基于微生物烴檢測技術(shù)的陜北煤層火燒區(qū)綠色探測

段中會，馬 麗，郝 純，王崚堯，梅 海

(1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，陜西 西安 710021；3.盎億泰地質(zhì)微生物技術(shù)(北京)有限公司，北京 102200)

據(jù)統(tǒng)計，我國130 余個大中型礦區(qū)均存在煤層自燃現(xiàn)象，煤層自燃總體呈現(xiàn)北多南少的趨勢，主要分布在新疆、甘肅、陜西、山西和內(nèi)蒙古等7 個省份，造成大量煤炭資源損失，給資源勘查、開發(fā)和評價帶來諸多困難，因此，在煤炭資源開發(fā)過程中查明煤層自燃區(qū)(火燒區(qū))邊界及分布情況十分必要[1-2]。近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者對煤層火燒區(qū)邊界的圈定方法進行了廣泛研究，主要研究方法有：鉆探、磁法、測溫法、自然電位法、測氡法、遙感探測法等[3-8]。上述方法大多數(shù)都能夠有效探測煤層自燃邊界，但或多或少存在受地形影響、勘探成本高、解釋成果多解性強等方面的問題；且技術(shù)的實施對類似于陜北這樣的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)存在環(huán)境的負面影響，導(dǎo)致各類技術(shù)的實施限制較多。為解決這一問題，亟需尋找新的技術(shù)手段和檢測指標(biāo)，為煤層火燒區(qū)勘查提供準確、實用又綠色環(huán)保的新技術(shù)。

微生物烴檢測技術(shù)是在油氣勘探中發(fā)展起來的一項烴類微滲漏研究新方法，該方法可以通過對活躍油氣藏正在發(fā)生的輕烴微滲漏檢測而判定油氣藏的存在及范圍。該技術(shù)方法適用性廣泛，在陸域各種地貌環(huán)境和海域都得到了應(yīng)用[9-12]。由于該技術(shù)是對烴類聚集體的直接研究，其多解性較小，取得效果很好。微生物烴檢測技術(shù)的野外實施簡單環(huán)保，僅需采集淺地表20～60 cm 深度的150～200 g 土壤[12]，其余檢測和研究工作均在室內(nèi)完成，而其他探測技術(shù)需較大規(guī)模的野外工作，且影響生態(tài)環(huán)境；同時，微生物烴檢測技術(shù)的成本也較低，該技術(shù)更適合于類似陜北生態(tài)脆弱區(qū)的煤層火燒區(qū)探測，有顯著的實際意義和經(jīng)濟價值。

1 技術(shù)原理

微生物烴檢測技術(shù)是基于油氣藏的輕烴微滲漏原理發(fā)展起來的烴檢測技術(shù)，油氣藏(包括非常規(guī)油氣藏)中的輕烴氣體在油氣藏壓力和浮力等作用力的驅(qū)動下以微泡上浮形式[13-16]或連續(xù)氣相流形式[17]沿復(fù)雜的微裂隙垂直地向上運移；輕烴運移進入近地表沉積物的過程中，一部分輕烴成為土壤中專屬烴氧化菌的食物而使得烴氧化菌異常生長發(fā)育(圖 1)，另一部分被黏土礦物以及次生碳酸鹽包裹或以游離狀態(tài)存在而形成地球化學(xué)異常。因此，油氣藏上方近地表可形成與下伏油氣藏相關(guān)的微生物異常和地球化學(xué)異常[9]。

圖1 微滲漏原理[9]Fig.1 Schematic diagram of microseepage principle[9]

對于煤田而言，含煤地層中的有機質(zhì)在煤化過程中經(jīng)過生物化學(xué)、熱解等物理化學(xué)作用可以生成烴類氣體，前人研究認為煤層瓦斯成分以甲烷為主，此外還有少量的重?zé)N和非烴組分。煤層氣主要以3 種形態(tài)賦存在煤層中，即吸附在煤孔隙表面呈吸附狀態(tài)、分布在煤的孔隙及裂隙內(nèi)呈游離狀態(tài)和溶解在煤層水中呈溶解狀態(tài)。而煤層氣主要(可達90%以上)是以吸附狀態(tài)附著于煤的內(nèi)表面上，只有少量以游離態(tài)儲存在煤巖的割理、裂隙和孔隙中，或者溶解在煤層的水中。由于煤層氣賦存深度較淺，連續(xù)性較好，煤層氣中的游離態(tài)烴和溶解態(tài)烴氣體組分更易通過地層中的斷裂、裂隙、微裂縫和孔隙等通道垂直運移到地表，特別是經(jīng)過火燒之后，大量烴類得到釋放，且由于熱解作用也會生成一些游離的烴類，在近地表可以形成烴類指標(biāo)的異常。在近地表，由于微生物的強烈作用和各種環(huán)境理化因素的影響，會導(dǎo)致烴類濃度發(fā)生變化，并使得地表烴類的測量困難重重。因此，地表微生物指標(biāo)和地球化學(xué)濃度指標(biāo)有時會缺乏對應(yīng)關(guān)系，其中微生物指標(biāo)的多解性更小，可靠性更高[18]。

