陈彬，时志强
1. 煤层自燃与烧变岩
煤层自燃（煤火）作为一种灾难性现象，在现代全球产煤区广泛出现，其起因是自然的（如森林火灾、雷击、强烈的太阳光引燃暴露的煤层）或人为的（如由采矿活动而引燃煤层）。广义的煤层自燃指自然条件下煤的燃烧，煤层的暴露及与空气的接触是煤层自燃必不可少的条件，不同于人类活动引起的现代煤火，地质历史时期的古煤火通常是自然因素导致的煤层燃烧现象，其中，构造抬升、地层风化剥蚀及河流下切等多种地质过程将煤层暴露于地表，是引发煤火的前提。煤层自燃导致相邻的砂岩或泥岩遭受到煤层火的高温烘烤，改变了其原有特征，导致岩石脱水或者氧化，引起岩石学、矿物学和地球化学特征的改变，进而形成烧变岩。烧变岩又称火烧岩、燃烧变质岩，被定义为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和Coates, 2004）。烧变岩最显著的岩石学特征是其独特的颜色，通常呈现砖红色或赭红色，部分呈现钢灰色。烧变岩主要构造类型有磁化结构、烧熔结构、残余构造、气孔构造、微柱状节理构造、角砾状构造等（图1）。烧变岩矿物学特征取决于原岩的组分和燃烧变质强度，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，其中部分矿物是烧变过程中高温变质反应的产物。
烧变岩在我国北方分布广泛，但仅在新疆、鄂尔多斯等地区见相关报道。相关研究多集中于烧变岩岩石学特征或煤层自燃的工程防治等方面，对于烧变岩形成年龄的研究仅有零星的报道，更少有研究涉及烧变岩所蕴含的古环境、古地貌、古野火等信息。
图1 中国北方烧变岩的典型结构与构造
A-烧烤泥岩的瓷化结构；B-烧烤泥岩的微柱状节理（筷子状构造）；C-烧烤岩中植物叶片残余构造；D-烧熔岩；E-高温烧变岩的渣状构造；F-煤灰及上覆褐红色烧变岩；G-被方解石脉分割的角砾状构造；H-烧熔结构的微观特征；I-白色烘烤岩中的气体逃逸通道。
烧变岩在中亚、美洲、澳洲等地区的分布也较为广泛，已有的研究主要集中于美国中部以及和新疆毗邻的中亚地区（Grapes et al., 2009; Heffern和Coates, 2004）。较多的文献涉及了烧变岩的物质成分、结构特征和形成原因、过程等研究，同时，近年来的成果涉及了烧变岩精确形成时代和其反映的古地貌（河流下切、溯源侵蚀等）、古气候（干旱-湿润、冰期-间冰期等）。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、古气候和古地理等地质信息，为研究西北地区构造运动过程及古气候变化提供了一种新的研究思路。
2. 中国烧变岩的分布
据已有文献及实际地质调查结果，我国烧变岩分布于以昆仑山-秦岭-大别山为界的中国北方，主要见于西北地区的伊犁、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2），在黄河沿岸也分布较多。分布范围的经度横跨约35度（从伊犁盆地到太行山南麓）、纬度跨度大于15度（从鄂尔多斯盆地到准噶尔盆地）（图2）。野外实际调查显示，无论地表煤层的厚、薄，有煤层出露的地方都可能发育烧变岩，在伊犁、鄂尔多斯等盆地内地表黄土之下亦有可能发育烧变岩。
图2 中国北方已知的烧变岩分布
中国北方烧变岩的分布范围与地表（或黄土覆盖的近地表）煤层出露区域一致，一般具有以下四种分布特征：（1）大面积连片分布，主要出现在鄂尔多斯盆地东北部及准噶尔盆地东部（图2），面积可达数百甚至上千平方公里；（2）沿山脉走向、盆地边缘或造山带前缘呈线状分布，其产出状态与煤层在山前的线状分布有关；（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，一般在高阶地的分布更为普遍；（4）为第四系黄土覆盖，主要覆盖物为晚更新世马兰黄土（图3F），亦见被第四纪早期砾石层覆盖者。中国北方第四系黄土覆盖区分布广，推测有大量烧变岩未出露地表。
烧变岩的原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3A-E），在鄂尔多斯盆地，其主要发育于延安组（图3F, G）。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（图3H，I），在二连、酒泉等盆地亦见发育在白垩系中的烧变岩。
图3 中国北方典型烧变岩露头宏观特征（时志强等，2021）
A-伊犁盆地南缘；B，C-准噶尔盆地南缘；D-准噶尔盆地东北缘；E-吐哈盆地中部；F-鄂尔多斯盆地东北部；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-二叠系含煤岩系中发育的烧变岩。
3. 中国烧变岩的形成时代
