鄂尔多斯盆地东缘构造-水文地质控气特征.pdfVIP

2 0 1 2年 9月 ，第 1 8卷 ，第 3 期 ，4 3 8 4 4 6 页 S e p t e mb e r 2 01 2， Vo 1 1 8， No 3， P 43 8 -4 4 6 高校地质学报 G e o l o g i c a l J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t i e s 鄂尔多斯盆地东缘构造一 水文地质控气特征 姜 波，许进鹏 ，朱 奎 ，汪吉林 ，王继尧 ，屈争辉，李 明 中国矿业大学 资源与地球科学学院，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，徐州 2 2 1 1 1 6 摘要：基于大量野外地质工作，结合钻孔抽水试验资料分析，探讨了鄂尔多斯盆地东缘构造、水文地质条件及其对煤层气 保存的控制特征。结果显示，盆地边界近N S 向的压性断裂和褶皱构造发育，构造变形程度向盆地内部逐渐减弱，即盆地边 缘和内部的构造条件均有利于煤层气保存。依据构造、地下水补给及排泄条件和地貌等特征 ，研究区可划分为5 个水文地 质单元 ，西南部韩城单元的水动力条件强于东部各水文地质单元，东部各单元中又以柳林泉流域水动力条件最强，这种差 异在构造背景上的叠加，导致煤层气保存条件发生分异。中部黄河东断凹单元煤层含气量随埋藏深度的加深而增高，北部 柳林单元在柳林泉以西发育有利煤层气保存的地下水动力场条件，中南部龙门山单元北部的地下水动力条件可能有利于煤 层气保存，西南部韩城单元西北段地下水处于滞流环境而使煤层气保存条件较好。 关键词：鄂尔多斯盆地；煤层气；构造；水文 中图分类号：P 5 4 2 ；P 6 4 1 4 6 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 6 7 4 9 3( 2 0 1 2) 0 3 0 4 3 8 0 9 S t r u c t u r a l a n d Hy d r O g e 0 l 0 g i c a l Co n t r o l s o f Co a l b e d M e t h a n e Pr e s e r v a t i o n i n t h e Ea s t e r n Or d o s Ba s i n J I ANG Bo ， XU J i n p e n g ， ZHU Ku i ， WANG J i l i n ， WANG J i y a o ， QU Zh e n g h u i ， L I Mi n g S c h o o l o f Re s o u r c e a n d E a r t h S c i e n c e ， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， a n d Ke y L a b o r a t o r y o f C o a l b e d Me t h a n e R e s o u r c e a n d R e s e r v o i r F o r m a t i o n P r o c e s s ( C U MT ) ， Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Abs t r a c t ：Ba s e d o n fi e l d i n v e s t i g a t i o n a n d d a t a o f b o r e h o l e p u mp i n g t e s t ，t h e s t r u c t u r e ，h y d r o g e o l o g y a n d t h e i r c o n t r o l s t o t h e C O a l b e d me t h a n e( C B M) p r e s e r v a t i o n i n e a s t e r n ma r n o f t h e O r d O S b a s i n w e