二連盆地勝利煤田含煤地層埋藏史及熱史分析

余坤，屈爭輝，琚宜文，薛志文

1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116 2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049 3.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 221008

0 引言

沉積盆地熱演化史控制著烴源巖成熟演化、生烴和油氣運移史，此外還控制著油氣資源評估，還能為分析盆地形成機制和構造熱演化提供信息[1-2]。近年來對二連盆地煤及油氣資源勘探取得了豐碩的成果[3-4]，但由于二連盆地演化歷史復雜，各個凹陷研究程度不一，對勝利聚煤盆地演化研究涉及較少，限制了對該區烴源巖成熟、生烴、排烴、演化程度、資源潛力的認識[5]。此外，對于煤系烴源巖成熟演化缺少系統性的研究。本文基于鏡質體反射率和泥巖聲波時差數據重建勝利煤田中生代至新生代埋藏史及熱演化史，討論了烴源巖成熟史和盆地演化之間的關系，旨在為勝利煤田煤系氣資源開發提供理論基礎。

1 地質概況

1.1 大地構造概況

二連盆地在大地構造位置上位于華北板塊與西伯利亞板塊的縫合帶處，是在海西期褶皺基底上形成的中生代斷陷盆地。二連盆地是由許多中小規模凹陷組合而成，其特征表現為一斷陷盆地群[6-7]。盆內劃分為“五坳一隆”六大構造單元格局(圖1)，西部凹陷帶主要有井川坳陷和烏蘭察布坳陷和馬尼特坳陷，東部凹陷帶為騰格爾坳陷、烏尼特凹陷和馬尼特坳陷，中部為蘇尼特隆起，形成了坳陷與隆起相間分布的構造格局[9-10]。二連盆地及其周邊地區斷裂構造發育，盆地北部發育一條深大斷裂，其貫穿整個西伯利亞板塊與華北板塊邊緣帶發育的中生代沉積盆地。盆地內部主要發育正斷層，斷裂分布具有明顯的方向性，斷層走向以NE向為主，伴隨著NW向的小規模正斷層，且蘇尼特隆起以北斷層傾向NW，以南斷層傾向SE，斷裂構造特征與燕山期的北西向的構造應力關系密切。

勝利煤田位于二連盆地東北部烏尼特坳陷西南部，其空間形態呈NNE向展布，構造形態為一大型寬緩向斜(圖2)[11]。勝利煤田形成于燕山期，為中生代聚煤盆地，其基底為古生界海相地層，中生代發育陸相地層，以火山—沉積地層為代表。區內廣泛出露下白堊統巴彥花群，地層厚度巨大，主要以煤系地層為主，同時地質歷史各個時期的火成巖在煤田及其周圍區域均有分布[12-14]。

圖1 二連盆地構造綱要圖[8]Fig.1 The structural compendium map of Erlian Basin[8]

圖2 勝利煤田構造綱要圖Fig.2 Structure outline map of Shengli coalfield

1.2 含煤地層

二連盆地群含煤地層時代屬早白堊世，含煤地層自下而上依次為阿爾善組、騰格爾組、都紅木組及賽汗塔拉組。二連盆地煤田有兩種主要的沉積充填序列，其一以吉爾嘎朗圖、巴彥花凹陷為代表，煤系地層自下而上可以劃分為6套沉積組合，即底部砂礫巖段、下部泥巖段、下部含煤段、上部泥巖段、上部含煤段和上部砂泥巖段，其以湖相泥巖段和含煤段交替出現為特征；其二以烏套海凹陷為代表，自下而上可劃分為5套沉積組合，即底部砂礫巖段、下含煤段、中部粉砂泥巖段、上含煤段和頂部砂礫巖段[15-16]。根據勝利煤田沉積特征以及與鄰區聚煤盆地早白堊世煤系地層劃分與對比，將研究區分為底部砂礫巖段(阿爾善一段，K1ba1)、下部泥巖段(阿爾善二段，K1ba2)、下部含煤段(騰格爾組，K1bt)、上部泥巖段(都紅木組一段，K1bd1)、上部砂泥巖段(都紅木組二—三段，K1bd2+3)和上部含煤段(賽汗塔拉組，K1bs)(圖3)。

