祁連山木里地區電性結構及天然氣水合物地質控制因素

何梅興，裴發根,2，方慧，張鵬輝，何大雙，張小博，呂琴音，仇根根

(1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊，065000；2.成都理工大學地球物理學院，四川成都，610059)

我國祁連山凍土區與極地地區的天然氣水合物在成藏條件和分布特征方面存在很大差異，如加拿大馬更些三角洲地區(Mackenzie Delta)地溫梯度小，凍土層厚度較大，天然氣水合物主要賦存在古近系碎屑沉積層內，氣體來源為熱成因氣，與常規油氣資源共生，水合物飽和度高[1-3]。而祁連山地區屬中緯度高海拔凍土區，地溫梯度大，凍土層相對薄，水合物主要賦存在中侏羅統江倉組，地層產狀陡、斷裂發育，水合物埋深淺、飽和度低[4]。相比極地地區，祁連山凍土區的天然氣水合物成藏條件較差，礦體規模小，成藏規律更加復雜。在木里聚乎更煤礦區三露天井田內26 口天然氣水合物鉆探井中，其中11 口鉆井鉆獲的天然氣水合物呈不連續分布，規律不明顯[5-7]，這導致了水合物資源勘探難度大，亟待加強研究該區有關天然氣水合物不均勻性分布的地質控制因素等基礎性問題。

前人從地層巖性、氣源類型、斷層破碎帶和凍土層屬性等角度探討分析了與天然氣水合物分布的規律，認為斷層是最主要控制因素，氣源成因類型、凍土層的構成及巖性對水合物均有一定影響[5,8]。但這些分析主要基于有限鉆井巖心的測試結果，木里地區地質情況復雜，鉆井資料有限，還缺乏天然氣水合物與其成藏控制因素的整體認識，而且涉及的地球物理資料有限，因此，對天然氣水合物空間分布與主要控制因素的對應關系認識還不足。

針對天然氣水合物分布規律不明顯與地質控制因素不清等問題，在以往工作基礎上，從木里三露天的電性結構與天然氣水合物分布關系的角度，綜合分析音頻大地電磁測深結果，探討該區天然氣水合物運移通道和凍土層分布等對天然氣水合物分布的控制作用，為進一步研究青藏高原凍土區天然氣水合物成藏機制和下一步勘探開發提供借鑒與參考。

1 地質概況及地球物理場特征

圖1所示為祁連造山帶構造單元分布。由圖1可見：研究區處于中祁連構造帶中西部，石炭紀—二疊紀，區域接受了一套海相和海陸交互相沉積，三疊紀受印支運動影響，地層隆升剝蝕，侏羅紀的燕山運動導致局部拉伸，沉積了一套煤系地層。晚中生代的燕山運動構造抬升，沉積面積萎縮，白堊系被剝蝕而保留了部分侏羅統。自新近紀以來，受喜馬拉雅運動的影響，祁連山地區處于強烈擠壓構造應力區，發生了大幅度的地殼縮短、抬升和旋扭。天然氣水合物發現區木里坳陷聚乎更礦區主要由2個向斜和1個背斜構成的復向斜構造組成[9-11]。

圖1 祁連造山帶構造單元分布Fig.1 Distribution of tectonic units in Qilian orogenic belt

根據祁連山重力場特征，研究區可劃分為北祁連重力高值梯度帶、中祁連重力場過渡帶和南祁連重力場平緩區，前2個區總體呈北西—南東走向重力梯度帶，祁連山西南部重力低反映了地殼增厚，東北至西南莫霍面逐漸加深，最深處位于祁連山西南部[12]。航磁異常分布特征顯示祁連山東、西兩段基底巖系出露區磁異常強度為50～250 nT，中部晚古生代—早中生代分布區磁異常強度為-25～-75 nT，磁異常強度差異性表明中部基底埋深大，可能存在北東方向的基底隱伏斷裂[13]。

2 工作方法

在天然氣水合物地球物理調查中，電磁法勘探是一種重要的方法手段，該方法根據水合物儲層與圍巖之間的電阻率差異，推斷天然氣水合物賦存位置[14]。在青藏高原地球物理方法有效性對比實驗中，該方法對于天然氣水合物形成、運移和封堵所需要的斷裂構造和凍土蓋層也有較好的探測效果[15]。