r e d i s c u s s e d R e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o mp r e s s i o n f a u l t s a n d f o l d s wi t h n e a r l y s o u t h n o r t h d i r e c t i o n d e v e l o p we l l i n t h e b a s i n ma r g i n s ， a n d t h e t e c t o n i c d e f o r ma t i o n we a k e n g r a d u a l l y t o wa r d s t h e c e n t e r o f t h e b a s i n ， wh i c h i n d i c a t e s t h e s t r u c t u r e b o t h i n t h e ma r g i n a n d c e n t e r o f t h e b a s i n i s a l l c o n d u c i v e t o t h e C BM p r e s e rva t i o n F i v e h y d r o l o g i c a l u n i t s i n t h e a r e a we r e d i s t i n g u i s h e d b a s e d o n t h e g e o mo r p h o l o g i c a l a n d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s s u c h a s t h e s t ruc t u r e a n d g r o u n d wa t e r r e c h a r g e a n d d i s c h a r g e Hy d r o d y n a mi c i n s o u t h we s t e r n Ha n c h e n g u n i t i s s t r o n g e r t h a n t h a t i n o t h e r u n i t s i n t h e e a s t e r n ， a n d t h a t i n t h e L i u l i n u n i t i s s t r o n g e s t a mo n g t h e e a s t e r n u n i t s S u p e r po s i t i o n o f t h e h y d r o d y n a mi c v a r i a t i o n o n t h e t e c t o n i c s e t t i n g ma k e s t h e d i f f e r e n t i a t i o n o f CBM p r e s e r v a t i o n c o n d i t i o n s CBM c o n t e n t i n mi d d l e Ye l l o w Ri v e r d e p r e s s i o n i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e b u r i a l d e p t h Hy d r o d y n a mi c f a v o r a b l e t o CB M p r e s e r v a t i o n i n n o r t h e r n L i u l i n u n i t O c c u r s a t t h e we s t e r n p a r t o f t h e L i u l i n S p r i n g i n t h e u n i t Gr o u n d wa t e r d y n a mi c a t t h e n o r t h e r n p a r t o f t h e L o n g