淮北煤田石炭系-二疊系煤系重、磁、電物性特征及對(duì)煤系氣勘查的意義

關(guān)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(zhì)認(rèn)識(shí)和勘探開發(fā)的一個(gè)跨越式進(jìn)步[1]。煤系氣即煤系天然氣，是指煤系中煤、炭質(zhì)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(guī)煤層氣、頁巖氣、致密氣以及常規(guī)圈閉氣等[3]。煤系氣是中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向[4-5]，資源量占全國天然氣地質(zhì)資源量的60%以上[6]，但探明率及動(dòng)用率極低，距離大產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍有一定差距[7-8]。中國關(guān)于煤層氣、頁巖氣、致密氣等單一氣藏的研究與勘探開發(fā)已經(jīng)取得豐富成果[9-11]，但在薄煤層、深部煤系氣等方面缺乏關(guān)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(fā)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(fā)研究，并且在鄂爾多斯盆地東緣臨興、神府、橫山堡南等區(qū)塊煤系氣合采試驗(yàn)井取得了高產(chǎn)[15-16]。中國煤系氣“增儲(chǔ)上產(chǎn)”空間巨大，若能實(shí)現(xiàn)高效勘探開發(fā)，對(duì)中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)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(qū)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(dá)1.32萬億立方米。若能實(shí)現(xiàn)煤系氣大開發(fā)，必將改善安徽省“貧油少氣”的能源格局，對(duì)安徽省乃至華東地區(qū)保障能源資源安全和早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。目前，安徽省煤系氣勘探開發(fā)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(shù)尚未形成體系。受推覆構(gòu)造和隱伏巖體發(fā)育等影響，淮北煤田二疊系煤系氣地質(zhì)條件復(fù)雜，同時(shí)煤田內(nèi)分布大面積厚覆蓋區(qū)，勘查難度大，嚴(yán)重制約著煤系氣勘探開發(fā)進(jìn)程。

前人采用重力、磁法和電磁法（時(shí)頻電磁法、廣域電磁法）在覆蓋區(qū)[19]、低勘探程度新區(qū)[20]、碳酸鹽巖礦區(qū)[21]等復(fù)雜條件下探測(cè)油氣薄儲(chǔ)層[19]、深層油氣[20]和深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)[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(cè)煤層埋深、厚度及儲(chǔ)層識(shí)別方面取得了較好應(yīng)用效果。因此，針對(duì)淮北煤田厚覆蓋、隱伏巖體發(fā)育和深部探測(cè)等難題，考慮綠色、高效、低成本、勘探深度大等現(xiàn)實(shí)問題，綜合應(yīng)用重、磁、電方法開展淮北煤田二疊系煤系氣全面勘查?；幢泵禾锸肯怠B系（C-P）巖性分布復(fù)雜，煤、泥巖、砂巖、灰?guī)r及巖漿侵入巖均有發(fā)育，而物性差異是重、磁、電勘探的基礎(chǔ)[25]，因此需要加強(qiáng)研究不同巖石之間物性差異，為煤系氣勘探開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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(nèi)基巖露頭面積較小[26-27]。

1.1 地層

淮北煤田內(nèi)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(fā)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]?；幢泵禾铿F(xiàn)有23對(duì)生產(chǎn)礦井及多處閉坑和未利用勘查區(qū)，包括濉蕭、渦陽、臨渙和宿縣等四個(gè)規(guī)劃礦區(qū)[26]，大多被新生界覆蓋（圖1），其中：濉蕭礦區(qū)煤變質(zhì)程度普遍較高，以中高變質(zhì)煤為主；渦陽、臨渙和宿縣礦區(qū)為低中變質(zhì)煤為主，但受到巖漿侵入的煤層普遍變質(zhì)程度增高，可達(dá)到無煙煤和天然焦[27]的程度。目前，中國的煤層氣產(chǎn)量主要來自沁水盆地等高煤階煤，以區(qū)域巖漿熱變質(zhì)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(fā)育了7套厚度較大、分布較穩(wěn)定的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段，暗色泥頁巖厚度累計(jì)可達(dá)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(gòu)造

淮北煤田屬于華北板塊東南部徐宿弧構(gòu)造帶，整體呈現(xiàn)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(qū)內(nèi)主要發(fā)育北東、北西和近東西向斷裂[33-35]（圖1）?；幢泵禾镏胁堪l(fā)育一條區(qū)內(nèi)最大的斷裂—宿北斷裂，將煤田劃分為南北兩個(gè)構(gòu)造分區(qū)：北區(qū)處于徐宿弧形推覆構(gòu)造主體部位，以逆沖斷層為主，發(fā)育侏羅山式長軸褶皺；南區(qū)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(dòng)