微生物烴檢測技術(shù)主要采用甲烷氧化菌和丁烷氧化菌等不同的微生物指標(biāo)，由于地表存在生物成因甲烷，對甲烷氧化菌指標(biāo)的干擾較大；而丁烷氧化菌指標(biāo)的地表干擾小，且實踐證明，極其微量的丁烷滲漏就可以產(chǎn)生明顯的微生物異常，而煤層瓦斯成分中也含有微量的丁烷等重?zé)N組分，因而，本次針對煤層火燒區(qū)的研究主要采用丁烷氧化菌指標(biāo)。

2 工程實踐

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北侏羅紀煤田郝家梁煤礦，該區(qū)地表均被第四系松散沉積物覆蓋，鉆孔揭露的地層有新近系上新統(tǒng)靜樂組，侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組及下統(tǒng)富縣組等。含煤地層為延安組，主要含煤9 層，其中，主要可采煤層為3 號和3–1號煤層，其余4 號—9 號煤層為不可采的薄煤層。3 號煤層埋深101～230 m，一般130～170 m，煤層厚度1.60～9.98 m，平均厚度7.01 m。研究區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為向北西微傾的平緩單斜層(傾角小于 1°)，局部發(fā)育寬緩的波狀起伏；有煤層自燃現(xiàn)象，部分燃燒完全，部分正在燃燒，燃燒過渡帶寬約190～530 m。煤層自燃速度極其緩慢，巖石烘烤現(xiàn)象不明顯，大部分地段煤層頂板巖石燒變后為褐黃色，其工程力學(xué)性質(zhì)與正常巖石差異不大，局部地段巖石燒變后呈暗紫色，垮塌較嚴重，形成大量裂隙和空洞。

按照微生物烴檢測技術(shù)野外采樣布置原則，在郝家梁煤礦已知火燒區(qū)邊界附近，沿基本垂直于火燒區(qū)邊界布設(shè)2 條微生物測線HJL1 和HJL2 測線，2 條測線近似平行，測點間距20～80 m 不等，火燒區(qū)邊界附近布設(shè)密度加大，以提高微生物檢測對邊界刻畫的精度，具體采集點分布如圖2 所示。

圖2 郝家梁煤礦地表微生物采集點位與火燒區(qū)疊合Fig.2 The superposition diagram of surface microbial sampling site and burning area in Haojialiang Coal Mine

2.2 樣品采集與實驗檢測

研究區(qū)土壤類型以砂土為主，在設(shè)計的測點處采集地表約 20 cm 深度土壤樣品，質(zhì)量不少于200 g，共采集樣品124 個。樣品在到達檢測實驗室之后隨機重新編制檢測編號以降低檢測的系統(tǒng)誤差影響。丁烷氧化菌的實驗室檢測在盎億泰地質(zhì)微生物技術(shù)(北京)有限公司分析測試中心完成，丁烷氧化菌計數(shù)采用平板培養(yǎng)法，檢測方法以及選擇性培養(yǎng)基的配方等細節(jié)參照美國專利3880142[19]。平板培養(yǎng)法是細菌定量計數(shù)領(lǐng)域公認的經(jīng)典標(biāo)準方法，至今仍被中國多項國家標(biāo)準和美國食品藥品監(jiān)督管理局編制的《細菌學(xué)分析手冊》所推薦[9]。檢測實驗的主要步驟為：將25 g 土壤加入到無菌稀釋液中進行充分混勻，其后進行連續(xù)的梯度稀釋，選擇合適的稀釋度吸取1 mL 稀釋液到無菌培養(yǎng)皿中，在培養(yǎng)皿中傾注15 mL 丁烷氧化菌選擇性培養(yǎng)基并充分混勻，待培養(yǎng)基凝固后倒置放置于34℃氧培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d 后進行菌落計數(shù)，記錄培養(yǎng)皿上的菌落數(shù)并簡稱為微生物值(Microbial Value，MV)，其單位為菌落形成單位CFU(Clone Forming Unit)。每個樣品設(shè)置3 個培養(yǎng)皿作為平行樣，最終取值為3 個平行樣的算術(shù)平均值并四舍五入取整。培養(yǎng)皿經(jīng)過培養(yǎng)之后的菌落形態(tài)如圖3 所示，培養(yǎng)皿上數(shù)字為重新編制的檢測編號，A/B/C 字母代表同一個樣品的3 個平行樣。如圖3 所示，3 號檢測樣品的菌落數(shù)少于43 號檢測樣品的菌落數(shù)，其MV 值也低于43 號檢測樣品。該檢測方法可以檢測土壤樣品中專屬烴氧化菌的相對含量，用來判別丁烷氧化菌在火燒區(qū)、火燒過渡區(qū)及正常煤層區(qū)上方土壤中的差異。

