沁水盆地構(gòu)造熱演化史研究

王千瑋，張遂安，盧凌云，馬雄強(qiáng)，夏立滿，孫延明

（1.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.山西省國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，太原 030006）

沁水盆地構(gòu)造熱演化史研究

王千瑋1，張遂安1，盧凌云2，馬雄強(qiáng)1，夏立滿1，孫延明1

（1.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.山西省國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，太原 030006）

為了研究沁水盆地構(gòu)造熱演化史，需要恢復(fù)不同地史時期的古地溫梯度、煤系古地溫和古埋深。在分析研究各種已有方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，根據(jù)沁水盆地的實際，總結(jié)出了一套較為完善的恢復(fù)地?zé)崾返姆椒ǎ杭匆袁F(xiàn)今地溫梯度將今論古，通過古地溫計多重驗證，不但考慮到地殼的冷卻系數(shù)、不同構(gòu)造單元內(nèi)的區(qū)域地?zé)釄鎏卣骱筒顒e，同時也將巖石的熱物理性質(zhì)體現(xiàn)到模式中去。根據(jù)恢復(fù)的地?zé)崾罚M計算了鏡煤反射率值。經(jīng)與實測鏡煤反射率值對比發(fā)現(xiàn)，計算值與實測值基本近似。說明這一方法可以恢復(fù)地史各個時期的古地溫梯度及煤系古地溫，同時大大提高了古地溫梯度的精確度和可信度。

沁水盆地；構(gòu)造熱演化史；地?zé)崾?/p>

0 引言

本文選用了居于煤系中部含煤性較好的代表層位——山西組底部作為目的層，以闡述沁水盆地石炭二疊紀(jì)煤系煤化史研究的方法、原理和煤化史總體特征，恢復(fù)后的不同地史時期的古地溫梯度，煤系古地溫和古埋深，可模擬地史各時期的煤化程度。

在這項研究中，我們對構(gòu)造史研究，地?zé)崾贩治龊兔夯纺M等都作了補(bǔ)充和發(fā)展，所以本文按原理及流程，構(gòu)造和埋藏史，地?zé)崾贩治龊兔夯肪C述的順序來闡明我們對方法的改進(jìn)、技術(shù)的進(jìn)展和煤化史成果。

1 煤的熱演化史模擬方法

占煤化學(xué)成分90%以上的不溶有機(jī)質(zhì)為干酪根，其生烴過程是一種熱降解過程，基本上符合化學(xué)動力學(xué)的一級反應(yīng)?？捎没瘜W(xué)動力學(xué)中的一級反應(yīng)原理來模擬干酪根的熱降解歷史[1-6]。

在化學(xué)動力學(xué)中，凡反應(yīng)速度只與反應(yīng)物的濃度的一次方成正比者，稱為一級反應(yīng)[7]。即在任何瞬間，反應(yīng)速度僅與當(dāng)時該物質(zhì)所存在的濃度有關(guān)，即：

式中：c——反應(yīng)物在瞬間的濃度，mol/m3；

t——反應(yīng)時間，Ma；

k——反應(yīng)速度常數(shù)，Ma-1。

負(fù)號表示物質(zhì)濃度隨反應(yīng)進(jìn)行而減少。這里的k反應(yīng)速度常數(shù)滿足阿倫尼烏斯（Arrhenius）反應(yīng)速度的指數(shù)定律公式[8-10]：

式中：T——反應(yīng)溫度，K；

A——頻率因子，Ma-1；

E——反應(yīng)的活化能，kJ/mol；

R——氣體常數(shù)，J/（mol·K）。

由阿倫尼烏斯公式可知，反應(yīng)活化能越大，反應(yīng)速度隨溫度變化越強(qiáng)烈。反應(yīng)速度常數(shù)時溫度的函數(shù)，隨著溫度的升高，反應(yīng)速度呈指數(shù)增大。

由于煤化程度是熱效應(yīng)的累加結(jié)果，所以在t時間內(nèi)，反應(yīng)時間（t）和反應(yīng)物（干酪根）濃度之間的關(guān)系為瞬間關(guān)系的積分。即：

