华北盆地石炭纪—二叠纪煤与煤层气耦合成矿-成藏规律

程爱国， 郭爱军， 陈美英， 孙 杰， 龚汉宏

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

华北石炭二叠纪盆地是我国最重要的煤炭和煤层气聚集盆地之一，前人对华北盆地聚煤规律和煤层气富集成藏规律做了深入研究[1-5]，这些研究多是从聚煤作用和煤层气成藏等不同角度进行阐述，从而得出聚煤规律和成藏规律。但是，由于研究目的不同，前人的研究多是从不同侧面研究聚煤规律、煤系变形、煤变质作用和煤层气富集规律，从多因素耦合、系统分析角度研究煤与煤层气成矿成藏规律的文献还比较少。实质上，煤与煤层气是同体共生矿产，存在必然的耦合关系，揭示煤与煤层气耦合成矿成藏作用机理，科学认识华北盆地煤炭成矿规律和煤层气成藏规律，对于煤炭与煤层气综合勘查、协同开发具有重要的意义。

1 煤炭与煤层气耦合成矿-成藏作用

耦合关系是指两个及两个以上事物之间存在的相互影响、相互促进的关系。煤炭与煤层气是同体共生矿产，煤的成矿过程也是煤层气成矿成藏过程。煤炭的形成经历了泥炭化阶段、成岩压实阶段和变质作用阶段，形成了现今不同变质程度的煤。 煤成气也经历了生物成因气阶段、热降解成因气阶段和热裂解成因气阶段，一小部分吸附在煤层中，成为煤层气，一部分运移到其他地层和构造单元成为煤成气(天然气或非常规天然气)，还有一部分逸散至天空中。形成1t无烟煤大约可以生成300～500m3煤层气，而现今煤层中储存的煤层气最高50 m3/t，仅占煤层气生成总量的20%以下，80%以上的煤层气都迁移到其他储层、储气构造和逸散掉到天空中。

煤炭与煤层气形成是复杂的生物作用、化学作用和物理作用耦合过程(图1)。煤炭与煤层气的耦合成矿成藏作用体现在以下几个方面。

图1 煤与煤层气成矿成藏作用示意图Figure 1 Sketch of mineralization and accumulation of coal and coalbed methane

1.1 煤层气的生成与煤变质作用的耦合

泥炭化阶段，一般形成生物分解气，难以在泥炭中保存；成岩压实阶段，泥炭逐步变质为褐煤，为为生物成因气生成阶段，煤层气生成量少，煤层孔隙度和渗透率都高，煤层气也难以保存。随着煤层上覆岩层的逐渐加厚，埋深逐渐加大，煤层变质程度加大，形成烟煤和无烟煤，进入热成因煤层气生成阶段，早期为热降解成因气和生物成因气生成阶段，生成的甲烷量大；晚期为热裂解成因气生成阶段， 生成的甲烷量也比较大。

1.2 煤聚积作用与煤层气生成、保存的耦合

煤的聚积是多种地质因素系统作用的结果[6]，这些因素包括成煤期古构造、古地理、古气候、古植物等方面，富煤带的形成要求可容纳空间增长率与泥炭堆积率均衡地区，这一地区往往是滨岸带、潮湿气候带、植物茂盛区和构造稳定区的交集[7]。由于煤层厚度大、生气量大，储存空间大，含气量及资源丰度就高，因而，富煤带往往也是煤层气富集区。煤层围岩的岩石性质也严重影响到煤层的保存，围岩孔隙度、渗透率低的围岩利于煤层气的保存。

1.3 成煤构造作用与煤层气生成、保存的耦合

多期次构造运动和岩浆活动促使煤层变质程度加深，煤层生气量加大，晚古生代煤盆地大多经历了多期次的构造改造和岩浆活动而形成高阶煤，煤层含气量大，资源丰富，中新生代煤盆地后期构造改造较弱，只能形成低阶煤，煤层生气量小，煤层含气量小，资源相对贫乏。盆地构造环境决定了煤田后期构造样式和构造模式，不同盆地部位的控煤构造的样式及其组合不同，对煤层气的保存产生显著影响。挤压构造环境下的大型坳陷构造带和断坳型构造带利于煤层气的保存，往往能形成高含气量的富气带，盆地边缘的大型逆冲推覆构造带往往也能形成高含气量的煤层气富集带，但变化较大。伸展构造环境下形成的断陷构造和裂陷构造带，不利于煤层气保存，往往煤层气含量低，煤层气资源贫乏。岩浆活动过于强烈，煤变质程度过高，煤层失去了对煤层气的吸附能力，因而，煤层气含量极低，煤层气资源极其贫乏。

