时志强, 王美玲, 陈彬. (2021). 中国北方烧变岩的分布、特征及研究意义* [J]. 古地理学报, 23(6): 1067-1081.
Shi Zhi-Qiang, Wang Mei-Ling, Chen Bin. (2021). Distribution,characteristics and significances of burnt rocks in northern China[J]. Journal Of Palaeogeography, 23(6): 1067-1081.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2021.06.068
Permissions
Copyright©2021, 《古地理学报》编辑部
版权所有.《古地理学报》编辑部
中国北方烧变岩的分布、特征及研究意义*
时志强1, 王美玲1, 陈彬2
1 成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 610059
2 聊城大学地理与环境学院,山东聊城 252000

第一作者简介 时志强,男,1972年生,成都理工大学沉积地质研究院教授。E-mail: szqcdut@163.com。

收稿日期:2021-07-06 修回日期:2021-09-03
基金资助:*国家重点基础研究发展计划(973计划)(编号: 2015CB453001)资助
摘要

中国北方烧变岩分布广泛,见于以昆仑山—秦岭—大别山为界的中国北方地区多个沉积盆地边缘,但地质学家对其研究较为薄弱。野外调查显示中国北方烧变岩主要以 4种方式分布: ( 1)大面积连片分布,( 2)沿山脉走向的线状分布,( 3)沿河流下切河谷分布,( 4)为第四系黄土覆盖。烧变岩主要为侏罗系、石炭—二叠系煤层自燃所致。各类型的烧变岩在中国烧变岩区不同程度发育,具瓷化结构、白化结构、烧熔结构、残余构造、气孔构造、微柱状节理、角砾状构造、垮塌构造、裂缝充填等结构和构造。其颜色以砖红色、赭红色、棕色、钢灰色最为典型,岩石中发育鳞石英、方石英、堇青石、铁堇青石、莫来石等典型高温矿物。中新世以来,中国西部、北部地区构造活动强烈,干旱气候加剧,烧变岩也主要形成于这一时期,但煤层自燃与构造运动、环境变化、古野火事件的耦合关系还鲜有提及,其所蕴含的各种地质信息值得在今后的研究中予以关注。

关键词: 烧变岩; 煤层自燃; 燃烧变质作用; 古野火; 含煤地层
中图分类号:P588.3 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)06-1067-15
Distribution,characteristics and significances of burnt rocks in northern China
Shi Zhi-Qiang1, Wang Mei-Ling1, Chen Bin2
1 Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
2 School of Geography and Environment,Liaocheng University,Shandong Liaocheng 252000,China

About the first author Shi Zhi-Qiang,born in 1972,is a professor of Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology. E-mail:szqcdut@163.com.

Fund:National Key Basic Research and Development Program of China(973 Program)(No.2015CB453001)
Abstract

Burnt rocks are widely distributed in many sedimentary basins located in the northern China that are bounded by Kunlun mountain-Qinling-Dabie mountain. However,few studies have focused on the origin,age and geological significance of these kinds of metamorphic rocks. Based on our field investigation,four distribution modes of the burnt rocks are found: (1)large area distribution,(2)linear distribution along the mountain range alignment,(3)distribution along the river incised-valley and(4)covered by the Quaternary loess. These burnt rocks were mainly caused by the self-ignition of Jurassic and Carboniferous-Permian coals. Various burnt rocks developed in the burnt rock area on different levels. The vitrified structure,whitened structure,lava structure,residual structure,pore structure,columnar jointing structure,breccia structure,fissure structure and filling minerals are often found in these burnt rocks. The burnt rocks are mainly red,mixed with brown,black and steel-gray colors. The typical high temperature minerals as cristobalite,tridymite,cordierite,sekaninaite and mullite are common in these burnt rocks. The active tectonic movements and arid climate in northwestern China triggered the formation of burnt rocks since the Miocene. The relationship between the palaeotectonic,palaeoclimate,palaeo-wildfire and the coal self-ignition,however,has been seldomly studied. Such information implied from the formation of burnt rocks should be paid more attention in the future work.

Key words: burnt rock; coal self-ignition; combustion metamorphism; palaeo-wildfire; coal-bearing stratum

开放科学(资源服务)标识码(OSID)

作为一种灾难性现象, 煤火在全球分布广泛, 其起因是自然的(如煤层自燃或由森林火灾、雷击、强烈的太阳光引燃煤层)或人为的(如由采矿活动而引燃煤层)(Silva and Ká tia, 2011)。广义的煤层自燃指自然条件下煤的燃烧, 其影响因素已被广泛研究(如Beamish, 2005; Kus et al., 2007), 并认为煤层的暴露及其与空气的接触是煤层自燃必不可少的条件(Zhang et al., 2004; Querol et al., 2011)。构造抬升、地层风化剥蚀及河流下切等多种地质过程将煤暴露于地表, 从而易于引发煤火(Beamish, 2005; Kus et al., 2007; 黄雷, 2008; Querol et al., 2011; Song and Kuenzer, 2014)。根据煤火的年龄, 可将其分为现代煤火和古煤火(Kuenzer and Stracher, 2012)。现代煤火主要是人为的, 而古煤火通常是非人类影响下煤的自燃(Song and Kuenzer, 2014), 其结果是在地质历史时期形成烧变岩。由于相应研究欠缺, 上新世— 更新世古人类用火与煤层自燃的关系至今未见详细的文献报道。

烧变岩(燃烧变质岩)由燃烧煤炭时产生足够的能量烘烤或烧熔邻近的岩石而产生(Sokol et al., 2007; Stracher et al., 2015)。烧变岩经历高温— 低压变质作用, 因氧化和脱水作用而导致岩石质地、结构和颜色发生变化(Stracher et al., 2015), 形成燃烧变质复合物(Kuenzer and Stracher, 2012; Stracher et al., 2015)。热变质作用使得烧变岩的外观呈彩色、钢灰色或红色的玻璃状、瓷质或砖状(Novikov et al., 2008; Ž á č ek et al., 2010)。在中国, 烧变岩常作为有效的煤矿找矿标志(刘志坚, 1959; 刘长龄, 1988), 因烧变岩常具大量孔隙而常成为煤层附近的含水层, 煤田工作者常关注附近煤层在开采过程突然大量涌水的威胁(贺卫中, 2002; 侯恩科等, 2017), 或利用烧变岩潜水作为煤矿矿井的供水水源(夏斐等, 2008)。烧变岩本身也常具有矿产价值, 可在烧变岩中开采陶瓷原料、耐火材料、铝质校正原料、园林观赏石和建筑材料(刘长龄, 1988; 王尤宏, 1993; 王志宇等, 2020)。笔者研究团队近年来的研究显示, 烧变岩可能和砂岩型铀矿富集有关(时志强等, 2016; Shi et al., 2020), 也可形成具有旅游景观价值的特殊地貌单元(时潜和陈彬, 2017; Chen et al., 2021)。

由于受高温的影响, 烧变岩可以提供古煤火的潜在证据(Heffern and Coates, 2004; Sokol et al., 2007)。作为一种特殊的高温变质岩(王玉山, 1986), 烧变岩质地坚硬, 相对抗侵蚀, 常形成悬崖和阶地地貌(Heffern et al., 2007; Riihimaki et al., 2009)。受古气候控制的大气降水影响, 烧变岩在中国北方大量分布, 而在南方未见报道。国外所见煤层自燃所致的烧变岩主要分布于北美(Heffern and Coates, 2004; Reiners et al., 2011; Zilberfarb, 2014)及中亚地区(Novikov and Sokol 2007; Novikov et al., 2008, 2016), 其特征、形成时代以及古地貌(河流下切、溯源侵蚀等)、古气候(干旱湿润、冰期— 间冰期等)等影响因素已有深入研究。相对而言, 烧变岩在中国的研究零星而不系统, 鲜有文献涉及烧变岩蕴含的古环境、古地貌、古野火等多种地质信息。鉴于烧变岩在中国北方分布广泛, 其古气候、古构造、古地貌等地质意义不容忽视。

1 中国烧变岩的分布与时代
1.1 中国烧变岩的分布

1.1.1 地理分布

据已有文献及笔者地质调查结果, 中国烧变岩主要分布于以昆仑山— 秦岭— 大别山为界的中国北方地区(韩德馨和孙俊民, 1998; 陈凯等, 2020), 在气候较为湿润的中国南方未见报道。

