山西沉積環(huán)境對煤層氣蓋層疊置類型及分布的控制

趙國飛 ，康天合 ，郭俊慶 ，康官先 ，張 彬

（1.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024；2.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600）

煤系氣資源豐富、類型多樣，受到眾多學(xué)者的高度關(guān)注。秦勇對含氣地層的疊置進行了定義，認為煤系氣系統(tǒng)符合疊置特點[1]。申建對臨興區(qū)塊劃分了疊置含氣系統(tǒng)，并探討其含氣系統(tǒng)間的兼容性，為本區(qū)煤系氣合采提供指導(dǎo)[2]。傅雪海在劃分多層疊置含氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 設(shè)計了各含氣系統(tǒng)遞進排采次序及排采壓力控制方案[3]。沈玉林基于含煤地層的沉積學(xué)和層序地層學(xué)分析，探討了鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤系疊置含氣系統(tǒng)形成的沉積控制因素，為該區(qū)煤層氣開采提供地質(zhì)依據(jù)[4]。郭晨對黔西比德-三塘盆地煤巖樣品進行了測試實驗，分析疊置煤層氣系統(tǒng)的分布規(guī)律[5]?？梢?，學(xué)者們多在煤系獨立含氣系統(tǒng)間的疊置關(guān)系進行分析研究，忽略了獨立含氣系統(tǒng)內(nèi)部巖層的組合疊置關(guān)系。煤層氣是煤系氣中最主要的獨立含氣系統(tǒng)。煤層氣蓋層對氣體的封閉及各獨立含氣系統(tǒng)的劃分起著至關(guān)重要的作用。同時，煤層氣蓋層層數(shù)眾多、蓋層薄且具有疊置性，不同區(qū)域會產(chǎn)生不同疊置類型。山西煤層氣資源約為8.3×1012m3，約占全國總量的 1/3[6]，研究此區(qū)域的煤層氣蓋層疊置類型及分布特征對煤層氣的賦存與開采均具有重要意義。鑒于此，統(tǒng)計山西125 座煤礦的273 個煤層氣蓋層地質(zhì)資料，對山西煤層氣蓋層疊置類型進行劃分，討論山西各煤田的沉積形成過程，深入分析不同疊置類型在各大煤田的分布特征，為后續(xù)煤層氣的勘探與開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

山西省域地處華北平原西側(cè)，構(gòu)造上位于華北板塊南北擠壓變形帶之間的中部變形區(qū)，是呂梁-太行斷塊主體組成部分。自北而南有大同煤田、寧武煤田、西山煤田、沁水煤田、霍西煤田和河?xùn)|煤田，含煤地層主要為石炭-二疊紀的太原組和山西組。山西省域的石炭-二疊紀含煤地層形成后主要經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動。燕山期是山西境內(nèi)構(gòu)造運動最活躍的時期，其構(gòu)造形跡以廣泛發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造、褶皺和北東、北西向斷裂系統(tǒng)為主。河?xùn)|盆地為弱變形的緩傾斜構(gòu)造類型，大同、沁水盆地為弱變形的寬緩向斜構(gòu)造類型，其西翼的霍西構(gòu)造區(qū)為伸展構(gòu)造斷陷-斷塊類型；寧武盆地為強變形的向斜類型。

隨機統(tǒng)計山西125 座煤礦的273 個煤層氣蓋層地質(zhì)資料。由于煤層氣的強吸附性，在此考慮煤層上覆10 m 范圍內(nèi)頂板地質(zhì)信息[7-8]。山西煤層氣蓋層統(tǒng)計位置圖如圖1，山西煤層氣蓋層信息見表1。

圖1 山西煤層氣蓋層統(tǒng)計位置圖Fig.1 Statistical location map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

表1 山西煤層氣蓋層信息Table 1 Coalbed methane caprocks information sheet in Shanxi Province

由圖1 和表1 可知，125 座礦井基本均勻分布于山西省域內(nèi)6 大煤田賦煤區(qū)。煤層頂板主要巖性為泥巖、砂巖、頁巖、石灰?guī)r、粉砂巖和煤巖。地質(zhì)時代主要屬于石炭-二疊系的太原和山西組，少部分屬于侏羅系的大同和云崗組。山西組巖性主要以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、細砂巖、中砂巖和粉砂巖為主；太原組主要為砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、中粒砂巖、細粒砂巖和煤巖。

2 蓋層疊置類型

對煤層氣蓋層巖性及厚度數(shù)據(jù)進行分析，將山西煤層氣蓋層按巖層結(jié)構(gòu)分為4 個疊置大類，按巖石致密程度分為11 個疊置亞類。山西煤層氣蓋層疊置類型見表2。

