黔西地区构造演化及其对煤层气成藏的控制
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摘要
黔西地区位于特提斯构造域和滨太平洋构造域的结合部，构造演化过程复杂，是影响煤层气生成、运移和聚集的最为重要的控制因素。为此，本文以区域构造演化为主线，在野外地质、煤田勘探资料和遥感资料分析的基础上，结合显微构造、包裹体测试以及构造岩组构分析深入研究了黔西地区构造发育及其演化特征，探讨了燕山中晚期构造变形的应力-应变环境及动力学机制。在此基础上，结合煤样品的镜质组反射率、压汞、等温吸附、扫描电镜等实验测试，应用盆地模拟技术深刻揭示了黔西地区构造控制下的煤层气成藏特征。主要研究成果如下：
第一，在构造层系统划分的基础上，将黔西地区构造演化划分为六个阶段：基底形成阶段（Pt_2-Pt_3）、被动大陆边缘阶段（Z-S）、陆内裂陷阶段（D-P）、稳定台地阶段（T_1-T_2）、陆相坳陷阶段（T_3-J_2）和断褶隆升阶段（J_3-Q）。加里东期以来的区域拉张和裂陷环境对黔西地区晚二叠世聚煤盆地形成具有关键的控制作用，东吴运动产生的峨眉山玄武岩造就西北高、东南低的古地形以及NE、NNE向同沉积断裂控制NE向展布的海陆交互相含煤岩系的形成，成煤期后多期构造演化，尤其是燕山中晚期的构造运动对聚煤盆地产生了的强烈改造作用，使煤层主要赋存于大型向斜和复向斜之中。
第二，黔西地区构造变形主要形成于燕山中晚期，总体上具有靠近基底断裂变形强烈，远离基底断裂变形渐弱的特点。燕山中期是奠定黔西地区构造格局的关键时期，中国南方由特提斯构造域向滨太平洋构造域转换，新特提斯洋自西向东闭合以及东部古太平洋板块斜向俯冲于华南板块之下，研究区经历了NE-SW向挤压—近NS向挤压—NW-SE向挤压的构造应力演化过程，依次形成了NW向褶皱和逆冲断层—近EW向褶皱和逆冲断层—NE向褶皱和逆冲断层；燕山晚期，受雪峰山快速隆升的影响发生区域性的伸展作用，部分断裂出现反转和左行走滑现象。综合显微变形、包裹体测试分析和构造岩组构分析表明黔西地区构造变形是形成于上地壳的中低温-低温环境下的脆性-脆韧性变形。
第三，在认同前人的深成变质基础上叠加区域岩浆热变质作用观点的同时，强调燕山中期构造分异决定了煤层埋藏深度的不同，进而决定了煤层的变质程度，并提出水城-紫云等基底断裂不是前人所认为的岩浆侵入通道，海西期的裂谷并未发展到黔西地区，水城-紫云断裂带只是晚古生代裂陷槽在华南板块内部的边界断裂，裂陷作用远小于南盘江断裂以南区域，并不具有超壳性质，不可能成为后期岩浆侵入通道促进煤层变质。
第四，燕山中期是黔西地区煤层气成藏的关键时期，该期构造分异决定了煤阶的展布特征，而煤阶是研究区煤储层物性极为重要的控制因素；该期构造-热事件不仅产生大量的热成因气，而且可以促进煤储层孔裂隙发育，有效地改善了煤储层渗透性和吸附性能。
第五，深刻揭示了黔西地区构造控制下的煤层气成藏特征：1）煤层气主要赋存在断块内部的开阔向斜中，具有向斜控气特征；2）中新生代构造抬升幅度大，煤层气藏埋深小；3）多期生烃作用，含气量高；4）煤储层物性变化大，受煤阶控制显著；5）构造-热事件有效地改善了煤储层物性特征；6）成藏过程复杂且分异明显。
Western Guizhou located at the connection of Tethys tectonic domain andmarginal-Pacific tectonic domain, the process of tectonic evolution was extremely complex,which is the most important controlling factor for the generation, migration, andaccumulation of coalbed methane (CBM). Thus, taking the the regional tectonic evolutionas basic approach, based on the field geology, the analyses of coalfield exploration dataand remote sensing data, combined with the microscopic deformation, test calcite veininclusions, and petrofabric analysis of tectonic rock, this paper studied the structuralcharacteristics and evolutionary history in western Guizhou deeply, discussed thestress-deformation environment and dynamic mechanism of structural deformation inmid-late Yanshan Epoch. On that basis, combined with the laboratory tests of reflectivity ofvitrinite, mercury injection, isothermal adsorption, and scanning electronic microscope(SEM) of coal samples, applied basin modeling technique, the characteristics of coalbedmethane reservoiring under tectonic control in western Guizhou were profoundly revealed.Major research results as follows:
