詹 潤，張文永，傅先杰，孫 貴，方惠京，顧承串

(1. 安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽 合肥 230088; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026; 3. 中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001; 4. 安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

淮南煤田作為華東地區(qū)重要的能源基地，煤層氣勘探潛力大，煤層含氣量高，2 000 m深度以淺的煤層氣地質(zhì)資源量預(yù)測達(dá)0.5×10m。近年來，隨著淺部煤炭資源趨于枯竭以及煤層氣開發(fā)越來越受重視，淮南煤田地質(zhì)勘查工作不斷向中深層、推覆體下與老礦井外圍進(jìn)行開拓，在潘謝、新謝、阜東等礦區(qū)陸續(xù)實(shí)施了一批煤層氣鉆孔和開發(fā)示范試點(diǎn)工程，但勘探效果差異較大。該地區(qū)煤層氣勘查與開發(fā)總體處于較低水平，主要受制于對(duì)復(fù)雜控氣構(gòu)造的認(rèn)識(shí)和理解不夠深入。

淮南煤田地處華北板塊東南緣，成煤期后構(gòu)造演化過程異常復(fù)雜，并且控制區(qū)內(nèi)煤層含氣性分異較明顯。其中，位于淮南煤田南緣阜鳳逆沖推覆構(gòu)造帶中段的新集井田(包括新集一礦、新集二礦)，是20世紀(jì)90年代在巨厚推覆下發(fā)現(xiàn)的石炭系—二疊系煤礦區(qū)。近年來，為了進(jìn)一步拓展煤炭與煤層氣資源戰(zhàn)略選區(qū)，又發(fā)現(xiàn)了羅連井田(包括羅園礦、連塘李礦)。但相關(guān)地質(zhì)資料顯示，新集井田與后續(xù)發(fā)現(xiàn)的羅連井田雖然構(gòu)造位置緊鄰，同屬于一個(gè)構(gòu)造單元且形成于統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場背景下，但呈現(xiàn)出明顯的構(gòu)造分異現(xiàn)象。近年來，一些煤層氣勘查井與井下巷道瓦斯資料同時(shí)揭示，新集與羅連井田煤層氣賦存條件差異亦明顯，羅連井田煤儲(chǔ)層滲透率與煤層含氣量普遍較低，開發(fā)難度較大。但緊鄰的新集井田煤層含氣量明顯增高，井下瓦斯?jié)舛染植靠沙^10 m·t，展現(xiàn)出良好的煤層氣開發(fā)前景。因此，研究和對(duì)比新集與羅連井田構(gòu)造變形差異及其對(duì)煤層氣富集成藏的影響，對(duì)指導(dǎo)淮南煤田推覆體構(gòu)造區(qū)下一步煤層氣勘探開發(fā)與資源評(píng)價(jià)具有積極的意義。

中生代以來，受大別造山帶隆起引起的前陸變形與多期次構(gòu)造應(yīng)力場改造影響，新集與羅連井田逆沖構(gòu)造變形極為復(fù)雜。前人對(duì)這兩個(gè)區(qū)塊構(gòu)造發(fā)育特征、組成結(jié)構(gòu)與形成機(jī)制雖然開展過一定研究，但多為區(qū)域性探討或僅局限于單個(gè)礦井的分析，對(duì)這兩個(gè)區(qū)塊構(gòu)造變形差異性還缺少詳細(xì)的對(duì)比和關(guān)注，關(guān)于逆沖推覆構(gòu)造變形機(jī)制的認(rèn)識(shí)也僅依據(jù)周邊野外露頭觀測與早期少量的鉆探資料，煤層氣差異性賦存的構(gòu)造控制機(jī)理還有待于進(jìn)一步揭示?；诖耍疚囊曰茨厦禾镄录c羅連井田為研究對(duì)象，通過區(qū)域?qū)Ρ确治觯匦抡J(rèn)識(shí)其構(gòu)造變形特征，并揭示差異性構(gòu)造變形影響下的煤層氣資源賦存規(guī)律，以期為該地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)與礦井瓦斯治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新集與羅連井田地處安徽省淮南市鳳臺(tái)縣與潁上縣境內(nèi)，涵蓋新集一礦、新集二礦、羅園礦、連塘李礦，北部毗鄰張集礦與謝橋礦，東西長28.6 km，南北寬2～10 km。研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于淮南斷褶帶南緣阜鳳逆沖推覆構(gòu)造帶中段，是印支期大別造山帶北側(cè)前陸變形帶的前鋒帶。研究區(qū)北側(cè)邊界為阜鳳斷裂，西側(cè)邊界為NNE向陳橋斷裂，南側(cè)通過潁上—定遠(yuǎn)斷裂與合肥盆地相接，東側(cè)為八公山地區(qū)，總體表現(xiàn)為一個(gè)向西開口、向東收斂的近EW向狹長展布的逆沖推覆構(gòu)造帶(圖1)。研究區(qū)北部為陳橋背斜南翼，屬于阜鳳逆沖推覆構(gòu)造帶的外緣帶，其構(gòu)造簡單，地層主要呈南傾的單斜狀(圖1、2)。

