大別造山帶鐵路隧道氣體燃燒的地質(zhì)意義

雷敏 柳忠泉 陳云鋒

中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院

大別造山帶鐵路隧道氣體燃燒的地質(zhì)意義

雷敏 柳忠泉 陳云鋒

中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院

雷敏等.大別造山帶鐵路隧道氣體燃燒的地質(zhì)意義.天然氣工業(yè),2010,30(4):16-19.

目前合肥盆地的油氣勘探工作主要沿用中國東部盆地的勘探成功經(jīng)驗(yàn),工作重點(diǎn)以“中新生代盆地系統(tǒng)”為主,迄今尚無實(shí)質(zhì)性的油氣突破。大別造山帶和合肥盆地是緊密相連的2個構(gòu)造單元,在形成和時(shí)空演化上具有密切的關(guān)系。在大別造山帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)的可燃天然氣和發(fā)生燃燒的隧道具有明顯的區(qū)域性,集中分布于磨子潭—曉天斷裂以南的北大別雜巖帶和信陽—舒城斷裂附近的早石炭世變質(zhì)石英片巖中。通過對大別山區(qū)隧道燃燒現(xiàn)象的系統(tǒng)分析,結(jié)合大別造山帶、合肥盆地的演化特征和海相烴源巖發(fā)育狀況,結(jié)論認(rèn)為:磨子潭—曉天斷裂和信陽—舒城斷裂是連通深部的氣源通道斷裂;推覆體之下的寒武系鳳臺組和北淮陽型石炭系2套海相烴源巖是隧道可燃天然氣的主力氣源巖,且其均已進(jìn)入熱演化的過成熟階段。因此,下一步勘探重心應(yīng)從“中新生代盆地系統(tǒng)”轉(zhuǎn)移到“深部海相層系”,以尋找“古生古儲”或“古生新儲”類型油氣藏為主。

大別造山帶 鐵路隧道 天然氣 海相沉積 烴源巖 推覆體 勘探重點(diǎn) 合肥盆地

合武鐵路為合肥至武漢的客運(yùn)專線鐵路,途徑位于大別山的金寨區(qū)段。該區(qū)段河谷深切,相對高差最大達(dá)500m,共設(shè)計(jì)施工了17座隧道。自2005年10月28日～2006年1月9日,紅石巖、五福堂、九斗沖、周家坳、金寨、汀筒溝和喬家山隧道在施工過程中先后發(fā)生了不同程度的氣體燃燒現(xiàn)象,尤其是長達(dá)7857m的紅石巖隧道曾發(fā)生過多次燃燒。片麻巖隧道出現(xiàn)可燃?xì)獾默F(xiàn)象是極其罕見的,筆者主要通過對大別造山帶合武鐵路金寨區(qū)段區(qū)域性片(麻)巖隧道燃燒現(xiàn)象的系統(tǒng)分析,結(jié)合大別造山帶、合肥盆地的演化特征和海相烴源巖發(fā)育狀況,探討合肥盆地油氣勘探前景及下一步的勘探思路。

1 合武鐵路隧道燃燒現(xiàn)象及組分分析

1.1 隧道施工中炮后燃燒情況

2005年10月19日,合武鐵路紅石巖隧道(里程DK181+373～DK189+230)出口工區(qū)開始進(jìn)洞施工,按上下臺階法開挖。2005年10月28日22時(shí),在掌子面爆破后的碴堆間隙發(fā)現(xiàn)燃燒的火焰,此處距隧道口約10m,火焰為淡藍(lán)色,燃燒面積直徑為0.5～1.0m,燃燒3～5min后熄滅,洞內(nèi)無異常氣味。2005年12月10日挖至距隧道口約130m時(shí),碴堆再次發(fā)生燃燒現(xiàn)象。為此,合武鐵路安徽有限公司加強(qiáng)了監(jiān)測,2005年12月15日下午放炮后瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.7%,未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象;12月17日,在隧道出口檢測到炮后最大瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.09%,未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。紅石巖隧道以淺紅色二長片麻巖為主,先后發(fā)生了20余次燃燒[1]。其后五福堂、九斗沖、周家坳、金寨、汀筒溝和喬家山隧道也先后發(fā)生了不同程度的氣體燃燒現(xiàn)象。

出現(xiàn)可燃?xì)獾乃淼婪秶鸀镈K150+000～DK203+000,鐵路里程為53km,該區(qū)間共有17座隧道。燃燒的7座隧道中有6座連續(xù)分布在磨子潭—曉天斷裂以南的北大別雜巖帶,6座隧道總跨度22km,其中隧道總長度大于10km,燃燒部位以元古界片麻巖為主;僅磨子潭—曉天斷裂以南的金寨隧道在早石炭世變質(zhì)石英片巖中發(fā)生燃燒。

