沁水盆地构造演化及其对游离气藏的控制作用

沁水盆地南部晋试 1 井埋藏史及热史示意图
［10 ］
Section of burial and thermal history of Jinshi Well 1 in the south of Qinshui basin
484
桂
林
理
工
大
学
学
报
2011 年
镜质组反射率达到 1. 2% 左右； 燕山早期， 由于抬 升造成煤化作用停滞， 生烃作用相应中断。 第 2 阶段发生在燕山晚期。 燕山期， 特别是晚侏罗世 —早白垩世， 一方面由于岩浆热液活动， 地层温 度继续增加，另一方面地层持续抬升， 地层压力 同时煤化作用继续进行， 煤层进入二次生烃阶段 并大规模产气， 早侏罗世， 因燕山运动华北板块 开始受到 NW － NWW 向的水平挤压应力， 地层整 体抬升，地层压力减小， 而温度维持在 100 ～ 130 ℃ ，此时吸附状态下的天然气开始解吸 ， 转化为 游离气。早、中侏罗世是沁水盆地煤系地层温度 和埋藏深度的波动期， 煤化作用进展较慢。 晚侏 罗世，地层持续抬升地层压力不断减小 ， 而由于 燕山期的岩浆热液活动， 地层温度继续增加， 一 方面，先成的源岩滞留吸附气与输导体系中的吸 附气进一步大量解吸， 溶解气因压力降低也部分 煤层进入二次生烃阶段并大规模产气， 并且由于 温度高、压力低， 天然气主要以游离气和溶解气 的形式存在。本阶段天然气大量生成， 伴随着构 造圈闭的形成， 是现今沁水盆地煤系地层天然气 煤层仍然继续抬升， 地热梯度趋于正常， 地层温 而溶解气因为温度和压力的降低大量析离， 最终 主要以 游 离 气 和 吸 附 气 的 状 态 存 在 于 煤 系 地 层 中
［ 2 ］ ［ 1］
、 叶建平等［4］、 孟召军等［5］ 通过
对沁水盆地南部地应力特征分析认为该区高产井 主要分布在最小主应力相对较小的区域； 石书灿 等
［6 ］
认为晚古生代沁水盆地南部煤层经历了印支
部分，大部分煤层气以吸附气的形式存在。 但是， 期和燕山期两次煤化作用生成的煤层气， 在喜马 拉雅期遭受了严重的调整与改造后逐渐形成现今 的沁南煤层气藏， 且直接控制该煤层气藏中煤层 气富集程度的因素是顶底板与边界断层； 李五忠 等
认
为煤层气成藏的宏观动力来自构造动力能、 热动 通过对沁水盆地
盖层的研究认为， 良好的盖层条件可以减缓散失， 且构造发育经历了多期次构造运动的改造， 因此游 同时抑制解吸， 并且如果煤层埋藏浅会使得封盖条 件变差， 从而不利于煤层气成藏， 如果埋藏过深
收稿日期： 基金项目： 作者简介： 引文格式：
2011 － 03 － 15 国家重大科技专项 “沁水盆地煤系地层游离气富集成藏条件 ” （ 2008ZX050033 － 04 ） 李 月 （ 1979 —） ，女，博士，讲师，研究方向： 油气地质学，lyysy_79@ 163. com。 ． 桂 林 理 工 大 学 学 报，2011 ，31 李月，林玉祥，于腾飞． 沁 水 盆 地 构 造 演 化 及 其 对 游 离 气 藏 的 控 制 作 用 ［J］ （ 4 ） ： 481 － 487．
转化成大型 的 内 陆 湖 泊 沉 积 环 境。 至 晚 三 叠 世， 与华北板块碰撞拼接在一起， 同时太平洋板块以
