鄂爾多斯盆地東緣構造-水文地質(zhì)控氣特征

  鄂爾多斯是我國煤層氣資源最為豐富的盆地，盆地改造過(guò)程和多種能源成藏響應研究引起了地質(zhì)學(xué)家的重視（劉池洋等，2006；馮三立等，2002；Zhang et al.，2002）。目前的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)集中在盆地東緣，沿黃河呈南北向分布，南北長(cháng)逾560 km，東西寬50~200 km，面積約8×104 km2，埋深1500 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量約9×1012 m3（接銘訓，2010）。盆地東緣是一條復雜的構造-地貌邊界帶，分隔了西側鄂爾多斯塊體和東側山西斷隆。通常，將NS向離石斷裂作為盆地的東緣邊界斷裂。構造變形是影響煤層氣成藏的重要因素（Jiang et al.，2010），不同性質(zhì)、不同類(lèi)型的構造對煤層氣的生成、運移和保存具有不同的控制作用（姜波等，2005），地層和構造決定了煤層的形態(tài)、連續性和滲透性（Pashin，1998；Frodsham and Gayer，1999）。因此，構造演化及其特征的研究，有助于深刻揭示煤層氣運移和賦存規律及構造-水文地質(zhì)條件的控制作用，為煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據。

 

  1 煤儲層及其物性特征

 

  研究區主要包括河東煤田和韓城煤田

 

  1）。河東煤田位于山西省西部的黃河東岸，呂梁山脈貫穿南北，構成山西西部高原的脊梁，屬石炭—二疊紀含煤巖系；韓城煤田位于渭北煤田東部韓城市境內，東以黃河與河東煤田隔河相望。

 

  1.1 含煤地層及煤層

 

  鄂爾多斯盆地晚古生代含煤地層包括上石炭統本溪組、上石炭—下二疊統太原組及下二疊統山西組。含煤地層厚度137.05~193.21 m，平均161.26 m。含煤21層，煤層平均厚度12.63 m，其中可采煤層平均厚度10.30 m。山西組一般含煤9層，可采煤層2~3層；太原組含煤10~13層，可采煤層3~5層；本溪組普遍含煤，但多為薄煤層或煤線(xiàn)，僅局部地區發(fā)育一層可采煤層。山西組煤層自上而下編號為1~5號煤層，其中4號、5號為主要煤層；太原組自上而下編號6上~10號煤層，其中8號、9號為主要煤層。

 

  1.2 儲層物性特征

 

  構造、熱演化、煤巖組分、灰分產(chǎn)率以及圍巖、水動(dòng)力條件等的差異，導致5號和8號煤層物性具有各自的特征?，F以大寧—吉縣地區為例，分析這兩個(gè)主煤層的物性特征。

 

  1.2.1 煤層孔隙性及滲透性

 

  1）5號煤層

 

  5號煤層厚度2~7 m，復雜結構，含矸率一般大于5%。煤巖類(lèi)型主要為半亮—半暗煤、半暗煤和光亮煤，鏡質(zhì)組反射率1.2%~2.0%，平均灰分產(chǎn)率為9.62%。

 

  據區內14口煤層氣探井孔隙度測井解釋成果，5號煤層孔隙度在1.91%~4.01%之間，具中-低孔隙特征。該煤層孔隙度受構造、埋深等條件的顯著(zhù)影響，孔隙度>4%的區域主要位于古驛—窯渠、明珠—蒲縣以東地區。古驛—窯渠北東一線(xiàn)為一局部隆起的背斜構造，煤層埋深相對較淺；明珠—蒲縣以東是東部邊緣的翹起端，5號煤層埋深在400~800 m之間，孔隙度較高?？傮w來(lái)看，5號煤層孔隙度西低東高，古驛—窯渠構造軸部高、翼部低。

 

  據試井資料，煤層滲透率介于（0.12~42.86）×10-3μm2之間，大于10×10-3μm2地區主要集中分布在古驛—曹井一線(xiàn)，預測向東隨煤層埋深變淺，滲透率將大于5×10-3μm2。

 

  2）8號煤層

 