研究區(qū)地層包括新生代松散層與前新生代基巖層。上部松散層厚10～300 m，由西向東逐漸減薄。下部基巖地層與新生代地層呈不整合接觸，具有典型的逆沖推覆構(gòu)造“二元”結(jié)構(gòu)：上部推覆系統(tǒng)主要發(fā)育太古界霍邱群、下古生界寒武系—奧陶系、上古生界石炭系—二疊系含煤地層，其地層均發(fā)生強(qiáng)烈褶皺變形，傾角變化較大；下伏原地系統(tǒng)地層發(fā)育較穩(wěn)定，主要由石炭系—二疊系太原組、山西組、上石盒子組、下石盒子組海陸過渡相含煤地層及其以下正常層序組成，地層傾角5°～25°，整體表現(xiàn)為一個(gè)寬緩的向斜狀(圖2)。

圖1 淮南煤田新集與羅連井田及周邊地區(qū)基巖構(gòu)造圖Fig.1 Structural Map of Bedrock in Xinji and Luolian Coalfields of Huainan Area, and Their Surrounding Area

剖面位置見圖1圖2 SN向地質(zhì)解釋剖面對(duì)比Fig.2 Contrast Maps of SN-direction Geological Interpretation Section

2 逆沖推覆構(gòu)造變形特征

根據(jù)礦井生產(chǎn)與地質(zhì)勘查解釋剖面可見(圖2)，受不同級(jí)別逆沖推覆斷裂影響，推覆體內(nèi)地層自南向北逐漸由老變新。以阜李斷裂為界，推覆體后緣地層主要由太古界—下元古界片麻巖系組成，顯示其來自于較深層次，表現(xiàn)為具厚皮構(gòu)造特點(diǎn)、卷入結(jié)晶基底的沖斷帶；該沖斷帶在南部被潁上—定遠(yuǎn)斷裂切割并斷入合肥盆地深處[圖2(a)、(b)]。據(jù)新集一礦、新集二礦相關(guān)鉆孔揭露，推覆體后緣內(nèi)片麻巖具有明顯的揉皺、破裂與糜棱化現(xiàn)象，顯示其已經(jīng)達(dá)到脆韌性變形階段。北側(cè)推覆體前緣內(nèi)主要發(fā)育下古生界至中生界較新地層，呈現(xiàn)為具典型薄皮構(gòu)造特點(diǎn)、卷入沉積蓋層的逆沖構(gòu)造體系?？傮w來看，研究區(qū)逆沖推覆構(gòu)造帶具有“南北分帶、東西分塊、垂向分層”的變形特點(diǎn)，東段與西段的平面及剖面構(gòu)造特征差異顯著。

