沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征

  1 含水层与隔水层

 

  山西沁水盆地南部地区存在奥陶系、石炭— 二叠系和第四系3套主要含水层系。含水层主要为碳酸盐岩、砂岩和松散沉积层。隔水层主要为泥质岩类,某些地段特定层位的致密碳酸盐岩也能起到一定阻水作用。其中,中奥陶统为区内的主要含水层,石炭— 二叠系含水层的含水性通常较弱,第四系松散沉积物含水层的含水性变化较大且影响范围相对局限。

 

  本区主要隔水层为上石炭统隔水层、太原组和山西组泥岩和砂质岩隔水层、上石盒子组中下部及下石盒子组隔水层组。上石炭统隔水层主要为本溪组铝质泥岩、太原组泥岩或煤层。太原组和山西组所含的泥岩和砂质泥岩,在局部地段也起着一定的隔水作用。上石盒子组中下部及下石盒子组隔水层组的厚度为几十m到200 m不等,由泥岩、砂质泥岩夹砂岩构成,在高平一带垂向分布呈现平行复合结构,裂隙不甚发育,为山西组顶部的相对隔水层组。

 

  2 水文地质单元及周界特征

 

  沁水盆地南部水文地质单元由3个泉域组成,西北部为洪洞广胜寺泉域,东北部为辛安泉域,南部为延河泉域。其中,辛安泉域、延河泉域在本区范围内是2个完整的单元,具有补给、径流、排泄的地下水系统条件,主要含水层为中奥陶厚层状灰岩。各泉域地层构成南部向北、北部向南、东西两侧向中间的复式向斜储水构造。

 

  2. 1 东部边界水文地质条件

 

  东部边界为晋获褶断带,走向N23～ 25°E,为呈阶梯状向西倾斜的高角度张扭性正断层,倾角约70°, 由断裂和与之平行的褶皱组成,从北到南其导水逸气性能可明显地分为3段。

 

  北段从沁县至潞城, 断层规模较大, 断距可达300 m,隔断了奥陶系中统含水层组,起到明显的横向阻水作用。

 

  中段从屯留至高平,断距较小,落差约60 m,为平原区,地形与南段差异较大,构造形迹被第四系黄土覆盖。从区域水位来看,断裂两侧水位基本一致,此段导水性以及地下水动力条件强烈。

 

  南段从高平延展至晋城,为延河泉域与三姑泉域的东部分界。该段地表出露中奥陶统灰岩,是遭受NW— SE向主压应力场作用所形成的凸起垄状山梁,山体较薄,地表径流条件差,降雨垂直渗入的补给量不大。另外,由于断层、节理和层面等各种不连续结构面紧密,也不利于地下水的活动。

 

  2. 2 南部边界水文地质条件

 

  南部边界为东西向构造带,按其阻水性能可分为3段,即东部的沁河导水段,中部的西沟阻水段以及西部的西沟以西导水段。

 

  西沟阻水段由8条断裂构成,其中最大的断层长达15 km,落差100余m,使煤系砂泥岩地层与奥陶系灰岩接触,起到了阻水作用。

 

  就东、西两段导水段而言,断裂构造不甚发育,且落差比阻水段要小,一般为40～ 100 m。断层两盘灰岩与灰岩接触,断裂南北泉水的水质及水型相似,硬度不高,矿化度相近,W18 O值变化不大,说明两盘水力联系明显。

 

  2. 3 西部边界水文地质条件

 

  西部边界以安泽为界分为两段。北段为霍山隆起,由寒武、震旦系组成,为一阻水边界。南段则由导水性断层组成。

 

  3 单元内部边界水文地质条件

 

  本区内部存在着4条重要的水文地质边界,包括近EW向2条和NN E— NE向2条。其中, 3条边界是由次级隆起形成的地下分水岭, 1条为对南部煤层气富集高产条件具有明显影响的寺头断裂。

 

  沿近EW向展布的2条边界分别位于沁水盆地中、南部的北部和中部。北部边界为由武乡— 沁县次级隆起构成的近EW向地下分水岭,构成辛安泉的北部界线。中部边界由高平北部近EW向次级隆图1 单元内部边界及上石炭统太原组灰岩含水层水位等值线起组成,为基本阻水边界。一地下分水岭存在,构成辛安泉域与延河泉域的南部分界。该地下分水岭有往NW方向延伸的趋势,构成了沁水盆地中、南部南、北水文地质条件差异的重要分界线。

