大別造山帶鐵路隧道氣體燃燒的地質(zhì)意義

摘 要

摘要：目前合肥盆地的油氣勘探工作主要沿用中國東部盆地的勘探成功經(jīng)驗(yàn)，工作重點(diǎn)以“中新生代盆地系統(tǒng)”為主，迄今尚無實(shí)質(zhì)性的油氣突破。大別造山帶和合肥盆地是緊密
摘要：目前合肥盆地的油氣勘探工作主要沿用中國東部盆地的勘探成功經(jīng)驗(yàn)，工作重點(diǎn)以“中新生代盆地系統(tǒng)”為主，迄今尚無實(shí)質(zhì)性的油氣突破。大別造山帶和合肥盆地是緊密相連的2個(gè)構(gòu)造單元，在形成和時(shí)空演化上具有密切的關(guān)系。在大別造山帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)的可燃天然氣和發(fā)生燃燒的隧道具有明顯的區(qū)域性，集中分布于磨子潭-曉天斷裂以南的北大別雜巖帶和信陽-舒城斷裂附近的早石炭世變質(zhì)石英片巖中。通過對大別山區(qū)隧道燃燒現(xiàn)象的系統(tǒng)分析，結(jié)合大別造山帶、合肥盆地的演化特征和海相烴源巖發(fā)育狀況，結(jié)論認(rèn)為：磨子潭-曉天斷裂和信陽-舒城斷裂是連通深部的氣源通道斷裂；推覆體之下的寒武系鳳臺組和北淮陽型石炭系2套海相烴源巖是隧道可燃天然氣的主力氣源巖，且其均已進(jìn)入熱演化的過成熟階段。因此，下一步勘探重心應(yīng)從“中新生代盆地系統(tǒng)”轉(zhuǎn)移到“深部海相層系”，以尋找“古生古儲”或“古生新儲”類型油氣藏為主。
關(guān)鍵詞：大別造山帶；鐵路隧道；天然氣；海相沉積；烴源巖；推覆體；勘探重點(diǎn)；合肥盆地
    合武鐵路為合肥至武漢的客運(yùn)專線鐵路，途徑位于大別山的金寨區(qū)段。該區(qū)段河谷深切，相對高差最大達(dá)500m，共設(shè)計(jì)施工了17座隧道。自2005年10月28日～2006年1月9日，紅石巖、五福堂、九斗沖、周家坳、金寨、汀筒溝和喬家山隧道在施工過程中先后發(fā)生了不同程度的氣體燃燒現(xiàn)象，尤其是長達(dá)7857m的紅石巖隧道曾發(fā)生過多次燃燒。片麻巖隧道出現(xiàn)可燃?xì)獾默F(xiàn)象是極其罕見的，筆者主要通過對大別造山帶合武鐵路金寨區(qū)段區(qū)域性片(麻)巖隧道燃燒現(xiàn)象的系統(tǒng)分析，結(jié)合大別造山帶、合肥盆地的演化特征和海相烴源巖發(fā)育狀況，探討合肥盆地油氣勘探前景及下一步的勘探思路。
1 合武鐵路隧道燃燒現(xiàn)象及組分分析
1.1 隧道施工中炮后燃燒情況
    2005年10月19日，合武鐵路紅石巖隧道(里程DK181+373～DK189+230)出口工區(qū)開始進(jìn)洞施工，按上下臺階法開挖。2005年10月28日22時(shí)，在掌子面爆破后的碴堆間隙發(fā)現(xiàn)燃燒的火焰，此處距隧道口約10m，火焰為淡藍(lán)色，燃燒面積直徑為0.5～1.0m，燃燒3～5min后熄滅，洞內(nèi)無異常氣味。2005年12月10日挖至距隧道口約130m時(shí)，碴堆再次發(fā)生燃燒現(xiàn)象。為此，合武鐵路安徽有限公司加強(qiáng)了監(jiān)測，2005年12月15日下午放炮后瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.7%，未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象；12月17日，在隧道出口檢測到炮后最大瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.09%，未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。紅石巖隧道以淺紅色二長片麻巖為主，先后發(fā)生了20余次燃燒[1]。其后五福堂、九斗沖、周家坳、金寨、汀筒溝和喬家山隧道也先后發(fā)生了不同程度的氣體燃燒現(xiàn)象。
