“煤铁共盆”，煤铁气不同成矿系统共存模式

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山东黄河北煤田中生代岩浆侵入与古生代多矿产成因机制研究

王怀洪¹，沈立军¹，王东东²，朱裕振¹，李增学²，王勇军¹，毛强²

1.山东省煤田地质规划勘察研究院

2.山东科技大学地球科学与工程学院

第一作者：王怀洪，二级研究员，主要从事地球物理勘探相关工作，E-mail：[e-mail]

导读：近年，山东省煤田地质规划勘察研究院在山东省黄河北煤田煤系下探获厚层矽卡岩型富铁矿，成果两获山东省十大优秀地质成果，并得到了国务院、山东省政府网站专题报道，引起了广泛关注，也引发了新的思考。煤系下富铁矿重大找新发现，再一次拓展了对“共伴生矿产”的认知，沉积矿床与岩浆热液矿床在某一地质历史时期交汇，描绘了一幅煤、铁、气（煤层气、页岩气）共生共存的地质画卷，而中生代岩浆活动在这一地质作用中发挥了至关重要的作用。“煤铁共盆”的成矿模式逐步建立，开拓了华北煤田区富铁矿找矿新方向。

内容提纲：

1  研究区地质背景

2  岩浆侵入与煤变质作用

3  岩浆侵入与煤层气发育

4  岩浆侵入与煤系页岩气发育

5  岩浆侵入与富铁矿形成

6  岩浆侵入与多矿产成因模式

7  结论

摘要：地层中常见到多种矿产富集的现象，特别是有岩浆侵入的地区，更有利于多种矿产的生成和保存，大大提升了矿产资源的勘探效益与开发价值。研究表明：中生代岩浆侵入奥陶系马家沟组灰岩地层中接触交代形成富铁矿床，同时中生代岩浆的侵入与岩浆热变质作用，使得研究区上覆煤系中出现了以岩浆侵入体为中心的煤类分带和局部地区煤层气与煤系页岩气的大量产生与成藏。煤层和泥页岩含气量、孔隙度/孔径、有机质的热演化程度与生烃能力与距离侵入体的距离成负相关关系，且煤层距离侵入体越近，气体的吸附性能越弱，以游离态为主。中生代的岩浆侵入作用控制了古生代多种矿产的形成与共存。

关键词：煤层；煤层气；煤系页岩气；成矿机制；富铁矿；黄河北煤田

黄河北煤田古生代富集着多种矿产资源，包括煤炭、煤层气、煤系页岩气及富铁矿。笔者针对黄河北煤田，开展多矿产成因机制与富集规律等相关关系的研究，以期从根本机制上有效地指导煤系多矿产协同勘查与综合勘探。

1  研究区地质背景

山东黄河北煤田位于山东省西北部，东起卧牛山断层与章丘煤田分界，西至刘集断层，与阳谷-茬平煤田相邻，南起煤系底界露头，北至齐广断层，煤炭资源丰富。区内构造基底由新太古界泰山岩群构成，在此基底上，全区广泛遭受海侵，形成了早古生界一套海相碳酸盐岩沉积建造；古生代中期地壳整体抬升、剥蚀，造成晚奥陶世～早石炭世的缺失；晚古生代由于地壳的震荡运动，在石炭-二叠纪形成了一套海陆交互相及陆相含煤碎屑岩建造，此后地壳稳定上升，缺失三叠纪沉积；燕山运动在本区活动强烈，并形成以断陷、断隆为主要特征的构造格局，并产生了剧烈的岩浆侵入活动（图1）。

 图1  黄河北煤田地质构造简图

2  岩浆侵入与煤变质作用

燕山期以来，剧烈的构造活化运动，往往伴随有不同程度的岩浆活动，其对煤系煤层的后期改造影响不容忽视。岩浆侵入一般都是沿煤田边界或内部主要的大断裂带进入煤系和分别穿插于主要可采煤层附近甚至较厚煤层中。其对煤层的破坏和煤变质影响程度，则视其距煤层的远近密切相关，一般是距煤层愈近，其破坏和影响的程度越大；反之，影响也小。

研究区内由于受岩浆侵入影响，煤变质程度也不同，其镜质组最大反射率变化于0.613%～6.351%之间，相应地其变质程度属Ⅱ～Ⅺ阶段的烟煤、无烟煤、甚至部分变质为天然焦（表1）。从镜质组反射率可以看出：中等变质程度气煤、气肥煤在演变为肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、三号无烟煤过程中伴随有一定的烃气产生。

表1  研究区煤层镜质体反射率及变质阶段

煤层	5	7	10	11	13
最小值～最大值 平均值(个数)	0.780～2.259 1.084(6)	0.660～3.089 1.179(35)	0.613～4.520 1.467(40)	0.620～6.351 2.170(68)	0.620～5.870 1.253(122)
变质阶段	Ⅱ～Ⅶ	Ⅱ～Ⅸ	Ⅱ～Ⅹ	Ⅱ～Ⅺ	Ⅱ～Ⅷ

