臨汾與保德地區構造差異性特征及其對煤層含氣性的控制

陳紅東,姜 波,屈爭輝,汪吉林,王琳琳

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116)

臨汾與保德地區構造差異性特征及其對煤層含氣性的控制

陳紅東1,2,姜 波1,2,屈爭輝1,2,汪吉林1,2,王琳琳1,2

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116)

為研究鄂爾多斯盆地東緣煤層含氣性的構造控制作用,在野外構造變形特征系統研究的基礎上,結合區域構造背景分析及構造應力場恢復,揭示了鄂爾多斯盆地東緣臨汾和保德區塊構造發育的差異性特征及其對煤儲層含氣性的控制作用。結果表明:研究區主要經歷了燕山期NW—SE向的構造擠壓作用和喜馬拉雅期NW—SE向的伸展作用;南部臨汾區塊燕山期NW—SE向的擠壓作用強烈,發育NE—NNE向的逆沖斷層和次級寬緩褶皺構造等,有利于煤層氣的保存,即使后期疊加了一定的喜馬拉雅期NW—SE向的伸展作用,使煤層氣部分散失,但總體含量較高,且高值區與構造位置相關性很好;北部保德區塊燕山期擠壓構造變形作用不顯著,喜馬拉雅期NW—SE向的伸展作用較突出,NE向正斷層較為發育,為煤層氣的運移及散失提供了條件,致使煤層含氣量相對較低。

臨汾地區;保德地區;構造應力場;構造變形;煤層含氣量

陳紅東,姜 波,屈爭輝,等.臨汾與保德地區構造差異性特征及其對煤層含氣性的控制[J].煤炭學報,2014,39(3):510－517.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1574

Chen Hongdong,Jiang Bo,Qu Zhenghui,et al.Diversity structural characteristics and control action on coal bed gas content in Linfen and Baode area[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):510－517.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1574

鄂爾多斯盆地是中國中西部重要的能源基地,盆地內煤層氣資源量占中國煤層氣總資源量的1/3～1/4[1－2]。其中有利于煤層氣開發的區域主要集中在盆地東緣[3－4],主體沿黃河流域呈NS向分布,南北長逾560 km,東西寬50～200 km,面積約8×104km2,煤層埋深在1 500 m以淺的煤層氣地質資源量約9× 1012m3[5],開發潛力巨大。

鄂爾多斯盆地東部主體為一向西和北西緩傾的大型單斜構造,有利于煤層氣的形成、保存及勘探開發[6]。據前人研究,鄂東地區對煤層含氣量影響明顯的構造因素為斷層[7]。不同地區不同性質、類型的構造對煤層氣的生成、運移和保存具有不同的控制作用[8－11]。筆者以鄂爾多斯盆地東緣的臨汾和保德區塊為研究對象,通過對比分析各區的構造演化史、不同期次構造變形特征以及煤層含氣量等特征,揭示了不同區塊不同期次構造變形及其組合特征,探討了構造差異性對煤層含氣性的控制作用。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地東緣以現今晉陜撓褶帶地區為主體,盆地東側邊界以離石斷裂帶為界與山西斷隆相鄰(圖1)[12－14]。離石斷裂帶總體走向近NS,由于受到不同構造運動的影響,其地表分段特征非常明顯。根據構造組成和變形特點可劃分為北、中、南3段:北段僅發育若干雁行排列的逆沖斷層,斷裂斷距不大;南段斷裂帶由密集的逆沖斷裂組成,擠壓破碎現象十分明顯,擠壓－剪切變形比北段強烈得多。離石斷裂西側是內部變形較弱的鄂爾多斯盆地,地層總體呈向西傾斜的單斜構造,局部因次級褶皺構造的發育而復雜化。鄂爾多斯盆地東緣的構造特征對煤層氣的成藏起到了重要的控制作用,導致不同區域煤層氣成藏條件的明顯差異。

研究區為鄂爾多斯盆地東緣南部的臨汾區塊和北部的保德區塊(圖1),主要含煤地層為石炭系－二疊系的太原組和山西組,其中山西組的5號煤和太原組的8號煤為本區煤層氣勘探的主力煤層。

