，温度在800~1 000℃。根据相关变质矿物的成分关系分类，研究区烧变岩矿物相与透长岩矿物相之间的异同点有：①二者黏土类、云母类矿物缺失，说明相变温度和岩石变质程度较高；②均发育长石类、石英类等贯通矿物，且与其他热接触变质相相比(除烧熔岩外)均发育了鳞石英，烧烤岩中还发育代表更高变质温度的方石英，可作为其变质特征矿物；③均发育辉石矿物，但缺少角闪石类矿物，且仅在烧熔岩发育，烧烤岩不发育角闪石类－辉石类暗色矿物系列；④钙质硅酸盐类中烧变岩仅发育方解石，而透长岩相发育硅灰石、钙镁橄榄石；⑤均发育莫来石，烧变岩中夕线石不发育；⑥二者发育的富铁硅酸盐类高度相似；⑦二者均发育非晶态玻璃质成分，这一现象实质反映了未达到化学平衡的快速出融环境，与反应时间短、降温速度快有关。烧变岩变质相与热接触变质透长岩相之间也存在差异，如钙质硅酸盐仅发育方解石，缺少相对应的硅灰石与钙镁橄榄石发育。这可能与近地表压力相对硅灰石和钙镁橄榄石常发育的深成变质岩要低有关，烧变岩中缺少透长岩相中指示一定压力环境的夕线石，也可证实这一点。此外，烧变岩中发育相对鳞石英更高温变质的方石英，方石英相变温度可能超过1 000 ℃[30]。因此，与接触变质作用而形成的透长岩相相比，烧变岩相代表了更高温度和更低压力的变质环境。值得注意的是，烧熔岩中出现辉石，虽然热接触变质透长岩相中也发育辉石矿物，但样品中石英的含量极高，质量分数达到了41%，且不发育高温相变石英，普通石英质量分数也仅为1.7%，同时富铝硅酸盐类和富铁氧化物也不发育，但方解石质量分数达17.4%，这一现象值得进一步研究。4.2烧变岩变质特征本研究所采样品主要由晶态变质矿物组成，但多个样品在衍射图谱上存在宽化的馒头峰〔见图7(a)、(b)〕或主峰之间形成背底〔见图7(c)〕的非晶相区。矿物非晶态一般代表在超高温下形成的(硅质、富钾质或富铝质)玻璃[31]。非晶相成分形成时不具有固定温度，当温度达到初始相变温度时，矿物晶体形态即可能开始发生转变，矿物硅酸盐骨架开始破解并重组，表现为原2θ值范围内衍射峰背景逐渐加厚，直至达到彻底相变温度时消失，并出现了新物相的衍射峰。如高岭石相变温度为500 ℃，但在到900 ℃时高岭石才会完全消失并彻底相变为莫来石[27]。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F007图7样品X射线衍射图Fig. 7X-ray diffraction patterns of samples from various wellsX20-0和X20-4样品取样位置为同一钻孔、同一岩层的上下段，长石类矿物含量相近，但石英类和铁氧化矿物含量却存在明显差异，X20-4样品鳞石英、方石英含量更多，且铁氧化物为烧变形成温度相较赤铁矿更高的磁铁矿，这种特征在其他样品中也存在。板状烧烤岩中，鳞石英＋方石英总含量大于层状烧烤岩(见图8)。此外，在同一口井中，处于相对靠近底部的烧变岩莫来石和堇青石含量高于上部(如层状烧烤岩X9-6、X9-14)，且堇青石除X9-14样品外只在板状烧变岩中出现，莫来石在X20井烧变岩中未出现，X20-0烧变岩样中既未发育堇青石，也未发育莫来石，仅有方石英和鳞石英出现，由此可见，利用石英及其高温变体是否存在对烧变作用进行判断更可靠。赤铁矿虽然存在多成因来源，除X20-4板状烧烤岩和X20-9烧熔岩外，其余样品中均出现了原岩中未出现的赤铁矿，但烧熔岩中石英相、堇青石、莫来石和赤铁矿均不发育的原因值得探究。相较前人认为的堇青石、莫来石作为烧变特征变质矿物[32]，研究区中石英的同质异象体方石英、鳞石英等更能有效表征烧变作用。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F008图8鳞石英＋方石英与三类石英总和比Fig. 8Total ratio of tridymite＋cristobalite to all types of烧变岩是一套在成因上有联系的热变质岩组合，包括底部与自燃煤层相近的较薄烧熔岩层，该层顶底发育板状烧烤岩，顶板状烧烤岩上发育层状烧烤岩。X20井顶底板烧烤岩的烧变石英质量与所有石英质量的比值分别为88.59%, 40.00%，且只在顶板状烧烤岩中磁铁矿、堇青石等发育。