基于自然伽马测井的淮南煤田朱集井田煤系岩浆岩生热率研究_任自强.pdf

第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China; 3. School of Earth＆ Environment, Anhui University of Science 4. College of Geology natural gamma-ray logging; magmatic rock; Huainan coal field; Zhuji mine field 随着煤矿开采深度的增加， 地质条件愈发复杂， 高温问题突出，煤矿研究领域越来越关注矿区的地 温地质研究工作[1-2]。安徽淮南煤田煤炭资源丰富， 许多学者对该区或区内井田的地温地质特征做了大 量的工作[1-9]。但前人的研究多集中于满足矿井生产 需求方面，对于岩石放射性生热率尤其是岩浆岩生 ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 45 卷 热率的研究很少。徐胜平[6]研究两淮煤田地温场分 布规律。李红阳等[7]、谭静强等[8]、王康等[9]在讨论 岩浆岩对井田地温的影响时，均认为较久远的岩浆 岩侵入时代使得其热量充分发散，对现今地温场影 响较小。目前，岩浆岩及其热物理性质对地温场影 响的研究鲜有涉及。 单位体积岩石中所含的天然放射性元素在单位 时间内衰变所释放的能量称为岩石的放射性生热率 A，它是描述岩石热物理性质的基本参数之一，也 是研究区域热流场与地温场的有效参数之一。确定 岩石放射性生热率的方法一般有 3 种一是测量岩 石中各放射性元素的含量， 直接用公式计算生热率； 二是利用地震波速估算岩石生热率；三是利用钻孔 自然伽马能谱测井或自然伽马GR测井值换算生热 率[10]。笔者以淮南煤田内受岩浆岩侵蚀影响较大的 朱集井田为研究对象，在收集井田内揭露的岩浆岩 钻孔自然伽马GR测井曲线的基础上，根据含煤地 层中各岩性岩石自然伽马放射性的不同， 利用 GR-A 关系研究淮南煤田煤系中岩浆岩在岩石放射性生热 率A方面的特殊性，讨论其对地温场的影响。 1 地质背景 淮南煤田地处华北地台东南缘， 东起郯庐断裂， 西至麻城阜阳断层，北接蚌埠隆起，南以寿县 老人仓断层与合肥坳陷相邻。煤田中部的潘集背斜 是该区主要的正向褶皱构造，南北两侧均为推覆构 造构成的叠瓦状构造[11-12]。研究区主要含煤地层为 二叠系上石盒子组、下石盒子组和山西组[13]。在早 白垩世燕山运动晚期118 Ma岩浆侵入含煤地层， 致使其北部潘三矿、潘北矿和朱集矿等岩浆岩广 泛发育[13-14]。 朱集井田位于淮南煤田的东北部，井田总体 构造形态为一连续的北西向背、向斜，为淮南复 向斜的次级褶皱，南北两侧被一组北西向逆断层 切割[15]图 1。结合相关资料分析，该区岩浆岩多 以岩脉和岩床的形式侵入含煤地层。燕山期岩浆岩 侵入体先后可分为 4 期第 1 次为中性岩浆，第 2 次为酸偏中性岩，第 3 次为酸性岩浆，第 4 次为基 性超基性岩浆侵入。井田内基性、中性、酸性岩浆 岩均有揭露[16]。 朱集井田内大部分区域均有岩浆岩分布图 1， 且主要集中在井田的中、东部 617 勘探线之间的 中、北部地段，在 20 勘探线及以西地段的西北部有 零星分布的岩浆岩体，其中在 11-5 孔中岩浆岩累计 厚度达 53.21 m。 图 1 朱集井田构造纲要图与岩浆岩侵蚀范围分布图 Fig.1 Structural outline and corrosion range of magmatite in Zhuji mine area 2 方法原理 天然放射性元素衰变所释放的能量是地球内部 的主要热源，虽然现已发现的天然放射性元素达 60 余种[17]，但只有满足以下 3 个条件放射性元素对地 球生热才有贡献①具有足够的丰度；②放射性生 热量大；③半衰期与地球的年龄相当。目前仅发现 U、Th 和 40K 这 3 种元素可以为地球提供热能[18]。 岩石放射性生热率的测定方法主要是直接测量 岩石样品中 U、Th 和 40K 这 3 种元素含量，并利用 式1进行计算[19]。 A10–5ρ9.52CU2.56CTh3.48CK 1 式中 A 为岩石的放射性生热率，μW/m3；ρ 为岩石 密度，kg/m3；CU、CTh、CK分别为岩石中 U、Th 和 40K 的含量，μg/g。该方法获得的数据质量较高， 但是需要采集相当数量的代表性岩样，成本较高， 且测试耗时长。有时可用地震波速或自然伽马测井 GR值估算岩石生热率[20-24]。 自然伽马测井时，岩石中由 U、Th 和 40K 等放 射性元素衰变发出的 γ 射线可由放入井下的 γ 射线 探测仪探测到，探测仪发生电离反应并变为电脉冲 信号，经前置放大器放大后送入地面控制面板内的 计数率电路。该电路可以把脉冲信号转换成与单位 时间内脉冲数成正比的电位差，经记录仪连续记录 便可得到自然伽马测井曲线[25-26]。 自然伽马测井仪对 U、Th 和 40K 的灵敏度类似 的正比于式1中相应元素含量的系数，且地壳岩石 中 ωTh/ωU、ωK/ωU值一般为常数ω 为各元 素的丰度[17,26]，那么放射性生热率与自然伽马GR 测井值之间在一定的钻孔间隔内必然存在简单的线 性关系[25]。1986 年，L Rybach 提出实测岩石放射性 生热率与以 API 为单位美国石油协会单位的自然 伽马计数之间的线性关系[19]，并于 1996 年与 C Bucker 通过对大量资料的研究后做了进一步的修正[21]。因此 ChaoXing 第 3 期 任自强等 基于自然伽马测井的淮南煤田朱集井田煤系岩浆岩生热率研究 51 可以用自然伽马测井值来计算不同岩石中放射性元 素生热率。基于此，笔者利用淮南朱集井田钻孔的 自然伽马测井值来研究岩浆岩生热率。 