2.1 數據采集

測區位于木里坳陷聚乎更礦區三露天井田，測線穿過多個天然氣水合物鉆井，完全覆蓋了已發現水合物區域。測線南端跨越了大通山北緣主控斷裂，測線方向垂直于北西-南東向的背斜構造，如圖2所示。音頻大地電磁測深(AMT)采用五分量張量測量方式，即同時測量天然電磁場5個分量(電場分量Ex和Ey；磁場分量Hx，Hy和Hz；其中，x，y和z為觀測坐標系統方向)，布設采用正“十”形測量裝置。

圖2 木里坳陷三露天音頻大地電磁測點與地層分布圖Fig.2 AMT measuring points and stratigraphic distribution

2.2 數據處理

對采集的音頻大地電磁測深電場和磁場時間序列進行頻譜分析，采用Robust 方法估算了實測坐標系的阻抗張量元素，為了更好地對比觀測結果，進行了二維和三維反演。由于大地電磁信號信噪比低和信號干擾，導致某些頻點的數據誤差較大，甚至一些頻點或頻段發生了畸變，在數據反演之前先進行主軸旋轉、測線圓滑和靜態校正等預處理。結合地質情況，選定TM模式二維反演結果作為剖面解釋依據。

三維反演采用SIRIPUNVARAPORN 教授在Occam反演算法基礎上改進的數據空間算法[16]，該算法將模型空間轉換到數據空間，數據遠小于模型參數數據，極大地減小了反演的計算量。三維反演采用測區完成的AMT 測量189 個測點，點距為100 m，面積約為6 km2，三維模型網格x，y和z軸分別剖分為45，51和25個單元格，邊界網格數為5 個，水平方向單元網格長×寬(x×y)為100 m×100 m，深度(z)單元網格首層為20 m，以1.05倍數遞增，有效反演深度為1 000 m，反演迭代10 次，反演擬合誤差為1.53%。

3 研究區電性特征

3.1 地層電性特征

祁連山木里地區中侏羅統江倉組下段的下部及其下伏的木里組均為相對高阻的含煤地層，砂巖、粉砂巖為次高阻，中侏羅統江倉組下段的上部泥巖地層為低阻特征，上三疊系砂巖、含煤層為中高阻特征。含天然氣水合物地層段均表現出較明顯高電阻率特征，凍土層和水合物賦存帶與相同巖性非水合物賦存帶相比表現出相對高阻特征，各地層的電阻率差異為電磁法試驗提供了物性條件。

3.2 研究區整體電性結構

圖3所示為木里三露天三維電性結構模型。由圖3可見，高阻異常區對應為三疊系和木里組含煤地層，主要分布在水合物區西南部和東北部，地層巖性相對完整。低阻異常主要對應侏羅系泥巖、油頁巖，范圍主要分布在中東部，含泥巖、頁巖的侏羅系和斷裂構造較為發育。整體電性特征與地質構造特征具有較好對應，表現為“東西向分塊、南北向分帶”的特征。

圖3 木里三露天三維電性結構模型Fig.3 Three-dimensional electrical structure model in Sanlutian of Muli area

4 天然氣水合物地質控制因素

4.1 氣源

木里凍土區天然氣水合物以熱解成因氣為主，微生物成因氣較少[17]，但對熱解成因中是油型氣還是煤型氣還存在分歧。從天然氣水合物氣體組成和同位素基本特征分析，烴類氣體主要是油型氣[18]。但如果根據天然氣水合物在煤系地層的賦存狀態、碳同位素和氣體組成，則指示為煤成氣[19]。氣源對比表明中侏羅紀泥巖暗色泥頁巖和晚三疊世尕勒得寺組暗色泥巖是主要的烴源巖，中侏羅統與上三疊統烴源巖是今后的主要目標層[20]。在氣源分布差異方面，三露天的鉆井中巖心顯示，烴類氣體有效供應量從西至東逐次變差[5]，氣源的有效供應狀況可能決定了天然氣水合物分布的差異性。

4.2 斷裂構造

燕山期木里地區受區域擠壓應力作用，主要斷裂性質由張性轉變為壓性，南側發育規模較大的逆沖推覆斷裂F1和F2[21-23]，控制著坳陷南邊界。在電阻率剖面上反映了逆沖推覆構造的電性特征，表現為低阻異常和高阻異常傾向一致向西南傾斜，反映了斷層向北逆沖，傾向為西南，根據低阻異常特征反映的逆沖斷裂，可以劃分出主斷裂F1 和F2，目前發現的水合物主要分布主斷裂附近，構造控礦明顯。

