铁法盆地煤变质作用及煤层气生成特征

3　岩浆活动及其对煤层的影响

　　铁法盆地属我国中、新生代东部大陆边缘活动带，并位于超岩石圈断裂交汇处附近^［2］，盆地自初始裂陷至沉积结束期后均有不同形式、不同程度的岩浆活动。
3.1　岩浆活动的期次、形式及分布规律
　　盆地裂陷初期以间歇性喷发为主，岩性有安山岩、集块岩及凝灰岩等，成为煤系基底。聚煤期后，喜山期岩浆活动有喷发和侵入两种形式。喷发相玄武岩主要分布于下白垩统孙家湾组，呈层状与沉积碎屑岩互层，厚30m左右，对煤层没有明显影响。
　　侵入相岩性主要为辉绿岩，下自盆地基底，上至下白垩统上部，均有岩浆侵入，侵入体产出形式有岩床、岩脉和岩墙等。岩体产状严格受盆地构造控制，NE向为主，NW向为次。
　　盆地中部大兴矿辉绿岩体最发育，北部大明一矿、二矿尚未发现辉绿岩体。从整个盆地来看，岩浆侵入活动南部比北部发育，西部比东部发育，有自南往北、由西向东逐渐变弱的趋势^［4］。
3.2　辉绿岩体的热力作用
　　辉绿岩体对煤层的接触热变质作用是显而易见的。以大兴井田为例，(表2)岩体埋深多在600～800m范围，层厚0.48～57.56m，天然焦层厚0.2～1.97m，岩体上部天然焦厚度大于岩体下部，接触热变质带宽0.5～5.15m。一般来讲，辉绿岩体的热力作用对其上部煤层的影响大于下部，辉绿岩体规模越大，热力作用越强，有的地段岩体将煤层吞蚀熔化或使煤层破碎。

表2　大兴井田部分辉绿岩体对煤层的影响

　　全盆地宏观煤岩类型变化不大，以光亮型煤为主，半亮型和半暗型次之。煤岩成分以镜煤和光亮煤为主，暗煤和丝炭很少。煤岩显微组分的特征是镜质组含量(82.3%～95.4%)高，惰质组含量(0.5%～6.6%)很低，尤其是下煤组主采煤层15、16煤，其镜质组含量均大于90%。
　　各项煤质指标的变化特征是，水分一般为6%～8%，随煤变质程度的增高而呈下降趋势。盆地北部煤层水分高(8%～9%)，南部煤层水分低(5%～7%)；灰分为15%～25%，属中、低灰煤，厚煤层灰分低；挥发分为37.49%～40.76%，由于天然焦的不均匀分布，挥发分常在短距离内发生大幅度突变，但总的趋势是由北向南逐渐降低；硫分为0.55%～0.9%，属低硫煤。煤含油率较高，为6.86%～10.17%，胶质层厚0～12mm。
　　铁法盆地煤体原生结构保存较好，煤的成块率高。据筛分试验结果，大于13mm的块煤多在56%以上。微观裂隙发育，其组合形态以矩形为主，此外还有许多自由组合形态，如马尾状、树叉状、网状、阶梯状等，裂隙大多无充填，张开度好。煤岩定向光片下^［4］，裂隙宽度为2～5000μm，间距为1～6mm，密度为1.7～6.9条/cm。煤体结构具有裂而不碎的特征，收缩性裂隙占主导。(有褐煤化阶段压实失水的收缩裂隙，可能也有变质阶段的冷收缩裂隙)

5　煤变质特征与变质作用类型

5.1　煤变质特征
　　煤阶主要为长焰煤和气煤，盆地北部大明二矿、一矿为长焰煤，自小明矿往南长焰煤和气煤并存。大兴矿—大隆矿一带气煤储量占该矿总储量的33%～65%，小明矿、小青矿和小南矿占10%左右，越往南气煤所占比例越高。(表3)　由煤阶的分布可反映出平面上煤变质程度的总趋势是由北往南逐渐增高。