First, based on the systematic division of tectonic layers, the tectonic evolution wasdivided into6Stages in western Guizhou: crystalline basement formation stage (Pt2-Pt3),passive continental margin stage (Z-S), intra-continental taphrogenesis stage (D-P), stableplatform stage (T_1-T_2), continental depression stage (T_3-J_2), and fault-folded uplift stage(J_3-Q). The continental-marine alternating facies developed along NE-SW direction fromNW to SE in late Permian in western Guizhou controlled by NE and NNE syndepositionalflaults and the paleotopography were characterized by being high in the northwest and lowin the southeast formed in Dongwu movement. The original coal basins were damagedstrongly after coal-forming period, especially the movement in mid-late Yanshan Period,and the most important coal-controlling structures are large syncline and synclinore.
Second, the structural deformations were largely determined in mid-late YanshanEpoch in western Guizhou, characterized by being strong when close to the basementfaults and being weak when far away from the basement faults. The middle Yanshan Epochis key period for building the tectonic framework in western Guizhou, the research area hasexperienced the tectonic stress evolution of NE-SW compression—nearby NScompression—NW-SE compression, so, the sequence of structural deformation is NW foldand thrust fault—nearby EW fold and thrust fault—NE-NNE fold and thrust fault; In lateYanshan Epoch, regional extension was formed in western Guizhou influenced by rapid uplifting of Xuefeng mountain, reversion and left-slipping of some faults arised. Throughthe microscopic deformation, test calcite vein inclusions, and petrofabric analysis oftectonic rock, the structural deformations mainly were brittle to brittle-ductile formed atmiddle-low to low temperature in the upper crust.
Third, after identified the preceding conception that the coal rank raised by theregional magmatic thermal metamorphism on the basis of plutonic metamorphism, thispaper emphasized that structural differentiation of middle Yanshan Epoch decided theburied depth and further controlled the metamorphic grade of coal, metamorphism patternwas the established in western Guizhou. The viewpoint was put forward and different fromthe preceding conception that the basement faults were not the channel of magma, theHercynian rifting has not been developed to western Guizhou, Shuicheng-ziyun fault wasthe boundary fault of the aulacogen internal South China plate in later Paleozoic, thetaphrogenesis much smaller than the south region of the Nanpanjiang fault. The basementfaults had not cut the crust, and they were not the the channel of magma increasing the coalmetamorphic grade.
Fourth, the middle Yanshanian Epoch is the key period for CBM reservoiring, oneside, the structural differentiation decided distributional characteristics of coal rank, whichis so important to physical property of coal reservoir; On the other side, the tectonicthermal event had not only increased the thermogenic gas, but also promoted the growth ofthe pore-fracture system, the permeability and adsorbability of coal reservoir wereimproved available.
