鄂爾多斯盆地東緣本溪組8#煤層方解石脈體成因

王成旺，徐鳳銀，甄懷賓，陳高杰，甯 波，曹 錚，陳 岑

(1.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；2.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100020；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；4.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣區(qū)塊石炭系本溪組8#煤層的煤層氣資源豐富，是近年來(lái)煤層氣資源勘探的重點(diǎn)層系之一。8#煤層埋深為1 600～2 400 m，分布穩(wěn)定，煤巖中普遍發(fā)育裂縫，多被方解石充填形成方解石脈。煤巖在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的裂縫是流體活動(dòng)的重要通道之一，對(duì)煤層運(yùn)移和聚集成藏有重要的控制作用[1-2]。方解石脈體作為煤巖裂縫中流體-巖石作用的直接產(chǎn)物之一，對(duì)揭示流體活動(dòng)和煤層氣成藏過(guò)程具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[3]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要利用薄片觀察、陰極發(fā)光、流體包裹體、微區(qū)主微量元素及穩(wěn)定同位素等方法揭示儲(chǔ)層中方解石脈的巖相學(xué)特征、形成期次、時(shí)間及流體來(lái)源等信息[4-8]。其中，砂巖、頁(yè)巖儲(chǔ)層中的方解石脈體成因問(wèn)題研究較多，而針對(duì)煤巖中方解石脈體的成因研究較少。因此，通過(guò)薄片觀察、陰極發(fā)光分析、碳氧同位素和流體包裹體均一溫度測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)研究區(qū)本溪組8#煤層中充填的方解石脈的形成期次、成因和形成時(shí)間進(jìn)行研究，為研究區(qū)8#煤層的成藏規(guī)律研究提供參考依據(jù)，為其他相似盆地的方解石脈體成因研究提供參考實(shí)例。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)大寧—吉縣區(qū)塊位于山西省境內(nèi)，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東南緣晉西撓褶帶南段，北鄰永和，南接鄉(xiāng)寧，東至呂梁山脈，西鄰黃河(圖1)，整體構(gòu)造特征為一走向北北東、向北西緩傾的單斜構(gòu)造[9-11]。研究區(qū)上石炭統(tǒng)本溪組形成于濱岸、淺海陸棚等環(huán)境，自下而上依次沉積鋁土巖、灰黑色泥巖夾薄層細(xì)砂巖、灰?guī)r及黑色煤層(圖1)。其中本溪組頂部的8#煤是該區(qū)主力煤層，煤層頂面埋深為1 600～2 800 m，煤層厚度為3～10 m不等。8#煤層以亮煤和半暗煤為主，變質(zhì)程度中等，是中國(guó)中煤階煤層氣富集的有利區(qū)之一[1]。

圖1 研究區(qū)位置及地層柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)

2 樣品及分析

方解石脈樣品來(lái)自鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣區(qū)塊本溪組的8#煤層。開(kāi)展方解石脈顯微觀察、掃描電鏡觀察、陰極發(fā)光分析、碳氧同位素分析、流體包裹體顯微觀察和測(cè)溫等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

方解石脈體顯微觀察、陰極發(fā)光測(cè)試、流體包裹體顯微觀察和測(cè)溫在中國(guó)石油大學(xué)(華東)山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。將4塊方解石脈巖心樣品分別制成100 μm厚且雙面拋光的包裹體薄片，使用Zesis顯微鏡對(duì)方解石脈體開(kāi)展巖石學(xué)特征和流體包裹體巖相學(xué)特征觀察。利用CL8200 MK5-2陰極發(fā)光儀對(duì)4個(gè)方解石脈體薄片開(kāi)展陰極發(fā)光特征觀察分析，工作電壓為10.5 kV，電流為250 μA，真空度為3 Pa。對(duì)4個(gè)方解石脈體樣品的流體包裹體均一溫度和冰點(diǎn)溫度測(cè)試，測(cè)溫用Linkam THMSG 600冷熱臺(tái)，測(cè)溫區(qū)間為-180～500 ℃，均一溫度和冰點(diǎn)溫度的誤差分別控制在±1 ℃和 ±0.2 ℃。掃描電鏡觀察在山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院完成，分析儀器為T(mén)ESCAN-MIRA3。選取5個(gè)方解石脈樣品進(jìn)行碳氧同位素測(cè)試，該測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。將方解石脈體樣品磨制成粉末，與純磷酸在溫度18 ℃、大氣壓101 325 Pa條件下反應(yīng)2 h，收集CO2氣體，使用MAT 253雙進(jìn)樣法與GBW04405參考?xì)獗容^測(cè)試給出相對(duì)PDB值，測(cè)試誤差為0.02%。

