鄂尔多斯盆地东缘构造-水文地质控气特征

  鄂尔多斯是我国煤层气资源最为丰富的盆地，盆地改造过程和多种能源成藏响应研究引起了地质学家的重视（刘池洋等，2006；冯三立等，2002；Zhang et al.，2002）。目前的煤层气勘探开发集中在盆地东缘，沿黄河呈南北向分布，南北长逾560 km，东西宽50~200 km，面积约8×104 km2，埋深1500 m以浅的煤层气地质资源量约9×1012 m3（接铭训，2010）。盆地东缘是一条复杂的构造-地貌边界带，分隔了西侧鄂尔多斯块体和东侧山西断隆。通常，将NS向离石断裂作为盆地的东缘边界断裂。构造变形是影响煤层气成藏的重要因素（Jiang et al.，2010），不同性质、不同类型的构造对煤层气的生成、运移和保存具有不同的控制作用（姜波等，2005），地层和构造决定了煤层的形态、连续性和渗透性（Pashin，1998；Frodsham and Gayer，1999）。因此，构造演化及其特征的研究，有助于深刻揭示煤层气运移和赋存规律及构造-水文地质条件的控制作用，为煤层气勘探与开发提供科学依据。

 

  1 煤储层及其物性特征

 

  研究区主要包括河东煤田和韩城煤田

 

  1）。河东煤田位于山西省西部的黄河东岸，吕梁山脉贯穿南北，构成山西西部高原的脊梁，属石炭—二叠纪含煤岩系；韩城煤田位于渭北煤田东部韩城市境内，东以黄河与河东煤田隔河相望。

 

  1.1 含煤地层及煤层

 

  鄂尔多斯盆地晚古生代含煤地层包括上石炭统本溪组、上石炭—下二叠统太原组及下二叠统山西组。含煤地层厚度137.05~193.21 m，平均161.26 m。含煤21层，煤层平均厚度12.63 m，其中可采煤层平均厚度10.30 m。山西组一般含煤9层，可采煤层2~3层；太原组含煤10~13层，可采煤层3~5层；本溪组普遍含煤，但多为薄煤层或煤线，仅局部地区发育一层可采煤层。山西组煤层自上而下编号为1~5号煤层，其中4号、5号为主要煤层；太原组自上而下编号6上~10号煤层，其中8号、9号为主要煤层。

 

  1.2 储层物性特征

 

  构造、热演化、煤岩组分、灰分产率以及围岩、水动力条件等的差异，导致5号和8号煤层物性具有各自的特征。现以大宁—吉县地区为例，分析这两个主煤层的物性特征。

 

  1.2.1 煤层孔隙性及渗透性

 

  1）5号煤层

 

  5号煤层厚度2~7 m，复杂结构，含矸率一般大于5%。煤岩类型主要为半亮—半暗煤、半暗煤和光亮煤，镜质组反射率1.2%~2.0%，平均灰分产率为9.62%。

 

  据区内14口煤层气探井孔隙度测井解释成果，5号煤层孔隙度在1.91%~4.01%之间，具中-低孔隙特征。该煤层孔隙度受构造、埋深等条件的显著影响，孔隙度>4%的区域主要位于古驿—窑渠、明珠—蒲县以东地区。古驿—窑渠北东一线为一局部隆起的背斜构造，煤层埋深相对较浅；明珠—蒲县以东是东部边缘的翘起端，5号煤层埋深在400~800 m之间，孔隙度较高。总体来看，5号煤层孔隙度西低东高，古驿—窑渠构造轴部高、翼部低。

 

  据试井资料，煤层渗透率介于（0.12~42.86）×10-3μm2之间，大于10×10-3μm2地区主要集中分布在古驿—曹井一线，预测向东随煤层埋深变浅，渗透率将大于5×10-3μm2。

 

  2）8号煤层

 

  8号煤层在研究区南部厚度为2~10 m，结构复杂，含矸率一般在5%左右。煤岩类型以半亮—半暗煤占优势，其次为半暗煤和暗淡煤，平均灰分产率为13.24%。

 

