程愛國， 郭愛軍， 陳美英， 孫 杰， 龔漢宏

(中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

華北石炭二疊紀盆地是我國最重要的煤炭和煤層氣聚集盆地之一，前人對華北盆地聚煤規(guī)律和煤層氣富集成藏規(guī)律做了深入研究[1-5]，這些研究多是從聚煤作用和煤層氣成藏等不同角度進行闡述，從而得出聚煤規(guī)律和成藏規(guī)律。但是，由于研究目的不同，前人的研究多是從不同側面研究聚煤規(guī)律、煤系變形、煤變質作用和煤層氣富集規(guī)律，從多因素耦合、系統(tǒng)分析角度研究煤與煤層氣成礦成藏規(guī)律的文獻還比較少。實質上，煤與煤層氣是同體共生礦產，存在必然的耦合關系，揭示煤與煤層氣耦合成礦成藏作用機理，科學認識華北盆地煤炭成礦規(guī)律和煤層氣成藏規(guī)律，對于煤炭與煤層氣綜合勘查、協(xié)同開發(fā)具有重要的意義。

1 煤炭與煤層氣耦合成礦-成藏作用

耦合關系是指兩個及兩個以上事物之間存在的相互影響、相互促進的關系。煤炭與煤層氣是同體共生礦產，煤的成礦過程也是煤層氣成礦成藏過程。煤炭的形成經歷了泥炭化階段、成巖壓實階段和變質作用階段，形成了現今不同變質程度的煤。 煤成氣也經歷了生物成因氣階段、熱降解成因氣階段和熱裂解成因氣階段，一小部分吸附在煤層中，成為煤層氣，一部分運移到其他地層和構造單元成為煤成氣(天然氣或非常規(guī)天然氣)，還有一部分逸散至天空中。形成1t無煙煤大約可以生成300～500m3煤層氣，而現今煤層中儲存的煤層氣最高50 m3/t，僅占煤層氣生成總量的20%以下，80%以上的煤層氣都遷移到其他儲層、儲氣構造和逸散掉到天空中。

煤炭與煤層氣形成是復雜的生物作用、化學作用和物理作用耦合過程(圖1)。煤炭與煤層氣的耦合成礦成藏作用體現在以下幾個方面。

圖1 煤與煤層氣成礦成藏作用示意圖Figure 1 Sketch of mineralization and accumulation of coal and coalbed methane

1.1 煤層氣的生成與煤變質作用的耦合

泥炭化階段，一般形成生物分解氣，難以在泥炭中保存；成巖壓實階段，泥炭逐步變質為褐煤，為為生物成因氣生成階段，煤層氣生成量少，煤層孔隙度和滲透率都高，煤層氣也難以保存。隨著煤層上覆巖層的逐漸加厚，埋深逐漸加大，煤層變質程度加大，形成煙煤和無煙煤，進入熱成因煤層氣生成階段，早期為熱降解成因氣和生物成因氣生成階段，生成的甲烷量大；晚期為熱裂解成因氣生成階段， 生成的甲烷量也比較大。

1.2 煤聚積作用與煤層氣生成、保存的耦合

煤的聚積是多種地質因素系統(tǒng)作用的結果[6]，這些因素包括成煤期古構造、古地理、古氣候、古植物等方面，富煤帶的形成要求可容納空間增長率與泥炭堆積率均衡地區(qū)，這一地區(qū)往往是濱岸帶、潮濕氣候帶、植物茂盛區(qū)和構造穩(wěn)定區(qū)的交集[7]。由于煤層厚度大、生氣量大，儲存空間大，含氣量及資源豐度就高，因而，富煤帶往往也是煤層氣富集區(qū)。煤層圍巖的巖石性質也嚴重影響到煤層的保存，圍巖孔隙度、滲透率低的圍巖利于煤層氣的保存。