圖4所示為L01 與L02 測線電阻率剖面的低阻異常帶電性特征。由圖4可見，從西至東F1 和F2推覆斷裂產狀及規模不同，總體特征為發育規模變小，傾角變陡，推覆距離變小。推覆斷裂的發育規模、傾角和推覆距離對水合物成藏都有控制作用，推覆斷裂弧形前鋒附近斷裂最為發育，F1和F2 組成的斷距最大，該處還發育北東向平移斷裂，形成了該區斷裂構造發育區，傾角較東部小，推覆距離較遠，鉆孔發現的水合物最多集中在該區，說明該處相對低角度的推覆斷裂起著封堵作用，為烴源巖地層提供了保存條件，烴類氣體最富集，同時提供了運移和成藏空間，在溫壓條件下，形成了天然氣水合物分布集中區。因此，破碎帶發育的規模大、傾角小和推覆距離遠的推覆斷裂前鋒區域對水合物成藏更有利。

圖4 木里三露天AMT測線電性斷面及綜合地質解釋圖Fig.4 Resistivity profile and comprehensive interpretation of AMT survey line in Sanlutian of Muli area

圖5所示為三露天測區電阻率深度切片圖。由圖5可見：測區區西南部存在1 條明顯的北西-南東走向的低阻異常帶，與大通山北緣斷裂構造方向一致，根據北西-南東方向的低阻帶可推測斷裂發育情況。從淺部(埋深為-187 m)到深部(埋深為-853 m)，低阻異常發育范圍逐漸擴大，表明了深部斷裂發育規模逐漸變大，推測斷裂構造發育深度大于1 000 m。從深部(埋深為-583 m)到淺部斷裂走向上，存在局部高阻阻隔區，破碎帶連通性逐漸變差，表明了木里坳陷南部主斷裂在走向與垂向上分布的差異性。

由圖5可見，淺部方向約為北偏西45°，深部方向約為北偏西60°，說明主斷裂深淺存在角度差，表明在推覆作用下，主斷裂從深部北西西向旋轉至淺部北西向。從地表地質情況可知，DK3處為弧形推覆構造的前鋒，測區處于弧形推覆構造的東側，結合電性特征和推覆作用差異性，主斷裂構造附近存在2 處局部低阻異常區，推斷為2個斷裂破碎通道，分別在DK3和DK8-19附近，其中DK3 附近范圍內發育規模較大。斷裂通道與水合物發現區有較好的對應性，說明斷裂通道對水合物分布起了重要控制作用。在測區中部(DK10-16和DK10-18附近)區域，中淺部對應為中高阻地層，缺乏貫穿深部的斷裂通道，應是未鉆遇水合物的原因之一。

圖5 三露天測區電阻率深度切片圖Fig.5 Resistivity depth slice diagram in Sanlutian of Muli area

為分析斷裂破碎帶的連通情況，建立了電性結構體小于30 Ω·m的三維等值面圖，如圖6所示。由圖6可見：測區存在破碎帶構成的2個“氣煙囪”通道，通道位置及鉆遇水合物井的分布有較好對應性。測區也發育泥頁巖低阻層，根據“氣煙囪”通道形態可推測低阻通道應該是低阻泥巖層和斷裂破碎帶兩者的綜合反映。“氣煙囪”通道呈下寬上窄形態，通道延伸至深部，從深及淺發育2 個“氣煙囪”式的斷裂通道，該通道與已發現的水合物鉆孔對應性較好，說明了烴類氣源沿著“氣煙囪”通道運移并成藏。

圖6 三露天測區三維電阻率等值面與氣源通道Fig.6 Three-dimensional electrical structure model and source gas channel in Sanlutian of Muli area

4.3 凍土層

凍土層具有致密性高和通透性差的特點，可阻止烴類氣體向上遷移至空氣中，穩定分布在地表的凍土層。木里地區海拔一般為4 000～4 300 m，年平均地表地溫最低為-2.4 ℃，地表凍土發育。祁連山木里地區具有豐富烴類氣體，氣源條件良好，凍土條件已成為天然氣水合物成藏的關鍵因素之一[24]。

由于凍土層含冰量高，具有地表上連續或間斷分布的高電阻層特征，應用音頻大地電磁測深探查凍土層應用效果良好。依據音頻大地電磁測深獲取的天然氣水合物底板埋深及厚度，與鉆井實測的凍土層厚度和底板埋深基本一致，結合音頻大地電磁測深和高密度電法結果表明該區凍土較發育，平均厚度約82 m。

