中国北方多个中生代和新生代沉积盆地大体位于中亚造山带及其周缘, 受西伯利亚板块、塔里木板块和中朝板块相互作用影响, 经历了较为一致的构造-沉积演化过程(吴兆剑等, 2020): 整体以挤压背景为主, 均经历了中生代挤压或弱伸展环境及新生代的构造抬升(吴兆剑等, 2020), 普遍沉积了侏罗系陆相含煤碎屑岩层系。在新疆地区, 伊犁盆地和准噶尔盆地在早— 中侏罗世处于弱伸展构造背景(陈发景等, 2005; 何登发等, 2018), 经历了拗陷阶段后为挤压抬升演化阶段(晚侏罗世— 早白垩世)(张永霖, 1983); 而吐哈盆地侏罗系煤层则沉积在断陷阶段(李新宁等, 2015)。在中国北方, 作为位于克拉通基底上的多旋回盆地(刘池洋等, 2006; 孙建博等, 2006), 鄂尔多斯盆地基底较稳定, 盆内受构造影响相对较小(杨华等, 2015), 经历了早三叠世-早白垩世的盆地发育阶段和晚白垩世-第四纪的盆地改造阶段(刘池洋等, 2006; 吴兆剑等, 2020)。

中国北方的多个沉积盆地含侏罗系煤层。在伊犁、吐哈和准噶尔等盆地, 赋煤层位主要为中侏罗统西山窑组(J₂x), 其次为八道湾组(J₁b)和三工河组(J_1-2s)(黄以, 2002; 权志高等, 2011; 吴亚平, 2014; 闫晶晶等, 2022); 煤层沉积于陆地沼泽环境(鲁静等, 2014), 在盆地边缘常有露天煤矿被开采。在鄂尔多斯盆地, 下侏罗统延安组(J₁y)为主要的煤系地层(张雪丽, 2016), 其次为中侏罗统直罗组(J₂z)下部层位。延安组主要沉积于曲流河环境(李凤杰等, 2003)或曲流河三角洲平原环境(时志强等, 2000), 聚煤作用强烈(苗培森等, 2017; 韩效忠等, 2018; 焦养泉等, 2018); 直罗组主要沉积于河流— 湖泊环境(吴仁贵等, 2002), 可见5~6套煤层, 主要分布在鄂尔多斯盆地东缘(金若时等, 2017)。

烧变岩是煤层自燃产生的高温对围岩烘烤变质的产物(Heffern and Coates, 2004)。在中国北方, 侏罗系煤层变质程度较低, 抗风化能力差, 加之其丝炭组分多、含氢量低、没有粘结性、疏松多孔、吸氧性强等特点, 造成煤层本身易于氧化自燃(王庆全, 1982)。煤层自燃可引起上覆地层塌陷, 在地面形成裂隙, 这些裂隙、孔隙为深部煤层的进一步自燃提供了氧气通道, 从而使煤层自燃逐步向深部推进(韩德馨和孙俊民, 1998)。煤层燃烧时, 围岩在热力作用下经烘烤、瓷化、熔融、冷凝, 形成烧变岩(韩德馨和孙俊民, 1998)。中国北方发育在侏罗系中的烧变岩分布广泛(时志强等, 2021), 主要分布于沉积盆地边缘(或为造山带前缘), 在准噶尔盆地东部及鄂尔多斯盆地东北部见有大面积连片分布(图 1)。

图 1

Fig.1

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	图 1 中国北方侏罗系露头区烧变岩分布图 Ⅰ — 准噶尔盆地东缘火烧山地区; Ⅱ — 鄂尔多斯东北部地区。伊犁盆地: a-察布查尔乌库尔奇剖面, b-察布查尔蒙奇古尔剖面, c-巩留苏阿苏沟剖面, d-伊宁苏拉宫剖面; 准噶尔盆地: e-昌吉硫磺沟剖面, f-阜康五工梁剖面; 吐哈盆地: g-高昌十红滩剖面, h-鄯善火焰山剖面; 鄂尔多斯盆地: i-达拉特旗呼斯梁剖面, j-达拉特旗高头窑剖面, k-东胜神山沟剖面, l-神木白流兔剖面, m-榆林荒草界剖面, n-神木刘家沟剖面, o-准格尔旗哈拉沟剖面, p-耀州崔家沟剖面。底图源于自然资源部标准地图服务系统, 审图号GS(2016)1609Fig.1 Distribution of outcropped burnt rocks of the Jurassic in northern China

中国北方各沉积盆地侏罗系煤层出露地区, 常见烧变岩及与之伴生的白色砂岩, 其分布范围广泛, 从东向西见于鄂尔多斯、吐哈、准噶尔及伊犁等盆地, 横跨约60° 经度范围。有烧变岩产出的区域一般均有白色砂岩相伴产出(图 2; 图 3), 二者在空间位置上的关系有以下3种:

1)白色砂岩产于烧变岩之上(图 2-F, 2-I), 这类白色砂岩常常分布面积大, 厚度大;

2)白色砂岩伏于烧变岩之下(图 2-D; 图 3-A, 3-C, 3-E, 3-H), 烧变岩常厚度较大, 热变质作用强, 常见烧熔岩覆盖于白色砂岩之上;

3)白色砂岩见于烧变岩侧边(图 2-A, 2-B, 2-C, 2-E; 3-F, 3-G, 3-H), 伴生的烧变岩常为红色烧烤岩, 常见沿裂隙发育的红色烧变岩旁发育白色砂岩(图 2-A, 2-B, 2-C, 2-F; 图 3-E, 3-F, 3-G), 亦见未发育裂隙者(图 2-E)。

在第1种情况(白色砂岩覆盖烧变岩)和第3种情况(白色砂岩位于烧变岩侧边), 出现(高温)烧熔岩(位于煤层燃烧中心区)、烧烤岩向白色砂岩的渐变, 显示随着燃烧变质作用的逐渐减弱, 砂岩颜色由红色变为白色。

研究区白色砂岩颜色多呈浅灰白色, 部分呈浅褐白色, 在鄂尔多斯盆地北部延安组顶部呈纯白色。宏观呈褐白色的砂岩中见褐铁矿条带或结核(图 2-G, 2-H), 部分呈现星点状顺层分布, 此类白色砂岩常与紫、红色烧变岩过渡接触。白色砂岩一般为中— 厚层状, 横向延伸十余米到数百米, 在鄂尔多斯盆地东北部的延安组顶部亦见大面积分布者; 具中、细粒砂状结构, 亦见粉砂岩, 偶见(含砾)粗砂岩, 普遍具疏松多孔、高渗透的性质; 与伴生的紫色、红色烧变岩相比, 白色砂岩固结程度相对较低, 结构疏松, 易破碎(图 2-I)。在白色砂岩内部偶见有机物演化而形成的黑色物质, 推测为植物茎干化石。

在显微薄片及扫描电镜下可见白色砂岩多具有细粒到中粒砂状结构, 颗粒以次棱角状为主(图 4), 分选中等— 良好。各碎屑成分含量差异较大, 其中石英含量一般为50%~75%(图4-A, 4-B, 4-H, 4-I), 部分大于80%(图 4-G), 个别样品中石英碎裂严重(图 4-I); 长石含量为5%~25%(图 4-E, 4-F), 以微斜长石为主, 见较多的长石被溶解和高岭石化, 长石中常见粒内溶孔(图 5-A, 5-B); 岩屑含量为5%~25%, 见较多的变质岩岩屑(图 4-F); 另见含量较少的黑云母、白云母、锆石、金红石等轻、重矿物颗粒。各盆地、各地区碎屑成分类型及含量差异性明显, 显示着白色砂岩受控于物源区的显著影响。填隙物主要为高岭石(图 5), 个别样品见较多的铁质胶结物(图 4-D, 4-J, 4-K)和方解石胶结(图 4-L), 偶见以次生加大边存在的自生石英(图 4-E)。大量高岭石填隙物主要分布在粒间, 以蠕虫状、书页状和碎片状存在(图 4-C; 图 5-D, 5-E, 5-F)。在扫描电镜下可见白色砂岩中存在连通性较好的圆形孔洞, 疑为水汽等流体在一定压差下通过所产生的通道(图 5-A, 5-B, 5-C)。

图 4

Fig.4

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图 4 中国北方沉积盆地侏罗系白色砂岩显微照片特征 A, B— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色砂岩中石英及岩屑, 偶见蚀变高岭石, A为单偏光, B为正交偏光; C— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色砂岩中见丰富的高岭石填隙物, 正交偏光; D, E— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色砂岩中见长石颗粒, 填隙物中见铁质, D为单偏光, E为正交偏光; F— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色砂岩中见长石及变质岩岩屑, 正交偏光; G, H— 鄂尔多斯盆地东北部准格尔旗哈拉沟富县组, 白色砂岩中的石英发育, G为单偏光, H为正交偏光; I— 鄂尔多斯盆地东北部白柳兔, 白色砂岩中的石英发育且石英颗粒破碎严重, 正交偏光; J— 伊犁盆地南缘扎格斯台, 白色粉砂岩铁质充填普遍, 单偏光; K— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色砂岩中见褐色铁质, 反射光; L— 鄂尔多斯盆地东北部神山沟, 白色砂岩填隙物多为方解石胶结矿物, 单偏光, 茜素红染色。Qtz为石英; Kln为高岭石; Fsp为长石; Ms为变质岩屑Fig.4 Micrographs of the Jurassic white sandstones in sedimentary basins of northern China

