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

王怀洪，沈立军，王东东，朱裕振，李增学，王勇军，毛 强

(1.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104；2.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东青岛 266590)

我国古生代地层中矿产资源类型多样、赋存状态和空间展布复杂、资源量丰富，特别是煤系矿产资源。煤系中常见到多种矿产富集的现象，岩浆的侵入有利于多种煤系共伴生矿产[1-2](煤炭、煤层气、煤系页岩气)生成和保存。煤系矿产资源划分为煤系能源矿产、煤系金属矿产和煤系非金属矿产[3]或含沉积层状与非沉积层状的固体矿产资源与流体矿产资源[4]。曹代勇等[5]从经济性、赋存特征、成因机制、物质相态、工业分类等方面，将煤系矿产资源划分为煤–能源矿产、煤–金属矿产、煤–非金属矿产3种组合类型。岩浆的侵入也有利于铁矿等金属矿产的形成和富集，其层位可以是煤系，也可以是煤系之外的地层。因此，在进行煤田地质勘探时，煤系及其上覆、下伏地层中的多种矿产资源综合勘探，越来越受到重视。

黄河北煤田古生代富集多种矿产资源，包括煤炭、煤层气、煤系页岩气及富铁矿。针对黄河北煤田，前人已开展大量基础研究工作，包括含煤地层沉积特征[6-7]、矿井地温分布情况[8]、煤层气、煤成气赋存情况和其主控因素[9-12]、煤系烃源岩潜力评价[13]、侵入的岩浆岩特征、空间分布特点以及对煤岩煤质的影响[14-17]、齐河–禹城地区矽卡岩型富铁矿研究[18-19]等。但受限于上覆巨厚的新生代地层、露头较少、研究方法局限等因素影响，目前的研究程度相对较低。

综上可知，研究区对煤层、煤层气、煤系页岩气以及富铁矿等单矿种的研究相对较为丰富，而将多种矿产纳入一个系统，针对其成因机制、富集规律等方面的研究较少。笔者以黄河北煤田为例，开展多矿产成因机制与富集规律等相关关系的研究，以期从成因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

1.1 构造区划

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[20]。大地构造位置为华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)泰山–济南断隆(Ⅳ)齐河潜凸起(Ⅴ)[8]。煤田整体为一地层走向NE的宽缓单斜，发育NE向宽缓褶曲(图1)。

1.2 地 层

黄河北煤田位于华北地层区–鲁西地层分区，仅黄河以南小范围出露寒武—奥陶系，其余均被第四系覆盖。地层由老至新为上太古界泰山岩群、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系、新近系及第四系。石炭–二叠系为含煤岩系，自下而上依次为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组。其中，石盒子组由于沉积过程中发生剥蚀作用，在黄河北煤田只残留黑山段和万山段。

区内构造基底由上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–早石炭世地层缺失；晚古生代由于地壳的震荡运动，在石炭–二叠系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，缺失三叠系沉积；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，尤其燕山晚期的岩浆活动，为矽卡岩型磁铁矿的形成提供了必要条件。侏罗系、白垩系在本区不发育，新生代地层广泛分布于本区。

图1 黄河北煤田地质构造简图Fig.1 Geological structure diagram of Huanghebei Coalfield

1.3 岩浆岩

本区岩浆岩分布较广泛(图1)，主要为中生代侵入岩，局部见火山岩。侵入岩分布在济南市区–历城–章丘北部地区，以中基性岩为主。区内常见岩浆侵入体存在于含煤地层和煤层中，在山西组和太原组内普遍有岩浆岩侵入，主要发育有3层，上层和下层为酸性岩浆岩，中层为中基性岩浆岩。