    出現(xiàn)可燃?xì)獾乃淼婪秶鸀镈K150+000～DK203+000，鐵路里程為53km，該區(qū)間共有17座隧道。燃燒的7座隧道中有6座連續(xù)分布在磨子潭 曉天斷裂以南的北大別雜巖帶，6座隧道總跨度22km，其中隧道總長度大于10km，燃燒部位以元古界片麻巖為主；僅磨子潭曉天斷裂以南的金寨隧道在早石炭世變質(zhì)石英片巖中發(fā)生燃燒。
1.2 氣體組分分析
    紅石巖等6座隧道燃燒火焰呈藍(lán)色或藍(lán)紅色，燃燒前后無異常刺鼻氣味，從燃燒火焰和燃燒后的氣味判斷，氣體中不含硫化氫、二氧化硫組分(或這類氣體含量極低)。為查明隧道燃燒原因，消除安全隱患，施工單位分別對紅石巖隧道出口和九斗沖隧道進(jìn)口的巖石碴塊吸附氣體及放炮前后氣體進(jìn)行了采樣分析[2]。
    在紅石巖隧道出口(DK188+995.5、DK188+993.5、DK189+092.5)處，采集氣樣4袋、渣塊2.5kg(DK189+092.5)。在九斗沖隧道于隧道頂部4個(gè)鉆孔中取炮前氣體樣品，炮后取氣樣2袋、碴塊2.0kg。上述樣品均是在放炮后無燃燒的情況下采集的，反映了炮后的真實(shí)組分含量。經(jīng)分析氣體組分較復(fù)雜，包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和一氧化碳等，其中甲烷最高含量達(dá)到1906.7μg/g(表1)，一氧化碳含量也比較高。這與常規(guī)煤系地層的瓦斯組分有一定差別，燃燒氣體主要為烴類氣體。
 
2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景
    大別造山帶夾持于華北和揚(yáng)子板塊之間，其北麓為合肥盆地。合肥盆地經(jīng)歷了基底形成、類前陸、斷陷、構(gòu)造反轉(zhuǎn)等階段的演化，基底變形和盆地發(fā)育受到大別造山帶的控制。在盆地?cái)嘞蓦A段，合肥盆地處于環(huán)太平洋構(gòu)造體制的控制之下，但大別造山帶仍表現(xiàn)出明顯的控制作用和良好的構(gòu)造耦合關(guān)系。根據(jù)地質(zhì)、地球物理和同位素年代學(xué)資料，可重塑大別造山帶和合肥盆地的構(gòu)造演化史。
    1) 克拉通-被動大陸邊緣盆地階段(Pt3-O2)。從晚元古代開始，大致以欒川-確山-固始-肥中斷裂為界，其北為穩(wěn)定克拉通的構(gòu)造-沉積環(huán)境；其南則因北秦嶺裂谷的繼續(xù)發(fā)展，逐漸變成比較成熟的被動大陸邊緣盆地[3]；合肥盆地西緣四十里長山地區(qū)出露的震旦系、寒武系及奧陶系，特別是下寒武統(tǒng)鳳臺組低位斜坡扇水下重力流礫屑灰?guī)r厚度超過100m，是其北部的淮南、鳳臺地區(qū)鳳臺組礫屑灰?guī)r厚度的2倍以上，且與丘狀層理砂質(zhì)灰?guī)r互層，說明四十里長山地區(qū)的鳳臺組已經(jīng)屬于較深水的陸棚斜坡環(huán)境下的產(chǎn)物。其上部發(fā)育了一套厚約150m的灰綠色、灰黑色頁巖和碳質(zhì)頁巖，大致相當(dāng)于淮南地區(qū)猴家山組底部的含磷礦層頁巖(厚度為15～25m)。在猴家山組見到了上斜坡環(huán)境下發(fā)育的同生變形層理?xiàng)l帶狀泥晶灰?guī)r及下斜坡環(huán)境鈣屑濁積巖。上述地質(zhì)現(xiàn)象充分說明了四十里長山地區(qū)的鳳臺組、猴家山組是華北被動大陸邊緣盆地的沉積代表。