2 研究區構造演化

圖1 鄂爾多斯盆地構造單元劃分及研究區位置(據文獻[6]修改)Fig.1 The tectonic units of the Ordos Basin and place of the study region(modified from Reference[6])

三疊紀時期,鄂爾多斯盆地南緣雖受構造運動影響明顯,但盆地東部受印支期近NS向的構造擠壓變形影響較小,主要經歷了燕山期和喜馬拉雅期兩期構造應力場的作用[15－19]。筆者在區域構造背景和研究區構造發育及組合特征分析的基礎上,采用共軛“X”剪節理分析方法,通過臨汾區塊野外節理的系統測量和分期配套工作,分別繪制燕山期和喜馬拉雅期節理玫瑰花圖40幅和37幅。依據優勢節理方位及其夾角的變化規律,確定了各節理測量點的應力狀態,然后將同名主應力按照其變化規律繪制最大和最小應力跡線,得到了臨汾區塊燕山期和喜馬拉雅其構造應力場圖(圖2)。

2.1 燕山期構造應力場

臨汾區塊燕山期構造應力場以NW—SE向擠壓為顯著特征(圖2(a)),相應的伸展方向為NE—SW向。主壓應力跡線總體呈NW—SE向延伸,并呈向NE突出的弧形彎曲,與區塊邊界的主要構造的走向近于垂直,表明這些構造的形成與燕山期構造應力場作用密切相關,均具有擠壓性質的構造變形。區塊東部邊界離石斷層的走向不穩定,呈近NS—NNW向,與主壓應力的夾角為70°左右,反映其遭受燕山期擠壓作用的影響,但可能經歷了更為復雜的構造疊加與改造。

圖2 臨汾區塊燕山期和喜馬拉雅期構造應力場及節理測量點位置Fig.2 Yanshan and Himalaya tectonic stress field map and joint measurement location map of Linfen block

2.2 喜馬拉雅期構造應力場

喜馬拉雅期構造應力場與燕山期相比發生了重大轉變,即由NW—SE向的擠壓轉變為NE—SW向擠壓(圖2(b)),與燕山期擠壓構造方向近垂直,最大主應力跡線呈略向NW突出的弧形彎曲。在臨汾區塊喜馬拉雅期的構造變形形跡不是很顯著,但由于發育與燕山期構造走向近垂直的拉張伸展作用,對早期的改造作用較為顯著,使早期的壓性構造轉變為張性構造,發生構造性質的轉變。

3 構造變形特征

鄂爾多斯盆地東緣為過渡型盆緣構造類型,盆地內部構造相對穩定。由于不同區域在不同期次構造作用下變形存在一定的差異,使得研究區內不同地區構造發育各具特色。

3.1 臨汾地區構造變形特征

3.1.1 構造位置及構造分帶性

臨汾區塊位于研究區的南部區域,夾持于離石斷裂由走向NE向NS的過渡部位,東以離石大斷裂為界,西抵黃河。主要構造線呈向E突出的弧形展布,在隰縣以北為NS向,向S逐漸過渡為NNE向及NE向,由東向西由老到新分布有中奧陶統—三疊系等地層(圖3)。依據構造變形特征的差異,可以分為盆緣斷坳帶、斜坡凹隆帶和緩坡帶3個構造帶(圖4)。

圖3 臨汾區塊構造綱要及觀測點位置Fig.3 Structural outline map and field observation location map of Linfen block

盆緣斷坳帶為構造變形最為強烈的地帶,發育一系列壓性斷層、撓曲及其伴生構造。斜坡凹隆帶位于盆緣斷坳帶西側,次級褶皺較為發育,帶內以隆凹相間的褶皺構造為主,伴有小型斷層。緩坡帶地層傾向W,傾角很小,一般1°～5°,甚至水平;雖有少量的波狀起伏,但幅度很小,基本屬緩傾單斜構造。

圖4 臨汾區塊構造剖面(剖面位置如圖3所示)Fig.4 Structural cross-sectional view of Linfen block(section location shown in Fig.3)

