趙國(guó)飛 ，康天合 ，郭俊慶 ，康官先 ，張 彬

（1.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600）

煤系氣資源豐富、類型多樣，受到眾多學(xué)者的高度關(guān)注。秦勇對(duì)含氣地層的疊置進(jìn)行了定義，認(rèn)為煤系氣系統(tǒng)符合疊置特點(diǎn)[1]。申建對(duì)臨興區(qū)塊劃分了疊置含氣系統(tǒng)，并探討其含氣系統(tǒng)間的兼容性，為本區(qū)煤系氣合采提供指導(dǎo)[2]。傅雪海在劃分多層疊置含氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了各含氣系統(tǒng)遞進(jìn)排采次序及排采壓力控制方案[3]。沈玉林基于含煤地層的沉積學(xué)和層序地層學(xué)分析，探討了鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤系疊置含氣系統(tǒng)形成的沉積控制因素，為該區(qū)煤層氣開(kāi)采提供地質(zhì)依據(jù)[4]。郭晨對(duì)黔西比德-三塘盆地煤巖樣品進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分析疊置煤層氣系統(tǒng)的分布規(guī)律[5]?？梢?jiàn)，學(xué)者們多在煤系獨(dú)立含氣系統(tǒng)間的疊置關(guān)系進(jìn)行分析研究，忽略了獨(dú)立含氣系統(tǒng)內(nèi)部巖層的組合疊置關(guān)系。煤層氣是煤系氣中最主要的獨(dú)立含氣系統(tǒng)。煤層氣蓋層對(duì)氣體的封閉及各獨(dú)立含氣系統(tǒng)的劃分起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，煤層氣蓋層層數(shù)眾多、蓋層薄且具有疊置性，不同區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不同疊置類型。山西煤層氣資源約為8.3×1012m3，約占全國(guó)總量的 1/3[6]，研究此區(qū)域的煤層氣蓋層疊置類型及分布特征對(duì)煤層氣的賦存與開(kāi)采均具有重要意義。鑒于此，統(tǒng)計(jì)山西125 座煤礦的273 個(gè)煤層氣蓋層地質(zhì)資料，對(duì)山西煤層氣蓋層疊置類型進(jìn)行劃分，討論山西各煤田的沉積形成過(guò)程，深入分析不同疊置類型在各大煤田的分布特征，為后續(xù)煤層氣的勘探與開(kāi)發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

山西省域地處華北平原西側(cè)，構(gòu)造上位于華北板塊南北擠壓變形帶之間的中部變形區(qū)，是呂梁-太行斷塊主體組成部分。自北而南有大同煤田、寧武煤田、西山煤田、沁水煤田、霍西煤田和河?xùn)|煤田，含煤地層主要為石炭-二疊紀(jì)的太原組和山西組。山西省域的石炭-二疊紀(jì)含煤地層形成后主要經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)。燕山期是山西境內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最活躍的時(shí)期，其構(gòu)造形跡以廣泛發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造、褶皺和北東、北西向斷裂系統(tǒng)為主。河?xùn)|盆地為弱變形的緩傾斜構(gòu)造類型，大同、沁水盆地為弱變形的寬緩向斜構(gòu)造類型，其西翼的霍西構(gòu)造區(qū)為伸展構(gòu)造斷陷-斷塊類型；寧武盆地為強(qiáng)變形的向斜類型。

隨機(jī)統(tǒng)計(jì)山西125 座煤礦的273 個(gè)煤層氣蓋層地質(zhì)資料。由于煤層氣的強(qiáng)吸附性，在此考慮煤層上覆10 m 范圍內(nèi)頂板地質(zhì)信息[7-8]。山西煤層氣蓋層統(tǒng)計(jì)位置圖如圖1，山西煤層氣蓋層信息見(jiàn)表1。

圖1 山西煤層氣蓋層統(tǒng)計(jì)位置圖Fig.1 Statistical location map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

表1 山西煤層氣蓋層信息Table 1 Coalbed methane caprocks information sheet in Shanxi Province

