沁水盆地南部煤層氣藏水文地質(zhì)特征

  1 含水層與隔水層

 

  山西沁水盆地南部地區存在奧陶系、石炭— 二疊系和第四系3套主要含水層系。含水層主要為碳酸鹽巖、砂巖和松散沉積層。隔水層主要為泥質(zhì)巖類(lèi),某些地段特定層位的致密碳酸鹽巖也能起到一定阻水作用。其中,中奧陶統為區內的主要含水層,石炭— 二疊系含水層的含水性通常較弱,第四系松散沉積物含水層的含水性變化較大且影響范圍相對局限。

 

  本區主要隔水層為上石炭統隔水層、太原組和山西組泥巖和砂質(zhì)巖隔水層、上石盒子組中下部及下石盒子組隔水層組。上石炭統隔水層主要為本溪組鋁質(zhì)泥巖、太原組泥巖或煤層。太原組和山西組所含的泥巖和砂質(zhì)泥巖,在局部地段也起著(zhù)一定的隔水作用。上石盒子組中下部及下石盒子組隔水層組的厚度為幾十m到200 m不等,由泥巖、砂質(zhì)泥巖夾砂巖構成,在高平一帶垂向分布呈現平行復合結構,裂隙不甚發(fā)育,為山西組頂部的相對隔水層組。

 

  2 水文地質(zhì)單元及周界特征

 

  沁水盆地南部水文地質(zhì)單元由3個(gè)泉域組成,西北部為洪洞廣勝寺泉域,東北部為辛安泉域,南部為延河泉域。其中,辛安泉域、延河泉域在本區范圍內是2個(gè)完整的單元,具有補給、徑流、排泄的地下水系統條件,主要含水層為中奧陶厚層狀灰巖。各泉域地層構成南部向北、北部向南、東西兩側向中間的復式向斜儲水構造。

 

  2. 1 東部邊界水文地質(zhì)條件

 

  東部邊界為晉獲褶斷帶,走向N23～ 25°E,為呈階梯狀向西傾斜的高角度張扭性正斷層,傾角約70°, 由斷裂和與之平行的褶皺組成,從北到南其導水逸氣性能可明顯地分為3段。

 

  北段從沁縣至潞城, 斷層規模較大, 斷距可達300 m,隔斷了奧陶系中統含水層組,起到明顯的橫向阻水作用。

 

  中段從屯留至高平,斷距較小,落差約60 m,為平原區,地形與南段差異較大,構造形跡被第四系黃土覆蓋。從區域水位來(lái)看,斷裂兩側水位基本一致,此段導水性以及地下水動(dòng)力條件強烈。

 

  南段從高平延展至晉城,為延河泉域與三姑泉域的東部分界。該段地表出露中奧陶統灰巖,是遭受NW— SE向主壓應力場(chǎng)作用所形成的凸起壟狀山梁,山體較薄,地表徑流條件差,降雨垂直滲入的補給量不大。另外,由于斷層、節理和層面等各種不連續結構面緊密,也不利于地下水的活動(dòng)。

 

  2. 2 南部邊界水文地質(zhì)條件

 

  南部邊界為東西向構造帶,按其阻水性能可分為3段,即東部的沁河導水段,中部的西溝阻水段以及西部的西溝以西導水段。

 

  西溝阻水段由8條斷裂構成,其中最大的斷層長(cháng)達15 km,落差100余m,使煤系砂泥巖地層與奧陶系灰巖接觸,起到了阻水作用。

 

  就東、西兩段導水段而言,斷裂構造不甚發(fā)育,且落差比阻水段要小,一般為40～ 100 m。斷層兩盤(pán)灰巖與灰巖接觸,斷裂南北泉水的水質(zhì)及水型相似,硬度不高,礦化度相近,W18 O值變化不大,說(shuō)明兩盤(pán)水力聯(lián)系明顯。

 

  2. 3 西部邊界水文地質(zhì)條件

 

