煤变质作用的因素有温度、压力和时间,其中温度是煤变质的主导因素。晚古生代石炭-二叠纪是华北地区的一个重要的聚煤期,区内煤炭资源丰富、煤种齐全并呈一定规律分布,这为研究煤变质作用提供了天然的研究场所和丰富的资料。地质学家们对华北地区煤变质成因的研究已经有近100年的历史。早在20世纪20年代,河南济源之西的山西省南部晋城、高平一带的无烟煤被认为是动力变质、区域变质和接触变质成因;30年代,煤田地质工作者比较强调煤的动力变质;40年代,苏联对一些大煤田的变质分带进行了研究,认为并非动力变质所致,而主要是由于深成变质造成的;50年代,地质学家们无法使用看似放之四海而皆准的深层变质作用来解释整个中国的煤变质问题,因为辽宁地区古近-新近纪的煤层煤级也达到长焰煤—气煤阶段。1956年,王竹泉教授总结华北地区煤变质规律后,提出了火成岩变质作用,并且认为该作用在煤变质过程中起到主导作用。吴光荣等支持该观点,并且认为华北东部煤变质是以接触变质作用为主,不存在动力变质作用。前人们的观点为后续的研究提供了新的思路。20世纪70年代末至80年代,对河南省范围内的近东西向煤变质条带的形成过程、成因及机理有过很多探讨。分别出现了深成(埋藏)变质作用、岩浆变质作用、热水变质作用等众多理论与观点。但是此后,该区的煤变质作用研究热逐渐为渐渐热起来的煤层气、页岩气研究所取代。人们发现,在华北板块南缘,以晋城-济源-开封-永城为中心,存在北西西向展布的高变质煤条带,向两侧(或有人认为向四周)煤级逐渐降低的煤变质图案。通过河南省石炭-二叠纪煤的变质作用研究,先后于20世纪80-90年代提出了区域岩浆变质、热水循环和板块构造模式。然而,对于高煤变质带的形成时代,有认为是印支期的、有认为是燕山期的,长期以来没有统一的看法。对其成因,有认为是燕山期岩浆活动所致,也有认为是与印支期华北-扬子板块碰撞相关,还有认为是断裂与大气降水所致的热液(水)循环相关。从前人的讨论中发现,不同的看法几乎都局限于河南省范围,因此,从更大范围去探讨是否会有更多受益;自从20世纪90年代以来,油气勘探所揭示的侵入石炭-二叠纪以来地层中的岩浆岩体不断见有报道,研究成果多多;此外,在众多的讨论中,对华北板块东部印支期与燕山期构造体制的转换,构造线方向由近东西向转变为北东-北北东向,印支期构造线方向与高煤变质条带相一致;燕山期构造线方向与岩浆岩体展布方向近一致,而与煤变质条带展布方向不同。人们对此问题探讨的不多。鉴于此,本论文从煤岩性质、煤结构、煤显微组分与镜质体反射率等煤岩学研究入手,通过运用镜质体反射率方法进行古地温的模拟,岩浆岩体的展布和年代,特别是印支期-燕山期构造体制的转换研究,探讨华北板块南缘的煤变质作用特征、高变质煤条带的形成时间与成因机理。本文进行了以下几方面的研究:(1)自南部平顶山至北部安阳-鹤壁,较系统地采集了二1煤层煤样,进行了煤的宏观煤岩类型观察、煤显微组分鉴定、镜质体反射率测定、煤的x射线衍射分析等实验分析和研究。在此基础上,系统收集前人煤岩、煤质和煤结构分析等资料,对包括河南省在内的华北板块南缘的二1煤变质图进行了重新绘制,对煤岩自身所反映出来的煤变质信息进行了详细分析和提取。(2)运用karweil图解法和baker古地温经验公式,以镜质体反射率值为基础,进行了古地温场的模拟,以此获得华北板块南缘的古地温场数值。(3)在系统调查和收集研究区前人有关野外露头、钻孔揭露的岩浆岩体的基础上,编绘了研究区的岩浆岩体分布图,并对岩浆岩体的展布、侵入(或喷出)的期次、岩浆活动的高峰期和年代学方面进行了分析研究。(4)进行了华北-扬子板块印支期碰撞及其在研究区的响应特征方面的研究,包括两大板块碰撞导致华北板块南缘前陆盆地发育、板块边缘嵩箕隆起、向北济源-开封一带地壳拉张减薄。在济源-开封一带三叠纪沉积了厚达3800m的建造,并在有的凹陷中连续沉积有侏罗纪沉积物。(5)进行了研究区印支期构造格架和主构造线方向与高变质煤条带展布方向一致性间的关联关系研究,并结合这一时期扬子-华北板块碰撞的区域大背景的研究,试图建立板块碰撞与煤变质条带形成间的联系。(6)讨论了印支-燕山期华北板块东部构造体制转换、燕山期岩浆岩体呈北东-北北东向展布特征,及其彼此间的联系。在上述研究的基础上,取得了如下的成果:(1)自南部平顶山至北端安阳-鹤壁,气孔和镶嵌结构等岩浆活动导致的煤变质显微结构普遍存在,在两淮地区和徐州地区,岩浆活动也普遍存在,反映了燕山期岩浆活动对本区煤变质的影响。然而,燕山期的岩浆活动主要限于郯庐断裂和太行山断裂展布区,并呈北东-北东东向展布,与北西西向展布的高变质煤条带相悖,因此,高变质煤条带的形成与燕山期岩浆活动的关联不大。(2)印支期构造线方向呈近东西向,三叠纪最大沉积厚度分布区与高变质煤条带一致,由古地温模拟等得出的高变质煤条带展布区的高地温异常等,反映出高变质煤条带形成于印支期,并且,是板块构造体制下岩石圈减薄而导致的结果。(3)燕山期岩浆岩体大片出露,岩浆岩体极为发育的秦岭-大别造山带,其濒临该带的平顶山,及其位于华北板块南缘的淮南煤田,其以深成变质为主,更显现出燕山期岩浆活动对华北板块南缘的近东西向变质条带形成的影响是有限的,仅仅改变了部分地区的煤变质图案。(4)得出了研究区石炭-二叠纪煤经历了印支期、燕山期和喜山期多期变质作用。北西西向的高变质煤条带形成于印支期,北东-北北东向的太行山断裂、郯庐断裂展布区,燕山期岩浆活动对煤变质图案起了一定的改造作用,喜山运动期奠定了本区的煤变质图案。(5)在上述研究的基础上,建立了印支期板块构造体制下的煤变质作用模式。