山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征

第22卷第3期煤炭学报Vol.22　No.3 1997年　6月J OU RNAL OF CHINA COAL SOCIET Y J une 1997　山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征3秦　勇　宋党育　王　超(中国矿业大学)摘要　通过对区内晚古生代煤层的埋藏史、古地热史和生烃演化史的研究,认为煤层埋藏史类型以及发生于燕山运动中期的第2次生气作用是控制煤层气生成保存条件的重要地质因素,进而指出区内阳城—沁水、沁源—沁县和安泽等地区可能最具有煤层气勘探前景.关键词　山西南部　晚古生代煤　煤化作用　煤层气　第2次生烃作用中图分类号　P62山西省南部是我国近年来煤层气地质研究和勘探开发的热点地区之一.为此,笔者在剖析该区煤级分布规律、煤层埋藏史和古地热史的基础上,对煤化作用的控气特征进行了探讨,研究结果对丰富我国煤层气地质理论和指导该区煤层气勘探实践具有积极意义.1　地质背景研究区位于华北晚古生代巨型聚煤盆地中带,覆盖沁水盆地中南段、霍西煤田以及临汾盆地,包括沁源、翼城、沁水、阳城、晋城、汾孝、霍州等矿区及它们之间的广大地区,面积约30000km2.本区主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组,含煤10余层,平均煤厚为10.43m.煤级分布具有“南高北低、东高西低”的总体趋势,等煤级带呈北东向展布,在西北部为低—中煤化烟煤,在东北部为中—高煤化烟煤和无烟煤,在南部则为无烟煤,局部达到超无烟煤. 自晚古生代含煤地层形成以来,本区地壳多次沉降和隆起,发生构造分异,导致含煤岩系上覆地层出现差异沉积和差异剥蚀,反映出区内不同地段晚古生代煤层的埋藏历史、煤化作用历史和烃类生成保存历史存在一定差异.根据区域地质调查资料、前人研究成果以及笔者的煤系脉体包裹体测试数据,对研究区范围内6个地区晚古生代煤系上覆地层的原始厚度进行了恢复,部分结果如图1所示.2　煤化作用特征211　煤层埋藏历史及其地质类型 如图1所示,本区晚古生代煤层经历了5个埋藏阶段:第1阶段(Ⅰ)历经海西运动后期和印支运动期,为快速埋藏时期;第2阶段(Ⅱ)属于燕山运动早期,地壳在相对稳定的背景下有所波动,为稳定和波动交替时期;第3阶段(Ⅲ)出现于燕山运动中期,地壳处于构造隆起状态,为埋深显著减小阶段;第4阶段(Ⅳ)相当于燕山运动晚期—喜马拉雅运动早期,地壳长期隆起遭受剥蚀,同样可称为埋深减小阶段,但在古地热场特征方面存在显著差异(见下述);第5阶段(Ⅴ)属于喜马拉雅运动晚期,收稿日期:1996-11-04国家自然科学基金(编号:49472125)资助项目图1　研究区石炭二叠系煤层埋藏历史曲线Fig 11　Burial history curves of the Permo 2Carboniferous seams in the area studied(a )“V ”型埋藏模式,以阳城─翼城地区为例;(b )“W ”型埋藏模式,以沁源─沁县地区为例;(c )反“N ”型埋藏模式,以临汾─洪洞地区为例构造分异重新加剧,大部分地区基本稳定或略有沉降或抬升,某些地区(如临汾—洪洞地区)煤层埋深重新显著加大,致使煤层气保存条件差异极大.构造分异作用的结果,使得区内不同地区晚古生代煤层的埋藏历史有所差异,这种差异在上述第2阶段和第5阶段尤为明显,导致本区煤层埋藏历史具有3种地质类型.第1种类型称为“V ”型模式,存在于阳城—翼城、霍州、汾西等地区(图1(a )),特点是自印支运动晚期(第2阶段)以来地壳持续抬升,煤层埋深持续减小,因此煤层气的总体保存条件取决于煤层曾经达到的最大埋深以及喜马拉雅运动期以来上覆地层被剥蚀的程度.第2种类型具有“W ”型的特征,如沁源—沁县地区和安泽地区(图1(b )).这类埋藏模式与“V ”型模式的区别在于第2阶段地壳的波动幅度相对较大,煤层埋深在中侏罗世再度明显增大,煤化作用在埋藏历史的第2阶段中仍有可能得以进展.