大别造山带铁路隧道气体燃烧的地质意义

雷敏 柳忠泉 陈云锋

中国石化胜利油田分公司地质科学研究院

大别造山带铁路隧道气体燃烧的地质意义

雷敏 柳忠泉 陈云锋

中国石化胜利油田分公司地质科学研究院

雷敏等.大别造山带铁路隧道气体燃烧的地质意义.天然气工业,2010,30(4):16-19.

目前合肥盆地的油气勘探工作主要沿用中国东部盆地的勘探成功经验,工作重点以“中新生代盆地系统”为主,迄今尚无实质性的油气突破。大别造山带和合肥盆地是紧密相连的2个构造单元,在形成和时空演化上具有密切的关系。在大别造山带内发现的可燃天然气和发生燃烧的隧道具有明显的区域性,集中分布于磨子潭—晓天断裂以南的北大别杂岩带和信阳—舒城断裂附近的早石炭世变质石英片岩中。通过对大别山区隧道燃烧现象的系统分析,结合大别造山带、合肥盆地的演化特征和海相烃源岩发育状况,结论认为:磨子潭—晓天断裂和信阳—舒城断裂是连通深部的气源通道断裂;推覆体之下的寒武系凤台组和北淮阳型石炭系2套海相烃源岩是隧道可燃天然气的主力气源岩,且其均已进入热演化的过成熟阶段。因此,下一步勘探重心应从“中新生代盆地系统”转移到“深部海相层系”,以寻找“古生古储”或“古生新储”类型油气藏为主。

大别造山带 铁路隧道 天然气 海相沉积 烃源岩 推覆体 勘探重点 合肥盆地

合武铁路为合肥至武汉的客运专线铁路,途径位于大别山的金寨区段。该区段河谷深切,相对高差最大达500m,共设计施工了17座隧道。自2005年10月28日～2006年1月9日,红石岩、五福堂、九斗冲、周家坳、金寨、汀筒沟和乔家山隧道在施工过程中先后发生了不同程度的气体燃烧现象,尤其是长达7857m的红石岩隧道曾发生过多次燃烧。片麻岩隧道出现可燃气的现象是极其罕见的,笔者主要通过对大别造山带合武铁路金寨区段区域性片(麻)岩隧道燃烧现象的系统分析,结合大别造山带、合肥盆地的演化特征和海相烃源岩发育状况,探讨合肥盆地油气勘探前景及下一步的勘探思路。

1 合武铁路隧道燃烧现象及组分分析

1.1 隧道施工中炮后燃烧情况

2005年10月19日,合武铁路红石岩隧道(里程DK181+373～DK189+230)出口工区开始进洞施工,按上下台阶法开挖。2005年10月28日22时,在掌子面爆破后的碴堆间隙发现燃烧的火焰,此处距隧道口约10m,火焰为淡蓝色,燃烧面积直径为0.5～1.0m,燃烧3～5min后熄灭,洞内无异常气味。2005年12月10日挖至距隧道口约130m时,碴堆再次发生燃烧现象。为此,合武铁路安徽有限公司加强了监测,2005年12月15日下午放炮后瓦斯浓度达到0.7%,未出现燃烧现象;12月17日,在隧道出口检测到炮后最大瓦斯浓度达到1.09%,未出现燃烧现象。红石岩隧道以浅红色二长片麻岩为主,先后发生了20余次燃烧[1]。其后五福堂、九斗冲、周家坳、金寨、汀筒沟和乔家山隧道也先后发生了不同程度的气体燃烧现象。

出现可燃气的隧道范围为DK150+000～DK203+000,铁路里程为53km,该区间共有17座隧道。燃烧的7座隧道中有6座连续分布在磨子潭—晓天断裂以南的北大别杂岩带,6座隧道总跨度22km,其中隧道总长度大于10km,燃烧部位以元古界片麻岩为主;仅磨子潭—晓天断裂以南的金寨隧道在早石炭世变质石英片岩中发生燃烧。

1.2 气体组分分析

红石岩等6座隧道燃烧火焰呈蓝色或蓝红色,燃烧前后无异常刺鼻气味,从燃烧火焰和燃烧后的气味判断,气体中不含硫化氢、二氧化硫组分(或这类气体含量极低)。为查明隧道燃烧原因,消除安全隐患,施工单位分别对红石岩隧道出口和九斗冲隧道进口的岩石碴块吸附气体及放炮前后气体进行了采样分析[2]。