3 研究资料与方法 3.1 研究资料 收集朱集井田内揭露岩浆岩的钻孔 45 个， 选取 其中 36 个有自然伽马测井且测井等级为甲级的钻 孔，其中自然伽马测量间隔均为 0.05 m。 3.2 自然伽马测井GR值的提取方法 在煤系中，岩浆岩多顺煤层侵入，拱开、吞蚀 地层、煤层，表现为岩浆岩层对煤岩层的置换，相 应的自然伽马测井曲线会有所变化。朱集井田不同 钻孔内各煤层段自然伽马测井曲线如图 2 所示。为 提高数据的分析效率，对各钻孔中煤系岩石的自然 伽马测井曲线进行抽稀。由于同一岩层中的自然伽 马测井曲线涨落是随机的，因而抽稀出的数据值大 小与所取步长无关。针对研究区含煤地层中泥岩与 砂岩较厚且层数多而煤层与岩浆岩较薄这一情况， 取两种抽稀步长。但是当 H＜3 dH 为岩层厚度，d 为钻孔直径时，岩石的测井值会受上下岩层的影响 而变化[24]，据此为保证研究数据的质量，本次研究 中只统计 H0.5 m 的岩层。 首先在 36 个钻孔中选取厚度大于 0.5 m 的煤层 及其自然伽马测井曲线，每 0.5 m 取一值当最后一取 值点距煤层界线小于 0.5 m 时舍去，共计 861 个自然 伽马测井值。对于泥岩，在抽稀数据时取步长 3 m， 共统计 3 839 个自然伽马测井值。岩浆岩和砂岩则 以煤与泥岩的抽稀规律进行统计，分别得到 582 个 和 926 个数据表 1。 3.3 岩石生热率计算方法 C Bucker 和 L Rybach 基于大量钻孔岩心实测资 料，通过最小二乘法拟合得到 GR-A 经验关系式[21]， 式1被最广泛应用于计算岩石生热率。饶松等[10] 已利用该方法计算准噶尔盆地沉积岩生热率，验证 了其适应性。 A0.015 8[GR–0.8] 2 式中 A 为岩石的放射性生热率，μW/m3；GR 为自 然伽马测井值，API。 4 岩石生热率计算及结果分析 4.1 测井曲线对比 由图 2 可知，泥岩自然伽马值 GR75 API，粉 砂岩 GR50 API，细砂岩 GR 值为 50 API 左右，煤 的 GR粉砂岩细砂 岩煤。 表 1 朱集井田煤系岩石的 GR 值 Table 1 GR values of diffferent rocks in Zhuji mine area 岩性 自然伽马测井GR值/API 总测点数N 煤 6.7275.00/34.32 861 砂岩 15.52172.48/62.23 926 泥岩 28.00193.04/83.83 3 839 岩浆岩 19.36194.48/103.89 582 平均值 6.72194.48/71.07 注 表中数据 6.7275.00/34.32 表示最小值最大值/平均值。 以各岩石 GR 值为样本，以 10 API 为组距建 立各岩性 GR 值频率分布直方图图 3。由图中可 知，岩浆岩的 GR 值最为分散，在 80100 API 内 分布频率较高，其他区间分布频率均小于 15， 且分布范围较广；砂岩次之，90以上的测点中 10 API煤， 其GR值分别为83.83 API、62.23 API和34.32 API。岩浆 岩GR平均值为103.89 API，生热率1.63 μW/m3，均大于 沉积岩。 b. 朱集井田内煤和泥岩的生热率标准差较小 分别为 0.17 和 0.26，砂岩的较大0.36；岩浆岩的 生热率标准差最大0.60， 这显然是受到岩浆岩侵入 的分期性影响。 c. 朱集井田内煤系岩石放射性生热对区内大 地热流有一定的贡献，井田内 731 m 含煤地层热流 约 0.775 mW/m2， 占淮南煤田平均大地热流的 1.2。 岩浆岩高放射性及高生热率的特征表明，岩浆岩侵 入煤系会较大程度地改变含煤地层的生热率结构增 加地层热量，且其影响久远。 参考文献 [1] 郭平业. 我国深井地温场特征及热害控制模式研究[D]. 北 京中国矿业大学，2009. [2] 徐胜平，彭涛，吴基文，等. 两淮煤田煤系岩石热导率特 征及其对地温场的影响[J]. 煤田地质与勘探， 2014， 426 76–81. XU Shengping， PENG Tao， WU Jiwen， et al. The characteristics of rock thermal conductivity of coal measure strata and their in- fluence on geothermal field in Huainan-Huaibei coalfield[J]. Coal Geology Exploration，2014，42676–81. [3] 苏永荣， 张启国. 淮南煤田潘谢矿区地温状况初步分析[J]. 安 徽地质，2000，102124–129. SU Yongrong，ZHANG Qiguo. A preliminary analysis of the geotemperature situation of the Panxie mine in the Huainan coal- field[J]. Geology of Anhui，2000，102124–129. [4] 许光泉， 王伟宁， 张海涛. 淮南矿区深部热害分析及热水资源 化研究[J]. 中国煤炭，2009，3510114–132. XU Guangquan，WANG Weining，ZHANG Haitao. The deep thermal damage analysis in Huainan mining area and research on resource utilization of geothermal water[J]. China Coal，2009， 3510114–132. [5] 任自强，彭涛，沈书豪，等．淮南煤田现今地温场特征[J]. 