時(shí)志強(qiáng) 王美玲 陳 彬

1成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川成都 610059 2聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東聊城 252000

作為一種災(zāi)難性現(xiàn)象，煤火在全球分布廣泛，其起因是自然的(如煤層自燃或由森林火災(zāi)、雷擊、強(qiáng)烈的太陽(yáng)光引燃煤層)或人為的(如由采礦活動(dòng)而引燃煤層)(Silva and Ktia，2011)。廣義的煤層自燃指自然條件下煤的燃燒，其影響因素已被廣泛研究(如Beamish，2005;Kusetal.， 2007)，并認(rèn)為煤層的暴露及其與空氣的接觸是煤層自燃必不可少的條件(Zhangetal.， 2004;Queroletal.， 2011)。構(gòu)造抬升、地層風(fēng)化剝蝕及河流下切等多種地質(zhì)過(guò)程將煤暴露于地表，從而易于引發(fā)煤火(Beamish，2005;Kusetal.， 2007;黃雷，2008；Queroletal.， 2011;Song and Kuenzer，2014)。根據(jù)煤火的年齡，可將其分為現(xiàn)代煤火和古煤火(Kuenzer and Stracher，2012)?，F(xiàn)代煤火主要是人為的，而古煤火通常是非人類影響下煤的自燃(Song and Kuenzer，2014)，其結(jié)果是在地質(zhì)歷史時(shí)期形成燒變巖。由于相應(yīng)研究欠缺，上新世—更新世古人類用火與煤層自燃的關(guān)系至今未見詳細(xì)的文獻(xiàn)報(bào)道。

燒變巖(燃燒變質(zhì)巖)由燃燒煤炭時(shí)產(chǎn)生足夠的能量烘烤或燒熔鄰近的巖石而產(chǎn)生(Sokoletal.， 2007;Stracheretal.， 2015)。燒變巖經(jīng)歷高溫—低壓變質(zhì)作用，因氧化和脫水作用而導(dǎo)致巖石質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和顏色發(fā)生變化(Stracheretal.， 2015)，形成燃燒變質(zhì)復(fù)合物(Kuenzer and Stracher，2012;Stracheretal.， 2015)。熱變質(zhì)作用使得燒變巖的外觀呈彩色、鋼灰色或紅色的玻璃狀、瓷質(zhì)或磚狀(Novikovetal.， 2008;?eketal.， 2010)。在中國(guó)，燒變巖常作為有效的煤礦找礦標(biāo)志(劉志堅(jiān)，1959；劉長(zhǎng)齡，1988)，因燒變巖常具大量孔隙而常成為煤層附近的含水層，煤田工作者常關(guān)注附近煤層在開采過(guò)程突然大量涌水的威脅(賀衛(wèi)中，2002；侯恩科等，2017)，或利用燒變巖潛水作為煤礦礦井的供水水源(夏斐等，2008)。燒變巖本身也常具有礦產(chǎn)價(jià)值，可在燒變巖中開采陶瓷原料、耐火材料、鋁質(zhì)校正原料、園林觀賞石和建筑材料(劉長(zhǎng)齡，1988；王尤宏，1993；王志宇等，2020)。筆者研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)的研究顯示，燒變巖可能和砂巖型鈾礦富集有關(guān)(時(shí)志強(qiáng)等，2016；Shietal.， 2020)，也可形成具有旅游景觀價(jià)值的特殊地貌單元(時(shí)潛和陳彬，2017；Chenetal.， 2021)。

由于受高溫的影響，燒變巖可以提供古煤火的潛在證據(jù)(Heffern and Coates，2004;Sokoletal.， 2007)。作為一種特殊的高溫變質(zhì)巖(王玉山，1986)，燒變巖質(zhì)地堅(jiān)硬，相對(duì)抗侵蝕，常形成懸崖和階地地貌(Heffernetal.， 2007;Riihimakietal.， 2009)。受古氣候控制的大氣降水影響，燒變巖在中國(guó)北方大量分布，而在南方未見報(bào)道。國(guó)外所見煤層自燃所致的燒變巖主要分布于北美(Heffern and Coates，2004；Reinersetal.， 2011；Zilberfarb，2014)及中亞地區(qū)(Novikov and Sokol 2007;Novikovetal.， 2008， 2016)，其特征、形成時(shí)代以及古地貌(河流下切、溯源侵蝕等)、古氣候(干旱濕潤(rùn)、冰期—間冰期等)等影響因素已有深入研究。相對(duì)而言，燒變巖在中國(guó)的研究零星而不系統(tǒng)，鮮有文獻(xiàn)涉及燒變巖蘊(yùn)含的古環(huán)境、古地貌、古野火等多種地質(zhì)信息。鑒于燒變巖在中國(guó)北方分布廣泛，其古氣候、古構(gòu)造、古地貌等地質(zhì)意義不容忽視。

