煤缩合芳环应力响应:对无烟煤石墨化的启示

浅层次(<5 km)滑脱构造中剑鞘褶皱的发现预示着脆性变形域中同样发育有煤层韧性剪切带,且其结构-构造特征和伴生石墨矿化现象已被人们所认识,然而对于煤大分子缩合芳环应力响应特征则知之甚少,且缺乏实验论证及理论分析。以原生结构无烟煤的高温高压变形实验,高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)以及X射线衍射(XRD)分析为主要研究方法,分析次高温条件下(<300℃)应力(~200 MPa)和应变速率(1×10^(-5)~1×10^(-7)s^(-1))对煤中缩合芳环结构有序性的影响,揭示不同应力状态和应变速率条件下煤缩合芳环的结构有序化演化规律及其对无烟煤石墨化成矿的启示。结果表明,高构造应力和低应变速率使得无烟煤大分子缩合芳环长度生长,定向性增强;2者对缩合芳环结构有序性的影响最为显著。煤中缩合芳环弯曲程度随着差异应力和静水压力的升高而升高,随着应变速率的降低而升高;堆叠程度则随着差异应力的升高和应变速率的降低而略微升高,对静水压力和温度的变化不敏感。XRD结果显示缩合芳环碳网间距随着构造应力的升高和应变速率的降低而逐渐降低,与HRETM的表征结果一致。实验结果表明除温度之外,高差异应力和低应变速率是无烟煤大分子基本结构单元有序化增强的关键因素。作为上地壳力学性质最为软弱的岩层,煤大分子缩合芳环应力响应特征研究对于无烟煤石墨化成矿作用有重要启示作用。