潞安矿区构造-热演化特征_孙腾.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY tectonic-thermal evolution; vitrinite reflectance; palaeo-geothermometer; coal-bearing strata 含煤沉积盆地在演化阶段的有机质转化过程必 须要在特定的温度和压力条件下才能进行， 盆地构造 –热演化过程对煤层的变形程度以及煤层气的生成、 聚集、成藏都起着重要作用[1-2]。温度、热流、地温 梯度等既是表征盆地热历史的信息， 亦是揭示盆地形 成过程中构造变形的重要物性参数。 因此， 研究沉积 盆地动态热体制的一个重要环节便是盆地热演化史 的恢复与重建。 通过对研究区地层的沉积埋藏史、 热 史的准确恢复， 可以确定有机质成熟史和烃源层的生 烃期次，继而可以对盆地的构造–热演化过程进行研 究[3-4]。多年来，国内外学者惯用多种常用的古温标 镜质体反射率[5-6]、流体包裹体[7-8]、磷灰石裂变径 迹[9]等，通过反演的方式来对盆地的沉积埋藏史和 热史进行恢复。 镜质体反射率作为一种通过反演方式 恢复盆地沉积埋藏史和热史的常用古温标， 其主要特 征是随着热演化程度的加深而不可逆性地升高， 因此 镜质体反射率数据记录了样品在演化历史中所经历 的最高古地温， 镜质体反射率的热演化过程同盆地热 ChaoXing 46煤田地质与勘探第 44 卷 演化过程是一致的， 通过镜质体反射率动力学模拟可 以获得盆地的热演化特征[9-13]。 1研究区概况 潞安矿区位于华北断块区吕梁太行断块沁水 块坳东部， 次级构造单元“沾尚武乡阳城北北东 向褶带”的中段，沁水盆地的东南翼图 1，矿区的 主体部分为新生代叠加的长治新裂陷，东侧与晋获 断裂带和太行山块隆相邻，西侧逐渐过渡为沁水盆 地的核部，北至柳林盂县东西向构造带，南接豫 皖断块和临汾新生代裂陷[14-15]。在矿区分布上位于 沁水盆地的东翼，北部至西川断层为界毗邻武夏矿 区、南部与晋城矿区相接；东至 15 号煤层露头、西 达 15 号煤层 1 500 m 埋深线。矿区全长约 74.6 km， 宽约 63.1 km，总面积 3 044.65 km2。区内石炭–二 叠系含煤地层广泛分布，煤炭资源及煤层气资源丰 富，且具备良好的开采条件和利用价值，近年来逐 渐受各方重视，煤层气的开发工作已全面开展。因 此， 开展针对潞安矿区构造–热演化特征的研究是很 有必要的。 潞安矿区所在的沁水盆地位于华北克拉通盆地 西部，在区域构造格局上，全区共经历了太古宙至 图 1潞安矿区区域位置及构造纲要图 Fig.1location and structure outline of Luan mining area 早元古代的古陆壳板块的形成、晚元古代至早二叠 世的板块稳定发展、侏罗纪以来的板内变形等 3 个 阶段。其中寒武纪–奥陶纪全区为海相沉积，受加里 东运动影响，造成区内中奥陶世中石炭世初期沉 积间断；石炭–二叠纪以海陆交互相沉积为主，期间 形成有早古生代、晚古生代两期烃源岩[14-15]；区域 构造多形成于第三阶段，侏罗纪以来，太平洋板块 向东亚大陆俯冲日益加强，由此产生 NW–SE 向挤 压应力，晋获断裂带则是在此作用力下形成。进入 新生代以来，太平洋板块俯冲带向东迁移，弧后地 幔物质活动激化，导致地幔上拱，岩石圈侧向伸展。 至新生代中期，晋获断裂带长治段出现垂直走向的 局部伸展开裂，形成小型断陷盆地[14-15]。 2样品的采集与分析 以潞安矿区内 6 个井田作为研究对象，收集整 理了各井田相关的地质资料及钻井资料，在井下采 集了二叠系 3 号煤层不同埋深和构造单元的煤样， 制备了 21 个光片进行了镜质体反射率测试，利用 “Thermodel for Windows”软件[16-17]对 6 个井田的热 史及含煤地层沉积埋藏史进行了恢复，在此基础上 深入探讨了矿区热演化特征以及对煤层气生成、运 移成藏的控制作用。 