高 校地质学报，2015，211147–154. REN Ziqiang，PENG Tao，SHEN Shuhao，et al. The distri- bution characteristics of current geothermal field in Huainan coalfield[J]. Geological Journal of China Universities，2015， 211147–154. [6] 徐胜平. 两淮煤田地温场分布规律及其控制模式研究[D]. 淮 南安徽理工大学，2014. [7] 李红阳， 朱耀武， 易继承. 淮南矿区地温变化规律及其异常因 素分析[J]. 煤矿安全，2007，381168–71. LI Hongyang，ZHU Yaowu，YI Jicheng. The geothermal change rule and analysis of abnormal factors in Huainan mining area[J]. Safety in Coal Mines，2007，381168–71. [8] 谭静强，琚宜文，侯泉林，等. 淮北煤田宿临矿区现今地温场 分布特征及其影响因素[J]. 地球物理学报，2009，523 732–739. TAN Jingqiang，JU Yiwen，HOU Quanlin，et al. Distribution characteristics and influence factors of present geo-temperature field in Sulin mine area，Huaibei coalfield[J]. Chinese Journal of Geophysics，2009，523732–739. [9] 王康， 姚多喜， 鲁海峰. 淮南潘三矿区地温分布规律及影响因 素分析[J]. 中国煤炭地质，2014，26538–40. WANG Kang，YAO Duoxi，LU Haifeng. Geotherm distribution pattern and impacting factor analysis in Panji No.3 coal mine， Huainan[J]. Coal Geology of China，2014，26538–40. [10] 饶松，朱传庆，廖宗宝，等．利用自然伽马测井计算准噶尔 盆地沉积层生热率及其热流贡献[J]．地球物理学报，2014， 5751554–1567. RAO Song，ZHU Chuanqing，LIAO Zongbao，et al. Heat production rate and heat flow contribution of the sedimentary ation in Junggar basin， Northwest China[J]. Chinese Journal of Geophysics，2014，5751554–1567. [11] 王桂梁，曹代勇，姜波，等. 华北南部的逆冲推覆、伸展 滑覆与重力滑动构造[M]. 徐州中国矿业大学出版社， 19925–14. [12] 琚宜文， 卫明明， 薛传东. 华北盆山演化对深部煤与煤层气赋 存的制约[J]. 中国矿业大学学报，2011，403390–398. JU Yiwen，WEI Mingming，XUE Chuandong. Control of ba- sin-mountain evolution on the occurrence of deep coal and coal bed methane in North China[J]. Journal of China University of Mining ＆ Technology，2011，403390–398. [13] 陈健. 淮南煤田煤地球化学对岩浆侵入的响应研究[D]. 合 肥中国科学技术大学，2013. [14] 蒋法文， 刘亮， 陈健. 淮南煤田潘三矿岩浆岩演化特征研究[J]. 中国煤炭地质，2014，26518–20. 下转第 58 页 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第45卷 affecting high–latitude environments and biotasAn introduc- tion[J]. Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecology， 2010，29811–16. [15] 高波，张建博. 煤层气甲烷碳同位素的分布特征与控制因 素[J]. 煤田地质与勘探，2002，30314–17. GAO Bo，ZHANG Jianbo. Distribution characteristics and con- trolling factors of δ13C1 value of coalbed methane[J]. Coal Geol- ogy Exploration，2002，30314–17. [16] 吴文金，刘文中. 淮北煤田二叠系沉积环境分析[J]. 北京地 质，2000，12321–25. WU Wenjin，LIU Wenzhong. Analysis of sedimentary environ- ments of Permian strate in Huaibei coalfield[J]. Beijing Geol- ogy，2000，12321–25. [17] 戴金星. 天然气碳氢同位素特征和各类天然气鉴别[J]. 天然 气地球科学，1993，42/31–40. DAI Jinxing. Natural gas hydrocarbon isotopic characteristics and identification of various types of natural gas[J]. Natural Gas Geoscience，1993，42/31–40. [18] KOTARBA M J. Composition and origin of coalbed gases in the Upper Silesian and Lublin basins，Poland[J]. Organic Geo- chemistry，2001，321163–180. [19] 张小军，陶明信，马锦龙，等. 