X10井板状烧烤岩中烧变石英与所有石英质量分数比值分别为93.35%，61.25%，二者虽然均发育堇青石，但X10-3烧变岩堇青石质量分数为22.6%，X10-1仅为9.9%，因此，X10-1板状烧烤岩可能是一期已经被剥蚀的烧变岩组合的底板。4.3烧变岩分布一般来说，煤层越厚，烧变岩厚度越厚，例如火烧区边界位置也是煤层减薄的位置。除此之外，烧变岩的分布与煤自燃时间、出露高度、古地理气候环境等相关。从平面来看，研究区烧变岩最大的特点是“隐伏”，除一部分在露头显示之外，烧变岩大体深埋于地下，表层覆盖最大20 m厚的第四纪沉积。这种特点在西部紧邻的柠条塔井田南部亦有出现[33]，该邻区仅延安组12段发生烧变，其下22段煤层完全保留，且上覆的直罗组风化基岩仍存在，顶部保德组红土层不整合上覆于直罗组之上，因此其烧变作用发生的时间从侏罗世晚期至晚中新世保德期前均有可能。研究区张家峁煤田缺失延安组12段，延安组22、31段及以下的延安组41、51段均发生了烧变作用，不同时期的“隐伏”烧变岩层相互叠置，可见历史时期中该地层应该被抬升接近地表发生烧变，而后再次隐伏下来(见图9)。10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-02-017.F009图9张家峁井田延安组烧变岩层地质剖面Fig. 9Geological profile of the Yan’an formation burnt rock strata in Zhangjiamao Well Field对研究区烧变岩的形成期次问题目前争议颇多，前人利用地层接触关系、磷灰石裂变径迹测年、锆石测年，得到了中晚侏罗世、晚白垩世、渐新世、第四纪不同时期等多个年龄，时间跨度从(1.43±0.09)Ma至(148.6±9.2)Ma多个时期[3, 4, 34-35]。目前主流的认识是，掩埋地层抬升风化暴露地表发生烧变作用，并结合黄河等河流侵蚀时间认为烧变发生的主要时间为是上新世早期以来[36-38]。但本研究发现，不同层段隐伏的烧变岩具有叠置关系，X10井顶部发现了底板状烧变岩，且在X9井延安组22段烧变岩层上的正常延安组地层中发现了非晶态成分，这些证据都说明，在上新世沉积前，甚至侏罗世沉积时期即可能存在烧变作用。研究区所在的鄂尔多斯盆地东北部受燕山运动主幕构造变动的影响[39-40]，自晚侏罗世以来持续遭受抬升剥蚀，晚白垩世至古近纪，全区处于缓慢隆升状态，这一构造背景为烧变作用的发生提供了有利条件。许云对鄂尔多斯盆地中侏罗世延安组古野火事件进行了研究，确定该时期鄂尔多斯盆地大气中的古氧气体积分数可高达27.9%，仅中国西北地区泥炭沼泽系统野火释放的CO2量就相当于目前大气圈中CO2总量的57.7%，5组主要煤层的顶底板中均发现了大量炭屑，因此侏罗世延安组同沉积时期中存在烧变作用也有可能[41]。5结论1)张家峁煤田延安组22、31段烧变岩为低碱性硅铝质(长英质)变质岩，其镁铁组分含量相对较少，相较原岩Fe元素迁移聚集。微量元素Rb、Ba、Y、Zr、Pb相对富集，其中Zr含量异常高，Zr相容性比Hf更高。稀土元素分配模式相较于球粒陨石而言，与上地壳更具有相似性，趋势线表现为轻稀土富集型，烧变作用对稀土元素的分配影响相对有限。2)烧变岩的矿物变质相组合可以分为两类。①烧烤岩：鳞石英＋方石英＋赤铁矿＋堇青石＋方解石＋莫来石＋非晶态。②烧熔岩：辉石＋方解石＋非晶态。黏土矿物含量极少，没有云母类矿物，长石以斜长石为主，发育具烧蚀特征的高温斜长石，发育具高温特征的鳞石英和方石英。角闪石类－辉石类暗色矿物在烧熔岩中发育，钙质硅酸盐仅发育方解石，富铝硅酸盐发育莫来石，富铁氧化物种类较多，如堇青石、赤铁矿、磁铁矿等。矿物相组合也与热接触变质作用中发生高热变质的透长岩相相近，二者均是低压、高温变质环境的产物，但变质矿物组合之间存在差异。3)研究区烧变岩具有“多层叠置、主体隐伏”的特点。研究区张家峁煤田火烧区是在长时间跨度的地质历史中逐渐形成的，同沉积烧变作用发生后混入同期沉积物中；而早期形成的烧变岩层后期被破坏，在长期抬升剥蚀的暴露环境下，多期烧变地层相互叠置形成。