2.1样品测试 利用偏光显微镜光度计对研究区井下二叠系 3 号煤样进行镜质体反射率Rmax测试，结果见表 1。 表 1潞安矿区 Rmax测试数据 Table 1Rmaxtest data of Lu’an mining area 井田深度/mRmax/井田深度/mRmax/ 3671.954832.15 常村4192.16高河5182.18 4432.185132.13 4142.10余吾5302.16 古城4272.135742.28 4412.163892.00 4532.18五阳4012.09 5032.204182.13 李村5292.224312.18 5512.254622.28 5972.31 2.2实验数据分析 研究区 Rmax值与深度的关系如图 2， Rmax值分布 区间为 1.952.31，均处于中、高变质的瘦煤、贫 煤阶段。将测试结果与沁水盆地中部的沁参 1 井[18] 数据对比图 3发现，研究区 Rmax值较高，同前人研 ChaoXing 第 6 期孙腾等 潞安矿区构造－热演化特征47 究的沁水盆地煤阶分布及 Rmax值分布规律相符[19-26]。 图 2潞安矿区煤样的 Rmax与埋深的关系 Fig.2Relationship between vitrinite reflectance and burial depth of coal samples in Lu’an mining area 图 3研究区与盆地中部沁参 1 井数值对比 Fig.3Numerical contrast between the study area and parameter well No.1 of Qinshui basin 3构造热演化史的恢复 古温标是用来恢复沉积盆地古地温的地球化 学指标。 利用古温标反演盆地热演化史的基本原理 是 埋藏过程中的温度变化决定着古温标的测量数 值，也即古温标所包含的物理化学特征，因此，只 要确定了埋藏史， 则可依次反演拟合得出盆地热演 化史。 间接反演法以古热流法为主作为常用的古温 标反演法，其方法是先通过古温标反演出盆地热流 史以及地层剥蚀量， 然后再恢复盆地的埋藏剥蚀史， 并对相应的地温场进行模拟，间接地重建地层热演 化史。 依据“Thermodel for windows”软件，建立“岩 性参数文件”。本次研究的数据中，初始孔隙度、密 度、 比热、生热率数据采用研究区各井田地面煤层气 井及井下测井数据均值；热导率取前人所测数据均 值[20]；线性、指数压实系数采用系统默认值表 2。 3.1构造沉降史与热演化史分析 基于上述原理，根据在单个井田取二叠系 3 号 煤层不同工作水平面的煤样进行测试，综合分析取 样范围内涵盖的钻孔资料，提取相同岩层信息 表 2岩性参数文件 Table 2Lithological parameters 岩性 初始孔隙 度/ 密度 /gm-3 热导率 /mWm-2 比热 /kJkg℃-1 生热率 /μWm-3 煤0.91.50.80.511.6 泥岩0.62.62.20.791.4 细砂岩0.52.72.11.031.2 中砂岩0.52.72.40.941.0 灰岩0.62.73.31.030.6 并对有差异岩层平均化处理得出井田模拟钻井信 息，据此建立地质数据及岩性参数，对每个研究区 地层进行分层，并对模拟钻孔的岩性、岩性组成、 分层厚度、沉积特征等参数进行赋值，之后通过模 拟器对研究区的 6 个井田进行数据反演与迭代，生 成了各钻孔自中生代后各阶段盆地底部热流史数据 文件*.hf、中间热史数据文件*.ttc、沉积剥蚀速率 文件*.ser，之后利用反演结果即可对热演化史和构 造沉降史进行重建。 