本区域中生代岩浆活动主要发生于燕山晚期早白垩世，以侵入岩为主，其他时代岩浆岩不发育。燕山晚期侵入岩分布较广，以中–基性岩为主，酸性岩次之。中–基性岩主要分布于济南地区，均划属为济南序列。济南序列以中基性为主，主要岩石类型为闪长岩类和辉长岩类，少量正长岩类、二长花岗岩类。该序列分布于济南、齐河–禹城地区，济南地区岩体主体呈椭圆形近东西向展布；齐河禹城地区岩体主体呈北西向哑铃型展布。该序列中基性岩浆岩与磁铁矿成矿关系密切，岩体边部与奥陶系、石炭–二叠系接触带部位为铁矿成矿有利部位，其分布不仅控制了磁铁矿体的产出，同时可能提供了铁矿成矿物质来源。酸性岩主要分布于齐河–禹城一带，多以岩床产状分布于石炭–二叠系中。

2 古生代多矿产发育特征

2.1 煤 炭

黄河北煤田石炭–二叠纪含煤地层总厚245 m，共含煤14层，其中1—5层煤赋存于山西组，6—14层煤赋存于太原组；可采和局部可采煤层为5、6、7、8、10、11、13等7层，可采煤厚4～9 m，平均5.5 m，可采煤层含煤系数2.2%[21]。可采煤层中，7、10、11、13等4层属于普遍发育的主要煤层，5、6、8煤层仅在黄河北煤田东部局部可采。13煤层属稳定的中厚煤层，全煤田普遍可采；11煤在煤田西部属稳定–较稳定煤层，其他煤层属较稳定–不稳定煤层(表1)。

黄河北煤田位于华北聚煤盆地的东部，石炭世，盆地经受反复的海侵、海退，沉积了碎屑岩、煤、石灰岩相间的若干沉积旋回；至晚石炭世，随着华北陆块的整体抬升，海水自北向南退出盆地，连续沉积了本溪组海陆过渡相含煤地层。早二叠世接受沉积的聚煤环境更不稳定，沉积了太原组海陆过渡相含煤地层和山西组陆相含煤地层。石炭系煤层总厚普遍在4～8 m，由东北向西南厚度逐渐变大；二叠系山西组煤层总体呈北薄南厚的趋势，总厚度一般2～4 m。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。

2.2 煤层气

煤层气是煤典型的共生矿产。煤层既是煤层气生成的物质基础，又是煤层气富集的载体。黄河北煤层气藏呈现“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”的特点。

一般情况，煤的吸附性主要受煤变质程度的控制，因此，煤级的分布基本上反映了区域上煤的吸附特性。煤田内各煤层变质程度主要受岩浆岩侵入影响，岩浆岩的分布情况控制着煤变质变化区域。上组煤层即7和10煤层的吸附能力较强，与国内同变质程度煤的吸附能力相比较基本一致。下组11、13煤由于多遭受岩浆岩侵入影响，特别是11煤在矿井内大部分区域直接遭受岩浆岩侵蚀，煤已经蚀变为天然焦，其吸附性反而大大降低。

黄河北煤田内煤层气资源潜力较大，煤层气资源相对有利区位于黄河北煤田南部的赵官和长清地区。有利区总面积为49.59 km2，主要发育5、7、10、11和13煤，煤层总厚度大于5 m，平均煤层含气量4 m3/t，煤层气资源丰度为0.313亿m3/km2。研究认为，煤层气多发育于构造相对简单，基本处于地下水滞流区，煤储层渗透性相对较好，储层压力较高的地区。

2.3 页岩气

黄河北煤田页岩气烃源岩主要为石炭–二叠系暗色泥页岩，与本区晚古生代含煤地层发育具有一致性，因此，着重展开石炭–二叠系研究。该地区石炭–二叠系含气层段厚度为52.83～97.10 m，平均84.8 m，区内西南部华集矿区、马坊矿区厚度较小，多小于60 m，西北部伦镇矿区、李屯矿区含气层段厚度较大，多在90 m以上。富有机质泥页岩埋深为414.05～1 290.55 m，北部张保屯矿区、二十里铺埋深较大，南部潘店矿区、赵官镇矿区埋深较小，总体发育趋势是西南部埋深较浅，向北逐渐加深。

