铁法盆地煤变质作用及煤层气生成特征

铁法盆地煤变质作用及煤层气生成特征

摘要　对铁法盆地的地质背景、煤系上覆地层和埋藏史、岩浆活动、煤体结构、煤阶分布、煤变质特征等进行了综合分析，认为铁法盆地的煤变质以浅成岩浆热变质作用为主；煤层热解气生成的时间、条件和方式受煤变质过程控制；煤变质与煤层气是同一地质环境下一个事物的两个方面。

关键词　煤化作用　煤层气　岩浆侵入　铁法盆地

中国图书资料分类法分类号　P618.11

THE COAL METAMORPHISM AND COALBED GAS GENERATION IN TIEFA BASIN

Zhang Hui　Zheng Yuzhu　Xi Xianwu　(Xi'an Branch of CCRI)

Abstract　The geological background,overlying strata and buried history of coal measures,coal rank distribution and coal metamorphic characteristics in Tiefa Basin are analyzed is considered that the coal metamorphism in tiefa Basin is dominated by the hypabyssal telemagmatic metamorphism;the timing,condition and way of the generation of coalbed pyrolysis gas are controlled by the coal metamorphism process;coal metamorphism and coalbed gas are both aspects of the same thing under the same geological environment.

Keywords　coalification;coalbed gas;magma intrusion;Tiefa Basin

1　引言

煤层气是煤中有机质的变质产物，(生物降解气除外)有的学者称煤层气为变质气［1］，煤变质与煤层气具有不可分割的成生联系，煤层气生气量取决于煤变质程度，煤层的吸附性能和渗透率与煤变质条件相关，因此从分析煤变质作用入手来研究煤层气，可以获得不少新的启发和认识。　　以往勘探工作和有关研究成果大多认为，铁法盆地的煤变质作用类型为区域深成变质，其主要依据是煤系下部的煤阶(气煤)高于上部的煤阶(长焰煤)，符合深成变质规律。作者认为，下部煤阶高于上部并非就一定由深成变质所致，因为地下深部热力上升，尤其是岩浆侵入活动所产生的地热场，在垂向上的分布特征也是下部高于上部，与深成变质的地热场一致。　　铁法盆地聚煤期后，喜山期岩浆侵入是盆地所经受的较大地质事件，岩浆侵入过程对煤系，尤其是对煤层所产生的各种作用(如上拱挤压、烘烤蚀变、冷凝收缩等)是值得重视的地质因素。本文从盆地地质背景、煤系上覆地层厚度、埋藏史、岩浆侵入活动、煤体结构、煤阶分布、煤变质特征等多方面因素综合分析铁法盆地的煤变质作用，并由此来探讨煤层气生成的时间、条件和方式。

2　盆地地质概况

铁法盆地座落于内蒙地轴与松辽坳陷的过渡地带，形成于早白垩世的裂陷旋回中。其北部赤峰开原EW向断裂，东邻抚顺营口NE向断裂，这两条断裂均为超岩石圈断裂［2］。中、新生代以来地质构造活动频繁。　　盆地的主体构造为一东缓西陡的不对称向斜构造，西翼倾角15～20，东翼倾角小于10。受NNE向边缘同沉积断裂控制，盆地长轴呈NNE向延伸并偏靠西部，南北长29.5km，东西宽17.4km，面积513.3km2。现今生产矿井自北往南有大明二矿、大明一矿、小明矿、小青矿、大隆矿、大兴矿、小南矿等。(图1)