3 方解石脈巖相學(xué)特征

本溪組8#煤層中多發(fā)育構(gòu)造成因的高角度裂縫和水平裂縫，裂縫多被方解石全充填，可見(jiàn)裂縫充填方解石脈相互平行。單一方解石脈寬度為0.5～1.0 mm，方解石脈密度為1～3條/cm(圖2a、b)。通過(guò)薄片觀察、陰極發(fā)光分析及掃描電鏡觀察可知，研究區(qū)8#煤層中的方解石脈可分為2期(圖2c-g)，掃描電鏡下可見(jiàn)鏡質(zhì)體，表明發(fā)育方解石微晶(圖2h)。第1期脈體(C1)沿裂縫邊緣向中間生長(zhǎng)，在陰極發(fā)光下脈體顏色呈明亮橘紅色，溶蝕現(xiàn)象較明顯；第2期脈體(C2)主要發(fā)育于C1充填后的殘余空間，多分布于裂縫中部(圖2c、d)，在裂縫邊緣也可見(jiàn)到C2發(fā)育，陰極發(fā)光顏色呈暗紅色，可見(jiàn)2期方解石脈相互穿插、交代、溶蝕現(xiàn)象，但C2溶蝕程度較C1弱(圖2e、f)。2期脈體溶蝕強(qiáng)度不同，巖相學(xué)特征的差異表明2期脈體的流體來(lái)源可能存在差異。

圖2 研究區(qū)8號(hào)煤層方解石脈巖石學(xué)特征

鏡下觀察到方解石脈體中發(fā)育原生鹽水包裹體，以氣-液兩相為主，無(wú)色透明，多呈橢圓形，大小約為3～16 μm(圖3)。C1方解石脈鹽水包裹體均一溫度與鹽度測(cè)試結(jié)果顯示，同期方解石脈體的原生鹽水包裹體鹽度相似(圖4)，主要為19.68%～22.03%，均一溫度為158～174 ℃。C2方解石脈原生鹽水包裹體鹽度較C1有所降低，為17.52%～22.98%，均一溫度主要為177～204 ℃。

圖3 8#煤層方解石脈典型原生鹽水包裹體照片

圖4 8#煤層方解石脈原生鹽水包裹體均一溫度和鹽度關(guān)系

4 方解石脈體成因

4.1 成脈流體來(lái)源

方解石脈的碳氧同位素可反映脈體形成時(shí)的成巖流體來(lái)源[12-14]。在薄片觀察、陰極發(fā)光分析及碳氧同位素測(cè)試的基礎(chǔ)上，明確研究區(qū)2期方解石脈體的碳氧同位素值分布特征。C1的δ13C為相對(duì)高正值(3.98‰～5.49‰)，δ18O為-11.10‰～-10.70‰；C2的δ13C值為-0.53‰～0.44‰，δ18O為-12.39‰～-11.98‰(表1)。

表1 研究區(qū)8#煤層方解石脈碳氧同位素特征

將方解石脈的碳、氧同位素?cái)?shù)據(jù)同以往地質(zhì)資料結(jié)合起來(lái)，分析8#煤層中方解石脈的成因。C1的碳氧同位素組成落在陸相沉積碳酸鹽巖和低溫?zé)嵋喊自茙r區(qū)附近(圖5a)，表明該期方解石脈的物質(zhì)組成有部分來(lái)自沉積碳酸鹽，即來(lái)源于圍巖母巖的泥晶灰?guī)r的溶解，同時(shí)可能受到深部熱液流體的影響。有機(jī)質(zhì)在埋藏演化過(guò)程中一般會(huì)經(jīng)歷氧化作用、細(xì)菌硫酸鹽還原作用、甲烷生成作用和有機(jī)質(zhì)脫羧作用[15-18]。其中細(xì)菌硫酸鹽還原作用形成的碳酸鹽主要呈現(xiàn)貧13C和18O虧損的特征(圖5b)，而甲烷生產(chǎn)作用形成的碳酸鹽呈13C相對(duì)富集的特征(圖5b)。C1方解石脈的碳氧同位素組成表現(xiàn)為碳同位素富集的特征，并位于與生物氣有關(guān)的碳酸鹽巖區(qū)域(圖5b)，表明C1方解石脈的形成與有機(jī)質(zhì)的甲烷生成作用相關(guān)，其成脈流體主要源于富生物氣的有機(jī)流體。