分析可知，第1 大類為復(fù)合型蓋層，其特征為：在煤層之上有1 層或幾層薄巖層（總厚度＜2.5 m），薄巖層上部賦存 1 層厚巖層（厚度＞3.5 m）；此類蓋層占比24.8 %。第2 大類為厚層整體型蓋層，其特征為：在煤層之上直接賦存1 層厚度較大（＞3.5 m）的整體性巖層；此類蓋層占比52.8 %。第3 大類為近距離煤層蓋層，特征為：煤層之上相近距離（＜5 m）上覆另1 層煤體；此類蓋層占比16.8%。第4 大類為薄層狀蓋層，其特征為：由2 層或2 層以上的多層薄巖層（單層厚度＜2.5 m）組成；此類蓋層占比5.6%。大類下屬亞類是按不同致密程度巖石的不同組合進行分類，共11 亞類，分別為：致密-致密型、致密-疏松型、疏松-致密型等。山西煤層氣蓋層典型疊置亞類柱狀圖如圖2。復(fù)合型蓋層中疏松-致密型蓋層（Ⅲ型）有 19 座礦井，最為常見（圖2（a））；厚層整體型蓋層中致密型蓋層（Ⅴ型）有50 座礦井，最為常見（圖2（b））；近距離煤層蓋層中煤-致密型蓋層（Ⅶ型）有 18 座礦井，最為常見（圖2（c））；薄層狀蓋層中疏松-致密型蓋層（Ⅹ型）有5 座礦井，最為常見（圖2（d））。

表2 山西煤層氣蓋層疊置類型Table 2 The superimposing types of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

3 不同疊置類型分布特征

將山西省域內(nèi) 125 座礦井的蓋層疊置類型分布區(qū)域進行分析，山西煤層氣蓋層疊置類型分布如圖3。大同煤田統(tǒng)計16 座礦井，其中厚層整體型蓋層7 座（占比44%），集中分布于大同煤田的東北部。寧武煤田統(tǒng)計8 座礦井，其中厚層整體型蓋層4座（占比50%），主要分布于煤田的北部；復(fù)合型蓋層4 座（占比50%），在煤田中部、北部均有分布。河?xùn)|煤田統(tǒng)計18 座礦井，其中近距離煤層蓋層7 座（占比39%），集中位于河?xùn)|煤田中部地區(qū)；厚層整體型蓋層8 座（占比44%），河?xùn)|煤田北、中、南部均有分布?；粑髅禾锝y(tǒng)計13 座礦井，其中近距離煤層蓋層6 座（占比46%），集中位于霍西煤田東部地區(qū)。西山煤田統(tǒng)計12 座礦井，其中近距離煤層蓋層6 座（占比50%），集中位于西山煤田東北部地區(qū)。沁水煤田統(tǒng)計58 座礦井，其中厚層整體型蓋層38 座（占比65%），分布于沁水煤田東緣，集中于東南部。

圖2 山西煤層氣蓋層典型疊置亞類柱狀圖Fig.2 Typical superimposed subclass columnar diagram of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

圖3 山西煤層氣蓋層疊置類型分布圖Fig.3 The superimposing types distribution map of coalbed methane caprocks in Shanxi Province

4 不同疊置類型與沉積體系

1）大同煤田。大同煤田大同組屬于中侏羅紀早期地層。由于潮濕氣候曲流河泛濫平原上形成局部沼澤環(huán)境，導(dǎo)致此部分煤層極為發(fā)育。之后云崗組形成過程中，鄂爾多斯盆地的構(gòu)造由西部擠壓為主轉(zhuǎn)化為東部擠壓為主，從而引起大同地區(qū)東北部的區(qū)域抬升，使得地面坡降增大；同時氣候條件變?yōu)榘敫珊?干旱，使原來適宜于曲流河和沼澤濕地發(fā)育的條件發(fā)生了根本變化，曲流河逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檗p狀河，形成砂質(zhì)辮狀河沉積[9]。不同期次的河道被泛濫平原泥巖分隔開來，由于辮狀河道沿河流向下的遷移擺動，垂向上砂體之間互相切割疊置[10]，所以大同煤田北部大同組煤層上方易形成厚層整體型蓋層，而復(fù)合型蓋層逐漸有南移趨勢。河道沖刷作用，構(gòu)型界面附近保存下來的泥巖沉積厚度較薄、規(guī)模較小，導(dǎo)致此區(qū)域大同組煤層頂板極少出現(xiàn)泥巖頂板，形成了以粒度較粗的砂巖為主的蓋層。

2）寧武煤田。寧武煤田中部主采煤層位于石炭系太原組上段，屬于三角洲平原水下沉積體系[11]。其上為山西組底部，山西組底部為礫質(zhì)沉積的滯留相，向上為邊灘，天然堤環(huán)境的粗中細粒砂巖，再向上為泛濫盆地沉積，頂部為煤層，為典型的分流河道沉積序列[12]。其主要物源為北側(cè)古陸，植物生長茂盛，泥炭堆積厚度大，形成本區(qū)主要可采煤層，同時也形成寧武煤田北部厚層整體型蓋層。分流河道自北向南，在煤田中部及南部區(qū)域水動力條件以及河道下切、側(cè)向沖刷切割作用強，導(dǎo)致中南部區(qū)域煤層多被河道沖刷缺失或分叉減薄，同時煤層上方也多形成了復(fù)合類型蓋層頂板。