图1　铁法盆地地质略图

表1　阜新组含煤段厚度及含煤性

地层段

厚度／m

煤层

全区主采煤层

层次

编号

可采层数

可采厚度／m

编号

累计厚度／m

上含煤段

90～200

10

1～10

6

13.1

4、7

3.3～8.5

下含煤段

255～660

10

11～20

6

17.9

15、16

2.8～7.3

盆地范围内出露的地层自老到新有前寒武系、上侏罗统(大台组和柏家沟组)、下白垩统(阜新组和孙家湾组)和第四系。其中下白垩统阜新组为主要含煤地层［3］。此外盆地东西部出露有第三系火成岩体(辉绿岩)。　　阜新组厚460～865m，自上而下分上含煤段、砂页岩段、下含煤段。上含煤段和下含煤段的厚度及含煤情况见表1，砂页岩段厚30～60m，横向上岩性和厚度都比较稳定，为一良好的标志层。

3　岩浆活动及其对煤层的影响

铁法盆地属我国中、新生代东部大陆边缘活动带，并位于超岩石圈断裂交汇处附近［2］，盆地自初始裂陷至沉积结束期后均有不同形式、不同程度的岩浆活动。3.1　岩浆活动的期次、形式及分布规律　　盆地裂陷初期以间歇性喷发为主，岩性有安山岩、集块岩及凝灰岩等，成为煤系基底。聚煤期后，喜山期岩浆活动有喷发和侵入两种形式。喷发相玄武岩主要分布于下白垩统孙家湾组，呈层状与沉积碎屑岩互层，厚30m左右，对煤层没有明显影响。　　侵入相岩性主要为辉绿岩，下自盆地基底，上至下白垩统上部，均有岩浆侵入，侵入体产出形式有岩床、岩脉和岩墙等。岩体产状严格受盆地构造控制，NE向为主，NW向为次。　　盆地中部大兴矿辉绿岩体最发育，北部大明一矿、二矿尚未发现辉绿岩体。从整个盆地来看，岩浆侵入活动南部比北部发育，西部比东部发育，有自南往北、由西向东逐渐变弱的趋势［4］。3.2　辉绿岩体的热力作用　　辉绿岩体对煤层的接触热变质作用是显而易见的。以大兴井田为例，(表2)岩体埋深多在600～800m范围，层厚0.48～57.56m，天然焦层厚0.2～1.97m，岩体上部天然焦厚度大于岩体下部，接触热变质带宽0.5～5.15m。一般来讲，辉绿岩体的热力作用对其上部煤层的影响大于下部，辉绿岩体规模越大，热力作用越强，有的地段岩体将煤层吞蚀熔化或使煤层破碎。

表2　大兴井田部分辉绿岩体对煤层的影响

孔号

辉绿岩体／m

天然焦层厚／m

接触热变煤厚度／m

底界深度

层厚

岩体上部

岩体下部

岩体上部

岩体下部

908

828.93

0.48

0.2

0.15

0.73

0.97

992

605.15

1.05

0.23

0.17

0.50

0.60

947

646.85

3.00

1.18

0.22

0.70

924

768.33

3.20

0.41

0.65

1.32

1.04

995

851.55

8.55

1.97

1.49

942

803.79

31.94

0.84

1.76

978

827.71

18.60

1.56

0.85

978

618.48

57.56

1.35

5.15

3.3　岩浆侵入活动对盆地后期构造的影响　　岩浆上拱阶段对上部和周围岩层的挤压作用和冷凝收缩阶段的应力释放作用，对盆地后期构造的影响是很明显的，这一点从铁法盆地褶皱和断层的发育特征可以看出。　　铁法盆地聚煤期后的构造是以断裂为主，褶皱为次。褶曲20多个，均呈平缓状，垂向上浅部地层产状起伏十分微弱，而下部起伏显着。此特征表现出下部构造应力大于上部，导致煤系褶皱的力源可能来自于下部。　　断层230多条，均为高角度正断层，倾角50～75者居多，断距2～140m，长度200～22000m不等。断裂方向主要为两组，NE(15～25)和NW(30～45)向，前者为主断裂，宽度大，延伸长；后者为次断裂，宽度小，延伸短。断层产状随岩层岩性变化而变化，煤层下部断上部不断的现象时而可见，结构面力学性质大多属张性或张扭性。这些特征表明，导致断层发生的作用力为张性，并以垂直运动为主，可能与岩浆冷凝收缩阶段的应力释放有关。　　平面上盆地南部断裂构造比北部复杂，这与盆地南部辉绿岩体比北部发育的现象相吻合。大兴矿构造最复杂，岩浆侵入活动也最频繁。岩浆活动产生的小断层改造原有构造，使盆地后期构造复杂化。