3.1.2 不同構造期次變形特征

(1)燕山期構造變形特征。

研究區內燕山期構造運動最為強烈,在不同的區域范圍內,應力作用方向稍有差異,但應力強度差別較大,構造強烈變形主要發育于盆地東緣地帶,形成了以離石大斷裂為代表的近NS向擠壓逆沖斷層,盆內石炭、二疊和三疊系等地層隨山西隆起的上升而整體抬升,并形成了褶皺和斷裂構造。變形由東緣向盆地內部逐漸減弱。

1)褶皺構造。區內褶皺構造主要發育于盆地內部,在野外觀測中可以發現,本區褶皺較為發育,褶皺類型主要為寬緩背斜,如窯街寬緩背斜(圖5)、榆林子寬緩背斜和拔子溝背斜等,背斜軸向總體為NNE—NE;同時還發育有不協調褶皺類型,如義泉村不協調褶皺(圖6),在下二疊統山西組(P1s)砂巖層中,由于中厚層砂巖與薄層砂巖的巖性不同,在薄層砂巖中形成不對稱的撓曲構造,而中厚層砂巖僅形成了單斜巖層,從而在剖面上形成了不協調褶皺(觀測點位置如圖3所示)。

圖5 窯街寬緩背斜構造(觀測點1)Fig.5 Relief anticline structure diagram of Yaojie (observation point 1)

圖6 義泉村不協調褶皺(觀測點5)Fig.6 Uncoordinated fold diagram of Yiquancun (observation point 5)

圖7 茨溝撓曲構造(觀測點3)Fig.7 Destructure diagram of Cigou(observation point 3)

臨汾區塊褶皺的另一種類型撓曲構造也較為發育,主要表現為巖層產狀的急劇變化,常由近水平的巖層突變為陡傾角巖層。典型構造有太平莊撓曲構造和茨溝撓曲構造(圖7),巖性均為中－厚層砂巖,撓曲軸向呈NNE向延伸。通過以上野外地質現象可以看出,臨汾區塊的褶皺構造主要發育于研究區的中、西部;褶皺形態以變形較弱的開闊背斜和撓曲構造為主,向斜構造相對不發育。野外觀測可見,被卷入褶皺的最新地層為三疊系。這些褶皺和撓曲有一個共同的特點,就是軸向均呈NE—NNE向延伸,顯示了NW—SE向的擠壓應力作用,根據區域應力場演化特征分析,其應該是燕山期構造應力場作用的產物。

2)斷裂構造。盆地內部斷裂構造不發育,僅在局部可見規模較小的斷層,但在研究區的東部及東南部邊界,斷裂構造發育較為強烈。主要斷裂構造有彩疙瘩溝逆斷層(圖8)、化樂鄉南逆斷層、管頭逆斷層及吉家原鄉南逆斷層等。斷層走向以NE向為主,斷層面平直光滑,并多表現出壓性變形的特征,具逆斷層性質。斷裂帶多發育擠壓片理構造,部分斷層面上還形成鏡面及擦痕,而彩疙瘩溝逆斷層上盤巖層在逆沖作用過程中形成牽引構造(圖8)。

圖8 彩疙瘩溝逆斷層及上盤牽引構造(觀測點10)Fig.8 Thrust and traction structure on the upper plate of Caigedagou(observation point 10)

(2)喜馬拉雅期構造變形特征。

在區域構造演化的控制下,鄂爾多斯盆地喜馬拉雅運動構造應力場也發生了根本的改變,即擠壓方向由NW向轉變為NE向,最大主壓應力軸的優選方位是30°～210°,傾角1°～2°;最小主壓應力軸的優勢方向是121°～301°,傾角幾近水平;中間主壓應力軸大都近于直立或略有傾斜。臨汾區塊喜馬拉雅期構造變形較弱,僅在局部見到與該期應力場相適應的寬緩褶皺和撓曲,如軸向NW的解家河寬緩背斜和龐家疙瘩撓曲,偶見張性斷裂構造,如后洞溝正斷層和茨溝正斷層等,這些斷層規模小,斷距小。

以上野外構造變形特征反映出臨汾區塊喜馬拉雅期構造變形較為微弱,而且具有局部發育的特點,但由于喜馬拉雅期的構造變形主要為NW—SE向的伸展作用,故對燕山期構造有一定的改造作用,可使部分早期壓性斷裂轉變為張性特征。綜合前述分析,臨汾區塊構造變形特征以燕山期壓性構造為主,并受到后期喜馬拉雅期微弱張性改造。

