根河盆地水合物成矿条件研究

2014-03-25梁文君肖传桃叶明

长江大学学报(自科版) 2014年13期

梁文君，肖传桃，叶明

（油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北武汉 430100）

天然气水合物是一种在低温高压条件下，主要由甲烷气体（也有某些挥发性液体）与水相互作用形成的白色固态结晶物质，也称可燃冰［1］。天然气水合物储量十分丰富，广泛分布于近大陆边缘的海底和多年冻土区［2］。因为巨大的能源意义以及对气候、环境的影响，这种化合物已成为当代科学研究的热点。目前，仅俄罗斯、美国、加拿大证实并评估了多年冻土区天然气水合物资源量。我国先后在南海和祁连山多年冻土区发现天然气水合物，但对高纬度多年冻土区的天然气水合物的研究程度较低。

根河盆地位于内蒙古自治区东北部呼伦贝尔盟境内，横跨额尔古纳左旗、鄂伦春自治旗及黑龙江省呼玛等地。区域上森林广布、水系纵横、年气温低，属于高纬度多年连续冻土分布区，理应具有天然气水合物形成的良好条件。但由于根河盆地勘探程度极低，关于其天然气水合物的形成、分布及研究的相关报道迄今尚未见到。为此，笔者从对天然气水合物形成至关重要的区域构造及地层充填等区域地质背景分析入手，结合多年冻土厚度与地温条件、烃类来源、圈闭条件，探讨了根河地区天然气水合物的形成、分布及成藏潜力。

1 区域地质背景

根河盆地位于东北地区永久冻土带内。盆地范围东到鄂伦春自治旗－林海，西起牛尔河镇－满归镇一线。南到额尔古纳左旗－托扎敏努力图一线，北临呼玛河上游一带。盆地东西宽约120km，南北长约225km，面积约26630km2［3］。中晚侏罗世，在北部蒙古－鄂霍茨克洋及东部那丹哈达洋关闭的过程中，持续的挤压作用使其周围诸地块的地壳进一步缩短，形成一系列具有狭长不对称构造样式的弧后前陆盆地［4］，根河盆地便属于其中之一。早白垩世，东北地区进入板块俯冲、热幔柱上拱阶段，发生大面积火山喷发，形成了众多北东向的弧内断陷盆地，发育盆岭构造。此时沉积中心众多，在西部大兴安岭地区的大杨树、根河、拉布达林等地区发育了2套火山岩夹1套沉积岩的二元沉积建造，厚度在1000～3000m之间。通过野外研究也发现根河盆地所在的内蒙－兴安岭褶皱系兴安岭褶皱带内发育多条北东向韧性剪切带［5］。该盆地中部的一个隆起把盆地分为西、东部2个坳陷，盆地的西界和东界分别由德尔布干断裂和大兴安岭西部深大断裂所界定［6］。

2 盆地充填序列及岩相古地理

根河盆地发育在海西褶皱基底之上，主要形成于晚侏罗世和白垩纪，以发育火山岩为主，同时有多套沉积岩发育。在参考前人研究的基础上［7－8］，将盆地地层序列划分如下:古生代，根河盆地属于兴安地层区中的额尔古纳地层小区；中生代，属于大兴安岭－燕山地层分区中的博克图－二连浩特地层小区。其中石炭纪地层自下而上依次为红水泉组、新伊根河组［7］。红水泉组为一套弧后盆地沉积，是一套类复理石建造，由杂砂岩、砂板岩、碳酸盐岩及凝灰岩组成。这反映物源的多样性。总体来看，是在相对比较浅和相对比较稳定的海水环境中形成的［9］。新伊根河组以平行不整合覆于红水泉组之上，底部以砾岩为标志，是一套类似于磨拉石－杂陆屑式组合地层，产安加拉型植物化石，顶部常被中生代火山岩覆盖。由于晚石炭世海域缩小且盆地边缘伴随火山活动，属后弧湖盆沉积［10］。在根河盆地内缺失二叠纪，三叠纪的地层仅有零星出露。根河盆地所在的大兴安岭地区因属环太平洋火山活动带，火山活动剧烈，侏罗系主要是由一套厚度大、岩性和岩相变化复杂的火山岩和沉积岩组成［7，11］。地层序列自下而上依次为下侏罗统红旗组；中侏罗统万宝组、塔木兰沟组；上侏罗统满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组和梅勒图组［12］。其中，红旗组主要以河流相、河漫滩及湖相碎屑堆积的含煤层系组成，产植物化石。万宝组岩石组合为一套河流－湖沼相碎屑岩沉积，产植物化石［13］。在盆地边缘分布着白垩世地层，包括大磨拐河组和伊敏组、二连组等沉积岩层。此外，根河盆地古近系、新近系地层不发育［14］。