積分整理可得，

式中：c0——反應(yīng)物原始濃度，mol/m3。

阿倫尼烏斯公式闡明，溫度每升高10℃，反應(yīng)速度大約增加一倍。洛帕京承認(rèn)這一規(guī)律。韋甫萊斯（1980）將反應(yīng)速度因子k用溫度因子來代替。即r1= rn。式中r1溫度因子，n為溫度指數(shù)。韋甫萊斯應(yīng)用了世界上31口井402個樣品的成熟度資料，分別研究了r=1.0～10不同值的TTI與R0的對應(yīng)關(guān)系，關(guān)系甚佳的r值為1.6～2.5。由于沒有更充分的證據(jù)表明可選擇更合適的r值，故選取中間值r=2。其含義是：溫度每升高10℃，反應(yīng)速度增加一倍。即r1= 2n。溫度指數(shù)n，洛帕京將100℃～110℃定為基礎(chǔ)溫度區(qū)間，取該溫度區(qū)間的n值為零（n=0）。在此基礎(chǔ)上，溫度每增加10℃，n值增加1；每減少10℃，n值減少1。為便于計算，可用下式來表達(dá)這一關(guān)系。即：

n=INT（T/10）-10

式中：INT為取整函數(shù)。

鑒于成熟度（煤化程度）為時間和溫度的函數(shù)，所以將這一指標(biāo)稱為有機(jī)質(zhì)成熟度（煤化程度）的時間-溫度指標(biāo)，韋甫萊斯表示為TTI（Time-Tempera?ture Index）。那么，有機(jī)質(zhì)在某一溫度區(qū)間內(nèi)，經(jīng)歷幾百萬年之后，其成熟度為：

TTIn=2ntn

式中：tn——煤層在埋藏歷史中，溫度每增加10℃煤所受熱的各區(qū)間的時間間隔，Ma。

煤在其變質(zhì)歷史中，往往經(jīng)歷若干溫度區(qū)間。每個溫度區(qū)間的實際溫度與其受熱時間對變質(zhì)程度的貢獻(xiàn)是2n·tn。整個變質(zhì)歷史的總成熟度為：

nmin和nmax表示其所處最低和最高溫度區(qū)間的n值。一般認(rèn)為，在50℃以下，煤化作用不明顯。所以nmin一般不小于-5。

TTI值是煤化程度的一種時間-溫度指標(biāo)，它與煤化程度鏡煤反射率（R0）指標(biāo)有著一定的對應(yīng)關(guān)系。韋甫萊斯總結(jié)了世界上31個地區(qū)的資料，將TTI值與R0值的對應(yīng)關(guān)系列成表[10-16]。為計算方便，我們將這組數(shù)據(jù)分段回歸（表1）。由計算機(jī)自動將TTI換算成R0，并將其換算成對應(yīng)的煤階。

表1 TTI-R0換算關(guān)系表Table 1 TTI-R0conversion table

煤化史研究是以構(gòu)造史、沉積埋藏史和地?zé)崾费芯繛榛A(chǔ)，經(jīng)TTI計算，最后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的煤階。其流程如下（圖1）。

圖1 構(gòu)造-熱演化史研究流程圖Figure 1 Tectonic-geothermal evolution history research flow chart