1.3 成煤構造作用與煤層氣生成、保存的耦合

多期次構造運動和巖漿活動促使煤層變質程度加深，煤層生氣量加大，晚古生代煤盆地大多經歷了多期次的構造改造和巖漿活動而形成高階煤，煤層含氣量大，資源豐富，中新生代煤盆地后期構造改造較弱，只能形成低階煤，煤層生氣量小，煤層含氣量小，資源相對貧乏。盆地構造環(huán)境決定了煤田后期構造樣式和構造模式，不同盆地部位的控煤構造的樣式及其組合不同，對煤層氣的保存產生顯著影響。擠壓構造環(huán)境下的大型坳陷構造帶和斷坳型構造帶利于煤層氣的保存，往往能形成高含氣量的富氣帶，盆地邊緣的大型逆沖推覆構造帶往往也能形成高含氣量的煤層氣富集帶，但變化較大。伸展構造環(huán)境下形成的斷陷構造和裂陷構造帶，不利于煤層氣保存，往往煤層氣含量低，煤層氣資源貧乏。巖漿活動過于強烈，煤變質程度過高，煤層失去了對煤層氣的吸附能力，因而，煤層氣含量極低，煤層氣資源極其貧乏。

1.4 多種聚煤控煤因素系統(tǒng)作用與煤層氣的耦合成藏

煤的聚積是古地理、古植物、古氣候、古構造系統(tǒng)作用結果[6-7]，煤的成礦主要受到后期構造運動和巖漿活動系統(tǒng)控制。煤層氣自生自儲的特點，決定了聚煤作用控制著煤層氣的形成和演化，富煤帶的形成和遷移也控制著煤層氣富氣帶的分布和遷移。 賦煤構造作用、巖漿活動、煤變質作用、水文地質等地質因素的系統(tǒng)作用控制煤層含氣性，也深刻影響著煤層氣儲層特征、開采技術條件和開發(fā)的難易程度(圖2)。 最佳聚煤、控煤、巖漿活動和煤變質作用耦合，促使大型煤田和煤層氣田的形成，即①穩(wěn)定盆地基底，如克拉通、地塊等；②穩(wěn)定的構造環(huán)境和理想的構造演化歷程；③有利的成煤古地理條件及富煤帶分布；④微弱的后期構造改造作用和理想的構造樣式；⑤適度巖漿活動和煤變質階段；⑥高致密性煤層圍巖和匯聚型地下水徑流條件。

圖2 煤層含氣性控制因素系統(tǒng)分析Figure 2 System analysis of controlling factors of coalseam gas-bearing capacity

2 華北盆地晚古生代古地理演化與聚煤規(guī)律

華北晚古生代聚煤盆地為一個巨型克拉通盆地，晚石炭世早期烏蘭格爾隆起呈古陸狀態(tài)，將華北聚煤盆地分為東西兩個亞盆地，海水由東西兩個方向入侵。晚石炭世晚期烏蘭格爾古陸下沉，兩股海水匯合在一起形成了統(tǒng)一的華北聚煤盆地[8]。華北地臺是中國大陸最古老的部分，基底構造穩(wěn)定，同沉積構造主要為寬緩的大型坳陷，為陸表海沉積充填，沉積體系主要為河流、復合型淺水三角洲、多重障壁體系和臺地體系。晚石炭世-早二疊世早期總體呈現出由北而南依次為河流、三角洲、障壁澙湖、碳酸鹽臺地且以后二者為主的古地理格局；早二疊世晚期呈現出多條河流入海形成的河流、復合型三角洲古地理格局，南部為澙湖海灣和潮坪環(huán)境；中二疊世盆地北中部基本上為河流湖泊環(huán)境，僅南部平頂山-兩淮地區(qū)為三角洲環(huán)境；晚二疊世全區(qū)為河流、湖泊環(huán)境所取代[2,9,11]。

華北盆地聚煤作用在垂向上具有周期性，縱向上具有由北而南遷移的特點。垂向上形成了兩個幾乎遍及全盆地的富煤單元以及其間的局部富煤單元，全盆性富煤單元發(fā)育于體系域的轉換期[12]。縱向上，晚石炭世至早二疊世，富煤帶主要分布于北華北，晚二疊世遷移至南華北，富煤帶由北而南遷移，這是同古地理、古構造和海平面變化直接相關的，富煤帶的發(fā)育以廢棄的復合型淺水三角洲和潮汐沙灘體系為平臺，隨著海平面的下降，海水由北而南退出，三角洲由北而南推進，富煤帶亦由北而南遷移，中二疊世晚期—晚二疊世聚煤作用幾乎終止(圖3)。

