沁水盆地构造热演化史研究

王千玮，张遂安，卢凌云，马雄强，夏立满，孙延明

（1.中国石油大学（北京），北京 102249；2.山西省国新能源发展集团有限公司，太原 030006）

沁水盆地构造热演化史研究

王千玮1，张遂安1，卢凌云2，马雄强1，夏立满1，孙延明1

（1.中国石油大学（北京），北京 102249；2.山西省国新能源发展集团有限公司，太原 030006）

为了研究沁水盆地构造热演化史，需要恢复不同地史时期的古地温梯度、煤系古地温和古埋深。在分析研究各种已有方法优缺点的基础上，根据沁水盆地的实际，总结出了一套较为完善的恢复地热史的方法：即以现今地温梯度将今论古，通过古地温计多重验证，不但考虑到地壳的冷却系数、不同构造单元内的区域地热场特征和差别，同时也将岩石的热物理性质体现到模式中去。根据恢复的地热史，模拟计算了镜煤反射率值。经与实测镜煤反射率值对比发现，计算值与实测值基本近似。说明这一方法可以恢复地史各个时期的古地温梯度及煤系古地温，同时大大提高了古地温梯度的精确度和可信度。

沁水盆地；构造热演化史；地热史

0 引言

本文选用了居于煤系中部含煤性较好的代表层位——山西组底部作为目的层，以阐述沁水盆地石炭二叠纪煤系煤化史研究的方法、原理和煤化史总体特征，恢复后的不同地史时期的古地温梯度，煤系古地温和古埋深，可模拟地史各时期的煤化程度。

在这项研究中，我们对构造史研究，地热史分析和煤化史模拟等都作了补充和发展，所以本文按原理及流程，构造和埋藏史，地热史分析和煤化史综述的顺序来阐明我们对方法的改进、技术的进展和煤化史成果。

1 煤的热演化史模拟方法

占煤化学成分90%以上的不溶有机质为干酪根，其生烃过程是一种热降解过程，基本上符合化学动力学的一级反应。可用化学动力学中的一级反应原理来模拟干酪根的热降解历史[1-6]。

在化学动力学中，凡反应速度只与反应物的浓度的一次方成正比者，称为一级反应[7]。即在任何瞬间，反应速度仅与当时该物质所存在的浓度有关，即：

式中：c——反应物在瞬间的浓度，mol/m3；

t——反应时间，Ma；

k——反应速度常数，Ma-1。

负号表示物质浓度随反应进行而减少。这里的k反应速度常数满足阿伦尼乌斯（Arrhenius）反应速度的指数定律公式[8-10]：

式中：T——反应温度，K；

A——频率因子，Ma-1；

E——反应的活化能，kJ/mol；

R——气体常数，J/（mol·K）。

由阿伦尼乌斯公式可知，反应活化能越大，反应速度随温度变化越强烈。反应速度常数时温度的函数，随着温度的升高，反应速度呈指数增大。

由于煤化程度是热效应的累加结果，所以在t时间内，反应时间（t）和反应物（干酪根）浓度之间的关系为瞬间关系的积分。即：

积分整理可得，

式中：c0——反应物原始浓度，mol/m3。

阿伦尼乌斯公式阐明，温度每升高10℃，反应速度大约增加一倍。洛帕京承认这一规律。韦甫莱斯（1980）将反应速度因子k用温度因子来代替。即r1= rn。式中r1温度因子，n为温度指数。韦甫莱斯应用了世界上31口井402个样品的成熟度资料，分别研究了r=1.0～10不同值的TTI与R0的对应关系，关系甚佳的r值为1.6～2.5。由于没有更充分的证据表明可选择更合适的r值，故选取中间值r=2。其含义是：温度每升高10℃，反应速度增加一倍。即r1= 2n。温度指数n，洛帕京将100℃～110℃定为基础温度区间，取该温度区间的n值为零（n=0）。在此基础上，温度每增加10℃，n值增加1；每减少10℃，n值减少1。为便于计算，可用下式来表达这一关系。即：

n=INT（T/10）-10

式中：INT为取整函数。

鉴于成熟度（煤化程度）为时间和温度的函数，所以将这一指标称为有机质成熟度（煤化程度）的时间-温度指标，韦甫莱斯表示为TTI（Time-Tempera⁃ture Index）。那么，有机质在某一温度区间内，经历几百万年之后，其成熟度为：