赵官煤矿和长清井田11、13煤层主要受下层岩浆岩直接侵入影响，11煤层广泛遭受下层岩浆岩直接侵入，使11煤层大部分的煤层厚度变薄，焦化或全部吞蚀。据钻孔资料显示，13煤层没有揭露其受岩浆岩直接侵入或吞蚀情况。由于11与13煤层距离较近，平均距离仅为6.87m，煤层受岩浆岩影响其不同变质区域分布趋势基本一致。从11和13煤层煤类分布可以看出：以下组煤岩浆岩侵入部位为中心，向四周煤变质阶段从天然焦向气肥煤过渡，规律较明显（图2）。

 图2  赵官煤矿、长清井田11煤层煤类分布

3  岩浆侵入与煤层气发育

黄河北煤田的煤层气主要是煤化变质作用时期产出的。由于燕山期岩浆岩活动强烈，整个煤田含煤地层普遍遭受岩浆侵入的影响，对该煤田温度的普遍增高起了决定性作用，使煤层产生强烈的热力变质成气作用。

岩浆热变质和接触变质的影响下，煤的变质程度升高，在高温作用下煤层二次生气，煤层气急剧增加导致煤储层压力增大，形成异常高压。异常高压促使煤层及顶底板产生大量微裂隙，形成有效运移通道，同时驱替煤层气向低压区扩散运移。在缺少隔气盖层或封闭条件不好时，岩浆的高温作用可以强化煤层气运移排放，同时，由于岩脉蚀变带裂隙增加，可逐渐形成裂隙通道，对煤层气保存极为不利。只有在特定情况下，岩浆岩体会使煤层局部被覆盖或封闭，形成隔气盖层。在岩浆热变质区，由于后期煤系快速冷却导致煤储层次生割理发育，渗透性得到改善，加之煤层热演化程度增高，利于形成煤层气富集高产区。

煤田东部岩浆岩呈岩脉或岩墙状沿构造裂隙侵入，其中，7、13煤层受岩浆垂直侵入但侵入面积小，对煤层气含量影响较小，只有局部揭露的区域会影响煤层气含量。煤田西部岩浆活动对煤层气赋存影响比较复杂，区内岩浆侵入方式是岩浆撑开含煤地层呈岩床分布，特别是上层岩浆岩和下层岩浆岩厚度大，分布范围广，其中下层岩浆沿11煤层侵入，局部侵入7煤，岩浆侵入煤层促使其变质的同时，也能吞噬者煤层使煤层变薄或消失，煤层气沿着煤层吞噬区顶底板大量散失，造成全区内11煤层气含量普遍较低；7煤含气量也受影响，低于5煤和10煤含气量。黄河北煤田富甲烷区主要位于长清勘探区5煤层、赵官镇勘探区的7、10煤层局部部位。含甲烷区位于长清勘探区的5、7、10、11、13煤层；赵官镇勘探区的7、10煤层；毛庄勘探区的13煤层等局部部位。

4  岩浆侵入与煤系页岩气发育

黄河北煤田页岩气作为生储盖三位一体矿产，其自生自储的过程也是一个宏观动态的地质演化过程，其实质是在含煤盆地构造演化史、沉积埋藏史、受热生烃史、成藏史等控制下。其中，构造运动通过改变页岩气储层的成岩作用、埋深和热演化等来控制储层泥页岩厚度、埋深、有机地化特征等，从而影响生烃过程和成藏过程，同时后期构造变形产生的裂隙系统可改变页岩气的富集特征、赋存和运移方式。

研究区东部岩浆来源为济南辉长岩体，属济南辉长岩体的延展部分，呈岩脉或岩墙状沿构造裂隙侵入，岩浆的高温作用强化生成的天然气排放，但因侵入面积小，只有局部揭露的区域会影响页岩气含量，因此对全区页岩气赋存影响不大。研究区西部岩浆活动较为剧烈，岩浆撑开含煤地层呈岩床分布，特别是上层岩浆岩和下层岩浆岩厚度大，分布范围广。区内西部、东南部岩浆岩发育区泥页岩镜质体反射率明显有增高趋势，利于烃源岩二次生烃。目前普遍认为镜质组反射率（R^o_max）在1.0%~3.3%最有利于页岩气的生成。工作区内暗色泥岩镜质组反射率（R^o_max）在0.72%~1.25%之间，进入暗色泥页岩生气的有利范围，且靠近岩浆岩的地区镜质体反射率较高。工作区南部潘店矿区、赵官镇矿区有机质成熟度较低，多在0.7%~0.9%之间，北部张保屯矿区、二十里铺矿区岩浆岩发育，有机质镜质体反射率为1.0%~1.2%之间，局部地区达到1.2%以上，有机质成熟度较高。总体而言，岩浆岩发育区周边远离构造发育的地区更有利于页岩气发育。