2 模型建立與參數設定

2.1 埋藏史恢復模型

盆地埋藏史恢復方法通常分為兩類，分別為正演法和反演法。正演法是按照地質年代由古至今的沉積埋藏恢復方法，如沉積速率法；反演法是由新地層向老地層反推恢復埋藏史的方法，如回剝法。但二者均采用的是沉積壓實模型原理，隨著地層的埋深增加，其上覆地層的厚度增加，其所受的地層壓力增加，使得巖層孔隙度降低，體積壓縮[17]。本文采用回剝法進行盆地埋藏史模擬恢復。回剝技術普遍適用于地層正常壓實帶，其主要依據沉積壓實原理，結合單井的地層參數，考慮地層壓實作用、超壓作用、地層抬升剝蝕作用以及斷裂構造等地質事件影響，依據地質年代時間節點，進行地層逐層剝去，剝完為止，最終得到單井的地質年代與埋深的關系[18-19]。

圖3 二連盆地勝利煤田含煤地層柱狀圖Fig.3 The coal bearing strata histogram of Shengli coalfield in Erlian Basin

在正常壓實情況下，地層孔隙度和埋深的關系服從指數分布：

φ=φ0ecz

(1)

式中，φ為埋深為Z時的孔隙度，φ0為地表孔隙度，c為壓實系數。

參考煤田資料，可知地表孔隙度47%；埋深3 000 m的巖層孔隙度11%。將其帶入到式(4.1)，可計算出壓實常數：

c=4.121×10-4

巖層孔隙度在受壓實過程中，沉積物骨架部分的體積不變，只有孔隙部分發生變化。如果某層深度Z1至Z2時(Z2>Z1)，層內孔隙所占體積Vm為：

(2)

設地層總體積為V，巖石顆粒體積為Vs，則

V=Vs+Vm

(3)

純巖石顆粒的高度Hs：

(4)

(5)

首先，現今各地層的厚度見表1，并由公式(4.4)計算出各地層的骨架厚度(表2)。然后按照地質年代由新到老地逐層回剝，每剝一層把所有的地層重新計算。

表1 勝利煤田現今各層位地層信息

表2 勝利煤田地質歷史時期各層位埋深恢復結果

2.2 熱史恢復模型

烴源巖鏡質體反射率Ro(%)反映了其在地質歷史時期所經歷的最高古溫度Tmax(℃)，這一反應是不可逆的[20-21]。基于該原理，可以通過鏡質體反射率來恢復烴源巖在地質演化的過程中經歷的最高古溫度。據任戰利[22]等研究成果表明，沉積有機質在達到一定的生烴溫度后約1～10 Ma內可達到生烴成熟階段，并會長期保持在一個相對穩定的狀態，后期不在隨著受熱時間的長短而發生成熟度的變化。本次對勝利煤田古地溫的恢復主要使用Barkeretal.[23]提出最大溫度模型，該模型基于全球35個地區大量烴源巖沉積有機質Ro數據而建立的，利用Ro平均值和對應的Tmax擬合的回歸方程ln(Ro，max)= 0.009 6Tmax-1.4，該方程相關系數較高R2=0.84，所擬合的結果可信度高。根據上述方程可以利用研究區烴源巖中鏡質體反射率值推測其在地質歷史時期所經歷的最大古溫度。

