1、沁水盆地构造演化与煤层气的生成李明宅杨陆武胡爱梅徐文军(中联煤层气有限责任公司科技研究中心，北京，100011)摘要沁水盆地面积约23923km2，蕴藏着丰富的煤炭资源和煤层气资源，是我国重要的煤层气勘探区。本文主要从盆地演化的角度讨论了煤层的形成及其生气潜力，认为沁水盆地南部是有利的煤层气勘探区块。关键词 沁水盆地构造演化沁水盆地南受煤层气1 沁水盆地构造演化特征在影响煤层气生成和保存的众多地质因素中，以构造作用的影响最大，因为盆地的构造特征和构造热演化决定着煤的聚集和生气作用。11构造特征及成煤期后构造发育特征沁水盆地位于晋中一晋东南地区，为近南北向的大型复式向斜，面积约23923km2。
2、盆地内次级褶皱发育，南部(古县一屯留一线至阳城)和北部(祁县以北)以近南北向褶皱为主，局部近东西、北东和弧形走向的褶皱；中部(祁县至沁源)则以北北东向褶皱发育为特点。断裂以北东、北北东和北东东向高角度正断层为主，集中分布于盆地西北部、西南部及东南部边缘。该盆地处于长期抬升状态，具有内部褶皱发育、断裂不甚发育和煤系地层广泛稳定分布的特点，区别于其西侧的鄂尔多斯盆地和东侧的华北东部断块含煤区，前者煤系沉积后长期持续稳定沉降、上覆地层厚、构造简单，后者煤系沉积后又经历了强烈的块断作用改造。沁水盆地煤系地层沉积后，历经印支、燕山和喜山三次构造运动改造。印支期本区受侯马一沁水一济源东西向沉积中心的控制，
3、以持续沉降为主，沉积了数千米的三叠纪河湖相碎屑岩，由北向南增厚。三叠纪末的印支运动，使华北地区逐渐解体，盆地开始整体抬升，遭受风化剥蚀。燕山期内构造运动最为强烈，在自西向东挤压应力作用下，石炭系、二叠系和三叠系等地层随山西隆起的上升而抬升、褶皱，形成了轴向近南北的复式向斜，局部断裂并遭受剥蚀。同时，区内莫霍面上拱，局部伴有岩浆岩侵入，形成不均衡的高地热场，使煤的变质程度进一步加深。由于该变质作用是在煤层被抬升、褶皱、剥蚀，上覆静岩压逐渐减小的情况下进行的，因而对煤的割理及外生裂隙的生成、保存等均产生了有别于深成变质作用的影响。喜山期区内受鄂尔多斯盆地东缘走滑拉张应力场作用，在山西隆起区产生北西
4、一南东向拉张应力，发育了山西地堑系，区内形成了榆次介休一带的晋中断陷，沉积了上千米的上第三系、第四系陆相碎屑岩，其他地区石炭系、二叠系和三叠系等地层继续遭受剥蚀，并在北部和东南部因拉张而形成北东向正断裂，致使沁水盆地定一36型于现今状态。喜山构造期除晋中断陷、寿阳和屯留地区接受沉积外，盆地大部分地区继续遭受风化剥蚀，使煤层埋深小于2000m的地区占盆地总面积的86，成为国内少有的煤层埋深适中，分布面积大，连续性好的含煤区。喜山期的拉张应力有利于煤层割理、裂隙的开启及张性裂隙的生成，有利于渗透率的提高，尤其在割理及裂隙比较发育的次级褶曲轴部和北东向断裂附近。12盆地构造热演化分析研究表明，目前华
5、北晚古生代煤层的埋藏类型主要为沉降抬升型(V型)，因此煤层气的保存取决于煤层曾经达到的最大埋深及喜山期后上覆地层的剥程度。在阳城一翼城地区，印支晚期以来地层总体上处于持续上隆的剥蚀状态，但上古生界煤系底界的最大埋深曾达4400m，煤层被抬升至气体逸散带的时间距今仅有500万年左右，逸散时间较短，有利于煤层气的保存。这是该区煤层含气量和含气饱和度均较高的重要原因之一。在二叠纪一三叠纪，盆地处于台地型的均衡大地热流体制下，地温随埋深增大而升高。此间山西组底部的地温由45升到130左右。二叠纪时含煤地层地温低，热演化速率很慢，为001百万年左右，二叠纪末山西组底部有机质仅达褐煤演化阶段。三叠纪时热演
6、化速率加快，为003百万年左右，山西组底部可达到焦煤、瘦煤、贫煤阶段。燕山期该区及邻区的地幔拱隆，大地热流值背景值升高，加之差异埋深，导致区内有机质不均衡热演化。在盆地边缘地带，侏罗纪热演化速率明显变慢(0009百万年)，白垩纪时更慢(0005百万年)。在白垩纪末，盆地边缘地带山西组底部有机质热演化达瘦煤阶段，盆地中部抬升幅度小，有机质热演化速率为001百万年，相当于边缘地带的20倍，此时的煤阶已达无烟煤阶段。新生代时期，盆地边缘热演化已经停止，但在盆地中部，镜质体反射率仍以0008百万年的速率继续增加。2聚煤条件前已述及，沁水盆地的主要聚煤期是石炭一二叠纪，之所以如此，主要与当时的古地形、古
