耿慶明，楊振寧，牛志新，王偉超，張永安，趙光通，劉文進(jìn)，李清海，馬正文

(青海煤炭地質(zhì)一〇五勘探隊(duì)，青海 西寧 810007)

青海省木里煤田聚乎更礦區(qū)是復(fù)雜構(gòu)造區(qū)煤層氣富集成藏的典型地區(qū)，其煤系的變形變位普遍存在(曹代勇等，2010)。自該地區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物以來(lái)，研究區(qū)煤層氣等非常規(guī)氣作為天然氣水合物的重要?dú)庠匆彩艿搅藦V泛重視(曹代勇等，2012)，這也使得聚乎更煤礦區(qū)煤層氣地質(zhì)研究方面得到了加強(qiáng)(郭晉寧等，2011；秦榮芳等，2013；李靖等，2017)。通常認(rèn)為，聚乎更煤礦區(qū)煤層氣主力含氣層為中侏羅統(tǒng)下部的下1煤、下2煤2套厚煤層(郭晉寧等，2011)，其埋深適中，有機(jī)質(zhì)類型為III型，鏡質(zhì)體反射率Ro為0.80%～1.20%，進(jìn)入成熟階段(唐世琪等，2015)，顯示出良好的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)潛力。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)所在的木里煤田位于青藏高原東北緣，大地構(gòu)造位置位于祁連造山帶的中祁連斷隆帶。聚乎更煤礦區(qū)位于木里煤田西部，主體構(gòu)造線方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，礦區(qū)南北兩側(cè)均為中侏羅統(tǒng)含煤巖系向斜，中部為三疊系背斜，構(gòu)成了礦區(qū)的主體構(gòu)造(圖1)。礦區(qū)內(nèi)南北2個(gè)向斜的翼部均受到由南向北的擠壓，其褶皺邊緣均發(fā)育規(guī)模較大、北西—南東走向的逆沖推覆斷層(孫紅波等，2009；姚宏鑫等，2017)，使得煤系普遍發(fā)生了變形和變位。在以往煤田勘探過(guò)程中，將煤礦區(qū)劃分為4個(gè)井田和3個(gè)露天礦(圖1)。

1.不整合線；2.侏羅系；3.三疊系；4.古元古界；5.正斷層；6.逆斷層；7.背斜軸；8.向斜軸；9.倒轉(zhuǎn)軸圖1 聚乎更礦區(qū)構(gòu)造示意圖Fig.1 Structural diagram of Juhugeng mining area

煤礦區(qū)南北2個(gè)向斜中發(fā)育的中侏羅統(tǒng)為研究目的層位，其上部為江倉(cāng)組，下部為木里組，由下至上經(jīng)歷了辮狀河→河漫沼澤→三角洲→濱淺湖→半深湖→深湖相沉積環(huán)境(邵龍義等，2015)，大體上是一個(gè)水進(jìn)的過(guò)程。煤層主要發(fā)育在木里組上段，以下1和下22層巨厚煤層為主要代表，也是研究區(qū)煤層氣主力層位；此外，在江倉(cāng)組下段發(fā)育有數(shù)套薄煤層。

2 煤系烴源巖生烴過(guò)程研究

2.1 烴源巖分布特征

研究區(qū)中侏羅統(tǒng)煤系烴源巖主要有3種：煤、暗色泥巖、油頁(yè)巖，3種烴源巖分布特點(diǎn)如下。

(1)煤層主要分布在木里組上段，以下1煤和下2煤2層巨厚煤層為主要代表，這2套厚煤層形成于河漫沼澤、三角洲沉積環(huán)境，也是聚乎更煤礦區(qū)全區(qū)分布的主采煤層。此外，在江倉(cāng)組下段也發(fā)育數(shù)套薄煤層，雖然其厚度小且并未全區(qū)分布，但作為煤系氣源巖，其生氣作用亦不可忽視。

(2)暗色泥巖貫穿于木里組上段、江倉(cāng)組下段、江倉(cāng)組上段。在木里組上段常常作為煤層的頂?shù)装迮c下1煤、下2煤互層，其顏色也較暗，總有機(jī)碳含量(TOC)一般大于0.6%。而與該段粉砂巖互層的暗色泥巖比例較低，其TOC含量也較低。在江倉(cāng)組下段和上段，暗色泥巖比例均較高，其形成環(huán)境為三角洲、濱淺湖以及深湖，且在江倉(cāng)組下段時(shí)常常以粉砂巖互層形式出現(xiàn)。