在中国北方地区主要分布于伊犁、准噶尔、塔里木、吐哈、鄂尔多斯、二连等沉积盆地边缘有煤层出露的地方(图 1), 在天山等山脉的山前地带(即盆地边缘)、黄河沿岸也有较为广泛的分布。笔者近年来实地考察了国内多个沉积盆地边缘的烧变岩地质露头, 野外实际调查及前人研究显示, 无论地表煤层的厚、薄, 有煤层出露的地方都可能形成烧变岩(图 2), 在伊犁、鄂尔多斯盆地的钻井显示地表黄土之下亦有可能形成烧变岩。其分布范围在中国北方东西横跨35° 经度(从伊犁盆地到太行山南麓)、南北跨度大于15° 纬度(从鄂尔多斯盆地到准噶尔盆地)。其分布区域与中国目前的干旱化— 半干旱化地区基本一致, 但其在地质历史时期与干旱气候的耦合关系还鲜有文献提及。

图 1 中国北方已知的烧变岩分布Fig.1 Distribution of burnt rocks known in northern China

图2 中国北方烧变岩露头宏观特征
A— 伊犁盆地南缘苏阿苏沟; B— 准噶尔盆地南缘五工梁; C— 准噶尔盆地南缘乌鲁木齐西山; D— 准噶尔盆地东北缘火烧山, 见大面积红色烧变岩; E— 吐哈盆地中部火焰山, 阴燃导致煤层中夹红色薄层; F— 鄂尔多斯盆地东北部神木白柳兔, 见红色烧烤岩被第四系黄土覆盖; G— 鄂尔多斯盆地东缘耀州崔家沟; H— 黄河沿岸河曲旧县; I— 河南西北部焦作刘庄后沟。A~G为侏罗系煤系地层中发育的烧变岩, H和I为石炭— 二叠系含煤地层中发育的烧变岩Fig.2 Macroscopic characteristics of outcrops of burnt rocks in northern China

1.1.2 分布方式

中国北方烧变岩分布范围与地表(或黄土覆盖的近地表)煤层一致, 一般以4种方式分布: (1)大面积连片分布。这主要出现在鄂尔多斯盆地东北部及准噶尔盆地东部(图 1), 面积可达数百甚至上千平方千米, 与侏罗系煤层大面积出露有关, 通常位于埋深较浅的大型、特大型煤田的边缘地区。(2)沿山脉走向的线状分布。位于盆地边缘(即造山带前缘), 其产出状态与煤层在山前的线状分布有关, 常产出于天山南缘和北缘(即伊犁盆地南缘、准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘、吐哈盆地南缘等)、祁连山北缘、太行山南缘等。(3)沿河流下切河谷分布。产出于黄河沿岸及新疆、山西等地一些河流的阶地, 烧变岩在高阶地的分布更为普遍, 但在黄河河谷Ⅰ 级阶地、Ⅱ 级阶地也发现烧变岩, 其形成年代较为年轻。(4)为第四系黄土覆盖。在伊犁盆地南缘、鄂尔多斯盆地东北部常见烧变岩为第四系黄土覆盖, 主要覆盖物为晚更新世马兰黄土(图2-F), 亦见被第四系下部砾石层覆盖者, 显示侏罗系煤层的暴露与自燃发生于第四纪黄土沉积之前。从烧变岩产出状态、形成时代(如由铀— 钍/氦同位素年龄显示较多的煤层在上新世自燃)分析, 中国北方第四系黄土覆盖区可能存在大量烧变岩未出露地表。

1.1.3 分布层位

烧变岩赋存的层位与地表或近地表煤层时代一致。中国北方常见侏罗系煤层, 因而烧变岩主要赋存于侏罗系岩层露头中, 见于西北地区的八道湾组、三工河组和西山窑组(图2-A至2-E), 在鄂尔多斯盆地, 其主要发育于延安组(图 2-F至2-H)。古生界(石炭系— 二叠系)煤层在新生代燃烧所致的烧变岩主要见于黄河沿岸, 如在陕西东北部、山西、河南西部等地区(图2-I)。在二连、酒泉等盆地偶见发育在白垩系中的烧变岩。

1.2 中国烧变岩的形成时代

已开展研究的国内烧变岩常见于鄂尔多斯盆地东北部地区(Grapes et al., 2009; 黄雷和刘池洋, 2014; 时志强等, 2016; 王志宇等, 2020; 张跃恒等, 2020)和准噶尔盆地(单金榜, 1986; Zhang et al., 2004; 曹博等, 2020; Chen et al., 2021), 此外在伊犁盆地(时志强等, 2016; Shi et al., 2020)、塔里木盆地北缘(业渝光等, 1998; 李明星, 2018)等地见零星报道。在早期的研究中, 王玉山(1986)将烧变岩归为一种特殊而少见的变质岩, 刘志坚(1959)认为烧变岩兼具三大类岩石的特点, 可将其作为三大类岩间的一种新型岩类。根据其特征及受热温度, 研究者通常将中国西北地区的烧变岩进行了分类(管海晏等, 1998; 黄雷, 2008; 时志强等, 2016)。近年来, 研究者对于中国烧变岩的研究也关注了其岩石学、矿物学特点、古地貌因素及煤层自燃过程, 如Grapes等(2009)对黄河沿岸烧变岩的矿物学特征进行了深入研究; Zhang 等(2020)对鄂尔多斯盆地烧变岩的矿物学和地球化学特征进行了研究, 并指出烧烤岩中含有的矿物组合; 陈彬(2021)关注了伊犁、准噶尔、鄂尔多斯等盆地边缘烧变岩的形成过程及古地貌。

尽管烧变岩在中国分布广泛, 但国内关于烧变岩形成时代的研究较为薄弱, 仅有零星的年龄数据, 如业渝光等(1998)曾用电子自旋共振(ESR)方法确定塔里木盆地库车河烧变岩形成年龄为3.26Ma和2.37Ma; Novikov和Sokol(2007)利用Ar-Ar同位素测年方法确定中亚地区(含天山北缘)燃烧变质事件年代集中于1.2± 0.4Ma和0.2± 0.3Ma; 黄雷(2008)根据裂变径迹测试推测鄂尔多斯盆地东北部烧变岩的形成时间为晚白垩世末期至第四纪, 且具阶段性烧变的特征; 孙家齐等(2001)以K-Ar 同位素测试的乌鲁木齐煤田自燃烧变岩年龄为0.158~0.164Ma。笔者近年来用锆石铀— 钍/氦及磷灰石裂变径迹方法获得了伊犁、准噶尔及鄂尔多斯等盆地边缘部分烧变岩年龄, 显示中国北方煤层自燃可能存在5.0Ma± 、1.5Ma± 及0.5Ma± 的燃烧峰值。根据目前较为有限的年龄数据分析, 中国烧变岩显示出时间跨度大、以上新世和更新世为主的特点, 不同地区的烧变岩形成时代有差异。

2 烧变岩颜色、分类及结构构造

除了在中国北方、特别是西北地区分布外, 烧变岩在中亚地区和北美地区也广泛分布, 并被广泛研究。全球烧变岩的分类、颜色、矿物组成、结构构造是大致相同的。本次研究涉及烧变岩的总体特征, 并指出中国烧变岩的特点及最新研究进展。

2.1 颜色

烧变岩最显著的岩石学特征是其独特的、较鲜艳的颜色(图 2, 图 3), 气候干旱区或燃烧时代较近的烧变岩, 其所受风化作用弱, 颜色更为鲜艳。相对低温条件下形成的烘烤岩, 其典型的变化是高岭石填隙物所致的白色砂岩或灰白色粉砂岩(图 3-F), 而烧烤岩通常呈现砖红色或赭红色(图 3-A, 3-E), 烧熔岩则通常呈现棕色、钢灰色或灰黑色(图 3-D, 3-G, 3-H)。烧烤岩的红色主要是由煤燃烧过程中铁的氧化所致, 在蚀变过程中发生赤铁矿侵染(Vassilev and Vassileva, 1996; Evans and Heller, 2003; Heffern and Coates, 2004; Suá rez-Ruiz and Crelling, 2008)。煤层的燃烧过程中, 煤层及原岩中的黄铁矿和菱铁矿转变为赤铁矿、磁赤铁矿与磁铁矿(Evans and Heller, 2003; Suá rez-Ruiz and Crelling, 2008), 而赤铁矿的红色和磁铁矿的黑色主导了露头的颜色。此外, 由于热变质程度的不同, 红色的深浅亦不同(Grapes, 2010), 覆盖在燃烧的煤层上的原岩由于铁的氧化作用, 岩石的颜色也逐渐从黄色变为更强烈的橙色和红色。在还原条件下, 煤热解形成的CO和H2等气体, 往往会导致氧化铁在烧熔岩中还原为磁铁矿(Heffern et al., 2007)。由于磁铁矿的存在, 烧熔岩主要表现为灰色或黑色。煤层在地腹的阴燃, 氧气供给不充分时亦可导致灰绿、蓝灰色烧变岩。