2 沁水盆地地?zé)崾贩治?/h2>

地?zé)崾费芯窟€是一個正在探索的領(lǐng)域?；謴?fù)古地溫的主要方法有兩種。其一是利用地層中的古地溫計來恢復(fù)古地溫。這是一種直接法。鏡煤反射率是比較敏感的地溫計，被公認(rèn)為最可靠的古地溫計[17-23]。但我們在研究中發(fā)現(xiàn)，既然鏡煤反射率是煤的變質(zhì)程度的物理指標(biāo)，它又是煤層所經(jīng)受的溫度和受熱時間的函數(shù)。那么，它不是真正好的單因素古地溫計。況且，我們研究的目標(biāo)是使模擬計算的結(jié)果與實測鏡煤反射率逼近。則用鏡煤反射率恢復(fù)的地?zé)崾酚嬎忝夯潭龋苍S可以得到很好的對應(yīng)相關(guān)性。但畢竟是自身驗自身，使煤化史模擬結(jié)果可信度降低。同時，利用鏡煤反射率恢復(fù)古地溫法是建立在這一地溫計連續(xù)的地區(qū)的模式。對解決中間缺失型埋藏史地區(qū)雖然也取得了較好的效果，但還存在著一個古地溫不整合的問題。根據(jù)牙行刺色變指標(biāo)和孢粉色變指標(biāo)所求的古地溫是最高古地溫（我們稱之為最高古地溫計），并且是一個溫度的范圍值，不利于煤化歷史的研究。這兩種最高古地溫計往往被用于煤系埋藏時間短，煤系在高溫條件下短期內(nèi)發(fā)生快速變質(zhì)的地區(qū)。顯然，像沁水盆地這種典型的V型埋藏史地區(qū)，采用這種古地溫計法恢復(fù)地?zé)崾凡惶m用。另一方面，沁水盆地的煤系上覆地層有較厚的紅色地層。三疊系以新地層缺失，地溫計不連續(xù)。要用僅有二百米左右的煤系中的古地溫計來恢復(fù)三千米厚地層的地?zé)崾芳盁o地層記錄的地?zé)崾肥遣豢茖W(xué)的。其二是大地?zé)崃髦捣ǎ@是一種間接方法。這一方法更不成熟。

在研究沁水盆地煤系受熱歷史的過程中，我們分析了各種方法的特點和缺陷，根據(jù)沁水盆地的實際，總結(jié)出了一套較為完善的恢復(fù)地?zé)崾返姆椒?。下面將這一方法的原理和流程分四個問題進(jìn)行簡要論述。

1）熱源分析：就整個沁水盆地區(qū)域地溫場來講，我們認(rèn)為放射性熱源是很微弱的。煤系及其上覆地層的γ測井和地溫測井，均未發(fā)現(xiàn)γ異常和地溫異常。足以證明無放射性物質(zhì)富集現(xiàn)象，更談不上熱源。關(guān)于巖漿熱問題，爭議較大。有人認(rèn)為沁水盆地石炭二疊紀(jì)煤系煤的變質(zhì)程度只所以能較廣大的華北地區(qū)的石炭二疊紀(jì)煤系變質(zhì)程度高，主要是受巖漿熱的作用而致。但是，沁水盆地不但未有大規(guī)模巖漿巖出露，航磁資料也沒有存在大型巖體的跡象。僅僅依據(jù)盆緣出露的為數(shù)不多的小型火成巖定為該區(qū)以巖漿熱變質(zhì)為主證據(jù)是不充分的。相比之下，區(qū)域地?zé)釄鍪遣豢煞裾J(rèn)的。其熱源主要是來自地球深部的熱量。同時，地殼隆起，使之由穩(wěn)定區(qū)變?yōu)榛顒訋Ф責(zé)釄霰惶臒崾录?，在沁水盆地也是占有相?dāng)?shù)匚坏摹?/p>

印支燕山運(yùn)動使地殼拱隆，太行山斷隆帶形成。將其由原來穩(wěn)定地臺構(gòu)造體制和大地?zé)狍w制變?yōu)橹行律鷺?gòu)造活動地區(qū)，大地?zé)崃髦翟龈?。表現(xiàn)在地?zé)釄錾蠟閰^(qū)域地?zé)釄霰尘爸堤Ц摺Ｒ虼宋覀冊诨謴?fù)古地溫時，在中侏羅世至老第三紀(jì)，在區(qū)域地?zé)釄霰尘吧系右粋€以白堊紀(jì)末為最高峰的熱源。從而圓滿地解釋了沁水盆地石炭二疊紀(jì)煤系變質(zhì)程度高于華北大部分地區(qū)的石炭二疊紀(jì)煤系的變質(zhì)程度的原因。

