摘要：中國東部中、新生代裂陷盆地在成盆期或成盆期后大多都發(fā)生過不同程度的巖漿活動。以煤、油、氣共生的遼河盆地東部凹陷和我國首次在礦井中發(fā)現(xiàn)、研究、開發(fā)煤層氣藏的阜新盆地王營井田為例，系統(tǒng)地闡述了火山活動在古近系沙河街組三段對褐煤、長焰煤和氣煤在平面及垂向分布的控制，進(jìn)而導(dǎo)致各賦煤區(qū)氣源條件的不同；估算了王營井田在區(qū)域深成變質(zhì)過程釋放甲烷氣的基礎(chǔ)上，接觸變質(zhì)作用所形成的附加甲烷量；指出由于巖漿侵入形成了天然焦和高變質(zhì)裂隙煤，使煤層物理性質(zhì)及儲集能力發(fā)生了大的變化；強調(diào)了巖墻等不同產(chǎn)狀的巖漿侵入巖體對煤層氣的封閉作用。最后得出巖漿活動是中國東部中、新生代裂陷含煤盆地煤層氣富集乃至成藏的重要因素之一的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：中國東部；遼河盆地；阜新盆地；古近紀(jì)；巖漿活動；煤層氣；富集作用

    煤層氣富集或成藏的基本地質(zhì)條件主要包括氣源(生)、儲集(儲)和保存(保)3個方面^[1]，而影響生、儲、保的因素是多方面的，只是不同因素在不同區(qū)域?qū)γ簩託飧患鸬闹匾潭扔兴町悺?/span>

    我國東部中、新生代含煤盆地在成盆期或成盆期后大多都發(fā)生過不同程度的巖漿活動，巖漿活動不僅通過改變區(qū)域或局部地溫場而導(dǎo)致煤變質(zhì)程度和煤層物性(主要是孔滲性能)的變化，進(jìn)而影響煤層的生、儲能力；作為巖漿活動產(chǎn)物的巖漿巖體在一定條件還可以對煤層或煤系起到封閉作用，直接或間接地成為煤層氣保存的主要因素。

    筆者以遼河盆地和阜新盆地為例，闡述了巖漿活動對煤層氣的富集作用，以期有益于我國東部中、新生代含煤裂陷盆地煤層氣富集條件的深入探索和煤層氣勘查開發(fā)實踐。

    同常規(guī)天然氣一樣，氣锿是煤層氣成藏的基礎(chǔ)，煤層的厚度及其分布面積、變質(zhì)程度及煤巖組成是控制煤層生氣量的直接因素^[2～3]。其中，煤層厚度及其分布面積、煤巖組成主要受原始聚煤條件的控制，而煤的變質(zhì)程度主要受地溫場控制，后者叉與埋深和巖漿活動有無或強弱有關(guān)。

    盡管從褐煤到無煙煤的各煤階均有煤層氣成功開發(fā)的實例，但煤級作為煤層氣生氣條件的重要因素是毋庸置疑的，因為煤層的生氣量及含氣量通常隨著煤級的增高而遞增。

遼河盆地為新生代裂陷(古近紀(jì))-坳陷(新近紀(jì))盆地，在裂陷期發(fā)生過多次火山活動，在其東部凹陷古近系沙河街組三段含煤巖系中形成了多層玄武巖及部分安山巖、粗面巖。該區(qū)最大累計煤層厚度大于175m，煤級有褐煤、長焰煤和氣煤3種。研究表明^[4]，煤級的垂向發(fā)育特征服從希爾特定律，埋深自小到大依次為褐煤、長焰煤和氣煤，但它們在不同地區(qū)的分布及各煤種的埋深界限是有差異的。位于東部凹陷中南部的大平房、桃園和黃金帶3個地區(qū)發(fā)育長焰煤和氣煤而無褐煤，其他地區(qū)則只發(fā)育褐煤和長焰煤(圖1)。其中，在桃園和黃金帶地區(qū)埋深大于2900mm為氣煤，而在榮興屯地區(qū)的56井3117m深處獲取的R_omax為0.66，仍在長焰煤的范圍之內(nèi)。

 

    上述發(fā)育長焰煤和氣煤的3個地區(qū)恰好是沙河街組三段沉積晚期火山活動較為活躍的地區(qū)(圖2)，說明火山噴發(fā)在區(qū)域地溫場背景上形成的附加地溫場直接控制了各煤級的平面分布和垂向分布的深度界限。有關(guān)測試數(shù)據(jù)也證明了該區(qū)煤層氣的生氣量、含氣量隨變質(zhì)程度遞增的規(guī)律。在生、儲、保的其他影響因素相同或相近的情況下，煤層氣的勘查靶區(qū)應(yīng)首選氣煤區(qū)，其次是長焰煤區(qū)，再次才是褐煤區(qū)。