由圖1 和表1 可知，125 座礦井基本均勻分布于山西省域內(nèi)6 大煤田賦煤區(qū)。煤層頂板主要巖性為泥巖、砂巖、頁(yè)巖、石灰?guī)r、粉砂巖和煤巖。地質(zhì)時(shí)代主要屬于石炭-二疊系的太原和山西組，少部分屬于侏羅系的大同和云崗組。山西組巖性主要以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖和粉砂巖為主；太原組主要為砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖和煤巖。

2 蓋層疊置類型

對(duì)煤層氣蓋層巖性及厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將山西煤層氣蓋層按巖層結(jié)構(gòu)分為4 個(gè)疊置大類，按巖石致密程度分為11 個(gè)疊置亞類。山西煤層氣蓋層疊置類型見(jiàn)表2。

分析可知，第1 大類為復(fù)合型蓋層，其特征為：在煤層之上有1 層或幾層薄巖層（總厚度＜2.5 m），薄巖層上部賦存 1 層厚巖層（厚度＞3.5 m）；此類蓋層占比24.8 %。第2 大類為厚層整體型蓋層，其特征為：在煤層之上直接賦存1 層厚度較大（＞3.5 m）的整體性巖層；此類蓋層占比52.8 %。第3 大類為近距離煤層蓋層，特征為：煤層之上相近距離（＜5 m）上覆另1 層煤體；此類蓋層占比16.8%。第4 大類為薄層狀蓋層，其特征為：由2 層或2 層以上的多層薄巖層（單層厚度＜2.5 m）組成；此類蓋層占比5.6%。大類下屬亞類是按不同致密程度巖石的不同組合進(jìn)行分類，共11 亞類，分別為：致密-致密型、致密-疏松型、疏松-致密型等。山西煤層氣蓋層典型疊置亞類柱狀圖如圖2。復(fù)合型蓋層中疏松-致密型蓋層（Ⅲ型）有 19 座礦井，最為常見(jiàn)（圖2（a））；厚層整體型蓋層中致密型蓋層（Ⅴ型）有50 座礦井，最為常見(jiàn)（圖2（b））；近距離煤層蓋層中煤-致密型蓋層（Ⅶ型）有 18 座礦井，最為常見(jiàn)（圖2（c））；薄層狀蓋層中疏松-致密型蓋層（Ⅹ型）有5 座礦井，最為常見(jiàn)（圖2（d））。

表2 山西煤層氣蓋層疊置類型Table 2 The superimposing types of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

3 不同疊置類型分布特征

將山西省域內(nèi) 125 座礦井的蓋層疊置類型分布區(qū)域進(jìn)行分析，山西煤層氣蓋層疊置類型分布如圖3。大同煤田統(tǒng)計(jì)16 座礦井，其中厚層整體型蓋層7 座（占比44%），集中分布于大同煤田的東北部。寧武煤田統(tǒng)計(jì)8 座礦井，其中厚層整體型蓋層4座（占比50%），主要分布于煤田的北部；復(fù)合型蓋層4 座（占比50%），在煤田中部、北部均有分布。河?xùn)|煤田統(tǒng)計(jì)18 座礦井，其中近距離煤層蓋層7 座（占比39%），集中位于河?xùn)|煤田中部地區(qū)；厚層整體型蓋層8 座（占比44%），河?xùn)|煤田北、中、南部均有分布?；粑髅禾锝y(tǒng)計(jì)13 座礦井，其中近距離煤層蓋層6 座（占比46%），集中位于霍西煤田東部地區(qū)。西山煤田統(tǒng)計(jì)12 座礦井，其中近距離煤層蓋層6 座（占比50%），集中位于西山煤田東北部地區(qū)。沁水煤田統(tǒng)計(jì)58 座礦井，其中厚層整體型蓋層38 座（占比65%），分布于沁水煤田東緣，集中于東南部。

圖2 山西煤層氣蓋層典型疊置亞類柱狀圖Fig.2 Typical superimposed subclass columnar diagram of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

