根河盆地多年冻土区天然气水合物形成条件研究

程弘飞 文志刚

(1. 长江大学教育部油气资源与勘探重点实验室， 武汉 430100；2. 长江大学地球环境与水资源学院， 武汉 430100)

根河盆地多年冻土区天然气水合物形成条件研究

程弘飞1，2文志刚1，2

(1. 长江大学教育部油气资源与勘探重点实验室， 武汉 430100；2. 长江大学地球环境与水资源学院， 武汉 430100)

根据2014年野外地质调查和室内样品测试结果，分析根河多年冻土区天然气水合物形成条件。根河盆地红水泉组、莫尔根河组、满克头鄂博组发育了大量有效烃源岩，具有良好的生烃潜力。其烃源岩有机质处于成熟 — 过成熟阶段，以Ⅲ型为主。盆地发育有断裂构造，研究区被断裂构造切割成多个断块，形成了良好的油气运移通道。冻土层发育良好，具备形成天然气水合物的地质条件。

根河盆地； 烃源岩； 运移通道； 天然气水合物

天然气水合物是一种由H2O和CH4、C2H6、C3H8、CO2等气体形成的笼型结晶化合物,冻结于海洋沉积物空隙及大陆永久冻土中[1-2]。我国的多年冻土面积达215×104km2，为世界第三[3]。2008年11月在青海木里地区中侏罗统江仓组发现天然气水合物，属全球中纬度高山冻土区天然气水合物的首次发现，是一项重大突破[4]。

根河盆地处于大兴安岭北段西坡，行政区划位于内蒙古呼伦贝尔市，自然地理上具有高纬度、高寒冷的特点，是东北地区多年冻土的主要分布区域。该区域与已经进行天然气水合物开采的西伯利亚Messoyakha、阿拉斯加北部Prudhoe湾和加拿大北部Beaufort-Mackenzie盆地同属高纬度冻土,具有天然气水合物形成的良好条件[5]。关于根河地区冻土成藏的研究非常少。本次研究根据2014年野外地质调查和室内样品测试结果，从沉积地层展布、气源条件、冻土层特征及断裂发育等方面来探讨根河冻土区水合物的形成条件。

1 根河盆地地质概况

根河盆地位于内蒙古最北部，地处呼伦贝尔盟东北部、大兴安岭北段西坡，北纬50°09′ — 51°42′。盆地东以鄂伦春自治旗为邻，西与额尔古纳市接壤，南连牙克石市，北接黑龙江省漠河县和塔河县。盆地东西宽约120 km，南北长约225 km，面积约26 630 km2[6]。在中晚侏罗世，北部蒙古 — 鄂霍茨克洋及东部那丹哈洋关闭的过程中，持续的挤压作用使其周围地块的地壳进一步缩小，形成了一系列具有狭长不对称构造样式的弧后前陆盆地，根河盆地便是其中之一[7]。在早白垩世，东北地区进入板块俯冲期，在热幔柱上拱阶段发生大面积火山喷发，形成了诸多北东向的弧内断陷盆地，并发育形成盆岭构造。此时沉积中心较多，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套火山岩中间夹1套沉积岩的二元沉积建造，厚度为1 000～3 000 m[8]。盆地中部的隆起将盆地分为西部和东部坳陷，盆地的西界、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。德尔布干断裂带与中生代海拉尔 — 拉布达林 — 根河盆地及大兴安岭呈现出盆岭特征。此盆地群以发育早 — 中侏罗世前陆(挤压)盆地和早白垩火山断陷盆地为特征[9]。

2 沉积地层分布

在晚古生代时期，根河地区隶属于北疆 — 兴安地层大区、兴安地层区、额尔古纳地层分区。中生代时期，根河地区属于滨太平洋地层区、大兴安岭 — 燕山地层分区、博客图 — 二连浩特地层小区[10-11]，该地区的沉积地层主要分布于石炭系和侏罗系。其中，石炭系地层有红水泉组、莫尔根河组和新伊根河组，侏罗系主要涉及万宝组和满克头鄂博组[10-11]。研究区烃源岩有暗色泥岩、碳酸盐岩及煤3种类型。观测剖面有5条，分别是额尔古纳黑山头下石炭统红水泉组剖面、额尔古纳黑山头下石炭统莫尔根河组剖面、石炭伊敏镇维拉河莫尔根河组剖面、额尔古纳东北5 km上侏罗满克头鄂博组剖面、免渡河林场哨卡东北5 km中侏罗统万宝组剖面。石炭纪地层自下而上依次分为红水泉组、莫尔根河组。红水泉组为典型的大陆斜坡环境，观测剖面厚度为921.4 m，由杂砂岩、砂板岩、碳酸盐岩和凝灰岩组成[11]。莫尔根河组与红水泉组的碎屑岩呈指状交错接触，显示出远滨 — 浅海路鹏环境特征，观测剖面厚度为1 559.4 m。从其总体特征来看，莫尔根河组的岩石类型主要为海底富钠火山岩，岩性为基性 — 酸性(细碧 — 角斑质)，部分地区伴生放射硅质岩、硅质粉砂岩、板岩及灰岩等。