第3种类型呈现为反“N ”型模式,存在于临汾盆地(如临汾—洪洞地区),地壳在第5埋藏阶段大幅度沉降,从而与第1阶段的沉降和第2～4阶段的抬升构成反“N ”型沉降曲线(图1(c )).区内不同地区晚古生代煤层的埋藏特征差异较大,不同埋藏类型条件下煤的生烃演化历程和煤层气的保存历史有所不同,这是控制不同地区煤层含气性差异的重要原因之一.212　煤化作用古地热史 研究表明,本区煤层受热历史经历了4个主要阶段:第1阶段对应于埋藏史的快速埋藏阶段,古地热场属于正常古地热场范畴,煤层受热温度及煤级缓慢增高,煤化作用服从深成变质的规律.第2阶段为温度波动阶段,相当于埋藏史的稳定和波动交替阶段,煤化作用几乎没有进展或进展极为缓慢.第3阶段对应于煤层埋藏的显著抬升阶段,由于燕山运动中期岩浆热事件的作用,煤层受热温度达170～280℃,古地温梯度普遍超过6℃/100m ,大地热流密度普遍大于96mW/m 2,表现出异常古地热场的典型特征.古地温温度具有南高北低、东高西低的总体分布特点,与煤级现代展布规律一致,表明晚中生代古地热场对现代煤级分布格局起着决定性的控制作用.第4阶段为温度降低阶段,包容了埋藏史的第4和第5段历程,本区沉积盖层的现代地温梯度在2.03～3℃/100m ,大地热流密度为62～75mW/m 2,表明研究区在新生代处于正常地热场的作用之下.由于古地温梯度减小,煤层埋深变浅,故该阶段煤化作用不会得以进展.换言之,研究区晚古生代煤的现今煤级基本上定型于燕山运动中期的早白垩世.132第3期 秦　勇等:山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征213　煤化作用历程的数值模拟 采用国际上新近建立的数值模拟方法———EASY%R o法[1,2],对晚古生代煤的煤化作用历史进行定量模拟,结果见表1所示.主煤层在晚中生代所达煤化程度的模拟结果与山西组煤镜质组平均反射率的实测值吻合,表明EASY%R o法较为真实地反映出煤的热演化历程.表1　研究区晚古生代煤层煤化作用历史EASY%R o法模拟结果T able1　R esults of EASY%R o simulation of coalif ication historyof the Upper P aleozoic seams in the area studied%地　区 镜质组平均反射率晚石炭世早二叠世晚二叠世三叠纪早侏罗世中侏罗世晚白垩世阳城—翼城0.270.290.31 1.00 1.00 1.15 3.54临汾—洪洞0.270.290.310.850.850.96 1.78安　泽0.270.290.310.690.690.76 2.11沁源—沁县0.270.290.310.690.690.76 2.87霍　州0.270.290.310.720.720.78 1.12汾　孝0.270.290.310.680.680.74 1.46 注:(1)恒温带温度取20℃,深度取0;(2)模拟结果为每一地质时期末期的数据. 模拟结果揭示,区内晚古生代煤的煤化作用历史与其受热历史对应,同样经历了4个发展阶段.第1阶段(T)末期全区普遍达到低煤化烟煤阶段;第2阶段(J1—J2)大部分地区煤级仍未超出低煤化烟煤阶段;第3阶段(J3—K1)煤级迅速跃升(最高者已接近超无烟煤);第4阶段(K2—K z)煤化作用停止.区内不同地段煤化作用进展是有差异的,这种差异起始于三叠纪,并随煤化作用的继续进展而日趋显著,在早白垩世末最终形成了本区“南高北低、东高西低”以及低煤化烟煤—无烟煤均有赋存的煤级展布格局. 本区晚古生代煤的煤化作用在燕山运动早期曾出现间断,将整个煤化作用过程划分为海西运动期—印支运动期的第1次煤化作用和燕山运动中期的第2次煤化作用.在区内不同地段,两次煤化作用的相对强弱导致煤中有机质的生烃作用出现差异,对煤层气的生成、保存和聚集特征发生了至关重要的影响.3　煤化作用历程对煤层气生成和聚集的控制作用311　煤层气生成历史 晚古生代煤的两次煤化作用导致了两次生气作用.其中,第1次生气作用发生于快速沉降-缓慢增温阶段,历经石炭纪—三叠纪;第2次生气作用出现在抬升-快速增温阶段,主要发生在晚侏罗世—早白垩世.采用人工煤化实验的视煤气发生率数据[3],结合煤化历史EASY%R o法模拟结果,对区内不同地段晚古生代煤的生气演化特征进行了估算(表2).