1 中國(guó)燒變巖的分布與時(shí)代

1.1 中國(guó)燒變巖的分布

1.1.1 地理分布

圖 1 中國(guó)北方已知的燒變巖分布Fig.1 Distribution of burnt rocks known in northern China

據(jù)已有文獻(xiàn)及筆者地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，中國(guó)燒變巖主要分布于以昆侖山—秦嶺—大別山為界的中國(guó)北方地區(qū)(韓德馨和孫俊民，1998；陳凱等，2020)，在氣候較為濕潤(rùn)的中國(guó)南方未見報(bào)道。在中國(guó)北方地區(qū)主要分布于伊犁、準(zhǔn)噶爾、塔里木、吐哈、鄂爾多斯、二連等沉積盆地邊緣有煤層出露的地方(圖 1)，在天山等山脈的山前地帶(即盆地邊緣)、黃河沿岸也有較為廣泛的分布。筆者近年來(lái)實(shí)地考察了國(guó)內(nèi)多個(gè)沉積盆地邊緣的燒變巖地質(zhì)露頭，野外實(shí)際調(diào)查及前人研究顯示，無(wú)論地表煤層的厚、薄，有煤層出露的地方都可能形成燒變巖(圖 2)，在伊犁、鄂爾多斯盆地的鉆井顯示地表黃土之下亦有可能形成燒變巖。其分布范圍在中國(guó)北方東西橫跨35°經(jīng)度(從伊犁盆地到太行山南麓)、南北跨度大于15°緯度(從鄂爾多斯盆地到準(zhǔn)噶爾盆地)。其分布區(qū)域與中國(guó)目前的干旱化—半干旱化地區(qū)基本一致，但其在地質(zhì)歷史時(shí)期與干旱氣候的耦合關(guān)系還鮮有文獻(xiàn)提及。

1.1.2 分布方式

中國(guó)北方燒變巖分布范圍與地表(或黃土覆蓋的近地表)煤層一致，一般以4種方式分布： (1)大面積連片分布。這主要出現(xiàn)在鄂爾多斯盆地東北部及準(zhǔn)噶爾盆地東部(圖 1)，面積可達(dá)數(shù)百甚至上千平方千米，與侏羅系煤層大面積出露有關(guān)，通常位于埋深較淺的大型、特大型煤田的邊緣地區(qū)。(2)沿山脈走向的線狀分布。位于盆地邊緣(即造山帶前緣)，其產(chǎn)出狀態(tài)與煤層在山前的線狀分布有關(guān)，常產(chǎn)出于天山南緣和北緣(即伊犁盆地南緣、準(zhǔn)噶爾盆地南緣、塔里木盆地北緣、吐哈盆地南緣等)、祁連山北緣、太行山南緣等。(3)沿河流下切河谷分布。產(chǎn)出于黃河沿岸及新疆、山西等地一些河流的階地，燒變巖在高階地的分布更為普遍，但在黃河河谷Ⅰ級(jí)階地、Ⅱ級(jí)階地也發(fā)現(xiàn)燒變巖，其形成年代較為年輕。(4)為第四系黃土覆蓋。在伊犁盆地南緣、鄂爾多斯盆地東北部常見燒變巖為第四系黃土覆蓋，主要覆蓋物為晚更新世馬蘭黃土(圖 2-F)，亦見被第四系下部礫石層覆蓋者，顯示侏羅系煤層的暴露與自燃發(fā)生于第四紀(jì)黃土沉積之前。從燒變巖產(chǎn)出狀態(tài)、形成時(shí)代(如由鈾—釷/氦同位素年齡顯示較多的煤層在上新世自燃)分析，中國(guó)北方第四系黃土覆蓋區(qū)可能存在大量燒變巖未出露地表。

A—伊犁盆地南緣蘇阿蘇溝；B—準(zhǔn)噶爾盆地南緣五工梁；C—準(zhǔn)噶爾盆地南緣烏魯木齊西山；D—準(zhǔn)噶爾盆地東北緣火燒山，見大面積紅色燒變巖；E—吐哈盆地中部火焰山，陰燃導(dǎo)致煤層中夾紅色薄層；F—鄂爾多斯盆地東北部神木白柳兔，見紅色燒烤巖被第四系黃土覆蓋；G—鄂爾多斯盆地東緣耀州崔家溝；H—黃河沿岸河曲舊縣；I—河南西北部焦作劉莊后溝。A～G為侏羅系煤系地層中發(fā)育的燒變巖，H和I為石炭—二疊系含煤地層中發(fā)育的燒變巖圖 2 中國(guó)北方燒變巖露頭宏觀特征Fig.2 Macroscopic characteristics of outcrops of burnt rocks in northern China

1.1.3 分布層位

燒變巖賦存的層位與地表或近地表煤層時(shí)代一致。中國(guó)北方常見侏羅系煤層，因而燒變巖主要賦存于侏羅系巖層露頭中，見于西北地區(qū)的八道灣組、三工河組和西山窯組(圖 2-A至2-E)，在鄂爾多斯盆地，其主要發(fā)育于延安組(圖 2-F至2-H)。古生界(石炭系—二疊系)煤層在新生代燃燒所致的燒變巖主要見于黃河沿岸，如在陜西東北部、山西、河南西部等地區(qū)(圖 2-I)。在二連、酒泉等盆地偶見發(fā)育在白堊系中的燒變巖。