在红石岩隧道出口(DK188+995.5、DK188+993.5、DK189+092.5)处,采集气样4袋、渣块2.5kg (DK189+092.5)。在九斗冲隧道于隧道顶部4个钻孔中取炮前气体样品,炮后取气样2袋、碴块2.0kg。上述样品均是在放炮后无燃烧的情况下采集的,反映了炮后的真实组分含量。经分析气体组分较复杂,包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和一氧化碳等,其中甲烷最高含量达到1906.7μg/g(表1),一氧化碳含量也比较高。这与常规煤系地层的瓦斯组分有一定差别,燃烧气体主要为烃类气体。

2 区域地质构造背景

大别造山带夹持于华北和扬子板块之间,其北麓为合肥盆地。合肥盆地经历了基底形成、类前陆、断陷、构造反转等阶段的演化,基底变形和盆地发育受到大别造山带的控制。在盆地断陷阶段,合肥盆地处于环太平洋构造体制的控制之下,但大别造山带仍表现出明显的控制作用和良好的构造耦合关系。根据地质、地球物理和同位素年代学资料,可重塑大别造山带和合肥盆地的构造演化史。

1)克拉通—被动大陆边缘盆地阶段(Pt3—O2)。从晚元古代开始,大致以栾川—确山—固始—肥中断裂为界,其北为稳定克拉通的构造—沉积环境;其南则因北秦岭裂谷的继续发展,逐渐变成比较成熟的被动大陆边缘盆地[3];合肥盆地西缘四十里长山地区出露的震旦系、寒武系及奥陶系,特别是下寒武统凤台组低位斜坡扇水下重力流砾屑灰岩厚度超过100m,是其北部的淮南、凤台地区凤台组砾屑灰岩厚度的2倍以上,且与丘状层理砂质灰岩互层,说明四十里长山地区的凤台组已经属于较深水的陆棚斜坡环境下的产物。其上部发育了一套厚约150m的灰绿色、灰黑色页岩和碳质页岩,大致相当于淮南地区猴家山组底部的含磷矿层页岩(厚度为15～25m)。在猴家山组见到了上斜坡环境下发育的同生变形层理条带状泥晶灰岩及下斜坡环境钙屑浊积岩。上述地质现象充分说明了四十里长山地区的凤台组、猴家山组是华北被动大陆边缘盆地的沉积代表。

2)克拉通—(弧后)前陆盆地阶段(D3—T1)。从盆地南缘商城、固始至金寨一带出露的石炭系地层来看,总体为一套近源含煤磨拉石建造[4],而淮南地区出露的上石炭统—二叠系为稳定地台型近海三角洲—潮坪含煤碎屑岩建造,从当时海盆向南开口[5]及物源来自其北部的华北地台看,应属华北大陆南边缘海的北部海岸沉积。因此典型华北型煤系地层主要分布于肥中断裂以北,肥中断裂以南逐渐增厚,说明石炭—二叠纪时期桐柏—大别山以北地区为统一的盆地。这与南缘石炭系发育齐全而北缘仅发育上石炭统的事实相吻合。

3)前陆褶冲带的形成时间及超高压变质岩的同位素测年结果表明,南北陆块在二叠纪末—三叠纪初碰撞[6],前陆带的褶皱冲断变形、合肥盆地基底的向北逆冲构造就此形成。

4)古地磁研究表明:南北板块的持续会聚与陆内俯冲作用可延续到中侏罗世[7],浒湾—庐镇关剪切带南侧的大别山由于扬子板块的持续俯冲进一步隆起,其上扬子板块的庐镇关群和佛子岭群变质岩层向北滑脱、扩展并在其前缘形成褶皱冲断带,超高压变质岩在底板冲断层和顶板正断层的双重作用下快速折返,此时在华北板块南缘形成前陆盆地,开始接受侏罗系沉积。

5)晚侏罗世末—早白垩世的燕山运动以大规模的构造—岩浆作用为特征。大别山核部变质岩、北淮阳构造带及合肥盆地普遍有偏碱性—碱性火山岩覆盖。稍后大别山核部因碰撞后的伸展作用及巨量花岗岩侵位而差异隆起,大部分火山岩因后期抬升而剥蚀。浒湾—庐镇关剪切带北侧进一步坳陷,接受黑石渡组的火山—碎屑岩沉积。早白垩世末期,由于郯庐断裂的左行平移[8],西侧的华北板块向南俯冲到扬子板块之下[9],磨子潭—晓天断裂南侧的北大别杂岩逆冲到晓天盆地黑石渡组之上,并导致合肥盆地萎缩,大别山进一步抬升。

6)晚白垩世—古近纪,中国东部总体受伸展构造所控制,以发育盆岭构造为特征。大别山因重力均衡作用而进一步抬升,四周断陷;在区域伸展作用下,合肥盆地的边界断层转变为正断层,合肥盆地成为断陷盆地。新近纪以来,在区域挤压背景下,合肥盆地进入构造反转阶段,盆地抬升剥蚀,结束盆地沉积。