  8號煤層在研究區南部厚度為2~10 m，結構復雜，含矸率一般在5%左右。煤巖類(lèi)型以半亮—半暗煤占優(yōu)勢，其次為半暗煤和暗淡煤，平均灰分產(chǎn)率為13.24%。

 

  該煤層孔隙度在1.64%~4.81%之間。午城地區位于鼻狀隆起構造部位，隆起幅度20~30 m，導致午試1-2井8號煤層孔隙度高達4.81％。從平面分布來(lái)看，8號煤層孔隙度多數略低于5號煤層，但仍然有西低東高、古驛—窯渠構造軸部高、東西部低的分布趨勢。自明珠向東，該煤層孔隙度隨埋深變淺可能增高。煤層滲透率介于（0.1~3.87）×10-3μm2之間，明顯低于5號煤層。

 

  1.2.2 煤層含氣性

 

  一般認為，煤層含氣量與埋深呈正比。在研究區南部的大寧—吉縣地區，5號煤層在埋深700~1000 m范圍，含氣量為17.8 m3/t，梯度為0.059m3/m；從平面上看，5號煤層含氣量等值線(xiàn)呈NE向展布，含氣量大于15 m3/t的地區主要集中在窯渠和午城東（圖2a）。8號煤層埋藏比5號煤層深50~70m，含氣量應高于5號煤層，但實(shí)測資料揭示的情況恰好相反。究其原因，可能在于5號煤層頂底板條件比8號煤層優(yōu)越，多為泥巖，封蓋能力強，煤層氣保存條件較好；8號煤層頂板多為灰巖，封蓋能力相對較差，尤其是構造發(fā)育區的灰巖裂隙發(fā)育，對氣體的封蓋能力變差，導致煤層含氣量降低。

 

  主煤層的孔隙性、滲透性、含氣性等均具有NE向帶狀展布的規律，表明燕山運動(dòng)的NEESWW向構造擠壓作用是控制區域煤層氣成藏特征的關(guān)鍵地質(zhì)條件。不同區域構造發(fā)育特征的不同，對煤層氣保存的圍巖和水動(dòng)力等條件具有差異影響，導致煤層氣成藏特征的復雜化。

 

  2 構造變形及其分區特征

 

  研究區構造變形的特點(diǎn)，主要體現在東部邊界變形較強，近NS向的壓性斷裂和褶皺構造發(fā)育，向盆地內部褶皺逐漸減弱，斷裂構造不發(fā)育，褶皺以寬緩開(kāi)闊型為主，具有明顯的分區性。

 

  2.1 構造變形特征

 

  研究區構造總體上為NWW向傾斜的單斜構造，局部疊加寬緩褶皺，斷裂構造發(fā)育較弱。

 

  1）褶皺構造

 

  區內地層產(chǎn)狀較為平緩，發(fā)育寬緩褶皺和撓曲。寬緩型褶皺中背斜較為發(fā)育，有些褶皺在野外露頭較好、直觀(guān)，另有一些規模相對較大的褶皺則需要通過(guò)巖層產(chǎn)狀測量才能確定。如，在窯街西一背斜由中三疊統二馬營(yíng)組（T2er）中厚層砂巖夾薄層砂巖構成。背斜NW翼產(chǎn)狀323°∠23°，SE翼產(chǎn)狀155°∠14°，為NW翼陡、SW翼緩的不對稱(chēng)背斜構造，轉折端處巖層產(chǎn)狀254°∠4°，表明該背斜略向SW方向傾伏（圖3）。

 

  該區褶皺構造的另一個(gè)特點(diǎn)是撓曲較為發(fā)育，表現為巖層產(chǎn)狀的急劇變化，常由近水平產(chǎn)狀突變?yōu)槎竷A斜巖層，主要見(jiàn)于鄉寧縣管頭鎮上善村、吉縣半山、茨溝和龐家疙瘩等地。茨溝撓曲構造位于茨溝寬緩背斜西約500 m處，核部地層為二馬營(yíng)組中厚層砂巖，SE翼為陡傾翼，產(chǎn)狀290°∠42°，NW翼緩，產(chǎn)狀為274°∠10°，撓曲軸向為NNE向。