图 3 中国北方发育于侏罗系的烧变岩类型及颜色
A— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 煤灰之上为褐红色烧烤岩; B— 鄂尔多斯盆地东北部神木孙家沟岔, 白色煤灰及之上的红色烧烤岩(厚度薄)、褐色烧烤岩; C— 伊犁盆地南缘苏阿苏沟, 大套烧熔岩及煤灰之下发育黑色烧烤岩; D— 准噶尔盆地南缘硫磺沟, 钢灰色、褐黄色烧熔岩具角砾状构造; E— 准噶尔盆地东部火烧山, 褐红色烧烤岩普遍发育; F— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 红色烧烤岩与白色烘烤岩共生; G— 准噶尔盆地南缘五工梁, 杂色角砾岩; H— 鄂尔多斯盆地东北部榆林荒草界, 钢灰色、褐色烧熔岩Fig.3 Type and color of burnt rocks developed in the Jurassic in northern China

2.2 分类

自燃煤层的燃烧产物是煤灰, 其颜色一般为灰色或灰白色, 质地疏松, 轻压即碎, 具有滑感, 厚度通常为1~20cm(图 3-A, 3-B), 煤灰的成分以玻璃为主, 含有少量莫来石、尖晶石、硫酸盐和其他矿物(Hower et al., 2017; 陈彬(2021))。而烧变岩是煤层自燃过程中高温烘烤导致围岩高温变质而形成的一种特殊的变质岩(Heffern and Coates, 2004; Stracher et al., 2015)。根据其特征及受热温度, 有研究者将烧变岩划分为烧熔岩和烧烤岩(Bentor et al., 1981; Cosca et al., 1989; 管海晏等, 1998; 黄雷, 2008), 或更进一步划分为烧熔岩、烧烤岩和烘烤岩(Kuenzer and Stracher, 2012; 时志强等, 2016; 陈彬(2021))。这3种类型的烧变岩在中国北方都有广泛分布, 通常是根据垂向上距离燃烧中心的远近, 由近及远依次为烧熔岩、烧烤岩和烘烤岩, 在燃烧煤层的下部通常发育烧烤岩。自燃煤层的厚度制约着上覆烧变岩的厚度及烧变程度, 对于自燃的薄煤层, 上覆岩层可只有较薄的烧烤岩(图 3-B), 而厚煤层的燃烧可造就厚度达数十米的巨厚烧变岩, 其中烧熔岩及烧烤岩极为普遍(图 2-B, 2-C; 图 3-E)。

2.2.1 烘烤岩

常表现为受到低温烘烤, 热变质程度最低, 其形成在距离煤层燃烧中心最远或煤层阴燃处。相比正常沉积岩, 其颜色略微发生改变, 结构和构造未发生改变, 裂隙相对增加, 与正常围岩过渡(张渝等, 2016; Chen et al., 2020)。在中国北方烧变岩分布区常见白色砂岩, 毗邻红色烧变岩(图 3-F), 为煤层自燃过程中形成的表生低温热液改造所致(Chen et al., 2020), 被认为是低温烘烤岩的一种类型(时志强等, 2016; 陈彬(2021))。在显微镜下, 鄂尔多斯、伊犁等盆地边缘所见褐色、白色烘烤岩颗粒与原岩相比变化不大, 填隙物中可见铁质矿物(图 4-A), 白色烘烤砂岩中填隙物主要为高岭石(图 4-B, 4-C), 可见表生热液(时志强等, 2016)蒸腾岩石所生成的气体通道(图 4-B; Chen et al., 2020)。

图 4 中国北方烧变岩微观特征
A— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色烘烤砂岩中见铁质填隙物, 局部呈浸染状; B— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色烘烤砂岩中见水汽通道产生的孔洞(Chen et al., 2020); C— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色烘烤砂岩中见丰富的高岭石填隙物; D— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 红色烧烤岩中见大量被方解石充填的裂缝; E— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 褐色烧烤岩中发育高温黏土矿物; F— 鄂尔多斯盆地东北部高头窑, 红色烧烤岩中碱性长石呈现烧熔特征; G— 准噶尔盆地南缘五工梁, 灰白色烧烤岩中发育被方解石充填的裂缝; H— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 杂色烧熔岩中可见黏土质填隙物呈熔融微球状; I— 伊犁盆地南缘蒙其古尔, 钢灰色烧熔岩呈现的物质熔融特征, 裂缝发育Fig.4 Microscopic characteristics of burnt rocks in northern China

2.2.2 烧烤岩

当受热变质程度较低时一般为浅红色、红褐色或砖红色(图 3-A), 硬度略有增大, 岩石层理清晰, 结构和构造未改变, 基本上保留了原始砂岩或泥岩的层理特征(图 4-G), 常见保留结构清晰的植物痕迹(Novikov et al., 2008; Ž á č ek et al., 2010)。其显微特征以浸染状或广泛分布的褐铁矿等三价铁矿物填隙物为主要特征(Shi et al., 2020)。而当变质程度加剧, 原岩发生轻微的塑性变形, 但未完全发生熔融(Fediuk, 1987; Kuenzer and Stracher, 2012)。其最为显著的特征是岩石多呈现不同色调的鲜艳红色(图 3-E), 结构和构造有改变, 仅部分保留了原岩的特征(图 4-D, 4-E, 4-F), 质地较为坚硬, 主要呈现片状或板状构造, 随着烧变温度的升高, 烧烤岩会变硬变脆(陈彬(2021)), 从而致使裂隙发育(图 4-D, 4-G), 局部已有熔融迹象(图 4-F)。其在中国北方烧变岩区最为常见(图 3-C; 图 4-E), 原岩为泥质岩的烧烤岩中常发育微柱状节理、瓷化结构等。

2.2.3 烧熔岩

是原岩因煤的燃烧而高温熔化后快速冷凝形成的一种变质岩。主要呈现黑色、钢灰色或暗红色, 具有明显的玻璃质流动构造和迅速冷凝的外观, 具有金属光泽(Grapes et al., 2011)。在鄂尔多斯、准噶尔、伊犁等盆地的多个地区, 可见烧熔岩表面光滑, 具有水滴状下垂体。其较高的变质温度可使岩石呈熔融结构、炉渣状、角砾状、蜂窝状(图 3-D, 3-G, 3-H)。显微镜下可见熔融特征(图 4-H, 4-I)。

2.3 典型矿物

烧变岩矿物学特征取决于原岩的组分和燃烧变质强度。利用薄片观察和X射线衍射分析(XRD), 可对不同烧变岩中的矿物进行观察和定量测定(陈彬(2021))。烘烤岩和烧烤岩保存了原岩(沉积岩)的成分和矿物, 新生成的矿物主要是赤铁矿、磁铁矿、高岭石等, 其使得烧烤岩及烘烤岩发红或变白。烧烤岩和烧熔岩中主要的矿物包括石英、长石、鳞石英、方石英、堇青石、铁堇青石、莫来石、赤铁矿和磁铁矿等, 其中鳞石英、方石英、堇青石、铁堇青石、莫来石是由燃烧过程中高温变质反应的产物(Saxby, 2000; Baboolal et al., 2018)。不同变质程度的烧变岩具有的高温矿物组合不同, 因此, 利用烧变岩中存在不同的矿物组合, 可以明确烧变岩形成的最高温度(陈彬(2021))。

2.4 烧变岩的结构与构造

2.4.1 瓷化结构

原岩为泥岩的烧烤岩可呈瓷化结构, 其形成过程与瓷器的形成类似, 为经高温变质作用下泥质岩黏土成分变硬变脆所致(Cosca, 1989; 管海晏等, 1998; 黄雷, 2008)。具瓷化结构的烧变岩为烧烤岩, 其外观似陶片, 易碎裂, 颜色可呈灰白、土黄及淡褐色(陈彬(2021))。尽管该类烧变岩被诸多文献广泛提及, 但在中国的烧变岩区罕见, 笔者仅在鄂尔多斯盆地东北部的神木白柳兔剖面见具瓷化结构的烧烤岩(图 5-A)。

