煤中矿物质是煤的重要组成部分，包括肉眼和显微镜下可鉴定的矿物，以及镜下难以鉴定的与有机质结合的金属元素(Harvey and Ruch, 1986)，其含量、分布及赋存状态对研究成煤环境和煤炭加工有重要意义。岩浆侵入是一种特殊的地质活动，岩浆侵入煤层，会使煤中元素发生变化(Wang et al., 2012；Dai et al., 2013, 2015；Zheng et al., 2015)，如Dai等(2015)对大青山煤进行研究发现，沉积物源区与酸性热液对煤中矿物有显著影响，李秀芝等(2014)研究发现煤变质呈天然焦后，出现了后生矿物镁绿泥石和微斜长石，这些变化对煤质及煤利用过程中的生态环境效应将会产生重要影响。

淮北煤田卧龙湖煤矿发育大量岩浆岩，岩-煤蚀变作用强烈，是典型的燕山期岩浆侵入井田之一。一些学者对蚀变煤及侵入体中微量元素进行了研究(Chen and Zhao, 2011；Yan et al., 2013；黄晓雨等，2015)。但这些研究都主要停留在井田尺度，对于微观尺度的环境矿物学分析相对较少(徐德金，2011；Jiang et al., 2011)，对矿物质的种类含量及赋存成因等没有深入讨论。本文以淮北卧龙湖煤矿岩浆蚀变煤层作为研究对象，运用现代测试技术对样品的灰分、水分、挥发分、各形态硫的含量及矿物微形貌和物相进行表征研究，以探索岩浆侵入对煤中矿物含量及赋存状态的影响。

卧龙湖煤矿位于安徽省濉溪县铁佛、岳集两镇境内，属于濉萧矿区受岩浆影响最严重的井田之一；构造上位于宿北断裂与丰县-涡阳断裂交汇处，南部为北北东向倾斜的单斜构造，向北为短轴状的张大庄背斜和孟庄向斜组成的褶曲构造。矿井内钻孔揭露的主要煤系地层为石炭系和二叠系，其中二叠系所含煤层自下至上分别为山西组、下石盒子组及上石盒子组，山西组含10、11两个煤层，下石盒子组含4、5、6、7、8五个煤层，上石盒子组含1、2、3等3个煤层。

矿区侵入岩体发育强烈，主采煤层6、7、8、10煤层遭受严重侵蚀，岩浆自南向北顺层侵入，由浅至深分布范围、岩体规模均逐渐增大。勘探显示，8号煤层中部被一个规模较大、相对平稳的岩体侵入，周围形成一个较大的蚀变带。距离岩体越近，煤层遭受变质程度越强。岩浆岩侵入产状多为岩床、少为岩脉，根据同位素年代表(胡绍祥，2008)，卧龙湖煤矿岩浆岩是晚侏罗世-白垩纪燕山运动晚期的岩浆活动产物。

样品采自卧龙湖煤矿岩浆侵入区一个含侵入岩体的煤层剖面，煤层顶板为砂岩，底板为泥岩，煤层厚度约3.5 m，岩浆侵入体厚度最大0.95 m，最小0.5 m。距离侵入体不同距离采集了9个样品，其中3个侵入岩样品以及3个蚀变带煤样品、3个蚀变煤样品(图 1)。所有样品均为井下系统刻槽取样，每个样品重约1 kg，样品采集后用塑料袋密封保存，以免水分散失和可能的污染，于实验室中自然风干备用。样品分成两组，第1组进行磨片处理，于安徽大学分析测试中心进行光学显微镜鉴定(图 2)；第2组研磨过200目筛后分成两部分，一部分于中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室进行LTA-XRD测试，另一部分于安徽大学测试中心进行工业分析及各形态硫的测定(测试结果见表 1)。

图 1

1-岩浆岩，2-砂岩(顶板)，3-泥岩(底板)，4-煤层，5-样品采集及编号(R-侵入体，T-蚀变带，C-蚀变煤) 图 1 卧龙湖煤矿采样示意图 Figure 1 Sampling map of the Wolonghu Coal Mine