4　煤岩煤质及煤体结构特征

全盆地宏观煤岩类型变化不大，以光亮型煤为主，半亮型和半暗型次之。煤岩成分以镜煤和光亮煤为主，暗煤和丝炭很少。煤岩显微组分的特征是镜质组含量(82.3%～95.4%)高，惰质组含量(0.5%～6.6%)很低，尤其是下煤组主采煤层15、16煤，其镜质组含量均大于90%。　　各项煤质指标的变化特征是，水分一般为6%～8%，随煤变质程度的增高而呈下降趋势。盆地北部煤层水分高(8%～9%)，南部煤层水分低(5%～7%)；灰分为15%～25%，属中、低灰煤，厚煤层灰分低；挥发分为37.49%～40.76%，由于天然焦的不均匀分布，挥发分常在短距离内发生大幅度突变，但总的趋势是由北向南逐渐降低；硫分为0.55%～0.9%，属低硫煤。煤含油率较高，为6.86%～10.17%，胶质层厚0～12mm。　　铁法盆地煤体原生结构保存较好，煤的成块率高。据筛分试验结果，大于13mm的块煤多在56%以上。微观裂隙发育，其组合形态以矩形为主，此外还有许多自由组合形态，如马尾状、树叉状、状、阶梯状等，裂隙大多无充填，张开度好。煤岩定向光片下［4］，裂隙宽度为2～5000μm，间距为1～6mm，密度为1.7～6.9条/cm。煤体结构具有裂而不碎的特征，收缩性裂隙占主导。(有褐煤化阶段压实失水的收缩裂隙，可能也有变质阶段的冷收缩裂隙)

5　煤变质特征与变质作用类型

5.1　煤变质特征　　煤阶主要为长焰煤和气煤，盆地北部大明二矿、一矿为长焰煤，自小明矿往南长焰煤和气煤并存。大兴矿大隆矿一带气煤储量占该矿总储量的33%～65%，小明矿、小青矿和小南矿占10%左右，越往南气煤所占比例越高。(表3)　由煤阶的分布可反映出平面上煤变质程度的总趋势是由北往南逐渐增高。

表3　各井田煤阶及煤层气储量百分比

井田

煤阶

各煤储量百分比／%

各矿煤层气储量／总储量／%

CYM

QM

大明二矿

CYM

100

1.97

大明一矿

CYM

100

9.78

小明矿

CYM QM

95

5

5.38

小青矿

CYM QM

88

12

10.18

大隆矿

CYM QM

67

33

14.85

大兴矿

CYM QM

35

65

49.11

小南矿

CYM QM

85

15

8.73

由挥发分值的变化趋势所反映的变质特征是，平面上短距离(1～2km)之内突变现象多见，同一煤层在一个矿区挥发分值可从43%减少到28%甚至更低。以大兴矿区7煤层为例，(图2)　挥发分高值区(＞40%)和低值区(＜37%)均呈小片状分布。

图2　大兴矿7煤层挥发分等值线图

挥发分值在垂向上忽高忽低，变化频率高，每个钻孔的变化都不相同，规律性不明显，煤层深度与挥发分值呈非线性关系。(图3)小明矿351孔、小青矿546孔、大兴矿446孔、大隆矿333孔的挥发分值有在煤系中部偏高的趋势，表现出煤系储热性能较好的特征［6］。挥发分值平面上和垂向上的变质特征，反映出促使煤变质的古地热场具较大的不均匀性。