1.2 中國(guó)燒變巖的形成時(shí)代

已開展研究的國(guó)內(nèi)燒變巖常見于鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)(Grapesetal.， 2009；黃雷和劉池洋，2014；時(shí)志強(qiáng)等，2016；王志宇等，2020；張躍恒等，2020)和準(zhǔn)噶爾盆地(單金榜，1986；Zhangetal.， 2004；曹博等，2020；Chenetal.， 2021)，此外在伊犁盆地(時(shí)志強(qiáng)等，2016；Shietal.， 2020)、塔里木盆地北緣(業(yè)渝光等，1998；李明星，2018)等地見零星報(bào)道。在早期的研究中，王玉山(1986)將燒變巖歸為一種特殊而少見的變質(zhì)巖，劉志堅(jiān)(1959)認(rèn)為燒變巖兼具三大類巖石的特點(diǎn)，可將其作為三大類巖間的一種新型巖類。根據(jù)其特征及受熱溫度，研究者通常將中國(guó)西北地區(qū)的燒變巖進(jìn)行了分類(管海晏等，1998；黃雷，2008；時(shí)志強(qiáng)等，2016)。近年來(lái)，研究者對(duì)于中國(guó)燒變巖的研究也關(guān)注了其巖石學(xué)、礦物學(xué)特點(diǎn)、古地貌因素及煤層自燃過(guò)程，如Grapes等(2009)對(duì)黃河沿岸燒變巖的礦物學(xué)特征進(jìn)行了深入研究；Zhang 等(2020)對(duì)鄂爾多斯盆地?zé)儙r的礦物學(xué)和地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究，并指出燒烤巖中含有的礦物組合；陳彬(2021)關(guān)注了伊犁、準(zhǔn)噶爾、鄂爾多斯等盆地邊緣燒變巖的形成過(guò)程及古地貌。

盡管燒變巖在中國(guó)分布廣泛，但國(guó)內(nèi)關(guān)于燒變巖形成時(shí)代的研究較為薄弱，僅有零星的年齡數(shù)據(jù)，如業(yè)渝光等(1998)曾用電子自旋共振(ESR)方法確定塔里木盆地庫(kù)車河燒變巖形成年齡為3.26 Ma和2.37 Ma；Novikov和Sokol(2007)利用Ar-Ar同位素測(cè)年方法確定中亞地區(qū)(含天山北緣)燃燒變質(zhì)事件年代集中于1.2±0.4 Ma和0.2±0.3 Ma；黃雷(2008)根據(jù)裂變徑跡測(cè)試推測(cè)鄂爾多斯盆地東北部燒變巖的形成時(shí)間為晚白堊世末期至第四紀(jì)，且具階段性燒變的特征；孫家齊等(2001)以K-Ar 同位素測(cè)試的烏魯木齊煤田自燃燒變巖年齡為0.158～0.164 Ma。筆者近年來(lái)用鋯石鈾—釷/氦及磷灰石裂變徑跡方法獲得了伊犁、準(zhǔn)噶爾及鄂爾多斯等盆地邊緣部分燒變巖年齡，顯示中國(guó)北方煤層自燃可能存在5.0 Ma±、1.5 Ma±及0.5 Ma±的燃燒峰值。根據(jù)目前較為有限的年齡數(shù)據(jù)分析，中國(guó)燒變巖顯示出時(shí)間跨度大、以上新世和更新世為主的特點(diǎn)，不同地區(qū)的燒變巖形成時(shí)代有差異。

2 燒變巖顏色、分類及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

除了在中國(guó)北方、特別是西北地區(qū)分布外，燒變巖在中亞地區(qū)和北美地區(qū)也廣泛分布，并被廣泛研究。全球燒變巖的分類、顏色、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造是大致相同的。本次研究涉及燒變巖的總體特征，并指出中國(guó)燒變巖的特點(diǎn)及最新研究進(jìn)展。

2.1 顏色

燒變巖最顯著的巖石學(xué)特征是其獨(dú)特的、較鮮艷的顏色(圖 2，圖 3)，氣候干旱區(qū)或燃燒時(shí)代較近的燒變巖，其所受風(fēng)化作用弱，顏色更為鮮艷。相對(duì)低溫條件下形成的烘烤巖，其典型的變化是高嶺石填隙物所致的白色砂巖或灰白色粉砂巖(圖 3-F)，而燒烤巖通常呈現(xiàn)磚紅色或赭紅色(圖 3-A，3-E)，燒熔巖則通常呈現(xiàn)棕色、鋼灰色或灰黑色(圖 3-D，3-G，3-H)。燒烤巖的紅色主要是由煤燃燒過(guò)程中鐵的氧化所致，在蝕變過(guò)程中發(fā)生赤鐵礦侵染(Vassilev and Vassileva，1996;Evans and Heller，2003;Heffern and Coates，2004;Surez-Ruiz and Crelling，2008)。煤層的燃燒過(guò)程中，煤層及原巖中的黃鐵礦和菱鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦、磁赤鐵礦與磁鐵礦(Evans and Heller，2003；Surez-Ruiz and Crelling，2008)，而赤鐵礦的紅色和磁鐵礦的黑色主導(dǎo)了露頭的顏色。此外，由于熱變質(zhì)程度的不同，紅色的深淺亦不同(Grapes，2010)，覆蓋在燃燒的煤層上的原巖由于鐵的氧化作用，巖石的顏色也逐漸從黃色變?yōu)楦鼜?qiáng)烈的橙色和紅色。在還原條件下，煤熱解形成的CO和H2等氣體，往往會(huì)導(dǎo)致氧化鐵在燒熔巖中還原為磁鐵礦(Heffernetal.， 2007)。由于磁鐵礦的存在，燒熔巖主要表現(xiàn)為灰色或黑色。煤層在地腹的陰燃，氧氣供給不充分時(shí)亦可導(dǎo)致灰綠、藍(lán)灰色燒變巖。