2）熱源模型的簡化：為簡化模型，我們將具有較高熱導(dǎo)率較低地溫梯度的煤系下覆基底-奧陶系定為煤系的“直接熱源”（為一假設(shè)熱源，而并不是真正的熱源。真正的熱源是地球內(nèi)部的熱源）。因無論來自地球深部的熱流在奧陶系以下的地層及巖石圈如何傳遞，但來自深處的熱都是由奧陶系傳遞給煤系的。奧陶系本身熱導(dǎo)率很高，地溫梯度較低（1.5℃/100 m）。煤系及以上地層覆蓋后，因這些地層熱導(dǎo)率較小，形成了“熱屏障”。而使奧陶系可以被假定為一個相對的直接熱源[24-26]。這一觀點賴維民（1981）和周興熙（1982）都曾提出過。這一假設(shè)合理地大大簡化了地溫模型。這一簡化對廣大的華北地區(qū)石炭二疊紀(jì)煤系的研究，都有普遍的實際意義。

3）恢復(fù)古地溫梯度的方法及原理：古地溫研究的最主要問題是恢復(fù)各地史時期的古地溫梯度。不同時期不同層段的地溫梯度的大小，取決于大地?zé)崃髦岛蛶r石熱導(dǎo)率。其關(guān)系為：

G=q/k

式中：G——地溫梯度，℃；

q——大地?zé)崃髁恐?，cal/(m2·s)；

k——巖石熱導(dǎo)率，cal/（m·s·℃）。

熱導(dǎo)率是巖石的一種熱物理屬性，對某一特定地區(qū)某一地層層段來說，巖石熱導(dǎo)率可以近似地視為一個常量。而大地?zé)崃髦岛偷販靥荻榷际堑貙訙囟炔畹睾瘮?shù)。所以，可把恢復(fù)古地溫的問題簡化為恢復(fù)各地史時期的古地表溫度和各層段溫度差。古地溫差與其厚度之比即為該段的當(dāng)時古地溫梯度。

基于奧陶系作為直接熱源，地殼冷卻系數(shù)為0.04（每百萬年地殼冷卻的溫度）和古地溫梯度為當(dāng)時地層溫度差與其厚度之比這三點，可建立如下溫度模型。即

式中：Ct——距今t百萬年時古地溫梯度，℃/100 m；

t——距今年今（百萬年），Ma；

H——距今七百萬年時奧陶系頂埋深，m；

Ht——為某地層層段厚度,m；

G0——現(xiàn)今地溫梯度，℃/100 m。

現(xiàn)今地溫梯度G0是恢復(fù)古地溫梯度的關(guān)鍵參數(shù)。它的選用正確與否直接影響到所恢復(fù)的古地溫梯度的精度?，F(xiàn)今地溫梯度對穩(wěn)定地區(qū)來講也許不是什么難題，區(qū)域地溫場穩(wěn)定，容易獲取正確的G0。而這種沉抬剝蝕型地區(qū)，煤系基底乃至煤系都存在遭受剝蝕的地區(qū)，冷水倒灌嚴(yán)重，表現(xiàn)在地溫梯度上各處差異甚大。據(jù)我們掌握的地溫資料看來，沁水盆地中部的地溫梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于盆緣地帶。在盆緣地溫梯度低的僅為0.6℃/100 m左右，平均1℃/100 m左右。特別是煤系基底出露地區(qū)更低。這說明受冷水倒灌嚴(yán)重，這些資料是不能反映區(qū)域地溫場特征的。居于盆地中部的沁3，沁4井地溫梯度就是別一種情況了。位于構(gòu)造至高點的沁3井地溫梯度為：石盒子組2.1℃/100 m，山西組3.3℃/100 m，太原組3.1℃/100 m，奧陶系1.5℃/100 m。位于該構(gòu)造東翼次一級構(gòu)造高點的沁4井，上下石盒子組地溫梯度為2.6℃/100 m。取山西組為3.3℃/100 m，太原組為3.1℃/100 m，煤系上覆地層為2.6℃/100 m，平均地溫梯度為3℃/100 m。符合全國地溫梯度變化趨勢。