黄河北煤田石炭–二叠系山西组、太原组泥页岩气藏呈现“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。根据山东省煤田地质勘察研究院(2003)勘探发现[22]，黄河北煤田页岩气资源总量为2 100.45亿m3。其中，有利区位于黄河北煤田中部潘店–齐河一带，面积1 076 km2，资源量1 075.77亿m3，资源丰度为1.0亿m3/km2；远景区分别位于黄河北煤田西南、西北和东部，面积1 354 km2，资源量1 024.68亿m3，资源丰度为0.76亿m3/km2(图2)。

2.4 富铁矿

黄河北煤田位于济南–金岭接触交代型铁矿成矿带以西，该类型铁矿与马家沟组灰岩、济南序列辉长岩关系密切。区内第四系覆盖层之下为石炭–二叠系、奥陶系等地层，奥陶系马家沟群碳酸盐岩为含煤地层的底板，也是接触交代型铁矿的重要控矿围岩；燕山晚期济南序列侵入岩发育，是接触交代型铁矿的成矿母岩。

黄河北煤田富铁矿的成矿地质体均为隐伏产出，据地球物理资料推断及少量钻孔揭露，推断了岩体的空间展布，岩体边部形成矽卡岩型富铁矿。岩体主要侵位于奥陶系和石炭系下部，最上侵入层位为二叠系石盒子群上部，石炭–二叠系月门沟群太原组和山西组则普遍侵入，现揭露富铁矿体主要位于石炭–二叠系地层与岩浆岩接触带部位。初步分析认为该岩体深部总体表现为岩基，并有一定规模的岩浆岩呈岩床或岩脉(图3)。

图2 黄河北煤田页岩气资源区划Fig.2 Shale gas resource area division map of Huanghebei Coalfield

图3 据钻孔揭露推断的近东西向地质剖面图Fig.3 Nearly east-west geological profile inferred from the borehole exposure

黄河北煤田铁矿成矿地质体主体为闪长岩，在闪长岩体内，还有辉长岩、闪长玢岩、二长斑岩、辉绿岩等岩脉侵入，岩脉的产出都晚于闪长岩体，但野外未见岩脉之间明显的穿插关系，因此岩脉之间的形成演化次序还有待深入研究。从目前所取得资料分析，本区脉岩大致可分为基性脉岩和中酸性脉岩两类，中酸性脉岩如闪长玢岩脉、二长斑岩脉，基性岩脉如辉长岩、辉绿岩。

3 岩浆侵入与古生代煤系矿产、富铁矿成因联系

3.1 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，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。

石炭–二叠纪地层中侵入的岩浆岩，大面积分布于研究区西部和东南部，其中，山西组和太原组含煤岩系中普遍遭受岩浆侵入。上层酸性侵入体侵入层位主要为山西组下段3、4煤层顶板以上，岩浆岩向SW、NE两方向逐渐变薄、尖灭。中层基性侵入体侵入的层位较稳定，为第5—9煤层，对7煤层破坏严重。侵入体的侵入范围除了西南部和东南部外，在袁庄井田、济西井田和毛庄井田均有中基性侵入体，侵入的层位以7煤层为主。下层酸性侵入体主要侵入太原组第11或13煤层。主要分布在西部旦镇、赵官镇、长清三区，西南至旦镇区中部尖灭，NE方向在长清区尖灭，正东方向至长清井田东北的边界断层F19，分布范围广。3层岩浆侵入体的叠合位置在长清井田、靳家井田和高王井田。

研究区内因受岩浆侵入影响，煤变质程度也不同，其镜质体最大反射率变化于0.613%～6.351%之间，相应地其变质程度属低、中、高阶段的烟煤、无烟煤、甚至部分变质为天然焦(表2)。从镜质体反射率可以看出：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类气体产生。

表2 黄河北煤田煤层镜质体反射率Table 2 Vitrinite reflectance of coal seams in Huanghebei Coalfield