1.4 多种聚煤控煤因素系统作用与煤层气的耦合成藏

煤的聚积是古地理、古植物、古气候、古构造系统作用结果[6-7]，煤的成矿主要受到后期构造运动和岩浆活动系统控制。煤层气自生自储的特点，决定了聚煤作用控制着煤层气的形成和演化，富煤带的形成和迁移也控制着煤层气富气带的分布和迁移。 赋煤构造作用、岩浆活动、煤变质作用、水文地质等地质因素的系统作用控制煤层含气性，也深刻影响着煤层气储层特征、开采技术条件和开发的难易程度(图2)。 最佳聚煤、控煤、岩浆活动和煤变质作用耦合，促使大型煤田和煤层气田的形成，即①稳定盆地基底，如克拉通、地块等；②稳定的构造环境和理想的构造演化历程；③有利的成煤古地理条件及富煤带分布；④微弱的后期构造改造作用和理想的构造样式；⑤适度岩浆活动和煤变质阶段；⑥高致密性煤层围岩和汇聚型地下水径流条件。

图2 煤层含气性控制因素系统分析Figure 2 System analysis of controlling factors of coalseam gas-bearing capacity

2 华北盆地晚古生代古地理演化与聚煤规律

华北晚古生代聚煤盆地为一个巨型克拉通盆地，晚石炭世早期乌兰格尔隆起呈古陆状态，将华北聚煤盆地分为东西两个亚盆地，海水由东西两个方向入侵。晚石炭世晚期乌兰格尔古陆下沉，两股海水汇合在一起形成了统一的华北聚煤盆地[8]。华北地台是中国大陆最古老的部分，基底构造稳定，同沉积构造主要为宽缓的大型坳陷，为陆表海沉积充填，沉积体系主要为河流、复合型浅水三角洲、多重障壁体系和台地体系。晚石炭世-早二叠世早期总体呈现出由北而南依次为河流、三角洲、障壁澙湖、碳酸盐台地且以后二者为主的古地理格局；早二叠世晚期呈现出多条河流入海形成的河流、复合型三角洲古地理格局，南部为澙湖海湾和潮坪环境；中二叠世盆地北中部基本上为河流湖泊环境，仅南部平顶山-两淮地区为三角洲环境；晚二叠世全区为河流、湖泊环境所取代[2,9,11]。

华北盆地聚煤作用在垂向上具有周期性，纵向上具有由北而南迁移的特点。垂向上形成了两个几乎遍及全盆地的富煤单元以及其间的局部富煤单元，全盆性富煤单元发育于体系域的转换期[12]。纵向上，晚石炭世至早二叠世，富煤带主要分布于北华北，晚二叠世迁移至南华北，富煤带由北而南迁移，这是同古地理、古构造和海平面变化直接相关的，富煤带的发育以废弃的复合型浅水三角洲和潮汐沙滩体系为平台，随着海平面的下降，海水由北而南退出，三角洲由北而南推进，富煤带亦由北而南迁移，中二叠世晚期—晚二叠世聚煤作用几乎终止(图3)。

图3 早二叠世早期古地理与聚煤规律Figure 3 Early Permian palaeogeography and coal-accumulating rule

3 煤田构造演化与煤变质作用

华北石炭纪—二叠纪盆地受基底性质、周缘活动带和区域力源的控制，含煤岩系变形存在较大差异，具明显的变形分区特征，总体呈不对称的同心环带结构，变形强度由边缘向内部递变，从盆地外围向内部，可分出强挤压的外环带、弱挤压的中环带和内部稳定—活动区[8-9]。

强挤压的外环带其构造变形受板缘构造作用控制，控煤构造样式以逆冲推覆构造为主，逆冲推覆方向总体上由板缘向板内，岩浆活动强烈，煤变质程度高；弱挤压的中环带构造应力弱于强挤压的外环带，构造样式为压缩构造样式，多为推覆-褶皱构造样式组合。内部稳定区盆地基底稳定，构造变形较弱，构造样式为压缩构造样式中的大型褶皱，伴生少量断裂。内部活动区以伸展构造样式为主，并经过多次反转，形成反转构造，构造活动强烈，煤系经历了多次抬升和改造，并伴生强烈的岩浆活动。