含次生生物成因煤层气的碳同 位素组成特征以淮南煤田为例[J]. 石油实验地质，2009， 316622–626. ZHANG Xiaojun，TAO Mingxin，MA Jinlong，et al. Charac- teristics of carbon isotope composition from secondary biogenic gas in coalbed gases[J]. Petroleum Geology Experiment， 2009，316622–626. 责任编辑 晋香兰 上接第 53 页 JIANG Fawen，LIU Liang，CHEN Jian. A study on magmatic lithologic evolution features in Panji No.3 coal mine，Huainan coalfield[J]. Coal Geology of China，2014，26518–20. [13] 陈龙生. 朱集东矿井开拓方式设计合理性分析[J]. 煤炭工程， 2011108–9. CHEN Longsheng. The rationality of the design of development way in Zhujidong coal mine[J]. Coal Engineering， 201110 8–9. [14] 杨梅. 淮南煤田以朱集矿为例侵入岩和煤中稀土元素地球 化学特征[D]. 合肥中国科学技术大学，2012. [15] 韩吟文. 地球化学[M]. 北京地质出版社，2003214. [16] 邱楠生. 沉积盆地热体制研究的理论与应用[M]. 北京石油 工业出版社，200422–24. [17] RYBACH L. Radioactive heat production in rocks and its rela- tion to other petrophysical parameters[J]. Pure and Applied Geophysics，1976，1142309–317. [18] RYBACH L. Amount and significance of radioactive heat sources in sediments[J]. Collection Colloques et Sminares， 1986，44311–322. [19] BCKER C，RYBACH L. A simple to determine heat production from gamma-ray logs[J]. Marine and Petroleum Ge- ology，1996，34373–375. [20] 骆淼，潘和平，赵永刚，等. 中国大陆科学钻探主孔自然放射 性测井及其解释[J]. 地球科学中国地质大学学报，2008， 335661–671. LUO Miao，PAN Heping，ZHAO Yonggang，et al. Natural ra- dioactivity logs and interpretation from the CCSD main hole[J]. Earth ScienceJournal of China University of Geosciences， 2008，335661–671. [21] NORDEN B， FORSTER A. Thermal conductivity and radiogenic heat production of sedimentary and magmatic rocks in the northeast German basin[J]. AAPG Bulletin，2006，906 939–962. [22] 王良书，李成，杨春. 塔里木盆地岩石层热结构特征[J]. 地球 物理学报，1996，396794–803. WANG Liangshu，LI Cheng，YANG Chun. The lithospheric thermal structure beneath tarim basin，western China[J]. Chinese Journal of Geophysics，1996，396794–803. [23] 黄作华. 煤田地球物理勘探[M]. 北京煤炭工业出版社， 199247–51. [24] 谢景娜，罗新荣. 丁集煤矿井下热流测定分析[J]. 煤矿安全， 2012，432128–132. XIE Jingna，LUO Xinrong. Determination and analysis of un- derground heat in Dingji mine[J]. Safety in Coal Mines，2012， 432128–132. [25] BCKER C J，JARRARD R D，WONIK T，et al. Downhole temperature，radiogenic heat production，and heat flow from the CRP-3 drillhole，Victoria Land basin，Antarctica[J]. Terra Antartica，2001，83151–159. [26] 楚泽涵. 地球物理测井方法与原理[M]. 北京石油工业出版 社，200850–52. [27] 邦特巴思 G. 地热学导论[M]. 北京地震出版社，1988 15–21. 责任编辑 范章群 ChaoXing