圖3 早二疊世早期古地理與聚煤規(guī)律Figure 3 Early Permian palaeogeography and coal-accumulating rule

3 煤田構造演化與煤變質作用

華北石炭紀—二疊紀盆地受基底性質、周緣活動帶和區(qū)域力源的控制，含煤巖系變形存在較大差異，具明顯的變形分區(qū)特征，總體呈不對稱的同心環(huán)帶結構，變形強度由邊緣向內部遞變，從盆地外圍向內部，可分出強擠壓的外環(huán)帶、弱擠壓的中環(huán)帶和內部穩(wěn)定—活動區(qū)[8-9]。

強擠壓的外環(huán)帶其構造變形受板緣構造作用控制，控煤構造樣式以逆沖推覆構造為主，逆沖推覆方向總體上由板緣向板內，巖漿活動強烈，煤變質程度高；弱擠壓的中環(huán)帶構造應力弱于強擠壓的外環(huán)帶，構造樣式為壓縮構造樣式，多為推覆-褶皺構造樣式組合。內部穩(wěn)定區(qū)盆地基底穩(wěn)定，構造變形較弱，構造樣式為壓縮構造樣式中的大型褶皺，伴生少量斷裂。內部活動區(qū)以伸展構造樣式為主，并經過多次反轉，形成反轉構造，構造活動強烈，煤系經歷了多次抬升和改造，并伴生強烈的巖漿活動。

華北石炭紀—二疊紀煤變質程度整體較高，分帶明顯。南部及北部變質程度低，中部、中南部變質程度高，華北北部(北緯38°以北地區(qū))，以低、中變質煙煤為主，主要為長焰煤、氣煤和肥氣煤，在平朔和準格爾礦區(qū)和山西河曲、渾源，山東兗州和濟寧等地還分布有長焰煤；河南平頂山-淮南為華北另一個低變質帶，主要為氣煤和肥氣煤。南北低變質帶之間分布著無煙煤-高變質煙煤中高變質帶，并且無煙煤和高變質煙煤為主。重要的高變質無煙煤分布于晉東南、豫中地區(qū)，其次無煙煤分布于山西壽陽、陽泉和河北武安一帶。中變質帶為冀魯豫中變質帶、平頂山—淮南中變質帶、鄂爾多斯東緣中變質帶和鄂爾多斯盆地西北緣中變質帶。區(qū)域巖漿熱力變質作用是華北盆地主要煤變質作用類型，東南部地區(qū)巖漿活動強烈，很多地區(qū)巖漿侵入到煤層中而形成天然焦；中部地區(qū)巖漿活動較強烈，多以隱伏巖體形式存在，促使煤層變質為無煙煤；北部地區(qū)巖漿活動相對較弱。隱伏巖體成為煤類分帶的主導因素。

4 煤與煤層氣耦合成礦成藏規(guī)律及模式

華北盆地聚煤和煤系變形的過程也是煤層氣生成和成藏的過程，煤與煤層氣成礦成藏的耦合性、系統(tǒng)性非常顯著，單因素分析和多因素系統(tǒng)分析，均反映了這一特點。

1) 煤層含氣量與煤級密切相關，煤變質作用在很大程度上控制著煤層含氣性。煤層含氣量主要受構造、水文、保存條件的影響，但是，煤變質作用是控制煤層含氣量不可或缺的重要因素之一，煤級越高，煤層氣累計生成量越大。華北盆地煤層含氣量與煤級具有密切關系，高含氣量地區(qū)與高煤級分布區(qū)區(qū)域展布格局一致，高煤級煤大致沿北緯36°～38°分布，即陽泉-壽陽-邯邢-安鶴高變質帶和韓城-晉城-焦作-堰龍高變質帶，這些地區(qū)煤層含氣量普遍較高[10]。而北部和南部的低變質帶和中變質帶，煤層含氣量相對偏低。

