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.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；2.中國石油煤層氣有限責任公司，北京 100020；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；4.重慶科技學院，重慶 401331)

0 引 言

鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣區塊石炭系本溪組8#煤層的煤層氣資源豐富，是近年來煤層氣資源勘探的重點層系之一。8#煤層埋深為1 600～2 400 m，分布穩定，煤巖中普遍發育裂縫，多被方解石充填形成方解石脈。煤巖在構造應力作用下形成的裂縫是流體活動的重要通道之一，對煤層運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-巖石作用的直接產物之一，對揭示流體活動和煤層氣成藏過程具有重要的理論意義和應用價值[3]。目前，國內外學者主要利用薄片觀察、陰極發光、流體包裹體、微區主微量元素及穩定同位素等方法揭示儲層中方解石脈的巖相學特征、形成期次、時間及流體來源等信息[4-8]。其中，砂巖、頁巖儲層中的方解石脈體成因問題研究較多，而針對煤巖中方解石脈體的成因研究較少。因此，通過薄片觀察、陰極發光分析、碳氧同位素和流體包裹體均一溫度測試相結合的方法，對研究區本溪組8#煤層中充填的方解石脈的形成期次、成因和形成時間進行研究，為研究區8#煤層的成藏規律研究提供參考依據，為其他相似盆地的方解石脈體成因研究提供參考實例。

1 地質概況

研究區大寧—吉縣區塊位于山西省境內，構造上位于鄂爾多斯盆地東南緣晉西撓褶帶南段，北鄰永和，南接鄉寧，東至呂梁山脈，西鄰黃河(圖1)，整體構造特征為一走向北北東、向北西緩傾的單斜構造[9-11]。研究區上石炭統本溪組形成于濱岸、淺海陸棚等環境，自下而上依次沉積鋁土巖、灰黑色泥巖夾薄層細砂巖、灰巖及黑色煤層(圖1)。其中本溪組頂部的8#煤是該區主力煤層，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，變質程度中等，是中國中煤階煤層氣富集的有利區之一[1]。

圖1 研究區位置及地層柱狀圖(據文獻[11]修改)

2 樣品及分析

方解石脈樣品來自鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣區塊本溪組的8#煤層。開展方解石脈顯微觀察、掃描電鏡觀察、陰極發光分析、碳氧同位素分析、流體包裹體顯微觀察和測溫等室內實驗。

方解石脈體顯微觀察、陰極發光測試、流體包裹體顯微觀察和測溫在中國石油大學(華東)山東省油藏地質重點實驗室完成。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顯微鏡對方解石脈體開展巖石學特征和流體包裹體巖相學特征觀察。利用CL8200 MK5-2陰極發光儀對4個方解石脈體薄片開展陰極發光特征觀察分析，工作電壓為10.5 kV，電流為250 μA，真空度為3 Pa。對4個方解石脈體樣品的流體包裹體均一溫度和冰點溫度測試，測溫用Linkam THMSG 600冷熱臺，測溫區間為-180～500 ℃，均一溫度和冰點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礦產研究院完成，分析儀器為TESCAN-MIRA3。選取5個方解石脈樣品進行碳氧同位素測試，該測試在中國科學院地質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2 h，收集CO2氣體，使用MAT 253雙進樣法與GBW04405參考氣比較測試給出相對PDB值，測試誤差為0.02%。

3 方解石脈巖相學特征

本溪組8#煤層中多發育構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)。通過薄片觀察、陰極發光分析及掃描電鏡觀察可知，研究區8#煤層中的方解石脈可分為2期(圖2c-g)，掃描電鏡下可見鏡質體，表明發育方解石微晶(圖2h)。第1期脈體(C1)沿裂縫邊緣向中間生長，在陰極發光下脈體顏色呈明亮橘紅色，溶蝕現象較明顯；第2期脈體(C2)主要發育于C1充填后的殘余空間，多分布于裂縫中部(圖2c、d)，在裂縫邊緣也可見到C2發育，陰極發光顏色呈暗紅色，可見2期方解石脈相互穿插、交代、溶蝕現象，但C2溶蝕程度較C1弱(圖2e、f)。2期脈體溶蝕強度不同，巖相學特征的差異表明2期脈體的流體來源可能存在差異。

圖2 研究區8號煤層方解石脈巖石學特征

鏡下觀察到方解石脈體中發育原生鹽水包裹體，以氣-液兩相為主，無色透明，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試結果顯示，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系

4 方解石脈體成因

4.1 成脈流體來源

方解石脈的碳氧同位素可反映脈體形成時的成巖流體來源[12-14]。在薄片觀察、陰極發光分析及碳氧同位素測試的基礎上，明確研究區2期方解石脈體的碳氧同位素值分布特征。C1的δ13C為相對高正值(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、氧同位素數據同以往地質資料結合起來，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熱液白云巖區附近(圖5a)，表明該期方解石脈的物質組成有部分來自沉積碳酸鹽，即來源于圍巖母巖的泥晶灰巖的溶解，同時可能受到深部熱液流體的影響。有機質在埋藏演化過程中一般會經歷氧化作用、細菌硫酸鹽還原作用、甲烷生成作用和有機質脫羧作用[15-18]。其中細菌硫酸鹽還原作用形成的碳酸鹽主要呈現貧13C和18O虧損的特征(圖5b)，而甲烷生產作用形成的碳酸鹽呈13C相對富集的特征(圖5b)。C1方解石脈的碳氧同位素組成表現為碳同位素富集的特征，并位于與生物氣有關的碳酸鹽巖區域(圖5b)，表明C1方解石脈的形成與有機質的甲烷生成作用相關，其成脈流體主要源于富生物氣的有機流體。

