摘要：中国东部中、新生代裂陷盆地在成盆期或成盆期后大多都发生过不同程度的岩浆活动。以煤、油、气共生的辽河盆地东部凹陷和我国首次在矿井中发现、研究、开发煤层气藏的阜新盆地王营井田为例，系统地阐述了火山活动在古近系沙河街组三段对褐煤、长焰煤和气煤在平面及垂向分布的控制，进而导致各赋煤区气源条件的不同；估算了王营井田在区域深成变质过程释放甲烷气的基础上，接触变质作用所形成的附加甲烷量；指出由于岩浆侵入形成了天然焦和高变质裂隙煤，使煤层物理性质及储集能力发生了大的变化；强调了岩墙等不同产状的岩浆侵入岩体对煤层气的封闭作用。最后得出岩浆活动是中国东部中、新生代裂陷含煤盆地煤层气富集乃至成藏的重要因素之一的结论。

关键词：中国东部；辽河盆地；阜新盆地；古近纪；岩浆活动；煤层气；富集作用

    煤层气富集或成藏的基本地质条件主要包括气源(生)、储集(储)和保存(保)3个方面^[1]，而影响生、储、保的因素是多方面的，只是不同因素在不同区域对煤层气富集所起的重要程度有所差异。

    我国东部中、新生代含煤盆地在成盆期或成盆期后大多都发生过不同程度的岩浆活动，岩浆活动不仅通过改变区域或局部地温场而导致煤变质程度和煤层物性(主要是孔渗性能)的变化，进而影响煤层的生、储能力；作为岩浆活动产物的岩浆岩体在一定条件还可以对煤层或煤系起到封闭作用，直接或间接地成为煤层气保存的主要因素。

    笔者以辽河盆地和阜新盆地为例，阐述了岩浆活动对煤层气的富集作用，以期有益于我国东部中、新生代含煤裂陷盆地煤层气富集条件的深入探索和煤层气勘查开发实践。

    同常规天然气一样，气锿是煤层气成藏的基础，煤层的厚度及其分布面积、变质程度及煤岩组成是控制煤层生气量的直接因素^[2～3]。其中，煤层厚度及其分布面积、煤岩组成主要受原始聚煤条件的控制，而煤的变质程度主要受地温场控制，后者叉与埋深和岩浆活动有无或强弱有关。

    尽管从褐煤到无烟煤的各煤阶均有煤层气成功开发的实例，但煤级作为煤层气生气条件的重要因素是毋庸置疑的，因为煤层的生气量及含气量通常随着煤级的增高而递增。

辽河盆地为新生代裂陷(古近纪)-坳陷(新近纪)盆地，在裂陷期发生过多次火山活动，在其东部凹陷古近系沙河街组三段含煤岩系中形成了多层玄武岩及部分安山岩、粗面岩。该区最大累计煤层厚度大于175m，煤级有褐煤、长焰煤和气煤3种。研究表明^[4]，煤级的垂向发育特征服从希尔特定律，埋深自小到大依次为褐煤、长焰煤和气煤，但它们在不同地区的分布及各煤种的埋深界限是有差异的。位于东部凹陷中南部的大平房、桃园和黄金带3个地区发育长焰煤和气煤而无褐煤，其他地区则只发育褐煤和长焰煤(图1)。其中，在桃园和黄金带地区埋深大于2900mm为气煤，而在荣兴屯地区的56井3117m深处获取的R_omax为0.66，仍在长焰煤的范围之内。

 

    上述发育长焰煤和气煤的3个地区恰好是沙河街组三段沉积晚期火山活动较为活跃的地区(图2)，说明火山喷发在区域地温场背景上形成的附加地温场直接控制了各煤级的平面分布和垂向分布的深度界限。有关测试数据也证明了该区煤层气的生气量、含气量随变质程度递增的规律。在生、储、保的其他影响因素相同或相近的情况下，煤层气的勘查靶区应首选气煤区，其次是长焰煤区，再次才是褐煤区。