2)富煤帶分布與煤層氣富集區(qū)相互契合。聚煤環(huán)境為煤層氣生成提供了重要的物質基礎，也為煤層氣的保存提供了有利條件，厚煤層、巨厚煤層生氣量大，同時儲存空間也大，資源分布也高。不同時期的富煤帶分布與富氣帶分布相互契合(圖4)，富煤帶的遷移也促使富氣帶由北向南遷移。晚石炭世至早二疊世，富煤帶主要分布于北華北，從而形成了鄂爾多斯東緣、南緣聚氣帶、沁水聚氣帶之沁水、霍西、西山含氣區(qū)，陰山、冀中平原、大同、寧武、豫西等含氣帶。中、晚二疊世遷移至南華北，形成了平頂山、徐淮含氣區(qū)。顯然，煤層氣資源豐度主要取決于煤層氣含量，盆地東部受伸展構造斷陷構造、地下水徑流帶等因素影響，煤層含氣量低，因而，東部富煤帶資源豐度低。

1—煤層氣資源豐度≥1.5億m3/km2；2—1億m3/km2≤煤層氣資源豐度<1.5億m3/km2 ；3—0.5億m3/km2≤煤層氣資源豐度<1.0億m3/km2 ；4—煤層氣資源豐度<0.5億m3/km2 ；5—下二疊統(tǒng)一煤組富煤帶；6—中二疊統(tǒng)二煤組富煤帶；7—上二疊統(tǒng)五煤組富煤帶；8—地臺邊界；9—郯廬斷裂圖4 華北盆地富煤帶與煤層氣資源豐度關系Figure 4 Relationship between coal belt and coalbed-methane resource abundance in North China Basin

3)煤田構造是煤層氣富集、成藏最主要控制因素。華北盆地穩(wěn)定的基地構造和構造演化環(huán)境為煤層氣生成和保存創(chuàng)造有利條件，盆地基底構造和構造演化環(huán)境最穩(wěn)定的鄂爾多斯和山西地區(qū)，是華北盆地乃至全國最主要聚氣帶。煤系變形分區(qū)性控制著煤層氣含氣性的差異，強擠壓的外環(huán)帶其構造變形受板緣構造作用控制，控煤構造樣式以逆沖推覆構造為主，逆沖推覆方向總體上由板緣向板內，巖漿活動強烈，煤變質程度高，煤層生氣能力強，構造樣式易于煤層氣保存，但該區(qū)應力大，常形成構造煤，不利于煤層氣開發(fā)，煤和瓦斯突出顯著，如華北板塊北緣隆起帶以擠壓、褶皺、逆沖推覆造山活動為主，印支期—燕山期巖漿活動劇烈，煤化程度高，煤層變形破壞強烈，是一個高煤層氣含量分布區(qū)。由西至東，包頭、下花園、北票、紅陽、本溪、通化都是高瓦斯突出礦區(qū)，其中北票礦區(qū)發(fā)生煤與瓦斯突出1 500余次，為嚴重的煤與瓦斯突出礦區(qū)。

弱擠壓的中環(huán)帶構造應力弱于強擠壓的外環(huán)帶，構造樣式為壓縮構造樣式，多為推覆-坳陷構造樣式組合，構造圈閉好，煤層氣保存條件較好，煤層氣含量較高。如華北南緣逆沖推覆賦煤構造帶，煤層氣含量較高，但構造應力較強烈，“構造煤”發(fā)育，在河南登封、新密、禹州市、滎鞏和安徽淮南煤田等煤田，構造煤發(fā)育，為高突瓦斯區(qū)。

內部穩(wěn)定區(qū)盆地基底穩(wěn)定，構造變形較弱，構造樣式為壓縮構造樣式中的大型褶皺，伴生少量斷裂，煤層氣氣含量高，且易于保存。如沁水和鄂爾多斯東緣含氣區(qū)，煤層氣含量高，煤層氣易于保存，是我國煤層氣資源重點分布區(qū)和開發(fā)區(qū)。

內部活動區(qū)以伸展構造樣式為主，并經過多次反轉，形成反轉構造，構造活動強烈，煤系經歷了多次抬升和改造[13-15]， 并伴生強烈的巖漿活動， 煤層氣保存條件差，煤層氣大量逸散。如魯西斷陷賦煤構造帶發(fā)育東西向、 南北向兩組正斷層組成的井字型伸展滑脫構造系統(tǒng)，總體上呈由北向南拉伸滑脫的單剪式的伸展構造。魯西斷陷賦煤構造帶以塹壘型控煤構造為特點，含煤巖系賦存于近東西向及近南北向兩組斷層組成的復式塹壘構造之內，煤層含氣量很低。同時，該區(qū)還處在地下水徑流帶上，造成煤層氣的大量逸散，屬于低瓦斯帶，不具有地面勘查開發(fā)價值(圖5、圖6)。