TTIn=2ntn

式中：tn——煤层在埋藏历史中，温度每增加10℃煤所受热的各区间的时间间隔，Ma。

煤在其变质历史中，往往经历若干温度区间。每个温度区间的实际温度与其受热时间对变质程度的贡献是2n·tn。整个变质历史的总成熟度为：

nmin和nmax表示其所处最低和最高温度区间的n值。一般认为，在50℃以下，煤化作用不明显。所以nmin一般不小于-5。

TTI值是煤化程度的一种时间-温度指标，它与煤化程度镜煤反射率（R0）指标有着一定的对应关系。韦甫莱斯总结了世界上31个地区的资料，将TTI值与R0值的对应关系列成表[10-16]。为计算方便，我们将这组数据分段回归（表1）。由计算机自动将TTI换算成R0，并将其换算成对应的煤阶。

表1 TTI-R0换算关系表Table 1 TTI-R0conversion table

煤化史研究是以构造史、沉积埋藏史和地热史研究为基础，经TTI计算，最后转换成相应的煤阶。其流程如下（图1）。

图1 构造-热演化史研究流程图Figure 1 Tectonic-geothermal evolution history research flow chart

2 沁水盆地地热史分析

地热史研究还是一个正在探索的领域。恢复古地温的主要方法有两种。其一是利用地层中的古地温计来恢复古地温。这是一种直接法。镜煤反射率是比较敏感的地温计，被公认为最可靠的古地温计[17-23]。但我们在研究中发现，既然镜煤反射率是煤的变质程度的物理指标，它又是煤层所经受的温度和受热时间的函数。那么，它不是真正好的单因素古地温计。况且，我们研究的目标是使模拟计算的结果与实测镜煤反射率逼近。则用镜煤反射率恢复的地热史计算煤化程度，也许可以得到很好的对应相关性。但毕竟是自身验自身，使煤化史模拟结果可信度降低。同时，利用镜煤反射率恢复古地温法是建立在这一地温计连续的地区的模式。对解决中间缺失型埋藏史地区虽然也取得了较好的效果，但还存在着一个古地温不整合的问题。根据牙行刺色变指标和孢粉色变指标所求的古地温是最高古地温（我们称之为最高古地温计），并且是一个温度的范围值，不利于煤化历史的研究。这两种最高古地温计往往被用于煤系埋藏时间短，煤系在高温条件下短期内发生快速变质的地区。显然，像沁水盆地这种典型的V型埋藏史地区，采用这种古地温计法恢复地热史不太适用。另一方面，沁水盆地的煤系上覆地层有较厚的红色地层。三叠系以新地层缺失，地温计不连续。要用仅有二百米左右的煤系中的古地温计来恢复三千米厚地层的地热史及无地层记录的地热史是不科学的。其二是大地热流值法，这是一种间接方法。这一方法更不成熟。

在研究沁水盆地煤系受热历史的过程中，我们分析了各种方法的特点和缺陷，根据沁水盆地的实际，总结出了一套较为完善的恢复地热史的方法。下面将这一方法的原理和流程分四个问题进行简要论述。

1）热源分析：就整个沁水盆地区域地温场来讲，我们认为放射性热源是很微弱的。煤系及其上覆地层的γ测井和地温测井，均未发现γ异常和地温异常。足以证明无放射性物质富集现象，更谈不上热源。关于岩浆热问题，争议较大。有人认为沁水盆地石炭二叠纪煤系煤的变质程度只所以能较广大的华北地区的石炭二叠纪煤系变质程度高，主要是受岩浆热的作用而致。但是，沁水盆地不但未有大规模岩浆岩出露，航磁资料也没有存在大型岩体的迹象。仅仅依据盆缘出露的为数不多的小型火成岩定为该区以岩浆热变质为主证据是不充分的。相比之下，区域地热场是不可否认的。其热源主要是来自地球深部的热量。同时，地壳隆起，使之由稳定区变为活动带而地热场被抬升的热事件，在沁水盆地也是占有相当地位的。

印支燕山运动使地壳拱隆，太行山断隆带形成。将其由原来稳定地台构造体制和大地热体制变为中新生代构造活动地区，大地热流值增高。表现在地热场上为区域地热场背景值抬高。因此我们在恢复古地温时，在中侏罗世至老第三纪，在区域地热场背景上迭加一个以白垩纪末为最高峰的热源。从而圆满地解释了沁水盆地石炭二叠纪煤系变质程度高于华北大部分地区的石炭二叠纪煤系的变质程度的原因。