华北石炭纪—二叠纪煤变质程度整体较高，分带明显。南部及北部变质程度低，中部、中南部变质程度高，华北北部(北纬38°以北地区)，以低、中变质烟煤为主，主要为长焰煤、气煤和肥气煤，在平朔和准格尔矿区和山西河曲、浑源，山东兖州和济宁等地还分布有长焰煤；河南平顶山-淮南为华北另一个低变质带，主要为气煤和肥气煤。南北低变质带之间分布着无烟煤-高变质烟煤中高变质带，并且无烟煤和高变质烟煤为主。重要的高变质无烟煤分布于晋东南、豫中地区，其次无烟煤分布于山西寿阳、阳泉和河北武安一带。中变质带为冀鲁豫中变质带、平顶山—淮南中变质带、鄂尔多斯东缘中变质带和鄂尔多斯盆地西北缘中变质带。区域岩浆热力变质作用是华北盆地主要煤变质作用类型，东南部地区岩浆活动强烈，很多地区岩浆侵入到煤层中而形成天然焦；中部地区岩浆活动较强烈，多以隐伏岩体形式存在，促使煤层变质为无烟煤；北部地区岩浆活动相对较弱。隐伏岩体成为煤类分带的主导因素。

4 煤与煤层气耦合成矿成藏规律及模式

华北盆地聚煤和煤系变形的过程也是煤层气生成和成藏的过程，煤与煤层气成矿成藏的耦合性、系统性非常显著，单因素分析和多因素系统分析，均反映了这一特点。

1) 煤层含气量与煤级密切相关，煤变质作用在很大程度上控制着煤层含气性。煤层含气量主要受构造、水文、保存条件的影响，但是，煤变质作用是控制煤层含气量不可或缺的重要因素之一，煤级越高，煤层气累计生成量越大。华北盆地煤层含气量与煤级具有密切关系，高含气量地区与高煤级分布区区域展布格局一致，高煤级煤大致沿北纬36°～38°分布，即阳泉-寿阳-邯邢-安鹤高变质带和韩城-晋城-焦作-堰龙高变质带，这些地区煤层含气量普遍较高[10]。而北部和南部的低变质带和中变质带，煤层含气量相对偏低。

2)富煤带分布与煤层气富集区相互契合。聚煤环境为煤层气生成提供了重要的物质基础，也为煤层气的保存提供了有利条件，厚煤层、巨厚煤层生气量大，同时储存空间也大，资源分布也高。不同时期的富煤带分布与富气带分布相互契合(图4)，富煤带的迁移也促使富气带由北向南迁移。晚石炭世至早二叠世，富煤带主要分布于北华北，从而形成了鄂尔多斯东缘、南缘聚气带、沁水聚气带之沁水、霍西、西山含气区，阴山、冀中平原、大同、宁武、豫西等含气带。中、晚二叠世迁移至南华北，形成了平顶山、徐淮含气区。显然，煤层气资源丰度主要取决于煤层气含量，盆地东部受伸展构造断陷构造、地下水径流带等因素影响，煤层含气量低，因而，东部富煤带资源丰度低。

1—煤层气资源丰度≥1.5亿m3/km2；2—1亿m3/km2≤煤层气资源丰度<1.5亿m3/km2 ；3—0.5亿m3/km2≤煤层气资源丰度<1.0亿m3/km2 ；4—煤层气资源丰度<0.5亿m3/km2 ；5—下二叠统一煤组富煤带；6—中二叠统二煤组富煤带；7—上二叠统五煤组富煤带；8—地台边界；9—郯庐断裂图4 华北盆地富煤带与煤层气资源丰度关系Figure 4 Relationship between coal belt and coalbed-methane resource abundance in North China Basin

3)煤田构造是煤层气富集、成藏最主要控制因素。华北盆地稳定的基地构造和构造演化环境为煤层气生成和保存创造有利条件，盆地基底构造和构造演化环境最稳定的鄂尔多斯和山西地区，是华北盆地乃至全国最主要聚气带。煤系变形分区性控制着煤层气含气性的差异，强挤压的外环带其构造变形受板缘构造作用控制，控煤构造样式以逆冲推覆构造为主，逆冲推覆方向总体上由板缘向板内，岩浆活动强烈，煤变质程度高，煤层生气能力强，构造样式易于煤层气保存，但该区应力大，常形成构造煤，不利于煤层气开发，煤和瓦斯突出显著，如华北板块北缘隆起带以挤压、褶皱、逆冲推覆造山活动为主，印支期—燕山期岩浆活动剧烈，煤化程度高，煤层变形破坏强烈，是一个高煤层气含量分布区。由西至东，包头、下花园、北票、红阳、本溪、通化都是高瓦斯突出矿区，其中北票矿区发生煤与瓦斯突出1 500余次，为严重的煤与瓦斯突出矿区。