C2的碳氧同位素組成落在低溫?zé)嵋喊自茙r區(qū)域內(nèi)(圖5a)，表明該期方解石脈的碳源與低溫?zé)嵋毫黧w密切相關(guān)。與C1相比，C2的碳同位素組成表現(xiàn)為相對(duì)虧損的特征，并位于與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽巖區(qū)域。碳同位素的虧損可能與生油窗有機(jī)質(zhì)的脫羧作用所提供的具有虧損特征的碳源有關(guān)(-20‰<δ13C<0)，有機(jī)碳的加入使得成巖碳酸鹽表現(xiàn)出虧損的特征。因此，C2方解石脈的成脈流體可能源于液態(tài)烴類有機(jī)質(zhì)。

圖5 研究區(qū)8#煤層方解石脈碳、氧同位素組成與流體來(lái)源綜合判識(shí)

鄂爾多斯盆地東部在中生代、新生代曾發(fā)生較為強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，包括印支期火山活動(dòng)、燕山期火山活動(dòng)和新生代火山活動(dòng)，其中燕山晚期早白堊世鄂爾多斯盆地發(fā)生的巖漿活動(dòng)最強(qiáng)烈[2，19-21]。結(jié)合研究區(qū)本溪組熱史和埋藏史可知，8#煤層最大埋深約3 500 m，對(duì)應(yīng)的古溫度為160 ℃左右。然而C1和C2方解石脈中發(fā)育的鹽水包裹體的均一溫度分布范圍分別為158～174 ℃和177～204 ℃，均高于本溪組地層最大古溫度，表明本溪組8#煤層曾發(fā)生深部熱液流體充注。由此推測(cè)8#煤層中的方解石脈的形成過(guò)程為早期圍巖中沉淀了部分泥晶方解石，隨著地層埋藏過(guò)程的進(jìn)行，腐植型有機(jī)質(zhì)經(jīng)厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生大量甲烷氣，其還原有機(jī)質(zhì)為流體成巖提供了碳源，與圍巖地層含鈣流體結(jié)合沉淀形成方解石，形成C1期方解石。隨后受有機(jī)質(zhì)熱演化的影響，富有機(jī)碳流體提供了具有虧損特征的碳源，形成晚期方解石脈體。同時(shí)伴隨著燕山期巖漿活動(dòng)導(dǎo)致的深部熱液流體的侵入，晚期方解石脈體和部分C1方解石被溶蝕并重結(jié)晶，形成C2方解石脈。

4.2 方解石脈體形成時(shí)間

受早白堊世構(gòu)造熱事件導(dǎo)致的深部熱液流體侵入的影響，研究區(qū)8#煤層中發(fā)育的2期方解石脈的均一溫度均高于地層最大埋深對(duì)應(yīng)的溫度，因此無(wú)法通過(guò)方解石脈的均一溫度和地層熱埋史來(lái)判斷2期方解石脈的形成時(shí)間。

烴源巖的甲烷生成作用一般發(fā)生在淺埋藏期，溫度小于75 ℃，會(huì)生成一定量的CO2，當(dāng)溫度達(dá)到80～120 ℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)會(huì)大量脫羧形成CO2和有機(jī)酸，進(jìn)入生烴高峰期。鄂爾多斯盆地東部上石炭統(tǒng)本溪組8#煤層的成藏期可分為2期：第1期成藏時(shí)間為早侏羅世—中侏羅世，煤系烴源巖進(jìn)入早成熟期并開(kāi)始生烴；第2期成藏時(shí)間為晚侏羅世—早白堊世，早期形成的液態(tài)烴在高溫高壓條件下發(fā)生熱裂解，形成氣態(tài)烴，為煤系烴源巖生、排烴的高峰期，即主要成藏期。如前所述，研究區(qū)8#煤層中發(fā)育2期方解石脈，C1脈體的形成與有機(jī)質(zhì)的甲烷生成作用相關(guān)(溫度小于75 ℃)，C2脈體的形成主要與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)，并且2期脈體的形成均受到深部熱液流體侵入的影響。結(jié)合研究區(qū)地層熱埋史可知，烴源巖的甲烷生產(chǎn)作用的溫度一般小于75 ℃，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為晚三疊世，因此C1應(yīng)在晚三疊世—早侏羅世期間形成，略早于第1期烴類成藏，而C2形成則與有機(jī)質(zhì)大規(guī)模生烴和構(gòu)造熱事件發(fā)生的時(shí)間相近，即對(duì)應(yīng)第2期成藏，晚侏羅世—早白堊世(圖6，趙丹楓等，2013修改)。