  该煤层孔隙度在1.64%~4.81%之间。午城地区位于鼻状隆起构造部位，隆起幅度20~30 m，导致午试1-2井8号煤层孔隙度高达4.81％。从平面分布来看，8号煤层孔隙度多数略低于5号煤层，但仍然有西低东高、古驿—窑渠构造轴部高、东西部低的分布趋势。自明珠向东，该煤层孔隙度随埋深变浅可能增高。煤层渗透率介于（0.1~3.87）×10-3μm2之间，明显低于5号煤层。

 

  1.2.2 煤层含气性

 

  一般认为，煤层含气量与埋深呈正比。在研究区南部的大宁—吉县地区，5号煤层在埋深700~1000 m范围，含气量为17.8 m3/t，梯度为0.059m3/m；从平面上看，5号煤层含气量等值线呈NE向展布，含气量大于15 m3/t的地区主要集中在窑渠和午城东（图2a）。8号煤层埋藏比5号煤层深50~70m，含气量应高于5号煤层，但实测资料揭示的情况恰好相反。究其原因，可能在于5号煤层顶底板条件比8号煤层优越，多为泥岩，封盖能力强，煤层气保存条件较好；8号煤层顶板多为灰岩，封盖能力相对较差，尤其是构造发育区的灰岩裂隙发育，对气体的封盖能力变差，导致煤层含气量降低。

 

  主煤层的孔隙性、渗透性、含气性等均具有NE向带状展布的规律，表明燕山运动的NEESWW向构造挤压作用是控制区域煤层气成藏特征的关键地质条件。不同区域构造发育特征的不同，对煤层气保存的围岩和水动力等条件具有差异影响，导致煤层气成藏特征的复杂化。

 

  2 构造变形及其分区特征

 

  研究区构造变形的特点，主要体现在东部边界变形较强，近NS向的压性断裂和褶皱构造发育，向盆地内部褶皱逐渐减弱，断裂构造不发育，褶皱以宽缓开阔型为主，具有明显的分区性。

 

  2.1 构造变形特征

 

  研究区构造总体上为NWW向倾斜的单斜构造，局部叠加宽缓褶皱，断裂构造发育较弱。

 

  1）褶皱构造

 

  区内地层产状较为平缓，发育宽缓褶皱和挠曲。宽缓型褶皱中背斜较为发育，有些褶皱在野外露头较好、直观，另有一些规模相对较大的褶皱则需要通过岩层产状测量才能确定。如，在窑街西一背斜由中三叠统二马营组（T2er）中厚层砂岩夹薄层砂岩构成。背斜NW翼产状323°∠23°，SE翼产状155°∠14°，为NW翼陡、SW翼缓的不对称背斜构造，转折端处岩层产状254°∠4°，表明该背斜略向SW方向倾伏（图3）。

 

  该区褶皱构造的另一个特点是挠曲较为发育，表现为岩层产状的急剧变化，常由近水平产状突变为陡倾斜岩层，主要见于乡宁县管头镇上善村、吉县半山、茨沟和庞家疙瘩等地。茨沟挠曲构造位于茨沟宽缓背斜西约500 m处，核部地层为二马营组中厚层砂岩，SE翼为陡倾翼，产状290°∠42°，NW翼缓，产状为274°∠10°，挠曲轴向为NNE向。

 

  2）断裂构造

 

  鄂尔多斯盆地东缘断裂构造不发育，仅局部见规模较小的断层，但研究区东部及南部断层相对发育。断层走向以NNE向为主，多具有逆断层性质。

 

  东部边缘彩疙瘩沟断层发育于中奥陶统马家沟组薄层灰岩中，走向NNE，倾向NWW，上盘岩层在断层逆冲作用过程中产生弯曲，形成牵引构造，近断裂处岩层倾角较大，可达50°以上，随着渐离断层倾角逐渐变缓，于断层上盘形成了牵引背斜构造。盆地内部仅局部可见发育于三叠系中的小型逆冲断层，断距一般较小，仅数米。如发育于中三叠统二马营组紫色泥质砂岩和薄层灰黄色砂岩中的古驿逆断层，断距仅1.2 m，断层产状185°∠51°，断裂面紧闭、光滑，在倾向上具有缓波状几何形态，显示了逆断层的典型特点。

 