 

  2）斷裂構造

 

  鄂爾多斯盆地東緣斷裂構造不發(fā)育，僅局部見(jiàn)規模較小的斷層，但研究區東部及南部斷層相對發(fā)育。斷層走向以NNE向為主，多具有逆斷層性質(zhì)。

 

  東部邊緣彩疙瘩溝斷層發(fā)育于中奧陶統馬家溝組薄層灰巖中，走向NNE，傾向NWW，上盤(pán)巖層在斷層逆沖作用過(guò)程中產(chǎn)生彎曲，形成牽引構造，近斷裂處巖層傾角較大，可達50°以上，隨著(zhù)漸離斷層傾角逐漸變緩，于斷層上盤(pán)形成了牽引背斜構造。盆地內部?jì)H局部可見(jiàn)發(fā)育于三疊系中的小型逆沖斷層，斷距一般較小，僅數米。如發(fā)育于中三疊統二馬營(yíng)組紫色泥質(zhì)砂巖和薄層灰黃色砂巖中的古驛逆斷層，斷距僅1.2 m，斷層產(chǎn)狀185°∠51°，斷裂面緊閉、光滑，在傾向上具有緩波狀幾何形態(tài)，顯示了逆斷層的典型特點(diǎn)。

 

  褶皺和斷裂構造發(fā)育特征反映了區域NWWSEE方向擠壓應力作用。結合卷入變形的巖層和區域構造背景分析，本區擠壓構造形跡主要形成于中侏羅世末期至晚侏羅世時(shí)期，對應中國東部燕山運動(dòng)主幕（董樹(shù)文等，2000；趙越等，2004）。鄂爾多斯盆地三期構造擠壓應力事件主要發(fā)生在中侏羅世末期至晚侏羅世時(shí)期（張岳橋等，2006）。持續的構造擠壓作用，不僅改造了煤層的賦存狀態(tài)，并對煤層氣成藏特征起到重要的控制作用，褶皺和逆斷層的發(fā)育有利于煤層氣保存，也是導致本區煤層氣成藏條件具有EW分帶性的重要構造動(dòng)力學(xué)機制。

 

  2.2 構造分區性特征

 

  研究區構造變形在北部微弱，南部較為強烈，據此可分成北部、中部和南部三個(gè)構造分區。在此框架下，依據EW方向的構造差異，每個(gè)構造分區從盆緣到盆內進(jìn)一步劃分為盆緣斷坳、斜坡凹隆及緩坡三個(gè)構造帶。韓城礦區位于黃河以西，單獨作為一個(gè)構造分區。本文研究區主要為中部、南部和韓城構造分區。

 

  2.2.1 中部構造分區

 

  中部構造分區位于離石—柳林EW構造帶。在走向NS的呂梁復背斜西翼基礎上，NS向次級褶皺較發(fā)育，加之EW向隆起與其復合，形成了特有的短軸背、向斜，進(jìn)一步劃分為離石向斜、王家會(huì )背斜和柳林—吳堡鼻狀構造三個(gè)構造帶。

 

  離石向斜為呂梁復背斜西翼的次級NS向構造單元，長(cháng)約40 km，寬約4 km，中部較寬，約16km；東翼地層傾角平緩，一般小于10°；西翼構造相對復雜，發(fā)育次級小型NS向褶皺，斷層稀少且均為正斷層。王家會(huì )背斜為軸向近NS、東翼較陡、西翼較緩的不對稱(chēng)背斜，構成離石向斜與柳林—吳堡鼻狀構造的分界。柳林—吳堡鼻狀構造向東部翹起，地層分別向NW，W和SW方向傾斜，傾角一般5°~10°，主要出露上石炭統和二疊系。

 

  在柳林地垅堡南至聚財塔一帶，次級EW向構造發(fā)育，由一系列短軸背、向斜組成，在鼻狀構造軸部有低序次的縱張斷層組成的地塹構造。

 

  2.2.2 南部構造分區

 

  南部構造分區北起柳林南部的裴溝—張家莊

 