A—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，煤灰之上為褐紅色燒烤巖；B—鄂爾多斯盆地東北部神木孫家溝岔，白色煤灰及之上的紅色燒烤巖(厚度薄)、褐色燒烤巖；C—伊犁盆地南緣蘇阿蘇溝，大套燒熔巖及煤灰之下發(fā)育黑色燒烤巖；D—準(zhǔn)噶爾盆地南緣硫磺溝，鋼灰色、褐黃色燒熔巖具角礫狀構(gòu)造；E—準(zhǔn)噶爾盆地東部火燒山，褐紅色燒烤巖普遍發(fā)育；F—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，紅色燒烤巖與白色烘烤巖共生；G—準(zhǔn)噶爾盆地南緣五工梁，雜色角礫巖；H—鄂爾多斯盆地東北部榆林荒草界，鋼灰色、褐色燒熔巖圖 3 中國(guó)北方發(fā)育于侏羅系的燒變巖類型及顏色Fig.3 Type and color of burnt rocks developed in the Jurassic in northern China

2.2 分類

自燃煤層的燃燒產(chǎn)物是煤灰，其顏色一般為灰色或灰白色，質(zhì)地疏松，輕壓即碎，具有滑感，厚度通常為1～20 cm(圖 3-A，3-B)，煤灰的成分以玻璃為主，含有少量莫來(lái)石、尖晶石、硫酸鹽和其他礦物(Howeretal.， 2017；陳彬，2021)。而燒變巖是煤層自燃過(guò)程中高溫烘烤導(dǎo)致圍巖高溫變質(zhì)而形成的一種特殊的變質(zhì)巖(Heffern and Coates，2004;Stracheretal.， 2015)。根據(jù)其特征及受熱溫度，有研究者將燒變巖劃分為燒熔巖和燒烤巖(Bentoretal.， 1981；Coscaetal.， 1989；管海晏等，1998；黃雷，2008)，或更進(jìn)一步劃分為燒熔巖、燒烤巖和烘烤巖(Kuenzer and Stracher，2012；時(shí)志強(qiáng)等，2016；陳彬，2021)。這3種類型的燒變巖在中國(guó)北方都有廣泛分布，通常是根據(jù)垂向上距離燃燒中心的遠(yuǎn)近，由近及遠(yuǎn)依次為燒熔巖、燒烤巖和烘烤巖，在燃燒煤層的下部通常發(fā)育燒烤巖。自燃煤層的厚度制約著上覆燒變巖的厚度及燒變程度，對(duì)于自燃的薄煤層，上覆巖層可只有較薄的燒烤巖(圖 3-B)，而厚煤層的燃燒可造就厚度達(dá)數(shù)十米的巨厚燒變巖，其中燒熔巖及燒烤巖極為普遍(圖 2-B，2-C；圖 3-E)。

2.2.1 烘烤巖

常表現(xiàn)為受到低溫烘烤，熱變質(zhì)程度最低，其形成在距離煤層燃燒中心最遠(yuǎn)或煤層陰燃處。相比正常沉積巖，其顏色略微發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造未發(fā)生改變，裂隙相對(duì)增加，與正常圍巖過(guò)渡(張渝等，2016；Chenetal.， 2020)。在中國(guó)北方燒變巖分布區(qū)常見白色砂巖，毗鄰紅色燒變巖(圖 3-F)，為煤層自燃過(guò)程中形成的表生低溫?zé)嵋焊脑焖?Chenetal.， 2020)，被認(rèn)為是低溫烘烤巖的一種類型(時(shí)志強(qiáng)等，2016；陳彬，2021)。在顯微鏡下，鄂爾多斯、伊犁等盆地邊緣所見褐色、白色烘烤巖顆粒與原巖相比變化不大，填隙物中可見鐵質(zhì)礦物(圖 4-A)，白色烘烤砂巖中填隙物主要為高嶺石(圖 4-B，4-C)，可見表生熱液(時(shí)志強(qiáng)等，2016)蒸騰巖石所生成的氣體通道(圖 4-B; Chenetal.， 2020)。

A—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤砂巖中見鐵質(zhì)填隙物，局部呈浸染狀; B—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤砂巖中見水汽通道產(chǎn)生的孔洞(Chen et al.， 2020)；C—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤砂巖中見豐富的高嶺石填隙物；D—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，紅色燒烤巖中見大量被方解石充填的裂縫；E—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，褐色燒烤巖中發(fā)育高溫黏土礦物；F—鄂爾多斯盆地東北部高頭窯，紅色燒烤巖中堿性長(zhǎng)石呈現(xiàn)燒熔特征；G—準(zhǔn)噶爾盆地南緣五工梁，灰白色燒烤巖中發(fā)育被方解石充填的裂縫；H—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，雜色燒熔巖中可見黏土質(zhì)填隙物呈熔融微球狀；I—伊犁盆地南緣蒙其古爾，鋼灰色燒熔巖呈現(xiàn)的物質(zhì)熔融特征，裂縫發(fā)育圖 4 中國(guó)北方燒變巖微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of burnt rocks in northern China