2.3 參數設定

2.3.1 基礎地質參數

依據煤田地質資料，得到了研究區恢復白堊系—第四系埋藏史涉及地層厚度、巖性、地層壓實、地層沉積和剝蝕時間、地層剝蝕厚度等數據。地層年代采用國際標準地層年齡(2016年) 。由于研究區缺少熱物理參數，如現今和古地表溫度、熱梯度、熱流、巖石導熱性等，故采用勝利煤田鄰區的數據。依據煤田地質資料，得到勝利煤田12-9、24-15、32-10號鉆孔地溫測量數據，3個鉆孔地溫梯度為3.60～4.42 ℃/100m，平均地溫梯度為3.8 ℃/100m，屬較高地溫狀態。

2.3.2 地質歷史時期的不整合面剝蝕量的限定

早白堊世，由于受燕山運動影響，勝利煤田發育兩個重要的區域性不整合接觸，分別位于都紅木組1段和都紅木組2段之間、賽汗塔拉組和二連達布蘇組之間。利用鏡質體反射率法和泥巖聲波時差法恢復研究區典型井關鍵抬升剝蝕期的剝蝕量，統計結果見表3。采用二連盆地勝利煤田J2井及鄰區50組烴源巖Ro,max數據(表4)，重建K1bs/K2er剝蝕厚度，由恢復結果可知(圖4a)，研究區賽汗塔拉組沉積末期遭受構造抬升剝蝕厚度為580 m，使得賽汗塔拉組與上覆二連達布蘇組之間不整合接觸，這一抬升剝蝕事件在整個華北地區中生代盆地普遍存在，但各個地區的剝蝕厚度有區域性差異。都紅木組1段和都紅木組2段的泥巖聲波傳播時間有顯著差異，兩段之間存在構造單元的差異壓實，利用J4井46組泥巖聲波時差數據重建都紅木組1段和都紅木組2段之間的剝蝕量，結果表明，研究區在都紅木組1段和都紅木組2段之間剝蝕厚度約410 m(圖4b)。

表3 勝利煤田及其鄰區典型井地層剝蝕量統計

表4 二連盆地勝利煤田及鄰區含煤地層鏡質體反射率統計表

圖4 勝利煤田K1bs/K2er和K1bd1/K1bd2剝蝕量恢復Fig.4 Recovery of erosion amount of K1bs/K2er and K1bd1/K1bd2 in Shengli coalfield

3 模擬結果與分析

3.1 埋藏史模擬結果與分析

勝利煤田含煤地層主要分布在下白堊統，分別為阿爾善組、騰格爾組、都紅木組及賽汗塔拉組，其中賽汗塔拉組為主要含煤地層，研究區內進行了大量的煤田地質鉆探，本文選取了勝利煤田J2井進行剝蝕厚度恢復，得到單井回剝柱狀剖面圖(圖5)。采用PetroMod盆地模擬軟件進行盆地模擬，得到該井埋藏曲線圖(圖6)。研究區表現“早期沉降伴隨抬升，晚期終止”的埋藏特征。

圖5 勝利煤田J2井回剝柱狀剖面圖Fig.5 Stripping column profile of Well J2 in Shengli coalfield

圖6 勝利煤田下白堊統各層埋藏曲線圖Fig.6 Burial history of Lower Cretaceous in Shengli coalfield

由埋藏歷史可知，在都紅木組1段沉積期，研究區煤系地層第一次達到最大埋深1 600 m，沉積末期發生第一期抬升剝蝕，剝蝕量約410 m，在都紅木組2段至賽汗塔拉沉積期，研究區進入快速沉降期，沉降速率為45 m/Ma，含煤地層第二次達到最大埋深2 100 m；而后發生第二期抬升剝蝕，剝蝕量約580 m，在賽罕塔拉沉積末期至今，研究區處于緩慢—終止沉降期。