2.1 推覆體變形差異性特征

平面上，新集井田逆沖推覆構(gòu)造帶寬度僅有2～4 km，自南向北主要發(fā)育阜李與阜鳳兩條南傾的、近EW向主沖斷裂[圖1和圖2(a)、(b)]。受勘查資料限制，兩條主沖斷裂之間構(gòu)造尚不明確，推測可能也發(fā)育一些與主沖斷裂平行的南傾逆沖斷層。剖面上，推覆體總體呈現(xiàn)南厚北薄的楔形狀，影響地層主要為太古界—下元古界。受逆沖斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)影響，地層呈現(xiàn)為斜歪式、倒轉(zhuǎn)式或平臥式褶皺形態(tài)，局部由于地層抬升、剝蝕較強(qiáng)烈，在新集一礦南部形成了約1.5 km的煤系構(gòu)造窗[圖2(b)]。推覆系統(tǒng)內(nèi)主沖斷裂與主滑脫面均呈現(xiàn)為低緩的圓滑曲面，傾向偏南，主滑脫面深度為200～800 m(圖3)。后緣斷裂傾角一般為10°～30°，前緣末端可達(dá)60°～80°，中間部分基本順下伏含煤地層近水平滑脫，斷坪與斷坡構(gòu)造交替出現(xiàn)，且后緣斷裂一般超覆于前緣斷裂之上，使得太古界—下元古界地層疊覆于寒武系之上。值得注意的是，新集井田推覆滑脫面之下發(fā)育有多個(gè)逆沖下夾塊[圖2(a)、(b)]，下夾塊厚度主要受頂板滑脫面控制，這些下夾塊底板逆沖斷裂與主推覆滑脫面時(shí)而合并、時(shí)而平行向前逆沖，主要影響石炭紀(jì)—二疊紀(jì)含煤地層。據(jù)目前鉆探資料成果揭示：這些逆沖下夾塊多呈現(xiàn)長條狀、梭狀、勺狀、楔狀等；內(nèi)部巖石破碎嚴(yán)重，地層層序紊亂，層間滑動(dòng)面較發(fā)育，表現(xiàn)為推覆體向前推進(jìn)過程中形成的伴生次級(jí)滑脫構(gòu)造。以上特征表明，新集井田推覆系統(tǒng)是由不同層次與規(guī)模的滑脫面及次級(jí)斷夾塊組成，并具有雙重逆沖推覆構(gòu)造的特點(diǎn)。

羅連井田逆沖推覆構(gòu)造帶寬度明顯增大(南北寬5～14 km)，并整體向北推移約2 km。推覆體主要由阜李、F03、T2、T4、T6、阜鳳等多條南傾的NWW向主沖斷裂組成。平面上，它們以平行式或斜交式展布(圖1)；剖面上，由后緣至前緣，地層逐漸由太古界過渡至三疊系，地層傾角與厚度均變化較大。推覆構(gòu)造的幾何結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為一個(gè)主滑脫面及其上的多個(gè)逆沖斷夾塊組合，主滑脫面基本沿下伏含煤地層近水平分布，局部界面起伏變化明顯，埋深均在1 000 m以下。羅連井田滑脫面之上發(fā)育多條分支斷裂，這些分支斷裂傾角淺部較陡，向深部急劇變緩并合并至主滑脫面上，總體呈現(xiàn)為典型的疊瓦扇狀構(gòu)造特征[圖2(c)、(d)]。由圖2(c)、(d)可見，羅連井田逆沖推覆構(gòu)造變形在SN向上呈現(xiàn)出明顯的分段性。阜李至T4斷裂之間構(gòu)造變形強(qiáng)烈，地層直立或倒轉(zhuǎn)，地層重復(fù)明顯，含煤地層大多被抬升剝蝕。T4至T6斷裂之間構(gòu)造破壞程度變?nèi)酰饕l(fā)育背沖式、對(duì)沖式等組合樣式，含煤地層保存相對(duì)完整，并呈現(xiàn)同斜緊閉褶皺的特點(diǎn)。T6至阜鳳斷裂之間，逆沖推覆變形程度最弱，前緣的阜鳳斷裂與F202、F206逆沖斷裂落差僅有50 m左右，地層呈現(xiàn)寬緩褶皺變形的特點(diǎn)，顯示為逆沖推覆變形的末端。總體來看，由推覆體后緣至前緣，羅連井田逆沖斷裂活動(dòng)強(qiáng)度與規(guī)模逐漸變小，構(gòu)造樣式由復(fù)雜變簡單，自南向北的推擠作用強(qiáng)度也在逐漸變?nèi)酢?/p>