  一線(xiàn)，南至鄉寧—河津一帶，東以離石大斷裂南段紫荊山斷裂為界，西抵黃河，NS長(cháng)170 km。主要構造線(xiàn)呈向W突出的弧形展布，在隰縣以北為NS向，向S逐漸過(guò)渡為NNE向及NE向，從東向西依次分布中奧陶統—三疊系銅川組等地層。依據構造變形特征的差異，分為盆緣斷坳帶、斜坡凹隆帶和緩坡帶三個(gè)構造帶。

 

  盆緣斷坳帶構造變形最為強烈，發(fā)育一系列壓性斷層、撓曲及其伴生構造，包括紫荊山斷裂帶及旁側的蒲縣—暖泉向斜和鄉寧撓褶帶等。

 

  斜坡凹隆帶位于盆緣斷坳帶西側，西界為吉縣至永和東城鎮一線(xiàn)，北段地層傾向W，傾角5°~10°，次級褶皺較為發(fā)育，中段傾向NNW，傾角5°~15°，南段傾向NW，傾角5°~15°。帶內以隆凹相間的褶皺構造為主，伴有小型斷層，褶皺主要有石樓至隰縣之間的褶皺群及薛關(guān)—窯渠褶皺帶。緩坡帶僅為中部靠近黃河的一小部分，向西進(jìn)入陜西境內，地層傾向W，傾角很小，一般1°~5°，甚至水平；雖有少量的波狀起伏，但幅度很小，基本屬緩傾單斜構造。

 

  2.2.3 韓城構造分區

 

  韓城構造分區位于鄂爾多斯盆地東南緣，地層走向NE，傾向NW，傾角淺部陡、深部緩，地層傾角一般8°左右，總體上為一單斜構造。構造變形程度南強北弱，東強西弱，淺部復雜，中深部簡(jiǎn)單。南北分區性明顯，北區擠壓構造較為發(fā)育，南區以拉伸構造形跡占據主導，主要斷裂構造發(fā)育于東南邊緣地帶。煤層構造以中型褶皺及落差5 m以下的中小型斷層為主。

 

  3 構造-水文地質(zhì)條件及其控氣特征

 

  區域構造演化及其發(fā)育特征對研究區水文地質(zhì)條件具有顯著(zhù)的控制作用，構造發(fā)育的差異性控制了區域水文地質(zhì)邊界及不同區域水文地質(zhì)特征。

 

  3.1 區域水文地質(zhì)邊界

 

  北部邊界以近EW向構造發(fā)育為特征，為一系列近EW走向的正斷層及由其組成的地塹、地壘構造，其中最大的一條向西延伸穿過(guò)黃河，與陜西境內的東西向斷裂相接。區域中部的聚財塔地塹由兩條近東西走向的正斷層組成，寬約450 m（圖7），區內鉆孔揭露該斷層為阻水斷層，斷層南、北部水文地質(zhì)條件存在一定的差異。

 

  東界為近NS向斷裂帶，北段為離石斷裂帶，發(fā)育于王家會(huì )背斜東翼，主要由炭窯溝斷層、棗林斷層和朱家店斷層組成，主體延伸方向為近NS向。斷層傾角較大，傾向時(shí)東時(shí)西，總體表現為西盤(pán)上升、東盤(pán)下降的壓性構造帶。中段和南段為紫荊山斷裂帶，由一系列近NS走向平行或斜列的壓性斷層及褶曲組成，并伴有走向NE，NW及EW向、落差不大、延伸不遠的平移正斷層；主斷層面向東傾，傾角較大，在60°~80°之間，東盤(pán)為太古界基底雜巖與寒武—奧陶系灰巖，西盤(pán)為晚古生代煤系及中生代地層，南段斷裂帶內巖層陡立，局部發(fā)生倒轉，拖曳褶皺發(fā)育，塑性巖層揉皺現象明顯。研究區東南為馬頭山斷裂帶，北起羅云山以北，向SW延伸，直達韓城附近，與鄉寧NE向斷撓帶相交。

 

