二连盆地胜利煤田含煤地层埋藏史及热史分析

余坤，屈争辉，琚宜文，薛志文

1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116 2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049 3.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008

0 引言

沉积盆地热演化史控制着烃源岩成熟演化、生烃和油气运移史，此外还控制着油气资源评估，还能为分析盆地形成机制和构造热演化提供信息[1-2]。近年来对二连盆地煤及油气资源勘探取得了丰硕的成果[3-4]，但由于二连盆地演化历史复杂，各个凹陷研究程度不一，对胜利聚煤盆地演化研究涉及较少，限制了对该区烃源岩成熟、生烃、排烃、演化程度、资源潜力的认识[5]。此外，对于煤系烃源岩成熟演化缺少系统性的研究。本文基于镜质体反射率和泥岩声波时差数据重建胜利煤田中生代至新生代埋藏史及热演化史，讨论了烃源岩成熟史和盆地演化之间的关系，旨在为胜利煤田煤系气资源开发提供理论基础。

1 地质概况

1.1 大地构造概况

二连盆地在大地构造位置上位于华北板块与西伯利亚板块的缝合带处，是在海西期褶皱基底上形成的中生代断陷盆地。二连盆地是由许多中小规模凹陷组合而成，其特征表现为一断陷盆地群[6-7]。盆内划分为“五坳一隆”六大构造单元格局(图1)，西部凹陷带主要有井川坳陷和乌兰察布坳陷和马尼特坳陷，东部凹陷带为腾格尔坳陷、乌尼特凹陷和马尼特坳陷，中部为苏尼特隆起，形成了坳陷与隆起相间分布的构造格局[9-10]。二连盆地及其周边地区断裂构造发育，盆地北部发育一条深大断裂，其贯穿整个西伯利亚板块与华北板块边缘带发育的中生代沉积盆地。盆地内部主要发育正断层，断裂分布具有明显的方向性，断层走向以NE向为主，伴随着NW向的小规模正断层，且苏尼特隆起以北断层倾向NW，以南断层倾向SE，断裂构造特征与燕山期的北西向的构造应力关系密切。

胜利煤田位于二连盆地东北部乌尼特坳陷西南部，其空间形态呈NNE向展布，构造形态为一大型宽缓向斜(图2)[11]。胜利煤田形成于燕山期，为中生代聚煤盆地，其基底为古生界海相地层，中生代发育陆相地层，以火山—沉积地层为代表。区内广泛出露下白垩统巴彦花群，地层厚度巨大，主要以煤系地层为主，同时地质历史各个时期的火成岩在煤田及其周围区域均有分布[12-14]。

图1 二连盆地构造纲要图[8]Fig.1 The structural compendium map of Erlian Basin[8]

图2 胜利煤田构造纲要图Fig.2 Structure outline map of Shengli coalfield

1.2 含煤地层

二连盆地群含煤地层时代属早白垩世，含煤地层自下而上依次为阿尔善组、腾格尔组、都红木组及赛汗塔拉组。二连盆地煤田有两种主要的沉积充填序列，其一以吉尔嘎朗图、巴彦花凹陷为代表，煤系地层自下而上可以划分为6套沉积组合，即底部砂砾岩段、下部泥岩段、下部含煤段、上部泥岩段、上部含煤段和上部砂泥岩段，其以湖相泥岩段和含煤段交替出现为特征；其二以乌套海凹陷为代表，自下而上可划分为5套沉积组合，即底部砂砾岩段、下含煤段、中部粉砂泥岩段、上含煤段和顶部砂砾岩段[15-16]。根据胜利煤田沉积特征以及与邻区聚煤盆地早白垩世煤系地层划分与对比，将研究区分为底部砂砾岩段(阿尔善一段，K1ba1)、下部泥岩段(阿尔善二段，K1ba2)、下部含煤段(腾格尔组，K1bt)、上部泥岩段(都红木组一段，K1bd1)、上部砂泥岩段(都红木组二—三段，K1bd2+3)和上部含煤段(赛汗塔拉组，K1bs)(图3)。

2 模型建立与参数设定

2.1 埋藏史恢复模型

盆地埋藏史恢复方法通常分为两类，分别为正演法和反演法。正演法是按照地质年代由古至今的沉积埋藏恢复方法，如沉积速率法；反演法是由新地层向老地层反推恢复埋藏史的方法，如回剥法。但二者均采用的是沉积压实模型原理，随着地层的埋深增加，其上覆地层的厚度增加，其所受的地层压力增加，使得岩层孔隙度降低，体积压缩[17]。本文采用回剥法进行盆地埋藏史模拟恢复。回剥技术普遍适用于地层正常压实带，其主要依据沉积压实原理，结合单井的地层参数，考虑地层压实作用、超压作用、地层抬升剥蚀作用以及断裂构造等地质事件影响，依据地质年代时间节点，进行地层逐层剥去，剥完为止，最终得到单井的地质年代与埋深的关系[18-19]。

