鐵新井田煤層硫化氫成因研究

鐵新井田煤層硫化氫成因研究

　　微生物硫酸鹽還原作用指硫酸鹽被微生物硫酸鹽還原菌利用各種有機質或烴類還原，下面是小編搜集整理的一篇探究井田地質特征的論文范文，歡迎閱讀查看。

　　引言

　　中國對地層中硫化氫的研究始于油氣儲層[1-2],根據戴金星[3]提出的含硫化氫天然氣藏成因分類方案，可將硫化氫成因劃分為生物降解成因、微生物硫酸鹽還原成因、熱化學分解成因、硫酸鹽熱化學還原成因和巖漿成因等5種類型。陳安定[4]根據硫化氫的賦存環境、組成特征和熱還原反應模擬試驗，提出了高含硫化氫現象具備的基本地質條件：通常出現在氣藏邊、底水附近或密封條件極好的巖性、構造氣藏，在構造低部位或氣藏下傾方向也可出現。

　　根據文獻[5]可將煤中硫的聚集分為4各階段，依次為同生-準同生階段、早期成巖階段、晚期成巖階段和后生階段。朱光有[6]、江興福[7]、謝增業[8]等研究了四川盆地飛仙關組高含硫氣藏硫化氫的成因及分布特征。王潛[9]研究了遼河油田油井硫化氫產生機理及防治措施。酈宗元[10]等研究了烏達礦務局蘇赫圖礦煤體結構中的成分，發現該礦煤層硫化氫與煤巖中金屬硫化物的分布密切相關。傅雪海、王可新[11]等對棗莊八一煤礦硫化氫異常區段進行分析，認為燕山晚期煤和圍巖中含硫有機質和硫酸鹽巖在輝綠巖巖墻的熱力作用下，發生熱化學分解作用和熱化學還原作用是生成大量硫化氫的原因。

　　1、井田地質特征

　　鐵新井田處于山西中隆起、沁水拗陷霍西向斜北部，靈石-富家灘復背斜之北西翼，其東西兩側分別為霍西及汾西復向斜。井田內構造總體為開闊的背、向斜構造。其中，中南部為背斜構造，背斜北翼為向斜的南翼，傾向NE,傾角5°;背斜南翼傾向SE,傾角達8°左右，較為陡。北部為向斜構造，向斜北翼地層傾向SE,傾角5°。地表發育一條向斜和一條背斜，兩條正斷層及三個滑坡。

　　井田地層包括奧陶系、石炭系、上第三系上新統、第四系，其中奧陶系包括中統上馬家溝組和峰峰組，石炭系包括中統本溪組及上統太原組、二疊系下統山西組、下石盒子組及上統上石盒子組，第四系包括中、上更新統及全新統。井田內可采和局部可采煤層主要賦存于石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。

　　奧陶系中統上馬家溝組(O2s)，最小厚度為150m,以深灰色石灰巖、夾灰色泥巖和淺灰色白云灰巖為主，裂隙及小溶孔發育，多被方解石充填。

　　峰峰組包括峰峰組一段(O2f1)和峰峰組二段(O2f2)。

　　其中，一段(O2f1)以灰--淺灰色角礫狀及厚層狀石膏、泥灰巖、泥質白云及晶�；規r為主，厚97.50m,與下伏地層整合接觸;二段(O2f2)，以深灰色粉晶石灰巖或晶粒灰巖為主，厚60m左右，下部夾薄層泥灰巖或灰質白云巖，裂隙及小溶洞發育，多被方解石充填，與下伏地層整合接觸。

　　石炭系中統本溪組(C2b)沉積于奧陶系侵蝕面之上，與下伏奧陶系地層呈假整合接觸，厚19.60~23.34m,平均21.01m,主要由黑色泥巖、粉砂巖、淺灰-灰色鋁質泥巖夾巖屑石英砂巖及不穩定生物碎屑泥晶灰巖組成。底部鋁質泥巖具內碎屑或鮞狀結構，含大量黃鐵礦，有時含有鐵質團塊。

　　石炭系上統太原組(C3t)為井田內主要含煤地層之一，連續沉積于本溪組地層之上，厚度61.98~100.62m,平均79.19m,上部及下部為碎屑巖沉積，中部為海陸相交替沉積，發育四個沉積旋回。其巖性主要為灰黑色-黑色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，淺灰色巖屑石英砂巖，深灰色生物屑泥晶灰巖和煤層。含煤7層，其中9、10、11號煤為井田內主要可采的穩定煤層且為高硫煤。K2、K3、K4三層石灰巖，發育穩定，是全井田良好標志層。