3.2构造沉降史 获取各阶段研究区不整合面的剥蚀信息是重建 构造沉降史的最关键环节。 利用“镜质体反射率模拟 器”反演出晚古生代新生代各个钻孔的不整合面 剥蚀厚度信息表 3。 表 3潞安矿区钻井不整合面剥蚀厚度 Table 3Erosion thickness of unconity surface in boreholes in Lu’an mining area 井田 不整合面剥蚀厚度/m 二叠系最大埋深/m P2–K2E1–N2 常村2 8007003 550 五阳2 6007003 700 高河2 6507003 6503 750 古城2 5002 6507003 650 余吾2 4007003 7003 800 李村2 4007003 750 鉴于本次样品均出自晚古生代地层，且镜质体反 射率仅能记录样品形成过程中所经历的最高古地温这 一局限性，故无法得出新生代第 2 期的剥蚀厚度。因 此，结合矿区地质资料及前人研究结果估测这一阶段 的剥蚀厚度应在 700 m 左右。 利用“地史模拟器”和“地 温史模拟器”分别得出潞安矿区各个井田晚古生代底 界经历的最大埋深数值及含煤地层在不同阶段的地温 数值。根据温度与时间的关系，建立各井田的地层埋 藏史和含煤地层地温史，提取出图像中 6 个井田含煤 地层的埋藏及温度变化曲线，汇总整理得出潞安矿区 主力煤层的埋藏史图 4及地层温度史图 5。 ChaoXing 48煤田地质与勘探第 44 卷 图 4研究区含煤地层埋藏史 Fig.4Burial history of coal-bearing strata in the study area 图 5研究区含煤地层地温史 Fig.5Temperature history of coal-bearing strata in the study area 分析以上信息，研究区地层的沉积埋藏过程大 致经历了以下几个阶段 a. 潞安矿区所处沁水盆地属古华北板块，在早 中生代由于受海西运动影响较小，沉积速度缓慢、 厚度不深。 b. 自早三叠世始， 印支运动波及整个中国东部， 华北板块中新生代构造应力场形成。 在此背景下， 潞 安矿区进入快速沉降阶段， 沉降速度骤增， 埋藏深度 显著增大，为 3 5503 800 m，煤系在该阶段经历了 第 1 个较高的古地温峰值最高达 120135℃。 c. 晚三叠世早侏罗世，受华北板块与扬子板 块拼合引起的近 SN 向挤压应力影响，华北地区普 遍交互升降，褶曲隆起活动急剧发展，在此背景下， 潞安矿区地层急剧抬升，开始遭受剥蚀。 d. 印支运动之后，在华北板块受伊泽奈崎板块 强烈挤压作用的区域背景下，沁水盆地大量褶皱开 始形成，研究区在阳城以南形成区域性的近 EW 向 的隆起和断裂，区域地层开始隆起。 e. 中侏罗世，研究区未受大构造运动影响，地 层稳定， 整体缓慢沉积， 最大埋藏深度接近 3 000 m。 晚侏罗世早白垩世，潞安矿区受燕山运动影响， 区域构造应力场由挤压体制转变为拉张体制，研究 区地层开始缓慢抬升，但受燕山期火山运动影响， 深部物质上涌，岩浆活动强烈，故含煤地层温度在 此阶段出现了第 2 个峰值约 160180℃图 5。 f. 新生代，研究区构造运动逐步减弱，剥蚀作 用未间断，含煤地层埋深逐步变浅，煤系温度稳定， 一直保持在较低范围内2045℃。 此外，通过与前人工作比对表 3，潞安矿区地 层沉降与整个沁水盆地的沉降规律基本吻合，未见 异常沉降史。 结合以上分析，中生代之前煤层温度的演化与 煤层的埋藏过程具有较好的相关性。但之后煤层抬 升过程中又形成了第 2 个古地温峰值，这表明中生 代晚期沁水盆地发生了一次构造热事件，研究区处 于该热事件影响范围内，故古地温和古热流值均有 增高。 