圖3 山西煤層氣蓋層疊置類型分布圖Fig.3 The superimposing types distribution map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

4 不同疊置類型與沉積體系

1）大同煤田。大同煤田大同組屬于中侏羅紀(jì)早期地層。由于潮濕氣候曲流河泛濫平原上形成局部沼澤環(huán)境，導(dǎo)致此部分煤層極為發(fā)育。之后云崗組形成過(guò)程中，鄂爾多斯盆地的構(gòu)造由西部擠壓為主轉(zhuǎn)化為東部擠壓為主，從而引起大同地區(qū)東北部的區(qū)域抬升，使得地面坡降增大；同時(shí)氣候條件變?yōu)榘敫珊?干旱，使原來(lái)適宜于曲流河和沼澤濕地發(fā)育的條件發(fā)生了根本變化，曲流河逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檗p狀河，形成砂質(zhì)辮狀河沉積[9]。不同期次的河道被泛濫平原泥巖分隔開(kāi)來(lái)，由于辮狀河道沿河流向下的遷移擺動(dòng)，垂向上砂體之間互相切割疊置[10]，所以大同煤田北部大同組煤層上方易形成厚層整體型蓋層，而復(fù)合型蓋層逐漸有南移趨勢(shì)。河道沖刷作用，構(gòu)型界面附近保存下來(lái)的泥巖沉積厚度較薄、規(guī)模較小，導(dǎo)致此區(qū)域大同組煤層頂板極少出現(xiàn)泥巖頂板，形成了以粒度較粗的砂巖為主的蓋層。

2）寧武煤田。寧武煤田中部主采煤層位于石炭系太原組上段，屬于三角洲平原水下沉積體系[11]。其上為山西組底部，山西組底部為礫質(zhì)沉積的滯留相，向上為邊灘，天然堤環(huán)境的粗中細(xì)粒砂巖，再向上為泛濫盆地沉積，頂部為煤層，為典型的分流河道沉積序列[12]。其主要物源為北側(cè)古陸，植物生長(zhǎng)茂盛，泥炭堆積厚度大，形成本區(qū)主要可采煤層，同時(shí)也形成寧武煤田北部厚層整體型蓋層。分流河道自北向南，在煤田中部及南部區(qū)域水動(dòng)力條件以及河道下切、側(cè)向沖刷切割作用強(qiáng)，導(dǎo)致中南部區(qū)域煤層多被河道沖刷缺失或分叉減薄，同時(shí)煤層上方也多形成了復(fù)合類型蓋層頂板。

3）河?xùn)|煤田。河?xùn)|煤田中部主采煤層位于山西組下部，屬三角洲沉積體系[13]。山西組下部沉積時(shí)，森林和沼澤廣泛發(fā)育，造就泥炭層開(kāi)始形成。但在沉積過(guò)程中，因河流改道而被粗碎屑沉積替代或者泥炭暴露發(fā)生氧化分解甚至遭受剝蝕，而成煤作用被中斷，之后又開(kāi)始形成穩(wěn)定成煤環(huán)境[14]，造就此處近距離煤層蓋層類型。

4）霍西煤田?；粑髅禾飽|部主采煤層位于山西組的中上部，屬于三角洲平原沉積體系[15]。在三角洲平原的分流河道兩側(cè)如果條件不利（如氣候較干燥或地下水位較低等），則不具備沼澤化條件。但如果在比較潮濕的廢棄分流河道內(nèi)形成分流河道改道則可具備短暫的沼澤化條件，不過(guò)泥炭沼澤不久將被后來(lái)的碎屑沉積所覆蓋，因此煤層頂板常為碎屑巖，同時(shí)形成的煤層常薄而不穩(wěn)定，較易形成近距離煤層蓋層類型[16]。