圖3 逆沖推覆主滑脫面分布Fig.3 Distribution Map of Main Slip Surface of Thrust Nappe

2.2 下伏系統(tǒng)變形差異性特征

新集井田原地系統(tǒng)含煤地層隱伏于推覆體之下，是目前煤礦開采的主要對(duì)象。地層走向近EW，傾向偏北，埋深為200～800 m。受頂板滑脫面推蝕作用，上石盒子組13-1煤層以上地層大多缺失。原地系統(tǒng)主要發(fā)育劉卡背斜與前大劉家向斜兩條EW向平行延伸的次級(jí)褶曲，兩條褶曲在新集一礦西邊界處消失，向東進(jìn)入新集二礦且被F10斷裂切割并逐漸變得不明顯，整體表現(xiàn)為向東西兩端傾伏的直立、中?；蚓o閉褶曲形態(tài)[圖2(b)]。值得注意的是，沿兩條褶曲軸部發(fā)育有F10、F20、F11等一系列EW向伸展性正斷層，而遠(yuǎn)離褶曲軸部，斷裂明顯變少，地層發(fā)育也較穩(wěn)定(圖1)。平面上，這些正斷層旁側(cè)密集發(fā)育有大量與其斜交的次級(jí)斷層[圖4(a)]，其銳夾角指示主斷裂具有左行張扭性活動(dòng)的特點(diǎn)。剖面上，它們均被削截于主推覆滑脫面之下，并組合形成X型、似花狀、壘塹狀[圖2(a)、(b)]，顯示為張性或張扭性活動(dòng)的產(chǎn)物，這與上覆擠壓推覆構(gòu)造形成鮮明對(duì)比。其中，F(xiàn)10斷裂規(guī)模最大、延伸最長，其落差呈現(xiàn)“東大西小、下大上小”的特點(diǎn)[圖4(b)]，在新集二礦東邊界處落差最大，向西落差逐漸減小，并在新集一礦西邊界處消失；該斷裂垂向上切穿多組地層并伸入煤系基底。

圖4 F10斷裂平面分布與落差空間變化Fig.4 Map and Histogram of Drop of F10 Fault

羅連井田原地系統(tǒng)構(gòu)造相對(duì)簡單，受主推覆滑脫面起伏變化影響，下伏地層總體表現(xiàn)為一個(gè)寬緩的向斜構(gòu)造，向斜北翼地層傾向南，傾角10°～20°，南翼被主推覆滑脫面切割發(fā)育不完整[圖2(c)、(d)]。通過橫向空間對(duì)比分析可以看出，羅連井田原地系統(tǒng)煤系基底埋深均在1 500 m 以下，而與其鄰近的新集井田煤系基底卻呈現(xiàn)為一個(gè)低隆起構(gòu)造形態(tài)(圖5)。該隆起分布面積約3.8 km，隆起幅度約800 m(圖3)，地層層序與羅連井田基本一致。

剖面e—e′位置見圖1圖5 EW向地質(zhì)解釋剖面對(duì)比Fig.5 Contrast Map of EW-direction Geological Interpretation Section

3 變形機(jī)制與演化

3.1 區(qū)域構(gòu)造演化背景

眾所周知，淮南煤田南緣阜鳳逆沖推覆構(gòu)造帶形成于印支期華南與華北板塊碰撞造山前陸變形過程中，是南部大別造山帶隆起并由南向北逐次推覆到前鋒帶上而發(fā)生脆性縮短的結(jié)果。通過對(duì)研究區(qū)各條逆沖斷裂幾何學(xué)特征、變形程度與切割地層關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)后緣的阜李斷裂規(guī)模最大、切割最深、活動(dòng)最強(qiáng)，其上盤地層均為遠(yuǎn)距離搬運(yùn)而來并遭受強(qiáng)烈應(yīng)力改造的變質(zhì)巖系。在北側(cè)前緣地區(qū)，各級(jí)次斷裂規(guī)模依次變小，影響地層層位逐漸變新(圖1、2)。以上特點(diǎn)說明，該地區(qū)逆沖推覆構(gòu)造擴(kuò)展方式主要是以前展式為主，主推覆滑脫面是在各級(jí)次推覆體向前遞進(jìn)變形中逐漸形成的。燕山晚期至喜馬拉雅期，隨著西太平洋板塊俯沖運(yùn)動(dòng)方向和方式的變化，華北周邊板塊發(fā)生重新調(diào)整、匯聚；早白堊世，區(qū)域上主要表現(xiàn)為NW—SE向伸展應(yīng)力狀態(tài)；晚白堊世—古近紀(jì)，區(qū)域上呈現(xiàn)近SN向伸展應(yīng)力狀態(tài)，并形成了大量的斷陷盆地與伸展性構(gòu)造。在此古應(yīng)力場作用下，研究區(qū)部分EW向斷裂被利用并發(fā)生張性或左行張扭性反轉(zhuǎn)活動(dòng)，南側(cè)的潁上—定遠(yuǎn)斷裂則完全轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺剐哉龜鄬踊顒?dòng)，并控制其上盤合肥盆地的形成[圖2(a)、(b)]。