 

    需要指出，火山噴發(fā)形成的附加地溫場一般只對已形成煤層的煤化程度具有明顯影響，而對火山噴發(fā)之后形成的煤層則影響較小或基本沒有影響。這是由于裂陷盆地在成盆期或其之后雖然發(fā)生多次火山噴發(fā)，但其規(guī)模一般不是很大(晚中生代成盆前的初始裂陷階段義縣期火山噴發(fā)除外)，所形成的附加地溫場持續(xù)的地質(zhì)時期不會很長。

    除遼河盆地外，鐵法、平莊、元寶山等晚中生代裂陷盆地在聚煤期后也有不同規(guī)模的火山活動，這些火山活動對所在盆地的煤級及氣源條件都有不同程度的控制作用。

    煤的接觸變質(zhì)作用是指巖漿侵入或接近煤層形成的淺成侵入體所帶來的熱量、氣液及動力致使煤層發(fā)生的變質(zhì)作用。接觸變質(zhì)作用通常是局部的，但當(dāng)巖漿侵入規(guī)模較大或形成的巖體較多，并在空間上與煤層適當(dāng)匹配時，在正常深成變質(zhì)作用過程釋放甲烷的基礎(chǔ)上，由于接觸變質(zhì)作用可以產(chǎn)生大量的附加甲烷氣。

    王營井田地處阜新盆地(屬晚中生代盆地)中部，位于軸線呈北東東向王營向斜被北北西走向的F₂、F_W2斷層所夾的地塹狀斷塊內(nèi)。經(jīng)多次活動且斷層泥發(fā)育的F₂、F_W2斷層分別構(gòu)成井田的東、西邊界，北界大體位于βμ3巖墻一線，南界為煤層可采邊界。該井田含煤巖系為下白堊統(tǒng)阜新組，煤種以長焰煤為主，煤層氣成藏條件較好，煤層氣藏的成因類型屬水動力封閉-復(fù)合圈閉煤層氣藏。該區(qū)是我國煤層氣早期開發(fā)選區(qū)之一，也是我國首例在礦井中發(fā)現(xiàn)、研究和進(jìn)行商業(yè)開發(fā)的煤層氣田之一。生產(chǎn)礦井為煤層氣富集地質(zhì)因素的深入研究提供了方便條件。

    王營井田喜山期基性侵入巖十分發(fā)育，主要巖石種屬為輝長玢巖、微晶輝長巖和輝綠巖^{[5]來計算[6]，天然焦化增加的甲烷氣體仍有1.62Gm3[7]。}。自北向南發(fā)育有βμ3、βμ3-1、βμ4、βμ5、βμ6-1、βμ6-2、βμ6-3、βμ6-4、βμ6-5、βμ6-6、βμ7-1、βμ7-2、βμ7-3、βμ8-1、βμ8-2、βμ8-3、βμ8-4、βμ8-5、βμ9、βμ9-1、βμ10、βμ11-1、βμ11、βμ12-1、βμ12、βμ13-1、βμ13、βμ14-1、βμ14、βμ15、βμ16共31條巖墻，并發(fā)育巖床等順層侵入體(圖3)。其中，巖墻走向近東西，傾向北北西或南南東，傾角為60°～89°。由于巖漿侵入造成煤的接觸變質(zhì)作用，使鄰近巖墻、巖床的煤層變質(zhì)程度增高，使該井田的天然焦儲量達(dá)32.07Mt。根據(jù)對王營井田長焰煤和天然焦中揮發(fā)分的測定和計算，從長焰煤生成1 t天然焦可同時生成甲烷氣體504m³，這樣，除長焰煤在正常的深成變質(zhì)作用形成甲烷外，還因巖漿侵入作用，伴隨長焰煤的天然焦化增加了16.2Gm³甲烷氣體，按10%的生成氣體保留在煤層

 