圖6 鄂爾多斯盆地東南緣石炭系地層埋藏史-熱史

5 勘探意義

鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣區(qū)塊構(gòu)造寬緩部位地應(yīng)力分散，煤層裂縫系統(tǒng)發(fā)育，煤層裂縫中大規(guī)模流體活動(dòng)和方解石脈沉淀充填時(shí)間具有同期性。前述研究表明，C2形成與有機(jī)質(zhì)大規(guī)模生烴和構(gòu)造熱事件發(fā)生的時(shí)間相近，對(duì)應(yīng)第2期煤層氣成藏(晚侏羅世—早白堊世)，該階段裂縫處于開(kāi)啟狀態(tài)，可以為煤層氣成藏提供運(yùn)移通道，從而為煤層氣成藏及富集提供有利條件。研究區(qū)近年來(lái)的勘探實(shí)踐也證實(shí)了這一認(rèn)識(shí)，研究區(qū)8#煤層埋深為2 000 m左右，大吉7-5井和大吉9-1向1井日產(chǎn)氣分別為4 387 m3/d和5 574 m3/d，研究區(qū)以南的吉2-38向4井8#煤層埋深為1 200 m左右，日產(chǎn)氣量為4 803 m3/d，研究區(qū)以北的金試2井埋深為900 m左右，日產(chǎn)氣量?jī)H為810 m3/d(圖7)。綜上所述，研究區(qū)8#煤層中方解石脈的發(fā)育對(duì)于煤層氣富集區(qū)域具有重要的指示意義。

圖7 研究區(qū)本溪組8#煤層成藏剖面

6 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)本溪組8#煤層中發(fā)育2期方解石脈體，第1期脈體(C1)沿裂縫邊緣向中間生長(zhǎng)，在陰極發(fā)光下脈體顏色呈明亮橘紅色，溶蝕現(xiàn)象較明顯；第2期脈體(C2)主要發(fā)育于C1充填后的殘余空間，陰極發(fā)光顏色呈暗紅色，C2溶蝕程度較C1弱。

(2) 研究區(qū)8#煤層中的C1方解石脈的δ13C為3.98‰～5.49‰，δ18O為-11.10‰～-10.70‰，其成巖流體主要為源于圍巖母巖的地層鹵水和富生物氣有機(jī)流體；C2方解石脈的δ13C為-0.53‰～0.44‰，δ18O為-12.39‰～-11.98‰，其流體來(lái)源主要與有機(jī)質(zhì)脫羧作用形成的液態(tài)烴類流體有關(guān)，同時(shí)C1和C2方解石脈的形成均受到早白堊世構(gòu)造熱事件導(dǎo)致的深部熱液流體影響，從而導(dǎo)致脈體內(nèi)發(fā)育的流體包裹體的均一溫度較高。

(3) 研究區(qū)8#煤層中C1方解石脈的流體包裹體均一溫度為158～174 ℃，在晚三疊世—早侏羅世期間形成，略早于第1期烴類成藏，而C2脈體的均一溫度主要為177～204 ℃，其形成與有機(jī)質(zhì)大規(guī)模生烴和構(gòu)造熱事件發(fā)生的時(shí)間相近，即對(duì)應(yīng)第2期成藏，晚侏羅世—早白堊世。

(4) 研究區(qū)本溪組8#煤層的方解石脈賦存的煤巖裂縫系統(tǒng)在主要成藏期可以為與方解石脈形成有關(guān)的流體大規(guī)?；顒?dòng)提供運(yùn)移通道，方解石脈發(fā)育區(qū)域煤層氣富集程度較高，具有良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。