3.2 形成機(jī)制

通過構(gòu)造對(duì)比分析可知，雖然新集與羅連井田構(gòu)造位置緊鄰且形成于統(tǒng)一的應(yīng)力場背景之下，但兩個(gè)井田逆沖推覆構(gòu)造變形卻呈現(xiàn)出明顯的差異性與不協(xié)調(diào)性。羅連井田表現(xiàn)為典型的疊瓦扇狀構(gòu)造樣式，推覆體向北擴(kuò)展較遠(yuǎn)、延展更寬；新集井田表現(xiàn)為雙重逆沖推覆構(gòu)造變形的特點(diǎn)，推覆夾塊較窄，煤系基底埋深較淺。值得注意的是，在整個(gè)淮南煤田南緣阜鳳逆沖推覆構(gòu)造帶上，新集井田構(gòu)造變形與煤系基底結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出明顯的特殊性和空間對(duì)應(yīng)性(圖6)。

圖6 印支期差異性逆沖推覆構(gòu)造變形模式Fig.6 Models of Differential Thrust Nappe Structural Deformation During Indosinian

造成局部構(gòu)造變形差異的原因可能與基底斷裂、邊界條件、應(yīng)力場強(qiáng)度、基底古隆起或巖性變化有關(guān)。相關(guān)研究認(rèn)為，淮南煤田石炭紀(jì)—二疊紀(jì)聚煤期間構(gòu)造變形微弱，含煤地層基本是在地殼連續(xù)穩(wěn)定沉降背景下形成的，目前也未有資料顯示該地區(qū)存在較大型煤系基底先存斷裂的證據(jù)。由于構(gòu)造位置緊鄰，區(qū)域應(yīng)力場強(qiáng)度空間變化較小，所以新集與羅連井田構(gòu)造差異的形成可能與含煤地層先存隆起的存在有密切關(guān)系。由圖7可見，雖然二疊系含煤地層受逆沖推覆作用遭受剝蝕，但下伏系統(tǒng)13-1煤層及其以下地層發(fā)育較完整，仍可進(jìn)行同沉積對(duì)比分析。以上石盒子組13-1煤層至山西組底界為例，新集井田S5井、水0403井附近地層厚度分別為352.04、300.95 m，至羅連井田31-4井、22-10井附近地層厚度變?yōu)?85.9、444.55 m，且新集井田含煤地層砂質(zhì)成分含量明顯高于羅連井田，沉積物粒度有變粗的趨勢，以三角洲平原相沉積為主。這些特征說明在二疊系含煤建造沉積時(shí)，新集井田水體較淺，水動(dòng)力條件相對(duì)較強(qiáng)，表現(xiàn)為較開闊的水體環(huán)境，而羅連井田水體變深，含煤地層厚度逐漸增大，沉積物向粒細(xì)、較安靜水體環(huán)境過渡，表現(xiàn)為三角洲前緣和三角洲平原相沉積，構(gòu)造位置可能處于古隆起西側(cè)斜坡帶之上。

通過構(gòu)造、沉積對(duì)比可知，聚煤期前，新集井田古隆起可能就已存在(圖6)，并非晚期擠壓應(yīng)力場改造的產(chǎn)物，正是該古隆起與海平面升降變化導(dǎo)致了含煤地層原始厚度和沉積相帶在橫向上發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)印支期前陸變形呈波浪式向前推進(jìn)時(shí)，由于受到該古隆起的阻擋，導(dǎo)致前鋒推擠應(yīng)力向北擴(kuò)展速度變緩，但后緣推覆體仍以較快速度向前推進(jìn)，推覆作用很容易在較窄的空間內(nèi)發(fā)生上沖或下沖疊置變形，最終實(shí)現(xiàn)推覆體在垂向上的擴(kuò)展增生和擠壓應(yīng)力釋放(圖6)。但在羅連井田，自南向北的推擠作用力并沒有受到明顯阻擋，導(dǎo)致其向北擴(kuò)展較遠(yuǎn)，并以生成一系列逆沖疊瓦扇斷裂的方式進(jìn)行應(yīng)力釋放(圖6)。而在古隆起處，主滑動(dòng)斷裂面傾角發(fā)生變化，引起新集與羅連井田水平位移分量的差異。同時(shí)，由于在擠壓推覆過程中發(fā)生了差異性收縮變形，在兩個(gè)構(gòu)造帶之間則會(huì)形成側(cè)向走滑調(diào)節(jié)斷層(FS5斷層)。