3.2 保德地區構造變形特征

保德區塊位于鄂爾多斯盆地東緣的北部,構造的形成和演化同樣受到區域構造背景的控制,即主要經歷了燕山期NW—SE向的構造擠壓作用和喜馬拉雅期NW—SE向的伸展作用,但不同期次的構造變形與南部的臨汾區塊存在較大差異。

前已述及,鄂爾多斯東緣地區的邊界斷裂－離石斷裂帶具有顯著的分段性特征,燕山期的構造變形強度在南段明顯高于北段,即變形具有由南向北逐漸減弱的特點,在盆地內部這一特點也有較好的反映。

保德區塊位于構造變形相對較弱的離石大斷裂北段的西部,主要表現為大型撓曲,活動性相對較弱,盆地內構造比較簡單。地層產狀較為平緩,基本上為一走向NE,向NW傾斜的單斜構造(圖9,10,剖面A—A′),傾角一般在5°～10°,為燕山期構造作用所奠定,但變形強度顯著低于臨汾地區。

圖9 保德區塊構造綱要圖及觀測點位置Fig.9 Structural outline map and field observation location map of Baode block

野外觀測區內斷裂構造以走向NE的正斷層為主,但規模較小。主要斷裂構造有發育于奧陶系灰巖和石炭—二疊系砂巖中的階梯狀正斷層等及煤層中的正斷層(圖11)。其中煤層中正斷層規模較小,斷層帶較窄,兩盤地層產狀不協調。階梯狀正斷層走向NNE、傾向W,傾角高達80°,由E向W依次下掉,單條斷層的斷距均小于1 m,反映了喜馬拉雅期NE—SW向構造擠壓作用的特征。

3.3 構造變形差異特征

從構造變形強度分析,燕山期構造擠壓作用在南部地區強于北部地區,主要體現在南部的東緣以NE—NNE向的逆沖斷層的發育為顯著特征,而北部地區斷裂發育較弱,主要為褶皺變形,顯示了應力作用強度的差異性;盆內雖然均以單斜構造為主體,但南部地區在此基礎上疊加了次級褶皺和局部發育逆沖斷層,而北部地區次級構造變形發育較弱,NE向的逆斷層和次級褶皺較為罕見。喜馬拉雅期的構造變形在北部地區表現較為突出,以走向NE的正斷層為特征,而南部地區表現并不顯著,僅在局部地區發育NE向正斷層。

圖10 保德區塊構造剖面(剖面位置如圖9所示)Fig.10 Structural cross-sectional view of Baode block(section location shown in Fig.9)

圖11 河曲太原組煤層中的小斷層(觀測點8)Fig.11 Small fault in Taiyuan coal seam of Hequ(observation point 8)

4 煤層含氣量特征及構造控制機理

4.1 煤層含氣量特征

臨汾區塊由于壓性構造發育,有利于煤層氣的保存,即使后期疊加了一定的張性構造,使煤層氣部分散失,但總體含量仍較高。

根據實際資料,臨汾地區5號煤層含氣量一般均在15.0 m3/t以上,個別井可以超過20.0 m3/t,僅少數井小于15.0 m3/t(圖12(a)),反映該區5號煤層具有較高的含氣量;平面上煤層含氣量等值線總體呈NE向分布,具有中部高、邊緣低的特點,且5號煤層含氣量高值區與NE向壓性構造發育位置密切相關,顯示燕山期構造對煤層氣賦存的控制作用。8號煤層含氣量低于5號煤層,原因在于5號煤層頂底板條件比8號煤層優越,多為泥巖,封蓋能力強,煤層氣保存條件較好;8號煤層頂板多為灰巖,封蓋能力相對較差,尤其是構造發育區的灰巖裂隙發育,對氣體的封蓋能力變差,導致煤層含氣量降低。

圖12 臨汾地區和保德地區5號煤層含氣量等值線(據文獻[6]修改)Fig.12 Gas content isogram of seam No.5 in Linfen and Baode blocks(modified from Reference[6])