2）热源模型的简化：为简化模型，我们将具有较高热导率较低地温梯度的煤系下覆基底-奥陶系定为煤系的“直接热源”（为一假设热源，而并不是真正的热源。真正的热源是地球内部的热源）。因无论来自地球深部的热流在奥陶系以下的地层及岩石圈如何传递，但来自深处的热都是由奥陶系传递给煤系的。奥陶系本身热导率很高，地温梯度较低（1.5℃/100 m）。煤系及以上地层覆盖后，因这些地层热导率较小，形成了“热屏障”。而使奥陶系可以被假定为一个相对的直接热源[24-26]。这一观点赖维民（1981）和周兴熙（1982）都曾提出过。这一假设合理地大大简化了地温模型。这一简化对广大的华北地区石炭二叠纪煤系的研究，都有普遍的实际意义。

3）恢复古地温梯度的方法及原理：古地温研究的最主要问题是恢复各地史时期的古地温梯度。不同时期不同层段的地温梯度的大小，取决于大地热流值和岩石热导率。其关系为：

G=q/k

式中：G——地温梯度，℃；

q——大地热流量值，cal/(m2·s)；

k——岩石热导率，cal/（m·s·℃）。

热导率是岩石的一种热物理属性，对某一特定地区某一地层层段来说，岩石热导率可以近似地视为一个常量。而大地热流值和地温梯度都是地层温度差地函数。所以，可把恢复古地温的问题简化为恢复各地史时期的古地表温度和各层段温度差。古地温差与其厚度之比即为该段的当时古地温梯度。

基于奥陶系作为直接热源，地壳冷却系数为0.04（每百万年地壳冷却的温度）和古地温梯度为当时地层温度差与其厚度之比这三点，可建立如下温度模型。即

式中：Ct——距今t百万年时古地温梯度，℃/100 m；

t——距今年今（百万年），Ma；

H——距今七百万年时奥陶系顶埋深，m；

Ht——为某地层层段厚度,m；

G0——现今地温梯度，℃/100 m。

现今地温梯度G0是恢复古地温梯度的关键参数。它的选用正确与否直接影响到所恢复的古地温梯度的精度。现今地温梯度对稳定地区来讲也许不是什么难题，区域地温场稳定，容易获取正确的G0。而这种沉抬剥蚀型地区，煤系基底乃至煤系都存在遭受剥蚀的地区，冷水倒灌严重，表现在地温梯度上各处差异甚大。据我们掌握的地温资料看来，沁水盆地中部的地温梯度远远大于盆缘地带。在盆缘地温梯度低的仅为0.6℃/100 m左右，平均1℃/100 m左右。特别是煤系基底出露地区更低。这说明受冷水倒灌严重，这些资料是不能反映区域地温场特征的。居于盆地中部的沁3，沁4井地温梯度就是别一种情况了。位于构造至高点的沁3井地温梯度为：石盒子组2.1℃/100 m，山西组3.3℃/100 m，太原组3.1℃/100 m，奥陶系1.5℃/100 m。位于该构造东翼次一级构造高点的沁4井，上下石盒子组地温梯度为2.6℃/100 m。取山西组为3.3℃/100 m，太原组为3.1℃/100 m，煤系上覆地层为2.6℃/100 m，平均地温梯度为3℃/100 m。符合全国地温梯度变化趋势。

现代大地热流值研究成果一致公认，稳定地台区的大地热流值比较稳定，各处地温梯度差别较小。所以，考虑到沁水盆地在侏罗纪之前，原本与华北同为一体，属稳定的地台型大地热流体制。则借用华北地区地温梯度来恢复这段同类构造属性的古地温可能更接近实际。现今华北地区地温梯度在3～4℃/100 m内。因燕山、喜山运动的影响，其大地热流值有所抬升。现今华北地区大地热流值平均为1.22HFU，较世界同类地区（一般为0.98±0.24HFU）为高。所以，为排除这一干扰，可取3.4℃/100 m作为计算参量G0，借以恢复沁水盆地石炭纪至侏罗纪古地温梯度。当然，3.4℃/100 m是一平均值。考虑到热导率的差异，太原组应取3.516℃/100 m，山西组取3.744℃/100 m，煤系以上地取值为2.95℃/100 m。

在模拟中，最终参与煤化史模拟的是煤系的古地温。古地温是一个动态参量，它为当时古地表温度和地表温度与煤系温度差之和。温度差为当时的古地温梯度与其地层厚度乘积。那么，煤系某一时期的古地温为：