(3)油頁(yè)巖主要分布在江倉(cāng)組上段，其形成環(huán)境為深湖相，為大套發(fā)育的厚層狀。油頁(yè)巖的主體分布區(qū)域在煤礦區(qū)的西南部以及南部，江倉(cāng)組時(shí)期這部分區(qū)域?yàn)樯詈练e環(huán)境，因此，油頁(yè)巖的干酪根類型大多為Ⅱ1—Ⅱ2，顯示出良好的油氣生烴潛力。

為了弄清楚研究區(qū)烴源巖的平面分布特征，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)煤炭鉆孔、天然氣水合物鉆孔中3種烴源巖真厚度，其等值線見(jiàn)圖2。其中，暗色泥巖包括鉆孔柱狀圖中深灰色泥巖、黑灰色泥巖、黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖，而在深灰色以下各顏色的泥巖并未計(jì)入統(tǒng)計(jì)中，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)深灰色以淺的泥巖，如灰色、灰白色泥巖的TOC含量大多小于0.5%，按照烴源巖評(píng)價(jià)的一般指標(biāo)(陳建平等，1997)屬差的烴源巖，而國(guó)外一些學(xué)者認(rèn)為，低TOC的源巖不能成為有效烴源巖。因此，筆者只統(tǒng)計(jì)深灰色以上的暗色泥巖，統(tǒng)計(jì)的鉆孔為120口左右，盡量使其平均分布于全區(qū)。需要說(shuō)明的是，此次統(tǒng)計(jì)的是經(jīng)過(guò)構(gòu)造后期改造使得中侏羅統(tǒng)在垂向上重復(fù)出現(xiàn)或者遭受消減后疊加的烴源巖厚度，即現(xiàn)今構(gòu)造格局下的各類烴源巖厚度等值線圖。

a.煤層累厚等值線圖;b.暗色泥/頁(yè)巖累厚等值線圖;c.油頁(yè)巖累厚等值線圖圖2 研究區(qū)烴源巖總厚等值線圖Fig.2 Contour map of total thickness of source rocks in the study area

由圖2可以看出，煤層在全區(qū)均有分布，累計(jì)厚度為1.80～83.65m。從煤炭開(kāi)采的角度講，單層厚度大于8m的煤層可稱之為巨厚煤層(楊啟，1979)。此外，大于40m的煤層可稱之為超厚煤層。而聚乎更煤礦區(qū)巨厚煤層所占比例最大(達(dá)63.37%)，小于8m的煤層所占比例最少(圖2a、圖3)。煤層在煤礦區(qū)中北部(二井田和一露天)厚度最大，由西往東厚度逐漸增大。

暗色泥巖亦在全區(qū)均有分布，厚度為0.79～245.70m，在礦區(qū)中部及西南部(一井田和二井田)最厚，厚度分布呈現(xiàn)出由西南往東北方向遞減的趨勢(shì)。其中，在暗色泥巖厚度分布中，8～40m厚度所占比例最高(達(dá)48.31%)，大于40m的暗色泥巖位居第二，小于8m的暗色泥巖比例最小(圖2b、圖3)。

圖3 各烴源巖厚度分布范圍比例圖Fig.3 Ratio of thickness distribution range of each source rock

油頁(yè)巖只在煤礦區(qū)的中南部(一井田和三露天)有分布，而在其他井田則未發(fā)現(xiàn)有油頁(yè)巖分布，厚度為3.33～362.00m，油頁(yè)巖厚度主要在大于40m的范圍內(nèi)，其所占比例為51.61%(圖2c、圖3)，顯示出良好的烴源巖發(fā)育特征。

2.2 烴源巖生烴過(guò)程模擬

研究區(qū)煤系烴源巖主要有煤、暗色泥巖與油頁(yè)巖。研究區(qū)煤系烴源巖現(xiàn)已處于成熟階段，研究煤系烴源巖生烴過(guò)程須對(duì)古地溫史及烴源巖成熟度進(jìn)行模擬。模擬軟件為Thermodel for windows軟件，在對(duì)Ro數(shù)據(jù)進(jìn)行添加后，可利用成熟度模塊對(duì)古地溫史與成熟度史同時(shí)進(jìn)行模擬。