自然電位單位為mV；人工伽馬單位為cps；深度單位為m圖7 下伏系統(tǒng)含煤地層厚度與沉積微相對(duì)比Fig.7 Comparison of Thickness and Sedimentary Microfacies for the Coal-bearing Strata in the Underlying System

由于新集井田逆沖推覆變形發(fā)生在較窄的空間內(nèi)，推覆疊置作用導(dǎo)致其下伏原地系統(tǒng)地層發(fā)生了較強(qiáng)的褶皺變形；褶皺軸部及附近地帶密集發(fā)育有大量伸展性正斷層，這些正斷層向西并未切入羅連井田，發(fā)育位置基本與褶皺軸部相對(duì)應(yīng)，且向上也未切穿推覆滑脫面，說明其主要形成于印支期擠壓變形階段。結(jié)合構(gòu)造發(fā)育的幾何學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)可知，推覆體下發(fā)育的伸展性構(gòu)造應(yīng)形成于縱彎褶皺作用過程中的軸部張性應(yīng)力環(huán)境中。燕山晚期至喜馬拉雅期，在區(qū)域伸展應(yīng)力場背景下，這些正斷層可能被再次利用并發(fā)生了向東部及深部的擴(kuò)展，并表現(xiàn)出左行張扭性活動(dòng)的特點(diǎn)，但在新集一礦西邊界處，NNE向走滑斷層的限制導(dǎo)致其無法繼續(xù)向西部延伸，從而形成現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)。

4 構(gòu)造對(duì)煤層氣賦存的控制

4.1 構(gòu)造對(duì)煤層氣生成的控制

為了揭示構(gòu)造演化對(duì)新集與羅連井田煤層氣生成和富集的控制作用，本文采用Thermodel for Windows軟件，選取新集一礦201井與連塘李礦23-3井兩個(gè)煤層氣鉆孔，對(duì)兩個(gè)井田原地系統(tǒng)含煤地層構(gòu)造埋藏史與生烴熱演化史進(jìn)行了模擬恢復(fù)和對(duì)比。其中，地層分層厚度、巖性參數(shù)為實(shí)鉆數(shù)據(jù)，剝蝕量和古地溫?cái)?shù)據(jù)借鑒了區(qū)域研究成果，有機(jī)質(zhì)成熟度計(jì)算采用EASY%模型，模擬過程利用含煤地層鏡質(zhì)體反射率實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行約束。

圖8 原地系統(tǒng)含煤地層構(gòu)造埋藏史與熱演化史模擬Fig.8 Simulation Diagrams of Structural Burial and Thermal Evolution History of Coal-bearing Strata in the In-situ System

模擬結(jié)果(圖8)顯示，新集與羅連井田均經(jīng)歷了4個(gè)階段的構(gòu)造-熱演化史過程。第一階段發(fā)生在石炭紀(jì)至早三疊世，含煤地層埋深達(dá)到最大(3 000～3 500 m)，經(jīng)歷最大古地溫(80 ℃～130 ℃)，熱演化程度處于低成熟或成熟階段，新集井田深部山西組與太原組部分地層有進(jìn)入高成熟階段的可能，是研究區(qū)第一次生氣高峰。第二階段發(fā)生在中晚三疊世至侏羅世，受印支、燕山運(yùn)動(dòng)影響，含煤地層遭受擠壓變形，并普遍抬升500～800 m，二疊系中、上統(tǒng)部分地層被剝蝕，古地溫降低，含煤地層生氣開始減弱。第三階段發(fā)生在早白堊世至古近紀(jì)，受南側(cè)潁上—定遠(yuǎn)斷裂強(qiáng)烈伸展活動(dòng)影響，位于其下盤的新集與羅連井田發(fā)生了相對(duì)抬升作用，煤層生氣量持續(xù)減弱并發(fā)生了大規(guī)模逸散。第四階段發(fā)生在新近紀(jì)至第四紀(jì)，二疊系含煤地層再次埋藏200～400 m，古地溫相對(duì)升高，下伏系統(tǒng)深部煤層有二次生氣的可能。