me n s h a n u n i t ma y b e f a v o r a b l e t o CBM p r e s e r v a t i o n Go o d C BM p r e s e rva t i o n o c c u r s i n t h e n o r t h we s t p a r t o f t h e Ha n c h e n g u n i t d u e t o t h e s t a g n a n t g r o u n d wa t e r Ke y wo r d s ： Or d o s Ba s i n ； c o a l b e d me t h a n e ； s t r u c t u r e ； h y d r o l o g y F i r s t a u t h o r ： J I AN G B o ， P r o f e s s o r ； E ma i l ： j i a n g b o c u mt e d u c n 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 3 1 1 ；修 回E t 期：2 0 1 2 0 4 2 6 基金项目：国家科技重大专项 ( 2 0 0 8 Z X 0 5 0 3 4 ) 资助项目 作者简介：姜波，男，1 9 5 7 年生， 博士， 教授，主要从事构造地质和能源地质等领域的研究工作；E - m a i a n g b o c u m t e d u a n 4 4 0 高校地质学报 1 8卷 3期 1 2 J 煤层孔隙性及渗透性 1 )5 号煤层 5 号煤层厚度2 7 m，复杂结构 ，含矸率一般 大于5 。煤岩类型主要为半亮一半暗煤 、半暗煤 和光亮煤，镜质组反射率1 2 2 0 ，平均灰分产 率为9 6 2 。 据 区 内1 4口煤层 气探 井孔 隙度 测井解 释成 果 ，5 号煤层孔隙度在1 9 1 4 0 1 之间，具 中一 低 孔隙特征。该煤层孔 隙度受构造 、埋深等条件 的 显著影响 ，孔 隙度 4 的区域主要位于古驿一 窑 渠 、明珠一 蒲县以东地 区。古驿一 窑渠北东一线 为一局部隆起 的背斜构造 ，煤层埋深相对较浅 ； 明珠一 蒲县 以东是 东部边缘 的翘起 端 ，5 号煤层 埋深在4 0 0 8 0 0 m之间 ，孔 隙度较高。总体来看 ， 5 号煤层孔隙度西低东高，古驿一窑渠构造轴部 高 、翼部低。 据试井资料 ，煤层渗透率介于 ( 0 1 2 4 2 8 6) X 1 0 。 。 m 之 间 ，大于 1 01 0 一 m 地 区主要集中 分布在古驿一 曹井一线 ，预测 向东随煤层埋深变 浅 ，渗透率将大于51 0 。 2)8 号煤层 8 号煤层在研究区南部厚度为2 1 0 m，结构复 杂 ，含矸率一般在5 左右 。煤岩类型以半亮一半 暗煤 占优势 ，其次为半 暗煤 和暗淡煤 ，平均灰分 产率为1 3 2 4 。 该煤层孑 L 隙度在1 6 4 4 8 1 之间。午城地区 位于鼻状隆起构造部位 ，隆起 幅度2 0 3 0 m，导致 午试1 2 井8 号煤层孑 L 隙度高达4 8 l 。从平面分布 来看 ，8 号煤层孔隙度多数略低于5 号煤层 ，但仍 然有西低东高 、古驿一窑渠构造轴部高 、东西部 低 的分布趋势 。 自明珠向东 ，该煤层孔隙度随埋 深变浅可能增高。煤层渗透率介于 ( 0 1 3 8 7 ) 1 0 u m。 之间 ，明显低于5 号煤层。 1 2 2 煤层含气性 一 般认 为 ，煤层 含气 量 与埋深 呈正 比。在 研究 区南部的大宁一吉县地区，5 号煤层在埋深 7 0 0 1 0 0 0 m 范围 ，含气量为1 7 8 m t ，梯度为0 0 5 9 m m；从平面上看，5 号煤层含气量等值线呈N E 向 展布 ，含气量大于1 5 m 。 t 的地区主要集 中在窑渠和 午城东 ( 图2 a)。8 号煤层埋藏 比5 号煤层深5 0 7 0 m，含气量应高于5 号煤层 ，但实测资料揭示的情 况恰好相反 ( 图2 b )。