現(xiàn)代大地?zé)崃髦笛芯砍晒恢鹿J(rèn)，穩(wěn)定地臺區(qū)的大地?zé)崃髦当容^穩(wěn)定，各處地溫梯度差別較小。所以，考慮到沁水盆地在侏羅紀(jì)之前，原本與華北同為一體，屬穩(wěn)定的地臺型大地?zé)崃黧w制。則借用華北地區(qū)地溫梯度來恢復(fù)這段同類構(gòu)造屬性的古地溫可能更接近實際?，F(xiàn)今華北地區(qū)地溫梯度在3～4℃/100 m內(nèi)。因燕山、喜山運(yùn)動的影響，其大地?zé)崃髦涤兴，F(xiàn)今華北地區(qū)大地?zé)崃髦灯骄鶠?.22HFU，較世界同類地區(qū)（一般為0.98±0.24HFU）為高。所以，為排除這一干擾，可取3.4℃/100 m作為計算參量G0，借以恢復(fù)沁水盆地石炭紀(jì)至侏羅紀(jì)古地溫梯度。當(dāng)然，3.4℃/100 m是一平均值?？紤]到熱導(dǎo)率的差異，太原組應(yīng)取3.516℃/100 m，山西組取3.744℃/100 m，煤系以上地取值為2.95℃/100 m。

在模擬中，最終參與煤化史模擬的是煤系的古地溫。古地溫是一個動態(tài)參量，它為當(dāng)時古地表溫度和地表溫度與煤系溫度差之和。溫度差為當(dāng)時的古地溫梯度與其地層厚度乘積。那么，煤系某一時期的古地溫為：

Tt=T0t+GPt×HP+Git×Hi

式中：Tt——距今t百萬年時山西組底溫度，℃；

T0t——距今t百萬年時地表溫度，℃；

GPt——距今t百萬年時山西組地溫梯度，℃/ 100m；

HP——山西組厚度，m；

Git——距今t百萬年時煤系上覆地層的古地溫梯度，℃/100m；

Hi——煤系上覆地層厚度，m。

那么，古地表溫度主要是利用沉積環(huán)境、巖相古地理的研究成果及古生物、古生態(tài)研究，定性地確定。周興熙等人就將華北石炭二疊紀(jì)古地表溫度定為20℃。我們在研究過程中，除利用上述方法作定性分析外，我們還作了定量計算嘗試，效果良好。即利用氧同位素計算古Tot，據(jù)我院在太原西山所做地工作表明，太原組灰?guī)r氧同位素為-8‰～-10‰。據(jù)Craig計算古溫度公式求得，石炭紀(jì)地表溫度至少在30℃左右。古緯度測定結(jié)果[11]支持了這一結(jié)果。該區(qū)在二疊紀(jì)時處于北緯14.8°，相當(dāng)于中國現(xiàn)今地西沙群島.可見，當(dāng)時地表溫度為30℃是可信的。三疊紀(jì)時移至北緯17°。以后各時期未做工作，按逐漸降溫處理。現(xiàn)今地表溫度取常年平均氣溫（10℃左右）為計算值。

4）古地溫及其驗證：如上所述，古地溫恢復(fù)分為兩個階段，石炭-侏羅紀(jì)按穩(wěn)定地區(qū)處理，侏羅紀(jì)至今按中新生代構(gòu)造活動區(qū)對待。經(jīng)過對近三十個點的恢復(fù)，證明該區(qū)煤系由沉積到侏羅紀(jì)是一逐漸升溫的歷史。由沉積時的30℃左右，到三疊紀(jì)末埋藏深度達(dá)3 000 m，山西組底部地溫已有130℃左右。之后，隨燕山熱事件致使大地?zé)崃鞅尘爸堤Ц?。侏羅紀(jì)雖地殼已處抬升階段，但地溫仍在上升，侏羅紀(jì)末山西組底可達(dá)140℃左右。以后，因抬升剝蝕，冷水倒灌等作用，該區(qū)煤系地溫速度降低，尤其是盆緣地區(qū)。從地?zé)崾方嵌葋碇v，沁水盆地石炭二疊紀(jì)煤系經(jīng)歷了石炭二疊紀(jì)逐漸升溫，侏羅紀(jì)快速增溫，白堊紀(jì)以來快速降溫的地?zé)崾贰?/p>