图3 二连盆地胜利煤田含煤地层柱状图Fig.3 The coal bearing strata histogram of Shengli coalfield in Erlian Basin

在正常压实情况下，地层孔隙度和埋深的关系服从指数分布：

φ=φ0ecz

(1)

式中，φ为埋深为Z时的孔隙度，φ0为地表孔隙度，c为压实系数。

参考煤田资料，可知地表孔隙度47%；埋深3 000 m的岩层孔隙度11%。将其带入到式(4.1)，可计算出压实常数：

c=4.121×10-4

岩层孔隙度在受压实过程中，沉积物骨架部分的体积不变，只有孔隙部分发生变化。如果某层深度Z1至Z2时(Z2>Z1)，层内孔隙所占体积Vm为：

(2)

设地层总体积为V，岩石颗粒体积为Vs，则

V=Vs+Vm

(3)

纯岩石颗粒的高度Hs：

(4)

(5)

首先，现今各地层的厚度见表1，并由公式(4.4)计算出各地层的骨架厚度(表2)。然后按照地质年代由新到老地逐层回剥，每剥一层把所有的地层重新计算。

表1 胜利煤田现今各层位地层信息

表2 胜利煤田地质历史时期各层位埋深恢复结果

2.2 热史恢复模型

烃源岩镜质体反射率Ro(%)反映了其在地质历史时期所经历的最高古温度Tmax(℃)，这一反应是不可逆的[20-21]。基于该原理，可以通过镜质体反射率来恢复烃源岩在地质演化的过程中经历的最高古温度。据任战利[22]等研究成果表明，沉积有机质在达到一定的生烃温度后约1～10 Ma内可达到生烃成熟阶段，并会长期保持在一个相对稳定的状态，后期不在随着受热时间的长短而发生成熟度的变化。本次对胜利煤田古地温的恢复主要使用Barkeretal.[23]提出最大温度模型，该模型基于全球35个地区大量烃源岩沉积有机质Ro数据而建立的，利用Ro平均值和对应的Tmax拟合的回归方程ln(Ro，max)= 0.009 6Tmax-1.4，该方程相关系数较高R2=0.84，所拟合的结果可信度高。根据上述方程可以利用研究区烃源岩中镜质体反射率值推测其在地质历史时期所经历的最大古温度。

2.3 参数设定

2.3.1 基础地质参数

依据煤田地质资料，得到了研究区恢复白垩系—第四系埋藏史涉及地层厚度、岩性、地层压实、地层沉积和剥蚀时间、地层剥蚀厚度等数据。地层年代采用国际标准地层年龄(2016年) 。由于研究区缺少热物理参数，如现今和古地表温度、热梯度、热流、岩石导热性等，故采用胜利煤田邻区的数据。依据煤田地质资料，得到胜利煤田12-9、24-15、32-10号钻孔地温测量数据，3个钻孔地温梯度为3.60～4.42 ℃/100m，平均地温梯度为3.8 ℃/100m，属较高地温状态。

2.3.2 地质历史时期的不整合面剥蚀量的限定

早白垩世，由于受燕山运动影响，胜利煤田发育两个重要的区域性不整合接触，分别位于都红木组1段和都红木组2段之间、赛汗塔拉组和二连达布苏组之间。利用镜质体反射率法和泥岩声波时差法恢复研究区典型井关键抬升剥蚀期的剥蚀量，统计结果见表3。采用二连盆地胜利煤田J2井及邻区50组烃源岩Ro,max数据(表4)，重建K1bs/K2er剥蚀厚度，由恢复结果可知(图4a)，研究区赛汗塔拉组沉积末期遭受构造抬升剥蚀厚度为580 m，使得赛汗塔拉组与上覆二连达布苏组之间不整合接触，这一抬升剥蚀事件在整个华北地区中生代盆地普遍存在，但各个地区的剥蚀厚度有区域性差异。都红木组1段和都红木组2段的泥岩声波传播时间有显著差异，两段之间存在构造单元的差异压实，利用J4井46组泥岩声波时差数据重建都红木组1段和都红木组2段之间的剥蚀量，结果表明，研究区在都红木组1段和都红木组2段之间剥蚀厚度约410 m(图4b)。

表3 胜利煤田及其邻区典型井地层剥蚀量统计

表4 二连盆地胜利煤田及邻区含煤地层镜质体反射率统计表

图4 胜利煤田K1bs/K2er和K1bd1/K1bd2剥蚀量恢复Fig.4 Recovery of erosion amount of K1bs/K2er and K1bd1/K1bd2 in Shengli coalfield