1—含氣量≥12m3/t； 2—8 m3/t≤含氣量<12 m3/t； 3—4 m3/t≤含氣量<8 m3/t； 4—1 m3/t≤含氣量<4m3/t； 5—主要斷裂； 6—隱伏斷裂； 7—背斜； 8—向斜圖5 華北盆地煤與煤層氣耦合成礦成藏類型與煤層甲烷含量關系Figure 5 Relationship between coalbed methane-bearing and the types of coal and coalbed methane coupling metallogenicaccumulation in North China Basin

1—甲烷濃度≥90%； 2—85%≤甲烷濃度<90%； 3—80%≤甲烷濃度<85%； 4—甲烷濃度<80%； 5—主要斷裂；6—隱伏斷裂； 7—背斜； 8—向斜圖6 華北盆地煤與煤層氣耦合成礦成藏類型與煤層甲烷濃度關系Figure 6 Relationship between coalbed methane concentration and the types of coal and coalbed methane couplingmetallogenic accumulation in North China Basin

4)煤與煤層氣耦合成礦成藏系統(tǒng)分析。煤炭與煤層氣空間耦合成礦規(guī)律表現為盆地基地穩(wěn)定，上覆地層厚，深成變質作用疊加區(qū)域巖漿變質作用控制著華北高變質帶的分布，為煤層氣熱裂解作用創(chuàng)造有利條件。石炭紀—二疊紀陸表海背景下發(fā)育的河流、復合型淺水三角洲、多重障壁海岸和臺地沉積體系，形成大面積分布的厚煤層，為煤層氣富集創(chuàng)造了堅實的物質基礎和存儲空間，也為煤層氣藏的封閉創(chuàng)造了有利條件。構造演化的差異性對煤層氣生成和保存產生深刻影響，環(huán)帶狀煤田構造格局控制著煤層氣成藏，外環(huán)帶多發(fā)育逆沖推覆構造，形成逆沖推覆型煤層氣藏，構造應力大，構造煤發(fā)育，滲透率低，煤和瓦斯突出礦井多，不利于煤層氣的地面開發(fā)。弱擠壓中環(huán)帶構造多為推覆-褶皺構造樣式，構造圈閉好，煤層氣保存較好，煤層氣含量較高，“構造煤”相對發(fā)育，煤儲層滲透率低，煤和瓦斯突出礦井較多，適宜煤層氣地面和井下聯合抽采。鄂爾多斯盆地東緣和沁水盆地等內部穩(wěn)定區(qū)構造變形較弱，煤層氣含量高且易于保存，是我國煤層氣重點地面開發(fā)區(qū)；華北東部活動區(qū)構造活動強烈，以多次反轉的伸展控煤構造為主，并形成強徑流地下水系統(tǒng)[16-17]，煤層氣保存條件差，煤層氣大量逸散。

5)煤與煤層氣耦合成礦成藏模式。華北盆地煤與煤層氣成藏可分兩個階段，第一階段是泥炭聚積和壓實和生物成因氣生成階段，在陸表?；A上，主要充填河流、三角洲、澙湖障壁、碳酸鹽臺地體系，形成多條河流入海的古地理格局， 海水由東南向西北入侵，物源方向主要來自北方和西南方向，隨著陰山和秦嶺造山帶隆升控制，北部河流進積，海水逐步向東南退出。泥炭沼澤發(fā)育在濱岸地帶，形成大面積分布的泥炭，泥炭被逐步壓實而形成年輕褐煤，隨著古地理變遷，富煤帶逐步向南遷移。泥炭形成和壓實過程中，形成生物成因的煤層甲烷等煤層氣，部分儲存與泥炭和褐煤中(圖7)。

圖7 華北盆地石炭紀—二疊紀沉積聚煤模式Figure 7 Pattern diagram of Carboniferous-Permiansedimentary coal accumulation in North China Basin

