淮北煤田石炭系-二疊系煤系重、磁、電物性特征及對煤系氣勘查的意義

關鍵詞：密度，磁化率，電阻率，石炭系—二疊系，巖漿巖，煤系氣，淮北煤田

0 引言

從煤層氣到煤系氣，這是天然氣地質認識和勘探開發的一個跨越式進步[1]。煤系氣即煤系天然氣，是指煤系中煤、炭質泥頁巖和暗色泥頁巖生成的天然氣[2]，資源類型包括非常規煤層氣、頁巖氣、致密氣以及常規圈閉氣等[3]。煤系氣是中國煤層氣產業發展的新方向[4-5]，資源量占全國天然氣地質資源量的60%以上[6]，但探明率及動用率極低，距離大產業規模仍有一定差距[7-8]。中國關于煤層氣、頁巖氣、致密氣等單一氣藏的研究與勘探開發已經取得豐富成果[9-11]，但在薄煤層、深部煤系氣等方面缺乏關注[1]，煤系氣共探合采還處于探索研究階段，還未形成有效綜合勘查和開發利用[6-8]。目前，在沁水盆地[12]、鄂爾多斯盆地[13]、黔西[14]、雞西盆地[6]等已開展煤系氣勘探開發研究，并且在鄂爾多斯盆地東緣臨興、神府、橫山堡南等區塊煤系氣合采試驗井取得了高產[15-16]。中國煤系氣“增儲上產”空間巨大，若能實現高效勘探開發，對中國能源結構調整和國家能源安全保障具有重要意義[1，3，7-8，12，15]。

安徽省是華東地區賦存煤炭資源量第一的省份，99%以上的煤炭資源集中在兩淮煤田（淮南、淮北）[17]。張文永等[18]估算淮北煤田的煤層氣和頁巖氣資源量達1.32萬億立方米。若能實現煤系氣大開發，必將改善安徽省“貧油少氣”的能源格局，對安徽省乃至華東地區保障能源資源安全和早日實現“雙碳”目標具有重要意義。目前，安徽省煤系氣勘探開發還處于起步階段，煤系氣資源分布尚不清楚，煤系氣勘查方法技術尚未形成體系。受推覆構造和隱伏巖體發育等影響，淮北煤田二疊系煤系氣地質條件復雜，同時煤田內分布大面積厚覆蓋區，勘查難度大，嚴重制約著煤系氣勘探開發進程。

前人采用重力、磁法和電磁法（時頻電磁法、廣域電磁法）在覆蓋區[19]、低勘探程度新區[20]、碳酸鹽巖礦區[21]等復雜條件下探測油氣薄儲層[19]、深層油氣[20]和深部地質結構[21-22]等取得良好效果。王緒本等[23]、Wang等[24]利用電磁法在探測煤層埋深、厚度及儲層識別方面取得了較好應用效果。因此，針對淮北煤田厚覆蓋、隱伏巖體發育和深部探測等難題，考慮綠色、高效、低成本、勘探深度大等現實問題，綜合應用重、磁、電方法開展淮北煤田二疊系煤系氣全面勘查。淮北煤田石炭系—二疊系（C-P）巖性分布復雜，煤、泥巖、砂巖、灰巖及巖漿侵入巖均有發育，而物性差異是重、磁、電勘探的基礎[25]，因此需要加強研究不同巖石之間物性差異，為煤系氣勘探開發奠定基礎。

1 研究概況

淮北煤田位于安徽省淮北平原的西北部，面積約12350km2，為新生界松散層覆蓋的全隱蔽式煤田，煤田內基巖露頭面積較小[26-27]。

1.1 地層

淮北煤田內部地層總體較平緩，含煤地層以二疊系為主，總厚度大于1300m，共發育11層煤。其中：可采煤層主要為二疊系上石盒子組（P3s）的3煤、下石盒子組（P2x）的5煤、6煤、7煤、8煤和山西組（P1s）的10煤[28-29]。淮北煤田現有23對生產礦井及多處閉坑和未利用勘查區，包括濉蕭、渦陽、臨渙和宿縣等四個規劃礦區[26]，大多被新生界覆蓋（圖1），其中：濉蕭礦區煤變質程度普遍較高，以中高變質煤為主；渦陽、臨渙和宿縣礦區為低中變質煤為主，但受到巖漿侵入的煤層普遍變質程度增高，可達到無煙煤和天然焦[27]的程度。目前，中國的煤層氣產量主要來自沁水盆地等高煤階煤，以區域巖漿熱變質為主[31-32]，淮北煤田高煤階煤層氣資源需要加以重視。另外，淮北煤田石炭系系—二疊系發育了7套厚度較大、分布較穩定的富有機質泥頁巖段，暗色泥頁巖厚度累計可達300余米，主要分布在二疊系上石盒子組和下石盒子組[30]。