  南界為鄉寧NE向斷撓帶，從臨汾市河底鎮起，向SW延伸，至河津禹門(mén)口切過(guò)黃河延入陜西境內，長(cháng)約80 km。東段由一系列壓性斷層組成，主斷面傾向SE，上盤(pán)向NW逆沖；中段長(cháng)達40km，形成一個(gè)規模巨大的膝狀撓曲，地層在1 km范圍內由近水平變?yōu)橹绷⑸踔恋罐D再變?yōu)榻綘顟B(tài)；西段以逆沖斷裂為特征，SE盤(pán)太古界涑水群基底雜巖仰沖在早古生界之上。斷撓組合構成南部隔水邊界。

 

  西部邊界北段以黃河為界，各水文地質(zhì)單元的地表水和地下水最終流入黃河；西南部韓城地區的西南部以愛(ài)帖溝逆斷層為代表，構成奧灰水阻水邊界；西北部為奧灰水深循環(huán)滯流帶，是地下水的自然邊界或阻水邊界。

 

  3.2 水文地質(zhì)單元劃分及其特征

 

  根據地質(zhì)構造，結合地下水補給、排泄條件和地貌特征，研究區可劃分為五個(gè)水文地質(zhì)單元。區域上，中奧陶統、太原組和山西組3套含水層系之間基本上沒(méi)有水力聯(lián)系，后兩者富水性微弱—中等。在盆地邊緣構造、盆內構造及地層溫壓條件的綜合控制之下，盆內地下水系統被進(jìn)一步分解，導致煤層氣聚散的地下水動(dòng)力場(chǎng)和煤層含水系統等條件進(jìn)一步復雜化，不同單元地下水動(dòng)力場(chǎng)對煤層氣成藏過(guò)程具有不同的控制作用。

 

  柳林泉域包括三川河流域和湫水河東部流域，北部、東部及南部均為灰巖地層或變質(zhì)巖的地表分水嶺，西部為灰巖地層與石炭、二疊系地層接觸帶。再往西為巖溶承壓水，即巖溶地下水的滯流區，14C測年在1萬(wàn)年以上，礦化度達8.145g/L。受單斜構造控制，地下水在灰巖露頭處得到補給，向柳林一帶匯流，由柳林泉集中排泄。

 

  強徑流方向有兩個(gè)，一是從泉域中部灰巖裸露區到柳林泉，另一個(gè)是從泉域東南部的灰巖裸露區繞過(guò)離石向斜后到柳林泉。從補給區到排泄區，地下水基本上具有統一水位，局部構造和隔水層的控制使得地下水位在局部地區存在差異?？傮w上，柳林泉長(cháng)期排泄形成的大降落漏斗，決定著(zhù)大范圍巖溶水的流向。柳林泉以泉群形式在泉域以東的三川河河谷中出露，屬于受上覆隔水巖層阻水而使得巖溶水溢出形成頂板阻溢全排型巖溶泉水，水頭出露標高為801 m。

 

  黃河東斷凹水文地質(zhì)單元東起紫荊山大斷裂，西抵黃河，南止昕水河一帶，北部與柳林泉域相鄰。地貌屬中低基巖山區及黃土丘陵，絕大部分河流注入黃河水系。單元內地下水接受大氣降水及地表水補給為主，第四系松散層孔隙潛水受地貌、地形及當地侵蝕基準面控制，以泉及潛流形式向河谷排泄。石炭系、二疊系、三疊系含水巖層，在地形較高處及淺埋區以潛水形式向河流排泄。奧陶系和寒武系灰巖水則以承壓水形式自東向西、自北向南流動(dòng)。

 

  龍祠泉域西起紫荊山斷裂，南部和東部均以羅云山—馬頭山斷裂為界，北至姑射山一帶；東部、南部界線(xiàn)均延出區外。由山西斷隆軸部近NS向喬家灣—牛王廟復向斜構成向斜控水構造，向斜中心部位出露二疊系。該單元為中低山地形，地下水接受大氣降水補給，向斜兩翼地下水向軸部匯聚，由北向南流動(dòng)。各含水層一般以承壓水形式出現，龍祠泉群屬構造上升泉，也是單元內地下水的總排泄點(diǎn)。

 