3.2 熱演化史恢復結果與分析

3.2.1 勝利煤田煤系地層古地溫場

本次擬合的Ro數據來自賽汗塔拉組5#、6#煤的煤樣測試值和都紅木組中上段烴源巖的Ro參考值，結果表明擬合地質歷史時期的溫度與埋深有較好的對數函數曲線關系，與前人認識一致。該區賽汗塔拉組與二連達布蘇組之間為不整合接觸，不整合面的埋深約80 m，其間剝蝕厚度為580 m，根據最大溫度模型計算出各個點對應的古溫度，利用多個測點的計算值求取平均值即為古溫度梯度。由結果可知，地質歷史時期，研究區都紅木組1段最大古溫度為72 ℃，賽汗塔拉組最大古溫度為60 ℃，古溫度梯度為4.8 ℃/100m。

3.2.2 模擬結果與分析

依據埋藏史和熱演化史模擬結果(圖7)，研究區經歷了兩期構造抬升，第一期構造抬升為都紅木組1段沉積末期，第二期構造抬升為賽汗塔拉組沉積末期。兩期構造抬升導致地層溫度與Ro發生兩次躍變(圖7，8)，阿爾善期至都紅木1段沉積期，研究區地溫梯度逐漸升高，在都紅木組1段沉積末期古地溫達到峰值約90 ℃，隨后在第一期抬升剝蝕作用下，地溫迅速下降，在賽汗塔拉組沉積期古溫度迅速升高，沉積末期達到峰值120 ℃，達到異常高地溫狀態，后期經過第二期抬升剝蝕作用，古地溫下降，進入熱沉降階段，晚白堊世至今，地溫基本穩定。

勝利煤田含煤地層經歷了燕山運動的兩期構造抬升運動，在圖7中可以看到Ro值發生兩次明顯的躍變，反映了構造抬升剝蝕作用對沉積有機質熱演化程度的影響。構造抬升運動結束后，研究區進入了穩定的沉積階段，地溫梯度3.8 ℃/100m，此時研究區含煤地層烴源巖成熟度基本穩定。

圖7 勝利煤田下白堊統埋藏與熱演化擬合圖(“+”代表鏡質組實測值)Fig.7 The map of burial and thermal evolution history of Lower Cretaceous in Shengli coalfield(“+”means measured vitrinite reflectance (Ro) datum)

圖8 勝利煤田下白堊統各組地溫演化Fig.8 Geotemperature evolution of Lower Cretaceous in Shengli coalfield

3.2.3 熱演化史與構造演化耦合關系

勝利煤田下白堊統高地溫狀態和華北中生代裂谷盆地是一致的。區域上，勝利煤田地溫狀態與太平洋板塊向歐亞板塊俯沖密切相關。早白堊世，太平洋板塊板約呈30°角俯沖到歐亞板塊地幔深度400～600 km處，使地幔的黏度降低，地幔的活動增強。與此同時，太平洋板塊的東部邊緣新產生左旋走滑斷層與歐亞板塊提供了一個低黏度地幔上涌的渠道，大量地幔熱物質注入巖石圈形成高地熱狀態。晚白堊世至今，二連盆地勝利煤田進入熱沉降階段，地溫逐漸降低[24]。

阿爾善期至都紅木1段沉積期，受燕山運動影響，勝利煤田經歷了緩慢—快加速伸展斷陷階段，地殼斷裂作用增強，地殼變薄，地球深部熱能很容易釋放到淺層，導致地溫迅速增加，都紅木組1段沉積末期(大約距今107 Ma)，凹陷古地溫第一次達到峰值，為90 ℃。都紅木二段沉積期至賽罕塔拉期，含煤地層遭受抬升剝蝕，此時巖石圈變薄，地熱梯度又開始迅速增加，賽汗塔拉組沉積末期，古地溫第二次達到峰值，為120 ℃，進入高地溫狀態，晚白堊世至今，研究區進入熱沉降階段，地溫梯度穩定。

