鄂尔多斯盆地东缘本溪组8#煤层方解石脉体成因

王成旺，徐凤银，甄怀宾，陈高杰，甯 波，曹 铮，陈 岑

(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095；2.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100020；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.重庆科技学院，重庆 401331)

0 引 言

鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县区块石炭系本溪组8#煤层的煤层气资源丰富，是近年来煤层气资源勘探的重点层系之一。8#煤层埋深为1 600～2 400 m，分布稳定，煤岩中普遍发育裂缝，多被方解石充填形成方解石脉。煤岩在构造应力作用下形成的裂缝是流体活动的重要通道之一，对煤层运移和聚集成藏有重要的控制作用[1-2]。方解石脉体作为煤岩裂缝中流体-岩石作用的直接产物之一，对揭示流体活动和煤层气成藏过程具有重要的理论意义和应用价值[3]。目前，国内外学者主要利用薄片观察、阴极发光、流体包裹体、微区主微量元素及稳定同位素等方法揭示储层中方解石脉的岩相学特征、形成期次、时间及流体来源等信息[4-8]。其中，砂岩、页岩储层中的方解石脉体成因问题研究较多，而针对煤岩中方解石脉体的成因研究较少。因此，通过薄片观察、阴极发光分析、碳氧同位素和流体包裹体均一温度测试相结合的方法，对研究区本溪组8#煤层中充填的方解石脉的形成期次、成因和形成时间进行研究，为研究区8#煤层的成藏规律研究提供参考依据，为其他相似盆地的方解石脉体成因研究提供参考实例。

1 地质概况

研究区大宁—吉县区块位于山西省境内，构造上位于鄂尔多斯盆地东南缘晋西挠褶带南段，北邻永和，南接乡宁，东至吕梁山脉，西邻黄河(图1)，整体构造特征为一走向北北东、向北西缓倾的单斜构造[9-11]。研究区上石炭统本溪组形成于滨岸、浅海陆棚等环境，自下而上依次沉积铝土岩、灰黑色泥岩夹薄层细砂岩、灰岩及黑色煤层(图1)。其中本溪组顶部的8#煤是该区主力煤层，煤层顶面埋深为1 600～2 800 m，煤层厚度为3～10 m不等。8#煤层以亮煤和半暗煤为主，变质程度中等，是中国中煤阶煤层气富集的有利区之一[1]。

图1 研究区位置及地层柱状图(据文献[11]修改)

2 样品及分析

方解石脉样品来自鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块本溪组的8#煤层。开展方解石脉显微观察、扫描电镜观察、阴极发光分析、碳氧同位素分析、流体包裹体显微观察和测温等室内实验。

方解石脉体显微观察、阴极发光测试、流体包裹体显微观察和测温在中国石油大学(华东)山东省油藏地质重点实验室完成。将4块方解石脉岩心样品分别制成100 μm厚且双面抛光的包裹体薄片，使用Zesis显微镜对方解石脉体开展岩石学特征和流体包裹体岩相学特征观察。利用CL8200 MK5-2阴极发光仪对4个方解石脉体薄片开展阴极发光特征观察分析，工作电压为10.5 kV，电流为250 μA，真空度为3 Pa。对4个方解石脉体样品的流体包裹体均一温度和冰点温度测试，测温用Linkam THMSG 600冷热台，测温区间为-180～500 ℃，均一温度和冰点温度的误差分别控制在±1 ℃和 ±0.2 ℃。扫描电镜观察在山西省地质矿产研究院完成，分析仪器为TESCAN-MIRA3。选取5个方解石脉样品进行碳氧同位素测试，该测试在中国科学院地质与地球物理研究所完成。将方解石脉体样品磨制成粉末，与纯磷酸在温度18 ℃、大气压101 325 Pa条件下反应2 h，收集CO2气体，使用MAT 253双进样法与GBW04405参考气比较测试给出相对PDB值，测试误差为0.02%。

3 方解石脉岩相学特征

本溪组8#煤层中多发育构造成因的高角度裂缝和水平裂缝，裂缝多被方解石全充填，可见裂缝充填方解石脉相互平行。单一方解石脉宽度为0.5～1.0 mm，方解石脉密度为1～3条/cm(图2a、b)。通过薄片观察、阴极发光分析及扫描电镜观察可知，研究区8#煤层中的方解石脉可分为2期(图2c-g)，扫描电镜下可见镜质体，表明发育方解石微晶(图2h)。第1期脉体(C1)沿裂缝边缘向中间生长，在阴极发光下脉体颜色呈明亮橘红色，溶蚀现象较明显；第2期脉体(C2)主要发育于C1充填后的残余空间，多分布于裂缝中部(图2c、d)，在裂缝边缘也可见到C2发育，阴极发光颜色呈暗红色，可见2期方解石脉相互穿插、交代、溶蚀现象，但C2溶蚀程度较C1弱(图2e、f)。2期脉体溶蚀强度不同，岩相学特征的差异表明2期脉体的流体来源可能存在差异。