  褶皱和断裂构造发育特征反映了区域NWWSEE方向挤压应力作用。结合卷入变形的岩层和区域构造背景分析，本区挤压构造形迹主要形成于中侏罗世末期至晚侏罗世时期，对应中国东部燕山运动主幕（董树文等，2000；赵越等，2004）。鄂尔多斯盆地三期构造挤压应力事件主要发生在中侏罗世末期至晚侏罗世时期（张岳桥等，2006）。持续的构造挤压作用，不仅改造了煤层的赋存状态，并对煤层气成藏特征起到重要的控制作用，褶皱和逆断层的发育有利于煤层气保存，也是导致本区煤层气成藏条件具有EW分带性的重要构造动力学机制。

 

  2.2 构造分区性特征

 

  研究区构造变形在北部微弱，南部较为强烈，据此可分成北部、中部和南部三个构造分区。在此框架下，依据EW方向的构造差异，每个构造分区从盆缘到盆内进一步划分为盆缘断坳、斜坡凹隆及缓坡三个构造带。韩城矿区位于黄河以西，单独作为一个构造分区。本文研究区主要为中部、南部和韩城构造分区。

 

  2.2.1 中部构造分区

 

  中部构造分区位于离石—柳林EW构造带。在走向NS的吕梁复背斜西翼基础上，NS向次级褶皱较发育，加之EW向隆起与其复合，形成了特有的短轴背、向斜，进一步划分为离石向斜、王家会背斜和柳林—吴堡鼻状构造三个构造带。

 

  离石向斜为吕梁复背斜西翼的次级NS向构造单元，长约40 km，宽约4 km，中部较宽，约16km；东翼地层倾角平缓，一般小于10°；西翼构造相对复杂，发育次级小型NS向褶皱，断层稀少且均为正断层。王家会背斜为轴向近NS、东翼较陡、西翼较缓的不对称背斜，构成离石向斜与柳林—吴堡鼻状构造的分界。柳林—吴堡鼻状构造向东部翘起，地层分别向NW，W和SW方向倾斜，倾角一般5°~10°，主要出露上石炭统和二叠系。

 

  在柳林地垅堡南至聚财塔一带，次级EW向构造发育，由一系列短轴背、向斜组成，在鼻状构造轴部有低序次的纵张断层组成的地堑构造。

 

  2.2.2 南部构造分区

 

  南部构造分区北起柳林南部的裴沟—张家庄

 

  一线，南至乡宁—河津一带，东以离石大断裂南段紫荆山断裂为界，西抵黄河，NS长170 km。主要构造线呈向W突出的弧形展布，在隰县以北为NS向，向S逐渐过渡为NNE向及NE向，从东向西依次分布中奥陶统—三叠系铜川组等地层。依据构造变形特征的差异，分为盆缘断坳带、斜坡凹隆带和缓坡带三个构造带。

 

  盆缘断坳带构造变形最为强烈，发育一系列压性断层、挠曲及其伴生构造，包括紫荆山断裂带及旁侧的蒲县—暖泉向斜和乡宁挠褶带等。

 

  斜坡凹隆带位于盆缘断坳带西侧，西界为吉县至永和东城镇一线，北段地层倾向W，倾角5°~10°，次级褶皱较为发育，中段倾向NNW，倾角5°~15°，南段倾向NW，倾角5°~15°。带内以隆凹相间的褶皱构造为主，伴有小型断层，褶皱主要有石楼至隰县之间的褶皱群及薛关—窑渠褶皱带。缓坡带仅为中部靠近黄河的一小部分，向西进入陕西境内，地层倾向W，倾角很小，一般1°~5°，甚至水平；虽有少量的波状起伏，但幅度很小，基本属缓倾单斜构造。

 

  2.2.3 韩城构造分区

 

  韩城构造分区位于鄂尔多斯盆地东南缘，地层走向NE，倾向NW，倾角浅部陡、深部缓，地层倾角一般8°左右，总体上为一单斜构造。构造变形程度南强北弱，东强西弱，浅部复杂，中深部简单。南北分区性明显，北区挤压构造较为发育，南区以拉伸构造形迹占据主导，主要断裂构造发育于东南边缘地带。煤层构造以中型褶皱及落差5 m以下的中小型断层为主。

 

  3 构造-水文地质条件及其控气特征

 