1.2 構造

淮北煤田屬于華北板塊東南部徐宿弧構造帶，整體呈現向西凸出的弧形褶斷帶，褶皺的軸跡及斷層線在平面上呈弧形彎曲，區內主要發育北東、北西和近東西向斷裂[33-35]（圖1）。淮北煤田中部發育一條區內最大的斷裂—宿北斷裂，將煤田劃分為南北兩個構造分區：北區處于徐宿弧形推覆構造主體部位，以逆沖斷層為主，發育侏羅山式長軸褶皺；南區以正斷層和開闊短軸褶皺為主，向斜較寬緩，石炭系—二疊系地層埋深較大[28]。

1.3 巖漿活動

淮北煤田區內除王場、徐樓、丁里、烈山、趙集、岳集等推覆體前緣帶地區有巖體地表露頭外（圖1），其他均為隱伏巖體。淮北煤田內一些花崗斑巖、閃長玢巖和輝綠巖小巖體對煤田的破壞和煤的變質作用影響較大，呈巖床、巖株、巖墻、巖脈狀，直接侵入煤系和煤層[27]，其中：濉蕭礦區內巖漿活動較為強烈，基性、中性和酸性巖漿巖混雜，呈巖床侵入含煤地層，使煤層變為無煙煤或天然焦，甚至吞蝕煤層，如臥龍湖煤礦等。渦陽礦區局部地區有巖漿巖活動，主要為閃長巖類，受巖漿巖侵入的煤變為無煙煤或者天然焦，個別點煤層全被吞蝕。臨渙礦區巖漿活動在礦區西部和北部較強烈，以閃長巖類為主，還包括輝長巖、輝綠巖等，如楊柳煤礦等，而南部未發現巖漿巖侵入。淮北煤田內二疊系含煤地層受印支運動和燕山運動的影響經歷了復雜的構造演化，特別是燕山期煤田區內巖漿活動頻繁，分為四期巖漿活動，巖漿性質由中性變為中酸性、酸性，再到基性和超基性[33，36-37]，使得淮北煤田不同礦區巖漿侵入的期次、巖性、規模和產狀有著明顯差異。蔡益棟等[16]在鄂爾多斯盆地東緣臨興中區發現環紫金山巖體帶煤層含氣量異常高值且向四周降低，而泥頁巖在環紫金山巖體帶含氣量較低，沿四周含氣量則較高。巖漿活動是含煤盆地中影響煤系氣富集的重要因素之一，而前人對淮北煤田的研究多集中在煤層氣（瓦斯）富集規律，巖漿侵入對石炭系—二疊系煤系氣資源富集機制的影響則缺乏研究。多期次、強烈的巖漿活動影響著淮北煤田石炭系—二疊系煤、泥頁巖等生烴演化和儲集條件，進而制約著石炭系—二疊系煤系氣賦存富集。盡管在淮北煤田煤礦生產中已收集了大量瓦斯（煤層氣）數據，二疊系主采煤層瓦斯（煤層氣）含量在煤礦區分布規律大致清楚。但是，淮北煤田生產礦井以外區域和不可采薄煤層區石炭系—二疊系瓦斯（煤層氣）含量、頁巖含氣量分布規律尚不清楚，淺部隱伏中、小巖體規模尚未完全查明，深部巖體發育情況尚不清楚。因此，在淮北煤田石炭系—二疊系煤系氣勘探開發過程中，必須重視巖漿侵入對石炭系—二疊系煤系氣富集的影響，首先要厘清石炭系—二疊系含煤地層和巖漿巖分布規律，尤其是深部巖體發育情況，這對研究區石炭系—二疊系煤系氣高效勘探開發有重要意義。