  西部邊界以安澤為界分為兩段。北段為霍山隆起,由寒武、震旦系組成,為一阻水邊界。南段則由導水性斷層組成。

 

  3 單元內部邊界水文地質(zhì)條件

 

  本區內部存在著(zhù)4條重要的水文地質(zhì)邊界,包括近EW向2條和NN E— NE向2條。其中, 3條邊界是由次級隆起形成的地下分水嶺, 1條為對南部煤層氣富集高產(chǎn)條件具有明顯影響的寺頭斷裂。

 

  沿近EW向展布的2條邊界分別位于沁水盆地中、南部的北部和中部。北部邊界為由武鄉— 沁縣次級隆起構成的近EW向地下分水嶺,構成辛安泉的北部界線(xiàn)。中部邊界由高平北部近EW向次級隆圖1 單元內部邊界及上石炭統太原組灰巖含水層水位等值線(xiàn)起組成,為基本阻水邊界。一地下分水嶺存在,構成辛安泉域與延河泉域的南部分界。該地下分水嶺有往NW方向延伸的趨勢,構成了沁水盆地中、南部南、北水文地質(zhì)條件差異的重要分界線(xiàn)。

 

  沿近SN 向的2條邊界分別存在于沁水盆地中、南部的東北部和南部。東北部邊界沿沿尚— 武鄉北北東向褶皺帶展布,為一地下分水嶺,構成了辛安泉域的西部邊界。南部邊界為寺頭正斷層,是延河泉域與廣勝寺泉域的北部分界,從寺頭村沿斷層往北東方向地表斷點(diǎn)有多處出露,走向N10～ 60°E,傾向NW,傾角70～ 85°。斷層落差在寺頭村南附近最大達500 m,向兩端變小,往西南在寺頭村南附近變?yōu)?60 m。

 

  寺頭斷裂對其東、西兩區的水文地質(zhì)條件、構造格局和煤層氣賦集狀態(tài)具有明顯的控制作用。在斷層破碎帶中鉆進(jìn)時(shí),水位無(wú)較大變化,消耗量最大僅0. 106 m3 /h,斷層角礫巖裂隙充填的方解石未見(jiàn)溶蝕現象。對位于斷層兩側鉆孔進(jìn)行中奧陶統含水層抽水試驗,水質(zhì)類(lèi)型截然不同,礦化度有較大差異。

 

  同時(shí),斷裂兩側甲烷含量也存在著(zhù)差異,斷裂東側的大寧2號井田、潘莊井田等主煤層的含氣量高,最高可達30 m3 / t以上,而西側含氣量相對較低,與東側同等深度條件下含氣量通常不超過(guò)15 m3 /t。

 

  抽水試驗、水化學(xué)、煤層含氣性等方面的證據表明,寺頭斷層是一條封閉性的斷裂,導水、導氣能力極差。但是,該斷層斷距較大,延伸較長(cháng),與其他斷層相連,故不能排除局部導水、導氣的可能性。

 

  4 現代地下水動(dòng)力場(chǎng)展布

 

  4. 1 區域徑流強度分區

 

  強徑流區位于盆緣向內的3～ 5 km范圍內,石炭系頂界標高700～ 1000 m。強徑流區內的斷裂和次級褶皺相對發(fā)育,裂隙、巖溶構成脈狀網(wǎng)絡(luò ),垂向上存在山西組碎屑巖裂隙含水層、太原組灰巖裂隙— 巖溶含水層和奧陶系巖溶—裂隙含水層,富水程度相對較高,鉆孔單位涌水量大于4. 34 L /( s· m) ,礦化度一般為356. 84～ 542. 2 mg /L, 水質(zhì)類(lèi)型以HCO3· SO4— Ca· Mg 型為主,巖溶水處于無(wú)壓轉承壓狀態(tài),水力坡度變化較緩,流速為1. 1 km /a,徑流條件較強,煤層含氣量普遍較低。

 

