龔建明，張劍 （ 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島266071）

陳小慧 （長江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

廖晶 （ 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室；青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島266071）

李小豫 （青海煤炭地質(zhì)勘查院，青海 西寧810001）

賀行良 （ 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室；青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島266071）

蔣玉波 （中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島266100）

祁連山凍土區(qū)位于青藏高原北部 （見圖1），平均海拔4200m，連續(xù)凍土區(qū)的年平均地表溫度為－1．95℃，凍 土 層 厚 度 為 50．0～139．3m。其中，木里地區(qū)凍土層厚度約為60～95m［1］。2008～2009年，中國地質(zhì)調(diào)查局在祁連山木里凍土區(qū)成功鉆獲了天然氣水合物實物樣品，研究結(jié)果表明祁連山木里凍土區(qū)具有良好的天然氣水合物成藏條件［2～8］。

圖1 青藏高原烏麗和祁連山木里凍土區(qū)工區(qū)位置圖

烏麗凍土區(qū)位于青藏高原西南唐古拉山北麓，長江源頭沱沱河一帶。平均海拔4700m，年平均氣溫－3．6℃［9］，平均地溫梯度為2．06℃／100m，凍土發(fā)育。2012年青海煤炭地質(zhì)勘查院在該區(qū)鉆探了第一口天然氣水合物試驗孔ZK1。據(jù)統(tǒng)計，ZK1孔附近凍土層平均厚度約為60m。ZK1孔的疑似水合物樣品經(jīng)青島海洋地質(zhì)研究所實驗測試中心檢測，未發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。初步分析認為，烏麗水合物試驗孔地處縫合帶附近，構(gòu)造運動強烈，深大斷裂發(fā)育，區(qū)域蓋層在相當(dāng)范圍內(nèi)缺失，因此，不利于天然氣和天然氣水合物的保存。

為了分析祁連山凍土區(qū)與烏麗凍土區(qū)天然氣水合物成藏條件的差異，找出烏麗水合物試驗孔沒有發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的可能原因，筆者對二者所處的大地構(gòu)造位置、溫壓場特征、氣源條件等進行了對比，以期獲得烏麗凍土區(qū)天然氣水合物的主控因素，為探索凍土區(qū)天然氣水合物富集規(guī)律和勘探方向提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1．1 大地構(gòu)造位置

研究表明［10］，青藏高原是由相繼增生到亞洲大陸上的6個地體組合而成，其分界線為5條縫合帶 （見圖2）。烏麗凍土區(qū)緊鄰金沙江縫合帶［11］，位于羌塘地體北部邊緣。二疊紀(jì)末，羌塘地體與可可西里巴顏喀拉地體開始對接碰撞，三疊紀(jì)末，古特提斯洋關(guān)閉。區(qū)內(nèi)印支、燕山以及喜馬拉雅山運動強烈，深大斷裂發(fā)育［10］，有利于深部無機氣體向上運移和聚集。鉆探區(qū)地層隆升剝蝕嚴(yán)重，ZK1孔鉆遇地層主要有上二疊統(tǒng)，缺失三疊系、侏羅系和白堊系。同時，烏麗凍土區(qū)全新世斷裂十分發(fā)育，張扭性構(gòu)造裂縫與線性泉水群常見［12］。因此，大地構(gòu)造背景不利于天然氣的保存。

祁連山凍土區(qū)位于昆侖山地體的東北部 （見圖2）。自震旦紀(jì)以來，祁連山先后經(jīng)歷了大陸裂谷、洋底擴張、溝弧盆體系、造山等演化階段而形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局［13］。晚三疊紀(jì)末的印支運動使得整個祁連山地區(qū)抬升成陸，而早燕山運動又使祁連山局部拉張，形成了一些條帶狀的山間斷陷盆地，沉積了一套侏羅系的山間河、湖、沼澤相含煤碎屑巖建造［14］。祁連山凍土區(qū)斷裂構(gòu)造也十分發(fā)育，以NWW、EW走向的逆沖斷層為主。水合物鉆探區(qū)位于中祁連斷隆帶中的聚乎更礦區(qū)，大地構(gòu)造位置屬于中祁連陸塊北緣。

崔軍文等［15］研究認為，青藏高原各地體碰撞拼合的時間具有由北至南逐漸變新的特征，依次為印支期、燕山期和喜山期。位于北部的祁連山凍土區(qū)碰撞拼合的時間較早，而位于中南部的烏麗凍土區(qū)碰撞拼合的時間較晚，地層隆升剝蝕嚴(yán)重。因此，與處于縫合帶上的烏麗水合物鉆探區(qū)相比，祁連山凍土區(qū)晚期構(gòu)造活動相對較弱，中生代地層保存較全，烴源巖和區(qū)域蓋層保存較好，有利于天然氣水合物的成藏。