图 2

(a)蚀变带(手标本照片)；(b)侵入体镜下照片(正交偏光)；(c)侵入体镜下照片(反射光)；(d)蚀变带镜下照片(反射光)；(e)蚀变煤镜下照片(反射光)；(f)蚀变煤镜下照片(正交偏光)；Hbl-角闪石；Pl-长石；Qtz-石英；Py-黄铁矿；Ank-铁白云母 图 2 卧龙湖煤矿不同蚀变程度煤样品野外及偏光显微照片 Figure 2 Photos and micrographs of various altered coal samples in alteration zone between coal and intrusive rocks

表 1

表 1 样品中矿物、灰分、挥发分、水分以及不同形态硫的含量 Table 1 Contents of minerals, ash, volatile, water, and various kinds of sulfur for various samples

表 1 样品中矿物、灰分、挥发分、水分以及不同形态硫的含量 Table 1 Contents of minerals, ash, volatile, water, and various kinds of sulfur for various samples

工业分析及硫含量测定：灰分、挥发分、水分及固定碳的测定，参考《GB/T212-2001煤的工业分析方法》；采用WS-S101自动测硫仪测试样品中总硫的含量；硫酸盐硫、黄铁矿硫及有机硫的测定参照《GB/T215-2003煤中各种形态硫的测定方法》。

光学显微镜鉴定：将磨制好的薄片在偏光显微镜(DM2500) 下观察其组成煤样的内部结构。所有试样先对标本进行肉眼观察，再对其薄片进行单偏光和正交偏光观察，根据光性特征综合鉴定其中的矿物成分。

X射线粉晶衍射分析：将过200目筛的煤样进行低温灰化，并与岩石样品一起采用D/max-2500/PCX射线衍射(XRD)仪(日本RIGAKU公司)测定，采集样品X射线粉晶衍射图谱。采用MDI jade5.0软件判断样品的主要物相组成，并用Siroquant软件对矿物进行定量。实验测试条件：Cu靶，电压40 kV，电流100 mA，扫描步宽0.02°，狭逢系统：αSS=1°、αRS=0.3 mm；扫速率为2(°)/min；扫描范围(2θ)为2.5°~70°。

侵入岩由灰白色、隐晶质块状结构的中-基性次火山岩组成。其主要以辉绿玢岩为主，少见辉绿岩、花岗闪长岩等。显微镜下观察，火山岩主要由结晶完整的粒状斜长石组成，大小一般为1.5~3.5 mm，少见大至5 mm以上；基质主要由长石类、绿泥石、角闪石、石英、铁白云石等矿物组成，约含45%~60%(图 2b、2c)。

侵入岩和黑灰色煤层构成一条长程平直、局部凸凹的颜色突变“面型”界线(图 2a)；该界线的岩体侧发育着一条呈链状的黄铁矿带(图 2d)；近煤侧可见一条不规则连续的石英脉(图 2d)。

卧龙湖煤矿煤岩样品中煤质组分如表 1所示。由表 1可知，卧龙湖煤矿煤层灰分含量均值为19.67%，挥发分含量均值为8.06%，总硫含量均值为0.40%。按照《GB/T15224-2004煤炭质量分级》标准可知，卧龙湖矿区煤属于中灰分、特低挥发分、特低硫煤。由煤中灰分、黄铁矿硫、有机硫的分布图(图 3)可以看出，灰分在煤中随距侵入体距离的增加，产率逐渐减少，黄铁矿硫随煤变质程度的升高有所增加，有机硫含量有降低趋势，原因可能是岩浆热液黄铁矿通过裂隙向煤层渗入导致黄铁矿硫增加，侵入岩体的高温使部分有机硫挥发。

图 3

图 3 煤中灰分、黄铁矿硫、有机硫的分布 Figure 3 Content variations of ash, pyritic sulfur, and organic sulfur in coal samples collected in locations gradually far away from the intrusion