弱挤压的中环带构造应力弱于强挤压的外环带，构造样式为压缩构造样式，多为推覆-坳陷构造样式组合，构造圈闭好，煤层气保存条件较好，煤层气含量较高。如华北南缘逆冲推覆赋煤构造带，煤层气含量较高，但构造应力较强烈，“构造煤”发育，在河南登封、新密、禹州市、荥巩和安徽淮南煤田等煤田，构造煤发育，为高突瓦斯区。

内部稳定区盆地基底稳定，构造变形较弱，构造样式为压缩构造样式中的大型褶皱，伴生少量断裂，煤层气气含量高，且易于保存。如沁水和鄂尔多斯东缘含气区，煤层气含量高，煤层气易于保存，是我国煤层气资源重点分布区和开发区。

内部活动区以伸展构造样式为主，并经过多次反转，形成反转构造，构造活动强烈，煤系经历了多次抬升和改造[13-15]， 并伴生强烈的岩浆活动， 煤层气保存条件差，煤层气大量逸散。如鲁西断陷赋煤构造带发育东西向、 南北向两组正断层组成的井字型伸展滑脱构造系统，总体上呈由北向南拉伸滑脱的单剪式的伸展构造。鲁西断陷赋煤构造带以堑垒型控煤构造为特点，含煤岩系赋存于近东西向及近南北向两组断层组成的复式堑垒构造之内，煤层含气量很低。同时，该区还处在地下水径流带上，造成煤层气的大量逸散，属于低瓦斯带，不具有地面勘查开发价值(图5、图6)。

1—含气量≥12m3/t； 2—8 m3/t≤含气量<12 m3/t； 3—4 m3/t≤含气量<8 m3/t； 4—1 m3/t≤含气量<4m3/t； 5—主要断裂； 6—隐伏断裂； 7—背斜； 8—向斜图5 华北盆地煤与煤层气耦合成矿成藏类型与煤层甲烷含量关系Figure 5 Relationship between coalbed methane-bearing and the types of coal and coalbed methane coupling metallogenicaccumulation in North China Basin

1—甲烷浓度≥90%； 2—85%≤甲烷浓度<90%； 3—80%≤甲烷浓度<85%； 4—甲烷浓度<80%； 5—主要断裂；6—隐伏断裂； 7—背斜； 8—向斜图6 华北盆地煤与煤层气耦合成矿成藏类型与煤层甲烷浓度关系Figure 6 Relationship between coalbed methane concentration and the types of coal and coalbed methane couplingmetallogenic accumulation in North China Basin

4)煤与煤层气耦合成矿成藏系统分析。煤炭与煤层气空间耦合成矿规律表现为盆地基地稳定，上覆地层厚，深成变质作用叠加区域岩浆变质作用控制着华北高变质带的分布，为煤层气热裂解作用创造有利条件。石炭纪—二叠纪陆表海背景下发育的河流、复合型浅水三角洲、多重障壁海岸和台地沉积体系，形成大面积分布的厚煤层，为煤层气富集创造了坚实的物质基础和存储空间，也为煤层气藏的封闭创造了有利条件。构造演化的差异性对煤层气生成和保存产生深刻影响，环带状煤田构造格局控制着煤层气成藏，外环带多发育逆冲推覆构造，形成逆冲推覆型煤层气藏，构造应力大，构造煤发育，渗透率低，煤和瓦斯突出矿井多，不利于煤层气的地面开发。弱挤压中环带构造多为推覆-褶皱构造样式，构造圈闭好，煤层气保存较好，煤层气含量较高，“构造煤”相对发育，煤储层渗透率低，煤和瓦斯突出矿井较多，适宜煤层气地面和井下联合抽采。鄂尔多斯盆地东缘和沁水盆地等内部稳定区构造变形较弱，煤层气含量高且易于保存，是我国煤层气重点地面开发区；华北东部活动区构造活动强烈，以多次反转的伸展控煤构造为主，并形成强径流地下水系统[16-17]，煤层气保存条件差，煤层气大量逸散。

