大別造山帶鐵路隧道氣體燃燒的地質意義

摘 要

摘要：目前合肥盆地的油氣勘探工作主要沿用中國東部盆地的勘探成功經驗，工作重點以“中新生代盆地系統”為主，迄今尚無實質性的油氣突破。大別造山帶和合肥盆地是緊密
摘要：目前合肥盆地的油氣勘探工作主要沿用中國東部盆地的勘探成功經驗，工作重點以“中新生代盆地系統”為主，迄今尚無實質性的油氣突破。大別造山帶和合肥盆地是緊密相連的2個構造單元，在形成和時空演化上具有密切的關系。在大別造山帶內發現的可燃天然氣和發生燃燒的隧道具有明顯的區域性，集中分布于磨子潭-曉天斷裂以南的北大別雜巖帶和信陽-舒城斷裂附近的早石炭世變質石英片巖中。通過對大別山區隧道燃燒現象的系統分析，結合大別造山帶、合肥盆地的演化特征和海相烴源巖發育狀況，結論認為：磨子潭-曉天斷裂和信陽-舒城斷裂是連通深部的氣源通道斷裂；推覆體之下的寒武系鳳臺組和北淮陽型石炭系2套海相烴源巖是隧道可燃天然氣的主力氣源巖，且其均已進入熱演化的過成熟階段。因此，下一步勘探重心應從“中新生代盆地系統”轉移到“深部海相層系”，以尋找“古生古儲”或“古生新儲”類型油氣藏為主。
關鍵詞：大別造山帶；鐵路隧道；天然氣；海相沉積；烴源巖；推覆體；勘探重點；合肥盆地
    合武鐵路為合肥至武漢的客運專線鐵路，途徑位于大別山的金寨區段。該區段河谷深切，相對高差最大達500m，共設計施工了17座隧道。自2005年10月28日～2006年1月9日，紅石巖、五福堂、九斗沖、周家坳、金寨、汀筒溝和喬家山隧道在施工過程中先后發生了不同程度的氣體燃燒現象，尤其是長達7857m的紅石巖隧道曾發生過多次燃燒。片麻巖隧道出現可燃氣的現象是極其罕見的，筆者主要通過對大別造山帶合武鐵路金寨區段區域性片(麻)巖隧道燃燒現象的系統分析，結合大別造山帶、合肥盆地的演化特征和海相烴源巖發育狀況，探討合肥盆地油氣勘探前景及下一步的勘探思路。
1 合武鐵路隧道燃燒現象及組分分析
1.1 隧道施工中炮后燃燒情況
    2005年10月19日，合武鐵路紅石巖隧道(里程DK181+373～DK189+230)出口工區開始進洞施工，按上下臺階法開挖。2005年10月28日22時，在掌子面爆破后的碴堆間隙發現燃燒的火焰，此處距隧道口約10m，火焰為淡藍色，燃燒面積直徑為0.5～1.0m，燃燒3～5min后熄滅，洞內無異常氣味。2005年12月10日挖至距隧道口約130m時，碴堆再次發生燃燒現象。為此，合武鐵路安徽有限公司加強了監測，2005年12月15日下午放炮后瓦斯濃度達到0.7%，未出現燃燒現象；12月17日，在隧道出口檢測到炮后最大瓦斯濃度達到1.09%，未出現燃燒現象。紅石巖隧道以淺紅色二長片麻巖為主，先后發生了20余次燃燒[1]。其后五福堂、九斗沖、周家坳、金寨、汀筒溝和喬家山隧道也先后發生了不同程度的氣體燃燒現象。
    出現可燃氣的隧道范圍為DK150+000～DK203+000，鐵路里程為53km，該區間共有17座隧道。燃燒的7座隧道中有6座連續分布在磨子潭 曉天斷裂以南的北大別雜巖帶，6座隧道總跨度22km，其中隧道總長度大于10km，燃燒部位以元古界片麻巖為主；僅磨子潭曉天斷裂以南的金寨隧道在早石炭世變質石英片巖中發生燃燒。
1.2 氣體組分分析
    紅石巖等6座隧道燃燒火焰呈藍色或藍紅色，燃燒前后無異常刺鼻氣味，從燃燒火焰和燃燒后的氣味判斷，氣體中不含硫化氫、二氧化硫組分(或這類氣體含量極低)。為查明隧道燃燒原因，消除安全隱患，施工單位分別對紅石巖隧道出口和九斗沖隧道進口的巖石碴塊吸附氣體及放炮前后氣體進行了采樣分析[2]。