圖3 微生物檢測培養(yǎng)皿菌落Fig.3 Picture of the microbial analysis plates and colonies

此外，對HJL1、HJL2 線還采用磁法進行了火燒區(qū)邊界的探測，并將磁法和微生物法檢測的成果進行對比研究。磁法是研究煤層火燒區(qū)的一種常用方法，其原理為煤層在燃燒中會對其上覆基巖進行不同程度燒變和烘烤，巖石中的褐鐵礦變成磁鐵礦，使地層出現(xiàn)明顯的磁異常[20-22]。本次采用便攜式PMG1質(zhì)子磁力儀沿HJL1、HJL2 線進行磁法觀測，測點間距10 m，并繪制磁變化值ΔT的磁異常剖面圖。

2.3 數(shù)據(jù)分析

本研究最終獲得124 個樣品的微生物值，其最小值為4，最大值201，平均值57，標(biāo)準偏差33。在數(shù)據(jù)分析過程中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對MV 異常值與背景值之間進行門檻值的劃分。在不同地質(zhì)和地表條件下，不同地區(qū)的門檻值通常是不同的，所以，需要通過一定的方法來進行門檻值劃分。通常來講，門檻值劃分需分析以下內(nèi)容：①基于數(shù)據(jù)本身特征，利用數(shù)理統(tǒng)計、分形、頻率分布等數(shù)學(xué)方法，劃分出異常值與背景值可能的界限值；② 分析已知區(qū)MV 值的特征，本研究則是基于已知煤層火燒區(qū)的驗證。在綜合上述方法進行分析后，將本研究區(qū)MV 異常門檻值定為50，即MV 在51 以上認定為異常值，指示較高微滲漏強度；而MV 在50 以下則為低異常和背景值，指示較弱或無微滲漏強度(表1)。

表1 微生物值異常分級Table 1 Microbial value characteristics and abnormal classification

2.4 微生物平面異常分布特征

依據(jù)微生物的異常分級，用表1 所述的不同顏色代表不同的微生物值分級，并將測線上分級結(jié)果與郝家梁煤礦識別的火燒區(qū)平面圖進行疊合研究，其中，超高異常使用紅色，高異常使用橙色，中異常使用黃色，低異常使用綠色，無異常使用藍色。從疊合研究的平面分布圖特征來看，沿著微生物測線存在明顯的異常背景起伏變化，且微生物值的異常和背景分布較為連續(xù)、穩(wěn)定，指示輕烴的微滲漏強度存在強弱變化。HJL1 測線與HJL2 測線對比發(fā)現(xiàn)，微生物異常分布特征相似，從西到東可劃分為西部微生物中低值區(qū)、中部微生物中高值區(qū)和東部微生物背景值區(qū)3 種不同的微滲漏微生物響應(yīng)類型。其中，西部微生物中低值區(qū)在靠近中部微生物中高值區(qū)邊界時有下降的趨勢。

將微生物測線的檢測結(jié)果與已知主要含煤層系的火燒區(qū)邊界進行對比發(fā)現(xiàn)：中部微生物中高值區(qū)和西部微生物中低值區(qū)之間的邊界與延安組3 號煤層開始燃燒邊界具有較好的對應(yīng)關(guān)系；東部微生物背景區(qū)和中部微生物中高值區(qū)之間的邊界與3 號煤層完全燃燒邊界具有一定的對應(yīng)關(guān)系；中部微生物中高值區(qū)大致對應(yīng)于火燒區(qū)過渡帶。經(jīng)過與已知火燒區(qū)邊界進行對比研究后可以發(fā)現(xiàn)，西部煤區(qū)之上以微生物中低值為主，火燒過渡區(qū)之上以微生物高值異常為主，而東部完全火燒區(qū)以低值背景值為主(圖4)。