 

  沿近SN 向的2条边界分别存在于沁水盆地中、南部的东北部和南部。东北部边界沿沿尚— 武乡北北东向褶皱带展布,为一地下分水岭,构成了辛安泉域的西部边界。南部边界为寺头正断层,是延河泉域与广胜寺泉域的北部分界,从寺头村沿断层往北东方向地表断点有多处出露,走向N10～ 60°E,倾向NW,倾角70～ 85°。断层落差在寺头村南附近最大达500 m,向两端变小,往西南在寺头村南附近变为360 m。

 

  寺头断裂对其东、西两区的水文地质条件、构造格局和煤层气赋集状态具有明显的控制作用。在断层破碎带中钻进时,水位无较大变化,消耗量最大仅0. 106 m3 /h,断层角砾岩裂隙充填的方解石未见溶蚀现象。对位于断层两侧钻孔进行中奥陶统含水层抽水试验,水质类型截然不同,矿化度有较大差异。

 

  同时,断裂两侧甲烷含量也存在着差异,断裂东侧的大宁2号井田、潘庄井田等主煤层的含气量高,最高可达30 m3 / t以上,而西侧含气量相对较低,与东侧同等深度条件下含气量通常不超过15 m3 /t。

 

  抽水试验、水化学、煤层含气性等方面的证据表明,寺头断层是一条封闭性的断裂,导水、导气能力极差。但是,该断层断距较大,延伸较长,与其他断层相连,故不能排除局部导水、导气的可能性。

 

  4 现代地下水动力场展布

 

  4. 1 区域径流强度分区

 

  强径流区位于盆缘向内的3～ 5 km范围内,石炭系顶界标高700～ 1000 m。强径流区内的断裂和次级褶皱相对发育,裂隙、岩溶构成脉状网络,垂向上存在山西组碎屑岩裂隙含水层、太原组灰岩裂隙— 岩溶含水层和奥陶系岩溶—裂隙含水层,富水程度相对较高,钻孔单位涌水量大于4. 34 L /( s· m) ,矿化度一般为356. 84～ 542. 2 mg /L, 水质类型以HCO3· SO4— Ca· Mg 型为主,岩溶水处于无压转承压状态,水力坡度变化较缓,流速为1. 1 km /a,径流条件较强,煤层含气量普遍较低。

 

  中等径流区位于盆地环斜坡地带,平面宽度约3～ 8 km,石炭系顶界标高400～ 700 m,受断层和次级褶皱的影响,径流条件较强,岩溶水处于承压状态,岩溶、裂隙比较发育,富水程度极不均一, 钻孔单位涌水量为0. 472～10. 265 L /( s· m) , 矿化度一般为465. 72～ 1399. 18 mg /L,水质类型以SO4· HCO3— Ca·Mg 为主,水力坡度中等,煤层含气量及渗透率变化幅度大,局部地段排水降压困难。

 

  弱径流区位于盆地深部,为地下水的滞流边界,富水程度强,钻孔单位涌水量为0. 877 L /( s· m) ,水质明显变差,矿化度高达1 823. 61 mg /L,水质类型为SO4— Ca· Mg 型。水径流微弱,但在次级背斜轴部裂隙、岩溶发育地带,径流相对增强。该带煤层气含量普遍较高,但渗透率受埋深的影响而普遍偏低。

 

  4. 2 主要含水层等势面展布

 

  本区地下水等势面具有北高南低的总体态势。

 

  然而,由于上述内部水文地质界线的客观存在,使得区内地下水动力条件并不是如此简单,发育了若干个相对“低洼”的汇水中心。

 

  4. 2. 1 太原组含水层等势面态势

 

  上石炭统含水层以太原组灰岩为主,下主煤层的顶板或直接盖层为K2 灰岩,该层灰岩也是区内太原组含水层系中的主要含水层。等势面呈南高北低的总体背景,地下水的补给主要还是来自西北部地区,大致沿高平北、屯留、沁县一线展布的NW向地下分水岭隐约可见。