淮北煤田區(qū)內(nèi)除王場(chǎng)、徐樓、丁里、烈山、趙集、岳集等推覆體前緣帶地區(qū)有巖體地表露頭外（圖1），其他均為隱伏巖體?；幢泵禾飪?nèi)一些花崗斑巖、閃長玢巖和輝綠巖小巖體對(duì)煤田的破壞和煤的變質(zhì)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(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)較為強(qiáng)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?yōu)闊o煙煤或天然焦，甚至吞蝕煤層，如臥龍湖煤礦等。渦陽礦區(qū)局部地區(qū)有巖漿巖活動(dòng)，主要為閃長巖類，受巖漿巖侵入的煤變?yōu)闊o煙煤或者天然焦，個(gè)別點(diǎn)煤層全被吞蝕。臨渙礦區(qū)巖漿活動(dòng)在礦區(qū)西部和北部較強(qiáng)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(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入?；幢泵禾飪?nèi)二疊系含煤地層受印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)的影響經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化，特別是燕山期煤田區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，分為四期巖漿活動(dòng)，巖漿性質(zhì)由中性變?yōu)橹兴嵝?、酸性，再到基性和超基性[33，36-37]，使得淮北煤田不同礦區(qū)巖漿侵入的期次、巖性、規(guī)模和產(chǎn)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(qū)發(fā)現(xiàn)環(huán)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(huán)紫金山巖體帶含氣量較低，沿四周含氣量則較高。巖漿活動(dòng)是含煤盆地中影響煤系氣富集的重要因素之一，而前人對(duì)淮北煤田的研究多集中在煤層氣（瓦斯）富集規(guī)律，巖漿侵入對(duì)石炭系—二疊系煤系氣資源富集機(jī)制的影響則缺乏研究。多期次、強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)影響著淮北煤田石炭系—二疊系煤、泥頁巖等生烴演化和儲(chǔ)集條件，進(jìn)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(chǎn)中已收集了大量瓦斯（煤層氣）數(shù)據(jù)，二疊系主采煤層瓦斯（煤層氣）含量在煤礦區(qū)分布規(guī)律大致清楚。但是，淮北煤田生產(chǎn)礦井以外區(qū)域和不可采薄煤層區(qū)石炭系—二疊系瓦斯（煤層氣）含量、頁巖含氣量分布規(guī)律尚不清楚，淺部隱伏中、小巖體規(guī)模尚未完全查明，深部巖體發(fā)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(fā)過程中，必須重視巖漿侵入對(duì)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(guī)律，尤其是深部巖體發(fā)育情況，這對(duì)研究區(qū)石炭系—二疊系煤系氣高效勘探開發(fā)有重要意義。

2 樣品采集與測(cè)試

安徽省勘查技術(shù)院在淮北地區(qū)承擔(dān)過大量勘查項(xiàng)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?guī)r38件），二疊系227件（其中泥巖125件、砂巖78件、煤24件），奧陶系灰?guī)r67件，寒武系150件（其中灰?guī)r118件、白云巖32件），震旦系100件（其中白云巖10件、灰?guī)r90件），閃長玢巖110件，花崗巖30件，閃長巖85件[38-39]。本次研究補(bǔ)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?guī)r1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(xì)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(guī)律、勘探開發(fā)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(diǎn)平面分布見圖1。物性測(cè)試在安徽省電法勘探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所有物性標(biāo)本全部統(tǒng)一加工成直徑24mm、高22mm的圓柱體，測(cè)試嚴(yán)格按照《巖礦石物性調(diào)查技術(shù)規(guī)程》（DD2006-03）執(zhí)行。磁化率測(cè)定儀器為BartingtonMS2型磁化率儀，電阻率、極化率測(cè)定采用SCIP型巖芯測(cè)量儀，密度測(cè)量采用GP-120S型電子密度儀。

3 重、磁、電響應(yīng)特征

3.1 地層物性特征

圖2所示為淮北地區(qū)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(shù)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(xiàn)高極化率，推測(cè)與其含黃鐵礦等有關(guān)。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?guī)r等物性特征明顯不同，表現(xiàn)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(shù)柱狀圖，可見：閃長巖密度最大，閃長玢巖次之，花崗巖最??；閃長巖磁化率明顯高于閃長玢巖和花崗巖，大多為數(shù)千10-5SI，而花崗巖磁化率為0到數(shù)10-5SI；電阻率和極化率變化范圍較大，主要與巖體性質(zhì)及其含礦性差異有關(guān)。