图 5

Fig.5

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	图 5 鄂尔多斯盆地侏罗系白色砂岩扫描电镜照片 A, B, C— 神山沟剖面, 白色砂岩中的孔洞疑为水汽等流体通过所产生; D— 白柳兔剖面, 白色砂岩中见丰富的书页状高岭石填隙物; E— 鄂尔多斯盆地东北部高头窑剖面, 白色砂岩中见长石被高岭石交代填隙; F— 神山沟剖面, 白色砂岩中见丰富的高岭石填隙物Fig.5 SEM photos of the Jurassic white sandstones from Ordos Basin

砂岩中高含量的高岭石矿物是其呈现白色的主要原因(吴柏林等, 2015), 而造成白色砂岩富含高岭石的原因, 总结起来有以下3种观点: 一是和风化淋滤作用有关(张龙等, 2017; 丁波等, 2019); 二是与煤层自燃有关的低温热液作用(时志强等, 2016; Chen et al., 2020; 陈彬, 2021); 三是油气蚀变成因, 即认为深部煤系烃源岩热演化过程中释放酸性流体和天然气, 运移至浅层的酸性流体使长石发生溶蚀而形成高岭石(Garden et al., 2001; 马艳萍等, 2007a, 2007b; Parry et al., 2009; 宋土顺等, 2014; 刘红旭等, 2017)。文中所涉及的研究区侏罗系较为平缓, 穿越深部地层的断裂一般不发育, 所见裂隙多为煤层在地腹燃烧后地层垮塌所致(陈彬, 2021), 如果为油气蚀变成因, 则无法解释原岩与烧变岩相似的铁元素含量、而白色砂岩中铁元素相对匮乏的地质事实, 因此认为油气蚀变成因可能不适用本次研究所涉及的白色砂岩。白色砂岩与红色烧变岩毗邻的地质事实显示其与煤层自燃有关, 煤层在地表燃烧时形成的低温热液可促使长石的溶解和高岭石化, 从而促进白色砂岩的形成(时志强等, 2016; 陈彬, 2021)。本研究进一步认为白色砂岩的成因, 即砂岩呈现白色的因素, 一是取决于所含黏土矿物, 二是受有色金属离子影响。鉴于烧变岩区所见白色砂岩的成因与煤层自燃密切相关, 本次研究认为该类白色砂岩为一种特殊类型的低温烘烤岩。

4.1.1 煤层自燃所致的高岭石大量生成

煤炭本身含有碳、氢、氧、硫、氮等元素, 在煤发生自燃过程中, 会产生二氧化碳、水蒸气、二氧化硫、二氧化氮等气体。此外在空气流通较差的地下环境, 也会因氧气不足而产生一氧化碳、硫化氢、一氧化氮、甲烷、氢气等还原性气体(图 6)。而在煤自燃过程中产生的这些酸性、还原性气体向周围扩散遇到(近)地表流水、大气降水下渗以及砂岩孔隙水等流体, 与之融合后会在煤自燃中心区附近形成低温酸性热液。有研究证实较高温度(100~300 ℃)以及流体的酸性都会加快长石的高岭石化(孙海涛等, 2011; 武文慧等, 2011; 刘子威, 2013; 魏新善等, 2017; 许喆, 2018; 李美蓉等, 2021)。

图 6

Fig.6

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	图 6 煤自燃过程模拟图Fig.6 Simulation diagram of coal combustion process

在中国北方, 侏罗纪沉积的煤均为陆相环境, 其含硫量0.51%~1%(孙翠芝和叶大武, 2012), 照此计算1 t煤含硫量高达5~10 kg, 燃烧后可产生大量二氧化硫, 致使长石被高岭石溶蚀交代, 同时长石的溶解促进砂岩孔隙生成(李美蓉等, 2021), 从而有利于地表流体在砂岩中流动, 进一步促进砂岩的风化及长石的高岭石化。除此之外, 含二氧化碳流体对长石的溶解亦有影响(曲希玉等, 2008; 迟恩先等, 2014), 煤层自燃时会产生大量二氧化碳气体, 进入砂岩后溶于水形成含碳酸的流体, 此外, 自燃煤层遇水会电离出氢离子, 其溶于水也具有一定的酸性, 也会促进溶解长石等矿物, 且长石的溶解度随着温度的逐渐升高而增大(梁冰等, 2012)。概括来说, 煤层自燃过程形成的气体在遭遇大气降水、地表流水时形成相对高温的酸性流体, 这是促进高岭石形成(长石等矿物的高岭石化)及砂岩呈现白色的主要诱因。