圖7所示為三露天實驗區永凍土底界厚度分布圖。由圖7可見：大通山北坡水合物分布區DK13-11 至DK10-17 范圍凍土層相對發育，DK10-16 至DK10-18的東部凍土層發育差。總體上三露天凍土以島狀形態分布，西南部發育，東部發育差。受地形影響，地表水流向具有方向性，大通山北坡向三露天的地表水流向大致向DK11-14 至DK-10區域，地表水聚集區凍土層發育，可能是造成該區凍土層發育主要因素。除此之外，凍土層發育還受高程、地形和巖性等因素影響，三露天凍土層發育的不均勻性，在一定程度上限制了水合物成藏的有利空間。

圖7 三露天實驗區永凍土底界厚度分布圖Fig.7 Distribution of thickness of permafrost in Sanlutian of Muli area

5 成藏模式探討

天然氣水合物主要在氣源、構造和凍土層之間耦合機制體系下成藏[25-27]，水合物鉆探顯示天然氣水合物產出層段多為零星、空間不連續分布，天然氣水合物成藏機理復雜。侏羅系下伏的烴源巖的生排烴時間在距今90～100 Ma，而距今1.2 Ma才開始發育高原凍土，天然氣水合物形成于距今1.2 Ma之后[20]，這期間喜山運動導致祁連山地區遭受了強烈的地殼壓縮、隆起和剝蝕等，地層改造強烈，油氣保存條件相對差，烴源巖的完整性和圈閉構造是水合物成藏的關鍵因素。

依據低阻異常范圍的深度，大通山北緣斷層發育深度大于1 km，側面說明了氣源來源于中深部，推測來自于約1 km 深度或更深處。在三露天天然氣水合物測區斷層連通性方面，斷層已連通深部至淺部，存在2個“氣煙囪”通道，水合物發現區域與斷層通道分布吻合，遠離“氣煙囪”通道的水合物鉆井未鉆遇水合物。如DK6 和DK9 鉆井對比(圖8)，地層巖性都含泥巖、油頁巖等烴源巖層，應該都具備了生成天然氣水合物的氣源條件，DK9 鉆井位于“氣煙囪”通道上方，凍土層厚度約100 m，而DK6遠離“氣煙囪”通道，凍土層厚度只有65 m，DK9 在氣源通道和凍土層封閉條件都比DK6 有利，DK9 鉆井鉆遇了3 層含水合物層，表明水合物成藏與“氣煙囪”通道及凍土層分布密切有關，缺乏氣源通道運移和凍土封閉條件是造成水合物不均勻性分布的主要因素。

圖8 水合物鉆井測井曲線與水合物分布圖Fig.8 Hydrate well logging and hydrate distribution

圖9所示為祁連山木里凍土區天然氣水合物成藏模式。木里地區斷陷接受侏羅系沉積后，受燕山后期區域壓應力場作用下，中生代地層開始褶皺變形，隨著喜山期擠壓作用的加劇，坳陷南北兩側發育對沖的逆沖斷層，形成了褶—斷組合形態，在三露天的南部大通山北緣發育了北西西走向的疊瓦狀由南向北逆沖斷層，傾向南西。斷層逆推過程中，因侏羅系中發育低強度、高塑性的煤和泥巖層等軟弱層位，三疊系沿著軟弱滑脫層發生逆沖推覆。從三露天地層分布可知，受局部應力和軟弱層位分布差異，逆沖斷層平面分布形態呈弧形，弧形前鋒推覆距離至少1 km，天然氣水合物主要位于應力集中的逆沖斷層前鋒帶下盤，擠壓作用下形成大量逆沖斷層，易形成巖性圈閉，三露天天然氣水合物控礦構造樣式以逆沖前鋒型為主。

圖9 祁連山木里凍土區天然氣水合物成藏模式Fig.9 Pattern for gas hydrate accumulation Muli area in Qilian mountain

6 結論

1)木里三露天測區發育2 個“氣煙囪”通道，主要由斷裂破碎帶構成，該通道呈“下寬上窄”形態，淺部斷裂通道與深部斷裂連通，該通道與已發現的天然氣水合物鉆孔對應性較好，指示烴類氣源沿著“氣煙囪”式的斷裂通道運移并成藏。

2)據音頻大地電磁法反演結果得出木里三露天測區整體三維電性結構模型，測區整體電性特征以“東西向分塊、南北向分帶”為主，反映了地層及地質構造特征。

3)木里三露天天然氣水合物主要位于逆沖斷層前鋒帶下盤，控礦構造樣式以逆沖前鋒型為主，木里三露天天然氣水合物空間分布不連續，斷裂通道及凍土層共同作用下可形成水合物成藏有利條件，天然氣水合物分布具有“逆沖推覆前鋒帶、斷裂破碎帶和凍土層發育區”的規律。