究其原因，可能在于5 号煤 层顶底板条件 比8 号煤层优越 ，多为泥岩 ，封盖能 力强 ，煤层气保存条件较好 ；8 号煤层顶板多为灰 岩 ，封盖能力相对较 差 ，尤其是构造发育区的灰 岩裂隙发育，对气体的封盖能力变差，导致煤层 含气量降低。 主煤层 的孔 隙性 、渗 透性 、含气 性 等均 具 有 N E向带状展布 的规律 ，表 明燕 山运动 的NE E S WW向构造挤 压作用 是控制 区域煤层 气成藏 特 征的关键地质条件 。不同区域构造发育特征 的不 同，对煤层气保存的围岩和水动力等条件具有差 异影响，导致煤层气成藏特征的复杂化。 2 构造变形及其分区特征 研究区构造变形的特点 ，主要体现在东部边界 变形较强 ，近N S 向的压性断裂和褶皱构造发育 ， 向盆地内部褶皱逐渐减弱，断裂构造不发育，褶皱 以宽缓开阔型为主，具有明显的分区性 。 2 1 构造变形特征 研究 区构造 总体 上为NWW 向倾斜 的单 斜构 造 ，局部叠加宽缓褶皱 ，断裂构造发育较弱。 1 )褶皱构造 区内地层产状较为平缓 ，发育宽缓褶皱和挠 曲。宽缓 型褶皱 中背斜较为发育 ，有些褶皱在野 外露头较好 、直观 ，另有一些规模相对较大 的褶 皱则需要 通过岩层产状测量才能确定。如 ，在窑 街西一背斜 由中三叠统二马营组 ( T ， e r )中厚层砂 岩夹薄层砂岩构成。背斜N W翼产状3 2 3 。 2 3 。 ， s E 翼产状1 5 5 。 1 4 。 ，为N W翼陡 、S W翼缓 的不对 称背斜构造 ，转折端处岩层产状2 5 4 。 4 。 ，表明 该背斜略向s w方向倾伏 ( 图3 )。 该 区褶皱 构造 的另 一个 特点 是挠 曲较 为发 育 ，表现为岩层产状 的急剧变化 ，常 由近水平产 状突变为陡倾斜 岩层 ，主要见于乡宁县管头镇 上 善村 、吉县半 山 、茨沟 和庞家疙瘩等地 。茨沟挠 曲构造位 于茨沟宽缓背斜西 约5 0 0 m处 ，核部地 层为二马营组中厚层砂岩，s E 翼为陡倾翼，产状 2 9 0 。 4 2 。 ，N W翼缓，产状为2 7 4 。 1 0 。 ，挠曲轴 向为N N E 向 ( 图4 )。 2)断裂构造 鄂尔多斯盆地东缘断裂构造不发育 ，仅局部 3期 姜波等 ：鄂尔多斯盆地东缘构造一 水文地质控气特征 4 4 3 陡 、西翼较缓 的不对称背斜 ，构成离石 向斜 与柳 林一吴堡鼻状构造的分界。柳林一吴堡鼻状构造 向东部翘起 ，地层分别 向N W，W和S W方向倾斜 ， 倾 角一般5 。 l O 。，主要出露上石炭统和二叠系。 在柳林地垅堡南至聚财塔一带 ，次级E W向构造发 育 ，由一系列短轴背 、向斜组成 ，在鼻状构造轴 部有低序次的纵张断层组成的地堑构造。 2 2 2南部构造分区 南部构造分区北起柳 林南部 的裴沟一张家庄 一 线 ，南 至乡宁一河津 一带 ，东 以离石大断裂南 段紫荆 山断裂为界 ，西抵黄河 ，N S 长1 7 0 k m。主 要构造线呈 向w突 出的弧形展 布 ，在隰县 以北为 N S 向，向S 逐渐过渡为N N E向及N E 向 ，从东 向西依 次分 布中奥 陶统一 三叠 系铜川组等地层 。依据构 造变形特征的差异，分为盆缘断坳带、斜坡凹隆 带和缓坡带三个构造带 ( 图8)。 盆缘 断坳 带构造 变形 最为强烈 ，发育一系列 压性 断层 、挠曲及其伴 生构造 ，包括紫荆 山断裂 带 及 旁侧 的蒲 县一 暖 泉 向斜 和 乡宁挠 褶 带 等 。 斜坡凹隆带位于盆缘断坳带西侧 ，西界为吉县 至永和东城镇一线，北段地层倾 向w，倾角5 。 1 0 。 ，次级褶皱较为发育 ，中段倾 向N N W，倾角 5 。一 l 5 。，南段倾向N W，倾角5 。 l 5 。带内以隆 凹相 间的褶皱构造 为主 ，伴 有小 型断层 ，褶皱主 要有石楼至 隰县之 间的褶 皱群及薛关一 窑渠褶皱 带 。缓坡带仅为 中部靠近 黄河 的一小部 分 ，向西 进入陕西境 内，地层倾 向w，倾角很小 ，一般 1 。 5 。，甚至水平 ；虽有少量 的波状起伏 ，但幅度很 小 ，基本属缓倾单斜构造。 2 2 3 韩城构造分 区 韩城构造分 区位 于鄂 尔多斯盆地东南缘 ，地 层走 向NE，倾 向N W ，倾 角浅部陡 、深部缓 ，地 层倾角一般8 。 