估算结果显示:在第1次生气作用阶段的末期,区内煤层生烃作用普遍进入了湿气阶段,但不同地区煤的生烃演化程度是不同的,其分布规律与三叠系地层原始厚度的区域分布特征一致,显然受控于印支运动期地壳沉降的幅度,是深埋作用或深成变质作用的结果;在进入第2次生气阶段后,不同地区煤层气的生成作用发生明显分异,这种差异性是燕山运动中期构造分异和异常古地热场空间分布非均一性的必然结果. 平均而言,研究区晚古生代煤的第1次生气作用显著弱于第2次生气作用,前者生气量仅占总生气量的32%,后者达68%.显而易见,第2次生烃作用是影响煤层现今含气性的最为重要的因素之一.然而,与煤层的埋藏-古地热-煤化作用-生气历史相同,第2次生气作用强度在空间上的分布具有极大的非均一性(表2).现今煤级越高,第2次煤化作用越强,第2次生气作用的相对强度越大.这一特征与本区煤层现代含气量的分布格局是基本一致的.232煤 炭 学 报 1997年第22卷表2　研究区晚古生代煤的生气演化历程T able 2　History of coalbed methane generation of the U pper P aleozoic seams in the area studied地　区地　质时　代煤化作用阶 段阶段末期R o ,max /%煤层气生成阶段煤层气生成量/m 3・t -1阶段生成量累计生成量阳城—翼城C 2—T 3泥炭—肥煤1.00生物气—湿气中期 81.45 81.45J 3—K 1肥煤—无烟煤 3.54湿气中期—干气末期277.65359.10临汾—洪洞C 2—T 3泥炭—气煤0.85生物气—湿气早期 65.05 65.05J 3—K 1气煤—瘦煤 1.78湿气早期—干气初期129.52194.57安　泽C 2—T 3泥炭—气煤0.69生物气—湿气初期 47.56 47.56J 3—K 1气煤—贫煤 2.11湿气初期—干气初期155.22202.78沁源—沁县C 2—T 3泥炭—气煤0.69生物气—湿气初期 47.56 47.56J 3—K 1气煤—无烟煤 2.57湿气初期—干气中期205.51253.07霍　州C 2—T 3泥炭—气煤0.72生物气—湿气初期 50.84 50.84J 3—K 1气煤—肥煤 1.15湿气初期—湿气中期47.0197.85汾　孝C 2—T 3泥炭—气煤0.68生物气—湿气初期 46.47 46.47J 3—K 1气煤—焦煤1.36湿气初期—湿气中期74.33120.80312　煤层埋藏史与煤层气的保存 本区晚古生代煤层的埋深在新生代以前始终大于1000余米(图1).从埋藏历史角度分析,本区煤层气的保存状况主要取决于第4阶段晚期和第5阶段煤层的埋藏特征,并与埋藏史类型密切相关. 阳城、沁水、翼城、汾孝、霍州等地区煤层埋藏史属于“V ”型埋藏模式(图1(a )),但不同地区埋藏史对煤层气保存潜势的影响不尽相同.在阳城—翼城地区,印支运动晚期以来尽管总体上处于持续上隆剥蚀状态,但煤系底界的最大埋深曾达4400m ,煤层被抬升至煤层气逸散带(按距地表800m 以浅估算)内的时间仅有距今5Ma 左右,逸散时间较短,有利于煤层气的保存,这是阳城矿区煤层含气量高和含气饱和度大的一个重要原因.汾孝、霍州等地区煤系上覆地层原始厚度远小于阳城—翼城地区,煤层进入煤层气逸散带的时限距今35～50Ma ,尽管晚第三纪以来煤层埋深再次增大,但总体上未超过煤层气逸散带深度,致使煤层气基本上放散殆尽,数年来的煤田勘探和煤矿开采实践已充分证明了这一事实. 沁源、沁县、安泽等地区煤层埋藏史属于“W ”型埋藏模式(图1(b )).在这些地区,除了沁水盆地西部边缘狭长地带之外,剥蚀作用始终未能完全穿透三叠系地层,有利于煤层气的保存,为煤层气聚集成藏创造了良好的埋藏条件和气源条件.安泽地区煤层的现代埋深在800m 左右,地层平缓,埋深稳定,似乎处于煤层气最佳勘采深度之内.然而,该区晚新生代的沉积作用极其微弱,自晚第三纪初期开始,煤层最大埋深始终处于煤层气逸散的临界深度线附近,可能对煤层气的保存造成不利影响. 临汾盆地煤层属于反“N ”型埋藏模式(图1(c )),盆地内部广泛残留三叠系地层,晚古生代煤系的埋深始终大于1000m ,对煤层气的保存十分有利.