南祁连盆地木里坳陷石炭系—侏罗系天然气水合物潜在气源岩地质特征

2018-10-31范东稳卢振权牛索安祁拉加张永安费德亮党孝锋

现代地质 2018年5期

范东稳，卢振权，肖睿，牛索安，祁拉加，魏毅，张永安，费德亮，党孝锋

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；3.青海煤炭地质一0五勘探队，青海西宁 810007)

0 引言

天然气水合物由水和轻质气体分子(如甲烷、乙烷、丁烷、戊烷和二氧化碳等)在低温高压、气体浓度大于其溶解度条件下形成的结晶状固体物质[1]，近几十年来主要发现在深海沉积物和陆上永久冻土带中[2-3]。我国的冻土面积为2.15×106km2，占总的国土面积的22.4%，位列世界第三冻土大国，永久冻土带主要分布在我国青藏高原以及黑龙江省北部地区[4]。2000年以来，相关专家已经在青藏高原多年冻土区针对天然气水合物开展了大量的研究工作，通过地球化学及地球物理等方法对该地区的天然气水合物的资源量有了初步的预测[5-12]。中国地质调查局在2008年至2009年期间开展的天然气水合物科学实验钻探工程在青海省祁连山南缘采集到了陆域天然气水合物实物样品[13-16]，同时祁连山地区属中低纬度高山冻土区，在此中低纬度高山冻土区发现天然气水合物实属世界首例[17]。

近年来，祁连山冻土区天然气水合物调查研究工作多集中于木里煤矿三露天及其附近[18-25]，主要为点上工作，而对整个木里坳陷特别是石炭纪—侏罗纪地层的地质特征及相关气源岩调查研究较少。为进一步了解区域天然气水合物气源岩发育状况及特征，开展了南祁连盆地木里坳陷天然气水合物基础地质剖面调查，通过对南祁连盆地木里坳陷石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系等4套层系5条剖面的野外测量及室内分析，以探讨不同层系烃源岩地质发育特征及其成为天然气水合物气源岩的可能性。

1 区域地质背景

所测剖面主要位于南祁连山盆地北部地层区木里坳陷(图1)。震旦纪—中寒武世时期祁连山地区经历了大陆裂谷阶段，之后晚寒武世—中奥陶世进入了洋底扩张及沟弧体系阶段，自中奥陶世以来该地区又经历了一系列造山作用，包括俯冲造山、碰撞造山和陆内造山作用等，形成了如今的地形地貌特征[26-27]。

祁连山地区在早古生代阶段为一个小型洋盆，位于柴达木地块与华北地块之间，后期受到志留纪晚期加里东运动的影响，致使洋盆闭合隆升受到侵蚀；石炭纪时期地层又开始沉降接收沉积，主要为浅海陆棚沉积；二叠纪祁连山北部地区地层隆升接受剥蚀，而祁连山南部地区依旧为浅海陆棚沉积；之后祁连山地区在三叠世晚期由于受印支运动影响，古特提斯洋整体被抬升成陆，沉积物由海相砂泥岩互层局部夹灰岩转变为陆相剥蚀区；后期受到燕山运动的影响，祁连山地区由于构造作用拉伸产生一系列带状断陷盆地，并沉积了一套侏罗纪的山间河湖沼泽相含煤碎屑岩建造，白垩纪和第三纪沉积物主要为棕红色中细粒砂岩、黏土岩；第四系在盆地内分布广泛，以冰水-洪积相和冰川堆积物为主[28-30]。

2 实测剖面地质特征

2.1 石炭系—二叠系

图1 研究区构造简图及剖面位置Fig.1 Map showing the location of the study area and cross sections

图2 青海省海北州门源县多隆乡石炭系—二叠系剖面及位置(DL1)Fig.2 Carboniferous-Permian section DL1 in Duolong,Menyuan County，Haibei, Qinghai

实测石炭系—二叠系剖面(DL1)位于青海省海北州门源县多隆乡地区(图1)，起点坐标为N37°43′8″、E101°7′3″，H=3 272 m；终点坐标为N37°44′45″、E101°6′17″，H=3 418 m。该剖面出露的地层主要为石炭系和二叠系，剖面共分42层，厚度近400 m(图2)。同时，还对二叠系剖面(DL2)开展了测量，该剖面同样位于青海省海北州门源县多隆乡(图1)，起点坐标为N37°39′34″、E101°5′40″，H=3 273 m；终点坐标为N37°40′21″、E101°5′10″，H=3 331 m。该剖面出露的地层为二叠系，剖面共分26层，厚度近580 m(图3)。