潮期，也是太行、 吕梁、 中条山脉的主要形成期， 逆断层，由于该时期岩浆活动剧烈， 在太行山东 以伸展拉张断裂活动为主， 构造线方向主要呈北 侧及沁水盆地的西侧处于强烈伸展作用之下， 形 东、北北东向； 东部地区受北东—北北东及近东 西向和北西西向张性断裂控制， 有大量中酸性岩 成了沁水盆地西侧的晋中断陷及太行山东侧的断 陷盆地， 太 行 山、 吕 梁 山 最 终 形 成； 晚 白 垩 世，
浆的多次喷发。晚白垩世， 构造以挤压隆升为主， 该区的构造仍然主要受太平洋板块及印度板块的 华北盆地普遍隆起遭受剥蚀， 仅局部地区下沉接 俯冲的影响， 沁 水 盆 地 仍 以 挤 压 抬 升 剥 蚀 为 主， 受了晚白垩世沉积。 新生代古近纪， 盆地处于伸 展拉张状态，以张性断裂活动为主。 早期岩浆活 动十分强烈，沉积主要受北东—北北东及北 （ 北 ） 逐渐形成了现今的复向斜构造的雏形 。 古近纪 仍 然 继 承 了 白 垩 纪 的 构 造 演 化 历 程， 以抬升剥蚀为主， 仅在沁水盆地西侧的晋中断陷
2
沁水盆地成藏期次分析
沁水盆地于三叠纪末期开始发育， 燕山运动
期间彻底与华北其他盆地分开而成为一个独立的 构造盆地。 沁水盆地石炭—二叠纪煤系地层自三 叠纪以来主要有两次油气充注过程： 第 1 次发生 在三叠纪末—早侏罗世。 此时， 三叠系到达最大 古地温场属于正常古地温， 煤化作用服从 埋深，
第4 期
文章编号： 1674 － 9057 （ 2011 ） 04 － 0481 － 07
沁水盆地构造演化及其对游离气藏的控制作用
李 月，林玉祥，于腾飞
（ 山东科技大学 地质科学与工程学院 ，山东 青岛 266510 ）
摘
要： 应用平衡剖面法和埋藏史分析法， 对沁水盆地构造演化特征及游离气成藏条件进行了研究 ，
弱，主要含煤地层太原组为一套滨海平原环境下 形成的海陆交互相含煤沉积。 晚古生代末， 随着 古蒙古洋的闭合， 海水向南退出， 华北板块内部 华北东部隆起， 西部鄂尔多斯盆地仍维持湖泊沉 积环境，早中侏罗世， 由于太平洋及印度板块向 华北板块的俯冲， 在区内产生北西 － 南东方向的 挤压应力，使早期断层重新活跃， 并产生许多新 的断裂，构造线方向也由过去的近东西向为主转 为以北、北北东向为主， 初步形成了本区盖层构 造的基本轮廓。 盆地的南、 北缘受褶皱造山带的 影响，构造线方向分别以北西西向和近东西向为 主。盆地内受挤压应力作用， 产生了许多大型复 背斜、复向斜和逆冲断裂系。 晚侏罗—早白垩世 发生的燕山运动第 Ⅱ 幕是中生代地壳强烈活动高
［ 11 － 13 ］
遭受近南北向的水平挤压作用。 燕山期， 华北板 块南北缘的再次造山运动和中国东部的构造发展 逐步置于环太平洋构造域控制之下， 在我国东部 产生了北西 － 北西西向水平挤压应力。 由于挤压 作用自东向西的逐步减弱， 在本区所处的山西南 致山西南部的褶皱抬升， 形成十分宽缓的沁水盆 地，并在区内产生了一系列北北东 － 北东向褶皱 构造。白垩纪至早第三纪初期， 印度板块与欧亚 板块的碰撞挤压导致山西南部新生代产生北东 － 南西近水平 挤 压 应 力 场， 在 本 区 形 成 了 规 模 小、 叠加在燕山期构造之上的北西向褶皱。 总体上该 期应力场强度较弱， 但对煤层气的富集可能有一 定影响和控制作用， 如潘庄井田北西向展布的高 含气量带。 早第三纪以来， 在中国东部裂陷 － 引 张动力体系和印度、 欧亚两板块碰撞的联合作用 下，在山西南部形成新断陷盆地。 本区伴随太行 SEE 向的局部近水平挤压应力场。 