表 4沁水盆地地层沉降历史及地温梯度变化历史[20] Table 4Qinshui basin ation subsidence history and geothermal gradient history 时代沉降与抬升地温梯度/℃hm-1 E–Q局部快速沉降2.83.0 K2–N抬升剥蚀2.83.0 J3–K1抬升剥蚀5.06.1 J2缓慢沉降3.0 J1抬升剥蚀3.0 P2–T快速沉降3.0 C2–P1缓慢沉降3.0 3.3热流史 利用“地温史模拟器”获得的自中生代至今不 同阶段盆地的底部热流数据Q，生成钻孔的热流 演化史图 6。从图中可以看出，潞安矿区的热流 演化史同前人研究得出的整个沁水盆地热演化史 基本一致[10,16-17] 即均受中生代燕山期异常热事件的 深度影响。 图中可直观的看出矿区古热流值阶段变化， 该结果与研究区构造演化特征基本相符，大致可分为 5 个阶段。 a. 石炭–二叠纪潞安矿区地处华北古板块西 部边缘，总体未受到海西运动的强烈影响，得以稳 定沉降，主要含煤地层在此阶段连续形成，热流值 相对稳定。 b. 早中三叠世受构造碰撞作用影响， 开始 造山运动。研究区所处沁水盆地东南缘在此阶段发 生强烈构造运动，含煤地层迅速沉降，埋深增加 ChaoXing 第 6 期孙腾等 潞安矿区构造－热演化特征49 图 6潞安矿区热流史 Fig.6Heat flux history in Lu’an mining area 并同构造热演化作用相叠加， 致使热流值快速增加， 至三叠纪晚期距今 205 Ma 左右达到第 1 个峰值 7586 mW/m2。 c. 早中侏罗世华北板块构造机制改变，由 挤压加厚转变为伸展减薄，受太行山后造山期伸展 拆离的影响，研究区地层拆离减薄，煤层进入伸展 阶段相对抬升，热流值也随之减小。 d. 晚侏罗世早白垩世受燕山运动影响， 沁 水盆地发生大规模构造作用，形成了太行山复式背 斜隆起及沁水复向斜等一系列的大型开阔褶皱，潞 安矿区的煤层开始进入抬升剥蚀阶段，同期又发生 沁水盆地晚中生代构造热事件，受此影响在侏罗纪 晚期热流值再次急速升高，至早白垩世末距今 140 Ma 左右达到第 2 个热流峰值8896 mW/m2[23-25]。 e. 古近纪以来构造运动渐弱，研究区地层趋 于稳定，热流值亦随之逐渐平稳。 4结 论 潞安矿区构造–热演化过程受古华北板块西 缘沁水盆地构造演化影响，矿区位于沁水盆地东 南缘，整体构造演化程度较盆地中部偏高，略低 于盆地南部地区。根据其演化过程可以得出以下 几点结论 a. 早三叠世早侏罗世，受印支运动影响华北 板块中生代构造应力场形成，潞安矿区所处沁水盆 地东南缘区域发生强烈构造运动，地壳加厚埋深增 加至最大 3 5503 800 m 左右； 含煤地层经历了较高 的古地温最高可达 120135℃；热流值持续上升， 至晚侏罗世达到第一个峰值7586 mW/m2。 b. 早中侏罗世，华北板块构造机制改变， 普遍交互升降，褶曲隆起活动发展，潞安矿区受 太行山后造山期伸展拆离的影响，挤压加厚转变 为伸展减薄，地层整体稳定，缓慢沉积，热流亦 随之减小。 c. 晚侏罗世晚期早白垩世，潞安矿区处于燕 山早期波动时期，地层整体缓慢抬升、广泛遭受剥 蚀， 受燕山期火山运动及深层岩体侵入作用的影响， 含煤地层温度在此阶段显著增高160180℃；随之 出现第 2 个热流峰值8896 mW/m2。 d. 古近纪后，矿区构造运动逐步减弱，地层趋 于稳定，剥蚀作用持续，含煤地层埋深逐步变浅， 温度稳定，一直保持在较低范围内2045℃，热流 值亦随之逐渐平稳。 参考文献 [1] SWEENEY J J，BURNHAM A K. uation of a simple model of vitrinite reflectance based on chemical kinetics[J]. 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