1.2 氣體組分分析

紅石巖等6座隧道燃燒火焰呈藍(lán)色或藍(lán)紅色,燃燒前后無異常刺鼻氣味,從燃燒火焰和燃燒后的氣味判斷,氣體中不含硫化氫、二氧化硫組分(或這類氣體含量極低)。為查明隧道燃燒原因,消除安全隱患,施工單位分別對紅石巖隧道出口和九斗沖隧道進(jìn)口的巖石碴塊吸附氣體及放炮前后氣體進(jìn)行了采樣分析[2]。

在紅石巖隧道出口(DK188+995.5、DK188+993.5、DK189+092.5)處,采集氣樣4袋、渣塊2.5kg (DK189+092.5)。在九斗沖隧道于隧道頂部4個鉆孔中取炮前氣體樣品,炮后取氣樣2袋、碴塊2.0kg。上述樣品均是在放炮后無燃燒的情況下采集的,反映了炮后的真實(shí)組分含量。經(jīng)分析氣體組分較復(fù)雜,包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和一氧化碳等,其中甲烷最高含量達(dá)到1906.7μg/g(表1),一氧化碳含量也比較高。這與常規(guī)煤系地層的瓦斯組分有一定差別,燃燒氣體主要為烴類氣體。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

大別造山帶夾持于華北和揚(yáng)子板塊之間,其北麓為合肥盆地。合肥盆地經(jīng)歷了基底形成、類前陸、斷陷、構(gòu)造反轉(zhuǎn)等階段的演化,基底變形和盆地發(fā)育受到大別造山帶的控制。在盆地?cái)嘞蓦A段,合肥盆地處于環(huán)太平洋構(gòu)造體制的控制之下,但大別造山帶仍表現(xiàn)出明顯的控制作用和良好的構(gòu)造耦合關(guān)系。根據(jù)地質(zhì)、地球物理和同位素年代學(xué)資料,可重塑大別造山帶和合肥盆地的構(gòu)造演化史。

1)克拉通—被動大陸邊緣盆地階段(Pt3—O2)。從晚元古代開始,大致以欒川—確山—固始—肥中斷裂為界,其北為穩(wěn)定克拉通的構(gòu)造—沉積環(huán)境;其南則因北秦嶺裂谷的繼續(xù)發(fā)展,逐漸變成比較成熟的被動大陸邊緣盆地[3];合肥盆地西緣四十里長山地區(qū)出露的震旦系、寒武系及奧陶系,特別是下寒武統(tǒng)鳳臺組低位斜坡扇水下重力流礫屑灰?guī)r厚度超過100m,是其北部的淮南、鳳臺地區(qū)鳳臺組礫屑灰?guī)r厚度的2倍以上,且與丘狀層理砂質(zhì)灰?guī)r互層,說明四十里長山地區(qū)的鳳臺組已經(jīng)屬于較深水的陸棚斜坡環(huán)境下的產(chǎn)物。其上部發(fā)育了一套厚約150m的灰綠色、灰黑色頁巖和碳質(zhì)頁巖,大致相當(dāng)于淮南地區(qū)猴家山組底部的含磷礦層頁巖(厚度為15～25m)。在猴家山組見到了上斜坡環(huán)境下發(fā)育的同生變形層理?xiàng)l帶狀泥晶灰?guī)r及下斜坡環(huán)境鈣屑濁積巖。上述地質(zhì)現(xiàn)象充分說明了四十里長山地區(qū)的鳳臺組、猴家山組是華北被動大陸邊緣盆地的沉積代表。

2)克拉通—(弧后)前陸盆地階段(D3—T1)。從盆地南緣商城、固始至金寨一帶出露的石炭系地層來看,總體為一套近源含煤磨拉石建造[4],而淮南地區(qū)出露的上石炭統(tǒng)—二疊系為穩(wěn)定地臺型近海三角洲—潮坪含煤碎屑巖建造,從當(dāng)時(shí)海盆向南開口[5]及物源來自其北部的華北地臺看,應(yīng)屬華北大陸南邊緣海的北部海岸沉積。因此典型華北型煤系地層主要分布于肥中斷裂以北,肥中斷裂以南逐漸增厚,說明石炭—二疊紀(jì)時(shí)期桐柏—大別山以北地區(qū)為統(tǒng)一的盆地。這與南緣石炭系發(fā)育齊全而北緣僅發(fā)育上石炭統(tǒng)的事實(shí)相吻合。