    2) 克拉通-(弧后)前陸盆地階段(D3-T1)。從盆地南緣商城、固始至金寨一帶出露的石炭系地層來看，總體為一套近源含煤磨拉石建造[4]，而淮南地區(qū)出露的上石炭統(tǒng)-二疊系為穩(wěn)定地臺型近海三角洲-潮坪含煤碎屑巖建造，從當(dāng)時(shí)海盆向南開口[5]及物源來自其北部的華北地臺看，應(yīng)屬華北大陸南邊緣海的北部海岸沉積。因此典型華北型煤系地層主要分布于肥中斷裂以北，肥中斷裂以南逐漸增厚，說明石炭-二疊紀(jì)時(shí)期桐柏-大別山以北地區(qū)為統(tǒng)一的盆地。這與南緣石炭系發(fā)育齊全而北緣僅發(fā)育上石炭統(tǒng)的事實(shí)相吻合。
    3) 前陸褶沖帶的形成時(shí)間及超高壓變質(zhì)巖的同位素測年結(jié)果表明，南北陸塊在二疊紀(jì)末-三疊紀(jì)初碰撞[6]，前陸帶的褶皺沖斷變形、合肥盆地基底的向北逆沖構(gòu)造就此形成。
    4) 古地磁研究表明：南北板塊的持續(xù)會聚與陸內(nèi)俯沖作用可延續(xù)到中侏羅世[7]，滸灣-廬鎮(zhèn)關(guān)剪切帶南側(cè)的大別山由于揚(yáng)子板塊的持續(xù)俯沖進(jìn)一步隆起，其上揚(yáng)子板塊的廬鎮(zhèn)關(guān)群和佛子嶺群變質(zhì)巖層向北滑脫、擴(kuò)展并在其前緣形成褶皺沖斷帶，超高壓變質(zhì)巖在底板沖斷層和頂板正斷層的雙重作用下快速折返，此時(shí)在華北板塊南緣形成前陸盆地，開始接受侏羅系沉積。
    5) 晚侏羅世末-早白堊世的燕山運(yùn)動以大規(guī)模的構(gòu)造-巖漿作用為特征。大別山核部變質(zhì)巖、北淮陽構(gòu)造帶及合肥盆地普遍有偏堿性-堿性火山巖覆蓋。稍后大別山核部因碰撞后的伸展作用及巨量花崗巖侵位而差異隆起，大部分火山巖因后期抬升而剝蝕。滸灣-廬鎮(zhèn)關(guān)剪切帶北側(cè)進(jìn)一步坳陷，接受黑石渡組的火山-碎屑巖沉積。早白堊世末期，由于郯廬斷裂的左行平移[8]，西側(cè)的華北板塊向南俯沖到揚(yáng)子板塊之下[9]，磨子潭-曉天斷裂南側(cè)的北大別雜巖逆沖到曉天盆地黑石渡組之上，并導(dǎo)致合肥盆地萎縮，大別山進(jìn)一步抬升。
    6) 晚白堊世-古近紀(jì)，中國東部總體受伸展構(gòu)造所控制，以發(fā)育盆嶺構(gòu)造為特征。大別山因重力均衡作用而進(jìn)一步抬升，四周斷陷；在區(qū)域伸展作用下，合肥盆地的邊界斷層轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬樱戏逝璧爻蔀閿嘞菖璧?。新近紀(jì)以來，在區(qū)域擠壓背景下，合肥盆地進(jìn)入構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段，盆地抬升剝蝕，結(jié)束盆地沉積。
3 氣源條件
3.1 氣體儲集空間
    片麻巖隧道出現(xiàn)可燃?xì)獾默F(xiàn)象是極其罕見的——因?yàn)槠閹r本身不具備生成可燃?xì)獾臈l件。通過資料收集和現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)位置均為構(gòu)造裂隙較發(fā)育的破碎帶，破碎帶巖石呈碎塊狀，巖塊上構(gòu)造錯(cuò)動和褶皺強(qiáng)烈，裂隙中有明顯的未充填孔洞，局部含有黃鐵礦，而巖石較完整地段均未出現(xiàn)炮后燃燒，說明破碎帶中的裂隙空間是可燃?xì)獾闹饕獌臻g。