3 模拟结果与分析

3.1 埋藏史模拟结果与分析

胜利煤田含煤地层主要分布在下白垩统，分别为阿尔善组、腾格尔组、都红木组及赛汗塔拉组，其中赛汗塔拉组为主要含煤地层，研究区内进行了大量的煤田地质钻探，本文选取了胜利煤田J2井进行剥蚀厚度恢复，得到单井回剥柱状剖面图(图5)。采用PetroMod盆地模拟软件进行盆地模拟，得到该井埋藏曲线图(图6)。研究区表现“早期沉降伴随抬升，晚期终止”的埋藏特征。

图5 胜利煤田J2井回剥柱状剖面图Fig.5 Stripping column profile of Well J2 in Shengli coalfield

图6 胜利煤田下白垩统各层埋藏曲线图Fig.6 Burial history of Lower Cretaceous in Shengli coalfield

由埋藏历史可知，在都红木组1段沉积期，研究区煤系地层第一次达到最大埋深1 600 m，沉积末期发生第一期抬升剥蚀，剥蚀量约410 m，在都红木组2段至赛汗塔拉沉积期，研究区进入快速沉降期，沉降速率为45 m/Ma，含煤地层第二次达到最大埋深2 100 m；而后发生第二期抬升剥蚀，剥蚀量约580 m，在赛罕塔拉沉积末期至今，研究区处于缓慢—终止沉降期。

3.2 热演化史恢复结果与分析

3.2.1 胜利煤田煤系地层古地温场

本次拟合的Ro数据来自赛汗塔拉组5#、6#煤的煤样测试值和都红木组中上段烃源岩的Ro参考值，结果表明拟合地质历史时期的温度与埋深有较好的对数函数曲线关系，与前人认识一致。该区赛汗塔拉组与二连达布苏组之间为不整合接触，不整合面的埋深约80 m，其间剥蚀厚度为580 m，根据最大温度模型计算出各个点对应的古温度，利用多个测点的计算值求取平均值即为古温度梯度。由结果可知，地质历史时期，研究区都红木组1段最大古温度为72 ℃，赛汗塔拉组最大古温度为60 ℃，古温度梯度为4.8 ℃/100m。

3.2.2 模拟结果与分析

依据埋藏史和热演化史模拟结果(图7)，研究区经历了两期构造抬升，第一期构造抬升为都红木组1段沉积末期，第二期构造抬升为赛汗塔拉组沉积末期。两期构造抬升导致地层温度与Ro发生两次跃变(图7，8)，阿尔善期至都红木1段沉积期，研究区地温梯度逐渐升高，在都红木组1段沉积末期古地温达到峰值约90 ℃，随后在第一期抬升剥蚀作用下，地温迅速下降，在赛汗塔拉组沉积期古温度迅速升高，沉积末期达到峰值120 ℃，达到异常高地温状态，后期经过第二期抬升剥蚀作用，古地温下降，进入热沉降阶段，晚白垩世至今，地温基本稳定。

胜利煤田含煤地层经历了燕山运动的两期构造抬升运动，在图7中可以看到Ro值发生两次明显的跃变，反映了构造抬升剥蚀作用对沉积有机质热演化程度的影响。构造抬升运动结束后，研究区进入了稳定的沉积阶段，地温梯度3.8 ℃/100m，此时研究区含煤地层烃源岩成熟度基本稳定。

图7 胜利煤田下白垩统埋藏与热演化拟合图(“+”代表镜质组实测值)Fig.7 The map of burial and thermal evolution history of Lower Cretaceous in Shengli coalfield(“+”means measured vitrinite reflectance (Ro) datum)

图8 胜利煤田下白垩统各组地温演化Fig.8 Geotemperature evolution of Lower Cretaceous in Shengli coalfield

3.2.3 热演化史与构造演化耦合关系

胜利煤田下白垩统高地温状态和华北中生代裂谷盆地是一致的。区域上，胜利煤田地温状态与太平洋板块向欧亚板块俯冲密切相关。早白垩世，太平洋板块板约呈30°角俯冲到欧亚板块地幔深度400～600 km处，使地幔的黏度降低，地幔的活动增强。与此同时，太平洋板块的东部边缘新产生左旋走滑断层与欧亚板块提供了一个低黏度地幔上涌的渠道，大量地幔热物质注入岩石圈形成高地热状态。晚白垩世至今，二连盆地胜利煤田进入热沉降阶段，地温逐渐降低[24]。