2 樣品采集與測試

安徽省勘查技術院在淮北地區承擔過大量勘查項目，為本研究積累了859件樣品，包括：石炭系90件（其中泥巖24件、砂巖28件、灰巖38件），二疊系227件（其中泥巖125件、砂巖78件、煤24件），奧陶系灰巖67件，寒武系150件（其中灰巖118件、白云巖32件），震旦系100件（其中白云巖10件、灰巖90件），閃長玢巖110件，花崗巖30件，閃長巖85件[38-39]。本次研究補充采集樣品47件：在朱仙莊礦礦井巷道采集樣品17件（其中8煤煤樣6件、下石盒子組泥巖樣11件）；在蘆嶺礦采集鉆孔巖芯樣21件，其中山西組17件（粉砂巖5件、泥巖12件），太原組4件（灰巖1件、泥巖3件）；在許疃礦采集鉆孔巖芯9件，其中山西組粉砂巖1件，下石盒子組6件（泥巖2件、粉砂巖3件、細砂巖1件），上石盒子組2件（泥巖1件、砂巖1件）。按照地層分布規律、勘探開發程度等，巖漿巖、奧陶系、寒武系、震旦系樣品主要在淮北煤田北部采集，石炭系、二疊系樣品在煤田南部和北部均有采集，采樣點平面分布見圖1。物性測試在安徽省電法勘探重點實驗室進行，所有物性標本全部統一加工成直徑24mm、高22mm的圓柱體，測試嚴格按照《巖礦石物性調查技術規程》（DD2006-03）執行。磁化率測定儀器為BartingtonMS2型磁化率儀，電阻率、極化率測定采用SCIP型巖芯測量儀，密度測量采用GP-120S型電子密度儀。

3 重、磁、電響應特征

3.1 地層物性特征

圖2所示為淮北地區地層物性特征柱狀圖，可見總體上淮北煤田石炭系—二疊系地層密度、電阻率均小于奧陶系（O）、寒武系（∈）、震旦系（Z）等老地層；磁化率大多為0到數百10-5SI，基本為無磁性或弱磁性；極化率大多小于5%，石炭系—二疊系部分泥巖和砂巖出現高極化率，推測與其含黃鐵礦等有關。因此，淮北煤田石炭系—二疊系地層與下古生界存在密度和電阻率分層界面，其煤層與泥巖、砂巖、灰巖等物性特征明顯不同，表現為低密度和高電阻率。

3.2 巖石物性差異

淮北煤田大多為隱伏巖體，本文中巖漿巖樣品以鉆孔巖心為主。圖3為淮北煤田部分巖體物性參數柱狀圖，可見：閃長巖密度最大，閃長玢巖次之，花崗巖最小；閃長巖磁化率明顯高于閃長玢巖和花崗巖，大多為數千10-5SI，而花崗巖磁化率為0到數10-5SI；電阻率和極化率變化范圍較大，主要與巖體性質及其含礦性差異有關。

綜合對比分析淮北煤田石炭系—二疊系沉積巖與巖漿巖物性特征（圖4），可見：①煤的密度明顯最小，平均值為1.47g/cm3；花崗巖、泥巖、閃長玢巖次之，平均值為2.52～2.68g/cm3；砂巖、灰巖和閃長巖密度較大，平均值均大于2.70g/cm3；巖漿巖密度變化幅度較小，而煤、泥巖、砂巖、灰巖密度范圍變化較大。②煤、泥巖、砂巖、灰巖、花崗巖磁化率較小，平均值均為1到數十10-5SI；閃長玢巖次之，平均值為441.24×10-5SI；閃長巖最大，平均值為3285.96×10-5SI。③煤的電阻率明顯較高，平均值為1.806×104Ω·m；砂巖、灰巖、閃長玢巖、閃長巖、花崗巖次之，平均值均為數千Ω·m；泥巖電阻率最低，平均值為數百Ω·m。樣品電阻率變化幅度均較大，可能與巖石中有機碳含量、礦物含量變化等因素有關。④極化率變化范圍較大，主要為0.02%～61.03%，可能與巖石碳質、黃鐵礦等含量變化有關。

4 煤系氣勘查意義

淮北煤田煤系氣資源潛力大，但勘探開發還處于起步階段，并且石炭系—二疊系煤系氣賦存富集受到巖漿活動的強烈影響，使得煤系氣賦存富集機制復雜，勘查難度大。然而，淮北煤田多為隱伏巖體，因此在淮北煤田煤系氣全面勘探開發進程中必須先摸清巖漿巖分布范圍（圖5）。現今淮北煤田煤礦勘查主要在1500m以淺，深度大于1500m的地質結構尚不清楚，尤其是深部巖體發育情況不明確。