2.2.2 燒烤巖

當(dāng)受熱變質(zhì)程度較低時(shí)一般為淺紅色、紅褐色或磚紅色(圖 3-A)，硬度略有增大，巖石層理清晰，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造未改變，基本上保留了原始砂巖或泥巖的層理特征(圖 4-G)，常見保留結(jié)構(gòu)清晰的植物痕跡(Novikovetal.， 2008；?eketal.， 2010)。其顯微特征以浸染狀或廣泛分布的褐鐵礦等三價(jià)鐵礦物填隙物為主要特征(Shietal.， 2020)。而當(dāng)變質(zhì)程度加劇，原巖發(fā)生輕微的塑性變形，但未完全發(fā)生熔融(Fediuk，1987;Kuenzer and Stracher，2012)。其最為顯著的特征是巖石多呈現(xiàn)不同色調(diào)的鮮艷紅色(圖 3-E)，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造有改變，僅部分保留了原巖的特征(圖 4-D，4-E，4-F)，質(zhì)地較為堅(jiān)硬，主要呈現(xiàn)片狀或板狀構(gòu)造，隨著燒變溫度的升高，燒烤巖會(huì)變硬變脆(陳彬，2021)，從而致使裂隙發(fā)育(圖 4-D，4-G)，局部已有熔融跡象(圖 4-F)。其在中國(guó)北方燒變巖區(qū)最為常見(圖 3-C;
圖 4-E)，原巖為泥質(zhì)巖的燒烤巖中常發(fā)育微柱狀節(jié)理、瓷化結(jié)構(gòu)等。

2.2.3 燒熔巖

是原巖因煤的燃燒而高溫熔化后快速冷凝形成的一種變質(zhì)巖。主要呈現(xiàn)黑色、鋼灰色或暗紅色，具有明顯的玻璃質(zhì)流動(dòng)構(gòu)造和迅速冷凝的外觀，具有金屬光澤(Grapesetal.， 2011)。在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、伊犁等盆地的多個(gè)地區(qū)，可見燒熔巖表面光滑，具有水滴狀下垂體。其較高的變質(zhì)溫度可使巖石呈熔融結(jié)構(gòu)、爐渣狀、角礫狀、蜂窩狀(圖 3-D，3-G，3-H)。顯微鏡下可見熔融特征(圖 4-H，4-I)。

2.3 典型礦物

燒變巖礦物學(xué)特征取決于原巖的組分和燃燒變質(zhì)強(qiáng)度。利用薄片觀察和X射線衍射分析(XRD)，可對(duì)不同燒變巖中的礦物進(jìn)行觀察和定量測(cè)定(陳彬，2021)。烘烤巖和燒烤巖保存了原巖(沉積巖)的成分和礦物，新生成的礦物主要是赤鐵礦、磁鐵礦、高嶺石等，其使得燒烤巖及烘烤巖發(fā)紅或變白。燒烤巖和燒熔巖中主要的礦物包括石英、長(zhǎng)石、鱗石英、方石英、堇青石、鐵堇青石、莫來(lái)石、赤鐵礦和磁鐵礦等，其中鱗石英、方石英、堇青石、鐵堇青石、莫來(lái)石是由燃燒過(guò)程中高溫變質(zhì)反應(yīng)的產(chǎn)物(Saxby，2000;Baboolaletal.， 2018)。不同變質(zhì)程度的燒變巖具有的高溫礦物組合不同，因此，利用燒變巖中存在不同的礦物組合，可以明確燒變巖形成的最高溫度(陳彬，2021)。

2.4 燒變巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

2.4.1 瓷化結(jié)構(gòu)

原巖為泥巖的燒烤巖可呈瓷化結(jié)構(gòu)，其形成過(guò)程與瓷器的形成類似，為經(jīng)高溫變質(zhì)作用下泥質(zhì)巖黏土成分變硬變脆所致(Cosca，1989；管海晏等，1998；黃雷，2008)。具瓷化結(jié)構(gòu)的燒變巖為燒烤巖，其外觀似陶片，易碎裂，顏色可呈灰白、土黃及淡褐色(陳彬，2021)。盡管該類燒變巖被諸多文獻(xiàn)廣泛提及，但在中國(guó)的燒變巖區(qū)罕見，筆者僅在鄂爾多斯盆地東北部的神木白柳兔剖面見具瓷化結(jié)構(gòu)的燒烤巖(圖 5-A)。

2.4.2 白化結(jié)構(gòu)

在中國(guó)北方燒變巖發(fā)育地區(qū)，?？梢姲咨皫r與紅色燒烤巖共生(圖 5-B)，白色砂巖為一種特殊的烘烤巖(時(shí)志強(qiáng)等，2016；Chenetal.， 2020)。這種巖石中偶見圓柱狀氣體逸出通道(圖 4-B)，顯示其成因和煤層自燃有關(guān)。X射線衍射分析顯示白色砂巖的黏土礦物中高嶺石占主導(dǎo)地位，占總黏土礦物重量的70%～80%，長(zhǎng)石顆粒常被高嶺石交代(陳彬，2021)。

2.4.3 燒熔結(jié)構(gòu)

常發(fā)育于燒熔巖中。在煤層自燃過(guò)程中，高溫烘烤熔融圍巖，形成的熔巖發(fā)生一定的流動(dòng)，冷凝后，在燒熔巖中形成的各種次一級(jí)的似玄武巖熔巖形態(tài)的構(gòu)造，如熔巖表殼構(gòu)造和熔巖空洞構(gòu)造等(Grapesetal.， 2009，2011)。該現(xiàn)象在中國(guó)燒變巖中廣泛發(fā)育，主要產(chǎn)于燒變巖厚度較大(即厚煤層劇烈自燃過(guò))的地區(qū)(如圖 5-F)。具燒熔構(gòu)造的燒熔巖其表面較為平坦和光滑，具玻璃狀表皮，在燒熔巖空洞中，可見水滴狀的下垂體，為殘留在洞壁的液態(tài)熔巖在重力作用下形成(陳彬，2021)。