3)前陸褶沖帶的形成時(shí)間及超高壓變質(zhì)巖的同位素測年結(jié)果表明,南北陸塊在二疊紀(jì)末—三疊紀(jì)初碰撞[6],前陸帶的褶皺沖斷變形、合肥盆地基底的向北逆沖構(gòu)造就此形成。

4)古地磁研究表明:南北板塊的持續(xù)會聚與陸內(nèi)俯沖作用可延續(xù)到中侏羅世[7],滸灣—廬鎮(zhèn)關(guān)剪切帶南側(cè)的大別山由于揚(yáng)子板塊的持續(xù)俯沖進(jìn)一步隆起,其上揚(yáng)子板塊的廬鎮(zhèn)關(guān)群和佛子嶺群變質(zhì)巖層向北滑脫、擴(kuò)展并在其前緣形成褶皺沖斷帶,超高壓變質(zhì)巖在底板沖斷層和頂板正斷層的雙重作用下快速折返,此時(shí)在華北板塊南緣形成前陸盆地,開始接受侏羅系沉積。

5)晚侏羅世末—早白堊世的燕山運(yùn)動以大規(guī)模的構(gòu)造—巖漿作用為特征。大別山核部變質(zhì)巖、北淮陽構(gòu)造帶及合肥盆地普遍有偏堿性—堿性火山巖覆蓋。稍后大別山核部因碰撞后的伸展作用及巨量花崗巖侵位而差異隆起,大部分火山巖因后期抬升而剝蝕。滸灣—廬鎮(zhèn)關(guān)剪切帶北側(cè)進(jìn)一步坳陷,接受黑石渡組的火山—碎屑巖沉積。早白堊世末期,由于郯廬斷裂的左行平移[8],西側(cè)的華北板塊向南俯沖到揚(yáng)子板塊之下[9],磨子潭—曉天斷裂南側(cè)的北大別雜巖逆沖到曉天盆地黑石渡組之上,并導(dǎo)致合肥盆地萎縮,大別山進(jìn)一步抬升。

6)晚白堊世—古近紀(jì),中國東部總體受伸展構(gòu)造所控制,以發(fā)育盆嶺構(gòu)造為特征。大別山因重力均衡作用而進(jìn)一步抬升,四周斷陷;在區(qū)域伸展作用下,合肥盆地的邊界斷層轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬?合肥盆地成為斷陷盆地。新近紀(jì)以來,在區(qū)域擠壓背景下,合肥盆地進(jìn)入構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段,盆地抬升剝蝕,結(jié)束盆地沉積。

3 氣源條件

3.1 氣體儲集空間

片麻巖隧道出現(xiàn)可燃?xì)獾默F(xiàn)象是極其罕見的——因?yàn)槠閹r本身不具備生成可燃?xì)獾臈l件。通過資料收集和現(xiàn)場觀察,發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)位置均為構(gòu)造裂隙較發(fā)育的破碎帶,破碎帶巖石呈碎塊狀,巖塊上構(gòu)造錯動和褶皺強(qiáng)烈,裂隙中有明顯的未充填孔洞,局部含有黃鐵礦,而巖石較完整地段均未出現(xiàn)炮后燃燒,說明破碎帶中的裂隙空間是可燃?xì)獾闹饕獌臻g。

3.2 氣源分析

天然氣的各組分結(jié)構(gòu)簡單,分子、密度、黏度和吸附能力都較小,故具有運(yùn)移快、易溶解、易擴(kuò)散和易揮發(fā)的特點(diǎn)。在開放系統(tǒng)中,氣體從高濃度向低濃度擴(kuò)散運(yùn)動;從溫度高處向溫度低處擴(kuò)散運(yùn)動。因此,對于賦存于地下巖層中的天然氣而言,擴(kuò)散制約了天然氣長期保存,相對上覆地層,氣體濃度和溫度通常都是高的,無論蓋層如何好,氣體都向上擴(kuò)散運(yùn)移,特別是在近地表的狀態(tài)下(燃燒部位破碎帶往往都是通達(dá)地表的,處于半開啟或開啟狀態(tài)),若無氣源繼續(xù)供給,上述隧道天然氣現(xiàn)今是難以保存的。

從合武鐵路隧道燃燒情況分析,可燃?xì)鈨H發(fā)生在局部構(gòu)造裂隙破碎帶,有一定局限性,但從整個發(fā)生燃燒的里程跨度來看,存在明顯的區(qū)域性。發(fā)現(xiàn)天然氣和發(fā)生燃燒的隧道均位于磨子潭—曉天斷裂和信陽—舒城斷裂附近。