 

  在寺头断裂与晋获断裂之间,等势面显著要低

 

  于东、西两侧地区,并以大宁井田— 潘庄井田为中心、以樊庄地区为斜坡地带形成了一个等势面低地。

 

  在这一低地中,含水层显然富水但径流条件极弱,其意义不仅在于进一步显示出,寺头断裂和晋获断裂南段的高度阻水以及“低地”部位地下水滞流的特性,更为重要的是低地位置恰好处于沁水盆地中、南部主煤层含气量最高的地带。

 

  4. 2. 2 山西组含水层等势面态势

 

  下二叠统山西组的主要含水层是上主煤层间接顶板砂岩,等势面展布格局总体上与太原组含水层相似,南高北低,东南部最低,地下水补给主要来自西北部地区,由NW向地下分水岭分割成的两个径流方向区域仍然清晰可见。

 

  寺头断裂和晋获断裂南段的阻水特性对等势面的控制作用依然清晰可见,但影响程度和范围有所变化。在两条断裂之间的地带,等势面同样明显地要高于东、西两侧地区。与太原组不同的是,山西组含水层等势面的低洼程度在大宁— 潘庄一带已明显减弱,而在樊庄地区有所增强。相邻含水层等势面分布的这一层域组合关系,可能是控制南部上、下主煤层含气量关系的重要地质原因。

 

  5 现代地下水化学特征

 

  5. 1 中奥陶统地下水化学场

 

  奥陶系与上覆地层水力联系弱,地下水一般为HCO3· SO4— Ca· Mg 型。随含水层埋深增大,水化学类型由HCO3· SO4— Ca· Mg 型向SO4— Ca·Mg 型转化。东部、东南、南部的径流条件相对较强,水质类型一般是HCO3— Ca· Mg; 盆地内的中径流区,水质类型一般为SO4· HCO3— Ca· Mg 型; 在盆地深部弱径流区或某些局部滞流地带,水质类型为SO4— Ca· Mg 型。

 

  5. 2 上石炭统太原组地下水化学场

 

  在本区,石炭系含水层地下水主要为HCO3·SO4— K· Na 型。由盆地两翼部向轴部延伸,石炭系被二叠系、三叠系等覆盖,处于开放、半封闭到封闭状态,水质由HCO3· SO4— Ca 型向HCO3· SO4—K· Na 和HCO3· SO4— Ca· Mg 型转化, 并以HCO3· SO4— K· Na型占优势。

 

  在屯留一带,石炭系含水层水质类型为HCO3· SO4— K· Na 型,该区二叠系含水层水质类型为Cl· HCO3— K· Na型, 可见两含水层之间存在水力联系。

 

  在中东部至高平一带,受晋获断层带影响,石炭系和二叠系含水层地下水处于滞缓流状态,赵庄地区石炭系水质为HCO3— Na· Ca型,但奥陶系已延伸到向斜东翼,不受阻水影响,矿化度减小到300～450 mg /L左右。在沁源地区,由于二叠系、石炭系、奥陶系由NW向SE方向逐渐向深部延伸,径流条件由较强到弱, 水质随之由HCO3— Ca 型向SO4—Ca· Mg 型转换。

 

  在南部大宁一、二号井田附近,上石炭统太原组一般在接近地表露头处岩溶、裂隙发育,以岩溶— 裂隙水为主,含水微弱,水质为HCO3· SO4— Ca· Mg型。埋深加大, 岩溶发育程度减弱, 水类型变为HCO3— K· Na型。在潘庄井田, 矿化度最高可达2 964 mg /L, 水质类型为HCO3· SO4— Ca· Mg型。从大宁井田向南,水质由HCO3· SO4— Ca· Mg型向HCO3— K· Na型转换。

 

  本区上石炭统太原组含水层地下水矿化度的区域展布格局与中奥陶统含水层相似,展现出矿化度由NW向SE增高的总体趋势,在相似的地带同样也存在3个高矿化度的中心,表明地下水区域补给主要来自于西北部地区,局部地区地下水具有明显的滞流或缓慢流动的特征。

 

