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含煤盆地的构造—热演化过程直接影响着煤层的变形变质程度以及煤层气的生成、聚集和成藏,因此深入分析含煤盆地的构造—热演化特征,进而探讨其对煤层气生成与富集的控制作用,具有重要的理论意义和实际价值。 本文以两淮煤田为研究对象,运用地质学、煤岩学、地球物理学、分形信息维等方法,通过计算机数值模拟,对区内晚古生代至今的构造—热演化过程及其对煤和煤层气资源分布和富集的制约进行了系统、深入的研究。主要取得了以下研究成果和新认识: (1)采用镜质体反射率古温标和古热流法恢复了两淮煤田晚古生代以来的热史和构造沉降史,并探讨了对煤层气生成和运移的影响。结果表明,两淮煤田煤层气生成明显受构造—热演化过程控制,并可划分为以下三个阶段:三叠纪—晚侏罗世早期(热成因气生成阶段),两淮煤田地壳明显加厚、煤层埋深迅速增加(达3000m),盆地基底热流持续上升并在晚侏罗世达到峰值(64~82 mW/m2),煤层在强烈变形变质作用中经历了较高的古地温(140~180℃),有利于热成因煤层气生成;晚侏罗世晚期至白垩纪(气藏破坏阶段),两淮煤田进入伸展减薄阶段,地层遭受大量剥蚀(总剥蚀厚度在2000~2500m),热流值迅速减小,二叠系含煤地层被抬升至近地表甚至出露,原先生成的热成因煤层气大量逸散;古近纪至今(次生生物气补充阶段),构造活动逐渐减弱,盆地恢复沉降、接受沉积,古热流值减小速度变缓,并趋于稳定,煤层—度处在27~50℃,有利于次生生物气的大量生成。因此,两淮煤田经历了两期不同性质的煤层气生成作用,现今状态可能为热成因煤层气和次生生物煤层气的混合态,次生生物成因气占较大比例。 (2)通过系统分析淮北煤田镜质体反射率各向异性特征,结果表明,受不同的构造—热作用影响,淮北煤田镜质体反射率各向异性表现出了明显的分区性:东北部(推覆体外来系统)受逆冲推覆作用影响,煤层普遍遭受了强烈的构造变形,在深成变质作用外,还经历了动力变质作用,致使镜质体反射率值增高和各向异性增强;西部(原地系统—岩浆作用带),局部煤层经历了岩浆热变质作用,表现为Rmax值两级分化(1.24%~3.09%),此外,部分煤层亦发生了强烈的构造变形,导致煤岩各向异性普遍增强;中南部(原地系统—正常带)煤层主要受埋深变质作用影响,表现出较低镜质体反射率和较弱的煤岩各向异性。 (3)以淮北煤田临涣矿区为例,对三个不同采区的二叠系含煤地层进行了断层带面积信息维的分层计算,获得了不同开采层位的断层带面积信息维分布等值线图,并结合各煤层内构造状态和瓦斯含量对信息维的分布特征进行分析和评估。结果表明,断层带面积信息维的分维值较好地反映了断层的构造复杂程度,高分维值单元的构造相对复杂;大(中)型断裂穿过不同层位时,对应单元的分维值表现出较高的相似性;并且随着开采层位的加深,各煤层信息维的分维值从统计学特征上表现为均值减小、标准差增加。在此基础上,预测了临涣矿区深部未开发层位的断层带面积信息维分布特征,推测深部煤层中受到断层带影响的单元可能较少,但在局部单元会有密集的小断层,不利于煤层气(瓦斯)的逸散,因此具有较高的煤层气(瓦斯)丰度。 (4)结合构造—热演化与镜质体反射率各向异性特征,对两淮煤田煤层气的富集规律进行了探讨。两淮煤田可分为淮北煤田东北部(Ⅰ区)、淮北煤田西部(Ⅱ区)、淮北煤田中南部和淮南煤田(Ⅲ区)。其中Ⅰ区和Ⅱ区的煤层分别受到了推覆构造和岩浆活动的影响而发生强烈变形,构造煤发育,煤层变质程度较高,因此易发生瓦斯突出;Ⅲ区具有适宜的煤层埋藏深度,较好的煤层气成藏和封盖条件,煤层气(瓦斯)相对富集,同时煤岩经历的构造变形较弱,适宜煤层气资源和煤炭资源的开发。