图 5 中国北方烧变岩结构与构造
A— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 具瓷化结构的烧烤岩; B— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色烘烤岩与红色烧烤岩共生; C— 伊犁盆地南缘乌库尔奇, 红色烧烤岩中的植物化石痕迹; D— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 红色烧烤岩中见层理构造; E— 鄂尔多斯盆地东北部高头窑, 具气孔构造的烧熔角砾岩; F— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 烧熔岩; G— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 红色烧烤岩中的柱状节理; H— 准噶尔盆地东缘火烧山, 红色烧烤岩中的柱状节理; I— 伊犁盆地南缘蒙其古尔, 烧熔角砾岩Fig.5 Structures and textures of burnt rocks in northern China

2.4.2 白化结构

在中国北方烧变岩发育地区, 常可见白色砂岩与红色烧烤岩共生(图 5-B), 白色砂岩为一种特殊的烘烤岩(时志强等, 2016; Chen et al., 2020)。这种岩石中偶见圆柱状气体逸出通道(图 4-B), 显示其成因和煤层自燃有关。X射线衍射分析显示白色砂岩的黏土矿物中高岭石占主导地位, 占总黏土矿物重量的70%~80%, 长石颗粒常被高岭石交代(陈彬(2021))。

2.4.3 烧熔结构

常发育于烧熔岩中。在煤层自燃过程中, 高温烘烤熔融围岩, 形成的熔岩发生一定的流动, 冷凝后, 在烧熔岩中形成的各种次一级的似玄武岩熔岩形态的构造, 如熔岩表壳构造和熔岩空洞构造等(Grapes et al., 2009, 2011)。该现象在中国烧变岩中广泛发育, 主要产于烧变岩厚度较大(即厚煤层剧烈自燃过)的地区(如图 5-F)。具烧熔构造的烧熔岩其表面较为平坦和光滑, 具玻璃状表皮, 在烧熔岩空洞中, 可见水滴状的下垂体, 为残留在洞壁的液态熔岩在重力作用下形成(陈彬(2021))。

2.4.4 残余构造

原岩在热变质作用过程中, 由于重结晶、玻璃化、变质结晶作用不完全, 原岩(一般为沉积岩)的构造特征被部分保留下来, 其主要保存于烘烤岩和低温烧烤岩中(Zhang et al., 2020)。在鄂尔多斯盆地、伊犁盆地等均可见红、褐色侏罗系含煤地层中(显示为烧烤岩)的植物化石痕迹(图 5-C)。在原岩为砂岩的低温烧烤岩中, 亦常见平行层理(图 5-D)、交错层理、沙纹层理等沉积构造的残余。

2.4.5 气孔构造

气孔构造(图 5-E)是烧变岩中常见的一种构造, 为岩石中可燃或挥发性物质被燃烧或挥发后、岩石内或表面产生的圆形或椭圆形气孔空洞(陈彬(2021))。主要发育在烧熔岩中, 以烧变炉渣状烧熔岩中的气孔构造最为发育, 在中国北方广泛可见。此外, 在烧烤岩中也存在气孔构造, 通常被认为是煤层自燃产生的高温在大气压力下导致燃烧煤层之上的沉积物膨所引起; 在烧熔岩中, 当温度达到1050~1100℃以上, 熔体会形成脱气通道, 具有囊泡状外观(陈彬(2021))。

2.4.6 微柱状节理构造

火山岩、如玄武岩常具柱状节理。而烧变岩中的柱状节理(图 5-G, 5-H)发育在原岩为泥岩的烧烤岩中, 单个柱状体长为5~20cm, 直径为5~10mm, 横截面多为四边形或五边形, 少见六边形(图 5-G, 5-H), 笔者称之为微柱状节理。其常表现为一端粗而另一端收缩变细的特点, 有时群体常呈锥形体(陈彬(2021))。微柱状节理的形成与加热和冷却有关(Grapes, 2010), 此外有机物氧化过程中质量和体积损失, 以及重结晶过程中结构和孔隙的变化同样是棱形柱状体形成的因素(Weinberger and Burg, 2019)。

2.4.7 角砾状构造

在较高温度下, 岩石熔融会造成体积收缩, 此外煤层烧空区也存在垮塌现象, 这都会造成烧变岩裂隙及孔洞发育, 部分岩层紊乱, 支离破碎, 烧变岩和围岩垮塌破碎成角砾状, 形成角砾状构造, 角砾被熔体胶结在一起, 即形成烧变角砾岩(Peacor and Clark, 1992; Heffern et al., 2007)。这类角砾岩在中国广泛可见, 主要发育在厚煤层自燃形成的烧变岩区(图 3-D, 3-H; 图 5-E, 5-I)。烧变角砾岩的砾石一般为烧变岩碎片, 其颜色通常为浅红色和红色, 胶结物为铁质熔融体(陈彬(2021))。

2.4.8 垮塌构造

在煤层自燃过程里, 由早期裂缝连通的地腹煤层的燃烧作用可致使基岩表面进一步破裂及地表基岩沉降, 形成裂隙、小型漏斗塌陷和喷口等(Heffern et al., 2007; Kuenzer and Stracher, 2012), 更多的裂隙可使氧气供给更为畅通, 进一步促进煤层自燃。裂隙不仅是地下煤层自燃通风的主要输入途径, 同时它们也是排放气体的途径, 很大程度上它们向一个方向延伸, 形成狭窄的线性结构(Kuenzer and Stracher, 2012), 其在中国烧变岩区广泛可见(图 6-A)。

图 6 中国北方烧变岩区的垮塌构造及裂缝充填特征
A— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 地腹煤层自燃引起的垮塌造成地面裂缝发育; B— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 烧烤岩中发育逆断层; C— 噶尔盆地东缘火烧山, 红色烧烤岩裂隙中发育石膏; D— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 红色烧烤岩中见方解石充填裂隙; E— 鄂尔多斯盆地东北部神木孙家塔, 红色烧烤岩中见方解石充填裂隙; F— 准噶尔盆地南缘五工梁, 红色烧烤岩中的裂隙被方解石充填Fig.6 Characteristics of collapse structure and fissure filling minerals of burnt rocks in northern China

由于煤层体积的损失不足以支撑上覆地层, 进一步的燃烧可致地面形成漏斗状塌陷, 表现为小型正断层(陈彬(2021))。但在鄂尔多斯盆地亦见逆断层(图 6-B), 鉴于其200~300m外有烧变岩垮塌现象, 推测逆断层为剧烈的垮塌引起附近地层的上冲而形成。

2.4.9 裂缝充填

烧变岩中常见方解石、石膏等矿物充填裂缝, 这在前人文献中提及较少。煤层燃烧使得煤层及围岩体积缩减, 地腹煤层的燃烧可引起地面垮塌, 这都使得烧变岩中发育各种类型的裂缝, 在大气降水作用下易发生方解石的沉淀(图 6-D, 6-E, 6-F)。据笔者最近对于准噶尔盆地南缘(五工梁剖面)及鄂尔多斯盆地东北部(白柳兔剖面)的研究, 方解石铀— 铅测年显示其形成晚于煤层自燃时代(锆石铀— 钍/氦年龄), 团簇同位素测试结果也显示其形成温度多与煤层自燃无关, 方解石是烧变岩形成后沉淀的。在新疆准噶尔盆地及吐哈盆地, 干旱的气候也可致使石膏沉淀于烧变岩孔洞及裂缝中(图 6-C)。

3 烧变岩的地质意义探讨

由于研究资料相对匮乏, 目前对中国烧变岩发生的原因、分布规律、规模与期次还需要深入研究, 其地质意义还远未揭示, 其中加强烧变岩年代学研究尤其重要。此外, 中新世、特别是上新世以来, 中国西部、北部地区构造活动强烈, 同时干旱古气候加剧(施雅风等, 1999; An et al., 2001; 刘晓东等, 2001; 方小敏等, 2007, 2008), 烧变岩的形成也主要集中于这一时期。烧变岩与古构造、古地貌、古气候的关系在中亚地区、北美地区被俄罗斯、美国学者提及较多, 但在国内的研究亟待加强。除了各种矿产及地貌景观等方面的地质意义, 烧变岩还蕴含着潜在地质意义。