    在紅石巖隧道出口(DK188+995.5、DK188+993.5、DK189+092.5)處，采集氣樣4袋、渣塊2.5kg(DK189+092.5)。在九斗沖隧道于隧道頂部4個鉆孔中取炮前氣體樣品，炮后取氣樣2袋、碴塊2.0kg。上述樣品均是在放炮后無燃燒的情況下采集的，反映了炮后的真實組分含量。經分析氣體組分較復雜，包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和一氧化碳等，其中甲烷最高含量達到1906.7μg/g(表1)，一氧化碳含量也比較高。這與常規煤系地層的瓦斯組分有一定差別，燃燒氣體主要為烴類氣體。
 
2 區域地質構造背景
    大別造山帶夾持于華北和揚子板塊之間，其北麓為合肥盆地。合肥盆地經歷了基底形成、類前陸、斷陷、構造反轉等階段的演化，基底變形和盆地發育受到大別造山帶的控制。在盆地斷陷階段，合肥盆地處于環太平洋構造體制的控制之下，但大別造山帶仍表現出明顯的控制作用和良好的構造耦合關系。根據地質、地球物理和同位素年代學資料，可重塑大別造山帶和合肥盆地的構造演化史。
    1) 克拉通-被動大陸邊緣盆地階段(Pt3-O2)。從晚元古代開始，大致以欒川-確山-固始-肥中斷裂為界，其北為穩定克拉通的構造-沉積環境；其南則因北秦嶺裂谷的繼續發展，逐漸變成比較成熟的被動大陸邊緣盆地[3]；合肥盆地西緣四十里長山地區出露的震旦系、寒武系及奧陶系，特別是下寒武統鳳臺組低位斜坡扇水下重力流礫屑灰巖厚度超過100m，是其北部的淮南、鳳臺地區鳳臺組礫屑灰巖厚度的2倍以上，且與丘狀層理砂質灰巖互層，說明四十里長山地區的鳳臺組已經屬于較深水的陸棚斜坡環境下的產物。其上部發育了一套厚約150m的灰綠色、灰黑色頁巖和碳質頁巖，大致相當于淮南地區猴家山組底部的含磷礦層頁巖(厚度為15～25m)。在猴家山組見到了上斜坡環境下發育的同生變形層理條帶狀泥晶灰巖及下斜坡環境鈣屑濁積巖。上述地質現象充分說明了四十里長山地區的鳳臺組、猴家山組是華北被動大陸邊緣盆地的沉積代表。
    2) 克拉通-(弧后)前陸盆地階段(D3-T1)。從盆地南緣商城、固始至金寨一帶出露的石炭系地層來看，總體為一套近源含煤磨拉石建造[4]，而淮南地區出露的上石炭統-二疊系為穩定地臺型近海三角洲-潮坪含煤碎屑巖建造，從當時海盆向南開口[5]及物源來自其北部的華北地臺看，應屬華北大陸南邊緣海的北部海岸沉積。因此典型華北型煤系地層主要分布于肥中斷裂以北，肥中斷裂以南逐漸增厚，說明石炭-二疊紀時期桐柏-大別山以北地區為統一的盆地。這與南緣石炭系發育齊全而北緣僅發育上石炭統的事實相吻合。
    3) 前陸褶沖帶的形成時間及超高壓變質巖的同位素測年結果表明，南北陸塊在二疊紀末-三疊紀初碰撞[6]，前陸帶的褶皺沖斷變形、合肥盆地基底的向北逆沖構造就此形成。
    4) 古地磁研究表明：南北板塊的持續會聚與陸內俯沖作用可延續到中侏羅世[7]，滸灣-廬鎮關剪切帶南側的大別山由于揚子板塊的持續俯沖進一步隆起，其上揚子板塊的廬鎮關群和佛子嶺群變質巖層向北滑脫、擴展并在其前緣形成褶皺沖斷帶，超高壓變質巖在底板沖斷層和頂板正斷層的雙重作用下快速折返，此時在華北板塊南緣形成前陸盆地，開始接受侏羅系沉積。