赵官煤矿和长清井田5、7、10煤主要受区域岩浆热变质作用，局部为岩浆岩直接侵入。7和10煤层没有钻孔揭露其受岩浆岩直接侵入或吞蚀现象，根据地震解释资料，在矿区南部偏东部位煤层有被岩浆岩直接侵入或吞蚀迹象。从赵官煤矿、长清井田5、7、10煤层煤类分布可知：高变质煤主要分布在矿井中深部(图4)。

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。但11与13煤层距离较近，平均距离仅为6.87 m，受岩浆岩影响二者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5)。

3.2 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，煤田温度普遍增高，使煤层产生强烈的热力变质成气作用。

受岩浆热变质和接触变质影响，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[23]。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。

图4 赵官煤矿与长清井田7煤层煤类分布Fig.4 Coal class distribution of No.7 coal seam in Zhaoguan and Changqing Coal Mine

图5 赵官煤矿与长清井田11煤层煤类分布Fig.5 Coal class distribution of No.11 coal seam in Zhaoguan and Changqing Coal Mine

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，仅局部揭露的区域煤层气含量受到影响。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煤含气量普遍较低；7煤含气量也受影响，低于5煤和10煤含气量。

根据《中国煤层气资源》[24]一书中煤层气资源计算单元(块段)划分原则(即：“4/8线”原则)，以无水基煤层气(甲烷+重烃)含量4 m3/t和8 m3/t两条界线，将研究区煤层富气性划分为三级：贫甲烷煤层气含量(无水基)＜4 m3/t；含甲烷煤层气含量(无水基)4～8 m3/t；富甲烷煤层煤层气含量(无水基)＞8 m3/t。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。

3.3 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[25]。

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。目前普遍认为镜质体反射率(Rmax)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体反射率(Rmax)在0.72%～1.25%，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%，北部张保屯矿区、二十里铺矿区岩浆岩发育，镜质体反射率为1.0%～1.2%，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生成。

3.4 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系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，均分布在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形成于130 Ma左右，该时期正处于华北克拉通岩石圈减薄的高峰期(120～130 Ma)[26]，同时，中国东部同时期的双峰式岩浆岩的产出也说明了该时期处于拉张构造背景。在拉张背景下，幔源岩浆发育，在齐河–禹城、淄博金岭、莱芜张家洼等成矿岩体内，都发育有镁铁质捕虏体，且晚期还有大量辉长岩、辉绿岩脉侵入，都指示幔源岩浆的重要贡献。随着幔源岩浆的演化，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，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。

黄河北煤田富铁矿的成矿地质体均为隐伏产出，据地球物理资料及少量钻孔揭露，推断出岩体的空间展布，铁矿产区侵入岩体主要有李屯岩体、潘店岩体、大张岩体，主要以中基性侵入岩为主，其岩性以闪长岩为主(图1)。这些岩体控制了区内富铁矿体的产出，同时也为富铁矿成矿提供了物质来源。李屯、潘店、大张地区铁矿发育地段附近围岩蚀变及分带特征显著，岩矿石颜色变化明显。铁矿赋存形式多样，铁矿石品位均较高，均为矽卡岩型富铁矿。

3.5 岩浆侵入与多矿产成因模式

黄河北煤田石炭–二叠纪煤系中富集煤炭、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生成与成藏；同时，中生代岩浆侵入也控制着富铁矿的形成。因此，这些矿产之间存在不可分割的联系。

石炭–二叠系形成后，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，导致两大结果：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，形成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地产生了煤层气；泥页岩中分散的有机质热演化程度大幅升高，泥岩中不同程度地形成了页岩气。②岩浆岩侵入到奥陶系马家沟组灰岩地层中，形成接触交代型铁矿床。

综合分析研究发现(图6)，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；在铁矿床发育部位自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、孔隙率/孔径、有机质的热演化程度和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。

4 结论

a.黄河北煤田石炭–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“煤层累计厚度中等、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“泥页岩累计厚度大、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。

b.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。

c.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生成与成藏，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。建立了一种岩浆侵入导致多矿产资源共存的成因模式，可指导多种矿产共同勘探开发。