3.1 烧变岩的古构造、古地貌及古气候意义

干旱— 半干旱气候被认为是煤层自燃的有利条件之一(Guo et al., 2008; 黄雷, 2008; Westaway, 2009; 时志强等, 2016), 因此地质历史时期形成的烧变岩可在一定程度上反映同时代偏干旱的古气候条件。此外, 构造运动可使造山带前缘或盆地边缘的煤层暴露于地表而易于引发煤层燃烧(Beamish, 2005; Kus et al., 2007), 有国外研究者将烧变岩形成时间近似当成煤层暴露时间用以研究构造运动对古地貌的控制(如Heffern and Coates, 2004; Heffern et al., 2007; Kuenzer and Stracher, 2012)。在中国西北及北方地区, 青藏高原、天山及太行山等在新生代急剧隆升, 且青藏高原的隆升深刻影响着亚洲内陆干旱化过程及东亚季风系统变迁(Manabe and Broccoli, 1990; Kutzbach et al., 1993; An et al., 2001), 使得中新世以来内陆阶段性干旱气候加剧、季风系统加强(刘晓东等, 2001; 安芷生等, 2015)。近年来的研究显示, 新生代构造运动造就的山脉隆升及其相关的古地貌变化促进了中国西北地区煤层在地质历史时期的大规模自燃(Novikov and Sokol, 2007; 陈彬(2021))。鄂尔多斯东北部烧变岩的形成年龄与河流发生强烈侵蚀时间具有较好的一致性, 烧变岩的形成受控于该地区河流侵蚀作用(陈彬(2021))。但煤层自燃及烧变岩形成与青藏高原隆升相关的亚洲内陆阶段性干旱气候是否耦合, 还需要更多的年代学数据支撑。

3.2 烧变岩形成时代的地质意义

烧变岩的形成时代(即煤层自燃的时代)是提取烧变岩蕴含各种地质信息最为关键的线索, 其潜在的地质意义主要反映在以下各个方面。

3.2.1 煤层自燃是否可提供现代化石燃料导致气候变化的古代范本?

工业革命以来, 人类大量使用化石燃料从而导致气候变化已几近成为共识, 但地质历史时期的煤层自燃可否成为现代社会可资借鉴的古代研究范本?尽管煤层自燃释放大量二氧化碳有被文献提及(Rosema et al., 1995; Kuenzer et al., 2007; Eliseev et al., 2014; Oliveira et al., 2019), 但其规模是否达到影响全球气候还未有定论。笔者的计算显示鄂尔多斯盆地东北部区域性分布的所有烧变岩(国内分布面积最大的烧变岩)反映的煤层同时燃烧释放的CO2质量, 只大致相当于现代社会一年化石燃料燃烧释放的CO2(另文讨论), 由此看单一地区煤层自燃释放的CO2, 可能还难以影响全球气候, 但其对地区性气候变化的影响还未有研究涉及。而已有研究显示煤层自燃通常是多期的, 延续时间较长。只有地质历史时期等时性的大规模煤层燃烧, 才能提供现代世界化石燃料大量燃烧导致气候变化的古代范例, 因此对大体积、大范围烧变岩形成时代的研究显得尤为重要。

3.2.2 煤层自燃是否影响了海相、陆相沉积中的黑碳含量?

古代海洋、湖泊或黄土沉积中的黑碳(燃烧碳、碳黑)常被用来重建火灾事件和陆地植被演化历史(如Wolbach et al., 1988; Zhou et al., 2014; 宋建中等, 2015), 也曾用于示踪大气CO2及O2浓度(Wildman et al., 2004; Belcher and Mcelwain, 2008), 或反映古气候和古环境的变化(Verardo and Ruddiman, 1996; 穆燕等, 2011; 祝孟博等, 2017)。作为黑碳的主要来源之一, 地质历史时期煤的燃烧不可忽视, 因为煤炭被引燃后就会有细颗粒黑碳(Corbin et al., 2013; Bertò et et al., 2021), 目前国内外关于煤炭燃烧引起黑碳含量增加的研究多集中于现代, 对于地质历史时期的研究还近乎空白。鉴于煤炭的燃料特性优于树木, 推测燃烧过程里会有固体燃料— 气体产物— 冷凝固体产物的变化过程, 其冷凝的固体产物直径一般为2μ m左右, 进入大气后以气溶胶为载体(张华等, 2008), 可运输至很远的距离。在以往的研究中, 煤层自燃对于古火灾事件的影响认识模糊或被忽视。晚上新世以来, 中国近海及黄土沉积中黑碳含量显著增加(Jia et al., 2003; Zhou et al., 2014), 其是否与这一时期煤层大规模燃烧相对应, 值得深入研究。

4 研究展望

作为煤层自燃的产物, 烧变岩在中国广泛分布于以昆仑山— 秦岭— 大别山为界的中国北方, 但其通常只被煤田地质工作者重视, 已有的研究零星而不系统, 仅在新疆、鄂尔多斯等地区见相关研究, 且总体研究程度较低。相比较而言, 国外研究者对于烧变岩的宏观和微观特征、形成过程及形成时代等方面进行了较为系统的研究(如Grapes et al., 2009; Baboolal et al., 2018; Sokol et al., 2018)。笔者近年来实地考察了国内多个沉积盆地边缘的烧变岩露头剖面, 野外考察及结合前人研究显示, 烧变岩的分布范围广、层位多, 有煤层暴露的地方多发育烧变岩。但总体上国内对于烧变岩形成时代、控制因素及古构造、古气候、古地貌、古野火研究的意义都认识模糊, 研究亟待加强。对烧变岩特征及年代学的研究, 有利于深入探讨煤层自燃时代, 理清烧变岩的形成过程及控制因素, 进而反映古煤层自燃发生时期的构造运动、河流侵蚀、古气候、古地理、古地貌等地质信息, 为研究中国西北地区构造运动、古气候变化、古环境变迁、古野火分布等提供一种全新的研究思路。

致谢 参加野外工作的还有成都理工大学段雄、杜怡星、王小端、葛禹、王艳艳和中国科学技术大学时潜等。感谢成都理工大学冯明石在扫描电镜等样品测试方面的帮助。感谢评审专家的意见和建议!

(责任编辑 郑秀娟; 英文审核 刘贺娟)