受到徐宿推覆構造和宿北斷裂影響，淮北煤田南北地層沉積差異大。煤田北部石炭系—二疊系埋深相對較小，通過前期實施1∶5萬和1∶2.5萬磁法面積性測量，結合電法剖面測量、煤礦開采、鉆孔等成果資料，大致查明了濉蕭礦區巖漿巖主要為中性巖類和酸性巖類，呈北東向形成巖漿巖帶，自東往西巖性由中性為主變為酸性為主，推測在百善礦等深部位置存在3個巖體[38-39]（圖5）。前人研究表明淮北煤田南部宿縣、臨渙礦區的南坪向斜、宿東向斜、宿南向斜是煤層氣與頁巖氣有利富集區[30]，朱仙莊煤礦、蘆嶺煤礦、楊柳煤礦、袁店二礦等多個礦井開采中揭露了二疊系局部煤層有巖漿侵入[27，36-37]。然而，以往在煤田南部主要為應用地震方法進行煤炭勘查，隱伏巖體探測沒有得到足夠的重視，尤其是深部隱伏巖體的勘查研究較少，同時石炭系—二疊系埋深較大，受推覆構造等影響形成了大量構造煤，構造和巖漿侵入的雙重影響使得煤田南部煤系氣富集機制更加復雜。因此，有必要加強煤田南部深部探測，厘清地質結構和深部巖體分布情況。相較于地震勘探，重、磁、電聯合勘查成本更低，對環境的破壞小，探測深度較大，是當前淮北煤田煤系氣全面勘探的綠色、高效、低成本的勘查方法之一。物性差異是重、磁、電勘探的基礎，物性特征研究可以為重、磁、電勘探有效識別巖漿巖和煤系地層提供依據，為淮北煤田煤系氣有利勘探區優選提供依據，力求精準勘探。

淮北煤田石炭系—二疊系與新生界、下古生界均存在明顯物性界面（表1、圖2），煤、泥巖、砂巖、灰巖、巖漿巖等巖石有明顯物性差異（圖3、圖4），完全具備重、磁、電聯合勘查的條件。淮北煤田新生界相對于石炭系—二疊系，表現為低密度和低電阻率特征；石炭系—二疊系相對于奧陶系—震旦系，整體表現為密度較小、電阻率較低的特征。綜合分析石炭系—二疊系沉積巖和巖漿巖物性特征（表1），可知：密度上，煤明顯較小，泥巖、花崗巖、閃長玢巖中等，砂巖、灰巖、閃長巖密度較大，因此基于密度差異有效識別煤；從磁化率來看，閃長巖、閃長玢巖明顯大于其他巖石，據此可有效識別閃長巖、閃長玢巖；從電阻率來看，泥巖明顯較低，煤明顯較高，據此可以對二者進行有效識別；從極化率來看，碳質、黃鐵礦等含量高的巖石極化率較高，據此可以有效區分低有機碳含量泥巖與富有機質泥巖。

因此，后續勘探應在已有地質、地球物理、鉆探、礦井開采等資料的基礎上，從整個淮北煤田勘查區來考慮，選擇綠色、較低成本、較高效率、較大探測深度的重、磁、電磁法（時頻電磁法、復電阻率法等）進行聯合勘查，補充大比例尺勘查剖面，結合密度、磁化率、電阻率和極化率等特征推斷地質結構、含煤地層和巖漿巖分布，為煤系氣精準勘探提供依據。

5 結論

（1）相對于奧陶系—震旦系，淮北煤田石炭系—二疊系整體表現為密度較小、電阻率較低的特征。煤的密度較小，平均值為1.47g/cm3，基本為無磁性，電阻率較高，平均值為1.806×104Ω·m；泥巖密度中等，無磁性或弱磁性，電阻率明顯較低，平均值為數百Ω·m；砂巖、灰巖、閃長巖密度較大，平均值均大于2.70g/cm3，電阻率中等，平均值均為數千Ω·m；閃長巖磁化率一般較大，平均值為3285.96×10-5SI。

（2）淮北煤田石炭系—二疊系含煤地層及巖漿侵入巖具有明顯重、磁、電物性差異。建議針對淮北煤田石炭系—二疊系煤系氣，開展重、磁、電磁法（時頻電磁法、復電阻率法等）聯合勘查，厘清隱伏巖體分布規律和地質結構特征，精準劃分煤系氣勘探有利區。