陳學(xué)立, 李久慶, 張海鋒, 劉世界, 宣 濤

(1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司, 天津 300452；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)), 江蘇 徐州 221008)

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巖漿熱變質(zhì)作用對(duì)臨興區(qū)塊煤層氣含量賦存影響

陳學(xué)立1, 李久慶2*, 張海鋒1, 劉世界1, 宣 濤1

(1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司, 天津 300452；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)), 江蘇 徐州 221008)

基于鄂爾多斯臨興區(qū)塊的地質(zhì)背景，分析了紫金山巖體的巖漿熱變質(zhì)作用及其對(duì)煤層氣賦存的影響。燕山期是本區(qū)巖漿巖活動(dòng)最強(qiáng)烈的地質(zhì)時(shí)期，形成了紫金山巖體?？拷辖鹕綆r體，煤的變質(zhì)程度快速升高，煤樣鏡質(zhì)組最大反射率高達(dá)4.9%；圍繞紫金山巖體，煤層的孔隙度、滲透率和煤層氣含量呈現(xiàn)環(huán)帶狀展布特征，煤層氣含量快速升高。研究認(rèn)為：由疊加在深成變質(zhì)作用基礎(chǔ)上的巖漿熱變質(zhì)作用形成的高溫烘烤作用下，巖漿熱變質(zhì)引起煤的二次生烴導(dǎo)致煤生氣量增大和吸附性增強(qiáng)。

巖漿熱變質(zhì)；煤層；臨興區(qū)塊；煤層氣賦存

0 引言

煤變質(zhì)作用主要受壓力、溫度及其持續(xù)時(shí)間的控制[1-3]。世界上許多重要含煤盆地或煤田均經(jīng)歷了接觸變質(zhì)作用或巖漿熱液變質(zhì)作用的影響[4-7]。中國(guó)大部分高煤階煤的形成均與巖漿熱變質(zhì)作用有關(guān)，楊起等[8-9]對(duì)中國(guó)煤變質(zhì)作用的研究表明，深成變質(zhì)作用使中國(guó)晚古生代煤演化到低變質(zhì)階段；中生代的巖漿活動(dòng)，尤其是燕山期巖漿熱變質(zhì)作用使得中國(guó)大部分煤的煤級(jí)增加到中、高變質(zhì)煤階段。燕山期巖漿侵入對(duì)中國(guó)的煤層、煤質(zhì)和瓦斯賦存特征等具有重大影響[10]。臨興區(qū)塊煤的變質(zhì)作用亦具有上述特征，煤層鏡質(zhì)組最大反射率高達(dá)4.9%，僅通過單一深成變質(zhì)作用很難實(shí)現(xiàn)該區(qū)巖漿熱變質(zhì)作用為煤的二次生烴創(chuàng)造了有利條件。為此，本文以鄂爾多斯臨興區(qū)塊為背景，研究了紫金山巖體的巖漿烘烤作用對(duì)煤層氣賦存的影響。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造及地層

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北緣，處于晉陜交界處，以黃河為界，隸屬于山西省呂梁市，北起興縣，南至臨縣(圖1)。鄂爾多斯盆地的演化歷史及其現(xiàn)今構(gòu)造特征表明，鄂爾多斯地區(qū)為華北地臺(tái)的次級(jí)構(gòu)造單元，可劃分為6個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元：西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊盟隆起、陜北斜坡、渭北隆起和晉西撓褶帶(圖1)。本次研究的工作區(qū)臨興區(qū)塊位于晉西撓褶帶上， 晉西撓褶帶在中晚元古代-古生代處于相對(duì)隆起狀態(tài)，僅在中晚寒武世、早奧陶世、中晚石炭世及早二疊世有薄層沉積，中生代侏羅紀(jì)末相對(duì)隆起，與華北地臺(tái)分離，形成鄂爾多斯盆地的東部邊緣。燕山運(yùn)動(dòng)使得呂梁山抬升并向西推擠，加之基底斷裂的影響，形成南北走向的晉西撓褶帶[12]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及研究區(qū)位置圖Figure 1 Tectonic elements and study area situation in Ordos Basin

臨興區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，整體為東高西低的西傾單斜構(gòu)造，地層傾角小。本區(qū)遠(yuǎn)離盆地北緣，背斜幅度較小，總體上北部背斜幅度較南部背斜大。