圖2 青藏高原地體構(gòu)造區(qū)劃圖

1．2 沉積環(huán)境與地層

烏麗凍土區(qū)主要發(fā)育了上二疊統(tǒng)和上三疊統(tǒng)。其中，上二疊統(tǒng)烏麗群那益雄組 （P3n）為海陸交互相碎屑巖建造；拉卜查日組 （P3lb）為淺海－濱淺海相碎屑巖和碳酸鹽巖沉積。試驗孔附近露頭區(qū)的上三疊統(tǒng)結(jié)扎群甲丕拉組 （T3jp）為淺海－濱淺海相碎屑巖，見小規(guī)模火成巖侵入；波里拉組 （T3bl）為淺海相碳酸鹽巖沉積；巴貢組 （T3bg）為海陸交互相含煤沉積，含可采煤層4層。由此可見，該區(qū)的沉積環(huán)境主要為濱淺海相到海陸過渡相，大量的含煤地層在過成熟的情況下可以形成較好的氣源層。

祁連山凍土區(qū)木里煤田聚乎更礦區(qū)出露的地層主要包括第四系、上侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)和上三疊統(tǒng)［2，16］，而水合物層主要分布于中侏羅統(tǒng)的含煤地層中。上三疊統(tǒng)以陸相碎屑巖建造為主，夾有海相石灰?guī)r薄層，與上覆侏羅紀(jì)地層呈平行不整合接觸。中侏羅統(tǒng)包括木里組 （J2m）和江倉組 （J2j），其中，J2m上段和J2j下段主要為湖沼相的含煤層段。上侏羅統(tǒng)為河流沖積環(huán)境。第四系分布廣泛，主要為冰水、洪積和冰川堆積物。整個祁連山凍土區(qū)不僅發(fā)育侏羅紀(jì)含煤地層［17］，而且還發(fā)育有4套已成熟的烴源巖：下石炭統(tǒng)臭牛溝組 （C1c）暗色泥 （灰）巖、下二疊統(tǒng)草地溝組 （P1c）暗色灰?guī)r、上三疊統(tǒng)尕勒得寺組 （T3g）暗色泥巖和侏羅系暗色泥頁巖［14，18］。它們?yōu)樵搮^(qū)提供了較為充足的氣源。

由此可見，與處于縫合帶附近的烏麗凍土區(qū)相比，祁連山凍土區(qū)沉積地層更全，沉積環(huán)境更優(yōu)，烴源巖更發(fā)育，有利于油氣，特別是天然氣的形成。

2 氣源成因?qū)Ρ?/h2>

據(jù)統(tǒng)計［19］，凍土區(qū)天然氣水合物以熱解成因氣為主 （δ13C＞－50‰），生物成因氣為輔。通過對祁連山凍土區(qū)和烏麗凍土區(qū)水合物試驗孔的氣體組分和碳同位素測試分析認為，二者具有截然不同的氣源成因。其中，烏麗凍土區(qū)水合物試驗孔的巖心和附近湖水中的氣體組分主要為無機成因的二氧化碳，而祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的氣源主要為有機成因的烴類氣體。具體分析結(jié)果如下：烏麗凍土區(qū)ZK1孔巖心頂空氣的天然氣測試結(jié)果為，氣體組分中CO2的平均體積分?jǐn)?shù)為98%，甲烷等烴類氣體僅占2%；茶措湖水中的天然氣的氣體組分CO2體積分?jǐn)?shù)為100%。氣體中CO2碳同位素值為－13．9‰～－1．18‰，主頻為－4‰ ～－6‰。另外，從烏麗86道班凍漲丘自行爆炸和62道班凍漲丘鉆孔鉆穿凍土后發(fā)生CO2爆炸的現(xiàn)象看［1，20］，凍土帶中溶解了相當(dāng)多的CO2。從氣體組分和同位素綜合分析認為，烏麗水合物鉆探區(qū)氣源成因主要為無機成因的CO2。

祁連山凍土區(qū)DK2孔巖心頂空氣測試結(jié)果顯示［4］，氣體組分主要為烴類氣體，其中，甲烷占96．6%，乙烷占3．3%，丙烷占0．1%。甲烷體積分?jǐn)?shù)最高，乙烷次之，最少為丙烷。綜合分析認為［8］，DK2孔的烴類氣體具有明顯的熱解氣特征。

