铁新井田煤层硫化氢成因研究

　　引言

　　中国对地层中硫化氢的研究始于油气储层[1-2],根据戴金星[3]提出的含硫化氢天然气藏成因分类方案，可将硫化氢成因划分为生物降解成因、微生物硫酸盐还原成因、热化学分解成因、硫酸盐热化学还原成因和岩浆成因等 5 种类型。陈安定[4]根据硫化氢的赋存环境、组成特征和热还原反应模拟试验，提出了高含硫化氢现象具备的基本地质条件：通常出现在气藏边、底水附近或密封条件极好的岩性、构造气藏，在构造低部位或气藏下倾方向也可出现。

　　根据文献[5]可将煤中硫的聚集分为 4 各阶段，依次为同生-准同生阶段、早期成岩阶段、晚期成岩阶段和后生阶段。朱光有[6]、江兴福[7]、谢增业[8]等研究了四川盆地飞仙关组高含硫气藏硫化氢的成因及分布特征。王潜[9]研究了辽河油田油井硫化氢产生机理及防治措施。郦宗元[10]等研究了乌达矿务局苏赫图矿煤体结构中的成分，发现该矿煤层硫化氢与煤岩中金属硫化物的分布密切相关。傅雪海、王可新[11]等对枣庄八一煤矿硫化氢异常区段进行分析，认为燕山晚期煤和围岩中含硫有机质和硫酸盐岩在辉绿岩岩墙的热力作用下，发生热化学分解作用和热化学还原作用是生成大量硫化氢的原因。

　　1 井田地质特征

　　铁新井田处于山西中隆起、沁水拗陷霍西向斜北部，灵石-富家滩复背斜之北西翼，其东西两侧分别为霍西及汾西复向斜。井田内构造总体为开阔的背、向斜构造。其中，中南部为背斜构造，背斜北翼为向斜的南翼，倾向 NE,倾角 5°；背斜南翼倾向 SE,倾角达 8°左右，较为陡。北部为向斜构造，向斜北翼地层倾向 SE,倾角 5°。地表发育一条向斜和一条背斜，两条正断层及三个滑坡。

　　井田地层包括奥陶系、石炭系、上第三系上新统、第四系，其中奥陶系包括中统上马家沟组和峰峰组，石炭系包括中统本溪组及上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组及上统上石盒子组，第四系包括中、上更新统及全新统。井田内可采和局部可采煤层主要赋存于石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。

　　奥陶系中统上马家沟组（O2s），最小厚度为150 m,以深灰色石灰岩、夹灰色泥岩和浅灰色白云灰岩为主，裂隙及小溶孔发育，多被方解石充填。

　　峰峰组包括峰峰组一段（O2f1）和峰峰组二段（O2f2）。

　　其中，一段（O2f1）以灰--浅灰色角砾状及厚层状石膏、泥灰岩、泥质白云及晶粒灰岩为主，厚97.50 m,与下伏地层整合接触；二段（O2f2），以深灰色粉晶石灰岩或晶粒灰岩为主，厚 60 m 左右，下部夹薄层泥灰岩或灰质白云岩，裂隙及小溶洞发育，多被方解石充填，与下伏地层整合接触。

　　石炭系中统本溪组（C2b）沉积于奥陶系侵蚀面之上，与下伏奥陶系地层呈假整合接触，厚19.60~23.34 m,平均 21.01 m,主要由黑色泥岩、粉砂岩、浅灰-灰色铝质泥岩夹岩屑石英砂岩及不稳定生物碎屑泥晶灰岩组成。底部铝质泥岩具内碎屑或鲕状结构，含大量黄铁矿，有时含有铁质团块。

　　石炭系上统太原组（C3t）为井田内主要含煤地层之一，连续沉积于本溪组地层之上，厚度61.98~100.62 m,平均 79.19 m,上部及下部为碎屑岩沉积，中部为海陆相交替沉积，发育四个沉积旋回。其岩性主要为灰黑色-黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，浅灰色岩屑石英砂岩，深灰色生物屑泥晶灰岩和煤层。含煤 7 层，其中 9、10、11 号煤为井田内主要可采的稳定煤层且为高硫煤。K2、K3、K4三层石灰岩，发育稳定，是全井田良好标志层。

　　二叠系下统山西组（P1s）为井田主要含煤地层之一，厚 31.80~53.05 m,平均 43.35 m,主要为灰黑色泥岩、粉砂岩和褐灰色含大量菱铁质鲕粒及碎屑的岩屑石英砂岩及煤层组成。