研究區(qū)出露地層由東向西漸新，地層相對(duì)簡(jiǎn)單，發(fā)育中奧陶統(tǒng)、上石炭統(tǒng)、二疊統(tǒng)和新生界第四系。其中，主要的含煤地層為本溪組、太原組和山西組[11]，研究區(qū)地層詳見圖2。

圖2 研究區(qū)地層柱狀圖(顧嬌楊等, 2016)Figure 2 Study area stratigraphic columnar section (after Gu Jiaoyang et al, 2016)

臨興區(qū)塊主要含煤巖系位于石炭系本溪組和二疊系太原組、山西組，共含煤6～15層，其中本溪組8+9號(hào)煤層和山西組4+5號(hào)煤層厚度較大，且全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，連續(xù)性較強(qiáng)，為本區(qū)煤炭及煤層氣主采煤層，對(duì)于煤層氣的研究重點(diǎn)也集中在8+9號(hào)煤層和4+5號(hào)煤層。

4+5號(hào)煤層平均厚度約4m，整體表現(xiàn)為西北局部地區(qū)和紫金山隆起區(qū)煤層較薄，南部和東部地區(qū)煤層較厚。8+9號(hào)煤層位于石炭系本溪組頂部，為太原組與本溪組的分界，厚度較4+5號(hào)煤層大，平均厚度約7m?？傮w而言，北中部和紫金山隆起區(qū)煤層較薄，東部、西北部和西南部煤層較厚(圖3)。

臨興區(qū)塊煤巖顯微組分統(tǒng)計(jì)顯示，上古生界本溪組和山西組煤巖顯微組分鏡質(zhì)組含量較高，平均值為79%；惰質(zhì)組次之，為13%；殼質(zhì)組含量最低，為2%(表1)。

表1 臨興區(qū)塊煤巖顯微組分統(tǒng)計(jì)表

(a)4+5號(hào)煤層 (b)8+9號(hào)煤層

圖3 煤層厚度等值線圖

Figure 3 Isogram of coal thicknesses

1.2 巖漿活動(dòng)

鄂爾多斯盆地東部晉西撓褶帶發(fā)育的熱力作用與華北板塊早白堊世發(fā)生的構(gòu)造背景相關(guān)，深部巖漿侵入和熱力作用使得該區(qū)深處形成較多隱伏的中深成侵入巖或淺成噴發(fā)相巖體及其伴隨的熱力構(gòu)造[13-15]。早白堊世強(qiáng)烈的構(gòu)造熱力變動(dòng)伴有盆地東翼大面積抬升、呂梁斷隆帶翹傾、離石斷裂帶、晉西撓褶帶及西傾大斜坡的形成。以紫金山堿性雜巖體為代表的巖漿熱力作用表現(xiàn)為多期形成的侵入體。

山西臨縣紫金山堿性雜巖體位于臨縣北西約20km處，出露面積23.3km2，大地構(gòu)造位置是呂梁造山帶西麓與鄂爾多斯地塊的過渡帶，為侵入于中三疊統(tǒng)二馬營(yíng)組中的“環(huán)狀”堿性雜巖體，巖體自外至內(nèi)巖性依次為二長(zhǎng)巖、霓輝正長(zhǎng)巖、含霞霓輝正長(zhǎng)巖、霞石正長(zhǎng)巖，其中部為火山頸相假白榴石響巖質(zhì)火成角礫巖和粗面質(zhì)火山角礫巖。山西臨縣紫金山堿性雜巖體是我國(guó)最早發(fā)現(xiàn)、研究程度相對(duì)較高的典型堿性雜巖體之一[16]。

中晚太古代及元古代的巖漿活動(dòng)及形成的巖漿巖可能深埋地下，地表無(wú)出露。晚古生代有多期火山活動(dòng)；在石炭系、二疊系中，夾有多層凝灰?guī)r；中生代、新生代巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈，并以中生代(燕山期)是主要巖漿活動(dòng)期。

(1)印支早期火山碎屑巖。主要分布于臨縣、吉縣一帶，三疊系二馬營(yíng)組二段上部紫紅色砂質(zhì)泥巖中，夾有厚1m左右的淺綠色晶屑凝灰?guī)r；銅川組一段巨厚層中細(xì)粒長(zhǎng)石砂質(zhì)巖層中，局部夾有暗黃色晶屑凝灰?guī)r；銅川組二段砂質(zhì)泥巖中夾有1～3層晶屑、玻屑凝灰?guī)r；延長(zhǎng)組一段中細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖中，局部夾有1～5層(厚7～50cm)的淺黃色晶屑凝灰?guī)r。

