地质历史分析

如前所述，包括本区在内的华北地区，从晚古生代至早中生代为一统一而稳定的巨型盆地，具有典型克拉通盆地的性质。研究区上石炭统至三叠系连续沉积，至今尚未发现岩浆活动的证据。由此表明，本区的海西期与印支期仍属同一构造旋回，大地构造具有地台的特征，晚古生代煤层埋藏历史第一阶段的古地热场属正常地热场范畴，煤化作用服从深成变质规律。

进入燕山早期以后，整个华北地区的构造分异作用加剧。但是，就整个华北地区而言，侏罗纪岩浆岩仅见于北缘的阴山—燕山地区和东缘的郯庐深断裂带，属陆壳型岩浆。然而，在研究区未见侏罗纪岩浆活动证据，该期古地热场特征未发生重大变化，晚古生代煤层埋藏历史第二阶段中的古地热场可能仍属正常地热场范畴。

燕山中期是华北晚古生代以来最重要的岩浆-热事件发生时期，地壳深部热流机制发生了变化，古地热场特征发生显著转变。在此期间，我国东部地质发展史经历了重大变革，上地幔物质强烈活动，并伴随剧烈的地壳运动。据中外学者研究，燕山中期直至老第三纪，太平洋北部的库拉—太平洋洋脊逐渐倾没于亚洲东部边缘岛弧之下，倾没的洋脊及洋脊两侧热板块的侧向扩张作用，使我国东部的构造应力场由北西向的挤压体制转变为北西向的拉张体制（时振良等，1973;Uyeda等，1974;Hilde等，1977；环文林等，1982）。在拉张体制的作用下，我国东部地区在原先坳隆相间的构造格局基础上发展为一系列大型的拉张性地堑。由于均衡调整，地堑发育地区地壳厚度变薄，地幔上拱，形成地幔隆起带。由于地壳变薄，导致深部热流向地壳浅部对流的强度增大；同时，随地壳的拉张，幔源物质上涌，深部岩浆沿深大断裂喷溢至地表或侵入地壳浅部，形成规模不等的附加热源。由此，创造了异常古地热场形成的地质条件。

研究区及其邻区同样存在着多处燕山中期岩浆活动的证据。区内西南角襄汾—浮山—翼城之间有闪长岩体大面积出露，面积达100余平方公里。岩体侵位于三叠系，上覆第三系上新统沉积，其钾-氩放射性同位素年龄分布于91～138Ma之间，主要集中在130～140Ma，即岩浆活动的鼎盛期持续了约10Ma（表1-2），属早白垩世岩浆活动的产物。在研究区东南边缘及外围的晋城、平顺一带见燕山期低温热液铅锌矿点，燕山期第二幕（早白垩世）具幔源岩浆性质的中-基性岩体分布在林县、辉县一带，燕山中期岩浆岩在东部外围的长治、左权及西北部外围的太原等地也有广泛分布。研究区内部不存在岩浆岩侵位于晚古生代以来沉积地层的现象，但在霍州东部的峪里、尉家垄、南峪等地见到穿插于太古宇霍县群混合岩化片麻岩中的燕山期闪云煌岩脉。

燕山中期的构造-岩浆活动背景，在研究区形成了异常古地热场，强大的地热流使区内沉积盖层的古地温梯度高达6℃/100m以上（下述），对晚古生代煤层在埋藏史第三阶段的煤化作用进程以及煤层气的生成与保存产生了深刻影响。异常古地热场作用的结果，在晚古生代煤系中形成了分布广泛的热液脉体，脉体中发育的流体包裹体的各种性质为研究异常古地热场的特征提供了可靠依据。

进入新生代以后，太平洋板块的运动方向发生变化，华北地区再次遭受北东东—南西西向的强烈挤压。此时，虽然仍残留一些表现为张性构造的地壳变形，但水平挤压应力场作用下的剪切构造已占主要地位，这对深部流体的大面积上涌起着某种程度的遏制作用。在这种大地构造背景之下，本区地壳逐渐冷却，古地热场逐渐恢复正常。

华北地区新生界岩浆活动主要发生于北部和东部边缘地带，沁水盆地东部外围的左权一带有沿北西—南东向分布的第四纪玄武岩产出，研究区内部未见新生代岩浆活动的证据。华北断陷盆地现代大地热流平均值为1.47HFU，平均地温梯度为3.71℃/100m（陈墨香，1988）。本区现代地热场的大地热流值为1.5～1.65HFU，地温梯度在3℃/100m左右（表4-1）。因此，研究区在新生代处于正常古地热场的作用之下。由于地温梯度减小，煤层埋深变浅，煤层受热温度和强度显著低于燕山运动中期。据煤化作用不可逆原理可知，本区晚古生代煤的煤化作用程度在埋藏历史的第四、第五阶段不会得以进展。换言之，研究区晚古生代煤层的煤级及其展布格局基本上定型于燕山中期的早白垩世。

显而易见，本区晚古生代以来的古地热场演化经历了以下四个发展阶段（表4-2）。

第一阶段，正常古地热场，对应于煤层在海西后期—印支期的快速埋藏阶段。随着煤层埋深的逐渐增大，煤级在地温升温率的作用下缓慢增高。

第二阶段，仍具正常古地热场的性质，出现于燕山运动早期，相当于煤层埋藏史的稳定或波动阶段。古地温温度虽随煤层埋深的波动而有所升降，但由于波动极小，故煤化作用几乎没有进展。

表4-2　山西南部晚古生代以来古地热场发展历史及阶段

第三阶段，异常高热地热场出现，发生于燕山运动中期，对应于煤层埋深显著变浅阶段。尽管煤层埋深显著小于第二阶段，但高地温增温率的存在致使煤层受热温度急剧增高，可能导致煤化作用得以长足发展，并有二次生烃作用显著发生。

第四阶段，古地热场恢复正常，从燕山运动晚期延续至现代，包括了煤层埋藏史的第四、第五阶段。由于煤层受热温度降低，煤化作用在这一阶段已经完全停止。