左右，总体上为一单斜构造。构造 变形程度南强北弱，东强西弱，浅部复杂，中深 部简单。南北分区性明显，北区挤压构造较为发 育，南区以拉伸构造形迹占据主导，主要断裂构 造发育于东南边缘地带 。煤层构造 以中型褶皱及 落差5 m以下的中小型断层为主。 3 构造一 水文地质条件及其控气特征 区域构造演化及其发育特征对研究区水文地 质 条件具有显著的控制作用 ，构造发育的差异性 控制了区域水文地质边界及不同区域水文地质特 征 。 3 1 区域水文地质边界 北部边界 以近E W向构造发育为特征 ，为一系 列近E W走 向的正断层及 由其组成 的地堑 、地垒构 造 ，其 中最 大的一条向西延伸 穿过黄河 ，与陕西 境 内的东西向断裂相接。区域 中部的聚财塔 地堑 由两条近东西走向的正断层组成 ，宽约4 5 0 m ( 图 7)，区内钻孔揭露该断层为阻水断层 ，断层南 、 北部水文地质条件存在一定的差异。 东界为近N S 向断裂带 ，北段为离石断裂带 ， 发育 于王家会背斜东翼 ，主要 由炭 窑沟断层 、枣 林断层和朱家店断层组成 ，主体延伸方向为近N S 向。断层倾 角较 大 ，倾 向时东 时西 ，总体表 现为 西盘上升 、东盘下 降的压性构造带 。中段 和南段 为紫荆山断裂带，由一系列近N S 走向平行或斜列 的压性 断层及褶 曲组成 ，并伴有走 向N E，N W及 E W向、落差不大 、延伸不远的平移正断层 ；主断 层面向东倾，倾角较大，在6 0 o 8 O 。之间，东盘 为太古界基底杂岩 与寒武一奥 陶系灰岩 ，西 盘为 晚古生代煤系及中生代地层 ，南段断裂带内岩层 陡立 ，局部发生倒转 ，拖曳褶皱发育 ，塑性岩层 0 1 0 2 0 k m - _ _ = = = - _ _ 田 田 z 回 。 曰 s e 团 曰s 1 ， 第四系；2 ， 三叠系；3 ， 石炭一二叠系；4 ， 中奥陶统 ；5 ， 正断层；6 ， 整合地质界线 ；7 ， 假整合地质界线 ；8 ， 不整合地质界线 1 ， Q u a | e ma r y ； 2 ， T r i a s s i c ； 3 ， C a r b o n i f e r o u s - P e r m i a n ； 4 ， Mi d d l e O r d o v i c i a n ； 5 ， n o r m a l f a u lt ； 6 ， c o n f o r mi t y ； 7 ， d i s c o n f o r mi t y ； 8 ， a n g u l a r u n c o n f o r m i t y 图8 南部构造分区A A 构造剖面图 ( 剖面位置见图1 ) F i g 8 T h e AA s t mc t u r a | C R O S S s e c t i o n o f t h e s o u t h e r D p a r t o f 出e e a s t r n 0r d o s b a s i n( t h e l o c a t i o n o f A A i s s h o w n i n F i g 1 ) 3 期 姜波等：鄂尔多斯盆地东缘构造一 水文地质控气特征 4 4 5 阻水而使得 岩溶水溢出形 成顶板阻溢全排型岩溶 泉水 ，水头出露标高为+ 8 0 1 m。 黄河东断凹水文地质单元东起紫荆山大断 裂 ，西抵 黄河 ，南止 昕水 河一带 ，北部 与柳林 泉 域相邻 。地 貌属中低基岩 山区及 黄土丘陵 ，绝大 部 分河流注入黄河水 系。单元 内地 下水 接受大气 降水及地表 水补给为主 ，第 四系松散层 孔隙潜水 受地 貌 、地 形及 当地侵蚀 基准面控制 ，以泉及潜 流形式 向河 谷排泄。石炭 系 、二叠系 、三叠系含 水岩层 ，在地形较高处及浅埋区以潜水形式向河 流排泄 。奥 陶系和寒武 系灰岩水则 以承压水形式 自东向西 、白北 向南流动。 龙祠泉域西起紫荆 山断裂 ，南部和东部均 以 罗云 山一马头 山断裂为界 ，北至姑射 山一带 ；东 部 、南部界线均延 出区外 。由山西断隆轴部 近NS 向乔家湾一牛王庙复向斜构成向斜控水构造 ，向 斜 中心部位 出露二叠系 。