3.2 氣源分析
    天然氣的各組分結(jié)構(gòu)簡單，分子、密度、黏度和吸附能力都較小，故具有運(yùn)移快、易溶解、易擴(kuò)散和易揮發(fā)的特點(diǎn)。在開放系統(tǒng)中，氣體從高濃度向低濃度擴(kuò)散運(yùn)動；從溫度高處向溫度低處擴(kuò)散運(yùn)動。因此，對于賦存于地下巖層中的天然氣而言，擴(kuò)散制約了天然氣長期保存，相對上覆地層，氣體濃度和溫度通常都是高的，無論蓋層如何好，氣體都向上擴(kuò)散運(yùn)移，特別是在近地表的狀態(tài)下(燃燒部位破碎帶往往都是通達(dá)地表的，處于半開啟或開啟狀態(tài))，若無氣源繼續(xù)供給，上述隧道天然氣現(xiàn)今是難以保存的。
    從合武鐵路隧道燃燒情況分析，可燃?xì)鈨H發(fā)生在局部構(gòu)造裂隙破碎帶，有一定局限性，但從整個(gè)發(fā)生燃燒的里程跨度來看，存在明顯的區(qū)域性。發(fā)現(xiàn)天然氣和發(fā)生燃燒的隧道均位于磨子潭-曉天斷裂和信陽舒城斷裂附近。
磨子潭-曉天斷裂和信陽-舒城斷裂都是活動時(shí)間長、切割層位深的深大斷裂，隧道巖石本身不具備生成可燃天然氣的條件?？紤]到天然氣垂向運(yùn)移為主的特性，隧道可燃天然氣只能來源于其深部。因此兩深大斷裂是連通深部的氣源通道斷裂(圖1)。
 
3.3 深部烴源巖特征
   由磨子潭-曉天斷裂和信陽一舒城斷裂所夾持的北淮陽構(gòu)造帶是一個(gè)經(jīng)歷多期逆沖推覆作用的山前沖斷帶，淺部推覆體地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深部推覆體之下應(yīng)存在正常序列地層。因此，從區(qū)域地層展布和原型盆地發(fā)育特點(diǎn)等方面分析，可能的烴源巖有2套：一套是寒武系鳳臺組烴源巖；另一套是北淮陽型石炭系烴源巖。
3.3.1寒武系鳳臺組烴源巖的地化特征
    該套烴源巖在合肥盆地西部的四十里長山附近出露較完整，其中發(fā)育的海相泥質(zhì)烴源巖(厚度為50～80m)是一套較好的烴源巖。
    有機(jī)碳含量一般均大于1.5%(0.28%～13.46%，平均6.46%)。但氯仿瀝青“A”含量(16～59μg/g，平均39μg/g)及生烴潛量(“S1+S2”為0.02～0.05)較低。烴源巖與揚(yáng)子、塔里木板塊相同層位烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度具有相似性，說明這套烴源巖所處的時(shí)空環(huán)境對烴源巖的發(fā)育極其有利[10]。
    全巖光片分析表明，顯微組分中主要是貧氫次生組分，鏡質(zhì)體僅有無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體且含量較高，推測本區(qū)發(fā)現(xiàn)的鏡質(zhì)體是經(jīng)受了高熱演化程度形成的，干酪根屬偏腐殖混合型或腐殖型。烷烴色譜判斷其母質(zhì)類型以低等水生生物為主，同時(shí)也有陸源植物混入，烷烴色質(zhì)分析也說明其物源是以水生生物為主，并有陸源植物的混入。
    鏡質(zhì)體反射率一般為2.0%～3.5%，表明鳳臺組烴源巖處過成熟階段早期。Tmax為500～600℃，反映不同位置的樣品成熟度有一定的差異，但總體上已進(jìn)入過成熟階段早期乃至晚期，與我國寒武系底部海相泥質(zhì)烴源巖演化程度相近。
3.3.2大別山北緣型石炭系烴源巖地化特征