3 气源条件

3.1 气体储集空间

片麻岩隧道出现可燃气的现象是极其罕见的——因为片麻岩本身不具备生成可燃气的条件。通过资料收集和现场观察,发现着火点位置均为构造裂隙较发育的破碎带,破碎带岩石呈碎块状,岩块上构造错动和褶皱强烈,裂隙中有明显的未充填孔洞,局部含有黄铁矿,而岩石较完整地段均未出现炮后燃烧,说明破碎带中的裂隙空间是可燃气的主要储集空间。

3.2 气源分析

天然气的各组分结构简单,分子、密度、黏度和吸附能力都较小,故具有运移快、易溶解、易扩散和易挥发的特点。在开放系统中,气体从高浓度向低浓度扩散运动;从温度高处向温度低处扩散运动。因此,对于赋存于地下岩层中的天然气而言,扩散制约了天然气长期保存,相对上覆地层,气体浓度和温度通常都是高的,无论盖层如何好,气体都向上扩散运移,特别是在近地表的状态下(燃烧部位破碎带往往都是通达地表的,处于半开启或开启状态),若无气源继续供给,上述隧道天然气现今是难以保存的。

从合武铁路隧道燃烧情况分析,可燃气仅发生在局部构造裂隙破碎带,有一定局限性,但从整个发生燃烧的里程跨度来看,存在明显的区域性。发现天然气和发生燃烧的隧道均位于磨子潭—晓天断裂和信阳—舒城断裂附近。

磨子潭—晓天断裂和信阳—舒城断裂都是活动时间长、切割层位深的深大断裂,隧道岩石本身不具备生成可燃天然气的条件。考虑到天然气垂向运移为主的特性,隧道可燃天然气只能来源于其深部。因此两深大断裂是连通深部的气源通道断裂(图1)。

3.3 深部烃源岩特征

由磨子潭—晓天断裂和信阳—舒城断裂所夹持的北淮阳构造带是一个经历多期逆冲推覆作用的山前冲断带,浅部推覆体地质结构复杂,深部推覆体之下应存在正常序列地层。因此,从区域地层展布和原型盆地发育特点等方面分析,可能的烃源岩有2套:一套是寒武系凤台组烃源岩;另一套是北淮阳型石炭系烃源岩。

3.3.1 寒武系凤台组烃源岩的地化特征

该套烃源岩在合肥盆地西部的四十里长山附近出露较完整,其中发育的海相泥质烃源岩(厚度为50～80m)是一套较好的烃源岩。

有机碳含量一般均大于1.5%(0.28%～13.46%,平均6.46%)。但氯仿沥青“A”含量(16～59μg/g,平均39μg/g)及生烃潜量(“S1+S2”为0.02～0.05)较低。烃源岩与扬子、塔里木板块相同层位烃源岩的有机质丰度具有相似性,说明这套烃源岩所处的时空环境对烃源岩的发育极其有利[10]。

图1 合武铁路安徽段地质剖面及隧道可燃天然气气源分析图

全岩光片分析表明,显微组分中主要是贫氢次生组分,镜质体仅有无结构镜质体且含量较高,推测本区发现的镜质体是经受了高热演化程度形成的,干酪根属偏腐殖混合型或腐殖型。烷烃色谱判断其母质类型以低等水生生物为主,同时也有陆源植物混入,烷烃色质分析也说明其物源是以水生生物为主,并有陆源植物的混入。

镜质体反射率一般为2.0%～3.5%,表明凤台组烃源岩处过成熟阶段早期。Tmax为500～600℃,反映不同位置的样品成熟度有一定的差异,但总体上已进入过成熟阶段早期乃至晚期,与我国寒武系底部海相泥质烃源岩演化程度相近。

3.3.2 大别山北缘型石炭系烃源岩地化特征

在盆地西南缘的商城—固始地区出露的石炭系较全,厚度超过5000m,其中暗色泥岩厚达500m,煤层厚20～40m,暗色泥岩主要发育在下石炭统花园墙组(C1h)、杨山组(C1y),中石炭统胡油坊组(C2h),上石炭统杨小庄组(C3y),煤层主要发育在杨山组和杨小庄组[11]。

煤岩有机碳含量一般在50.6%～70.2%,平均66.0%;碳质泥岩有机碳含量1.68%～9.47%,泥岩有机碳含量为1.54%～2.64%。无论是石炭系的泥岩还是煤层,其氯仿沥青“A”含量一般都小于0.01%;最高为0.0362%,总烃含量一般小于100μg/g,最高320.8μg/g;生烃潜量S1+S2为0.1mg/g左右,杨山组稍高,可达2mg/g。