北部保德地區,張性構造發育,有利于煤層氣的運移和散失,含氣量相對較低。保德區塊內4+5號煤層含氣量一般在9.55～13.04 m3/t(圖12(b)),低于南部臨汾區塊的含氣量。平面上呈現南北兩端煤層含氣量略高,中間低;自東向西含氣量逐漸增高的分布特點,顯示含氣量隨埋深的增加而增大,與該區單斜構造格局對應。

4.2 含氣量差異的構造控制機理

南部臨汾地區主力煤儲層的含氣量顯著高于北部的保德地區,除煤級的影響因素之外,構造發育的差異性是重要的控制因素。南部臨汾地區燕山期構造變形強烈,并且以壓性構造為主,使得裂隙系統閉合,阻礙氣體的運移,有利于煤層氣的保存,即使后期疊加了一定的張性構造,使得煤層氣部分散失,但總體含氣量仍較高,且該區煤層含氣量高值區與構造位置相關性很高;而北部地區,喜馬拉雅期構造作用較為顯著,張性構造發育,且與燕山期構造主應力軌跡垂直,促使原構造裂隙張開,為煤層氣的運移和散失提供了便利條件,致使煤層含氣量相對較低。

5 結 論

(1)鄂爾多斯盆地東緣構造變形以燕山期和喜馬拉雅期為主。燕山期以NW—SE向擠壓構造為顯著特征,奠定了研究區主體構造格局;喜馬拉雅期轉變為NE—SW向擠壓構造作用,使早期的壓性構造發生性質的轉變。

(2)研究區南部的臨汾和北部的保德構造變形存在顯著差異。臨汾區塊東緣主要發育NE—NNE向的逆沖斷層及盆內次級褶皺,NE向正斷層發育較弱,顯示該區塊的構造作用主要為燕山期NW—SE向的擠壓作用;保德區塊NE向的正斷層發育較為突出,顯示了喜馬拉雅期的構造變形特征較突出。

(3)研究區構造發育的差異性是煤層含氣量的重要控制因素之一,南部臨汾區塊燕山期NW—SE向的擠壓變形強烈,于東緣形成了NE—NNE向的逆沖斷層,有利于煤層氣的保存,即使后期疊加了一定的NW—SE向伸展作用,使得煤層氣部分散失,但煤層總體含氣量仍較高,且該區煤層含氣量高值區與構造位置相關性很高;而北部的保德區塊燕山期構造活動不明顯,以喜馬拉雅期伸展作用為主,張性構造發育,為煤層氣的運移及散失提供了便利條件,致使煤層含氣量相對較低。

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Diversity structural characteristics and control action on coal bed gas content in Linfen and Baode area

CHEN Hong-dong1,2,JIANG Bo1,2,QU Zheng-hui1,2,WANG Ji-lin1,2,WANG Lin-lin1,2

(1.School of Resources and Geoscience,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process,the Ministry of Education,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to study the tectonic control action for the eastern edge of the Ordos Basin coal bed gas,based on system research of field structural deformation,also combined with regional tectonic analysis and tectonic stress field recovery,revealed the differences of structural development and control action on coal bed gas content in Linfen and Baode blocks,eastern edge of Ordos Basin.The results show that study area mainly experiences the Yanshan NW－SE trending tectonic compression action and Himalayan NW－SE trending extensional action.Yanshan NW－SE trending compression developed strongly in Linfen block of the southern study area.Conducive to the preservation of coal bed methane with NE－NNE trending thrust faults and secondary gentle folds,etc.Late superimposed certain Himalayan NW－SE trending extensional action making coal bed methane partial loss.But on the whole the content is higher and high values area correlates well with the structural position.Yanshan compression tectonic deformation was not significant in Baode block of the northern study area,Himalayan NW－SE trending extensional was more outstanding.NE－trending normal faults development provided favorable conditions for coal bed methane migration and loss,resulting in relatively low gas content.

Linfen block;Baode block;tectonic stress field;tectonic deformation;coal bed gas content

P618.11

A

0253－9993(2014)03－0510－08

2013－10－29 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05034－001)

陳紅東(1989—),男,河南鄭州人,碩士研究生。E－mail:chd1003746247@163.com。通訊作者:姜 波(1957—),男,安徽宿州人,教授,博士。Tel:0516－83591002,E－mail:jiangbo@cumt.edu.cn