(2)燕山期巖漿巖。燕山期是本區(qū)巖漿巖活動(dòng)最強(qiáng)烈的時(shí)期，形成了紫金山雜巖體。紫金山雜巖體出露于臨縣西北部紫金山至水磨川一帶，平面形狀長(zhǎng)軸為北北西向。北西-南東長(zhǎng)7km，北東-西南寬4km，出露總面積約23.3km2。出露地表的巖漿巖圍巖為中三疊統(tǒng)二馬營(yíng)組灰綠色長(zhǎng)石砂巖夾紫紅色泥巖。該巖漿巖體為多階段、多期次不同巖性的堿性雜巖體，由早到晚，巖體由外環(huán)到內(nèi)環(huán)巖性具良好的分異作用，依次分布為：二長(zhǎng)巖、霓輝正長(zhǎng)巖、暗霞鈦輝巖及火山頸相霞石正長(zhǎng)巖、粗面巖等。由于侵入中心的逐漸南移，各巖帶呈半環(huán)形分布。

(3)新生代的巖漿巖。喜山期巖漿巖主要有出露在北部河曲縣境內(nèi)的基性噴發(fā)巖?？碧絽^(qū)是由呂梁期形成的統(tǒng)一固化結(jié)晶基底太古代和古元古代變質(zhì)巖與中、新元古代以后形成的蓋層構(gòu)成，具有明顯的二元結(jié)構(gòu)。因此它屬于克拉通邊緣拗陷盆地。另外，中生代后期，勘探區(qū)就處在褶皺帶上，廣泛發(fā)育褶皺沖斷層，勘探區(qū)是一個(gè)中新生代沉積盆地疊加在古生代沉積盆地之上的疊合盆地的一部分。

2 巖漿熱變質(zhì)對(duì)臨興區(qū)塊煤層氣賦存的影響

2.1 臨興區(qū)塊煤熱演化特征

有機(jī)質(zhì)成熟度是指烴源巖中有機(jī)質(zhì)的熱演化程度，主要通過鏡質(zhì)組反射率(Ro)表征[17]。從鏡質(zhì)組反射率統(tǒng)計(jì)表(表2)和分布直方圖(圖4)可以看出：上古生界烴源巖鏡質(zhì)組反射率(Ro)絕大多數(shù)位于0.8%～1.5%，處于成熟-高成熟階段，部分達(dá)到過成熟階段[18]。其中，山西組烴源巖鏡質(zhì)組反射率大部分在0.5%～1.5%，處于成熟-高成熟階段，極少部分處于未成熟或過成熟階段；太原組烴源巖鏡質(zhì)組反射率在0.89%～4.89%，平均1.46%，處于成熟-高成熟階段，部分達(dá)到過成熟階段；本溪組烴源巖鏡質(zhì)組反射率0.81%～3.42%，平均1.28%，處于成熟-高成熟階段，部分達(dá)到過成熟階段[19]。

表2 鏡質(zhì)組反射率統(tǒng)計(jì)表

圖4 研究區(qū)鏡質(zhì)組反射率分布直方圖Figure 4 Histogram of study area vitrinitereflectance distributions

2.2 煤儲(chǔ)層孔滲特征

如圖5所示，研究區(qū)煤巖孔隙度和滲透率隨深度的增加略有降低，但總體變化較小[20]。研究區(qū)煤巖孔隙度與滲透率分布較離散，4+5號(hào)與8+9號(hào)煤孔滲特征差異不大。太原組4+5號(hào)煤層孔隙度在0.57%～3.0%，平均2.3%；滲透率在0.012～0.078mD，平均0.05mD。本溪組8+9號(hào)煤孔隙度在0.7%～3.4%，平均2.3%；滲透率在0.013～0.102mD，平均0.05mD。平面上，太原組4+5號(hào)煤和本溪組8+9號(hào)煤孔隙度和滲透率圍繞紫金山巖體呈環(huán)帶狀展布，靠近巖體，受巖漿熱烘烤作用，孔隙度和滲透率增高[21]。