  区域构造演化及其发育特征对研究区水文地质条件具有显著的控制作用，构造发育的差异性控制了区域水文地质边界及不同区域水文地质特征。

 

  3.1 区域水文地质边界

 

  北部边界以近EW向构造发育为特征，为一系列近EW走向的正断层及由其组成的地堑、地垒构造，其中最大的一条向西延伸穿过黄河，与陕西境内的东西向断裂相接。区域中部的聚财塔地堑由两条近东西走向的正断层组成，宽约450 m（图7），区内钻孔揭露该断层为阻水断层，断层南、北部水文地质条件存在一定的差异。

 

  东界为近NS向断裂带，北段为离石断裂带，发育于王家会背斜东翼，主要由炭窑沟断层、枣林断层和朱家店断层组成，主体延伸方向为近NS向。断层倾角较大，倾向时东时西，总体表现为西盘上升、东盘下降的压性构造带。中段和南段为紫荆山断裂带，由一系列近NS走向平行或斜列的压性断层及褶曲组成，并伴有走向NE，NW及EW向、落差不大、延伸不远的平移正断层；主断层面向东倾，倾角较大，在60°~80°之间，东盘为太古界基底杂岩与寒武—奥陶系灰岩，西盘为晚古生代煤系及中生代地层，南段断裂带内岩层陡立，局部发生倒转，拖曳褶皱发育，塑性岩层揉皱现象明显。研究区东南为马头山断裂带，北起罗云山以北，向SW延伸，直达韩城附近，与乡宁NE向断挠带相交。

 

  南界为乡宁NE向断挠带，从临汾市河底镇起，向SW延伸，至河津禹门口切过黄河延入陕西境内，长约80 km。东段由一系列压性断层组成，主断面倾向SE，上盘向NW逆冲；中段长达40km，形成一个规模巨大的膝状挠曲，地层在1 km范围内由近水平变为直立甚至倒转再变为近水平状态；西段以逆冲断裂为特征，SE盘太古界涑水群基底杂岩仰冲在早古生界之上。断挠组合构成南部隔水边界。

 

  西部边界北段以黄河为界，各水文地质单元的地表水和地下水最终流入黄河；西南部韩城地区的西南部以爱帖沟逆断层为代表，构成奥灰水阻水边界；西北部为奥灰水深循环滞流带，是地下水的自然边界或阻水边界。

 

  3.2 水文地质单元划分及其特征

 

  根据地质构造，结合地下水补给、排泄条件和地貌特征，研究区可划分为五个水文地质单元。区域上，中奥陶统、太原组和山西组3套含水层系之间基本上没有水力联系，后两者富水性微弱—中等。在盆地边缘构造、盆内构造及地层温压条件的综合控制之下，盆内地下水系统被进一步分解，导致煤层气聚散的地下水动力场和煤层含水系统等条件进一步复杂化，不同单元地下水动力场对煤层气成藏过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东部流域，北部、东部及南部均为灰岩地层或变质岩的地表分水岭，西部为灰岩地层与石炭、二叠系地层接触带。再往西为岩溶承压水，即岩溶地下水的滞流区，14C测年在1万年以上，矿化度达8.145g/L。受单斜构造控制，地下水在灰岩露头处得到补给，向柳林一带汇流，由柳林泉集中排泄。

 

  强径流方向有两个，一是从泉域中部灰岩裸露区到柳林泉，另一个是从泉域东南部的灰岩裸露区绕过离石向斜后到柳林泉。从补给区到排泄区，地下水基本上具有统一水位，局部构造和隔水层的控制使得地下水位在局部地区存在差异。总体上，柳林泉长期排泄形成的大降落漏斗，决定着大范围岩溶水的流向。柳林泉以泉群形式在泉域以东的三川河河谷中出露，属于受上覆隔水岩层阻水而使得岩溶水溢出形成顶板阻溢全排型岩溶泉水，水头出露标高为801 m。

 

  黄河东断凹水文地质单元东起紫荆山大断裂，西抵黄河，南止昕水河一带，北部与柳林泉域相邻。地貌属中低基岩山区及黄土丘陵，绝大部分河流注入黄河水系。单元内地下水接受大气降水及地表水补给为主，第四系松散层孔隙潜水受地貌、地形及当地侵蚀基准面控制，以泉及潜流形式向河谷排泄。石炭系、二叠系、三叠系含水岩层，在地形较高处及浅埋区以潜水形式向河流排泄。奥陶系和寒武系灰岩水则以承压水形式自东向西、自北向南流动。