圖4 郝家梁煤礦地表微生物異常值與火燒區(qū)疊合Fig.4 Superposition diagram of surface abnormal microbial values and burning area in Haojialiang Coal Mine

對2 條測線的微生物值以及上述3 種不同微生物特征區(qū)域內(nèi)微生物的異常和背景數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計。西部微生物中低值區(qū)微生物值平均為29，異常點位的比例為59%，且有一定比例的高異常點存在；中部微生物中高值區(qū)微生物值平均為58，異常點位比例高達76%，且有大量高異常點分布；而東部微生物背景值區(qū)微生物值平均為37，異常點位比例僅有14%，沒有高異常點分布(表2)；可見3 個區(qū)域微生物豐度差異明顯，異常背景位點的分布也各具特點，可能代表了3 種不同的微滲漏微生物響應(yīng)類型。

表2 郝家梁煤礦地表微生物數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Statistical table of Haojialiang Coal Mine’s surface microbial data

2.5 微生物剖面異常分布特征

將微生物測線上微生物值折線圖與磁法異常剖面及鉆孔確認的火燒區(qū)分布地質(zhì)剖面進行疊合研究，其結(jié)果如圖5 所示。圖中所述丁烷氧化菌平滑值為該站點和最近兩點的算術(shù)平均值，端點不做處理，保持原始值。

圖5 微生物剖面與地質(zhì)剖面和磁法剖面對比Fig.5 Comparison of microbial sections with geological section and magnetic section

磁法是一種常用的研究煤層火燒區(qū)的方法，區(qū)內(nèi)ΔT磁異常剖面特征如圖5 所示。在磁法剖面上HJL1 線1 100 m 往東、HJL2 線1 200 m 往東為煤層火燒區(qū)，燒變巖具有較強磁性，ΔT呈正異常，該部分對應(yīng)了微生物烴檢測中的東部微生物背景區(qū)和鉆孔驗證的煤層火燒區(qū)；在磁法剖面上 HJL1 線800～1 100 m、HJL2 線800～1 200 m 為火燒過渡區(qū)，此區(qū)域煤層頂板受烘烤作用磁化強度大，形成較強負異常，ΔT負異常幅值較大，該部分對應(yīng)了微生物烴檢測中的中部微生物中高值區(qū)和鉆孔驗證的火燒過渡區(qū)；在磁法剖面上HJL1 線、HJL2 線800 m 以西為正常煤層區(qū)，砂巖、泥巖磁性微弱，ΔT負異常幅值較小且平穩(wěn)，該部分對應(yīng)了微生物烴檢測中的西部微生物中低值區(qū)和鉆孔驗證的正常煤層區(qū)。從上述3 種方法識別的火燒區(qū)對應(yīng)關(guān)系分析可以發(fā)現(xiàn)，3種方法的結(jié)果對應(yīng)關(guān)系較好。綜合而言，地質(zhì)鉆孔和磁法檢測結(jié)果都驗證了微生物烴檢測技術(shù)的有效性，3 種技術(shù)方法最終解釋的結(jié)果吻合度較高。

3 火燒區(qū)微生物響應(yīng)模式

理論上看，表層土壤中丁烷氧化菌的豐度和微滲漏的丁烷濃度存在直接關(guān)系，而依據(jù)輕烴微滲漏原理，影響微滲漏強度的主要因素是地下烴類富集程度，壓力和運移通道中微裂隙的發(fā)育程度等。在火燒煤研究中，由于煤層氣主要以吸附(正常煤層區(qū))和游離(火燒過渡區(qū))狀態(tài)存在，壓力的因素可以不考慮，故微滲漏強度主要考慮煤層氣的富集狀態(tài)和頂板運移通道的微裂隙發(fā)育程度2 個因素。此外，煤中有機組成、燃煤時間、燃煤層上方微裂隙不同的結(jié)構(gòu)等因素也會影響微滲漏強度，但一般情況下這些因素都是次要因素，在本研究中暫不考慮。