根據(jù)煤層氣現(xiàn)場含氣量與井下瓦斯實(shí)測結(jié)果(表1和圖9)顯示：新集井田原地系統(tǒng)主要煤層含氣量基本都在4 m·t以上，在埋深較大處可以超過10 m·t；羅連井田主要煤層含氣量大多小于4 m·t，含氣量高于4 m·t的區(qū)域僅零星發(fā)育，煤層含氣性總體較差。從煤層氣保存角度來看，新集與羅連井田原地系統(tǒng)上部均存在推覆體與滑脫面，封蓋條件相似，因此，蓋層條件不應(yīng)是造成煤層含氣量差異較大的主控因素。從煤層發(fā)育情況來看，羅連井田煤層主要為氣煤和長焰煤，煤變質(zhì)程度較低，但新集井田1/3焦煤明顯增多(表1)，煤化程度相對(duì)變高。再結(jié)合圖7可以看出，雖然新集井田含煤地層埋深小于羅連井田，但其熱演化程度明顯偏高。以上特點(diǎn)說明，深成變質(zhì)作用不是導(dǎo)致新集井田煤層含氣量偏高的主要因素，熱變質(zhì)作用所引起的煤階升高才是造成新集與羅連井田煤層含氣量差異較大的主控因素。

表1 下伏系統(tǒng)主要煤層含氣量

圖9 原地系統(tǒng)13-1煤層含氣量等值線圖Fig.9 Isoline Map of Gas Content of 13-1 Coalbed in the In-situ System

相關(guān)研究表明，基底的起伏變化及蓋層厚度與地溫場成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)上覆蓋層厚度相近且無深部斷裂、巖漿熱源通道時(shí)，低隆起帶的熱傳導(dǎo)作用可以造成局部高溫異常。許多研究發(fā)現(xiàn)，新集井田地表大地?zé)崃髦禐?6.99～95.88 mW·m，平均地溫梯度為每百米3.4 ℃左右，均高于華北地區(qū)平均值，緊鄰的羅連井田卻表現(xiàn)為正常地溫梯度(表2)?，F(xiàn)今地溫場是由古地溫場不斷演化而來，也是長期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果，因此，雖然新集井田含煤地層埋深較淺，但受到煤系基底隆起長期不斷熱傳導(dǎo)作用，加之推覆體與滑脫面良好的封蓋條件，導(dǎo)致該區(qū)域古地溫與現(xiàn)今地溫梯度均相對(duì)偏高，進(jìn)而造成煤變質(zhì)程度提高，這有利于大量熱成因氣的生成與儲(chǔ)集。同時(shí)，古隆起處含煤地層接近地表，受淺部松散層地下水影響較大，也會(huì)產(chǎn)生部分次生生物氣(圖10)。因此，古隆起與推覆體蓋層時(shí)空耦合配置引起的古地溫場變化，是導(dǎo)致新集與羅連井田煤層變質(zhì)程度與煤層生氣量差別較大的根本原因。

4.2 煤層氣差異性分布的構(gòu)造控制規(guī)律

4.2.1 推覆體煤層氣

除古地溫引起的煤變質(zhì)程度因素以外，構(gòu)造變形分異性對(duì)煤層氣空間分布也具有重要的控制作用。受逆沖推覆構(gòu)造作用強(qiáng)度與型式影響，新集井田推覆體內(nèi)含煤地層遭受強(qiáng)烈抬升剝蝕，形成了無煤區(qū)與無氣區(qū)。部分推覆體下夾塊雖然含煤，但受推覆滑脫面長期剪切、滑動(dòng)、碾磨作用，煤層厚度較薄且原生結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，構(gòu)造煤較為發(fā)育，煤儲(chǔ)層滲透率較低(一般為0.038～0.338 mD)，不利于煤層氣的儲(chǔ)集。羅連井田推覆系統(tǒng)內(nèi)殘存部分石炭系—二疊系逆沖疊瓦扇斷塊，煤層含氣量一般小于3 m·t，含氣性變化與構(gòu)造變形程度基本相對(duì)應(yīng)(表3)。疊瓦扇后緣地區(qū)構(gòu)造變形強(qiáng)烈，含煤地層直立或倒轉(zhuǎn)，長期剝蝕暴露地表，其上煤層含氣量極低，但靠近前緣構(gòu)造簡單區(qū)埋深較大處，煤層含氣性相對(duì)變好，局部高點(diǎn)值也相應(yīng)變多(表3和圖10)。