　　2 井田地层沉积历史

　　铁新井田位于霍西煤田北部，该区域特殊的地质构造使成煤过程中富集了大量的硫化氢气体，为研究铁新矿硫化氢的赋存规律，有必要对该区域的地层沉积历史进行研究。霍西煤田构造的主要骨架是由太平洋波系与地中海波系两个方向地壳波浪在该区域相互叠加、交织形成，两大系统地壳波浪的干涉和斜向剪扭作用，又派生一些其它构造，使构造变得异常复杂[12].表 1 为沉积地层表，综合柱状图见图 1.从霍西煤田及周边古老变质岩系的分布来看，两个方向的地壳波浪运动在太古代、早元古代就已趋明显。震旦纪以后，该区进入早古生代，呈现出一派陆海古地理景观。寒武纪仅在其南缘保留有下寒武统，往北大部分地区缺失，仅发育不太厚的中、上寒武统。奥陶纪时期，由于较大规模的海侵，碳酸盐岩系在全区普遍发育。铁新井田在这时期发育了中统马家沟组，地层为深灰色石灰岩、夹灰色泥岩和浅灰色白云灰岩，裂隙及小溶孔发育。

　　奥陶纪以后，华北壳块整体隆起，经长期剥蚀、夷平后进入准平原化。之后在海西运动时期，在秦岭构造带和阴山构造带强烈隆起的巨大影响下，华北地壳形成了一个规模宏达的大型波状聚煤坳陷。霍西煤田石炭二叠系含煤地层在这一时期发育。在中石炭世，霍西煤田南仰北伏，自东北迎进海水。在地壳频繁波动下，海水屡进屡退，沉积形成了一套旋回明显的海陆交替相含煤地层。晚石炭世，海侵局面1二叠纪时期，海水退去，山西地块成为陆地。

　　霍西煤田处于相对平衡时期，堆积形成了山西组含煤地层，沉积形成了后期代表干早气候的陆相碎屑。

　　到了中生代燕山期，地壳波浪运动形式受前侏罗纪地壳厚度增大和硬化程度提高的影响，也相应地发生了很大变化。从原来隆坳挠折的多具柔性褶皱的地壳波浪，逐步转化为多具脆性断裂的地块波浪。在强烈的燕山运动后，汾河地背垄进一步褶皱隆起，一系列断裂产生，发生了扭错运动，并发动了多期岩浆活动，基本上奠定了霍西煤田半地堑一半地垒的构造格局。到了新生代，霍西煤田仍然继续隆起，经剥蚀后顶部的三叠系地层基本消失。

　　3 铁新井田煤层硫化氢成因

　　根据对铁新井田地质特征、沉积历史的分析，本区域含煤地层发育大量黄铁矿、菱铁质碎屑及奥陶系石膏地层，可以推测铁新井田煤层硫化氢的形成主要为微生物硫酸盐还原作用和硫酸盐热化学还原作用。

　　3.1 微生物硫酸盐还原成因

　　微生物硫酸盐还原作用（Bacterial SulfateReduction,简称 BSR）指硫酸盐被微生物硫酸盐还原菌利用各种有机质或烃类还原，直接异化形成硫化氢[13].BSR 成因的主要识别标志是成煤环境、热演化史和硫同位素特征是，物质基础则是海相、海陆交互相以及成岩阶段的海侵，条件是热演化史，主要表征是硫同位素[14].铁新井田所在的霍西煤田既是在海陆交互相作用过程中沉积了大量的成煤成硫有机质，为硫化氢的生成提供了良好的物质基础。

　　铁新井田 9#、10#煤层位于太原组中下部，这两个煤层的直接顶板成分为灰岩，局部有薄层海相泥岩。其中，10#煤层富含黄铁矿结核，底板为泥岩。两煤层之间平均厚度约为 20 cm,层间主要为泥岩或粉砂岩。两煤层聚积于滨岸带的泻湖潮坪环境，海水影响强烈，含硫量高达 2.89 %~2.91 %,在硫聚集过程伴随着硫化氢气体的生成。

　　汤达祯等在研究华北晚古生代成煤沼泽微环境与煤中硫成因的关系时，发现受海水直接或间接影响的华北晚古生代煤，煤中硫聚集时间跨度大，含量偏高。在硫的聚集过程中，泥炭沼泽演化及其后续影响提供了充足的硫化氢。泥炭聚硫作用在体系开放和体系封闭状态均有发生。在硫酸盐还原菌作用下，SO42-被还原成 H2S,活性的 Fe2+与 H2S 反应生成铁硫化物，过量的 H2S 与有机质反应生成有机硫，在这一过程中伴随着大量的硫化氢气体生成。