参考文献
[1] 安芷生, 吴国雄, 李建平, 孙有斌, 刘屹岷, 周卫健, 蔡演军. 2015. 全球季风动力学与气候变化. 地球环境学报, 6(6): 341-381.
[An Z S, Wu G X, Li J P, Sun Y B, Liu Y M, Zhou W J, Cai Y J. 2015. Global monsoon dynamics and climate change. Journal of Earth Environment, 6(6): 341-381] [文内引用:1]
[2] 曹博, 陶亚彬, 韩勇, 张子光, 白文政, 刘志龙. 2020. 烧变岩侵蚀条件下倾斜煤层露天矿分区境界优化. 煤炭科学技术, 48(6): 228-235.
[Cao B, Tao Y B, Han Y, Zhang Z G, Bai W Z, Liu Z L. 2020. Division boundary optimization of inclined coal seam in open-pit mine under eroded burnt rock. Coal Science and Technology, 48(6): 228-235] [文内引用:1]
[3] 陈彬. 2021. 中国西北地区侏罗系中烧变岩的特征、形成时代及地质意义. 成都理工大学博士论文: 1-82.
[Chen B. 2021. Characteristics, ages and geological significance of the Jurassic combustion metamorphic rocks in northwestern China. Doctoral dissertation of Chengdu University of Technology: 1-82] [文内引用:19]
[4] 陈凯, 王文科, 商跃瀚, 王化兵, 马文清, 郝晨亮. 2020. 生态脆弱矿区烧变岩研究现状及展望. 中国矿业, 29(3): 171-176.
[Chen K, Wang W K, Shang Y H, Wang H B, Ma W Q, Hao C L. 2020. Study status and outlook on burnt rock in the ecologically vulnerable coal-mining areas. China Mining Magazine, 29(3): 171-176] [文内引用:5]
[5] 方小敏, 徐先海, 宋春晖, 韩文霞, 孟庆泉, 鸟居雅之. 2007. 临夏盆地新生代沉积物高分辨率岩石磁学记录与亚洲内陆干旱化过程及原因. 第四纪研究, 27(6): 989-1000.
[Fang X M, Xu X H, Song C H, Han W X, Meng Q Q, Niao J Y Z. 2007. High resolution rock magnetic records of Cenozoic sediments in the Linxia Basin and their implications on drying of asian inland . Quaternary Sciences, 27(6): 989-1000] [文内引用:1]
[6] 方小敏, 吴福莉, 韩文霞. 2008. 上新世—第四纪亚洲内陆干旱化过程: 柴达木中部鸭湖剖面孢粉和盐类化学指标证据. 第四纪研究, 28(5): 874-882.
[Fang X M, Wu F L, Han W X. 2008. Plio-Pleisto cene drying process of asian inland : sporopollen and salinity records from Yahu section in the central Qaidam Basin. Quaternary Sciences, 28(5): 874-882] [文内引用:1]
[7] 管海晏, Wagoner Gand eren J L, 谭永杰, 康高峰, 万余庆. 1998. 中国北方煤田自燃环境调查与研究. 北京: 煤炭工业出版社, 15-22.
[Guan H Y, Wagoner Gand eren J L, Tan Y J, Kang G F, Wan Y Q. 1998. Investigation and Study on Self-ignition Environment of the Coal Fields in North China. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 15-22] [文内引用:3]
[8] 韩德馨, 孙俊民. 1998. 中国煤的燃烧变质作用与煤层自燃特征. 中国煤田地质, 10(4): 15-16, 56.
[Han D X, Sun J M. 1998. Combustion metamorphism and self-igniton characteristics of coal beds in China. Coal Geology of China, 10(4): 15-16, 56] [文内引用:1]
[9] 贺卫中. 2002. 神府矿区活鸡兔矿井烧变岩水害防治工程研究. 中国煤田地质, 14(2): 43-44.
[He W Z. 2002. Study on engineering of prevention and cure on groundwater inundation of burnt rock in huojitu of mine Shenfu mining area. Coal Geology of China, 14(2): 43-44] [文内引用:1]
[10] 侯恩科, 童仁剑, 冯洁, 车晓阳. 2017. 烧变岩富水特征与采动水量损失预计. 煤炭学报, 42(1): 175-182.
[Hou E K, Tong R J, Feng J, Che X Y. 2017. Water enrichment characteristics of burnt rock and prediction on water loss caused by coal mining. Journal of China Coal Society, 42(1): 175-182] [文内引用:1]
[11] 黄雷. 2008. 鄂尔多斯盆地北部延安组烧变岩特征及其形成环境. 西北大学硕士毕业论文: 1-56.
[Huang L. 2008. Characters and forming conditions of burnt rocks in Yan’an Formation of northern Ordos Basin. Masteral dissertation of Northwest University: 1-56] [文内引用:6]
[12] 黄雷, 刘池洋. 2014. 鄂尔多斯盆地北部地区延安组煤层自燃烧变产物及其特征. 地质学报, 88(9): 1753-1761.
[Huang L, Liu C Y. 2014. Products of combustion of the Yan’an Formation coal seam and their characteristics in the northeastern Ordos Basin. Acta Geologica Sinica, 88(9): 1753-1761] [文内引用:1]
[13] 李明星. 2018. 塔里木盆地北缘侏罗系烧变岩富水性精细探测. 煤矿开采, 23(5): 15-17.
[Li M X. 2018. Exquisite exploration of Jurassic burnt rock water abundance of northern part of Tarim Basin. Coal Mining Technology, 23(5): 15-17] [文内引用:1]
[14] 穆燕, 秦小光, 刘嘉麒, 殷志强. 2011. 黑碳的研究历史与现状. 海洋地质与第四纪地质, 31(1): 143-155.
[Mu Y, Qin X G, Liu J Q, Yin Z Q. 2011. A review of black carbon study: history and current status. Marine Geology & Quaternary Geology, 31(1): 143-155] [文内引用:1]
[15] 刘长龄. 1988. 论烧变矿床与烧变岩研究及其意义. 地质找矿论丛, (3): 54-61.
[Liu C L. 1988. On study of burnt deposits and burnt rocks and their significance. Contributions to Geology and Mineral Resources Research, (3): 54-61] [文内引用:2]
[16] 刘晓东, 李力, 安芷生. 2001. 青藏高原隆升与欧亚内陆及北非的干旱化. 第四纪研究, 21(2): 114-122.
[Liu X D, Li L, An Z S. 2001. Tibetan plateau uplift and drying in eurasian interior and northern arfica. Global monsoon dynamics and climate change. Quaternary Sciences, 21(2): 114-122] [文内引用:2]
[17] 刘志坚. 1959. 论烧变岩的特征、成因及地下火燃烧的规律性. 地质论评, 19(5): 209-212.
[Liu Z J. 1959. Characteristics, formation causes of burnt rocks and regularity of underground fires. Geological Review, 19(5): 209-212] [文内引用:2]
[18] 单金榜. 1986. 火烧山地区含油气特征与油藏类型. 新疆石油地质, 7(4): 17-24.
[Shan J B. 1986. Characteristics of petroleum possibility and types of oil reservoirs in Huoshaoshan area, northwestern China. Xinjiang Petroleum Geology, 7(4): 17-24] [文内引用:1]
[19] 施雅风, 李吉均, 李廷栋. 1999. 青藏高原形成演化与发展. 兰州: 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 1-25.
[Shi Y F, Li J J, Li T D. 1999. Formation, Evolution and Developmentof Tibetan Plateau. Lanzhou: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, 1-25] [文内引用:1]
[20] 时潜, 陈彬. 2017. 中国北方煤层自燃产物—烧变岩的研究意义. 科技创新导报, 14(32): 58-60.
[Shi Q, Chen B. 2017. Research significances of the production of coal self-ignition(burnt rocks)in North China. Science and Technology Innovation Herald, 14(32): 58-60] [文内引用:1]
[21] 时志强, 杨小康, 王艳艳, 杜怡星, 肖凯, 段雄. 2016. 含煤盆地表生热液铀成矿理论及证据: 以伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地东北部侏罗系为例. 成都理工大学学报(自然科学版), 43(6): 703-718.
[Shi Z Q, Yang X K, Wang Y Y, Du Y X, Xiao K, Duan X. 2016. Theory of uranium mineralization caused by supergene hydrothermal fluid in coal-bearing basins: evidences from Jurassic sand stone in southern Yili Basin and northestern Ordos Basin, China. Journal of Chengdu University of Technology(Science & Technology Edition), 43(6): 703-718] [文内引用:9]
[22] 宋建中, 胡建芳, 彭平安, 万晓樵. 2015. 古老地质样品的黑碳记录及其对古气候、古环境的响应. 自然杂志, 37(2): 86-92.
[Song J Z, Hu J F, Peng P A, Wan X J. 2015. Black carbon record in ancient geological samples and its responses to the paleoclimate and paleoenvironment. Chinese Journal of Nature, 37(2): 86-92] [文内引用:1]
[23] 孙家齐, 马瑞士, 舒良树. 2001. 新疆乌鲁木齐煤田自燃烧变岩岩石特征. 南京建筑工程学院学报, 59(4): 15-19.
[Sun J Q, Ma R S, Shu L S. 2001. Petrologic characteristics of burnt rocks from coalfield selfcombustion at Urümqi, Xinjiang. Journal of Nanjing Architectural and Civil Engineering Institute, 59(4): 15-19] [文内引用:1]
[24] 王尤宏. 1993. 新疆浅水河烧变岩矿床的地质特征及开发应用. 建材地质, (1): 21-25.
[Wang Y H. 1993. Geological characteristics, development and application of burnt rock ores in Qainshuihe, Xinjiang. Nonmetallic Geology, (1): 21-25] [文内引用:1]
[25] 王玉山. 1986. 烧变岩及其特征. 新疆地质科技, (2): 30-31.
[Wang Y S. 1986. Characteristics of burnt rocks. Xinjiang Geological Technology, (2): 30-31] [文内引用:2]
[26] 王志宇, 史波波, 刘鹏. 2020. 煤田火区烧变岩成岩机理与利用. 科学技术与工程, 20(15): 6004-6010.
[Wang Z Y, Shi B B, Liu P. 2020. Formation and utilization of burnt rock in coalfield fire area. Science Technology and Engineering, 20(15): 6004-6010] [文内引用:2]