 

    需要指出，火山喷发形成的附加地温场一般只对已形成煤层的煤化程度具有明显影响，而对火山喷发之后形成的煤层则影响较小或基本没有影响。这是由于裂陷盆地在成盆期或其之后虽然发生多次火山喷发，但其规模一般不是很大(晚中生代成盆前的初始裂陷阶段义县期火山喷发除外)，所形成的附加地温场持续的地质时期不会很长。

    除辽河盆地外，铁法、平庄、元宝山等晚中生代裂陷盆地在聚煤期后也有不同规模的火山活动，这些火山活动对所在盆地的煤级及气源条件都有不同程度的控制作用。

    煤的接触变质作用是指岩浆侵入或接近煤层形成的浅成侵入体所带来的热量、气液及动力致使煤层发生的变质作用。接触变质作用通常是局部的，但当岩浆侵入规模较大或形成的岩体较多，并在空间上与煤层适当匹配时，在正常深成变质作用过程释放甲烷的基础上，由于接触变质作用可以产生大量的附加甲烷气。

    王营井田地处阜新盆地(属晚中生代盆地)中部，位于轴线呈北东东向王营向斜被北北西走向的F₂、F_W2断层所夹的地堑状断块内。经多次活动且断层泥发育的F₂、F_W2断层分别构成井田的东、西边界，北界大体位于βμ3岩墙一线，南界为煤层可采边界。该井田含煤岩系为下白垩统阜新组，煤种以长焰煤为主，煤层气成藏条件较好，煤层气藏的成因类型属水动力封闭-复合圈闭煤层气藏。该区是我国煤层气早期开发选区之一，也是我国首例在矿井中发现、研究和进行商业开发的煤层气田之一。生产矿井为煤层气富集地质因素的深入研究提供了方便条件。

    王营井田喜山期基性侵入岩十分发育，主要岩石种属为辉长玢岩、微晶辉长岩和辉绿岩^{[5]来计算[6]，天然焦化增加的甲烷气体仍有1.62Gm3[7]。}。自北向南发育有βμ3、βμ3-1、βμ4、βμ5、βμ6-1、βμ6-2、βμ6-3、βμ6-4、βμ6-5、βμ6-6、βμ7-1、βμ7-2、βμ7-3、βμ8-1、βμ8-2、βμ8-3、βμ8-4、βμ8-5、βμ9、βμ9-1、βμ10、βμ11-1、βμ11、βμ12-1、βμ12、βμ13-1、βμ13、βμ14-1、βμ14、βμ15、βμ16共31条岩墙，并发育岩床等顺层侵入体(图3)。其中，岩墙走向近东西，倾向北北西或南南东，倾角为60°～89°。由于岩浆侵入造成煤的接触变质作用，使邻近岩墙、岩床的煤层变质程度增高，使该井田的天然焦储量达32.07Mt。根据对王营井田长焰煤和天然焦中挥发分的测定和计算，从长焰煤生成1 t天然焦可同时生成甲烷气体504m³，这样，除长焰煤在正常的深成变质作用形成甲烷外，还因岩浆侵入作用，伴随长焰煤的天然焦化增加了16.2Gm³甲烷气体，按10%的生成气体保留在煤层

 

    如前所述，由于接触变质作用使邻近岩体的煤变质程度增高，例如，自岩墙边缘向外，通常依次出现天然焦、高变质裂隙煤、糜棱煤和正常长焰煤。由于岩浆热力的烘烤导致挥发分的逸出和煤体的收缩，高变质裂隙煤裂隙率明显增大，天然焦除具有很高的孔隙度之外还发育柱状节理。岩浆的动力作用则使糜棱煤多呈粉末状，渗透性极低，对甲烷气具有侧向封闭作用。上述煤层物理性质的变化一方面直接控制着煤层气的赋存状态，使得天然焦中的煤层气以游离气为主，高变质裂隙煤中吸附气与游离气并存，且游离气明显高于以吸附气为主的正常长焰煤；另一方面，煤层经天然焦化后，不但增大了生气能力，也大幅度增加了储集能力。