  5. 3 下二叠统山西组含水层化学场

 

  受区域构造和地形地貌特征的控制,山西组砂岩含水层地下水地球化学场的区域展布格局在一定程度上继承了下伏太原组含水层的总体面貌,如矿化度总体上由北向南降低,在南部存在高矿化度中心等。但是山西组含水层地下水地球化学场与太原组相比,也发生了重要改变。

 

  在本区北部矿化度等值线展布方向由太原组的NN E— SN方向转变为本组含水层的NNW方向,等值线呈顶部朝北凸出的弧形产出,弧顶连线偏向盆地轴部以西,同时东北部的矿化度明显要高于西北部地区。换言之,本组地下水主要补给区域可能由太原组和马家沟组的西北部地区转变为东北部地区。

 

  矿化度大于1 000 mg /L的地域覆盖了包括郑庄、大宁、潘庄、樊庄、赵庄南在内的广大地区。这一地区高矿化度地下水的存在,是本组含水层等势面在该区坡度极为平缓或存在“洼地”的必然结果,共同反映出地下水高度滞流的重要特征,对上主煤层中煤层气的保存极为有利。

 

  本组含水层水质类型在屯留一带多为HCO3— K· Na型或HCO3· SO4— K· Na 型,在赵庄、高平一带为HCO3— Ca· Mg 型,在潘庄、大宁一带转变为HCO3· SO4— Ca· Mg 型或HCO3— K· Na 型。水质类型由北向南变化过程所显示的地下水径流特征,与根据矿化度和等势面分布所得出的结论高度一致。

 

  根据上述水文地质条件和构造部位又可进一步分成“滞流”和“缓流”两大类,包括三种类型:

 

  5. 3. 1 等势面“洼地”滞流型

 

  该类型出现在寺头断层以东、晋获断层带以西、高平近东西向分水岭以南、南部近北西向分水岭以北的地区,即大宁— 潘庄— 樊庄一带。等势面明显呈“洼地”形态,矿化度极高,地下水几乎呈封闭状态。

 

  山西组、太原组和马家沟组的水量均很小,水温较高。经水质分析,全固形物和硬度均很大,氚同位素值较低,表明地下水流不畅,地表水入渗微弱,煤层气因水力封闭而富集。

 

  5. 3. 2 等势面箕状缓流型

 

  该类型发育在屯留、沁源— 安泽、潘庄北等。三面水势较高,一面水势较低。但是水势低的一面地表露头有水源补给,径流受到封阻。地层产状呈簸箕状,地下水以静水压力,在重力驱动下流动十分缓慢,对煤层气的保存及形成水承压煤层气藏较为有利。

 

  5. 3. 3 等势面扇状缓流型

 

  本类型出现的地域为西南部沁水地区,并以郑庄一带较为典型。北面和西面水势较高,东面和南面水势相对较低。水势低的部位部分被寺头断裂阻隔,部分在露头地带受到地表水补给,径流被封阻,煤层气随地下水运移的逸散作用可能相对减弱。

 

  6 结论

 

  a.  研究区存在3套主要含水层,水文地质单元由3个泉域组成。

 

  b.  东部边界晋获断裂褶皱带的北段对中奥陶统含水层组起到明显的横向阻水作用,中段导水性及水动力条件强烈,南段地下水径流条件极差,是不导水的。南部边界由东部导水段、中部阻水段以及西部导水段组成,特别是中段的阻水性质,对晋城一带煤层气的保存与富集起到了重要作用。西部边界以安泽为界,北段为一阻水边界,南段则由导水性断层组成。

 

  c.  本区内部存在着4条重要的水文地质边界。其中寺头断裂是一条封闭性的断裂,导水、导气能力极差。

 

  d.  在沁水盆地中、南部寺头断裂和晋获断裂南段之间的大宁— 潘庄— 樊庄地区,山西组和太原组含水层的等势面明显地要高于断裂东、西两侧地区,地下水显然以静水压力形式将煤层中的煤层气封闭起来。在寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区,地下水径流强度可能较弱,较有利于煤层气保存。

 

  e.  大宁— 潘庄— 樊庄一带为等势面“洼地”滞流型,煤层气富集条件好。