DL1剖面出露两套地层，分别为石炭系和上二叠统。石炭系在野外剖面观察到的岩性主要是以褐灰、浅灰色粉砂岩和灰色、深灰色泥岩为主，部分含泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，发育交错层理、水平层理、波纹层理。上二叠统窑沟组岩性特征以灰绿、紫红、暗紫色中细粒粉砂岩和中粒砂岩为主，局部含钙质砂岩夹杂色灰岩，杂色砾岩与角砾状灰岩互层，发育交错层理、平行层理；二叠系底部发育灰绿色含砾粗砂岩，与下伏石炭系为平行不整合接触。

DL2剖面出露一套地层，为中二叠统诺音河群。中二叠统诺音河群的岩性特征可分为两部分，下部岩性主要是浅灰褐色、灰紫色细砂岩及含泥质粉砂岩，中细粒砂岩，长石细砂岩，层厚一般为0.1～0.5 m，可见平行层理、块状层理，岩石较坚硬。上部以灰白色、浅灰绿色长石中砂岩、中粗粒砂岩、含砾粗砂岩为主，因岩石中等风化成高岭土，中等坚硬至疏松，层厚0.1～0.2 m，中薄层状，发育平行层理。整体下部较上部岩性较细，主要为杂色碎屑沉积，与上覆三叠系为平行不整合接触。

2.2 三叠系

实测上三叠统剖面(JC1)选在江仓矿区日干山一带(图1)，起点坐标为N38°3′38″、E99°42′50″，H=3 756 m；终点坐标为N38°4′55″、E99°42′39″，H=3 906 m。该剖面出露的地层主要为上三叠统，剖面共分52层，厚度近700 m(图4)。

JC1剖面出露地层为上三叠统默勒群，按岩性自下向上分为阿塔寺组和尕勒得寺组。

图3 青海省海北州门源县多隆乡二叠系剖面(DL2)及位置Fig.3 Permian section DL2 in Menyuan County，Haibei, Qinghai

图4 青海省海北州刚察县江仓矿区上三叠统剖面(JC1)及位置Fig.4 Upper Triassic section JC1 in Jiangcang Mining area, Gangcha County, Haibei, Qinghai

上三叠统阿塔寺组出露于JC1剖面下部，岩性以浅灰、褐灰色细砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩为主。按岩性可将上三叠统阿塔寺组分为上、中、下段。下段岩性以浅灰-灰色薄层粉砂岩夹中厚层粉砂质泥岩、浅灰-褐灰色厚层粉砂岩及厚层灰绿色粉砂岩，浅灰-灰褐色中厚层状细砂岩与粉砂岩互层为主；中段较下段岩石粒度变细，岩性以深灰-灰黑色中厚层含泥粉砂岩、粉砂质泥岩和中薄层粉细砂岩与中厚层含泥粉砂岩为主，粉砂岩风化较为严重，细砂岩呈灰色，部分铁质含量高；上段岩性以灰白色厚层细砂岩为主，新鲜面褐灰色，接触式胶结为主，发育楔状斜层理，板状交错层理等。

上三叠统尕勒得寺组出露于JC1剖面上部。尕勒得寺组岩性特征以出现煤线、薄煤层及炭质页岩为特征。本次实测剖面该组岩性下部以厚层灰白色粉砂岩夹薄层粉细砂岩及两层薄煤层和炭质页岩为主，炭质页岩呈粉末状，油脂光泽；上部发育灰白色厚层砾岩夹浅褐色中砂岩及杂色细砂岩。上三叠统尕勒得寺组上部较下部整体粒度变粗，分选变差。

2.3 侏罗系

图5 青海省天峻县木里镇努日寺沟中—上侏罗统剖面(ML1)及位置Fig.5 Middle-Upper Jurassic section ML1 in Muli town, Tianjun County, Qinghai

侏罗系共实测两条剖面，分别为木里镇努日寺沟中—上侏罗统剖面(ML1)和热水镇柴达尔矿采坑处中—上侏罗统剖面(RS1)。本次实测木里镇努日寺沟中—上侏罗统剖面位于青海省天峻县木里镇努日寺沟一带(图1)，剖面长度2.2 km，起点坐标为N38°4′0″、E99°13′31″，H=4 017 m；终点坐标为N38°4′39″、E99°14′17″，H=4 011 m。剖面主要出露的地层有中侏罗统木里组和江仓组，上侏罗统享堂组及上三叠统尕勒得寺组，剖面共分32层(图5)。热水镇柴达尔矿采坑处中—上侏罗统剖面位于青海省刚察县热水镇柴达尔矿煤矿采坑处(图1)，起点坐标为N37°36′52″、E100°30′12″，H=3 838 m；终点坐标为N37°36′35″、E100°29′56″，H=3 787 m。剖面主要特征为中侏罗统煤系地层，与木里地区剖面类似，除煤层外以发育厚层泥岩为主要特征，剖面共分47层(图6)。