圖10 新集與羅連井田煤層氣富集模式Fig.10 Enrichment Pattern of Coalbed Methane in Xinji and Luolian Coalfields

表2 全井段地溫梯度

4.2.2 下伏系統(tǒng)煤層氣

受推覆體滑脫面封蓋作用影響，新集與羅連井田原地系統(tǒng)煤層含氣性總體好于推覆系統(tǒng)。煤層氣鉆孔與井下瓦斯實(shí)測資料顯示，推覆體下伏系統(tǒng)煤層含氣量整體呈現(xiàn)為“北高南低、東高西低”的特征。新集井田在縱彎褶皺變形影響下，沿褶曲軸部與F10斷裂帶的煤層含氣量較高。在F10等大量伸展性斷裂影響范圍內(nèi)，含煤地層地應(yīng)力偏高，且構(gòu)造煤較為發(fā)育，具有明顯的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。新集一礦、新集二礦井下掘進(jìn)過程中已發(fā)生過多次瓦斯動(dòng)力涌出現(xiàn)象。F10斷裂以南地區(qū)煤層埋深較淺，主要呈單斜狀分布；在南側(cè)翹起部位由于存在煤層露頭，有利于煤層氣的釋放，導(dǎo)致其含氣量較低。羅連井田原地系統(tǒng)煤層埋深較大，地層發(fā)育穩(wěn)定，有利于煤層氣保存，但含氣量明顯偏低，主要是由于埋深和古地溫不足以引起煤層發(fā)生明顯變質(zhì)并達(dá)到大量有效生氣的階段。但在煤層埋藏更深處，煤層變質(zhì)程度可能會(huì)相應(yīng)提高，甚至出現(xiàn)煤層氣富集區(qū)。

5 結(jié) 語

(1)淮南煤田新集與羅連井田屬于同一構(gòu)造單元且形成于統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場背景下，但構(gòu)造特征差異顯著。新集井田表現(xiàn)為雙重逆沖推覆變形的特點(diǎn)，下伏原地系統(tǒng)地層褶皺變形明顯，且發(fā)育大量伸展性構(gòu)造。羅連井田表現(xiàn)為典型的疊瓦扇狀構(gòu)造變形的特點(diǎn)，原地系統(tǒng)斷裂與褶皺相對(duì)不發(fā)育。通過區(qū)域?qū)Ρ确治稣J(rèn)為，在印支期SN向擠壓背景之下，新集與羅連井田逆沖推覆構(gòu)造擴(kuò)展變形方式主要是以前展式為主，煤系基底隆起是造成兩個(gè)井田差異性逆沖推覆變形的主要原因。

表3 推覆體內(nèi)典型鉆孔煤層含氣量

(2)新集與羅連井田含煤地層均經(jīng)歷了4個(gè)階段的構(gòu)造埋藏史與熱演化史過程，但新集井田古地溫梯度與煤層變質(zhì)程度明顯偏高。煤系基底隆起與構(gòu)造變形結(jié)構(gòu)耦合控制了古地溫梯度變化，并影響了新集與羅連井田煤層氣生成與富集過程。

(3)受差異性逆沖推覆構(gòu)造變形影響，新集與羅連井田內(nèi)煤層含氣量空間分布差別明顯。新集井田推覆體上為無煤區(qū)與無氣區(qū)；原地系統(tǒng)次級(jí)褶曲軸部附近，煤層氣保存條件較好，含氣量較高，煤層含氣性主要受基底隆起上古地溫梯度變化所引起的熱變質(zhì)作用影響。羅連井田推覆體上保存條件較差，煤層含氣量普遍較低；原地系統(tǒng)雖然構(gòu)造變形較弱，有利于煤層氣保存，但含氣量普遍較低，煤層含氣性主要受埋深及深成變質(zhì)作用影響。