綜合對(duì)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?guī)r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?guī)r密度范圍變化較大。②煤、泥巖、砂巖、灰?guī)r、花崗巖磁化率較小，平均值均為1到數(shù)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?guī)r、閃長玢巖、閃長巖、花崗巖次之，平均值均為數(shù)千Ω·m；泥巖電阻率最低，平均值為數(shù)百Ω·m。樣品電阻率變化幅度均較大，可能與巖石中有機(jī)碳含量、礦物含量變化等因素有關(guān)。④極化率變化范圍較大，主要為0.02%～61.03%，可能與巖石碳質(zhì)、黃鐵礦等含量變化有關(guān)。

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(fā)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(dòng)的強(qiáng)烈影響，使得煤系氣賦存富集機(jī)制復(fù)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(fā)進(jìn)程中必須先摸清巖漿巖分布范圍（圖5）?，F(xiàn)今淮北煤田煤礦勘查主要在1500m以淺，深度大于1500m的地質(zhì)結(jié)構(gòu)尚不清楚，尤其是深部巖體發(fā)育情況不明確。

受到徐宿推覆構(gòu)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(duì)較小，通過前期實(shí)施1∶5萬和1∶2.5萬磁法面積性測(cè)量，結(jié)合電法剖面測(cè)量、煤礦開采、鉆孔等成果資料，大致查明了濉蕭礦區(qū)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?yōu)樗嵝詾橹鳎茰y(cè)在百善礦等深部位置存在3個(gè)巖體[38-39]（圖5）。前人研究表明淮北煤田南部宿縣、臨渙礦區(qū)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(qū)[30]，朱仙莊煤礦、蘆嶺煤礦、楊柳煤礦、袁店二礦等多個(gè)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(yīng)用地震方法進(jìn)行煤炭勘查，隱伏巖體探測(cè)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(shí)石炭系—二疊系埋深較大，受推覆構(gòu)造等影響形成了大量構(gòu)造煤，構(gòu)造和巖漿侵入的雙重影響使得煤田南部煤系氣富集機(jī)制更加復(fù)雜。因此，有必要加強(qiáng)煤田南部深部探測(cè)，厘清地質(zhì)結(jié)構(gòu)和深部巖體分布情況。相較于地震勘探，重、磁、電聯(lián)合勘查成本更低，對(duì)環(huán)境的破壞小，探測(cè)深度較大，是當(dāng)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(chǔ)，物性特征研究可以為重、磁、電勘探有效識(shí)別巖漿巖和煤系地層提供依據(jù)，為淮北煤田煤系氣有利勘探區(qū)優(yōu)選提供依據(jù)，力求精準(zhǔn)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?guī)r、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(lián)合勘查的條件?；幢泵禾镄律缦鄬?duì)于石炭系—二疊系，表現(xiàn)為低密度和低電阻率特征；石炭系—二疊系相對(duì)于奧陶系—震旦系，整體表現(xiàn)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?guī)r、閃長巖密度較大，因此基于密度差異有效識(shí)別煤；從磁化率來看，閃長巖、閃長玢巖明顯大于其他巖石，據(jù)此可有效識(shí)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(jù)此可以對(duì)二者進(jìn)行有效識(shí)別；從極化率來看，碳質(zhì)、黃鐵礦等含量高的巖石極化率較高，據(jù)此可以有效區(qū)分低有機(jī)碳含量泥巖與富有機(jī)質(zhì)泥巖。

因此，后續(xù)勘探應(yīng)在已有地質(zhì)、地球物理、鉆探、礦井開采等資料的基礎(chǔ)上，從整個(gè)淮北煤田勘查區(qū)來考慮，選擇綠色、較低成本、較高效率、較大探測(cè)深度的重、磁、電磁法（時(shí)頻電磁法、復(fù)電阻率法等）進(jìn)行聯(lián)合勘查，補(bǔ)充大比例尺勘查剖面，結(jié)合密度、磁化率、電阻率和極化率等特征推斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含煤地層和巖漿巖分布，為煤系氣精準(zhǔn)勘探提供依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）相對(duì)于奧陶系—震旦系，淮北煤田石炭系—二疊系整體表現(xiàn)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(shù)百Ω·m；砂巖、灰?guī)r、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(shù)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(duì)淮北煤田石炭系—二疊系煤系氣，開展重、磁、電磁法（時(shí)頻電磁法、復(fù)電阻率法等）聯(lián)合勘查，厘清隱伏巖體分布規(guī)律和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，精準(zhǔn)劃分煤系氣勘探有利區(qū)。