磨子潭—曉天斷裂和信陽—舒城斷裂都是活動時(shí)間長、切割層位深的深大斷裂,隧道巖石本身不具備生成可燃天然氣的條件?？紤]到天然氣垂向運(yùn)移為主的特性,隧道可燃天然氣只能來源于其深部。因此兩深大斷裂是連通深部的氣源通道斷裂(圖1)。

3.3 深部烴源巖特征

由磨子潭—曉天斷裂和信陽—舒城斷裂所夾持的北淮陽構(gòu)造帶是一個經(jīng)歷多期逆沖推覆作用的山前沖斷帶,淺部推覆體地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,深部推覆體之下應(yīng)存在正常序列地層。因此,從區(qū)域地層展布和原型盆地發(fā)育特點(diǎn)等方面分析,可能的烴源巖有2套:一套是寒武系鳳臺組烴源巖;另一套是北淮陽型石炭系烴源巖。

3.3.1 寒武系鳳臺組烴源巖的地化特征

該套烴源巖在合肥盆地西部的四十里長山附近出露較完整,其中發(fā)育的海相泥質(zhì)烴源巖(厚度為50～80m)是一套較好的烴源巖。

有機(jī)碳含量一般均大于1.5%(0.28%～13.46%,平均6.46%)。但氯仿瀝青“A”含量(16～59μg/g,平均39μg/g)及生烴潛量(“S1+S2”為0.02～0.05)較低。烴源巖與揚(yáng)子、塔里木板塊相同層位烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度具有相似性,說明這套烴源巖所處的時(shí)空環(huán)境對烴源巖的發(fā)育極其有利[10]。

圖1 合武鐵路安徽段地質(zhì)剖面及隧道可燃天然氣氣源分析圖

全巖光片分析表明,顯微組分中主要是貧氫次生組分,鏡質(zhì)體僅有無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體且含量較高,推測本區(qū)發(fā)現(xiàn)的鏡質(zhì)體是經(jīng)受了高熱演化程度形成的,干酪根屬偏腐殖混合型或腐殖型。烷烴色譜判斷其母質(zhì)類型以低等水生生物為主,同時(shí)也有陸源植物混入,烷烴色質(zhì)分析也說明其物源是以水生生物為主,并有陸源植物的混入。

鏡質(zhì)體反射率一般為2.0%～3.5%,表明鳳臺組烴源巖處過成熟階段早期。Tmax為500～600℃,反映不同位置的樣品成熟度有一定的差異,但總體上已進(jìn)入過成熟階段早期乃至晚期,與我國寒武系底部海相泥質(zhì)烴源巖演化程度相近。

3.3.2 大別山北緣型石炭系烴源巖地化特征

在盆地西南緣的商城—固始地區(qū)出露的石炭系較全,厚度超過5000m,其中暗色泥巖厚達(dá)500m,煤層厚20～40m,暗色泥巖主要發(fā)育在下石炭統(tǒng)花園墻組(C1h)、楊山組(C1y),中石炭統(tǒng)胡油坊組(C2h),上石炭統(tǒng)楊小莊組(C3y),煤層主要發(fā)育在楊山組和楊小莊組[11]。

煤巖有機(jī)碳含量一般在50.6%～70.2%,平均66.0%;碳質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量1.68%～9.47%,泥巖有機(jī)碳含量為1.54%～2.64%。無論是石炭系的泥巖還是煤層,其氯仿瀝青“A”含量一般都小于0.01%;最高為0.0362%,總烴含量一般小于100μg/g,最高320.8μg/g;生烴潛量S1+S2為0.1mg/g左右,楊山組稍高,可達(dá)2mg/g。

干酪根顯微組分以鏡質(zhì)組為主,含量在53.5%～89.5%;惰質(zhì)組在10.5%～39.8%;殼質(zhì)組分含量僅為0～6.7%。干酪根碳同位素δ13C在-19.89‰～-24.27‰,均顯示腐殖型干酪根的特點(diǎn)。

鏡質(zhì)體反射率為2.35%～4.37%,平均3.44%,均處于過成熟階段。萜類組成上藿烷C3122S/(22S+22R)比值為0.56～0.60,已達(dá)到平衡,這也是高演化程度的反映?？赡芘c大別山?jīng)_斷作用所形成的區(qū)域動力變質(zhì)作用有關(guān)。