7、环境条件有关。中奥陶世后，除山西西北部靠近阴山古陆地区及南部古隆起较高外，山西境内广大地区准平原化。中石炭世后，经过本溪期沉积的填平补齐，地形更趋平坦，总趋势是北高南低，均匀沉降和补给，有利于大范围成沼，也给海水向西北方向进泛创造了有利条件。实际资料表明，该区在太原期和山西期总体上处于三角洲前缘和上三角洲平原环境，其中，太原早期主要为大范围的分流间湾相环境，山西早期主要为湖沼环境，对成煤有利，形成了北起安泽，南至沁水，西起浮山，东到长子所围绕的范围内3号或15号煤的厚煤分布带。这一点已被勘探所证实，也是我们在沁水盆地南部勘探煤层气的依据。3沁水盆地南部煤层气的生成与含气性31煤层分布特征勘探表
8、明，区内山西组和太原组共含煤611层，煤层厚度大且分布稳定的有3号、9号和15号煤层，其中3号煤层全区稳定，厚度平均5m，煤层之上有厚的暗色泥岩做盖一37层；15号煤层属于较稳定煤层，平均厚度约3m，煤层之上有厚的灰岩和泥岩做盖层，可以对气体起到比较好的保护作用，3号和15号煤层是煤层气勘探的主要目的层。煤层气井一般合采主煤层厚度平均为8m，因此，该区稳定分布的厚煤层对勘探开发煤层气比较有利。32煤的有机组成与生气能力(1)显微组成特征与生气能力的关系。煤岩分析结果，3号煤层：镜质组和惰质组含量平均为7799和22，壳质组含量甚微，灰分含量平均1351；15号煤层：镜质组和惰质组含量平均为79
9、21和2003，壳质组含量甚微，灰分含量平均1256。表明原始有机质主要来源于陆源高等植物，高等植物中富含的木质素和纤维素所形成的镜质组具有很高的生气能力。热模拟实验表明，镜质组是主要的产气组分，也是吸附甲烷的主要参与者。煤层生气量随煤阶的增高而增大，低煤阶一般为25矗t，高煤阶可达3l一t。沁水盆地南部煤层的镜质组含量较高，演化程度高，具有生气量高和吸附量也高的特点，因此，尽管后期地层长期抬升，造成一定程度的气体散失，但仍然有相当数量的吸附气体保存至今，供我们进行煤层气勘探开发。(2)煤岩特征。煤心观察表明，3号煤和15号煤主要为半亮型和半暗型煤，夹亮煤和暗煤条带，而且总体上表现出15号煤略
10、好于3号煤，与煤岩分析结果一致，这种特点与该区原始沉积环境的变迁相关。一般来说，光亮煤越多，产气能力越高。(3)煤的元素分析。区内煤的HC和0C原子比都很低，前者平均046，后者平均O02。图4为3号煤和15号煤干酪根类型图，反映了煤的高演化特点。33煤的热演化程度与生气作用区内煤的月。在21一399之间，自北向南逐渐增高，由贫煤演变为无烟煤，具有很高的生气能力。煤变质程度高，以及高阶煤分布广泛是本区最明显的特征。如前文所述，上古生界煤的第一次生气作用发生在快速沉降至缓慢增温阶段，历经石炭纪、二叠纪和三叠纪；第二次发生在快速抬升至快速升温阶段，历经晚侏罗世至早白垩世。第二次生气作用包括从湿气到
11、干气的生成阶段，基本上经历了煤化作用的整个生气过程。据刘焕杰等人研究，该区一次生烃作用的生气量只占总生气量中32，而第二次占68，因此，认为第二次生烃作用的特征是影响煤层现今含气性的最为重要的因素之34煤层含气性实际勘探表明，沁水盆地南部煤层气含量较高，自盆缘向中部含气量增大，一般变化在1024m3t之间，而且全区稳定。4结束语(1)由于特殊的构造热演化作用，使得该盆地煤的演化程度差异较大。侏罗纪前，主要为深成变质作用，差异不大；侏罗纪后，差异较大，形成盆地南北两端为贫煤一无烟煤的特点。(2)燕山晚期以来，盆地主要处于拉张环境，加之快速热演化的作用，使煤层保存了原生结构和发育了较好的割理裂隙；
12、这种相对简单的构造特点，减少了煤层气因断裂而造一38成的大面积逸散，使气体能够在较好的构造环境中保存下来。(3)沁水盆地南部两套广泛分布的厚煤层具有煤岩煤质好、演化程度高、封盖条件好、含气量高等优点，对煤层气勘探开发非常有利，是国内进行煤层气勘探开发的重点地区。沁水盆地构造演化与煤层气的生成作者： 李明宅， 杨陆武， 胡爱梅， 徐文军作者单位： 中联煤层气有限责任公司科技研究中心(北京)本文读者也读过(10条)1. 琚宜文.侯泉林.范俊佳 沁水盆地构造演化与煤层气成藏条件会议论文-20082. 琚宜文.范俊佳.谭静强.武昱东.雒毅.Ju Yiwen.Fan Junjia.Tan Jingqia
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