5)煤与煤层气耦合成矿成藏模式。华北盆地煤与煤层气成藏可分两个阶段，第一阶段是泥炭聚积和压实和生物成因气生成阶段，在陆表海基础上，主要充填河流、三角洲、澙湖障壁、碳酸盐台地体系，形成多条河流入海的古地理格局， 海水由东南向西北入侵，物源方向主要来自北方和西南方向，随着阴山和秦岭造山带隆升控制，北部河流进积，海水逐步向东南退出。泥炭沼泽发育在滨岸地带，形成大面积分布的泥炭，泥炭被逐步压实而形成年轻褐煤，随着古地理变迁，富煤带逐步向南迁移。泥炭形成和压实过程中，形成生物成因的煤层甲烷等煤层气，部分储存与泥炭和褐煤中(图7)。

图7 华北盆地石炭纪—二叠纪沉积聚煤模式Figure 7 Pattern diagram of Carboniferous-Permiansedimentary coal accumulation in North China Basin

第二阶段为构造变形、煤变质和热解煤层气生成阶段。受太平洋古板块俯冲和阴山、秦岭造山带隆升影响，华北盆地逐步萎缩，逐步形成环带状煤田构造格局，不同构造带形成不同的控煤控气构造组合，煤的赋存状态和煤层气成藏特点显著差异。在深成变质作用的基础上，叠加区域岩浆热力、热液变质作用，控制着煤的变质类型和煤类分布，岩浆活动强烈的东部局部地区发生接触变质作用，促使煤层变质为焦煤、瘦煤、无烟煤和天然焦。与此同时，煤层发生热解作用，形成热降解和热裂解成因的煤层气。在沉积、构造、岩浆活动和热动力系统作用下，形成坳陷型、断坳型、推覆褶皱型、伸展断陷型煤与煤层气成矿成藏类型，构成了华北石炭纪—二叠纪煤与煤层气耦合成矿成藏模式。坳陷型、断坳型煤层含气量高，资源丰富；推覆褶皱型煤层含气量较高，变化大；伸展断陷型煤层气大量逸散，含气量低，资源贫乏(图8)。

图8 华北盆地石炭二叠纪煤与煤层气耦合成矿成藏模式Figure 8 Carboniferous-Permian coal and coalbed methane coupling reservoir forming model in North China Basin

5 结论与建议

系统认识煤与煤层气耦合成矿成藏关系，是揭示煤矿产成矿规律和煤层气成藏规律的钥匙，有益于指导煤与煤层气的综合研究和协同勘查、开发。通过煤与煤层气耦合成矿成藏作用分析和华北盆地晚古生代煤与煤层气耦合成矿成藏规律研究，可以得出以下几点认识。

1)煤的聚积、变质成矿是一个系统过程，在这个过程中，煤与煤层气成矿成藏存在密切的耦合关系。煤的变质程度决定了煤层气的生气量和成分，煤的聚积影响煤层气的资源丰度和富气带的分布，控煤构造和岩浆活动控制煤变质成矿、赋存和煤层含气性、储存物性、保存和成藏类型。

2)华北盆地石炭纪—二叠纪聚煤作用表现为垂向上富煤单元的周期性分布和横向上富煤带由北而南迁移的特点，富气带分布与富煤带具有密切的契合关系；煤级分布与煤层含气量、资源丰度具有显著的耦合关系，高煤阶煤分布区往往也是煤层含气量大和资源丰度高的地区；控煤构造是煤的聚积和赋存、煤层气生成和成藏主要影响因素，环带状煤系变形构造特点决定煤矿产赋存、煤层气保存、成藏类型和煤储层特性；区域岩浆活动加深了煤的变质程度，深刻影响了煤变质程度、煤成矿类型、煤层含气量、煤层气资源量；多因素系统、耦合，构成了华北晚古生代煤与煤层气耦合成矿成藏模式。

今后，应加强煤与煤层气耦合成矿成藏作用研究，从而指导煤与煤层气、煤系气协同勘查开发。根据华北盆地煤与煤层气成矿成藏特点，坳陷型、断坳型煤与煤层气成矿成藏区，煤层含气量高，资源丰富，宜采取地面、井下联合抽采方式，协同开发煤炭与煤层气资源；推覆褶皱型煤与煤层气成矿成藏区，煤层含气量较高，变化大，构造煤发育，宜采取以煤炭开采为主，煤与煤层气共采方式协同开发煤炭、煤层气；伸展断陷型煤层气大量逸散，含气量低，资源贫乏，主要从矿井的安全生产出发，在煤炭开采的同时，从瓦斯抽放系统中回收煤层气。