    5) 晚侏羅世末-早白堊世的燕山運動以大規模的構造-巖漿作用為特征。大別山核部變質巖、北淮陽構造帶及合肥盆地普遍有偏堿性-堿性火山巖覆蓋。稍后大別山核部因碰撞后的伸展作用及巨量花崗巖侵位而差異隆起，大部分火山巖因后期抬升而剝蝕。滸灣-廬鎮關剪切帶北側進一步坳陷，接受黑石渡組的火山-碎屑巖沉積。早白堊世末期，由于郯廬斷裂的左行平移[8]，西側的華北板塊向南俯沖到揚子板塊之下[9]，磨子潭-曉天斷裂南側的北大別雜巖逆沖到曉天盆地黑石渡組之上，并導致合肥盆地萎縮，大別山進一步抬升。
    6) 晚白堊世-古近紀，中國東部總體受伸展構造所控制，以發育盆嶺構造為特征。大別山因重力均衡作用而進一步抬升，四周斷陷；在區域伸展作用下，合肥盆地的邊界斷層轉變為正斷層，合肥盆地成為斷陷盆地。新近紀以來，在區域擠壓背景下，合肥盆地進入構造反轉階段，盆地抬升剝蝕，結束盆地沉積。
3 氣源條件
3.1 氣體儲集空間
    片麻巖隧道出現可燃氣的現象是極其罕見的——因為片麻巖本身不具備生成可燃氣的條件。通過資料收集和現場觀察，發現著火點位置均為構造裂隙較發育的破碎帶，破碎帶巖石呈碎塊狀，巖塊上構造錯動和褶皺強烈，裂隙中有明顯的未充填孔洞，局部含有黃鐵礦，而巖石較完整地段均未出現炮后燃燒，說明破碎帶中的裂隙空間是可燃氣的主要儲集空間。
3.2 氣源分析
    天然氣的各組分結構簡單，分子、密度、黏度和吸附能力都較小，故具有運移快、易溶解、易擴散和易揮發的特點。在開放系統中，氣體從高濃度向低濃度擴散運動；從溫度高處向溫度低處擴散運動。因此，對于賦存于地下巖層中的天然氣而言，擴散制約了天然氣長期保存，相對上覆地層，氣體濃度和溫度通常都是高的，無論蓋層如何好，氣體都向上擴散運移，特別是在近地表的狀態下(燃燒部位破碎帶往往都是通達地表的，處于半開啟或開啟狀態)，若無氣源繼續供給，上述隧道天然氣現今是難以保存的。
    從合武鐵路隧道燃燒情況分析，可燃氣僅發生在局部構造裂隙破碎帶，有一定局限性，但從整個發生燃燒的里程跨度來看，存在明顯的區域性。發現天然氣和發生燃燒的隧道均位于磨子潭-曉天斷裂和信陽舒城斷裂附近。
磨子潭-曉天斷裂和信陽-舒城斷裂都是活動時間長、切割層位深的深大斷裂，隧道巖石本身不具備生成可燃天然氣的條件。考慮到天然氣垂向運移為主的特性，隧道可燃天然氣只能來源于其深部。因此兩深大斷裂是連通深部的氣源通道斷裂(圖1)。
 
3.3 深部烴源巖特征
   由磨子潭-曉天斷裂和信陽一舒城斷裂所夾持的北淮陽構造帶是一個經歷多期逆沖推覆作用的山前沖斷帶，淺部推覆體地質結構復雜，深部推覆體之下應存在正常序列地層。因此，從區域地層展布和原型盆地發育特點等方面分析，可能的烴源巖有2套：一套是寒武系鳳臺組烴源巖；另一套是北淮陽型石炭系烴源巖。
3.3.1寒武系鳳臺組烴源巖的地化特征
    該套烴源巖在合肥盆地西部的四十里長山附近出露較完整，其中發育的海相泥質烴源巖(厚度為50～80m)是一套較好的烴源巖。
    有機碳含量一般均大于1.5%(0.28%～13.46%，平均6.46%)。但氯仿瀝青“A”含量(16～59μg/g，平均39μg/g)及生烴潛量(“S1+S2”為0.02～0.05)較低。烴源巖與揚子、塔里木板塊相同層位烴源巖的有機質豐度具有相似性，說明這套烴源巖所處的時空環境對烴源巖的發育極其有利[10]。