但是,晚新生代以来的大幅度沉降使盆内大部分地区的煤层被深埋于1200m 之下,给煤层气的开发带来巨大困难. 由此可知:反“N ”型埋藏类型最有利于煤层气保存,但由于煤层埋藏过深而不利于煤层气的开发;“W ”型埋藏类型较有利于煤层气保存,并由于地壳第2次回返将煤层抬升至适当埋深而有利于煤层气开发;“V ”型埋藏类型中煤层被抬升至地表浅处,导致煤层气保存条件变化较大,煤层处于在气体逸散带的时间较短且第2次生气作用较强的地区煤层气逸失量相对较小,反之较大.313　煤层气生成保存条件的煤化作用因素评价 煤层气的富集或逸散受控于多种地质因素,煤化作用条件及其控制之下的生气特征是其中的重要因素之一.与煤层气富集相关的生气因素主要包括3个方面:(1)第2次生气作用发生的地质时期;(2)332第3期 秦　勇等:山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征第2次生烃作用所经历的生气过程和达到的生气阶段;(3)生气作用停止之后煤层的埋藏历史.由此出发,结合上述煤化作用历史及生气特征,可将研究区晚古生代煤的煤化作用特征与煤层气生成保存条件之间的关系总结如表3所示.表3　研究区晚古生代煤层气生成保存条件的煤化作用因素评价T able3　Evalu ation of coalif ication factors which affect generation and preservationof coalbed methane in the area studied地　区 第2次生气作用特征生气强度生气高峰中止阶段煤层被抬升于800m以浅的时限/Ma煤层气的生成保存条件(相对)阳城—翼城强湿气,干气干气末期0～10较好临汾—洪洞较强湿气干气初期0较好安　泽较强湿气干气早期0～27中等沁源—沁县较强湿气,干气干气中期0较好霍　州弱无湿气中期≈47较差汾　孝较弱湿气湿气中期≈32较差根据上述因素,可将区内煤层气保存或相对富集的条件分为3种类型(表3):第1种类型包括阳城—翼城、临汾—洪洞和沁源—沁县3个地区,第2次生烃作用的历程长,经历了1～2个生气高峰阶段,煤化作用停止时已达干气阶段,但煤层在煤层气逸散带中停留的时间短或从未暴露于煤层气逸散带中,故煤层气的保存条件最好,最具勘探前景.其中,阳城地区是研究区中目前已知的含气性最好的地带,在国内也不多见.第2种类型是煤层气保存条件中等的地区,主要分布在安泽一带,第2次生烃作用的历程较长,经历了第1个(湿气)生气高峰阶段,煤化作用停止时已进入干气阶段,但煤层在煤层气逸散带临界深度附近停留的时间较长,可能导致煤层气已有一定程度的逸散,进一步开展煤层气地质条件的综合研究是确定该区是否具有勘探前景的重要途径.第3种类型是煤层气保存条件较差的地区,主要分布在霍州—汾西一带,第2次生烃作用的历程短,没有经历过生气高峰阶段或仅进入第1个(湿气)生气高峰,煤化作用中止于湿气早—中期阶段,煤层在煤层气逸散带中停留的时间长,大面积煤层中的气体基本上已被逸散殆尽,可能失去了进一步开展煤层气地质工作的价值.从区域上来看,区内晚古生代煤层的含气性在南部可能相对较好,在中部—东北部可能好—中等,在西北部可能最差,含气性的这一展布格局与目前已知的含气性规律是一致的.4　结 论(1)在整个煤化作用历史中,发生了两次煤化作用进展.第1次煤化作用是在正常古地热中进行的,发生于海西运动期至印支运动期.第2次煤化作用出现于燕山运动中期,受控于异常古地场的强烈作用,由于构造分异以及古地热场的不均一性,奠定了“南高北低、东高西低”的现今煤级展布格局.(2)煤层埋藏历史经历了5个阶段,由于第3阶段之后不同地区煤层埋藏特征出现分异,导致煤层埋藏史表现出3种埋藏模式或类型.“V”型模式的煤层气保存条件变化较大,只有煤层处于煤层气逸散带时间较短的地区煤层气有可能得以保存;“W”型模式的煤层气保存条件较好,煤层的现代埋深较为适中,具有适宜于将来开采的埋深条件;反“N”型模式的煤层气保存条件最好,但由于煤层现今的埋深过大而可能不利于开采.(3)两次煤化作用进展导致了两次生气作用的发生,其中第2次生气作用对本区煤层气的生成起到432煤 炭 学 报 1997年第22卷了主导作用.