　　二疊系下統山西組(P1s)為井田主要含煤地層之一，厚31.80~53.05m,平均43.35m,主要為灰黑色泥巖、粉砂巖和褐灰色含大量菱鐵質鮞粒及碎屑的巖屑石英砂巖及煤層組成。

　　2、井田地層沉積歷史

　　鐵新井田位于霍西煤田北部，該區域特殊的地質構造使成煤過程中富集了大量的硫化氫氣體，為研究鐵新礦硫化氫的賦存規律，有必要對該區域的地層沉積歷史進行研究。霍西煤田構造的主要骨架是由太平洋波系與地中海波系兩個方向地殼波浪在該區域相互疊加、交織形成，兩大系統地殼波浪的干涉和斜向剪扭作用，又派生一些其它構造，使構造變得異常復雜[12].表1為沉積地層表，綜合柱狀圖見圖1.從霍西煤田及周邊古老變質巖系的分布來看，兩個方向的地殼波浪運動在太古代、早元古代就已趨明顯。震旦紀以后，該區進入早古生代，呈現出一派陸海古地理景觀。寒武紀僅在其南緣保留有下寒武統，往北大部分地區缺失，僅發育不太厚的中、上寒武統。奧陶紀時期，由于較大規模的海侵，碳酸鹽巖系在全區普遍發育。鐵新井田在這時期發育了中統馬家溝組，地層為深灰色石灰巖、夾灰色泥巖和淺灰色白云灰巖，裂隙及小溶孔發育。

　　奧陶紀以后，華北殼塊整體隆起，經長期剝蝕、夷平后進入準平原化。之后在海西運動時期，在秦嶺構造帶和陰山構造帶強烈隆起的巨大影響下，華北地殼形成了一個規模宏達的大型波狀聚煤坳陷�；粑髅禾锸�炭二疊系含煤地層在這一時期發育。在中石炭世，霍西煤田南仰北伏，自東北迎進海水。在地殼頻繁波動下，海水屢進屢退，沉積形成了一套旋回明顯的海陸交替相含煤地層。晚石炭世，海侵局面1二疊紀時期，海水退去，山西地塊成為陸地。

　　霍西煤田處于相對平衡時期，堆積形成了山西組含煤地層，沉積形成了后期代表干早氣候的陸相碎屑。

　　到了中生代燕山期，地殼波浪運動形式受前侏羅紀地殼厚度增大和硬化程度提高的影響，也相應地發生了很大變化。從原來隆坳撓折的多具柔性褶皺的地殼波浪，逐步轉化為多具脆性斷裂的地塊波浪。在強烈的燕山運動后，汾河地背壟進一步褶皺隆起，一系列斷裂產生，發生了扭錯運動，并發動了多期巖漿活動，基本上奠定了霍西煤田半地塹一半地壘的構造格局。到了新生代，霍西煤田仍然繼續隆起，經剝蝕后頂部的三疊系地層基本消失。

　　3、鐵新井田煤層硫化氫成因

　　根據對鐵新井田地質特征、沉積歷史的分析，本區域含煤地層發育大量黃鐵礦、菱鐵質碎屑及奧陶系石膏地層，可以推測鐵新井田煤層硫化氫的形成主要為微生物硫酸鹽還原作用和硫酸鹽熱化學還原作用。

　　3.1微生物硫酸鹽還原成因

　　微生物硫酸鹽還原作用(BacterialSulfateReduction,簡稱BSR)指硫酸鹽被微生物硫酸鹽還原菌利用各種有機質或烴類還原，直接異化形成硫化氫[13].BSR成因的主要識別標志是成煤環境、熱演化史和硫同位素特征是，物質基礎則是海相、海陸交互相以及成巖階段的海侵，條件是熱演化史，主要表征是硫同位素[14].鐵新井田所在的霍西煤田既是在海陸交互相作用過程中沉積了大量的成煤成硫有機質，為硫化氫的生成提供了良好的物質基礎。

　　鐵新井田9#、10#煤層位于太原組中下部，這兩個煤層的直接頂板成分為灰巖，局部有薄層海相泥巖。其中，10#煤層富含黃鐵礦結核，底板為泥巖。兩煤層之間平均厚度約為20cm,層間主要為泥巖或粉砂巖。兩煤層聚積于濱岸帶的瀉湖潮坪環境，海水影響強烈，含硫量高達2.89%~2.91%,在硫聚集過程伴隨著硫化氫氣體的生成。