  中等徑流區位于盆地環(huán)斜坡地帶,平面寬度約3～ 8 km,石炭系頂界標高400～ 700 m,受斷層和次級褶皺的影響,徑流條件較強,巖溶水處于承壓狀態(tài),巖溶、裂隙比較發(fā)育,富水程度極不均一, 鉆孔單位涌水量為0. 472～10. 265 L /( s· m) , 礦化度一般為465. 72～ 1399. 18 mg /L,水質(zhì)類(lèi)型以SO4· HCO3— Ca·Mg 為主,水力坡度中等,煤層含氣量及滲透率變化幅度大,局部地段排水降壓困難。

 

  弱徑流區位于盆地深部,為地下水的滯流邊界,富水程度強,鉆孔單位涌水量為0. 877 L /( s· m) ,水質(zhì)明顯變差,礦化度高達1 823. 61 mg /L,水質(zhì)類(lèi)型為SO4— Ca· Mg 型。水徑流微弱,但在次級背斜軸部裂隙、巖溶發(fā)育地帶,徑流相對增強。該帶煤層氣含量普遍較高,但滲透率受埋深的影響而普遍偏低。

 

  4. 2 主要含水層等勢面展布

 

  本區地下水等勢面具有北高南低的總體態(tài)勢。

 

  然而,由于上述內部水文地質(zhì)界線(xiàn)的客觀(guān)存在,使得區內地下水動(dòng)力條件并不是如此簡(jiǎn)單,發(fā)育了若干個(gè)相對“低洼”的匯水中心。

 

  4. 2. 1 太原組含水層等勢面態(tài)勢

 

  上石炭統含水層以太原組灰巖為主,下主煤層的頂板或直接蓋層為K2 灰巖,該層灰巖也是區內太原組含水層系中的主要含水層。等勢面呈南高北低的總體背景,地下水的補給主要還是來(lái)自西北部地區,大致沿高平北、屯留、沁縣一線(xiàn)展布的NW向地下分水嶺隱約可見(jiàn)。

 

  在寺頭斷裂與晉獲斷裂之間,等勢面顯著(zhù)要低

 

  于東、西兩側地區,并以大寧井田— 潘莊井田為中心、以樊莊地區為斜坡地帶形成了一個(gè)等勢面低地。

 

  在這一低地中,含水層顯然富水但徑流條件極弱,其意義不僅在于進(jìn)一步顯示出,寺頭斷裂和晉獲斷裂南段的高度阻水以及“低地”部位地下水滯流的特性,更為重要的是低地位置恰好處于沁水盆地中、南部主煤層含氣量最高的地帶。

 

  4. 2. 2 山西組含水層等勢面態(tài)勢

 

  下二疊統山西組的主要含水層是上主煤層間接頂板砂巖,等勢面展布格局總體上與太原組含水層相似,南高北低,東南部最低,地下水補給主要來(lái)自西北部地區,由NW向地下分水嶺分割成的兩個(gè)徑流方向區域仍然清晰可見(jiàn)。

 

  寺頭斷裂和晉獲斷裂南段的阻水特性對等勢面的控制作用依然清晰可見(jiàn),但影響程度和范圍有所變化。在兩條斷裂之間的地帶,等勢面同樣明顯地要高于東、西兩側地區。與太原組不同的是,山西組含水層等勢面的低洼程度在大寧— 潘莊一帶已明顯減弱,而在樊莊地區有所增強。相鄰含水層等勢面分布的這一層域組合關(guān)系,可能是控制南部上、下主煤層含氣量關(guān)系的重要地質(zhì)原因。

 

  5 現代地下水化學(xué)特征

 

  5. 1 中奧陶統地下水化學(xué)場(chǎng)

 