图2 研究区8号煤层方解石脉岩石学特征

镜下观察到方解石脉体中发育原生盐水包裹体，以气-液两相为主，无色透明，多呈椭圆形，大小约为3～16 μm(图3)。C1方解石脉盐水包裹体均一温度与盐度测试结果显示，同期方解石脉体的原生盐水包裹体盐度相似(图4)，主要为19.68%～22.03%，均一温度为158～174 ℃。C2方解石脉原生盐水包裹体盐度较C1有所降低，为17.52%～22.98%，均一温度主要为177～204 ℃。

图3 8#煤层方解石脉典型原生盐水包裹体照片

图4 8#煤层方解石脉原生盐水包裹体均一温度和盐度关系

4 方解石脉体成因

4.1 成脉流体来源

方解石脉的碳氧同位素可反映脉体形成时的成岩流体来源[12-14]。在薄片观察、阴极发光分析及碳氧同位素测试的基础上，明确研究区2期方解石脉体的碳氧同位素值分布特征。C1的δ13C为相对高正值(3.98‰～5.49‰)，δ18O为-11.10‰～-10.70‰；C2的δ13C值为-0.53‰～0.44‰，δ18O为-12.39‰～-11.98‰(表1)。

表1 研究区8#煤层方解石脉碳氧同位素特征

将方解石脉的碳、氧同位素数据同以往地质资料结合起来，分析8#煤层中方解石脉的成因。C1的碳氧同位素组成落在陆相沉积碳酸盐岩和低温热液白云岩区附近(图5a)，表明该期方解石脉的物质组成有部分来自沉积碳酸盐，即来源于围岩母岩的泥晶灰岩的溶解，同时可能受到深部热液流体的影响。有机质在埋藏演化过程中一般会经历氧化作用、细菌硫酸盐还原作用、甲烷生成作用和有机质脱羧作用[15-18]。其中细菌硫酸盐还原作用形成的碳酸盐主要呈现贫13C和18O亏损的特征(图5b)，而甲烷生产作用形成的碳酸盐呈13C相对富集的特征(图5b)。C1方解石脉的碳氧同位素组成表现为碳同位素富集的特征，并位于与生物气有关的碳酸盐岩区域(图5b)，表明C1方解石脉的形成与有机质的甲烷生成作用相关，其成脉流体主要源于富生物气的有机流体。

C2的碳氧同位素组成落在低温热液白云岩区域内(图5a)，表明该期方解石脉的碳源与低温热液流体密切相关。与C1相比，C2的碳同位素组成表现为相对亏损的特征，并位于与有机质脱羧作用有关的碳酸盐岩区域。碳同位素的亏损可能与生油窗有机质的脱羧作用所提供的具有亏损特征的碳源有关(-20‰<δ13C<0)，有机碳的加入使得成岩碳酸盐表现出亏损的特征。因此，C2方解石脉的成脉流体可能源于液态烃类有机质。

图5 研究区8#煤层方解石脉碳、氧同位素组成与流体来源综合判识

鄂尔多斯盆地东部在中生代、新生代曾发生较为强烈的岩浆活动，包括印支期火山活动、燕山期火山活动和新生代火山活动，其中燕山晚期早白垩世鄂尔多斯盆地发生的岩浆活动最强烈[2，19-21]。结合研究区本溪组热史和埋藏史可知，8#煤层最大埋深约3 500 m，对应的古温度为160 ℃左右。然而C1和C2方解石脉中发育的盐水包裹体的均一温度分布范围分别为158～174 ℃和177～204 ℃，均高于本溪组地层最大古温度，表明本溪组8#煤层曾发生深部热液流体充注。由此推测8#煤层中的方解石脉的形成过程为早期围岩中沉淀了部分泥晶方解石，随着地层埋藏过程的进行，腐植型有机质经厌氧细菌发酵产生大量甲烷气，其还原有机质为流体成岩提供了碳源，与围岩地层含钙流体结合沉淀形成方解石，形成C1期方解石。随后受有机质热演化的影响，富有机碳流体提供了具有亏损特征的碳源，形成晚期方解石脉体。同时伴随着燕山期岩浆活动导致的深部热液流体的侵入，晚期方解石脉体和部分C1方解石被溶蚀并重结晶，形成C2方解石脉。