2.4.4 殘余構(gòu)造

原巖在熱變質(zhì)作用過(guò)程中，由于重結(jié)晶、玻璃化、變質(zhì)結(jié)晶作用不完全，原巖(一般為沉積巖)的構(gòu)造特征被部分保留下來(lái)，其主要保存于烘烤巖和低溫?zé)編r中(Zhangetal.， 2020)。在鄂爾多斯盆地、伊犁盆地等均可見紅、褐色侏羅系含煤地層中(顯示為燒烤巖)的植物化石痕跡(圖 5-C)。在原巖為砂巖的低溫?zé)編r中，亦常見平行層理(圖 5-D)、交錯(cuò)層理、沙紋層理等沉積構(gòu)造的殘余。

2.4.5 氣孔構(gòu)造

氣孔構(gòu)造(圖 5-E)是燒變巖中常見的一種構(gòu)造，為巖石中可燃或揮發(fā)性物質(zhì)被燃燒或揮發(fā)后、巖石內(nèi)或表面產(chǎn)生的圓形或橢圓形氣孔空洞(陳彬，2021)。主要發(fā)育在燒熔巖中，以燒變爐渣狀燒熔巖中的氣孔構(gòu)造最為發(fā)育，在中國(guó)北方廣泛可見。此外，在燒烤巖中也存在氣孔構(gòu)造，通常被認(rèn)為是煤層自燃產(chǎn)生的高溫在大氣壓力下導(dǎo)致燃燒煤層之上的沉積物膨所引起；在燒熔巖中，當(dāng)溫度達(dá)到1050～1100 ℃以上，熔體會(huì)形成脫氣通道，具有囊泡狀外觀(陳彬，2021)。

A—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，具瓷化結(jié)構(gòu)的燒烤巖；B—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，白色烘烤巖與紅色燒烤巖共生；C—伊犁盆地南緣烏庫(kù)爾奇，紅色燒烤巖中的植物化石痕跡；D—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，紅色燒烤巖中見層理構(gòu)造；E—鄂爾多斯盆地東北部高頭窯，具氣孔構(gòu)造的燒熔角礫巖；F—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，燒熔巖；G—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，紅色燒烤巖中的柱狀節(jié)理；H—準(zhǔn)噶爾盆地東緣火燒山，紅色燒烤巖中的柱狀節(jié)理；I—伊犁盆地南緣蒙其古爾，燒熔角礫巖圖 5 中國(guó)北方燒變巖結(jié)構(gòu)與構(gòu)造Fig.5 Structures and textures of burnt rocks in northern China

2.4.6 微柱狀節(jié)理構(gòu)造

火山巖、如玄武巖常具柱狀節(jié)理。而燒變巖中的柱狀節(jié)理(圖 5-G，5-H)發(fā)育在原巖為泥巖的燒烤巖中，單個(gè)柱狀體長(zhǎng)為5～20 cm，直徑為5～10 mm，橫截面多為四邊形或五邊形，少見六邊形(圖 5-G，5-H)，筆者稱之為微柱狀節(jié)理。其常表現(xiàn)為一端粗而另一端收縮變細(xì)的特點(diǎn)，有時(shí)群體常呈錐形體(陳彬，2021)。微柱狀節(jié)理的形成與加熱和冷卻有關(guān)(Grapes，2010)，此外有機(jī)物氧化過(guò)程中質(zhì)量和體積損失，以及重結(jié)晶過(guò)程中結(jié)構(gòu)和孔隙的變化同樣是棱形柱狀體形成的因素(Weinberger and Burg，2019)。

2.4.7 角礫狀構(gòu)造

在較高溫度下，巖石熔融會(huì)造成體積收縮，此外煤層燒空區(qū)也存在垮塌現(xiàn)象，這都會(huì)造成燒變巖裂隙及孔洞發(fā)育，部分巖層紊亂，支離破碎，燒變巖和圍巖垮塌破碎成角礫狀，形成角礫狀構(gòu)造，角礫被熔體膠結(jié)在一起，即形成燒變角礫巖(Peacor and Clark，1992;Heffernetal.， 2007)。這類角礫巖在中國(guó)廣泛可見，主要發(fā)育在厚煤層自燃形成的燒變巖區(qū)(圖 3-D，3-H;圖 5-E，5-I)。燒變角礫巖的礫石一般為燒變巖碎片，其顏色通常為淺紅色和紅色，膠結(jié)物為鐵質(zhì)熔融體(陳彬，2021)。

2.4.8 垮塌構(gòu)造

A—鄂爾多斯盆地東北部神山溝，地腹煤層自燃引起的垮塌造成地面裂縫發(fā)育；B—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，燒烤巖中發(fā)育逆斷層；C—噶爾盆地東緣火燒山，紅色燒烤巖裂隙中發(fā)育石膏；D—鄂爾多斯盆地東北部白柳兔，紅色燒烤巖中見方解石充填裂隙；E—鄂爾多斯盆地東北部神木孫家塔，紅色燒烤巖中見方解石充填裂隙；F—準(zhǔn)噶爾盆地南緣五工梁，紅色燒烤巖中的裂隙被方解石充填圖 6 中國(guó)北方燒變巖區(qū)的垮塌構(gòu)造及裂縫充填特征Fig.6 Characteristics of collapse structure and fissure filling minerals of burnt rocks in northern China