上述地?zé)崾纷C明山西組底部最高古地溫曾達(dá)到過140℃左右。這與我們所測定的牙形刺色變指標(biāo)CAI值而恢復(fù)的最高古地溫基本一致。在沁水盆地西緣，我們采集了太原組內(nèi)K2，K3，K4灰?guī)r中牙形刺樣品，其色變指數(shù)CAI值為2.5～3。所對應(yīng)的溫度為90℃～200℃。其中值恰是145℃。

為驗證整個地?zé)崾罚覀兝脤囟茸顬槊舾械溺R煤反射率指標(biāo)作了進(jìn)一步校對。根據(jù)恢復(fù)的地?zé)崾罚M計算了鏡煤反射率值。經(jīng)與實測鏡煤反射率值對比發(fā)現(xiàn)，計算值與實測值基本近似(表2)。

表2 山西組底部鏡煤反射率實測值與計算值對比表Table 2 Comparison table of Shanxi Formation bottom vitrinite reflectance measured values and computed values

5）誤差分析:之所以還存在著一定的誤差值，其原因有兩點:一是實測資料是山西組底附件煤層的鏡煤反射率資料，而計算的是山西組底，有一定埋深差。但關(guān)鍵的是計算依據(jù)是區(qū)域特征，而實測為一點；二是數(shù)學(xué)模擬過程的原理誤差和數(shù)學(xué)誤差。

3 結(jié)論

（1）利用地層中的古地溫計來恢復(fù)古地溫的方法具有局限性和不準(zhǔn)確性，不適用于沁水盆地地?zé)崾费芯浚?/p>

（2）得出適合一套較為完善的恢復(fù)沁水盆地地?zé)崾返姆椒ǎ杭匆袁F(xiàn)今地溫梯度將今論古，通過古地溫計多重驗證，不但考慮到地殼的冷卻系數(shù)，不同構(gòu)造單元內(nèi)的區(qū)域地?zé)釄鎏卣骱筒顒e，同時也將巖石的熱物理性質(zhì)體現(xiàn)到模式中去。

（3）根據(jù)恢復(fù)的地?zé)崾?，模擬計算了鏡煤反射率值，計算值與實測值基本近似。說明這一方法可以恢復(fù)地史各個時期的古地溫梯度及煤系古地溫，同時大大提高了古地溫梯度的精確度和可信度。

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Tectonic Thermal Evolution History in Qinshui Basin

Wang Qianwei1,Zhang Suian1,Lu Lingyun2,Ma Xiongqiang1,Xia Liman1and Sun Yanming1
(1.China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249; 2.Shanxi Provincial Guoxin Energy Development Group Co.Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030006)

To study tectonic thermal evolution history in the Qinshui Basin,need to recover paleogeothermal gradient,coal measures pa?leogeotemperature and paleo-buried depth during different geological times.On the basis of available method merits and faults assess?ment,according to the reality of Qinshui Basin,summarized a set of relatively perfect methods to recover geothermal history.Taking the present geothermal gradient to infer paleogeotemperature,through paleogeothermometer multiple authentication,not only has consid?ered earth crust cooling factor,regional geothermal field features and difference between different tectonic elements,but also embodied the rock thermophysical properties into the model.Based on recovered geothermal history,has simulatively computed vitrinite reflec?tance values.Through comparison with measured values have found they are basically approximate.Thus,the method can recover vari?ous geological times paleogeothermal gradient and coal measures paleogeotemperature,and moreover can greatly improve paleogeother?mal gradient accuracy and reliability.

Qinshui Basin;tectonic thermal evolution history;geothermal history

P618.13

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.03

1674-1803(2017)03-0010-05

國家油氣重大專項（ZX20160241）——臨興-神府地區(qū)煤系地層煤層氣、致密氣、頁巖氣合采示范工程-產(chǎn)層組壓裂裂縫穿層致裂模擬技術(shù)研究

王千瑋（1992—），女，山西陽泉人，碩士研究生，研究方向：煤層氣勘探與開發(fā)。

2016-12-01

責(zé)任編輯：宋博輦