湖南新化煤系石墨结构有序化过程研究

论文摘要

本文充分运用煤岩学、煤地质学、矿物学、岩石学、地球化学等学科理论知识,重点对湘中涟源盆地寒婆坳矿区天龙山岩体附近的系列石墨化煤的煤岩组分转化、结构变化与地球化学演化、煤大分子中含C结构的有序化、石墨化煤的形成温度进行了综合分析研究,提出了煤自然石墨化过程的宏观模型和微观模型,探讨了煤系石墨的成矿机理。（1）天龙山花岗岩侵入体对湘中涟源盆地寒婆坳赋煤矿区测水组煤的显微组分产生了不同程度的蚀变作用。离岩体较远的金竹山矿（JZS）和联新矿（LX）煤依旧为无烟煤（Rr=4.3-4.7%）,煤岩组分主要为镜质组和惰质组,随着靠近岩体,煤的变质程度提高,显微组分逐渐转变为微晶石墨颗粒,并有热解碳、针状石墨、鳞片石墨伴生,在离岩体最近的石巷里矿（SHL）中微晶石墨颗粒体积含量>80%,表明镜质组分和惰质组分都能够石墨化而转变成微晶石墨。不同组分的石墨化能力为:均质、基质镜质体>氧化丝质体>火焚丝质体。微晶石墨颗粒的反射率较低,在3-5%之间,不能够反映石墨化煤真实的变质程度。（2）利用显微红外光谱与显微拉曼光谱对石墨化煤中不同组分分析,结果表明,对处于无烟煤和变质无烟煤阶段的样品,同一样品中镜质组分与惰质组分的结构类似,说明在无烟煤化过程中煤的结构非均质程度较低;随着微晶石墨颗粒在高变质程度样品中的逐渐出现,煤的非均质性再次体现,而且非均质程度随石墨化度增大而提高。显微拉曼参数D1峰半高宽与R1（R1为D1峰与G峰强度比）的关系显示,在系列样品中镜质组与惰质组结构演化为碳化作用过程,微晶石墨颗粒组分的结构演化为石墨化作用过程。显微红外光谱技术不能反映Rr>5.9%的煤的结构信息,但微晶石墨颗粒显微红外光谱中都存在870 cm-1的尖锐峰,可以辅助石墨组分的鉴定。非均质性较强的部分石墨化煤（partly graphitized coal）中同时存在的微晶石墨颗粒和无烟煤颗粒可以通过密度梯度分离技术（DGC）被分离开来。（3）通过对系列石墨化煤的X射线衍射（XRD）分析并结合反射率,本文提出了利用XRD（002）峰半高宽和反射率来综合划分石墨化煤变质程度的方法。在离岩体较远的金竹山（JZS-3）、联新（LX-3）、稠木矿（CM）和胜利-5（SL）样品的XRD谱中为无烟煤的特征峰,反射率随变质程度增高,扫描电镜下依旧显示为煤的颗粒形态,处于无烟煤和变质无烟煤阶段;而离岩体较近的胜利-3（SL）、稗冲矿（BC）和石巷里矿（SHL）样品的XRD图谱逐渐转变成石墨的尖锐峰,反射率值不能代表其石墨化程度,可用（002）峰半高宽反映其变质程度,扫描电镜下可观察到石墨微晶片逐渐变大并变的规则,处于部分石墨化和石墨阶段。（4）系列石墨化煤的地球化学分析表明,石墨化煤挥发分含量较正常埋藏变质煤的高,元素分析中的H、N和O随与岩体距离变近而逐渐减小,C含量随靠近岩体而逐渐富集。对比不同变质类型煤的元素演化轨迹,发现石墨化煤的演化轨迹与埋藏变质作用煤和小规模岩浆侵入煤都不一样,H含量相对较低,O含量相对较高,印证了煤石墨化过程中H原子容易失去并伴随煤结构的改变,体现了岩体规模对煤石墨化作用的影响。（5）通过分析石墨化煤中的矿物组合特征和石墨化煤的煤岩特征,并结合拉曼地质温度计和人工合成石墨的温度条件分析,推断金竹山矿（JZS-3）和联新矿（LX-3）无烟煤样品的形成温度约为250-260℃,稠木矿煤（CM）受热温度约为320-350℃,胜利矿煤（SL）受热温度约为370-390℃,稗冲矿煤（BC）受热温度约为440-460℃,石巷里矿煤（SHL）受热温度约为470 ℃。受热温度较低时,并不能提供煤石墨化所需足够的活化能。（6）新化地区煤石墨化所受应力作用现象在宏观构造特征、煤岩显微组分、HRTEM图像中都得以体现,说明应力作用对石墨化煤的形成有重要促进作用。同时,通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）发现煤自然石墨化过程中也存在矿物质的催化作用,矿物元素以含Si为主,可能是煤受热过程中有机质与粘土矿物反应生成碳化物,然后碳化物分解形成有序化碳结构。（7）综合分析研究区内的岩浆-构造活动史,提出了煤自然石墨化过程的微观模型和宏观模型。在仅受温度的作用下煤中组分主要以碳化作用过程为主,C原子间经sp2键联结形成局部分子定向畴,但整体排布依旧为无序状态;在温度-剪切应力共同作用下,煤中纳米级孔被应变能破坏,孔壁中局部分子定向畴结构在应力作用下发生旋转联结定向增长,形成纳米级的多晶石墨微晶体。虽然岩浆活动提供的高温条件是石墨化煤形成的必要条件,但岩浆-构造耦合作用才是煤石墨化的关键条件,只有在岩浆热作用过程中有“有效”应力的参与才能够使煤在自然过程中产生石墨化。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 煤系隐晶质石墨