5  岩浆侵入与富铁矿形成

黄河北煤田齐河禹城铁矿的成因与济南序列岩浆岩关系密切，燕山晚期中基性岩浆侵入奥陶纪马家沟群石灰岩地层，在其接触带上发生强烈的矽卡岩化，在有利部位形成接触交代型铁矿床，齐河-禹城地区已发现多处具有工业价值的磁铁矿床，均分布岩体与灰岩接触部位及附近，其成因类型均属接触交代型（图1）。鲁西地区早白垩世岩浆活动强烈，断陷盆地发育，与接触交代型铁矿有关的成矿岩体基本都形成于130Ma左右，该时期正处于华北克拉通岩石圈减薄的高峰期（120～130Ma）。随岩浆演化，形成中基性含矿岩浆岩，岩浆上升过程中可能有古老地壳物质的加入，岩浆岩侵入到奥陶系马家沟组灰岩地层中，含矿热液与围岩发生接触交代作用，形成矽卡岩，在退变质过程中发生磁铁矿化，最终形成接触交代型铁矿床。

6  岩浆侵入与多矿产成因模式

黄河北煤田石炭-二叠系煤系中富集着煤炭、煤层气、煤系页岩气。岩浆的侵入使得煤和泥页岩中有机质的热演化程度大幅度提升，形成了多种煤类，促进了煤层气和页岩气的产生与成藏；同时，中生代岩浆侵入也控制着富铁矿的形成。因此，这些矿产之间有存在着不可分割的联系。

石炭-二叠系煤系形成后，受到深成变质作用影响，煤系有机质（煤层和泥页岩中的分散有机质）逐渐发生变质、生烃。中生代岩浆侵入，导致两个大的结果：1）岩浆热的作用导致煤和泥页岩中有机质的热演化程度大幅提升；对于煤而言，表现为出现了多种不同变质程度甚至异常高变质程度的煤类，进而导致煤中不同程度的产生了煤层气；对于泥页岩，则其中的分散有机质热演化程度大幅升高，泥岩中不同程度的形成了页岩气。2）岩浆岩侵入到奥陶系马家沟组灰岩地层中，并形成接触交代型铁矿床。

综合分析研究发现（图3），中生代岩浆侵入古生代地层中，在奥陶系马家沟组灰岩地层中，含矿热液与围岩发生接触交代作用，形成矽卡岩，并在退变质过程中发生磁铁矿化，最终形成接触交代型铁矿床；在铁矿床发育部位子上而下可以划分为外矽卡岩带、铁矿床、内矽卡岩带、蚀变闪长岩带和闪长岩带。岩浆携带的大量热量，不断烘烤上覆的煤层和泥页岩，导致煤层出现了以岩浆侵入体为核心的煤类分带，距离侵入体越近，煤的变质程度越高，甚至变成天然焦。煤层和泥页岩含气量、孔隙度/孔径、有机质的热演化程度与生烃能力与距离侵入体的距离成负相关关系；且距离侵入体越近，气体的吸附性能越弱，以游离态为主。这些变化均由侵入体直接或间接造成的；反之，这些参数的变化，也可以指示侵入体的存在，在一定程度上为寻找富铁矿指明了方向。

 图3  岩浆侵入与多种矿产资源共存成因模式图

7  结论

（1）研究区石炭-二叠系的构造条件和沉积环境利于煤层、煤层气和泥页岩的发育。煤层分布特点为：平面上东多西少，东薄西厚，北薄南厚；纵向为上薄下厚。煤层气藏呈现“煤层累厚中等、煤级分布广、含气量中等、吸附性好、特低欠饱和、低孔较高渗、欠压、埋深适中、正常地温场”的特点；页岩气藏呈现“泥页岩累厚大、有机质丰度较高、生烃能力中等、Ⅱ型干酪根为主、成熟度中等、低孔特低渗”的特点。

（2）中生代岩浆侵入古生代地层中，在奥陶系马家沟组灰岩地层中，含矿热液与围岩发生接触交代作用，形成矽卡岩，并在退变质过程中发生磁铁矿化，最终形成接触交代型铁矿床。

（3）黄河北煤田中生代岩浆侵入体使得煤和泥页岩中有机质的热演化程度大幅度提升，形成了多种煤类，促进了煤层气和页岩气的产生与成藏，并使得煤层、煤层气、页岩气的诸多地质参数随着距离侵入体的远近而呈现规律性的变化。

（4）建立了一种岩浆侵入导致多矿产资源共存的成因模式，有利的指导了多种矿产勘探实践。

参考文献：略

资料来源：王怀洪,沈立军,王东东,朱裕振,李增学,王勇军,毛强.山东黄河北煤田中生代岩浆侵入与古生代多矿产成因机制[J/OL].煤田地质与勘探:1-11[2021-03-05].http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1155.P.20201229.1644.002.html.