地层序列自下而上依次分为万宝组、满克头鄂博组。其中万宝组以一套陆相含煤地层分布于大兴安岭南部各个火山岩带中，属于辫状河三角洲前缘亚相、分流河道及分支间湾微相沉积，观测剖面厚度为95.8 m。其岩性主要为灰绿色中厚层砂岩、细砂岩、灰黑色泥质粉砂岩夹多层灰黑泥岩，泥岩中水平层理发育较充分。满克头鄂博组为曲流河三角洲相、前缘亚相沉积，观测剖面厚度为213.7 m。其岩性以黑色泥质夹灰黑色粉砂质泥岩、黑色薄层泥岩和泥质粉砂岩为主，砂岩粒径较细，颜色偏深[11]。根河盆地古近系、新近系地层未发育[12]。

3 气源条件分析

为了研究该区烃源岩的生烃潜力，从气烃源岩分布特征、有机质丰度、有机质类型、有机质成熟度等方面对烃源岩进行评价[13-14]。

3.1 气烃源岩分布特征

根河盆地及其邻区的烃源岩主要出现在古生界石炭系红水泉组、莫尔根河组、中侏罗及上侏罗统满克头鄂博组，垂向上有古生界和中生界。平面上，古生界烃源岩属海相沉积，侏罗系烃源岩属河湖相沉积。研究区及邻近地区沼泽相煤系发育，是一套良好的烃源。表1所示为根河盆地烃源岩有机质丰度评价数据。

3.2 有机质丰度

选取根河盆地各组烃源岩样品进行统计，表2 所示为根河盆地有机质类型及成熟度综合评价数据。

表1 根河盆地烃源岩有机质丰度评价数据

表2 根河盆地有机质类型及成熟度综合评价数据

红水泉组烃源岩总有机碳TOC为0.06%～0.63%，平均约0.34%；生烃潜量(S1+S2)为0.02～0.06 mg/g，平均约0.036 mg/g。综合评价结果表明，60%的红水泉组样品达到烃源岩评价标准，为中等烃源岩。

莫尔根河组烃源岩总有机碳TOC为0.09%～0.53%，平均约0.22%；生烃潜量(S1+S2)为0.01～0.05 mg/g，平均约0.027 mg/g。综合评价结果表明，莫尔根河组样品为中等烃源岩。

满克头鄂博组烃源岩总有机碳TOC为0.88%～1.53%，平均约1.21%；生烃潜量(S1+S2)为0.04～0.05 mgg，平均约0.045 mgg。综合评价结果表明，满克头鄂博组样品为中等烃源岩。

3.3 有机质类型

红水泉组和漠河组的有机质为湖相泥，IH非常低(见表2)。造成这一现象的原因可能是，后期构造运动导致研究区出现动力变质作用，同时造成烃源岩演化程度陡增，致使有机质类型变差。

3.4 有机质成熟度

根据研究区岩石热解峰温特征[15]对其有机质成熟度进行研究。红水泉组样品中，热解峰温Tmax最高为587 ℃，最低为414 ℃，平均为471.8 ℃，有机质的演化程度从未成熟至过成熟阶段均有显示。其样品的热解峰温Tmax主要集中在445～480 ℃，表明有机质的演化阶段多为高成熟阶段；而在这批高成熟阶段样品中，达到过成熟阶段的样品占到60%，表明有机质演化程度适中，处在成熟 — 高成熟演化阶段。莫尔根河组烃源岩有机质均处于成熟 — 过成熟阶段。满克头鄂博组样品热解峰温Tmax最高为531 ℃，最低为501 ℃，平均为516 ℃，有机质的演化程度高，达到高成熟阶段。图1所示为不同层位烃源岩最高热解峰温分布。