岩浆热液与煤的高温接触，以及侵入体中微量元素、矿物向煤中渗入交换，均会导致煤的变质程度的加剧、矿物成分的改变(Chen et al., 2013)。由卧龙湖煤矿煤岩样品中矿物的相对含量(表 1)可知，卧龙湖矿区煤-岩蚀变带煤样品的主要矿物成分为石英、黄铁矿、伊利石、高岭石、方解石、菱铁矿和铁白云石。其中，石英的相对含量为8.3%，黄铁矿的相对含量为0.1%，伊利石的相对含量为60.9%，高岭石的相对含量为20.2%，方解石的相对含量为3.6%，菱铁矿的相对含量为0.2%，铁白云石的相对含量为6.9%。

为了进一步探讨煤中矿物成分与岩浆侵入体的关系，将侵入岩体、蚀变带煤、蚀变煤进行对比分析(图 4)。从表 1和图 4可以看出：石英、黄铁矿、方解石和铁白云石在蚀变带煤中的含量明显高于蚀变煤的含量。其中，从侵入体→蚀变带煤→蚀变煤，石英含量逐渐降低，可能是在岩浆侵入后期，富Si的热液流体逐渐冷却，Si离子减少造成的；黄铁矿的含量变化的原因，推测是随着岩浆热液的冷却，岩浆侵入产生的气液及气液中夹带的Fe元素随之减少，因此蚀变煤中黄铁矿的铁离子可能有部分来自岩浆热液；方解石在蚀变带煤中增加，主要是由于煤与围岩交代的物质交换；铁白云石从蚀变带煤到蚀变煤中含量呈降低趋势，可能是在岩浆侵入过程中距离侵入体越远，产生的裂隙减少，铁白云石在裂隙中沉淀的含量则减少。从侵入体→蚀变带→蚀变煤，高岭石与伊利石含量逐渐增高，一方面可能是热液流体通过蚀变煤层的裂隙将黏土矿物带入侵入体内，另一方面则可能是原煤中存在的一些矿物于低温下转化为高岭石与伊利石。

图 4

图 4 不同蚀变程度样品中矿物含量分布 Figure 4 Contents of minerals in various altered coal samples in the alteration zone between coal and intrusive rocks

蚀变煤中出现部分菱铁矿，而在蚀变带煤中未发现，任德贻等(2006)认为蚀变煤中的菱铁矿是由其中的方解石在酸性介质条件下分解、在低温热液条件下转化而成。岩浆热液侵入煤层，在多种条件作用下导致煤中矿物的种类和含量发生改变。

石英在侵入体中主要呈无规则他形存在，或充填于其他矿物晶体之间，或包裹于其他矿物中，由于石英结晶时间较晚，其生长受相邻矿物晶体间的空间限制，无法生长成完整自形晶，故其形状取决于相邻矿物晶体遗留空间的形状(图 2b)；蚀变带内石英主要呈自形-非自形，充填于矿物间裂隙内(图 2d)；蚀变煤中石英一般认为来源于陆源物质，在成煤过程中经地质作用进入煤层(郑刘根等，2013)。

侵入体内黄铁矿多呈自形-半自形分布于碳酸盐化的长石外围，多为次生石英包裹(2d)，推测为岩浆中的Fe²⁺与水体向煤层提供的S^2-结合形成；蚀变带内黄铁矿发育良好，晶形发育较为完整，多为五角十二面体形及八面体形，分布相对致密，呈不规则链状与自形-非自形的石英、长石平行分布于侵入体与蚀变煤层之间(图 2d)；蚀变煤中黄铁矿与铁白云石共同充填于条带微裂隙中(图 2e、2f)，推测为岩浆侵入导致煤层破碎，致使蚀变煤中广泛发育微孔和裂隙，这些次生微裂隙可以连通岩浆或热液向热变质煤中输送矿物的通道，也是后生矿物在天然焦中形成的场所，铁白云石和黄铁矿随岩浆后期热液进入蚀变煤的微孔和裂隙中沉积(Yao and Liu, 2012)。