  奧陶系與上覆地層水力聯(lián)系弱,地下水一般為HCO3· SO4— Ca· Mg 型。隨含水層埋深增大,水化學(xué)類(lèi)型由HCO3· SO4— Ca· Mg 型向SO4— Ca·Mg 型轉化。東部、東南、南部的徑流條件相對較強,水質(zhì)類(lèi)型一般是HCO3— Ca· Mg; 盆地內的中徑流區,水質(zhì)類(lèi)型一般為SO4· HCO3— Ca· Mg 型; 在盆地深部弱徑流區或某些局部滯流地帶,水質(zhì)類(lèi)型為SO4— Ca· Mg 型。

 

  5. 2 上石炭統太原組地下水化學(xué)場(chǎng)

 

  在本區,石炭系含水層地下水主要為HCO3·SO4— K· Na 型。由盆地兩翼部向軸部延伸,石炭系被二疊系、三疊系等覆蓋,處于開(kāi)放、半封閉到封閉狀態(tài),水質(zhì)由HCO3· SO4— Ca 型向HCO3· SO4—K· Na 和HCO3· SO4— Ca· Mg 型轉化, 并以HCO3· SO4— K· Na型占優(yōu)勢。

 

  在屯留一帶,石炭系含水層水質(zhì)類(lèi)型為HCO3· SO4— K· Na 型,該區二疊系含水層水質(zhì)類(lèi)型為Cl· HCO3— K· Na型, 可見(jiàn)兩含水層之間存在水力聯(lián)系。

 

  在中東部至高平一帶,受晉獲斷層帶影響,石炭系和二疊系含水層地下水處于滯緩流狀態(tài),趙莊地區石炭系水質(zhì)為HCO3— Na· Ca型,但奧陶系已延伸到向斜東翼,不受阻水影響,礦化度減小到300～450 mg /L左右。在沁源地區,由于二疊系、石炭系、奧陶系由NW向SE方向逐漸向深部延伸,徑流條件由較強到弱, 水質(zhì)隨之由HCO3— Ca 型向SO4—Ca· Mg 型轉換。

 

  在南部大寧一、二號井田附近,上石炭統太原組一般在接近地表露頭處巖溶、裂隙發(fā)育,以巖溶— 裂隙水為主,含水微弱,水質(zhì)為HCO3· SO4— Ca· Mg型。埋深加大, 巖溶發(fā)育程度減弱, 水類(lèi)型變?yōu)镠CO3— K· Na型。在潘莊井田, 礦化度最高可達2 964 mg /L, 水質(zhì)類(lèi)型為HCO3· SO4— Ca· Mg型。從大寧井田向南,水質(zhì)由HCO3· SO4— Ca· Mg型向HCO3— K· Na型轉換。

 

  本區上石炭統太原組含水層地下水礦化度的區域展布格局與中奧陶統含水層相似,展現出礦化度由NW向SE增高的總體趨勢,在相似的地帶同樣也存在3個(gè)高礦化度的中心,表明地下水區域補給主要來(lái)自于西北部地區,局部地區地下水具有明顯的滯流或緩慢流動(dòng)的特征。

 

  5. 3 下二疊統山西組含水層化學(xué)場(chǎng)

 

  受區域構造和地形地貌特征的控制,山西組砂巖含水層地下水地球化學(xué)場(chǎng)的區域展布格局在一定程度上繼承了下伏太原組含水層的總體面貌,如礦化度總體上由北向南降低,在南部存在高礦化度中心等。但是山西組含水層地下水地球化學(xué)場(chǎng)與太原組相比,也發(fā)生了重要改變。

 

  在本區北部礦化度等值線(xiàn)展布方向由太原組的NN E— SN方向轉變?yōu)楸窘M含水層的NNW方向,等值線(xiàn)呈頂部朝北凸出的弧形產(chǎn)出,弧頂連線(xiàn)偏向盆地軸部以西,同時(shí)東北部的礦化度明顯要高于西北部地區。換言之,本組地下水主要補給區域可能由太原組和馬家溝組的西北部地區轉變?yōu)闁|北部地區。

 