4.1.2 有色金属矿物或金属离子含量变化致使砂岩白色化

白色砂岩中的有色金属离子发生了还原或者是运移流失, 也是致使砂岩呈现白色的主要因素。本次研究发现白色砂岩中含有的有色金属矿物主要为铁质矿物, 多数研究者认同白色砂岩中三价铁离子发生了化学还原作用(Garden et al., 2001; Beitler et al., 2003; 马艳萍等, 2006; Gorenc and Chan, 2015; 张龙等, 2017), 但是各学者对三价铁离子的还原成因存在分歧。有研究认为是由于油气运移, 其中的还原性流体使红色砂岩中的三价铁离子还原(马艳萍等, 2006, 2007a, 2007b), 也有学者提出三价铁离子不仅发生了还原还发生了流失(马艳萍等, 2006, 2007b; 吴柏林, 2015; 张龙等, 2017)。本次研究认为如果三价铁离子仅仅是发生还原, 那么在还原之后的漫长历史时期, 暴露在大气中的白色砂岩不可能没有发生再度氧化。另外根据研究区白色砂岩及其围岩样品元素分析, 在同一砂岩层, 原岩与烧变砂岩的铁含量几乎没有变化, 而同层的烧变岩与白色砂岩相比, 白色砂岩的铁元素含量有显著降低, 这表明白色砂岩的成因极有可能和铁离子的流失有关。铁离子流失的原因大致有以下观点: (1)红砂岩的漂白过程发生在中晚期成岩作用期间, 存在还原性流体, 将Fe³⁺还原为Fe²⁺, 使铁的活泼性增加, 并将铁带走(Gorenc and Chan, 2015)。

(2)有学者认为这是由于在烃类还原性流体进入砂岩时, 氧化铁中的Fe³⁺还原成Fe²⁺后易于迁移, 造成铁的大量淋滤并从砂岩中移走的结果(吴柏林, 2015)。但笔者认为与烧变岩伴生的白色砂岩可能不适用这2种情况, 鉴于研究区的地质实际, 铁离子的流失可能与煤层自燃形成的酸性、还原性流体有关(图 6)。

根据伊犁、准噶尔和鄂尔多斯等盆地白色砂岩与烧变岩(煤自燃区)在空间上的叠置关系, 推测白色砂岩的形成有以下3种可能成因模式(图 7)。

图 7

Fig.7

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	图 7 中国北方沉积盆地侏罗系白色砂岩形成模式图 A1— 河谷下切型; A2— 河谷下切型野外实例: 鄂尔多斯盆地东北部神山沟附近煤矿; B1— 裂隙下切型; B2— 裂隙下切型野外实例: 鄂尔多斯盆地东北部神山沟; C1— 山丘下渗型; C2— 山丘下渗型野外实例: 伊犁盆地南缘杂格斯台Fig.7 Formation pattern diagram of the Jurassic white sandstone in sedimentary basins of northern China

1)河谷下切型(图 7-A): 由于构造抬升, 河流发生下切侵蚀, 导致侏罗系煤层出露, 煤自燃现象易发。在煤自燃时, 河谷两侧煤层暴露明显, 因而煤火旺盛, 产生的温度也极高, 导致围岩变质程度比较高, 同时铁离子也易氧化, 使砂岩变成砖红色; 而在离煤层自燃区较远的地区, 煤层阴燃时释放更多的H₂O(水汽)、CO₂、SO₂、NO₂、NO、H₂S等, 向上逸散到附近砂岩中, 形成了相对低温(仍大于100° )的酸性还原性蒸汽流体。该蒸汽与砂岩中铁离子发生氧化还原反应, 三价铁转变为较活跃的二价铁, 随蒸汽的运移而发生流失。另一方面, 长石在较高的温度以及酸性流体的作用下发生交代溶蚀, 加快了其高岭石化的进程, 二者致使砂岩呈现白色。

2)裂隙下切型(图 7-B): 煤层燃烧过程与河谷下切型类似, 区别在于该类型的煤层自燃主要是由于构造活动而产生裂隙, 使下部煤层与空气接触, 煤层发生自燃, 煤层上部裂隙两侧暴露的砂岩发生高温变质, 或因为下部煤层燃空后发生坍塌, 而远离煤自燃中心的砂岩, 受到低温酸性还原性流体(即溶解了硫化氢、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氢气等气体的蒸汽)的作用, 形成白色砂岩。

3)山丘下渗型(图 7-C): 在此模型中, 自燃煤层及烧变岩位于上部, 白色砂岩下伏于高温烧变岩及煤灰之下, 构造抬升导致上覆煤层暴露而发生自燃, 同时季节性大气降水(雨水)淋滤高温燃烧的煤层或正处于高温状态的烧变岩, 从而溶解了煤燃烧时产生的CO₂、NO₂、SO₂、H₂S等气体, 形成酸性还原性流体下渗进入下伏的渗透性砂岩, 从而促进白色砂岩的形成。