二者氣體組分對比結(jié)果顯示，烏麗凍土區(qū)ZK1孔和祁連山凍土區(qū)DK2孔氣體組分差異巨大 （圖3），ZK1孔CO2含量很高，而甲烷等烴類氣體幾乎可以忽略不計，而DK2孔CH4含量很高，而CO2含量可以忽略不計。由此可見，二者在氣源成因特征上截然不同。

圖3 烏麗與祁連山凍土區(qū)頂空氣氣體組分對比圖

3 溫壓場對比

眾所周知，不論是海域深水區(qū)，還是陸域永久凍土帶，合適的溫壓場是天然氣水合物成藏的關(guān)鍵。對于凍土區(qū)天然氣水合物而言，氣體組分和地溫梯度是水合物形成與否及其厚薄的決定性因素［21］。

烏麗凍土區(qū)平均海拔4700m，年平均氣溫－3．6℃［9］，凍土層厚度約為60m，凍土層內(nèi)的地溫梯度平均為1．09℃／100m，凍土層下的實測地溫梯度為1．05℃／100m［22］。祝有海［23］通過烏麗凍土區(qū)實測氣體組分計算了天然氣水合物形成的溫壓條件，結(jié)果表明烏麗凍土區(qū)不僅能形成實測組分的天然氣水合物，甚至能形成純甲烷組分的天然氣水合物。筆者利用烏麗水合物試驗孔ZK1實測氣體組分 （φ（CO2）＝98%，φ（CH4）＝2%）進行了模擬計算，同樣也認為該地區(qū)具備形成天然氣水合物的溫壓條件 （圖4），且ZK1孔在90m （2．25MPa）以下就有形成水合物的可能。

祁連山凍土區(qū)的年平均地表溫度為－1．5～－2．4℃，凍土層厚度為50．0～139．3m［1，22］。據(jù)統(tǒng)計［21］，木里煤田33號鉆孔的海拔高程為4056m，凍土層厚度約為88m，該鉆孔的年平均地表溫度約為－2．6℃，凍土層內(nèi)的地溫梯度應(yīng)為3℃／100m，凍土層下的地溫梯度為2．2℃／100m，氣 體 組 分 中 CH4為 96．6%，C2H6為3．3%和C3H8為0．1% （表1）。祝有海［21］通過模擬計算認為，33孔基本具備形成天然氣水合物的溫壓條件。水合物穩(wěn)定帶位于171～574m，厚度403m。

從模擬結(jié)果來看，上述2個地區(qū)的溫壓場都能滿足天然氣水合物成藏的基本條件，但是，從表1中可以清楚看出，烏麗與祁連山凍土區(qū)在氣體組分、地溫梯度、凍土帶厚度等方面差別很大?？傮w來看，烏麗ZK1孔的溫壓條件明顯好于祁連山木里煤田33孔的溫壓條件，因此，單從溫壓條件來看，烏麗凍土區(qū)天然氣水合物的成藏條件要好于祁連山凍土區(qū)。

圖4 烏麗和祁連山凍土區(qū)不同氣體組分的水合物相平衡曲線

表1 烏麗凍土區(qū)ZK1孔和祁連山凍土區(qū)木里煤田33孔天然氣水合物形成的溫壓條件對比

4 結(jié)論

1）從構(gòu)造演化及沉積地層發(fā)育情況來看，烏麗凍土區(qū)ZK1孔因緊鄰縫合帶，深大斷裂發(fā)育，構(gòu)造活動更強，持續(xù)時間更久，地層剝蝕更嚴(yán)重，不利于天然氣及天然氣水合物的保存；而祁連山凍土區(qū)構(gòu)造活動相對較弱，地層保存較全，有利于天然氣及天然氣水合物的保存。

2）祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的氣源主要為有機成因的烴類氣體，而烏麗凍土區(qū)鉆孔巖心和湖水中的氣體主要為無機成因的二氧化碳。

3）從溫壓條件來看，烏麗凍土區(qū)和祁連山凍土區(qū)都滿足天然氣水合物的成藏條件，且前者好于后者。

4）構(gòu)造活動性和氣源成因可能是影響祁連山和烏麗凍土區(qū)天然氣水合物成藏的主要原因。由于ZK1孔緊鄰金沙江縫合帶，該區(qū)第四紀(jì)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，在整個烏麗凍土區(qū)并不具有代表性，因此，推測羌塘盆地腹部可能具有良好的天然氣水合物的成藏條件。

本文屬青海省治多縣烏麗地區(qū)天然氣水合物調(diào)查項目產(chǎn)出論文。

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