  龍門(mén)山水文地質(zhì)單元的北部、西部與黃河東斷凹水文地質(zhì)單元接壤，東部與龍祠泉域接界，邊界線(xiàn)位于紫荊山大斷裂的分支NS向斷裂帶西側，南部以馬頭山斷裂為界。區內出露奧陶系、寒武系灰巖，次為太古界雜巖，屬基巖中低山區。中部及西部為黃土切割地形，溝谷切割強烈，給地表水排泄創(chuàng )造了良好條件。地表水向西注入黃河，使地下水受大氣降水的補給甚少，含水層補給受限，地下水以灰巖潛水為主，次有雜巖風(fēng)化帶裂隙水。

 

  韓城水文地質(zhì)單元地處韓城褶斷帶，SE邊界為韓城大斷層，NW以?shī)W陶系頂部埋深1000 m線(xiàn)為巖溶水系統的滯水邊界，NE界至黃河，SW以地下分水嶺為界。地表水不甚發(fā)育，地下水受構造、巖性及地形地貌的控制，儲水空間主要為第四系底部和基巖裂隙或巖溶裂隙。含煤地層及其上覆地層砂巖含水層的含水性、富水性和透水性多較弱，水力聯(lián)系較差，補充不足。

 

  3.3 地下水動(dòng)力場(chǎng)與煤層氣保存條件

 

  地下水動(dòng)力場(chǎng)和煤層氣富集均受構造控制，且都與巖石滲透性等有關(guān)。研究區各含水層中，石炭系和二疊系含水層與煤層最近，對煤層氣運移和賦存影響較大；奧陶系灰巖水位一般高于煤層，且常有斷層、陷落柱等與煤層及煤系水發(fā)生聯(lián)系，對煤層氣賦存有一定的控制作用；新生界含水層距煤層較遠，與煤層氣保存條件關(guān)系不大。

 

  黃河東斷陷水文地質(zhì)單元構造相對簡(jiǎn)單，地下水徑流強度相對均一，單元內煤層含氣性在地層走向上較均一，含氣量隨著(zhù)埋藏深度的加深而含量增高。柳林水文地質(zhì)單元的地下水動(dòng)力條件總體上強于其它幾個(gè)單元，煤層氣受地下水徑流的影響較大，但該單元地下水排泄點(diǎn)位于柳林泉域，地下水在泉域以西處于承壓滯流環(huán)境，有利于煤層氣保存。龍門(mén)山水文地質(zhì)單元的地下水向兩個(gè)方向徑流，南部是地下水從補給區流向禹門(mén)口泉的強徑流通道，煤層氣保存條件較差，北部區處于滯流環(huán)境而可能有利于煤層氣保存。

 

  相對于河東煤田，韓城水文地質(zhì)單元的地下水動(dòng)力條件較強。但是，該單元地下水補徑排關(guān)系卻有其特點(diǎn)，在東南邊緣NE向韓城斷層附近地下水運動(dòng)較為強烈，補徑排路程較短，水動(dòng)力場(chǎng)較強，但只是一個(gè)狹長(cháng)的局部區域；往NW方向進(jìn)入盆地，地下水處于滯流環(huán)境，水動(dòng)力場(chǎng)較弱，煤層氣保存條件較好。

 

  4 結論

 

  1）鄂爾多斯盆地東緣的構造變形在東部邊界較強，近NS向的壓性斷裂和褶皺構造發(fā)育，變形程度向盆地內部逐漸減弱，表明盆地邊緣和內部的構造條件均有利于煤層氣保存。

 

  2）鄂爾多斯盆地東緣可劃分為5個(gè)水文地質(zhì)單元，韓城水文地質(zhì)單元的水動(dòng)力條件強于河東煤田諸單元，河東煤田又以柳林泉流域水動(dòng)力條件最強，這是區域上煤層氣保存條件不一的重要地質(zhì)原因。黃河東斷陷單元煤層含氣量隨埋藏深度的加深而增高，柳林單元在柳林泉以西發(fā)育有利煤層氣保存的地下水動(dòng)力場(chǎng)條件，龍門(mén)山單元北部的地下水動(dòng)力條件可能有利于煤層氣保存，韓城單元西北部地下水處于滯流環(huán)境而使得煤層氣保存條件較好。