第二階段為構造變形、煤變質和熱解煤層氣生成階段。受太平洋古板塊俯沖和陰山、秦嶺造山帶隆升影響，華北盆地逐步萎縮，逐步形成環(huán)帶狀煤田構造格局，不同構造帶形成不同的控煤控氣構造組合，煤的賦存狀態(tài)和煤層氣成藏特點顯著差異。在深成變質作用的基礎上，疊加區(qū)域巖漿熱力、熱液變質作用，控制著煤的變質類型和煤類分布，巖漿活動強烈的東部局部地區(qū)發(fā)生接觸變質作用，促使煤層變質為焦煤、瘦煤、無煙煤和天然焦。與此同時，煤層發(fā)生熱解作用，形成熱降解和熱裂解成因的煤層氣。在沉積、構造、巖漿活動和熱動力系統(tǒng)作用下，形成坳陷型、斷坳型、推覆褶皺型、伸展斷陷型煤與煤層氣成礦成藏類型，構成了華北石炭紀—二疊紀煤與煤層氣耦合成礦成藏模式。坳陷型、斷坳型煤層含氣量高，資源豐富；推覆褶皺型煤層含氣量較高，變化大；伸展斷陷型煤層氣大量逸散，含氣量低，資源貧乏(圖8)。

圖8 華北盆地石炭二疊紀煤與煤層氣耦合成礦成藏模式Figure 8 Carboniferous-Permian coal and coalbed methane coupling reservoir forming model in North China Basin

5 結論與建議

系統(tǒng)認識煤與煤層氣耦合成礦成藏關系，是揭示煤礦產成礦規(guī)律和煤層氣成藏規(guī)律的鑰匙，有益于指導煤與煤層氣的綜合研究和協(xié)同勘查、開發(fā)。通過煤與煤層氣耦合成礦成藏作用分析和華北盆地晚古生代煤與煤層氣耦合成礦成藏規(guī)律研究，可以得出以下幾點認識。

1)煤的聚積、變質成礦是一個系統(tǒng)過程，在這個過程中，煤與煤層氣成礦成藏存在密切的耦合關系。煤的變質程度決定了煤層氣的生氣量和成分，煤的聚積影響煤層氣的資源豐度和富氣帶的分布，控煤構造和巖漿活動控制煤變質成礦、賦存和煤層含氣性、儲存物性、保存和成藏類型。

2)華北盆地石炭紀—二疊紀聚煤作用表現為垂向上富煤單元的周期性分布和橫向上富煤帶由北而南遷移的特點，富氣帶分布與富煤帶具有密切的契合關系；煤級分布與煤層含氣量、資源豐度具有顯著的耦合關系，高煤階煤分布區(qū)往往也是煤層含氣量大和資源豐度高的地區(qū)；控煤構造是煤的聚積和賦存、煤層氣生成和成藏主要影響因素，環(huán)帶狀煤系變形構造特點決定煤礦產賦存、煤層氣保存、成藏類型和煤儲層特性；區(qū)域巖漿活動加深了煤的變質程度，深刻影響了煤變質程度、煤成礦類型、煤層含氣量、煤層氣資源量；多因素系統(tǒng)、耦合，構成了華北晚古生代煤與煤層氣耦合成礦成藏模式。

今后，應加強煤與煤層氣耦合成礦成藏作用研究，從而指導煤與煤層氣、煤系氣協(xié)同勘查開發(fā)。根據華北盆地煤與煤層氣成礦成藏特點，坳陷型、斷坳型煤與煤層氣成礦成藏區(qū)，煤層含氣量高，資源豐富，宜采取地面、井下聯合抽采方式，協(xié)同開發(fā)煤炭與煤層氣資源；推覆褶皺型煤與煤層氣成礦成藏區(qū)，煤層含氣量較高，變化大，構造煤發(fā)育，宜采取以煤炭開采為主，煤與煤層氣共采方式協(xié)同開發(fā)煤炭、煤層氣；伸展斷陷型煤層氣大量逸散，含氣量低，資源貧乏，主要從礦井的安全生產出發(fā)，在煤炭開采的同時，從瓦斯抽放系統(tǒng)中回收煤層氣。