这种局部挤压 应力场一直持续至今。 但是总体来看， 印支期近 南北向的水平挤压应力场 对 沁 水 盆 地 影 响 不 大， 主要是导致南侧的隆起抬升， 在南缘形成近东西 因此，沁水盆地燕山期 NWW － SEE 方向水平 区，规模较大，自南向北褶皱走向呈规律性变化； 喜马拉雅早期 NE 向水平挤压应力场产生的 NW 向 褶皱在 区 内 零 星 出 现， 规 模 较 小， 一 般 叠 加 在 NNE 向褶皱之上，其变形微弱 （ 图 3 ） 。 下面以沁水盆地南部樊庄区块为例讨论现今 褶皱形成的力学机制： 樊庄区块位于晋东南山字型 构造（ 脊柱） 南端， 由图 4 可以看出， 该区块形成的 褶皱构造以 NNE 向、近 SN 向和 NW 向褶曲为主。
李
月等： 沁水盆地构造演化及其对游离气藏的控制作用
483
图1
沁水盆地构造演化示意图 （ 据华北石油管理局）
Sketch map of tectonic evolution in Qinshui basin
Fig. 1
深成变质规律； 山西组、 太原组主力煤层处于成 熟阶段，生成的油气开始向煤层及砂岩顶板注入； 早侏罗世以来， 伴随着盆地抬升剥蚀， 煤层上覆 压力降低，原先吸附在煤层中的油气被释放出来， 沿煤层裂隙、节理进入砂岩储层， 这是煤层气运 移的最早时间。 第 2 次发生在晚侏罗世—早白垩 世，为主要的煤层气成藏期。 受燕山晚期区域构 造热事件 影 响， 第 2 期 是 煤 层 气 大 量 生 成 阶 段， 生气量远大于自身的吸附能力， 并开始向顶板砂 岩充注成藏
分析了构造演化对游离气藏的作用，建立了沁水盆地游离气聚集模式图。 燕山期， 在地壳上升的过程 中，先期形成的煤层气通过裂缝游离出来在顶板砂岩的低应力区聚集， 富集在褶皱的翼部。 到了喜山 期，由于应力方向的改变，对先期形成的褶皱进行了轻微的改造， 使得先期富集的游离气发生再次运 移，聚集的部位发生了一定的改变，但是总体仍然以远离断裂的中高部位为主。 关键词： 沁水盆地； 游离气； 褶皱； 构造演化 中图分类号： P618. 130. 2 文献标志码： A
482
桂
林
理
工
大
学
学
报
2011 年
1
1. 1
区域地质特征
区域构造背景 沁水盆ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位于华北克拉通中部， 构造变形较
蚀状态。至晚古生代末期， 沁水盆地的演化仍受 控于整个华北地区的构造演化之下 。 中生代开始， 受太平洋板块俯冲及扬子板块 剪刀式与华北板块碰撞的影响， 华北板块开始产 生差异分化，沁水盆地开始了其独立的演化过程 。 三叠纪，沁 水 盆 地 处 于 构 造 稳 定 发 展 阶 段， 但构造活动较前期有所加强。 扬子板块向北俯冲， 北北西向向欧亚板块俯冲， 受其综合影响， 三叠 纪末期，沁水盆地抬升遭受剥蚀。 早中侏罗世， 由于太平洋板块及印度板块向 华北板块的俯冲， 在区内产生北西 － 南东方向的 挤压应力，形成了以北东、 北北东向为主的构造； 晚侏罗世，地壳进入强烈活动高潮期， 形成了北 东、北北东向的伸展拉张断裂， 沁水盆地抬升遭 受剥蚀，盆地两侧的吕梁山及太行山开始形成 。 早白垩世继承了晚侏罗世的构造特征， 沁水 盆地进一步抬升遭受剥蚀， 受太平洋板块及印度 板块俯冲的影响， 沁水盆地东侧形成北北东向的