[27] 夏斐, 关汝清, 魏捐鹏. 2008. 柠条塔井田烧变岩的地质特征. 陕西煤炭, 27(2): 7-10.
[Xia F, Guan R Q, Wei J P. 2008. Geological characteristics of burnt rocks in Ningtiaota Coal Field. Shaanxi Coals, 27(2): 7-10] [文内引用:1]
[28] 业渝光, 邬象隆, 刁少波, 蒋炳南, 郑显华, 董砚如. 1998. 塔里木盆地库车河烧变岩的形成年龄. 海洋地质与第四纪地质, 18(4): 115-119.
[Ye Y G, Wu X L, Diao S B, Jiang B N, Zheng X H, Dong Y R. 1998. Formation ages of burned metamorphic rocks from the Kuqa river section Tarim Basin. Marine Geology & Quaternary Geology, 18(4): 115-119] [文内引用:2]
[29] 张华, 马井会, 郑有飞. 2008. 黑碳气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究. 大气科学, 32(5): 1147-1158.
[Zhang H, Ma J H, Zheng Y F. 2008. The study of global radiative forcing due to black carbon aerosol. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 32(5): 1147-1158] [文内引用:1]
[30] 张跃恒, 李斌, 王一霖, 崔春兰, 任玺宁, 罗群, 李宝生, 董振国. 2020. 大柳塔煤矿活鸡兔井束鸡沟小窑延安组烧变岩地质特征及地质灾害防治. 中国煤炭地质, 32(10): 47-54.
[Zhang Y H, Li B, Wang Y L, Cui C L, Ren X N, Luo Q, Li B S, Dong Z G. 2020. Geological Yan’an Formation burnt rock geological features and geological hazard control in Shujigou small coalmine, Huojitu Minefield, Daliuta coalmine. Coal Geology of China, 32(10): 47-54] [文内引用:2]
[31] 张渝, 胡社荣, 彭纪超. 2016. 中国北方煤层自燃产物分类及宏观模型. 煤炭学报, 41(7): 1798-1805.
[Zhang Y, Hu S R, Peng J C. 2016. Metamorphic products of coal combustion and its macroscopic models in North China. Journal of China Coal Society, 41(7): 1798-1805] [文内引用:1]
[32] 周斌, 沈承德, 郑洪波, 赵美训, 孙彦敏. 2009. 黄土高原中部晚第四纪以来植被演化的元素碳碳同位素记录. 科学通报, 54(9): 1262-1268.
[Zhou B, Shen C D, Zheng H B, Zhao M X, Sun Y M. 2009. Vegetation evolution on the central Chinese Loess Plateau since late Quaternary evidenced by elemental carbon isotopic composition. Chinese Science Bulletin, 54(9): 1262-1268] [文内引用:1]
[33] 祝孟博, 宋建中, 童晓宁, 胡建芳, 席党鹏, 曹怀仁, 彭平安, 万晓樵. 2017. 松辽盆地晚三冬期的黑碳记录及其古环境意义. 地学前缘, 24(1): 166-173.
[Zhu M B, Song J Z, Tong X N, Hu J F, Xi D P, Cao H R, Peng P A, Wan X Q. 2017. The records of black carbon from Songliao Basin, Northeast China in Late Santonian, and their paleoenvironment implication. Earth Science Frontiers, 24(1): 166-173] [文内引用:1]
[34] An Z, Kutzbach J E, Prell W L, Porter S C. 2001. Evolution of Asian monsoons and phased uplift of the Himalaya-Tibetan plateau since Late Miocene times. Nature, 411: 62-66. [文内引用:2]
[35] Baboolal A A, Knight J, Wilson B. 2018. Petrography and mineralogy of pyrometamorphic combustion metamorphic rocks associated with spontaneous oxidation of lignite seams of the Erin Formation, Trinidad. Journal of South American Earth Sciences, 82: 181-192. [文内引用:2]
[36] Beamish B B. 2005. Comparison of the R70 self-heating rate of New Zealand and Australian coals to Suggate rank parameter. International Journal of Coal Geology, 64: 139-144. [文内引用:3]
[37] Belcher C, McElwain J. 2008. Limits for combustion in low O2 redefine paleoatmospheric predictions for the Mesozoic. Science, 321: 1197-1200. [文内引用:1]
[38] Bentor Y K, Kastuer M, Periman L. 1981. Combustion metamorphism of bituminous sediments and the fonnation of melts of granitie and sedimentary composition. Geoehimica Et Cosmoehimica Aeta, 45: 2229-2255. [文内引用:1]
[39] Bertò M, Cappelletti D, Barbaro E, Varin C, Gallet J C. 2021. Variability of Black Carbon mass concentration in surface snow at Svalbard. Atmospheric Chemistry & Physics Discussions, 7: 1-30. [文内引用:1]
[40] Chen B, Franceschi M, Wang Y Y, Duan X, Jin X, Shi Z Q. 2021. Late Cenozoic coal fires in Liuhuanggou area(Xinjiang, Northwestern China): ages, controlling factors and evolution. Russian Geology and Geophysics, 5: 1-13. [文内引用:1]
[41] Chen B, Wang Y Y, Franceschi M, Duan X, Li K Z, Yu Y, Wang M L, Shi Z Q. 2020. Petrography, mineralogy, and geochemistry of combustion metamorphic rocks in the northeastern Ordos Basin, China: implications for the origin of “White Sand stone”. Minerals, 10(12): 1-21. [文内引用:1]
[42] Corbin J C, Sierau B, Gysel M. 2013. Mass spectrometry of refractory black carbon particles from six sources: carbon-cluster and oxygenated ions. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 13(10): 27561-27595. [文内引用:1]
[43] Cosca M A, Essene E J, Geissman J W, Simmons W B, Coates D A. 1989. Pyrometamorphic rocks associated with naturally burned coal beds, Powder River Basin, Wyoming. Am Mineral, 74: 85-100. [文内引用:2]
[44] Eliseev A V, Mokhov I Ⅰ, Chernokulsky A V. 2014. Influence of ground and peat fires on CO2 emissions into the atmosphere//Doklady Earth Sciences. Springer Nature BV, 459(2): 1565. [文内引用:1]
[45] Evans M, Heller F. 2003. Environmental Magnetism: Principles and Applications of Enviromagnetics. New York: Elsevier, 1-295. [文内引用:2]
[46] Fediuk F. 1987. The Glass of Bohemian Porcelanites. 2nd International Conference on Natural Glasses. Prague: Konta J, 21-25. [文内引用:1]
[47] Grapes R. 2010. Anthropogenic and biomass pyrometamorphism. Pyrometamorphism, 3: 235-288. [文内引用:2]
[48] Grapes R, Zhang K, Peng Z L. 2009. Paralava and clinker products of coal combustion, Yellow River, Shanxi Province, China. Lithos, 113: 831-843. [文内引用:4]
[49] Grapes R, Korzhova S, Sokol E, Seryotkin Y. 2011. Paragenesis of unusual Fe-cordierite(sekaninaite)-bearing paralava and clinker from the Kuznetsk coal basin, Siberia, Russia. Contributions to Mineralogy and Petrology, 162(2): 253-273. [文内引用:2]
[50] Guo Z, Sun B, Zhang Z, Peng S Z, Xiao G Q, Ge, J Y, Hao, Q Z, Qiao Y S, Liang M Y, Liu J F, Yin Q Z, Wei J J. 2008. A major reorganization of Asian climate regime by the Early Miocene. Climate of the Past, 4: 153-174. [文内引用:1]
[51] Heffern E L, Coates D A. 1999. Hydrology and ecology of clinker in the Powder River Basin, Wyoming and Montana. Coalbed Methane and Tertiary Geology of the Powder River Basin: 50th Annual Field Conference Guidebook: 231-252. [文内引用:1]
[52] Heffern E L, Coates D A. 2004. Geologic history of natural coal-bed fires, Powder River Basin, USA. International Journal of Coal Geology, 59: 25-47. [文内引用:5]
[53] Heffern E L, Reiners P W, Naeser C W. 2007. Geochronology of clinker and implications for evolution of the Powder River Basin land scape, Wyoming and Montana. In: Stracher G B(ed). Geology of coal fires: case studies from around the world. The Geological Society of America: 155-175. [文内引用:5]
[54] Hower J C, Hood M M, Taggart R K, Hsu-Kim H. 2017. Chemistry and petrology of paired feed coal and combustion ash from anthracite-burning stoker boilers. Fuel, 199: 438-446. [文内引用:1]
[55] Jia G D, Peng P A, Zhao Q H, Jian Z M. 2003. Changes in terrestrial ecosystem since 30Ma in East Asia: stable isotope evidence from black carbon in the South China Sea. Geology, 31: 1093-1096. [文内引用:1]
[56] Kuenzer C, Stracher G B. 2012. Geomorphology of coal seam fires. Geomorphology, 138: 209-222. [文内引用:7]
[57] Kuenzer C, Zhang J, Tetzlaff A, Wagoner Dijk P, Voigt S, Mehl H, Wagner W. 2007. Uncontrolled coal fires and their environmental impacts: investigating two arid mining regions in north-central China. Applied Geography, 27(1): 42-62. [文内引用:1]