Fifth, the characteristics of CBM reservoiring under tectonic control in westernGuizhou was profoundly revealed:1) The CBM reservoir occurrence in the open syncline,and characterized by syncline-controlled gas;2) The scope of tectonic uplift is large inMesozoic-Cenozoic, and the depth of CBM reservoir is small;3) Multiple phases ofhydrocarbon generation, and high CBM content;4) The physical properties are greatlyvaried, significantly controlled by coal rank;5) The tectonic thermal event improved thephysical properties of coal reservoir available;6) The procession of CBM reservoiring iscomplex and the fractionation in different zone is clear.
第一，在构造层系统划分的基础上，将黔西地区构造演化划分为六个阶段：基底形成阶段（Pt_2-Pt_3）、被动大陆边缘阶段（Z-S）、陆内裂陷阶段（D-P）、稳定台地阶段（T_1-T_2）、陆相坳陷阶段（T_3-J_2）和断褶隆升阶段（J_3-Q）。加里东期以来的区域拉张和裂陷环境对黔西地区晚二叠世聚煤盆地形成具有关键的控制作用，东吴运动产生的峨眉山玄武岩造就西北高、东南低的古地形以及NE、NNE向同沉积断裂控制NE向展布的海陆交互相含煤岩系的形成，成煤期后多期构造演化，尤其是燕山中晚期的构造运动对聚煤盆地产生了的强烈改造作用，使煤层主要赋存于大型向斜和复向斜之中。
第二，黔西地区构造变形主要形成于燕山中晚期，总体上具有靠近基底断裂变形强烈，远离基底断裂变形渐弱的特点。燕山中期是奠定黔西地区构造格局的关键时期，中国南方由特提斯构造域向滨太平洋构造域转换，新特提斯洋自西向东闭合以及东部古太平洋板块斜向俯冲于华南板块之下，研究区经历了NE-SW向挤压—近NS向挤压—NW-SE向挤压的构造应力演化过程，依次形成了NW向褶皱和逆冲断层—近EW向褶皱和逆冲断层—NE向褶皱和逆冲断层；燕山晚期，受雪峰山快速隆升的影响发生区域性的伸展作用，部分断裂出现反转和左行走滑现象。综合显微变形、包裹体测试分析和构造岩组构分析表明黔西地区构造变形是形成于上地壳的中低温-低温环境下的脆性-脆韧性变形。
第三，在认同前人的深成变质基础上叠加区域岩浆热变质作用观点的同时，强调燕山中期构造分异决定了煤层埋藏深度的不同，进而决定了煤层的变质程度，并提出水城-紫云等基底断裂不是前人所认为的岩浆侵入通道，海西期的裂谷并未发展到黔西地区，水城-紫云断裂带只是晚古生代裂陷槽在华南板块内部的边界断裂，裂陷作用远小于南盘江断裂以南区域，并不具有超壳性质，不可能成为后期岩浆侵入通道促进煤层变质。
第四，燕山中期是黔西地区煤层气成藏的关键时期，该期构造分异决定了煤阶的展布特征，而煤阶是研究区煤储层物性极为重要的控制因素；该期构造-热事件不仅产生大量的热成因气，而且可以促进煤储层孔裂隙发育，有效地改善了煤储层渗透性和吸附性能。
第五，深刻揭示了黔西地区构造控制下的煤层气成藏特征：1）煤层气主要赋存在断块内部的开阔向斜中，具有向斜控气特征；2）中新生代构造抬升幅度大，煤层气藏埋深小；3）多期生烃作用，含气量高；4）煤储层物性变化大，受煤阶控制显著；5）构造-热事件有效地改善了煤储层物性特征；6）成藏过程复杂且分异明显。
Western Guizhou located at the connection of Tethys tectonic domain andmarginal-Pacific tectonic domain, the process of tectonic evolution was extremely complex,which is the most important controlling factor for the generation, migration, andaccumulation of coalbed methane (CBM). Thus, taking the the regional tectonic evolutionas basic approach, based on the field geology, the analyses of coalfield exploration dataand remote sensing data, combined with the microscopic deformation, test calcite veininclusions, and petrofabric analysis of tectonic rock, this paper studied the structuralcharacteristics and evolutionary history in western Guizhou deeply, discussed thestress-deformation environment and dynamic mechanism of structural deformation inmid-late Yanshan Epoch. On that basis, combined with the laboratory tests of reflectivity ofvitrinite, mercury injection, isothermal adsorption, and scanning electronic microscope(SEM) of coal samples, applied basin modeling technique, the characteristics of coalbedmethane reservoiring under tectonic control in western Guizhou were profoundly revealed.Major research results as follows:
First, based on the systematic division of tectonic layers, the tectonic evolution wasdivided into6Stages in western Guizhou: crystalline basement formation stage (Pt2-Pt3),passive continental margin stage (Z-S), intra-continental taphrogenesis stage (D-P), stableplatform stage (T_1-T_2), continental depression stage (T_3-J_2), and fault-folded uplift stage(J_3-Q). The continental-marine alternating facies developed along NE-SW direction fromNW to SE in late Permian in western Guizhou controlled by NE and NNE syndepositionalflaults and the paleotopography were characterized by being high in the northwest and lowin the southeast formed in Dongwu movement. The original coal basins were damagedstrongly after coal-forming period, especially the movement in mid-late Yanshan Period,and the most important coal-controlling structures are large syncline and synclinore.