5）西山煤田。西山煤田東部主采煤層位于太原組下部。隨著地塊的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，海侵方向變?yōu)橛蓶|傾入，共發(fā)育廟溝、毛兒溝、斜道、東大窯四期海侵。西山區(qū)域海平面升降隨之發(fā)生規(guī)律性變化，發(fā)育碳酸鹽臺(tái)地、壁砂壩-瀉湖-潮坪和三角洲沉積，海相沉積物與陸相沉積物整體呈西-東相展布[17]。受此影響煤田的東部8#煤層分叉為8#上煤和8#下煤，夾矸1～4 層，夾矸巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，厚度變化于 1.0～5.63 m 之間[18]。東部形成了近距離煤層蓋層的類型，而厚層整體型蓋層有西移的趨勢(shì)。

6）沁水煤田。沁水盆地太原組和山西組砂巖/泥巖比值等值線圖如圖4[19]。研究表明[20]：沁水煤田北部太原組為砂巖富集區(qū)（圖4（a））。富砂巖帶主要位于沁縣北部，包括壽陽(yáng)、陽(yáng)泉、西陽(yáng)等地區(qū)。該區(qū)的砂泥巖比值普遍高于0.4，壽陽(yáng)地區(qū)的砂泥巖比值最大可達(dá)1.0。從圖4（b）可以看出，山西組砂泥巖比值在 0～2.2 之間，平均 0.6。東南部長(zhǎng)子-高平地區(qū)最低。以上砂泥巖比值說(shuō)明，沁水盆地太原組北部壽陽(yáng)-陽(yáng)泉地區(qū)為低三角洲平原環(huán)境；沁水盆地山西組東南部以三角洲前緣環(huán)境為主[20-21]。沁水煤田北部主采煤層以太原組15#煤層為主，東緣主采煤層則以山西組3#煤層為主。因此，沁水煤田北部研究區(qū)域形成了以砂巖、泥巖交互的復(fù)合型蓋層，東南緣研究區(qū)域形成了以泥巖為主的厚層整體型蓋層。

圖4 沁水盆地太原組和山西組砂巖/泥巖比值等值線圖[19]Fig.4 Contour maps of the sandstone/mudstone ratio of the Taiyuan and Shanxi Formation in the Qinshui Basin[19]

5 結(jié) 論

1）將山西煤層氣蓋層按巖層結(jié)構(gòu)分為4 個(gè)疊置大類，分別為復(fù)合型蓋層、厚層整體型蓋層、近距離煤層蓋層和薄層狀蓋層；按巖石致密程度分為11 個(gè)疊置亞類，分別為致密-致密型復(fù)合蓋層、致密-疏松型復(fù)合蓋層、疏松-致密型復(fù)合蓋層、疏松-疏松型復(fù)合蓋層、致密型厚層整體蓋層、疏松型厚層整體蓋層、煤-致密型近距離煤層蓋層、煤-疏松型近距離煤層蓋層、致密-致密型薄層狀蓋層、疏松-致密型薄層狀蓋層、疏松-疏松型薄層狀蓋層。

2）分析了蓋層組合類型的分布特征。復(fù)合型蓋層主要分布于大同煤田的西南部、寧武煤田中北部和沁水煤田東北部；厚層整體型蓋層廣泛分布于大同煤田東北部、寧武煤田北部、沁水煤田東緣；近距離煤層蓋層主要分布于河?xùn)|煤田中部、霍西煤田東部和西山煤田東北部；薄層狀蓋層僅在沁水煤田東緣部分出現(xiàn)。

3）大同煤田云崗組砂質(zhì)辮狀河沉積是形成東北部厚層整體型蓋層的基礎(chǔ)；寧武煤田的分流河道沉積序列，由北向南強(qiáng)烈的沖刷，形成了中北部的復(fù)合類型蓋層；河?xùn)|煤田和霍西煤田的山西組屬于三角洲沉積體系，沉積過(guò)程中成煤作用部分中斷，使河?xùn)|煤田中部和霍西煤田東部形成了近距離煤層蓋層；西山煤田的東部海侵作用，使8#煤層形成夾矸，造成東北部的近距離煤層蓋層；沁水煤田山西組東南部的三角洲前緣環(huán)境形成了以泥巖為主的厚層整體型蓋層。