现今煤级越高的地区第2次煤化作用越强,其第2次生气量越大.这是本区较高煤级分布区煤层现今含气量较高的重要原因.(4)根据本区煤化作用特性可以认为,区内南部的阳城—沁水地区、东北部的沁源—沁县地区和中部的安泽地区具有煤层气勘探前景,而西部的霍州地区和西北部的汾孝地区基本失去了进一步开展煤层气地质研究的价值.研究工作得到了刘焕杰教授、唐修义教授、贾玉茹教授的帮助,曾勇教授、桑树勋博士以及张有生、范秉恒等同志参与了部分资料的收集工作,谨致谢意.参　考　文　献1　Burnham A K ,Sweeney J J.A chemical kinetic model of vitrinite maturation and reflectance.G eochim Cosmochim Acta ,1989,53:2649～26572　Sweeney J J ,Burnham A K.Evaluation of a sim ple model of vitrinite reflectance based on chemical kinetics.AAPG Bull ,1990,74:1559～15703　傅家谟,刘德汉,盛国英主编.煤成烃地球化学.北京:科学出版社,1990.52～64作者简介秦　勇,男,40岁,博士,教授.1982年毕业于焦作矿业学院;1986年毕业于中国矿业学院北京研究生部,获硕士学位;1991年毕业于中国矿业大学,获博士学位.目前从事煤田、油气地质方面的教学与科研工作.出版煤岩学、有机岩石学、煤化作用、煤层气地质等方面的学术专著和译著5部,发表论文50余篇,曾获“中国图书奖”、“国家教委科技进步三等奖”、“中国石油天然气总公司科技进步三等奖”、“国家教委优秀学术著作奖”等奖励.江苏省徐州市中国矿业大学资源与环境学院,邮政编码:221008.COAL IFICATION OF THE UPPER PAL EOZOIC COAL AN D ITS CONTROL TO THE GENERATION AN D PRESERVATION OF COAL BED METHANE IN THE SOUTHERN SHANXIQin Y ong Song Dangyu Wang Chao(Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology )Abstract Based on the study of the history of the burial coalification and the hydrocarbon generation of the Upper Paleozoic coals in the southern Shanxi ,it is considered that the type of seam burial history and the secondary gas generation in the Middle Yanshan Movement are important geological factors which controlled the generation and preservation of coalbed methane in the area.It is also pointed out that the most potential areas for exploration and development of coalbed methane are Yangcheng 2Qinshui ,Qinyuan 2Qinxian and Anze of the areas studied.K eyw ords southern Shanxi ,Upper Paleozoic coal ,coalification ,coalbed methane ,secondary genera 2tion of hydrocarbon532第3期 秦　勇等:山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征。