Tt=T0t+GPt×HP+Git×Hi

式中：Tt——距今t百万年时山西组底温度，℃；

T0t——距今t百万年时地表温度，℃；

GPt——距今t百万年时山西组地温梯度，℃/ 100m；

HP——山西组厚度，m；

Git——距今t百万年时煤系上覆地层的古地温梯度，℃/100m；

Hi——煤系上覆地层厚度，m。

那么，古地表温度主要是利用沉积环境、岩相古地理的研究成果及古生物、古生态研究，定性地确定。周兴熙等人就将华北石炭二叠纪古地表温度定为20℃。我们在研究过程中，除利用上述方法作定性分析外，我们还作了定量计算尝试，效果良好。即利用氧同位素计算古Tot，据我院在太原西山所做地工作表明，太原组灰岩氧同位素为-8‰～-10‰。据Craig计算古温度公式求得，石炭纪地表温度至少在30℃左右。古纬度测定结果[11]支持了这一结果。该区在二叠纪时处于北纬14.8°，相当于中国现今地西沙群岛.可见，当时地表温度为30℃是可信的。三叠纪时移至北纬17°。以后各时期未做工作，按逐渐降温处理。现今地表温度取常年平均气温（10℃左右）为计算值。

4）古地温及其验证：如上所述，古地温恢复分为两个阶段，石炭-侏罗纪按稳定地区处理，侏罗纪至今按中新生代构造活动区对待。经过对近三十个点的恢复，证明该区煤系由沉积到侏罗纪是一逐渐升温的历史。由沉积时的30℃左右，到三叠纪末埋藏深度达3 000 m，山西组底部地温已有130℃左右。之后，随燕山热事件致使大地热流背景值抬高。侏罗纪虽地壳已处抬升阶段，但地温仍在上升，侏罗纪末山西组底可达140℃左右。以后，因抬升剥蚀，冷水倒灌等作用，该区煤系地温速度降低，尤其是盆缘地区。从地热史角度来讲，沁水盆地石炭二叠纪煤系经历了石炭二叠纪逐渐升温，侏罗纪快速增温，白垩纪以来快速降温的地热史。

上述地热史证明山西组底部最高古地温曾达到过140℃左右。这与我们所测定的牙形刺色变指标CAI值而恢复的最高古地温基本一致。在沁水盆地西缘，我们采集了太原组内K2，K3，K4灰岩中牙形刺样品，其色变指数CAI值为2.5～3。所对应的温度为90℃～200℃。其中值恰是145℃。

为验证整个地热史，我们利用对温度最为敏感的镜煤反射率指标作了进一步校对。根据恢复的地热史，模拟计算了镜煤反射率值。经与实测镜煤反射率值对比发现，计算值与实测值基本近似(表2)。

表2 山西组底部镜煤反射率实测值与计算值对比表Table 2 Comparison table of Shanxi Formation bottom vitrinite reflectance measured values and computed values

5）误差分析:之所以还存在着一定的误差值，其原因有两点:一是实测资料是山西组底附件煤层的镜煤反射率资料，而计算的是山西组底，有一定埋深差。但关键的是计算依据是区域特征，而实测为一点；二是数学模拟过程的原理误差和数学误差。

3 结论

（1）利用地层中的古地温计来恢复古地温的方法具有局限性和不准确性，不适用于沁水盆地地热史研究；

（2）得出适合一套较为完善的恢复沁水盆地地热史的方法：即以现今地温梯度将今论古，通过古地温计多重验证，不但考虑到地壳的冷却系数，不同构造单元内的区域地热场特征和差别，同时也将岩石的热物理性质体现到模式中去。

（3）根据恢复的地热史，模拟计算了镜煤反射率值，计算值与实测值基本近似。说明这一方法可以恢复地史各个时期的古地温梯度及煤系古地温，同时大大提高了古地温梯度的精确度和可信度。

[1]曹新款，朱炎铭，王道华，等.郑庄区块煤层气赋存特征及控气地质因素[J].煤田地质与勘探，2011，（01）:16-19+23.

[2]韩利，韩立国，巩向博，等.TTI介质隐式有限差分平面波偏移[J].地球物理学报，2011，（04）:1090-1097.

[3]黄第藩.成烃理论的发展[J].地球科学进展，1996，（04）:2-10.

[4]孙占学.古地温方法在热液金属矿床研究中的应用[J].矿产与地质，1996，（05）:43-48.

[5]张胜利，李宝芳.煤层割理的形成机理及在煤层气勘探开发评价中的意义[J].中国煤田地质，1996，（01）:72-77.

[6]李术元，郭绍辉，徐红喜，等.烃源岩热解生烃动力学及其应用[J].沉积学报，1997，（02）:138-141.