图1 不同层位烃源岩最高热解峰温分布

4 油气运移条件

流体运移对常规油气成藏和天然气水合物成藏起着重要的作用。天然气水合物的含量巨大，水合物稳定带及其附近地层或沉积物中有机质生成的烃类物远远不能满足其需求。水合物对地层或沉积物的胶结作用抑制有机质生烃过程，外部烃类气体沿断裂、裂缝和渗透性岩层为运移系统提供持续补给，都是形成天然气水合物成藏的必要条件[5]。

就根河盆地而言，区域内大地构造隶属内蒙 — 兴安岭褶皱带海拉尔 — 根河复向斜的北部，为中生代断坳盆地，大体上呈北东向展布。盆地内断裂与构造发育较好，以基底断裂为主。断裂展布方向有北东向、北西向、近南北向和东西向。断裂与构造关系较为密切，规模较大的断裂对全盆地的构造单元起到一定的控制作用，断裂与构造也是天然气运移通道。根据重磁、大地电磁勘探成果，初步将根河盆地划分为3个一级构造单元，即北部坳陷、中部隆起、南部坳陷。盆地中部隆起、两侧凹陷的构造格局促成了天然气水合物的形成与运聚。勘探事实证明，圈闭在水合物成藏过程中也起到重要作用，特别是当水合物出现在多年冻土带底部时。

5 多年冻土厚度及地温条件

地温条件对于多年冻土区天然气水合物的形成起着决定性作用。根河盆地是我国极为严寒的地域，属寒湿带气候。多年平均气温约-5.4 ℃，极端低气温为-46.2～-49 ℃，年结冻期超过210 d以上[16]。该地区多年冻土呈大片分布，约占总面积的70%～80%。坡向、植被发育程度、松散层厚度等存在差异，其冻土温度、厚度及地下水变化较大。其中，山间谷地、沼泽洼地和低级阶地的冻土厚度普遍为60～80 m，最厚处达90～100 m；冻土温度普遍为-1.5～-3.5 ℃，最低可达-4.2 ℃。阴坡冻土厚度一般以50～60 m居多，冻土温度为-1～-2 ℃[3]。根河盆地的冻土厚度和地温条件与已发现天然气水合物的祁连山地区极为接近，满足天然气水合物形成的基本要求[17]。

6 结 语

根河盆地发育有天然气水合物的成藏系统。该区域具备有利于天然气水合物形成的多年冻土厚度和地温条件，以及圈闭及与其匹配的储层、盖层，形成烃类气体所需的气源也比较充足，油气运移通道良好。

研究区内，暗色泥岩和暗色碳酸盐岩发育良好，总暗色地层厚度为442.15 m；同时有效烃源岩发育充分，以Ⅲ型干酪根为主，处于大量生烃的成熟 — 过成熟阶段；热解氢指数值非常低，有利于气态烃的生成。

根河盆地烃源岩品质优良，油气藏保存条件良好， 冻土层发育，为天然气水合物的形成提供了很好的保障。综上所述，根河盆地具有生成天然气水合物的地质条件。

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Study on Formation Conditions of Natural Gas Hydrate in Genhe Permafrost Area

CHENGHongfei1,2WENZhigang1,2

(1. Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration Technology, Ministry of Education,Yantze University, Wuhan 430100, China; 2. School of Earth Environment and Water Resource,Yantze University, Wuhan 430100, China)

This paper aims to analyze the formation conditions of natural gas hydrate in Genhe permafrost area based on geochemistry and geology analysis results in 2014. It indicated that groups of Hongshuiquan, Moergenhe, Manketouebo develop vast effective source rocks and have good hydrocarbon generating potential. Type Ⅲ is widely distributed, and source rocks are highly matured. There are certain faults in this basin, and the research area is cut into a plurality of fault blocks by the fracture structure, which provides a good migration path for oil and gas. Permafrost well develops well, and has geological conditions for the formation of gas hydrates.

Genhe basin; source rock; migration pathway; natural gas hydrate

2016-05-03

中国地质调查局国家海洋地质专项“东北冻土区天然气水合物资源勘查”(GZHL20120304)

程弘飞(1992 — )，男，硕士研究生，研究方向为油气地球化学。

P641

A

1673-1980(2016)06-0041-04