1.2.1 隐晶质石墨与晶质石墨

1.2.2 煤系石墨资源分布与储量

1.2.3 煤系石墨的应用简介

1.3 煤自然石墨化的国内外研究现状

1.3.1 煤的变质作用研究

1.3.2 含碳有机质的石墨化研究

1.3.3 沉积有机质石墨化的实验研究

1.3.4 目前研究存在的问题

1.4 本论文主要研究内容

1.5 研究思路与技术路线

1.5.1 研究思路

1.5.2 技术路线

1.6 本论文的创新点

2 研究区地质概况

2.1 涟源盆地

2.1.1 大地构造背景

2.1.2 沉积环境及地层发育特征

2.1.3 构造演化

2.1.4 岩浆活动

2.2 寒婆坳矿区地质特征

2.2.1 概况

2.2.2 含煤地层特征

2.2.3 构造特征

2.2.4 岩浆岩体特征

2.3 样品采集

2.4 本章小结

3 石墨化煤的煤岩学与地球化学研究

3.1 石墨化煤显微光学特征研究

3.1.1 研究方法

3.1.2 显微组分光学特征

3.2 石墨化组分的原位SEM特征研究

3.2.1 研究方法

3.2.2 SEM特征

3.3 石墨化组分鉴定讨论

3.4 石墨化煤的地球化学演化特征

3.4.1 研究方法

3.4.2 酸洗对石墨化煤的影响

3.4.3 石墨化煤地球化学演化径迹

3.5 本章小结

4 煤自然石墨化过程中结构演化研究

4.1 石墨化煤的平均结构特征

4.1.1 研究方法

4.1.2 系列石墨化煤的XRD研究

4.1.3 系列石墨化煤的Raman光谱研究

4.1.4 系列石墨化煤的FTIR光谱研究

4.1.5 系列石墨化煤的SEM研究

4.2 石墨化煤原位微区谱学特征

4.2.1 研究方法

4.2.2 石墨化煤单组分的micro-FTIR光谱研究

4.2.3 石墨化煤单组分的micro-Raman光谱研究

4.2.4 煤非均质性随变质程度的变化

4.3 石墨化煤的密度梯度分离（DGC）研究

4.3.1 研究方法

4.3.2 石墨化煤DGC分离特征

4.3.3 DGC分离单组分的XPS研究

4.3.4 DGC分离单组分的TEM研究

4.4 石墨化煤结构演化特征讨论

4.5 本章小结

5 煤石墨化过程中温度研究

5.1 石墨化煤中矿物组合特征

5.1.1 引言

5.1.2 研究方法

5.1.3 结果与讨论

5.2 石墨化煤的煤岩温度特征

5.2.1 引言

5.2.2 研究方法

5.2.3 结果与讨论

5.3 石墨化煤的拉曼光谱反演温度研究

5.3.1 引言

5.3.2 研究方法

5.3.3 结果与讨论

5.4 人工石墨化温度与自然石墨化温度对比研究

5.5 本章小结

6 岩浆-构造耦合作用下煤结构有序化模型

6.1 引言

6.2 石墨化的应力作用

6.3 石墨化的元素催化作用

6.4 石墨化煤结构有序化过程模型

6.5 煤系石墨成矿机理探讨

6.6 本章小结

7 结论与展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李阔

导师: 刘钦甫

关键词: 煤系石墨,石墨化煤,微晶石墨,煤岩学,结构演化

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地质学,矿业工程

单位: 中国矿业大学(北京)

基金: 刘钦甫教授所主持的国家自然科学基金面上项目《煤系隐晶质石墨成矿过程中结构和性能变化研究》(项目编号:41672150),刘钦甫教授建立的“煤系共伴生矿产资源与利用实验室”

分类号: P618.11;P619.252

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000149

总页数: 133

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