3）河?xùn)|煤田。河?xùn)|煤田中部主采煤層位于山西組下部，屬三角洲沉積體系[13]。山西組下部沉積時，森林和沼澤廣泛發(fā)育，造就泥炭層開始形成。但在沉積過程中，因河流改道而被粗碎屑沉積替代或者泥炭暴露發(fā)生氧化分解甚至遭受剝蝕，而成煤作用被中斷，之后又開始形成穩(wěn)定成煤環(huán)境[14]，造就此處近距離煤層蓋層類型。

4）霍西煤田?；粑髅禾飽|部主采煤層位于山西組的中上部，屬于三角洲平原沉積體系[15]。在三角洲平原的分流河道兩側(cè)如果條件不利（如氣候較干燥或地下水位較低等），則不具備沼澤化條件。但如果在比較潮濕的廢棄分流河道內(nèi)形成分流河道改道則可具備短暫的沼澤化條件，不過泥炭沼澤不久將被后來的碎屑沉積所覆蓋，因此煤層頂板常為碎屑巖，同時形成的煤層常薄而不穩(wěn)定，較易形成近距離煤層蓋層類型[16]。

5）西山煤田。西山煤田東部主采煤層位于太原組下部。隨著地塊的逆時針旋轉(zhuǎn)，海侵方向變?yōu)橛蓶|傾入，共發(fā)育廟溝、毛兒溝、斜道、東大窯四期海侵。西山區(qū)域海平面升降隨之發(fā)生規(guī)律性變化，發(fā)育碳酸鹽臺地、壁砂壩-瀉湖-潮坪和三角洲沉積，海相沉積物與陸相沉積物整體呈西-東相展布[17]。受此影響煤田的東部8#煤層分叉為8#上煤和8#下煤，夾矸1～4 層，夾矸巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，厚度變化于 1.0～5.63 m 之間[18]。東部形成了近距離煤層蓋層的類型，而厚層整體型蓋層有西移的趨勢。

6）沁水煤田。沁水盆地太原組和山西組砂巖/泥巖比值等值線圖如圖4[19]。研究表明[20]：沁水煤田北部太原組為砂巖富集區(qū)（圖4（a））。富砂巖帶主要位于沁縣北部，包括壽陽、陽泉、西陽等地區(qū)。該區(qū)的砂泥巖比值普遍高于0.4，壽陽地區(qū)的砂泥巖比值最大可達1.0。從圖4（b）可以看出，山西組砂泥巖比值在 0～2.2 之間，平均 0.6。東南部長子-高平地區(qū)最低。以上砂泥巖比值說明，沁水盆地太原組北部壽陽-陽泉地區(qū)為低三角洲平原環(huán)境；沁水盆地山西組東南部以三角洲前緣環(huán)境為主[20-21]。沁水煤田北部主采煤層以太原組15#煤層為主，東緣主采煤層則以山西組3#煤層為主。因此，沁水煤田北部研究區(qū)域形成了以砂巖、泥巖交互的復(fù)合型蓋層，東南緣研究區(qū)域形成了以泥巖為主的厚層整體型蓋層。

圖4 沁水盆地太原組和山西組砂巖/泥巖比值等值線圖[19]Fig.4 Contour maps of the sandstone/mudstone ratio of the Taiyuan and Shanxi Formation in the Qinshui Basin[19]

5 結(jié) 論

1）將山西煤層氣蓋層按巖層結(jié)構(gòu)分為4 個疊置大類，分別為復(fù)合型蓋層、厚層整體型蓋層、近距離煤層蓋層和薄層狀蓋層；按巖石致密程度分為11 個疊置亞類，分別為致密-致密型復(fù)合蓋層、致密-疏松型復(fù)合蓋層、疏松-致密型復(fù)合蓋層、疏松-疏松型復(fù)合蓋層、致密型厚層整體蓋層、疏松型厚層整體蓋層、煤-致密型近距離煤層蓋層、煤-疏松型近距離煤層蓋層、致密-致密型薄層狀蓋層、疏松-致密型薄層狀蓋層、疏松-疏松型薄層狀蓋層。

2）分析了蓋層組合類型的分布特征。復(fù)合型蓋層主要分布于大同煤田的西南部、寧武煤田中北部和沁水煤田東北部；厚層整體型蓋層廣泛分布于大同煤田東北部、寧武煤田北部、沁水煤田東緣；近距離煤層蓋層主要分布于河?xùn)|煤田中部、霍西煤田東部和西山煤田東北部；薄層狀蓋層僅在沁水煤田東緣部分出現(xiàn)。

3）大同煤田云崗組砂質(zhì)辮狀河沉積是形成東北部厚層整體型蓋層的基礎(chǔ)；寧武煤田的分流河道沉積序列，由北向南強烈的沖刷，形成了中北部的復(fù)合類型蓋層；河?xùn)|煤田和霍西煤田的山西組屬于三角洲沉積體系，沉積過程中成煤作用部分中斷，使河?xùn)|煤田中部和霍西煤田東部形成了近距離煤層蓋層；西山煤田的東部海侵作用，使8#煤層形成夾矸，造成東北部的近距離煤層蓋層；沁水煤田山西組東南部的三角洲前緣環(huán)境形成了以泥巖為主的厚層整體型蓋層。