Second, the structural deformations were largely determined in mid-late YanshanEpoch in western Guizhou, characterized by being strong when close to the basementfaults and being weak when far away from the basement faults. The middle Yanshan Epochis key period for building the tectonic framework in western Guizhou, the research area hasexperienced the tectonic stress evolution of NE-SW compression—nearby NScompression—NW-SE compression, so, the sequence of structural deformation is NW foldand thrust fault—nearby EW fold and thrust fault—NE-NNE fold and thrust fault; In lateYanshan Epoch, regional extension was formed in western Guizhou influenced by rapid uplifting of Xuefeng mountain, reversion and left-slipping of some faults arised. Throughthe microscopic deformation, test calcite vein inclusions, and petrofabric analysis oftectonic rock, the structural deformations mainly were brittle to brittle-ductile formed atmiddle-low to low temperature in the upper crust.
Third, after identified the preceding conception that the coal rank raised by theregional magmatic thermal metamorphism on the basis of plutonic metamorphism, thispaper emphasized that structural differentiation of middle Yanshan Epoch decided theburied depth and further controlled the metamorphic grade of coal, metamorphism patternwas the established in western Guizhou. The viewpoint was put forward and different fromthe preceding conception that the basement faults were not the channel of magma, theHercynian rifting has not been developed to western Guizhou, Shuicheng-ziyun fault wasthe boundary fault of the aulacogen internal South China plate in later Paleozoic, thetaphrogenesis much smaller than the south region of the Nanpanjiang fault. The basementfaults had not cut the crust, and they were not the the channel of magma increasing the coalmetamorphic grade.
Fourth, the middle Yanshanian Epoch is the key period for CBM reservoiring, oneside, the structural differentiation decided distributional characteristics of coal rank, whichis so important to physical property of coal reservoir; On the other side, the tectonicthermal event had not only increased the thermogenic gas, but also promoted the growth ofthe pore-fracture system, the permeability and adsorbability of coal reservoir wereimproved available.
Fifth, the characteristics of CBM reservoiring under tectonic control in westernGuizhou was profoundly revealed:1) The CBM reservoir occurrence in the open syncline,and characterized by syncline-controlled gas;2) The scope of tectonic uplift is large inMesozoic-Cenozoic, and the depth of CBM reservoir is small;3) Multiple phases ofhydrocarbon generation, and high CBM content;4) The physical properties are greatlyvaried, significantly controlled by coal rank;5) The tectonic thermal event improved thephysical properties of coal reservoir available;6) The procession of CBM reservoiring iscomplex and the fractionation in different zone is clear.
引文
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