    在盆地西南緣的商城-固始地區(qū)出露的石炭系較全，厚度超過5000m，其中暗色泥巖厚達(dá)500m，煤層厚20～40m，暗色泥巖主要發(fā)育在下石炭統(tǒng)花園墻組(C1h)、楊山組(C1y)，中石炭統(tǒng)胡油坊組(C2h)，上石炭統(tǒng)楊小莊組(C2y)，煤層主要發(fā)育在楊山組和楊小莊組[11]。
    煤巖有機(jī)碳含量一般在50.6%～70.2%，平均66.0%；碳質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量1.68%～9.47%，泥巖有機(jī)碳含量為1.54%～2.64%。無論是石炭系的泥巖還是煤層，其氯仿瀝青“A”含量一般都小于0.01%；最高為0.0362%，總烴含量一般小于100μg/g，最高320.8μg/g；生烴潛量S1+S2為0.1mg/g左右，楊山組稍高，可達(dá)2mg/g。
    干酪根顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量在53.5%～89.5%；惰質(zhì)組在10.5%～39.8%；殼質(zhì)組分含量僅為O～6.7%。干酪根碳同位素δ13C在-19.89‰～-24.27‰，均顯示腐殖型干酪根的特點(diǎn)。
    鏡質(zhì)體反射率為2.35%～4.37%，平均3.44%，均處于過成熟階段。萜類組成上藿烷C3122S/(22S+22R)比值為0.56～0.60，已達(dá)到平衡，這也是高演化程度的反映。可能與大別山?jīng)_斷作用所形成的區(qū)域動力變質(zhì)作用有關(guān)。
    勘探實(shí)踐表明，來自高演化程度的烴源巖也能夠形成大型天然氣藏。如卡塔爾“North”氣田，烴源巖為下志留統(tǒng)泥灰?guī)r，以腐泥型于酪根為主，TOC含量為2%～3%，目前已達(dá)干氣成熟階段。四川威遠(yuǎn)氣田的主要?dú)庠磶r為燈影組之上的下寒武統(tǒng)，其在有效圈閉體積內(nèi)充滿度已達(dá)到100%，表明威遠(yuǎn)氣田氣源充足，供補(bǔ)大于擴(kuò)散的動態(tài)平衡保證了威遠(yuǎn)中型天然氣田規(guī)模。因此對于本區(qū)的海相烴源巖，不管目前演化程度多高，只要在地史上曾經(jīng)生成過油氣，那么，在相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境中，這種油氣就可能保存下來，就可作為有效烴源巖或有效烴源。目前最重要的是研究其成烴過程與圈閉配套史的關(guān)系。
4 結(jié)論
    1) 天然氣具有運(yùn)移快、易溶解、易擴(kuò)散和易揮發(fā)的特點(diǎn)，特別是在近地表的狀態(tài)下，若無氣源繼續(xù)供給，本區(qū)隧道天然氣現(xiàn)今是難以保存的，磨子潭-曉天斷裂和信陽-舒城斷裂是連通深部的氣源通道斷裂。
    2) 寒武系鳳臺組和北淮陽型石炭系2套海相烴源巖是隧道可燃天然氣的主力氣源巖，其熱演化程度很高。目前最重要的是研究成烴過程與圈閉配套史的關(guān)系。
    3) 大別山隧道可燃天然氣的發(fā)現(xiàn)展示了合肥盆地深部海相層系良好的勘探前景。因此下一步勘探重心應(yīng)從“中新生代盆地系統(tǒng)”轉(zhuǎn)移到“深部海相層系”，以尋找“古生古儲”或“古生新儲”類型油氣藏為主。
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(本文作者：雷敏 柳忠泉 陳云鋒 中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院)