干酪根显微组分以镜质组为主,含量在53.5%～89.5%;惰质组在10.5%～39.8%;壳质组分含量仅为0～6.7%。干酪根碳同位素δ13C在-19.89‰～-24.27‰,均显示腐殖型干酪根的特点。

镜质体反射率为2.35%～4.37%,平均3.44%,均处于过成熟阶段。萜类组成上藿烷C3122S/(22S+22R)比值为0.56～0.60,已达到平衡,这也是高演化程度的反映。可能与大别山冲断作用所形成的区域动力变质作用有关。

勘探实践表明,来自高演化程度的烃源岩也能够形成大型天然气藏。如卡塔尔“North”气田,烃源岩为下志留统泥灰岩,以腐泥型干酪根为主,TOC含量为2%～3%,目前已达干气成熟阶段。四川威远气田的主要气源岩为灯影组之上的下寒武统,其在有效圈闭体积内充满度已达到100%,表明威远气田气源充足,供补大于扩散的动态平衡保证了威远中型天然气田规模。因此对于本区的海相烃源岩,不管目前演化程度多高,只要在地史上曾经生成过油气,那么,在相对稳定的构造环境中,这种油气就可能保存下来,就可作为有效烃源岩或有效烃源。目前最重要的是研究其成烃过程与圈闭配套史的关系。

4 结论

1)天然气具有运移快、易溶解、易扩散和易挥发的特点,特别是在近地表的状态下,若无气源继续供给,本区隧道天然气现今是难以保存的,磨子潭—晓天断裂和信阳—舒城断裂是连通深部的气源通道断裂。

2)寒武系凤台组和北淮阳型石炭系2套海相烃源岩是隧道可燃天然气的主力气源岩,其热演化程度很高。目前最重要的是研究成烃过程与圈闭配套史的关系。

3)大别山隧道可燃天然气的发现展示了合肥盆地深部海相层系良好的勘探前景。因此下一步勘探重心应从“中新生代盆地系统”转移到“深部海相层系”,以寻找“古生古储”或“古生新储”类型油气藏为主。

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(修改回稿日期 2010-01-25 编辑 罗冬梅)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.003

Lei Min,senior engineer,was born in1972.She graduated in petroleum geology from China University of Petroleum in1995,being mainly engaged in comprehensive research of petroleum exploration.

Add:No.3,Liaocheng Rd.,Dongying,Shangdong257015,P.R.China

Tel:+86-546-8715571 E-mail:lzq0321@sohu.com

Geologic significance of gas combustion in railway tunnels in the Dabie orogenic belt

Lei Min,Liu Zhongquan,Chen Yunfeng
(Geological Scientif ic Research Institute,S hengli Oilf ield Com pany,Sinopec Corporation,Dongying, S handong257015,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.16-19,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Current petroleum exploration in the Hefei Basin mainly draws on the experiences of exploration in the petroliferous basins in eastern China and focuses on the Meso-Cenozoic basins.However,no significant discoveries have been made till now.The Dabie orogenic belt and the Hefei Basin are two closely-connected tectonic units and are closely related in respect of origin as well as temporal and spatial evolution.The combustible gas and railway tunnels with gas combustion in the Dabie orogenic belt are regionally distributed and mainly occur in the complex to the south of the Mozitan-Xiaotian fault and in the Early Carboniferous metamorphosed quartz schist near the Xinyang-Shucheng fault.Based on a systematic analysis of gas combustion in railway tunnels in the Dabie Mountain and in combination with the evolutionary features and the development of marine source rocks in the Dabie orogenic belt and the Hefei Basin,it is believed that the Mozitan-Xiaotian and Xinyang-Shucheng faults are deep-rooted and act as pathways for the migration of deep gas.The combustible gas in the railway tunnels are mainly sourced from the marine source rocks in the Cambrian Fengtai Formation underlying the thrust nappe and that in the Cretaceous Beihuaiyang Formation,both of which are overmature. The timing of hydrocarbon generation and trap formation is the focus of study.Therefore,the focus of future exploration should be shifted from the Meso-Cenozoic strata to the deep marine sequences to search for pools with old source rocks and old reservoirs or pools with old source rocks but young reservoirs.

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10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.003

雷敏,女,1972年生,高级工程师;1995年毕业于中国石油大学石油地质专业;主要从事油气地质勘探综合研究工作。地址:(257015)山东省东营市东营区聊城路3号中国石化胜利油田分公司地质科学研究院。电话:(0546)8715571。E-mail: lzq0321@sohu.com