　　湯達禎等在研究華北晚古生代成煤沼澤微環境與煤中硫成因的關系時，發現受海水直接或間接影響的華北晚古生代煤，煤中硫聚集時間跨度大，含量偏高。在硫的聚集過程中，泥炭沼澤演化及其后續影響提供了充足的硫化氫。泥炭聚硫作用在體系開放和體系封閉狀態均有發生。在硫酸鹽還原菌作用下，SO42-被還原成H2S,活性的Fe2+與H2S反應生成鐵硫化物，過量的H2S與有機質反應生成有機硫，在這一過程中伴隨著大量的硫化氫氣體生成。

　　鐵新礦石炭系煤層頂板多為海相的石灰巖，在成巖階段生成了大量的黃鐵礦結核，同時生成大量硫化氫氣體，被上部蓋層保存下來。

　　3.2硫酸鹽熱化學還原成因

　　熱化學分解成因又稱為裂解型硫化氫[15],是指在熱力作用下煤中含硫有機化合物中的含硫雜環斷裂形成硫化氫。

　　根據文獻[3-5]對油氣田硫化氫生成的硫酸鹽熱化學還原反應(TSR)條件的研究，認為硫化氫生成需具備以下基本地質條件：物質基礎-地層中的含石膏層或含膏泥巖、含膏碳酸鹽巖;還原劑-烴類物質;較大埋深或較高的地溫條件;地層水作為介質和反應場所;嚴密的封存體系。高含硫化氫現象通常出現在氣藏邊、底水附近和密封條件極好的巖性、構造氣藏以及構造低部位或氣藏下傾方向。

　　TSR反應方程式：2--24222443222643224CH+3SO+2HO4CO+3HS+6OHCH+CaSOCaCO+HS+2HOCH+2CaSO2CaCO+HS+S+2HO→→→由上述方程式可以看出，TSR反應進行的最重要的兩個反應物是烴類和硫酸鈣溶液。硫酸鈣溶液來源有儲層本身、與儲層同期的側向地層、深部地層以及上覆蓋層。

　　奧陶系中統上馬家溝組中上部二、三段主要巖性為石灰巖夾薄層泥灰巖及白云質灰巖，巖溶裂隙發育，是奧陶系中統主要含水層段，為TSR反應提供必須的場所。鐵新井田產煤地層富含石膏礦，奧陶系中統峰峰組(O2f)主要由灰-淺灰色角礫狀及厚層狀石膏、泥灰巖、泥質白云及晶�；規r組成，厚97.50m,與下伏地層整合接觸。煤化過程中，高溫高壓下煤炭裂解產生了大量的甲烷、乙烯等烴類氣體，為TSR反應提供了重要的物質來源。

　　4、結論

　　(1)鐵新井田在霍西煤田北部，受太平洋波系與地中海波系影響形成波浪狀鑲嵌構造，主要煤系地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。

　　在地層沉積煤質演化的過程中，生成了大量的硫化氫氣體，其中一部分在煤系地層中儲層了下來，在煤炭開發中隨煤層采動逐漸涌出。

　　(2)鐵新井田煤層硫化氫的成因主要為微生物硫酸鹽還原成因與硫酸鹽熱化學還原成因。鐵新井田在海陸交互相作用過程中沉積了大量的成煤成硫有機質，煤系地層中含黃鐵礦結核。奧陶系峰峰組沉積了厚層狀膏鹽，煤化過程中生成大量的烴類氣體，為TSR反應提供了重要的物質來源。同時在硫酸鹽還原菌作用下，SO42-被還原成H2S,活性的Fe2+與H2S反應生成鐵硫化物，一部分硫化氫吸附在煤巖表面。

　　參考文獻：

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　　[3]戴金星。中國含硫化氫的天然氣分布特征、分類及其成因探討[J].沉積學報，1985,3(4)：109-120.DaiJinxing.Distribution,classificationandOriginofnaturalgaswithHydrogrnSulphideinChina[J].JournalofSedimentResearch,1985,3(4)：109-120.

　　[4]陳安定，李劍鋒，代金友.論硫化氫生成的地質條件[J].海相油氣地質，2009,14(4)：24-34.

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