3.3 生烴史

據鉆孔資料和PetroMod盆地模擬結果，二連盆地勝利煤田下白堊統巴彥花群形成了一個較好的生儲蓋組合，阿爾善組1段及下伏地層為基底，阿爾善組2段、騰格爾組、都紅木組及賽汗塔拉組為烴源巖層，賽汗塔拉組頂部及二連達布蘇組致密泥巖與粉砂巖組合形成了良好的蓋層，上覆古近系及第四系松散堆積物形成上覆地層。其中主要生烴層位為下白堊統巴彥花群阿爾善組2段、騰格爾組及賽汗塔拉組，各組內部或之間又形成一套生儲蓋組合。

3.3.1 生烴期

模擬結果表明研究區下白堊統巴彥花群各個層位的烴源巖有機質成熟度在賽汗塔拉組沉積末期達到最大值，在96 Ma以后一直處于穩定狀態，基本不變(圖9)。據石油行業標準SY/T 5735—1995，依據鏡質組反射率對烴源巖的成熟度和成熟階段劃分結果，研究區阿爾善組2段烴源巖到達低成熟—成熟階段(0.62%

含煤地層在后期被構造抬升剝蝕至近地表處，細菌通過流動水可運移到煤層中，在中低階煤鹽度、溫度適宜的條件下，細菌代謝降解作用生成甲烷，形成次生生物氣藏。勝利煤田賽汗塔拉組含煤厚度巨大，埋深淺，為低階煤，且賽汗塔拉組沉積末期經歷構造抬升剝蝕作用，煤層處于盆地中心，盆地邊緣流水可滲透至煤層中，有利于細菌運移到煤層中去，形成次生生物氣，可能存在潛在的生物成因氣藏，這一結果與《二連盆地煤層氣資源評價報告》中的調查結果一致。

3.3.2 生烴史和熱演化史耦合關系

生烴史表明勝利煤田在賽汗塔拉組沉積末期，烴源巖成熟度達到最大值，賽汗塔拉組和都紅木組烴源巖幾乎無生烴潛力，阿爾善組和騰格爾組烴源巖進入生烴門限，處于低成熟生成階段，未達到生油高峰期。總體上，研究區高地溫場對烴源巖的生烴有直接的促進作用，但由于受燕山運動的影響，下白堊統烴源巖遭受兩次抬升剝蝕，原有的古地溫場發生改變，使得烴源巖的生烴能力遭到破壞，但抬升剝蝕作用導致細菌隨盆地滲透水進入近地表煤層，使得賽汗塔拉組5#、6#煤層形成次生生物氣藏。總的來說，勝利煤田賽汗塔拉組含煤地層是重要的非常規天然氣藏，有一定的勘探潛力。

圖9 勝利煤田下白堊統烴源巖有機質成熟史曲線圖Fig.9 Maturity history curve of source rocks in Lower Cretaceous in Shengli coalfield

4 結論

(1) 勝利煤田表現“早期沉降伴隨抬升，晚期終止”的埋藏特征。都紅木組1段沉積期，勝利煤田含煤地層第一次達到最大埋深1 600 m，其沉積末期發生第一期抬升剝蝕，剝蝕量約410 m；都紅木組2段至賽罕塔拉沉積期，研究區進入快速沉降期，沉降速率為45 m/Ma，含煤地層第二次達到最大埋深2 100 m，而后發生第二期抬升剝蝕，剝蝕量約580 m；賽汗塔拉沉積末期至今，研究區處于緩慢—終止沉降期。

(2) 勝利煤田經歷的兩期構造抬升導致地層溫度與Ro發生兩次躍變，阿爾善期至都紅木1段沉積期，研究區地溫逐漸升高，在都紅木組1段沉積末期地溫達到峰值約90 ℃，隨后在第一期抬升剝蝕作用下，地溫迅速下降；在賽汗塔拉組沉積期溫度迅速升高，沉積末期達到峰值120 ℃，達到異常高地溫狀態，而后經過第二期抬升剝蝕作用，地溫下降，進入熱沉降階段；晚白堊世至今，地溫基本穩定。

(3) 勝利煤田阿爾善組烴源巖到達低成熟—成熟階段(0.62%