在煤層自燃過(guò)程里，由早期裂縫連通的地腹煤層的燃燒作用可致使基巖表面進(jìn)一步破裂及地表基巖沉降，形成裂隙、小型漏斗塌陷和噴口等(Heffernetal.， 2007;Kuenzer and Stracher，2012)，更多的裂隙可使氧氣供給更為暢通，進(jìn)一步促進(jìn)煤層自燃。裂隙不僅是地下煤層自燃通風(fēng)的主要輸入途徑，同時(shí)它們也是排放氣體的途徑，很大程度上它們向一個(gè)方向延伸，形成狹窄的線性結(jié)構(gòu)(Kuenzer and Stracher，2012)，其在中國(guó)燒變巖區(qū)廣泛可見(圖 6-A)。由于煤層體積的損失不足以支撐上覆地層，進(jìn)一步的燃燒可致地面形成漏斗狀塌陷，表現(xiàn)為小型正斷層(陳彬，2021)。但在鄂爾多斯盆地亦見逆斷層(圖 6-B)，鑒于其200～300 m外有燒變巖垮塌現(xiàn)象，推測(cè)逆斷層為劇烈的垮塌引起附近地層的上沖而形成。

2.4.9 裂縫充填

燒變巖中常見方解石、石膏等礦物充填裂縫，這在前人文獻(xiàn)中提及較少。煤層燃燒使得煤層及圍巖體積縮減，地腹煤層的燃燒可引起地面垮塌，這都使得燒變巖中發(fā)育各種類型的裂縫，在大氣降水作用下易發(fā)生方解石的沉淀(圖 6-D，6-E，6-F)。據(jù)筆者最近對(duì)于準(zhǔn)噶爾盆地南緣(五工梁剖面)及鄂爾多斯盆地東北部(白柳兔剖面)的研究，方解石鈾—鉛測(cè)年顯示其形成晚于煤層自燃時(shí)代(鋯石鈾—釷/氦年齡)，團(tuán)簇同位素測(cè)試結(jié)果也顯示其形成溫度多與煤層自燃無(wú)關(guān)，方解石是燒變巖形成后沉淀的。在新疆準(zhǔn)噶爾盆地及吐哈盆地，干旱的氣候也可致使石膏沉淀于燒變巖孔洞及裂縫中(圖 6-C)。

3 燒變巖的地質(zhì)意義探討

由于研究資料相對(duì)匱乏，目前對(duì)中國(guó)燒變巖發(fā)生的原因、分布規(guī)律、規(guī)模與期次還需要深入研究，其地質(zhì)意義還遠(yuǎn)未揭示，其中加強(qiáng)燒變巖年代學(xué)研究尤其重要。此外，中新世、特別是上新世以來(lái)，中國(guó)西部、北部地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，同時(shí)干旱古氣候加劇(施雅風(fēng)等，1999；Anetal.， 2001；劉曉東等，2001；方小敏等，2007，2008)，燒變巖的形成也主要集中于這一時(shí)期。燒變巖與古構(gòu)造、古地貌、古氣候的關(guān)系在中亞地區(qū)、北美地區(qū)被俄羅斯、美國(guó)學(xué)者提及較多，但在國(guó)內(nèi)的研究亟待加強(qiáng)。除了各種礦產(chǎn)及地貌景觀等方面的地質(zhì)意義，燒變巖還蘊(yùn)含著潛在地質(zhì)意義。

3.1 燒變巖的古構(gòu)造、古地貌及古氣候意義

干旱—半干旱氣候被認(rèn)為是煤層自燃的有利條件之一(Guoetal.， 2008；黃雷，2008；Westaway，2009；時(shí)志強(qiáng)等，2016)，因此地質(zhì)歷史時(shí)期形成的燒變巖可在一定程度上反映同時(shí)代偏干旱的古氣候條件。此外，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可使造山帶前緣或盆地邊緣的煤層暴露于地表而易于引發(fā)煤層燃燒(Beamish，2005;Kusetal.， 2007)，有國(guó)外研究者將燒變巖形成時(shí)間近似當(dāng)成煤層暴露時(shí)間用以研究構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)古地貌的控制(如Heffern and Coates，2004；Heffernetal.， 2007；Kuenzer and Stracher，2012)。在中國(guó)西北及北方地區(qū)，青藏高原、天山及太行山等在新生代急劇隆升，且青藏高原的隆升深刻影響著亞洲內(nèi)陸干旱化過(guò)程及東亞季風(fēng)系統(tǒng)變遷(Manabe and Broccoli，1990；Kutzbachetal.， 1993；Anetal.， 2001)，使得中新世以來(lái)內(nèi)陸階段性干旱氣候加劇、季風(fēng)系統(tǒng)加強(qiáng)(劉曉東等，2001；安芷生等，2015)。近年來(lái)的研究顯示，新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造就的山脈隆升及其相關(guān)的古地貌變化促進(jìn)了中國(guó)西北地區(qū)煤層在地質(zhì)歷史時(shí)期的大規(guī)模自燃(Novikov and Sokol，2007；陳彬，2021)。鄂爾多斯東北部燒變巖的形成年齡與河流發(fā)生強(qiáng)烈侵蝕時(shí)間具有較好的一致性，燒變巖的形成受控于該地區(qū)河流侵蝕作用(陳彬，2021)。但煤層自燃及燒變巖形成與青藏高原隆升相關(guān)的亞洲內(nèi)陸階段性干旱氣候是否耦合，還需要更多的年代學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

3.2 燒變巖形成時(shí)代的地質(zhì)意義

燒變巖的形成時(shí)代(即煤層自燃的時(shí)代)是提取燒變巖蘊(yùn)含各種地質(zhì)信息最為關(guān)鍵的線索，其潛在的地質(zhì)意義主要反映在以下各個(gè)方面。