    全巖光片分析表明，顯微組分中主要是貧氫次生組分，鏡質體僅有無結構鏡質體且含量較高，推測本區發現的鏡質體是經受了高熱演化程度形成的，干酪根屬偏腐殖混合型或腐殖型。烷烴色譜判斷其母質類型以低等水生生物為主，同時也有陸源植物混入，烷烴色質分析也說明其物源是以水生生物為主，并有陸源植物的混入。
    鏡質體反射率一般為2.0%～3.5%，表明鳳臺組烴源巖處過成熟階段早期。Tmax為500～600℃，反映不同位置的樣品成熟度有一定的差異，但總體上已進入過成熟階段早期乃至晚期，與我國寒武系底部海相泥質烴源巖演化程度相近。
3.3.2大別山北緣型石炭系烴源巖地化特征
    在盆地西南緣的商城-固始地區出露的石炭系較全，厚度超過5000m，其中暗色泥巖厚達500m，煤層厚20～40m，暗色泥巖主要發育在下石炭統花園墻組(C1h)、楊山組(C1y)，中石炭統胡油坊組(C2h)，上石炭統楊小莊組(C2y)，煤層主要發育在楊山組和楊小莊組[11]。
    煤巖有機碳含量一般在50.6%～70.2%，平均66.0%；碳質泥巖有機碳含量1.68%～9.47%，泥巖有機碳含量為1.54%～2.64%。無論是石炭系的泥巖還是煤層，其氯仿瀝青“A”含量一般都小于0.01%；最高為0.0362%，總烴含量一般小于100μg/g，最高320.8μg/g；生烴潛量S1+S2為0.1mg/g左右，楊山組稍高，可達2mg/g。
    干酪根顯微組分以鏡質組為主，含量在53.5%～89.5%；惰質組在10.5%～39.8%；殼質組分含量僅為O～6.7%。干酪根碳同位素δ13C在-19.89‰～-24.27‰，均顯示腐殖型干酪根的特點。
    鏡質體反射率為2.35%～4.37%，平均3.44%，均處于過成熟階段。萜類組成上藿烷C3122S/(22S+22R)比值為0.56～0.60，已達到平衡，這也是高演化程度的反映。可能與大別山沖斷作用所形成的區域動力變質作用有關。
    勘探實踐表明，來自高演化程度的烴源巖也能夠形成大型天然氣藏。如卡塔爾“North”氣田，烴源巖為下志留統泥灰巖，以腐泥型于酪根為主，TOC含量為2%～3%，目前已達干氣成熟階段。四川威遠氣田的主要氣源巖為燈影組之上的下寒武統，其在有效圈閉體積內充滿度已達到100%，表明威遠氣田氣源充足，供補大于擴散的動態平衡保證了威遠中型天然氣田規模。因此對于本區的海相烴源巖，不管目前演化程度多高，只要在地史上曾經生成過油氣，那么，在相對穩定的構造環境中，這種油氣就可能保存下來，就可作為有效烴源巖或有效烴源。目前最重要的是研究其成烴過程與圈閉配套史的關系。
4 結論
    1) 天然氣具有運移快、易溶解、易擴散和易揮發的特點，特別是在近地表的狀態下，若無氣源繼續供給，本區隧道天然氣現今是難以保存的，磨子潭-曉天斷裂和信陽-舒城斷裂是連通深部的氣源通道斷裂。
    2) 寒武系鳳臺組和北淮陽型石炭系2套海相烴源巖是隧道可燃天然氣的主力氣源巖，其熱演化程度很高。目前最重要的是研究成烴過程與圈閉配套史的關系。
    3) 大別山隧道可燃天然氣的發現展示了合肥盆地深部海相層系良好的勘探前景。因此下一步勘探重心應從“中新生代盆地系統”轉移到“深部海相層系”，以尋找“古生古儲”或“古生新儲”類型油氣藏為主。
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(本文作者：雷敏 柳忠泉 陳云鋒 中國石化勝利油田分公司地質科學研究院)