目前国内关于烧变岩形成时代的研究较为薄弱。根据较为有限的年龄数据分析，中国烧变岩显示出时间跨度较大、以中新世、更新世为主的特点，但不同地区的烧变岩形成时代有差异。国内测试烧变岩形成（即煤层自燃）年龄的方法主要有：（1）电子自旋共振（ESR），以此确定塔里木盆地库车河烧变岩形成年龄为3.26和2.37Ma（业渝光等，1998）；（2）Ar-Ar同位素测年，用该方法确定中亚地区（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（Novikov和Sokol，2007）；（3）K-Ar 同位素测年，以此确定乌鲁木齐煤田自燃烧变岩年龄为0.158-0.164Ma（孙家齐等，2001）；（4）磷灰石裂变径迹，以此推测了鄂尔多斯盆地东北部烧变岩的形成具有三个阶段，分别为晚白垩世、晚始新世和晚中新世（黄雷，2008）和天山北缘硫磺沟地区烧变岩形成于中新世中晚期（Chen et al., 2021）；（5）锆石铀-钍/氦同位素测年，以此获得了鄂尔多斯等盆地边缘部分烧变岩年龄大致形成年龄分为两个年龄段，分别为1.74±0.19 Ma和4.52±0.77 Ma~4.75±0.37 Ma。
4. 烧变岩的研究意义探讨
烧变岩常作为煤矿的找矿标志。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大量涌水的威胁，或利用烧变岩潜水作为煤矿矿井的供水水源。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。近年来的研究显示，烧变岩可能和砂岩型铀矿富集有关（Shi et al., 2020），煤灰中有铟元素含量异常。烧变岩也可形成具有旅游景观价值的特殊地貌单元。除此而外，烧变岩蕴含的潜在地质意义还包括：
（1）地层学意义
煤层自燃的发生使得中国北方地表的含煤地层常夹红色烧变岩，在未意识到煤层自燃的情况下，露头剖面的红层（原始沉积为煤系地层）可能被错误识别为干旱气候条件下的沉积。此外，煤层自燃的高温条件会影响碎屑锆石的铀、铅成分，使得锆石时钟重置，因此受煤层自燃影响的碎屑锆石同位素年龄难以有效反映地层时代及物源区性质。
（2）古构造、古地貌意义
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，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。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我国西北地区煤层在地质历史时期的大规模自燃。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）。
（3）古气候意义
烧变岩通常形成于干旱-半干旱气候条件（如中亚地区）或季节性干旱条件（如加勒比地区），湿润气候条件下的地表煤层自燃极其罕见，因此烧变岩一定程度上蕴含着古气候信息，但相关研究较为薄弱，煤层自燃与气候变化之间的耦合关系不明。此外，尽管煤层自燃释放大量二氧化碳有被较多文献提及，但其规模是否达到影响全球气候还未有定论。计算显示鄂尔多斯盆地东北部分布的所有烧变岩（国内分布面积最大的烧变岩区）反映煤层燃烧释放的CO2质量，大致相当于现代社会一年化石燃料燃烧释放的CO2质量（时志强等，2021），由此看单一地区煤层自燃释放的二氧化碳，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。
（4）古野火及黑碳研究意义
作为一种重要的、常见的古野火类型，煤层自燃在古野火研究中常被忽视。古代海洋、湖泊或黄土沉积中的黑碳（燃烧碳、碳黑）常被用来重建古火灾事件和陆地植被演化历史，作为黑碳的主要来源之一，地质历史时期煤的燃烧同样重要。但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，往往忽视了地质历史时期煤层自燃所产生的影响。
鉴于烧变岩蕴含着多种矿产信息及丰富的地质意义，其值得地质工作者深入研究，期望有更多的研究成果涉及煤层自燃这一在地质历史中广泛分布、却被有所忽视的地质现象。
本文第一作者陈彬系聊城大学讲师，第二作者时志强为成都理工大学教授。本文主要依据作者于2021年发表在《古地理学报》的文章整理而成，欢迎交流（szqcdut@163.com）。欲知更多详情，请进一步阅读相关文献。
主要参考文献
[1] 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.
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