3 天然气水合物特征

3.1 多年冻土的厚度及地温条件

因为标准的地表温度梯度约为20℃／km，所以甲烷水合物只能形成于地表温度低的地区。根河盆地多年平均气温－3.1～－5.3℃，最热的七月平均气温18.5℃，极端最高气温31.5～36.6℃，最冷的1月平均气温－30.9～－27.3℃，极端最低气温－46.2～－49℃；年结冻期210d以上［15］。由此可见，根河盆地多年冻土区已具备天然气水合物形成的温度条件。其次，根河盆地沉积盖层厚度为1400m，根河盆地以北是大片连续多年冻土地区，一般1～2m下即为冻土层，厚度为80～120m。每年春夏之际，气温升高，地表融化深度为l～2.5m，下部仍为永冻层［16］。这与已发现天然气水合物的我国祁连山地区极为接近，因而该地区的冻土厚度和地温条件能满足天然气水合物形成的基本要求［17］。

3.2 烃类来源

在石炭纪地层中，红水泉组零星分布于根河盆地南部的图里河镇、西尼气镇等地，在额尔古纳地层小区，红水泉组为一套碎屑岩与碳酸盐岩互层沉积，其中，黑色、黑灰色泥岩和页岩较发育（根河西尼气镇剖面厚度达400m以上，暗色泥岩超过300m）。由于根河盆地资料较少，而大庆探区的西部盆地群发育多个地质条件相似的盆地，彼此间有着密切的成因联系，其发展与演变都有很多相似之处。现以松辽盆地周边盆地整体为例进行简述，松辽盆地周边野外露头样品的有机质丰度相对较低，大多数样品的总有机碳含量（TOC）分布在0.2%～1.0%。综合分析周边地区各层位的有机碳值，发现石炭系红水泉组的有机质丰度较好，能够为油气生成提供物质基础，可作为生油气源岩。干酪根镜检结果表明，石炭系烃源岩的有机质类型几乎全部为III型。因此，石炭系烃源岩即使在生烃高峰阶段，可能也以生气为主。此外，野外露头也证实石炭系烃源岩的热演化程度较高。因此，石炭纪的红水泉组可提供充足的气源。但是新伊根河组的烃源岩发育一般，只有一定厚度的板岩［12］。侏罗纪地层中，红旗组、万宝组均含煤层，具有一定的生烃能力。白垩纪地层中，伊敏组发育湖、沼相粉砂岩、暗色泥岩、细砂岩及煤层［17］，二连组为泥质砂岩、泥岩夹泥灰岩组合，也具有一定的生烃能力。

3.3 天然气水合物形成所需的圈闭

根河盆地中部隆起、两侧凹陷的构造格局造就了天然气水合物形成的圈闭条件。而且，根河盆地的生储盖的组合类型为自生自储。其中，红水泉组生油岩为下部的暗色泥岩，储集层为中部的砂岩，盖层为上部的板岩［18］。红旗组和万宝组发育的煤系地层可以为油气生成提供物质基础，而且其中发育的泥岩段为该盆地各层位提供了多个封盖层或隔层，其上部的砾岩、含砾砂岩等均可作为较好的储层。根河盆地为典型的火山岩盆地，大面积分布的中、晚侏罗世、早白垩世多套火山岩组合形成了厚层油气封盖或隔挡，对油气运移和聚集能够起到很大程度的限制作用，因而可以充当良好盖层。与此同时，火山岩在一定程度上也可以作为储集层。同时，盆地内断裂构造极发育，若干北东向和近东西向断裂将该区分割成众多断块，为油气的运移提供了良好的通道。此外，在晚白垩世后，根河盆地一直处于缓慢差异抬升阶段，其构造运动较弱，这样有利于油气的保存［19］。

4 结论

1）根河盆地既具有利于天然气水合物形成的多年冻土厚度、地温条件以及形成所需烃类气体的丰富母质及充足气源，又具有天然气水合物成藏所需的烃类气体持续供给的运移系统，还具有水合物成藏所需的圈闭及其中的储层和封盖条件。因此，根河地区发育有天然气水合物的成藏系统。

2）根河盆地基底发育晚古生代地层，其中红水泉组提供充足气源；盆地深部侏罗纪地层红旗组、万宝组发育的煤系地层，可为油气的生成提供一定的物质基础。由于后期改造较弱，因而油气保存条件良好。

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