  礦化度大于1 000 mg /L的地域覆蓋了包括鄭莊、大寧、潘莊、樊莊、趙莊南在內的廣大地區。這一地區高礦化度地下水的存在,是本組含水層等勢面在該區坡度極為平緩或存在“洼地”的必然結果,共同反映出地下水高度滯流的重要特征,對上主煤層中煤層氣的保存極為有利。

 

  本組含水層水質(zhì)類(lèi)型在屯留一帶多為HCO3— K· Na型或HCO3· SO4— K· Na 型,在趙莊、高平一帶為HCO3— Ca· Mg 型,在潘莊、大寧一帶轉變?yōu)镠CO3· SO4— Ca· Mg 型或HCO3— K· Na 型。水質(zhì)類(lèi)型由北向南變化過(guò)程所顯示的地下水徑流特征,與根據礦化度和等勢面分布所得出的結論高度一致。

 

  根據上述水文地質(zhì)條件和構造部位又可進(jìn)一步分成“滯流”和“緩流”兩大類(lèi),包括三種類(lèi)型:

 

  5. 3. 1 等勢面“洼地”滯流型

 

  該類(lèi)型出現在寺頭斷層以東、晉獲斷層帶以西、高平近東西向分水嶺以南、南部近北西向分水嶺以北的地區,即大寧— 潘莊— 樊莊一帶。等勢面明顯呈“洼地”形態(tài),礦化度極高,地下水幾乎呈封閉狀態(tài)。

 

  山西組、太原組和馬家溝組的水量均很小,水溫較高。經(jīng)水質(zhì)分析,全固形物和硬度均很大,氚同位素值較低,表明地下水流不暢,地表水入滲微弱,煤層氣因水力封閉而富集。

 

  5. 3. 2 等勢面箕狀緩流型

 

  該類(lèi)型發(fā)育在屯留、沁源— 安澤、潘莊北等。三面水勢較高,一面水勢較低。但是水勢低的一面地表露頭有水源補給,徑流受到封阻。地層產(chǎn)狀呈簸箕狀,地下水以靜水壓力,在重力驅動(dòng)下流動(dòng)十分緩慢,對煤層氣的保存及形成水承壓煤層氣藏較為有利。

 

  5. 3. 3 等勢面扇狀緩流型

 

  本類(lèi)型出現的地域為西南部沁水地區,并以鄭莊一帶較為典型。北面和西面水勢較高,東面和南面水勢相對較低。水勢低的部位部分被寺頭斷裂阻隔,部分在露頭地帶受到地表水補給,徑流被封阻,煤層氣隨地下水運移的逸散作用可能相對減弱。

 

  6 結論

 

  a.  研究區存在3套主要含水層,水文地質(zhì)單元由3個(gè)泉域組成。

 

  b.  東部邊界晉獲斷裂褶皺帶的北段對中奧陶統含水層組起到明顯的橫向阻水作用,中段導水性及水動(dòng)力條件強烈,南段地下水徑流條件極差,是不導水的。南部邊界由東部導水段、中部阻水段以及西部導水段組成,特別是中段的阻水性質(zhì),對晉城一帶煤層氣的保存與富集起到了重要作用。西部邊界以安澤為界,北段為一阻水邊界,南段則由導水性斷層組成。

 

  c.  本區內部存在著(zhù)4條重要的水文地質(zhì)邊界。其中寺頭斷裂是一條封閉性的斷裂,導水、導氣能力極差。

 

  d.  在沁水盆地中、南部寺頭斷裂和晉獲斷裂南段之間的大寧— 潘莊— 樊莊地區,山西組和太原組含水層的等勢面明顯地要高于斷裂東、西兩側地區,地下水顯然以靜水壓力形式將煤層中的煤層氣封閉起來(lái)。在寺頭斷裂西側的鄭莊及其附近地區,地下水徑流強度可能較弱,較有利于煤層氣保存。

 

  e.  大寧— 潘莊— 樊莊一帶為等勢面“洼地”滯流型,煤層氣富集條件好。