    煤层气能否富集乃至成藏，除具有良好的生、储条件外，保存也是重要条件。研究表明，由于结构致密和节理不发育，阜新盆地王营井田的侵入岩体对煤层气起着良好的封闭作用，主要表现为岩墙在侧向上对煤层气起着封闭作用，厚度较大且节理不发育的岩床等顺层侵入体作为盖层在垂向上对煤层气起到封闭作用。对于有裂隙发育于某些岩墙与围岩之间、或有节理贯穿某些顺层侵入体的地段而言，起封闭作用的则是水力因素或上方沉积盖层等，因不属于本文的论述对象，在此不作赘述。与岩浆活动有关的有利煤层气保存部位主要有：①位于倾向相背的两相邻岩墙在上部相互接近所构成的梯形空间内的煤层区；②两条岩墙在顶部交汇而成的三角形空间内的煤层区；③由岩墙派生的较厚岩床将相邻两岩墙连接成的“H”、“井”字形等封闭空间内的煤层区；④岩墙与侧向倾斜产出的泥岩或较厚顺层侵入体构成的“人”字型空间内的煤层区。

   王营矿井在巷道掘进过程中，接近岩墙时瓦斯涌出量明显增大，并发生过多次瓦斯喷出、煤岩与瓦斯突出事故(表1)，这一事实也证明了与岩墙相邻的天然焦、高变质碎裂煤中赋存着高含量、高压力的游离态煤层气。

    我国东部中、新生代裂陷含煤盆地在成盆期或成盆期后岩浆活动普遍，岩浆活动是生、储、保条件的重要影响因素之一，在一定条件下还可以成为煤层气富集的主控因素。辽河盆地东部凹陷和阜新盆地王营井田岩浆活动对煤层气的富集作用主要表现为以下几个方面：

    1) 火山喷发形成的附加地温场对已形成的煤层具有加深变质程度的作用，同一地区火山喷发强度的差异控制着不同煤级的空间分布，进而影响煤层的生气条件。

    2) 接触变质作用使煤层贡献了附加生产气量。

    3) 岩浆侵入通过煤层物性的变化而改变煤层的储集条件。

    4) 岩浆岩体或其与沉积盖层等其他封闭因素组合，可以提供良好的封闭、保存条件，形成复合圈闭，使煤层气富集成藏。

    岩浆活动对煤层气富集的影响形式或控制模式、对煤层气成藏的贡献等都值得不断总结和深入探索，以指导煤层气的勘探开发实践。

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[2] 欧成华，李士伦，杜建芬，等.煤层气吸附机理研究的发展与展望[J].西南石油学院学报，2003，25(5)：34-38.

[3] 石书灿，林晓英，李玉魁.沁水盆地南部煤层气藏特征[J].西南石油大学学报，2007，29(2)：54-56.

[4] 王宇林，高玉娟，赵忠英，等.辽河盆地东部凹陷沙三段煤种和煤级分布特征[J].煤田地质与勘探，2007，35(2)：14-16.

[5]王宇林，赵明鹏，高占武，等.阜新盆地王营井田侵入岩研究[J].辽宁工程技术大学学报，1998，17(5)：466-471.

[6] PALMER I D，METC，ALFE R S，YEE D，et al.煤层甲烷储层评价及生产技术[M].秦勇，曾勇，译.徐州：中国矿业大学出版社，1996：16-18.

[7] 赵明鹏，刘俊杰，陈振东，等.阜新煤田王营井田煤层气藏生储运特征研究[M].北京：地质出版社，2000.

 

(本文作者：王宇林 郭强 赵忠英 魏恒飞 王威 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院)