 

  龙祠泉域西起紫荆山断裂，南部和东部均以罗云山—马头山断裂为界，北至姑射山一带；东部、南部界线均延出区外。由山西断隆轴部近NS向乔家湾—牛王庙复向斜构成向斜控水构造，向斜中心部位出露二叠系。该单元为中低山地形，地下水接受大气降水补给，向斜两翼地下水向轴部汇聚，由北向南流动。各含水层一般以承压水形式出现，龙祠泉群属构造上升泉，也是单元内地下水的总排泄点。

 

  龙门山水文地质单元的北部、西部与黄河东断凹水文地质单元接壤，东部与龙祠泉域接界，边界线位于紫荆山大断裂的分支NS向断裂带西侧，南部以马头山断裂为界。区内出露奥陶系、寒武系灰岩，次为太古界杂岩，属基岩中低山区。中部及西部为黄土切割地形，沟谷切割强烈，给地表水排泄创造了良好条件。地表水向西注入黄河，使地下水受大气降水的补给甚少，含水层补给受限，地下水以灰岩潜水为主，次有杂岩风化带裂隙水。

 

  韩城水文地质单元地处韩城褶断带，SE边界为韩城大断层，NW以奥陶系顶部埋深1000 m线为岩溶水系统的滞水边界，NE界至黄河，SW以地下分水岭为界。地表水不甚发育，地下水受构造、岩性及地形地貌的控制，储水空间主要为第四系底部和基岩裂隙或岩溶裂隙。含煤地层及其上覆地层砂岩含水层的含水性、富水性和透水性多较弱，水力联系较差，补充不足。

 

  3.3 地下水动力场与煤层气保存条件

 

  地下水动力场和煤层气富集均受构造控制，且都与岩石渗透性等有关。研究区各含水层中，石炭系和二叠系含水层与煤层最近，对煤层气运移和赋存影响较大；奥陶系灰岩水位一般高于煤层，且常有断层、陷落柱等与煤层及煤系水发生联系，对煤层气赋存有一定的控制作用；新生界含水层距煤层较远，与煤层气保存条件关系不大。

 

  黄河东断陷水文地质单元构造相对简单，地下水径流强度相对均一，单元内煤层含气性在地层走向上较均一，含气量随着埋藏深度的加深而含量增高。柳林水文地质单元的地下水动力条件总体上强于其它几个单元，煤层气受地下水径流的影响较大，但该单元地下水排泄点位于柳林泉域，地下水在泉域以西处于承压滞流环境，有利于煤层气保存。龙门山水文地质单元的地下水向两个方向径流，南部是地下水从补给区流向禹门口泉的强径流通道，煤层气保存条件较差，北部区处于滞流环境而可能有利于煤层气保存。

 

  相对于河东煤田，韩城水文地质单元的地下水动力条件较强。但是，该单元地下水补径排关系却有其特点，在东南边缘NE向韩城断层附近地下水运动较为强烈，补径排路程较短，水动力场较强，但只是一个狭长的局部区域；往NW方向进入盆地，地下水处于滞流环境，水动力场较弱，煤层气保存条件较好。

 

  4 结论

 

  1）鄂尔多斯盆地东缘的构造变形在东部边界较强，近NS向的压性断裂和褶皱构造发育，变形程度向盆地内部逐渐减弱，表明盆地边缘和内部的构造条件均有利于煤层气保存。

 

  2）鄂尔多斯盆地东缘可划分为5个水文地质单元，韩城水文地质单元的水动力条件强于河东煤田诸单元，河东煤田又以柳林泉流域水动力条件最强，这是区域上煤层气保存条件不一的重要地质原因。黄河东断陷单元煤层含气量随埋藏深度的加深而增高，柳林单元在柳林泉以西发育有利煤层气保存的地下水动力场条件，龙门山单元北部的地下水动力条件可能有利于煤层气保存，韩城单元西北部地下水处于滞流环境而使得煤层气保存条件较好。