勘探實(shí)踐表明,來自高演化程度的烴源巖也能夠形成大型天然氣藏。如卡塔爾“North”氣田,烴源巖為下志留統(tǒng)泥灰?guī)r,以腐泥型干酪根為主,TOC含量為2%～3%,目前已達(dá)干氣成熟階段。四川威遠(yuǎn)氣田的主要?dú)庠磶r為燈影組之上的下寒武統(tǒng),其在有效圈閉體積內(nèi)充滿度已達(dá)到100%,表明威遠(yuǎn)氣田氣源充足,供補(bǔ)大于擴(kuò)散的動態(tài)平衡保證了威遠(yuǎn)中型天然氣田規(guī)模。因此對于本區(qū)的海相烴源巖,不管目前演化程度多高,只要在地史上曾經(jīng)生成過油氣,那么,在相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境中,這種油氣就可能保存下來,就可作為有效烴源巖或有效烴源。目前最重要的是研究其成烴過程與圈閉配套史的關(guān)系。

4 結(jié)論

1)天然氣具有運(yùn)移快、易溶解、易擴(kuò)散和易揮發(fā)的特點(diǎn),特別是在近地表的狀態(tài)下,若無氣源繼續(xù)供給,本區(qū)隧道天然氣現(xiàn)今是難以保存的,磨子潭—曉天斷裂和信陽—舒城斷裂是連通深部的氣源通道斷裂。

2)寒武系鳳臺組和北淮陽型石炭系2套海相烴源巖是隧道可燃天然氣的主力氣源巖,其熱演化程度很高。目前最重要的是研究成烴過程與圈閉配套史的關(guān)系。

3)大別山隧道可燃天然氣的發(fā)現(xiàn)展示了合肥盆地深部海相層系良好的勘探前景。因此下一步勘探重心應(yīng)從“中新生代盆地系統(tǒng)”轉(zhuǎn)移到“深部海相層系”,以尋找“古生古儲”或“古生新儲”類型油氣藏為主。

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(修改回稿日期 2010-01-25 編輯 羅冬梅)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.003

Lei Min,senior engineer,was born in1972.She graduated in petroleum geology from China University of Petroleum in1995,being mainly engaged in comprehensive research of petroleum exploration.

Add:No.3,Liaocheng Rd.,Dongying,Shangdong257015,P.R.China

Tel:+86-546-8715571 E-mail:lzq0321@sohu.com

Geologic significance of gas combustion in railway tunnels in the Dabie orogenic belt

Lei Min,Liu Zhongquan,Chen Yunfeng
(Geological Scientif ic Research Institute,S hengli Oilf ield Com pany,Sinopec Corporation,Dongying, S handong257015,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.16-19,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Current petroleum exploration in the Hefei Basin mainly draws on the experiences of exploration in the petroliferous basins in eastern China and focuses on the Meso-Cenozoic basins.However,no significant discoveries have been made till now.The Dabie orogenic belt and the Hefei Basin are two closely-connected tectonic units and are closely related in respect of origin as well as temporal and spatial evolution.The combustible gas and railway tunnels with gas combustion in the Dabie orogenic belt are regionally distributed and mainly occur in the complex to the south of the Mozitan-Xiaotian fault and in the Early Carboniferous metamorphosed quartz schist near the Xinyang-Shucheng fault.Based on a systematic analysis of gas combustion in railway tunnels in the Dabie Mountain and in combination with the evolutionary features and the development of marine source rocks in the Dabie orogenic belt and the Hefei Basin,it is believed that the Mozitan-Xiaotian and Xinyang-Shucheng faults are deep-rooted and act as pathways for the migration of deep gas.The combustible gas in the railway tunnels are mainly sourced from the marine source rocks in the Cambrian Fengtai Formation underlying the thrust nappe and that in the Cretaceous Beihuaiyang Formation,both of which are overmature. The timing of hydrocarbon generation and trap formation is the focus of study.Therefore,the focus of future exploration should be shifted from the Meso-Cenozoic strata to the deep marine sequences to search for pools with old source rocks and old reservoirs or pools with old source rocks but young reservoirs.

Dabie orogenic belt,railway tunnel,natural gas,marine deposits,source rock,thrust nappe,exploration focus,Hefei Basin

book=16,ebook=385

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.003

雷敏,女,1972年生,高級工程師;1995年畢業(yè)于中國石油大學(xué)石油地質(zhì)專業(yè);主要從事油氣地質(zhì)勘探綜合研究工作。地址:(257015)山東省東營市東營區(qū)聊城路3號中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院。電話:(0546)8715571。E-mail: lzq0321@sohu.com