图3　铁法盆地煤层埋深与挥发分的关系a小明矿351孔；b小青矿546孔；c大兴矿446孔；d大兴矿423孔；e大隆矿333孔；f大隆矿552孔

5.2　煤变质作用类型　　以往勘探工作和有关研究成果大多认为，铁法盆地煤变质作用类型为区域深成变质和局部接触热变质。本次研究认为以浅成岩浆热变质作用为主，接触热变质和区域深成变质作用居次要地位。现从以下几个方面作一简要分析：5.2.1　煤系上覆地层厚度小。铁法盆地为晚中生代小型山间谷地型含煤盆地，主要含煤地层阜新组上覆孙家湾组一般为350m，最厚850m［2］，煤系上覆地层厚度一般都很有限，故深成变质作用的强度也很弱。5.2.2　埋藏时间短。煤系形成于早白垩世早期，早白垩世以后，盆地基底褶皱上升，沉积很快终止，由上覆地层所产生的静压作用力很有限。5.2.3　平面上和垂向上煤变质特征均表明，促使煤变质的古地热场有较大的不均匀性，显示岩浆热变质作用的特点。5.2.4　煤变质程度较高的区域在空间上与喜山期辉绿岩侵入体具有明显的一致性。盆地南部大兴矿、小南矿辉绿岩体规模大、数量多、煤变质程度高，盆地北部大明二矿、大明一矿未见辉绿岩体，煤变质程度低。5.2.5　煤体成块率高，大小不等的收缩裂隙发育，煤体具有裂而不碎的特征，这显然是在温度作用为主，压力作用不足的条件下形成的煤体结构，这也正是浅成岩浆热变质作用的温压条件。

6　煤层气有效生气阶段与生气方式

铁法盆地具有煤层层数多、厚度大、煤层间距小、煤质优、煤层含油率高、镜质组含量占绝对优势等有利的气源岩条件。　　由泥炭褐煤阶段所形成的生物降解气大多已逸散，与现今气含量关系密切的有效生气阶段［6］主要与煤变质作用相伴随。由表3可见，大兴矿气煤储量比例最高，煤层气储量也最大，大兴矿煤层气储量占全区总储量的49.11%，其它几个矿区各占10%左右。很显然，煤变质程度高的矿区，煤层气含量高、储量大。煤层现有煤层气主要是由褐煤长焰煤气煤变质阶段所形成的热解气，煤变质过程即是煤层气有效生气阶段。　　如前所述，铁法盆地的煤变质作用以浅成岩浆热变质为主。与区域深成变质作用相比，浅成岩浆热变质具有温度高、压力低、变质速率快、地热场不均匀、影响范围小等特点。与之相伴随的煤层气也是在温度为主，压力不足，受热不均的条件下生成，并且也具有生气速率高的特点。突发性快速生气增加煤层的内压，同时也增加煤层的吸附能力。

7　结语

铁法盆地成煤时代新，煤系上覆地层厚度小，埋藏时间短，区域深成变质作用主要在褐煤化阶段起主导作用，且最多使部分煤层的煤阶达长焰煤。现今煤阶的形成与分布主要是受喜山期岩浆侵入活动的影响，煤变质作用具浅成岩浆热变质特征。　　岩浆侵入活动是盆地后期多种地质作用的引发源，大兴矿辉绿岩体发育，断裂构造复杂、煤阶较高、煤层气储量大，煤层气有效生气阶段与煤的岩浆热变质过程相伴随。煤层气与煤变质作用的时间、条件相近，且二者均有突发性快速作用的特点。铁法盆地的煤变质作用与煤层气的形成在东北中、新生代小型含煤盆地中具有一定的代表性。

作者简介：张慧　女　44岁　高级工程师　普查地质煤田地质

作者单位：张慧　郑玉柱　席先武　煤炭科学研究总院西安分院　710054

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