　　铁新矿石炭系煤层顶板多为海相的石灰岩，在成岩阶段生成了大量的黄铁矿结核，同时生成大量硫化氢气体，被上部盖层保存下来。

　　3.2 硫酸盐热化学还原成因

　　热化学分解成因又称为裂解型硫化氢[15],是指在热力作用下煤中含硫有机化合物中的含硫杂环断裂形成硫化氢。

　　根据文献[3-5]对油气田硫化氢生成的硫酸盐热化学还原反应（TSR）条件的研究，认为硫化氢生成需具备以下基本地质条件：物质基础-地层中的含石膏层或含膏泥岩、含膏碳酸盐岩；还原剂-烃类物质；较大埋深或较高的地温条件；地层水作为介质和反应场所；严密的封存体系。高含硫化氢现象通常出现在气藏边、底水附近和密封条件极好的岩性、构造气藏以及构造低部位或气藏下倾方向。

　　TSR 反应方程式：2- -2 4 2 2 24 4 3 2 22 6 4 3 2 24 CH + 3SO + 2 H O 4 CO + 3H S+ 6 OHCH + CaSO CaCO + H S+ 2 H OC H + 2 CaSO 2 CaCO + H S+ S+ 2 H O→→→由上述方程式可以看出，TSR 反应进行的最重要的两个反应物是烃类和硫酸钙溶液。硫酸钙溶液来源有储层本身、与储层同期的侧向地层、深部地层以及上覆盖层。

　　奥陶系中统上马家沟组中上部二、三段主要岩性为石灰岩夹薄层泥灰岩及白云质灰岩，岩溶裂隙发育，是奥陶系中统主要含水层段，为 TSR 反应提供必须的场所。铁新井田产煤地层富含石膏矿，奥陶系中统峰峰组（O2f）主要由灰-浅灰色角砾状及厚层状石膏、泥灰岩、泥质白云及晶粒灰岩组成，厚97.50 m,与下伏地层整合接触。煤化过程中，高温高压下煤炭裂解产生了大量的甲烷、乙烯等烃类气体，为 TSR 反应提供了重要的物质来源。

　　4 结论

　　（1）铁新井田在霍西煤田北部，受太平洋波系与地中海波系影响形成波浪状镶嵌构造，主要煤系地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。

　　在地层沉积煤质演化的过程中，生成了大量的硫化氢气体，其中一部分在煤系地层中储层了下来，在煤炭开发中随煤层采动逐渐涌出。

　　（2）铁新井田煤层硫化氢的成因主要为微生物硫酸盐还原成因与硫酸盐热化学还原成因。铁新井田在海陆交互相作用过程中沉积了大量的成煤成硫有机质，煤系地层中含黄铁矿结核。奥陶系峰峰组沉积了厚层状膏盐，煤化过程中生成大量的烃类气体，为 TSR 反应提供了重要的物质来源。同时在硫酸盐还原菌作用下，SO42-被还原成 H2S,活性的Fe2+与 H2S 反应生成铁硫化物，一部分硫化氢吸附在煤岩表面。
　　
　　参考文献：

　　[1] Smith J W,Philips R. Isotopic study of coal associated hydrogensulphide[C]//Geochemistry of Sulfur in Fossil Fuels.American: AmericanChemical Society Symposium,1990:568-574.
　　[2] 沈平，徐永昌，王晋江，等。天然气中硫化氢硫同位素组成及沉积地球化学相[J].沉积学报，1997,15（2）：216-219.Shen Ping,Xu Yongchang,Wang Jinjiang,et al.Sulphur isotopic compositionsof Hydrogen Sulphides in natural gases and the sedinentary geochemicalfacies[J].Journal of Sediment Research, 1997,15（2）：216-219.
　　[3] 戴金星。中国含硫化氢的天然气分布特征、分类及其成因探讨[J].沉积学报，1985,3（4）：109-120.Dai Jinxing.Distribution,classification and Origin of natural gas withHydrogrn Sulphide in China[J].Journal of Sediment Research,1985,3（4）：109-120.
　　[4] 陈安定，李剑锋，代金友。论硫化氢生成的地质条件[J].海相油气地质，2009,14（4）：24-34.