[58] Kus J, Hiltmann W, Balke A. 2007. Researching coal spontaneous combustion: micropetrography of coal oxidation and carbonization. UNESCO: 1-24. [文内引用:3]
[59] Kutzbach J E, Prell W L, Ruddiman W F. 1993. Sensitivity of Eurasian climate to surface uplift of the Tibetan Plateau. Journal of Geology, 101: 177-190. [文内引用:1]
[60] Manabe S, Broccoli A J. 1990. Mountains and arid climates of middle latutides. Science, 247: 192-194. [文内引用:1]
[61] Novikov I, Sokol E. 2007. Combustion metamorphic events as age markers of orogenic movements in Central Asia. Acta Petrologica Sinica, 23: 1561-1572. [文内引用:3]
[62] Novikov I S, Sokol E V, Travin A V, Novikova S A. 2008. Signature of Cenozoic orogenic movements in combustion metamorphic rocks: mineralogy and geochronology(example of the Salair-Kuznetsk Basin transition). Russian Geology and Geophysics, 49(6): 378-396. [文内引用:3]
[63] Novikova S, Sokol E, Khvorov P. 2016. Multiple combustion metamorphic events in the Goose Lake Coal Basin, Transbaikalia, Russia: first dating results. Quaternary Geochronology, 36: 38-54. [文内引用:1]
[64] Oliveira M L S, Pinto D, Tutikian B F, Boit K, Saikia B K, Luis F O. 2019. Pollution from uncontrolled coal fires: continuous gaseous emissions and nanoparticles from coal mines. Journal of Cleaner Production, 215: 1140-1148. [文内引用:1]
[65] Patterson W A, Edwards K J, Maquire D J. 1987. Microscopic charcoal as a fossil indicator of fire. Quaternary Science Review, 6: 3-23. [文内引用:1]
[66] Peacor D R, Clark B H. 1992. Pyrometamorphism and partial melting of shales during combustion metamorphism: mineralogical, textural, and chemical effects. Contributions to Mineralogy & Petrology, 112: 558-568. [文内引用:1]
[67] Querol X, Zhuang X, Font O, Izquierdo M, Alastuey A, Castro I, van Drooge B L, Moreno, T, Grimalt J O, Elvira J, Cabañas M, Bartroli R, Hower J C, Ayora C, Plana F, López-Solera A. 2011. Influence of soil cover on reducing the environmental impact of spontaneous coal combustion in coal waste gobs: a review and new experimental data. International Journal of Coal Geology, 85: 2-22. [文内引用:2]
[68] Reiners P W, Riihimaki C A, Heffern E L. 2011. Clinker geochronology, the first glacial maximum, and land scape evolution in the northern Rockies. GSA Today, 21: 4-9. [文内引用:1]
[69] Riihimaki C A, Reiners P W, Heffern E L. 2009. Climate control on Quaternary coal fires and land scape evolution, Powder River basin, Wyoming and Montana. Geology, 37: 255-258. [文内引用:1]
[70] Rosema A, van Genderen J L, Schalke H J. 1995. Environmental monitoring of coal fires in North China. Project Identification Mission Report, Netherland s: 18-19. [文内引用:1]
[71] Saxby J D. 2000. Minerals in Coal. In: Mastalerz M, Glikson M(eds). Organic Matter and Mineralisation: Thermal Alteration, Hydrocarbon Generation and Role in Metallogenesis. Netherland s: Springer, 314-326. [文内引用:1]
[72] Shi Z, Chen B, Wang Y Y, Hou M C, Jin X, Song H, Wang, X D. 2020. A linkage between uranium mineralization and high diagenetic temperature caused by coal self-ignition in the southern Yili Basin, northwestern China. Ore Geology Reviews, 121: 103443. [文内引用:3]
[73] Silva L F O, Kátia M. 2011. Nanominerals and nanoparticles in feed coal and bottom ash: implications for human health effects. Environmental monitoring and assessment, 174(1): 187-197. [文内引用:1]
[74] Sokol E V, Kokh S N, Kozmenko O A, Novikova S, Khvorov P, Nigmatulina E, Belogub E, Kirillov M. 2018. Mineralogy and geochemistry of mud volcanic ejecta: a new look at old issues(a case study from the Bulganak Field, Northern Black Sea). Minerals, 8(8): 1-38. [文内引用:1]
[75] Sokol E V, Volkova N I, Stracher G B. 2007. Combustion metamorphic events resulting from natural coal fires. Reviews in Engineering Geology, 162(s4-6): 373-378. [文内引用:2]
[76] Song Z, Kuenzer C. 2014. Coal fires in China over the last decade: a comprehensive review. International Journal of Coal Geology, 133: 72-99. [文内引用:2]
[77] Stracher G B, Prakash A, Sokol E V. 2015. Case studies-Coal fires. In: Stracher G B, Prakash A, Sokol E V(eds). Coal and Peat Fires: A Global Perspective. Amsterdam: Elsevier, 1-786. [文内引用:4]
[78] Suárez-Ruiz I, Crelling J C. 2008. Applied Coal Petrology: Role of Petrology in Coal Utilization. Amsterdam: Elsevier, 1-299. [文内引用:2]
[79] Vassilev S V, Vassileva C G. 1996. Occurrence, abundance and origin of minerals in coals and coal ashes. Fuel Processing Technology, 48: 85-106. [文内引用:1]
[80] Verardo D J, Ruddiman W F. 1996. Late Pleistocene charcoal in tropical Atlantic deep-sea sediments: climatic and geochamical significance. Geology, 24(9): 855-857. [文内引用:1]
[81] Wang X, Ding Z L, Peng P A. 2012. Changes in fire regimes on the Chinese Loess Plateau since the last glacial maximum and implications for linkages to paleoclimate and past human activity. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 315: 61-74. [文内引用:1]
[82] Weinberger R, Burg A. 2019. Reappraising columnar joints in different rock types and settings. Journal of Structural Geology, 125: 185-194. [文内引用:1]
[83] Westaway R. 2009. Active crustal deformation beyond the SE margin of the Tibetan Plateau: constraints from the evolution of fluvial systems. Global and Planetary Change, 68: 395-417. [文内引用:1]
[84] Wildman R A, Hickey L J, Dickinson M B, Berner R A, Robinson J M, Dietrich M, Essenhigh R H, Wildman C B. 2004. Burning of forest materials under late Paleozoic high atmospheric oxygen levels. Geology, 32: 457-460. [文内引用:1]
[85] Wolbach W S, Gilmour I, Anders E, Orth C J, Brooks R R. 1988. Global fire at the Cretaceous-Tertiary boundary. Nature, 334: 665-669. [文内引用:1]
[86] Yue L, Li J, Zheng G Z, Li Z P. 2007. Evolution of the Ordos Plateau and environmental effects. Science in China Series D: Earth Sciences, 50: 19-26. [文内引用:1]
[87] Žáček V, Skala R, Dvořák Z. 2010. Rocks and minerals formed by fossil combustion pyrometamorphism in the Neogene brown coal Most Basin, Czech Republic. Bulletin Mineralogicko-Petrologickeho Oddeleni Narodniho Muzea v Praze, 18(1): 1-11. [文内引用:2]
[88] Zhang X, Kroonenberg S B, De Boer C B. 2004. Dating of coal fires in Xinjiang, north-west China. Terra Nova, 16: 68-74. [文内引用:2]
[89] Zhang Y, Zhang X, Hower J C, Hu, S R. 2020. Mineralogical and geochemical characteristics of pyrometamorphic rocks induced by coal fires in Junggar Basin, Xinjiang, China. Journal of Geochemical Exploration, 213: 106511. [文内引用:1]
[90] Zhou B, Shen C D, Sun W D, Bird M, Ma W T, Taylor D, Liu W G, Peterse F, Yi W X, Zheng H B. 2014. Late Pliocene-Pleistocene expansion of C4 vegetation in semiarid East Asia linked to increased burning. Geology, 42(12): 1067-1070. [文内引用:2]
[91] Zilberfarb A R. 2014. Metamorphism of Cretaceous Stand stones by Natural Coal-Fires. Utah: Scripps College, 1-66. [文内引用:1]