3.2.1 煤層自燃是否可提供現(xiàn)代化石燃料導(dǎo)致氣候變化的古代范本？

工業(yè)革命以來(lái)，人類大量使用化石燃料從而導(dǎo)致氣候變化已幾近成為共識(shí)，但地質(zhì)歷史時(shí)期的煤層自燃可否成為現(xiàn)代社會(huì)可資借鑒的古代研究范本？盡管煤層自燃釋放大量二氧化碳有被文獻(xiàn)提及(Rosemaetal.， 1995;Kuenzeretal.， 2007；Eliseevetal.， 2014;Oliveiraetal.， 2019)，但其規(guī)模是否達(dá)到影響全球氣候還未有定論。筆者的計(jì)算顯示鄂爾多斯盆地東北部區(qū)域性分布的所有燒變巖(國(guó)內(nèi)分布面積最大的燒變巖)反映的煤層同時(shí)燃燒釋放的CO2質(zhì)量，只大致相當(dāng)于現(xiàn)代社會(huì)一年化石燃料燃燒釋放的CO2(另文討論)，由此看單一地區(qū)煤層自燃釋放的CO2，可能還難以影響全球氣候，但其對(duì)地區(qū)性氣候變化的影響還未有研究涉及。而已有研究顯示煤層自燃通常是多期的，延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。只有地質(zhì)歷史時(shí)期等時(shí)性的大規(guī)模煤層燃燒，才能提供現(xiàn)代世界化石燃料大量燃燒導(dǎo)致氣候變化的古代范例，因此對(duì)大體積、大范圍燒變巖形成時(shí)代的研究顯得尤為重要。

3.2.2 煤層自燃是否影響了海相、陸相沉積中的黑碳含量？

古代海洋、湖泊或黃土沉積中的黑碳(燃燒碳、碳黑)常被用來(lái)重建火災(zāi)事件和陸地植被演化歷史(如Wolbachetal.， 1988；Zhouetal.，2014；宋建中等，2015)，也曾用于示蹤大氣CO2及O2濃度(Wildmanetal.， 2004；Belcher and Mcelwain，2008)，或反映古氣候和古環(huán)境的變化(Verardo and Ruddiman，1996；穆燕等，2011；祝孟博等，2017)。作為黑碳的主要來(lái)源之一，地質(zhì)歷史時(shí)期煤的燃燒不可忽視，因?yàn)槊禾勘灰己缶蜁?huì)有細(xì)顆粒黑碳(Corbinetal.， 2013;Bertòetetal.， 2021)，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于煤炭燃燒引起黑碳含量增加的研究多集中于現(xiàn)代，對(duì)于地質(zhì)歷史時(shí)期的研究還近乎空白。鑒于煤炭的燃料特性優(yōu)于樹木，推測(cè)燃燒過(guò)程里會(huì)有固體燃料—?dú)怏w產(chǎn)物—冷凝固體產(chǎn)物的變化過(guò)程，其冷凝的固體產(chǎn)物直徑一般為2 μm左右，進(jìn)入大氣后以氣溶膠為載體(張華等，2008)，可運(yùn)輸至很遠(yuǎn)的距離。在以往的研究中，煤層自燃對(duì)于古火災(zāi)事件的影響認(rèn)識(shí)模糊或被忽視。晚上新世以來(lái)，中國(guó)近海及黃土沉積中黑碳含量顯著增加(Jiaetal.， 2003；Zhouetal.， 2014)，其是否與這一時(shí)期煤層大規(guī)模燃燒相對(duì)應(yīng)，值得深入研究。

4 研究展望

作為煤層自燃的產(chǎn)物，燒變巖在中國(guó)廣泛分布于以昆侖山—秦嶺—大別山為界的中國(guó)北方，但其通常只被煤田地質(zhì)工作者重視，已有的研究零星而不系統(tǒng)，僅在新疆、鄂爾多斯等地區(qū)見相關(guān)研究，且總體研究程度較低。相比較而言，國(guó)外研究者對(duì)于燒變巖的宏觀和微觀特征、形成過(guò)程及形成時(shí)代等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究(如Grapesetal.，2009;Baboolaletal.，2018;Sokoletal.， 2018)。筆者近年來(lái)實(shí)地考察了國(guó)內(nèi)多個(gè)沉積盆地邊緣的燒變巖露頭剖面，野外考察及結(jié)合前人研究顯示，燒變巖的分布范圍廣、層位多，有煤層暴露的地方多發(fā)育燒變巖。但總體上國(guó)內(nèi)對(duì)于燒變巖形成時(shí)代、控制因素及古構(gòu)造、古氣候、古地貌、古野火研究的意義都認(rèn)識(shí)模糊，研究亟待加強(qiáng)。對(duì)燒變巖特征及年代學(xué)的研究，有利于深入探討煤層自燃時(shí)代，理清燒變巖的形成過(guò)程及控制因素，進(jìn)而反映古煤層自燃發(fā)生時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、河流侵蝕、古氣候、古地理、古地貌等地質(zhì)信息，為研究中國(guó)西北地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、古氣候變化、古環(huán)境變遷、古野火分布等提供一種全新的研究思路。

致謝參加野外工作的還有成都理工大學(xué)段雄、杜怡星、王小端、葛禹、王艷艷和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)時(shí)潛等。感謝成都理工大學(xué)馮明石在掃描電鏡等樣品測(cè)試方面的幫助。感謝評(píng)審專家的意見和建議!