硅酸盐矿物是岩-煤蚀变带中最主要的矿物质，以黏土矿物为主。

(1) 高岭石：侵入体中高岭石主要存在于侵入岩靠近天然焦的部分，推测是岩浆冷却形成的长石经热液蚀变的产物，或来自于岩浆侵入过程中煤岩物质交换(伏万军和刘文彬，1996；李秀芝等，2014)。在蚀变带及蚀变煤中，高岭石主要充填于结构镜质体或丝质体中，来源于远离海相沉积的陆源矿物(Mraw et al., 1983；邹建华，2012)。Wang等(2012)对云南桃树坪晚二叠世煤进行研究发现，高岭石作为方解石、铁白云石、菱铁矿及小颗粒石英的基质存在于煤中。

(2) 伊利石：伊利石是介于云母和高岭石及蒙脱石间的含钾矿物，是煤中主要的黏土矿物之一。伊利石的形成原因既可以是陆源的，也可以是煤盆地中的自生矿物(郑刘根等，2013)。皖北卧龙湖矿区8煤层属于典型的陆源沉积环境，其形成可能与燕山运动形成的侵入体有关。煤中有机质在侵入体的高温热液下发生分解，钾离子与高岭石反应生成伊利石。Ward(1989)对澳大利亚煤的研究发现，伊利石是由于蒙脱石与岩浆侵入体接触形成的。Dai等(2012)对内蒙古阿刀亥矿研究发现2区和3区煤中富集氨氮伊利石，原因是热液在蚀变过程中煤中有机质分解，高岭石与氮在高温下发生相互作用形成的。

(3) 鲕绿泥石：鲕绿泥石只存在于侵入体中，蚀变带及蚀变煤中没有检测到相应的特征峰。鲕绿泥石是一种铁质绿泥石，单斜晶系，呈鲕状集合体，常与高岭石共存，是富铁流体与高岭石在早期成岩过程中交代形成的(Zhao et al., 2013)。

(4) 钙长石：钙长石是重要的硅酸盐矿物，属于斜长石系列，是侵入体的主要造岩矿物，镜下观察发现其两组解理为86°，沿解理面呈聚片双晶(图 2b)。

(5) 角闪石：角闪石属于岩浆岩的原生矿物，是重要的造岩矿物之一，仅在偏光镜下发现，低于X射线仪的检测限，主要以特有的菱形状六面体自形晶存在，发育平行{110}的完全解理，两组解理夹角为124°和56°，依{100}面呈接触双晶(图 2b)，可由辉石蚀变而成(张立成等，2013)。

卧龙湖岩煤蚀变带中含有的碳酸盐矿物主要包括铁白云石、方解石和菱铁矿。

铁白云石是岩浆侵入和煤岩热变质过程中产生的CO₂与岩浆反应生成的产物。方解石主要来自于岩浆后期热液蚀变作用，随岩浆后期热液进入天然焦中或来源于煤与围岩交代作用的物质交换。菱铁矿在蚀变煤中常与黄铁矿共生，这是由于成煤早期阶段菱铁矿形成以后，介质条件由偏氧化环境变为偏还原的环境，当有足够的S^2-出现时，黄铁矿交代了菱铁矿(白向飞和王越，2013)。

(1) 岩浆侵入导致煤灰分增加，变质程度增加，致使黄铁矿硫与有机硫重新分配。

(2) 岩浆热液侵入煤层，在多种条件共同作用下导致了煤中矿物的种类和含量发生了改变。卧龙湖矿区煤-岩蚀变带煤样品的主要矿物成分为石英、黄铁矿、伊利石、高岭石、方解石、菱铁矿和铁白云石。

(3) 由侵入体→蚀变带→蚀变煤，石英、铁白云石及黄铁矿含量逐渐降低，可能是接触热变质、富硅热液、富铁热液及元素迁移等作用的结果。

(4) 石英、黄铁矿及碳酸盐矿物来源于岩浆热液；高岭石、伊利石来源于陆源沉积矿物，鲕绿泥石则由高岭石在早期成岩过程中由富铁流体交代形成。