该单元为 中低 山地形 ， 地下水接受大气降水补给 ，向斜两翼地下水 向轴 部汇聚 ，由北 向南流动 。各含水层一般 以承压水 形式 出现 ，龙祠泉群属构造上升泉 ，也是单元 内 地下水的总排泄点。 龙 门山水文地质单元 的北部 、西部与黄河东 断 凹水文地质单元接壤 ，东部与龙祠泉域接界 ， 边界 线位 于紫荆 山大断裂 的分 支NS 向断裂 带西 侧 ，南部 以马头 山断裂为界 。区内出露奥 陶系 、 寒 武 系灰岩 ，次为太 古 界 杂岩 ，属 基岩 中低 山 区。 中部及 西部 为 黄土 切 割地 形 ，沟谷 切 割强 烈 ，给地表水排泄创造 了良好条件 。地表水 向西 注入黄河，使地下水受大气降水的补给甚少 ，含 水层补给受 限 ，地下水 以灰岩潜水为主 ，次有杂 岩风化带裂隙水。 韩城水文地质单元地处韩城褶断带 ，S E 边界 为韩城大断层 ，N W以奥 陶系顶部埋深 1 0 0 0 m 线 为 岩溶水系统的滞水边界 ，N E 界至黄河 ，S W以地下 分水岭 为界 。地表水不甚发育 ，地下水受构造 、 岩性及地形地貌 的控制 ，储水空 间主要为第 四系 底部 和基岩裂 隙或岩溶裂隙 。含煤地层及其上覆 地层砂岩含水层 的含水性 、富水性和透水性多较 弱 ，水力联系较差 ，补充不足。 3 3 地下水动力场与煤层气保存条件 地下水动力场和煤层气富集均受构造控制 ， 且都与岩石渗透性等有关 ( 表1 )。研究区各含水 层 中，石炭系和二叠系含水层与煤层最 近 ，对煤 层气运移和赋存影响较大；奥陶系灰岩水位一般 高于煤层 ，且常有断层 、陷落柱等与煤层 及煤 系 水发生联系 ，对煤层气赋存 有一定 的控制 作用 ； 新生界含水层距煤层较远 ，与煤层气保存 条件关 系不大。 黄河东断陷水文地质单 元构造相对简单 ，地 下水径流强度相对均一 ，单元 内煤层 含气 性在地 层走 向上较均一 ，含气量 随着埋藏 深度 的加深而 含量增 高。柳林 水文地 质单 元的地 下水 动力条件 总体上强于其它几个单元 ，煤层气受地下水径流 的影响较大 ，但该单元地 下水 排泄点位 于柳林 泉 域 ，地下水 在泉域以西处 于承压滞 流环境 ，有利 于煤层气保存 。龙门山水 文地质单元 的地 下水 向 两个方 向径流 ，南部是地下水从 补给区流向禹门 口泉的强径流通道 ，煤层气 保存 条件较差 ，北部 区处于滞流环境而可能有利于煤层气保存。 相对于河东煤 田，韩城水文地质单元 的地下 水动力条件较强 ( 表 1 )。但是 ，该单元地下水补 径排关系却有其特点 ，在东南边缘N E向韩城断层 表1 主要含水层水文地质参数表 Ta b l e 1 Hy d r o g e o l o g i c a l p a r a me t e r s o f ma i n l y a q u i f e r s 高校地质学报 1 8卷 3期 附近地下水运动较 为强烈 ，补径排路程较短 ，水 动力场较强 ，但只是一个狭长的局部 区域 ；往N W 方 向进入盆地 ，地下水处 于滞流环境 ，水 动力 场 较弱，煤层气保存条件较好。 4 结论 1 )鄂尔多斯盆地东缘 的构造变形在东部边界 较强 ，近N S 向的压性断裂和褶皱构造发育 ，变形 程度 向盆地 内部逐渐减弱 ，表 明盆地边缘和内部 的构造条件均有利于煤层气保存 。 2)鄂尔多斯盆地东缘可划分为5 个水文地质 单元 ，韩城水文地质单元的水 动力条件强于河东 煤田诸单元，河东煤田又以柳林泉流域水动力条 件最强，这是区域上煤层气保存条件不一的重要 地质原因。黄河东断 陷单元煤层 含气 量随埋藏深 度 的加深而增高 ，柳林单元在柳林泉以西发育有 利煤层气保存 的地下水动力场条件 ，龙 门山单元 北部的地下水 动力条件可能有利于煤层气保存 ， 韩城单 元西北部地下水处于滞流环境 而使得煤层 气保存条件较好。 参考文献 ( R e f e r e n c e s)： 董树文， 吴锡浩， 吴珍汉， 等 2 0 0 0 论东亚大陆的构造翘变燕山 运动 的全球意义 地质论评， 4 6( 1 ) ： 8 - 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