构造煤中应力敏感元素迁移聚集规律及动力学机制

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系统采集淮北矿区典型构造煤样品,以构煤中敏感元素的迁移聚集规律为研究对象,结合区域构造发育特征和构造煤形成的动力学机制,分析构造煤中矿物的分布特征,借助ICP-MS、SEM-EDX、XRF和CVAFS等先进测试方法,测定并分析不同类型构造和不同变形程度构造煤中常量、微量和稀土元素的迁移聚集和散失规律,初步揭示构造煤中应力敏感元素迁移聚集的动力学机制。取得了如下结论:(1)依据构造煤结构和变形机制,将淮北矿区中的构造煤划分为6大类共9种,发现煤中矿物的分布、变形和迁移与构造煤变形有关,脆性变形煤中后生矿物的裂隙填充作用,碎斑煤中矿物的机械混合作用及剪切滑面上的压溶流变作用,是煤中矿物分布迁移的主要因素。(2)探讨了构造煤中后生矿物分布特征及构造控制。利用XRD和SEM-EDX等方法分析淮北矿区构造煤中矿物分布特征,发现随着构造煤变形程度的增加,矿物的颗粒形态发生了变化,从弱脆性变形煤中的有序分布向韧性变形煤的无序结构演化;与构造煤形成机制有关,脆性变形过程中发育的裂隙或破碎为矿物的形成和赋存提供了空间,韧性变形过程中煤体的变形及动力变质作用促使元素迁移聚集并为矿物的形成提供了化学条件。(3)系统揭示了不同类型构造煤中元素的迁移聚集规律。分析不同类型构造煤中常量元素、有机元素、微量元素和稀土元素的分布特征,发现元素迁移聚集规律与构造煤变形程度有关,并在不同类型构造和构造部位分异,构造应力是促使元素迁移、聚集的驱动力。(4)揭示了不同类型构造中敏感元素的构造控制机制。分析发现,西寺坡逆冲推覆断层为封闭的还原环境,上、下盘中元素的迁移、聚集和散失遵守能量守恒定律,区域构造应力场及其伴随的动力变质作用促使煤中元素从高应力区向低应力区迁移;断层中敏感元素以断层面为中心,向两盘呈规律性变化,随着构造煤变形程度增加,动力变质作用逐渐并成为控制煤中元素迁移的主要因素,并综合受到应力应变环境和机械混合作用影响。(5)依据造煤中敏感元素迁移聚集的基本规律,建立了构造煤中应力敏感元素的选取原则和方法,最终选取不同类型和不同性质构造中的应力敏感元素,为构造煤地球化学方法预测煤与瓦斯突出提供了新理论和新方法。(6)系统探讨了构造煤中应力敏感元素迁移聚集的动力学机制。应力敏感元素的迁移聚集过程分为迁移和聚集两个阶段,存在物理和化学两种途径,包括断裂填充、应力驱动、动热迁移、力化学驱动和机械混合流变等5种迁移聚集模式;分析认为构造煤的脆性和韧性变形机制及其伴随的动热效应是影响构造煤中元素重新分配的主要因素,构造应力为元素的再次迁移提供了动力和基础;构造煤的变质变形机制决定并控制了元素迁移的方式和途径;构造应力加速了元素迁移、聚集的速率,从而使元素随煤体变质变形发生动力分异。
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