2.3 煤儲(chǔ)層含氣性特征

研究區(qū)4+5號(hào)煤層和8+9號(hào)煤層含氣量普遍高于10m3/t，且8+9號(hào)煤層含氣量較4+5號(hào)煤層含氣量高。4+5號(hào)煤層含氣量在10～24m3/t，平均為13m3/t；8+9號(hào)煤層含氣量在8～27.01m3/t之間，平均為17m3/t。平面上，煤層含氣量受火山及蓋層的雙重影響， 整體表現(xiàn)為接近紫金山隆起煤層含氣量較高，頂板巖性為中粗粒砂巖，煤層含氣量較低(圖6)。

臨興區(qū)塊北部地區(qū)的等溫吸附特征和臨界解吸壓力顯示，4+5號(hào)煤平均空氣干燥基Langmuir體積、Langmuir壓力分別為12.19cm3/g、3.94MPa， 其中10井空氣干燥基Langmuir體積最大，為15.14cm3/g， 5井最小，只有7.81cm3/g(表3)?？傮w而言，靠近紫金山巖體鉆井的煤層的Langmuir體積偏大。眾所周知，隨著煤變質(zhì)程度的增加，煤層含氣吸附能力先增高后降低，分界點(diǎn)大致位于4.0%Ro,max[22]。因此，煤層受巖漿熱變質(zhì)作用的影響， 煤層氣的吸附能力越強(qiáng)， 靠近紫金山巖體的煤層氣含量越高。

圖5 煤層孔隙度、滲透率與埋深關(guān)系圖Figure 5 Relationship between coal porosity, permeability and buried depth

研究區(qū)不同鉆井氣體濃度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)， 8+9號(hào)煤CO2濃度較4+5號(hào)煤高(圖7)。巖漿接觸變質(zhì)或熱液變質(zhì)煤層CO2濃度一般偏高[23]。這是由于研究區(qū)太原組底部灰?guī)r可能受底部巖漿烘烤作用，分解產(chǎn)生一定數(shù)量的CO2，這些CO2可以通過儲(chǔ)層間的裂隙通道向上運(yùn)移，導(dǎo)致氣體中CO2濃度相對(duì)較高。

表3 北部地區(qū)各井煤樣等溫吸附數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

燕山期是本區(qū)巖漿巖活動(dòng)最強(qiáng)烈的地質(zhì)時(shí)期，形成了紫金山巖體?？拷辖鹕綆r體， 煤的變質(zhì)程度逐漸升高，煤層鏡質(zhì)組最大反射率高達(dá)4.9%；圍繞紫金山巖體，煤層的孔隙度、滲透率和煤層氣含量呈環(huán)帶狀展布，煤層氣含量快速升高。巖漿高溫?zé)嶙饔孟?，煤化學(xué)性質(zhì)發(fā)生差異，巖漿侵入引起煤的二次生烴導(dǎo)致煤生氣量增大和吸附性增強(qiáng)。同時(shí)，煤層中較高的二氧化碳濃度可能與巖漿烘烤作用有關(guān)。

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Impact on CBM Content Occurrence from Magmatic Thermal Metamorphism in Linxing Block

Chen Xueli1, Li Jiuqing2, Zhang Haifeng1, Liu Shijie1and Xuan Tao1

(1. CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300452; 2. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process, Ministry of Education (in China University of Mining and Technology), Xuzhou, Jiangsu 221008)

Based on geological setting of the Linxing block in Ordos basin, analyzed the Zijinshan rock mass magmatic thermal metamorphism and its impact on CBM hosting. The magmatic activities during the Yanshanian used to be the strongest in geological time in the area and formed Zijinshan rock mass. Near the rock mass, degree of coal metamorphism rapidly rising, the coal sample vitrinite maximum reflectance can be 4.9% as high. Around the rock mass, coal porosity, permeability and CBM content present girdle distribution features, and CBM content rising rapidly. The study has considered that under the high temperature baking of the magmatic thermal metamorphism and superimposed on the hypozonal metamorphism basis, magmatic thermal metamorphism has caused coal secondary hydrocarbon generation so as to coal-formed gas amount increasing and adsorptivity enhanced.

magmatic thermal metamorphism; coal seam; Linxing block; CBM hosting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.06

1674-1803(2017)05-0027-07

陳學(xué)立(1982—)，天津?qū)氎嫒?，中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司油藏工程師，主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)研究工作。

李久慶(1992—)，男，河南省商丘人，碩士研究生。

2017-02-07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：宋博輦