C2的碳氧同位素組成落在低溫熱液白云巖區域內(圖5a)，表明該期方解石脈的碳源與低溫熱液流體密切相關。與C1相比，C2的碳同位素組成表現為相對虧損的特征，并位于與有機質脫羧作用有關的碳酸鹽巖區域。碳同位素的虧損可能與生油窗有機質的脫羧作用所提供的具有虧損特征的碳源有關(-20‰<δ13C<0)，有機碳的加入使得成巖碳酸鹽表現出虧損的特征。因此，C2方解石脈的成脈流體可能源于液態烴類有機質。

圖5 研究區8#煤層方解石脈碳、氧同位素組成與流體來源綜合判識

鄂爾多斯盆地東部在中生代、新生代曾發生較為強烈的巖漿活動，包括印支期火山活動、燕山期火山活動和新生代火山活動，其中燕山晚期早白堊世鄂爾多斯盆地發生的巖漿活動最強烈[2，19-21]。結合研究區本溪組熱史和埋藏史可知，8#煤層最大埋深約3 500 m，對應的古溫度為160 ℃左右。然而C1和C2方解石脈中發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#煤層曾發生深部熱液流體充注。由此推測8#煤層中的方解石脈的形成過程為早期圍巖中沉淀了部分泥晶方解石，隨著地層埋藏過程的進行，腐植型有機質經厭氧細菌發酵產生大量甲烷氣，其還原有機質為流體成巖提供了碳源，與圍巖地層含鈣流體結合沉淀形成方解石，形成C1期方解石。隨后受有機質熱演化的影響，富有機碳流體提供了具有虧損特征的碳源，形成晚期方解石脈體。同時伴隨著燕山期巖漿活動導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晶，形成C2方解石脈。

4.2 方解石脈體形成時間

受早白堊世構造熱事件導致的深部熱液流體侵入的影響，研究區8#煤層中發育的2期方解石脈的均一溫度均高于地層最大埋深對應的溫度，因此無法通過方解石脈的均一溫度和地層熱埋史來判斷2期方解石脈的形成時間。

烴源巖的甲烷生成作用一般發生在淺埋藏期，溫度小于75 ℃，會生成一定量的CO2，當溫度達到80～120 ℃時，有機質會大量脫羧形成CO2和有機酸，進入生烴高峰期。鄂爾多斯盆地東部上石炭統本溪組8#煤層的成藏期可分為2期：第1期成藏時間為早侏羅世—中侏羅世，煤系烴源巖進入早成熟期并開始生烴；第2期成藏時間為晚侏羅世—早白堊世，早期形成的液態烴在高溫高壓條件下發生熱裂解，形成氣態烴，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8#煤層中發育2期方解石脈，C1脈體的形成與有機質的甲烷生成作用相關(溫度小于75 ℃)，C2脈體的形成主要與有機質脫羧作用有關，并且2期脈體的形成均受到深部熱液流體侵入的影響。結合研究區地層熱埋史可知，烴源巖的甲烷生產作用的溫度一般小于75 ℃，對應的時間為晚三疊世，因此C1應在晚三疊世—早侏羅世期間形成，略早于第1期烴類成藏，而C2形成則與有機質大規模生烴和構造熱事件發生的時間相近，即對應第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-吉縣區塊構造寬緩部位地應力分散，煤層裂縫系統發育，煤層裂縫中大規模流體活動和方解石脈沉淀充填時間具有同期性。前述研究表明，C2形成與有機質大規模生烴和構造熱事件發生的時間相近，對應第2期煤層氣成藏(晚侏羅世—早白堊世)，該階段裂縫處于開啟狀態，可以為煤層氣成藏提供運移通道，從而為煤層氣成藏及富集提供有利條件。研究區近年來的勘探實踐也證實了這一認識，研究區8#煤層埋深為2 000 m左右，大吉7-5井和大吉9-1向1井日產氣分別為4 387 m3/d和5 574 m3/d，研究區以南的吉2-38向4井8#煤層埋深為1 200 m左右，日產氣量為4 803 m3/d，研究區以北的金試2井埋深為900 m左右，日產氣量僅為810 m3/d(圖7)。綜上所述，研究區8#煤層中方解石脈的發育對于煤層氣富集區域具有重要的指示意義。

圖7 研究區本溪組8#煤層成藏剖面

6 結 論

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

(2) 研究區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流體；C2方解石脈的δ13C為-0.53‰～0.44‰，δ18O為-12.39‰～-11.98‰，其流體來源主要與有機質脫羧作用形成的液態烴類流體有關，同時C1和C2方解石脈的形成均受到早白堊世構造熱事件導致的深部熱液流體影響，從而導致脈體內發育的流體包裹體的均一溫度較高。

(3) 研究區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 ℃，其形成與有機質大規模生烴和構造熱事件發生的時間相近，即對應第2期成藏，晚侏羅世—早白堊世。

(4) 研究區本溪組8#煤層的方解石脈賦存的煤巖裂縫系統在主要成藏期可以為與方解石脈形成有關的流體大規模活動提供運移通道，方解石脈發育區域煤層氣富集程度較高，具有良好的勘探開發前景。