4.2 方解石脉体形成时间

受早白垩世构造热事件导致的深部热液流体侵入的影响，研究区8#煤层中发育的2期方解石脉的均一温度均高于地层最大埋深对应的温度，因此无法通过方解石脉的均一温度和地层热埋史来判断2期方解石脉的形成时间。

烃源岩的甲烷生成作用一般发生在浅埋藏期，温度小于75 ℃，会生成一定量的CO2，当温度达到80～120 ℃时，有机质会大量脱羧形成CO2和有机酸，进入生烃高峰期。鄂尔多斯盆地东部上石炭统本溪组8#煤层的成藏期可分为2期：第1期成藏时间为早侏罗世—中侏罗世，煤系烃源岩进入早成熟期并开始生烃；第2期成藏时间为晚侏罗世—早白垩世，早期形成的液态烃在高温高压条件下发生热裂解，形成气态烃，为煤系烃源岩生、排烃的高峰期，即主要成藏期。如前所述，研究区8#煤层中发育2期方解石脉，C1脉体的形成与有机质的甲烷生成作用相关(温度小于75 ℃)，C2脉体的形成主要与有机质脱羧作用有关，并且2期脉体的形成均受到深部热液流体侵入的影响。结合研究区地层热埋史可知，烃源岩的甲烷生产作用的温度一般小于75 ℃，对应的时间为晚三叠世，因此C1应在晚三叠世—早侏罗世期间形成，略早于第1期烃类成藏，而C2形成则与有机质大规模生烃和构造热事件发生的时间相近，即对应第2期成藏，晚侏罗世—早白垩世(图6，赵丹枫等，2013修改)。

图6 鄂尔多斯盆地东南缘石炭系地层埋藏史-热史

5 勘探意义

鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块构造宽缓部位地应力分散，煤层裂缝系统发育，煤层裂缝中大规模流体活动和方解石脉沉淀充填时间具有同期性。前述研究表明，C2形成与有机质大规模生烃和构造热事件发生的时间相近，对应第2期煤层气成藏(晚侏罗世—早白垩世)，该阶段裂缝处于开启状态，可以为煤层气成藏提供运移通道，从而为煤层气成藏及富集提供有利条件。研究区近年来的勘探实践也证实了这一认识，研究区8#煤层埋深为2 000 m左右，大吉7-5井和大吉9-1向1井日产气分别为4 387 m3/d和5 574 m3/d，研究区以南的吉2-38向4井8#煤层埋深为1 200 m左右，日产气量为4 803 m3/d，研究区以北的金试2井埋深为900 m左右，日产气量仅为810 m3/d(图7)。综上所述，研究区8#煤层中方解石脉的发育对于煤层气富集区域具有重要的指示意义。

图7 研究区本溪组8#煤层成藏剖面

6 结 论

(1) 研究区本溪组8#煤层中发育2期方解石脉体，第1期脉体(C1)沿裂缝边缘向中间生长，在阴极发光下脉体颜色呈明亮橘红色，溶蚀现象较明显；第2期脉体(C2)主要发育于C1充填后的残余空间，阴极发光颜色呈暗红色，C2溶蚀程度较C1弱。

(2) 研究区8#煤层中的C1方解石脉的δ13C为3.98‰～5.49‰，δ18O为-11.10‰～-10.70‰，其成岩流体主要为源于围岩母岩的地层卤水和富生物气有机流体；C2方解石脉的δ13C为-0.53‰～0.44‰，δ18O为-12.39‰～-11.98‰，其流体来源主要与有机质脱羧作用形成的液态烃类流体有关，同时C1和C2方解石脉的形成均受到早白垩世构造热事件导致的深部热液流体影响，从而导致脉体内发育的流体包裹体的均一温度较高。

(3) 研究区8#煤层中C1方解石脉的流体包裹体均一温度为158～174 ℃，在晚三叠世—早侏罗世期间形成，略早于第1期烃类成藏，而C2脉体的均一温度主要为177～204 ℃，其形成与有机质大规模生烃和构造热事件发生的时间相近，即对应第2期成藏，晚侏罗世—早白垩世。

(4) 研究区本溪组8#煤层的方解石脉赋存的煤岩裂缝系统在主要成藏期可以为与方解石脉形成有关的流体大规模活动提供运移通道，方解石脉发育区域煤层气富集程度较高，具有良好的勘探开发前景。