從已知火燒區(qū)分布來看，本區(qū)的火燒是從東向西逐漸發(fā)展，東部為完全燃燒區(qū)，主要含煤層系被燃燒殆盡，煤層虛空造成頂板一定程度的變形，加之頂板遭受火燒烘烤變質(zhì)，使裂縫相對其他區(qū)域更發(fā)育，能夠形成輕烴向地表滲漏的通道，但由于煤層燃燒伴隨輕烴消失，且周圍沒有可以側(cè)向供應(yīng)的烴氣來源，因此，其上方表現(xiàn)為微生物背景值為主，微生物均值為37，異常值比例極低(14%)，沒有高異常值出現(xiàn)。

在中部火燒過渡區(qū)，煤層因火燒程度不充分，殘余部分煤層或周邊煤層受熱使吸附的煤層氣大量解析，就近聚集，使火燒過渡區(qū)瓦斯含量相對其他區(qū)域更高。同時，火燒造成頂板的微裂縫形成良好的微滲漏通道，因此，在火燒過渡區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)微生物高值異常的特點，微生物均值為58，異常點位比例高達76%，且具有大量高異常點分布。

對于西部未燃燒煤層，在鄰近火燒過渡區(qū)地段，由于火燒破壞了煤層，使鄰近火燒過渡區(qū)的未燃燒煤層中瓦斯氣體就近側(cè)向運移進入火燒過渡區(qū)內(nèi)，形成鄰近火燒區(qū)煤層上的微生物值有降低的趨勢；而遠離過渡區(qū)深入穩(wěn)定煤層內(nèi)部微生物值有逐漸升高的趨勢，也就是說穩(wěn)定連續(xù)的煤層之上應(yīng)至少表現(xiàn)為中–高異常為主。由于側(cè)向運移區(qū)的存在，未燃燒煤層微生物均值降低為29，但異常點位的比例較高，為59%，在連續(xù)穩(wěn)定煤層上有一定的高異常點存在。

由上文分析可知，微生物指標(biāo)對煤層火燒區(qū)具有較好的響應(yīng)。根據(jù)地質(zhì)解釋，本研究建立了郝家梁煤礦火燒區(qū)微生物響應(yīng)模式，如下：①已燃燒的火燒區(qū)，由于火燒造成頂板裂縫發(fā)育，有利于氣體滲漏，但由于完全燃燒區(qū)烴類氣體含量低，呈現(xiàn)微生物低值背景。② 火燒過渡區(qū)，由于火燒造成頂板裂縫發(fā)育，且鄰近未燃燒煤層，造成火燒過渡區(qū)附近烴類氣體含量增大，輕烴微滲漏通量增加，呈現(xiàn)微生物高值異常。③未燃燒的正常煤層區(qū)，鄰近火燒過渡區(qū)煤層中的烴類氣體優(yōu)先向火燒過渡區(qū)運移，表現(xiàn)為低異常–背景值；遠離火燒過渡區(qū)煤層以微生物中值異常為主(圖6)。

圖6 郝家梁煤礦火燒區(qū)微生物響應(yīng)模式Fig.6 Microbial response pattern diagram in the burning area of Haojialiang Coal Mine

4 結(jié)論

a.在陜北侏羅紀煤田郝家梁煤礦火燒區(qū)探測中引入輕烴微滲漏的微生物烴檢測技術(shù)，采用勘查測點間距10～80 m 不等間距的設(shè)計進行了2 條測線的試驗，并優(yōu)選丁烷氧化菌作為檢測指標(biāo)。

b.郝家梁煤礦煤層火燒區(qū)的不同區(qū)域，輕烴微滲漏的微生物響應(yīng)特征不同。在火燒區(qū)，微生物為低值背景分布為主；在火燒過渡區(qū)以微生物連續(xù)高值異常為主；在正常煤層區(qū)，微生物以中值異常為主，且鄰近火燒區(qū)的含煤地層有微生物值降低的現(xiàn)象。根據(jù)上述微生物數(shù)據(jù)特征建立了研究區(qū)煤層火燒區(qū)微生物響應(yīng)模型。

c.按照煤田火燒區(qū)微生物響應(yīng)模型，解釋劃定郝家梁煤礦煤層火燒區(qū)的范圍，該研究成果與磁法解釋的火燒區(qū)邊界吻合，且有鉆孔驗證，證實了微生物烴檢測技術(shù)可用于煤層火燒區(qū)的探測。

d.微生物烴檢測技術(shù)的野外實施簡單環(huán)保，只需采取近地表少量土壤，是一種綠色環(huán)保高效的技術(shù)手段，契合國家提倡的綠色勘探理念，且成本低廉，在煤層火燒區(qū)邊界識別中具有很好的應(yīng)用前景。