[7]秦勇，宋党育，王超.山西南部晚古生代煤的煤化作用及其控气特征[J].煤炭学报，1997，（03）:8-13.

[8]曹代勇，李小明，邓觉梅.煤化作用与构造-热事件的耦合效应研究——盆地动力学过程的地质记录[J].地学前缘，2009，（04）:52-60.

[9]程克明，熊英，孙万高，等.煤结构组成与成烃作用[J].新疆石油地质，2004，（04）:351-354.

[10]邓林，王英民.盆地古地温场演化动态数值模拟方法及其应用[J].成都理工学院学报，1998，（S1）:43-52.

[11]张景廉.论Connan的时间—温度关系[J].海相油气地质，1999，（04）:51-55.

[12]杨建军.轻质油藏注空气氧化及氧化动力学研究[D].西南石油大学，2015.

[13]吴磊.水煤浆快速热解过程及热解焦气化特性研究[D].华东理工大学，2013.

[14]王宏伟.HTI煤层AVO的影响因素与空间特性[D].吉林大学，2014.

[15]徐善辉，韩立国，郭建.TTI介质各向异性参数多波反演与PS波AVO分析[J].地球物理学报，2012，（02）:569-576.

[16]孔丽云，王一博，杨慧珠.裂缝诱导TTI双孔隙介质波场传播特征[J].物理学报，2013，（13）:547-556.

[17]王炳山，王传刚.我国晚古生代煤变质古地温场与煤层气赋存条件[J].煤田地质与勘探，2000，（04）:27-30.

[18]李成，王良书，郭随平，等.塔里木盆地热演化[J].石油学报，2000，（03）:13-17+107.

[19]李侠，魏永佩，纪邦师，等.山西煤盆地热演化与生气作用研究[J].地球科学与环境学报，2000，（02）:27-31.

[20]程本合，胡圣标，熊亮萍，等.用镜质体反射率资料恢复热史的相关问题及处理方法[J].中国海上油气.地质，2000，（03）:67-70.

[21]任战利，赵重远，张军，等.鄂尔多斯盆地古地温研究[J].沉积学报，1994，（01）:56-65.

[22]王学军，张之一.开鲁盆地陆西凹陷热埋藏史研究[J].地球科学与环境学报，1994，（01）:34-39.

[23]张盛.鄂尔多斯盆地古地温演化与多种能源矿产关系的研究[D].西北大学，2006.

[24]任战利，崔军平，李进步，等.鄂尔多斯盆地渭北隆起奥陶系构造-热演化史恢复[J].地质学报，2014，（11）:2044-2056.

[25]彭苏萍.深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势[J].煤，2008，（02）:1-11+27.

[26]赵少磊.唐山矿西南区深部瓦斯赋存特征及聚集规律研究[D].中国矿业大学，2014.

Tectonic Thermal Evolution History in Qinshui Basin

Wang Qianwei1,Zhang Suian1,Lu Lingyun2,Ma Xiongqiang1,Xia Liman1and Sun Yanming1
(1.China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249; 2.Shanxi Provincial Guoxin Energy Development Group Co.Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030006)

To study tectonic thermal evolution history in the Qinshui Basin,need to recover paleogeothermal gradient,coal measures pa⁃leogeotemperature and paleo-buried depth during different geological times.On the basis of available method merits and faults assess⁃ment,according to the reality of Qinshui Basin,summarized a set of relatively perfect methods to recover geothermal history.Taking the present geothermal gradient to infer paleogeotemperature,through paleogeothermometer multiple authentication,not only has consid⁃ered earth crust cooling factor,regional geothermal field features and difference between different tectonic elements,but also embodied the rock thermophysical properties into the model.Based on recovered geothermal history,has simulatively computed vitrinite reflec⁃tance values.Through comparison with measured values have found they are basically approximate.Thus,the method can recover vari⁃ous geological times paleogeothermal gradient and coal measures paleogeotemperature,and moreover can greatly improve paleogeother⁃mal gradient accuracy and reliability.

Qinshui Basin;tectonic thermal evolution history;geothermal history

P618.13

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.03

1674-1803(2017)03-0010-05

国家油气重大专项（ZX20160241）——临兴-神府地区煤系地层煤层气、致密气、页岩气合采示范工程-产层组压裂裂缝穿层致裂模拟技术研究

王千玮（1992—），女，山西阳泉人，硕士研究生，研究方向：煤层气勘探与开发。

2016-12-01

责任编辑：宋博辇