表3　各井田煤阶及煤层气储量百分比

图2　大兴矿7煤层挥发分等值线图

　　挥发分值在垂向上忽高忽低，变化频率高，每个钻孔的变化都不相同，规律性不明显，煤层深度与挥发分值呈非线性关系。(图3)小明矿351孔、小青矿546孔、大兴矿446孔、大隆矿333孔的挥发分值有在煤系中部偏高的趋势，表现出煤系储热性能较好的特征^［6］。挥发分值平面上和垂向上的变质特征，反映出促使煤变质的古地热场具较大的不均匀性。

图3　铁法盆地煤层埋深与挥发分的关系
a——小明矿351孔；b——小青矿546孔；c——大兴矿446孔；
d——大兴矿423孔；e——大隆矿333孔；f——大隆矿552孔

5.2　煤变质作用类型
　　以往勘探工作和有关研究成果大多认为，铁法盆地煤变质作用类型为区域深成变质和局部接触热变质。本次研究认为以浅成岩浆热变质作用为主，接触热变质和区域深成变质作用居次要地位。现从以下几个方面作一简要分析：
5.2.1　煤系上覆地层厚度小。铁法盆地为晚中生代小型山间谷地型含煤盆地，主要含煤地层阜新组上覆孙家湾组一般为350m，最厚850m^［2］，煤系上覆地层厚度一般都很有限，故深成变质作用的强度也很弱。
5.2.2　埋藏时间短。煤系形成于早白垩世早期，早白垩世以后，盆地基底褶皱上升，沉积很快终止，由上覆地层所产生的静压作用力很有限。
5.2.3　平面上和垂向上煤变质特征均表明，促使煤变质的古地热场有较大的不均匀性，显示岩浆热变质作用的特点。
5.2.4　煤变质程度较高的区域在空间上与喜山期辉绿岩侵入体具有明显的一致性。盆地南部大兴矿、小南矿辉绿岩体规模大、数量多、煤变质程度高，盆地北部大明二矿、大明一矿未见辉绿岩体，煤变质程度低。
5.2.5　煤体成块率高，大小不等的收缩裂隙发育，煤体具有裂而不碎的特征，这显然是在温度作用为主，压力作用不足的条件下形成的煤体结构，这也正是浅成岩浆热变质作用的温压条件。

6　煤层气有效生气阶段与生气方式

　　铁法盆地具有煤层层数多、厚度大、煤层间距小、煤质优、煤层含油率高、镜质组含量占绝对优势等有利的气源岩条件。
　　由泥炭—褐煤阶段所形成的生物降解气大多已逸散，与现今气含量关系密切的有效生气阶段^［6］主要与煤变质作用相伴随。由表3可见，大兴矿气煤储量比例最高，煤层气储量也最大，大兴矿煤层气储量占全区总储量的49.11%，其它几个矿区各占10%左右。很显然，煤变质程度高的矿区，煤层气含量高、储量大。煤层现有煤层气主要是由褐煤—长焰煤—气煤变质阶段所形成的热解气，煤变质过程即是煤层气有效生气阶段。
　　如前所述，铁法盆地的煤变质作用以浅成岩浆热变质为主。与区域深成变质作用相比，浅成岩浆热变质具有温度高、压力低、变质速率快、地热场不均匀、影响范围小等特点。与之相伴随的煤层气也是在温度为主，压力不足，受热不均的条件下生成，并且也具有生气速率高的特点。突发性快速生气增加煤层的内压，同时也增加煤层的吸附能力。

7　结语

　　铁法盆地成煤时代新，煤系上覆地层厚度小，埋藏时间短，区域深成变质作用主要在褐煤化阶段起主导作用，且最多使部分煤层的煤阶达长焰煤。现今煤阶的形成与分布主要是受喜山期岩浆侵入活动的影响，煤变质作用具浅成岩浆热变质特征。
　　岩浆侵入活动是盆地后期多种地质作用的引发源，大兴矿辉绿岩体发育，断裂构造复杂、煤阶较高、煤层气储量大，煤层气有效生气阶段与煤的岩浆热变质过程相伴随。煤层气与煤变质作用的时间、条件相近，且二者均有突发性快速作用的特点。铁法盆地的煤变质作用与煤层气的形成在东北中、新生代小型含煤盆地中具有一定的代表性。

作者简介：张慧　女　44岁　高级工程师　普查地质煤田地质

作者单位：张慧　郑玉柱　席先武　煤炭科学研究总院西安分院　710054