    如前所述，由于接觸變質(zhì)作用使鄰近巖體的煤變質(zhì)程度增高，例如，自巖墻邊緣向外，通常依次出現(xiàn)天然焦、高變質(zhì)裂隙煤、糜棱煤和正常長焰煤。由于巖漿熱力的烘烤導(dǎo)致?lián)]發(fā)分的逸出和煤體的收縮，高變質(zhì)裂隙煤裂隙率明顯增大，天然焦除具有很高的孔隙度之外還發(fā)育柱狀節(jié)理。巖漿的動力作用則使糜棱煤多呈粉末狀，滲透性極低，對甲烷氣具有側(cè)向封閉作用。上述煤層物理性質(zhì)的變化一方面直接控制著煤層氣的賦存狀態(tài)，使得天然焦中的煤層氣以游離氣為主，高變質(zhì)裂隙煤中吸附氣與游離氣并存，且游離氣明顯高于以吸附氣為主的正常長焰煤；另一方面，煤層經(jīng)天然焦化后，不但增大了生氣能力，也大幅度增加了儲集能力。

    煤層氣能否富集乃至成藏，除具有良好的生、儲條件外，保存也是重要條件。研究表明，由于結(jié)構(gòu)致密和節(jié)理不發(fā)育，阜新盆地王營井田的侵入巖體對煤層氣起著良好的封閉作用，主要表現(xiàn)為巖墻在側(cè)向上對煤層氣起著封閉作用，厚度較大且節(jié)理不發(fā)育的巖床等順層侵入體作為蓋層在垂向上對煤層氣起到封閉作用。對于有裂隙發(fā)育于某些巖墻與圍巖之間、或有節(jié)理貫穿某些順層侵入體的地段而言，起封閉作用的則是水力因素或上方沉積蓋層等，因不屬于本文的論述對象，在此不作贅述。與巖漿活動有關(guān)的有利煤層氣保存部位主要有：①位于傾向相背的兩相鄰巖墻在上部相互接近所構(gòu)成的梯形空間內(nèi)的煤層區(qū)；②兩條巖墻在頂部交匯而成的三角形空間內(nèi)的煤層區(qū)；③由巖墻派生的較厚巖床將相鄰兩巖墻連接成的“H”、“井”字形等封閉空間內(nèi)的煤層區(qū)；④巖墻與側(cè)向傾斜產(chǎn)出的泥巖或較厚順層侵入體構(gòu)成的“人”字型空間內(nèi)的煤層區(qū)。

   王營礦井在巷道掘進(jìn)過程中，接近巖墻時瓦斯涌出量明顯增大，并發(fā)生過多次瓦斯噴出、煤巖與瓦斯突出事故(表1)，這一事實也證明了與巖墻相鄰的天然焦、高變質(zhì)碎裂煤中賦存著高含量、高壓力的游離態(tài)煤層氣。

    我國東部中、新生代裂陷含煤盆地在成盆期或成盆期后巖漿活動普遍，巖漿活動是生、儲、保條件的重要影響因素之一，在一定條件下還可以成為煤層氣富集的主控因素。遼河盆地東部凹陷和阜新盆地王營井田巖漿活動對煤層氣的富集作用主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

    1) 火山噴發(fā)形成的附加地溫場對已形成的煤層具有加深變質(zhì)程度的作用，同一地區(qū)火山噴發(fā)強度的差異控制著不同煤級的空間分布，進(jìn)而影響煤層的生氣條件。

    2) 接觸變質(zhì)作用使煤層貢獻(xiàn)了附加生產(chǎn)氣量。

    3) 巖漿侵入通過煤層物性的變化而改變煤層的儲集條件。

    4) 巖漿巖體或其與沉積蓋層等其他封閉因素組合，可以提供良好的封閉、保存條件，形成復(fù)合圈閉，使煤層氣富集成藏。

    巖漿活動對煤層氣富集的影響形式或控制模式、對煤層氣成藏的貢獻(xiàn)等都值得不斷總結(jié)和深入探索，以指導(dǎo)煤層氣的勘探開發(fā)實踐。

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[2] 歐成華，李士倫，杜建芬，等.煤層氣吸附機理研究的發(fā)展與展望[J].西南石油學(xué)院學(xué)報，2003，25(5)：34-38.

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[4] 王宇林，高玉娟，趙忠英，等.遼河盆地東部凹陷沙三段煤種和煤級分布特征[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(2)：14-16.

[5]王宇林，趙明鵬，高占武，等.阜新盆地王營井田侵入巖研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，1998，17(5)：466-471.

[6] PALMER I D，METC，ALFE R S，YEE D，et al.煤層甲烷儲層評價及生產(chǎn)技術(shù)[M].秦勇，曾勇，譯.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996：16-18.

[7] 趙明鵬，劉俊杰，陳振東，等.阜新煤田王營井田煤層氣藏生儲運特征研究[M].北京：地質(zhì)出版社，2000.

 

(本文作者：王宇林 郭強 趙忠英 魏恒飛 王威 遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)