模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。中侏羅統(tǒng)含煤巖系在早白堊世發(fā)生埋深超過(guò)2 000m的沉降，最高古地溫在100～130 ℃；煤系烴源巖在中侏羅世晚期埋深超過(guò)1 000m時(shí)進(jìn)入低成熟階段，而在白堊紀(jì)早期進(jìn)入成熟度早期階段，并在晚白堊時(shí)期達(dá)到高成熟階段。此時(shí)，中侏羅統(tǒng)煤系烴源巖大多已進(jìn)入成熟階段。從晚白堊紀(jì) —古近紀(jì)末，由于構(gòu)造隆升，古地溫下降至60 ℃以下，至新近紀(jì)早期，由于擠壓作用形成的凹陷使得中侏羅統(tǒng)快速下沉，模擬得出含煤巖系埋深在1 500m左右，古地溫再次到達(dá)了將近110 ℃左右，此時(shí)，烴源巖大多數(shù)進(jìn)入成熟階段。

圖4 古地溫史與成熟度模擬圖Fig.4 Paleogeothermal history and maturity simulation

目前，關(guān)于煤系烴源巖的生烴門限，有學(xué)者認(rèn)為煤系烴源巖Ro大于0.6%開(kāi)始生烴，而在0.8%～0.9%達(dá)到生氣高峰；也有人認(rèn)為包括煤在內(nèi)的煤系烴源巖在Ro為1.0%時(shí)達(dá)到生氣高峰。此外，針對(duì)煤系烴源巖的顯微組分而言，前人認(rèn)為鏡質(zhì)組在Ro為0.7%～1.0%達(dá)到生氣高峰(成海燕等，2008)。而根據(jù)測(cè)試分析以及前人研究發(fā)現(xiàn)，聚乎更煤礦區(qū)煤的顯微組分以鏡質(zhì)組為主，且Ro大多在80%以上，這對(duì)煤系氣的生成十分有利。

綜合來(lái)看，筆者取Ro為0.7%時(shí)，煤系烴源巖開(kāi)始大量生氣，而在0.5%～0.7%，則開(kāi)始生成少量的甲烷氣，至Ro為1.0%時(shí)達(dá)到煤系氣生氣高峰。因此，根據(jù)古地溫史及成熟史的模擬結(jié)果以及煤系烴源巖有機(jī)地化參數(shù)特征，利用Thermodel for windows軟件模擬出研究區(qū)煤系氣生烴強(qiáng)度(圖5)。

圖5 研究區(qū)中侏羅統(tǒng)煤系生烴強(qiáng)度圖Fig.5 Hydrocarbon generation intensity map of Middle Jurassic coal measures in the study area

結(jié)合圖4和圖5可以看出，研究區(qū)煤系有2次生烴，主要生烴期為侏羅紀(jì)晚期—白堊紀(jì)早期，在早白堊世期末達(dá)到生烴最高峰，此時(shí)埋深超過(guò)2 000m，最高古地溫為100～130 ℃，煤系烴源巖主體部分由低成熟向成熟階段轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了大量濕氣。由白堊紀(jì)晚期—古近紀(jì)末，研究區(qū)處于構(gòu)造抬升階段，溫度降至60 ℃以下，煤系烴源巖停止生烴。至古近紀(jì)早期，研究區(qū)有一次快速沉降，含煤巖系埋深在1 500m左右，古地溫再次到達(dá)了110 ℃左右，此時(shí)烴源巖再次生烴，但生烴強(qiáng)度較低，至古近紀(jì)晚期由于構(gòu)造抬升再次停止生烴。

因此，研究區(qū)煤系烴源巖有2次生烴過(guò)程，分別為侏羅紀(jì)晚期—白堊紀(jì)早期、古近紀(jì)早期，前者為主要生烴期，后者為次要生烴期。

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)中侏羅統(tǒng)煤系烴源巖主要有3種：煤層、暗色泥巖、油頁(yè)巖。煤層主要分布在木里組上段，以下1煤和下2煤為主，沉積環(huán)境為河漫沼澤和三角洲。暗色泥巖貫穿于木里組上段、江倉(cāng)組下段、江倉(cāng)組上段。在木里組上段，為煤層的頂?shù)装迮c下1煤、下2煤互層，總有機(jī)碳含量(TOC)一般在0.6%以上；在江倉(cāng)組下段和上段，暗色泥巖比例均較高，為三角洲、濱淺湖以及深湖相沉積。油頁(yè)巖主要分布江倉(cāng)組上段，其形成環(huán)境為深湖相，為大套發(fā)育的厚層狀，干酪根類型大多為Ⅱ1—Ⅱ2，顯示出良好的油氣生烴潛力。

(2)研究區(qū)煤系烴源巖有2次生烴過(guò)程，分別為侏羅紀(jì)晚期—白堊紀(jì)早期、古近紀(jì)早期，前者為主要生烴期，后者為次要生烴期。