阿尔善期至都红木1段沉积期，受燕山运动影响，胜利煤田经历了缓慢—快加速伸展断陷阶段，地壳断裂作用增强，地壳变薄，地球深部热能很容易释放到浅层，导致地温迅速增加，都红木组1段沉积末期(大约距今107 Ma)，凹陷古地温第一次达到峰值，为90 ℃。都红木二段沉积期至赛罕塔拉期，含煤地层遭受抬升剥蚀，此时岩石圈变薄，地热梯度又开始迅速增加，赛汗塔拉组沉积末期，古地温第二次达到峰值，为120 ℃，进入高地温状态，晚白垩世至今，研究区进入热沉降阶段，地温梯度稳定。

3.3 生烃史

据钻孔资料和PetroMod盆地模拟结果，二连盆地胜利煤田下白垩统巴彦花群形成了一个较好的生储盖组合，阿尔善组1段及下伏地层为基底，阿尔善组2段、腾格尔组、都红木组及赛汗塔拉组为烃源岩层，赛汗塔拉组顶部及二连达布苏组致密泥岩与粉砂岩组合形成了良好的盖层，上覆古近系及第四系松散堆积物形成上覆地层。其中主要生烃层位为下白垩统巴彦花群阿尔善组2段、腾格尔组及赛汗塔拉组，各组内部或之间又形成一套生储盖组合。

3.3.1 生烃期

模拟结果表明研究区下白垩统巴彦花群各个层位的烃源岩有机质成熟度在赛汗塔拉组沉积末期达到最大值，在96 Ma以后一直处于稳定状态，基本不变(图9)。据石油行业标准SY/T 5735—1995，依据镜质组反射率对烃源岩的成熟度和成熟阶段划分结果，研究区阿尔善组2段烃源岩到达低成熟—成熟阶段(0.62%

含煤地层在后期被构造抬升剥蚀至近地表处，细菌通过流动水可运移到煤层中，在中低阶煤盐度、温度适宜的条件下，细菌代谢降解作用生成甲烷，形成次生生物气藏。胜利煤田赛汗塔拉组含煤厚度巨大，埋深浅，为低阶煤，且赛汗塔拉组沉积末期经历构造抬升剥蚀作用，煤层处于盆地中心，盆地边缘流水可渗透至煤层中，有利于细菌运移到煤层中去，形成次生生物气，可能存在潜在的生物成因气藏，这一结果与《二连盆地煤层气资源评价报告》中的调查结果一致。

3.3.2 生烃史和热演化史耦合关系

生烃史表明胜利煤田在赛汗塔拉组沉积末期，烃源岩成熟度达到最大值，赛汗塔拉组和都红木组烃源岩几乎无生烃潜力，阿尔善组和腾格尔组烃源岩进入生烃门限，处于低成熟生成阶段，未达到生油高峰期。总体上，研究区高地温场对烃源岩的生烃有直接的促进作用，但由于受燕山运动的影响，下白垩统烃源岩遭受两次抬升剥蚀，原有的古地温场发生改变，使得烃源岩的生烃能力遭到破坏，但抬升剥蚀作用导致细菌随盆地渗透水进入近地表煤层，使得赛汗塔拉组5#、6#煤层形成次生生物气藏。总的来说，胜利煤田赛汗塔拉组含煤地层是重要的非常规天然气藏，有一定的勘探潜力。

图9 胜利煤田下白垩统烃源岩有机质成熟史曲线图Fig.9 Maturity history curve of source rocks in Lower Cretaceous in Shengli coalfield

4 结论

(1) 胜利煤田表现“早期沉降伴随抬升，晚期终止”的埋藏特征。都红木组1段沉积期，胜利煤田含煤地层第一次达到最大埋深1 600 m，其沉积末期发生第一期抬升剥蚀，剥蚀量约410 m；都红木组2段至赛罕塔拉沉积期，研究区进入快速沉降期，沉降速率为45 m/Ma，含煤地层第二次达到最大埋深2 100 m，而后发生第二期抬升剥蚀，剥蚀量约580 m；赛汗塔拉沉积末期至今，研究区处于缓慢—终止沉降期。

(2) 胜利煤田经历的两期构造抬升导致地层温度与Ro发生两次跃变，阿尔善期至都红木1段沉积期，研究区地温逐渐升高，在都红木组1段沉积末期地温达到峰值约90 ℃，随后在第一期抬升剥蚀作用下，地温迅速下降；在赛汗塔拉组沉积期温度迅速升高，沉积末期达到峰值120 ℃，达到异常高地温状态，而后经过第二期抬升剥蚀作用，地温下降，进入热沉降阶段；晚白垩世至今，地温基本稳定。

(3) 胜利煤田阿尔善组烃源岩到达低成熟—成熟阶段(0.62%