本次实测木里镇努日寺沟剖面岩性主要为含砾中粗粒砂岩、中细粒砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、泥页岩和煤；含砾中粗粒砂岩为灰-灰白色，砾含量5%～10%，砾石主要成分为石英；中粗粒砂岩主要成分为石英(50%～60%)、长石(40%～50%)，颗粒大小一般为0.3～0.5 mm，以中粒结构为主，以接触式胶结、镜嵌式胶结为主，胶结物为泥质，泥质风化成浅褐色，岩石中等硬度，厚度大于10 m；粉细砂岩氧化面为红褐色，含石英80%，基质为20%，颗粒大小0.1～0.2 mm，孔隙式胶结，胶结物为铁质，呈红褐色薄层状；泥页岩深灰-灰黑色，页理发育，层厚3～4 m，其内夹薄层煤线2～3 cm，细砂岩与泥岩互层，局部夹炭质页岩；煤层呈煤黑色，煤岩成分以暗煤为主，约占50%，镜煤占20%，丝炭占30%，宏观煤岩类型为半亮煤-暗煤，具贝壳状或阶梯状断口，玻璃光泽为主，褐色条痕，块状呈条带状构造，厚层煤大于5 m。

热水镇柴达尔矿采坑处中—上侏罗统剖面出露地层主要为中侏罗统木里组和江仓组，木里组根据岩性特征可分为上、下两段，江仓组根据岩性特征也可分为上、下两段。中侏罗统木里组下段岩性以灰、灰白色厚层含砾中粗粒砂岩为主，砾含量为90%，砾石主要成分为石英，基质占10%，分选较差，层理不发育。中侏罗统木里组上段是含煤层段，发育分布广泛的下1煤、下2煤；岩性以浅灰色薄层细粉砂岩夹薄层泥岩、粉砂质泥岩、粉细砂岩及深灰色厚层泥岩与薄粉砂岩互层为主，煤层夹多层矸石，煤黑色，块煤，煤岩成分暗煤占50%，丝炭占30%，亮煤占20%，油脂-玻璃光泽，贝壳-阶梯状断口，具褐-浅褐色条痕，宏观煤岩类型为暗煤-半亮煤，较坚硬，性脆，块状呈条带状构造。中侏罗统江仓组下段岩性以灰白、浅褐色中厚层状粉砂岩与中厚层泥岩夹薄层煤层互层、紫灰色厚层砾岩夹中薄层中粗粒砂岩为主，块状层理发育，厚度2～2.5 m，内含泥铁质结核，多个结核长轴方向与岩层产状一致。中侏罗统江仓组上段岩性以杂色厚层泥岩夹薄层粉砂岩、浅褐灰色厚层粉砂岩与泥岩互层、深灰-灰黑色厚层泥岩含粉砂泥岩、红褐色粉细砂岩与厚层泥岩互层及浅灰色-灰色厚层粉砂岩为主，整体岩性较下段变细，水平层理发育，厚度大于10 m。

图6 青海省海北州刚察县柴达尔矿中—上侏罗统剖面(RS1)及位置Fig.6 Middle-Upper Jurassic section RS1 in Chaidar mining area, Gangcha County, Haibei, Qinghai

3 实测剖面沉积相

3.1 DL1剖面

通过对野外露头的观察描述以及室内综合分析得出，DL1剖面除顶部第四系覆盖之外，下部石炭系和上部上二叠统窑沟组沉积相主要为滨岸相、浅海陆棚相。

3.1.1 滨岸相

滨岸相为DL1剖面主要沉积相，广泛分布于上二叠统，可细分为近滨、前滨和后滨亚相。近滨亚相岩性主要以粉砂岩为主，部分含泥粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹中粗粒砂岩，单层厚度0.3～0.5 m，分选较差，杂色中细粒砂岩，粉砂质泥岩及泥质粉砂岩通常形成韵律层，局部可见从下向上粒度逐渐变粗的反韵律。该套岩性组合发育平行层理、交错层理。前滨亚相以灰绿色中细粒粉砂岩、灰绿-暗紫色中粒石英砂岩及岩屑长石砂岩为主，分选较好，发育低角度交错层理。后滨亚相岩性特征主要为紫红色钙质细砂岩，局部夹杂色灰岩、细粉砂岩，杂色砾岩与角砾状灰岩互层，紫红色细砂岩(局部含钙质细砂岩)及浅绿灰色、以浅紫红色长石砂岩为主，可见水平层理。

3.1.2 浅海陆棚相

石炭系和上二叠统均有浅海陆棚相沉积，其岩性以灰色、深灰色泥岩偶夹薄层泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，分选较好；野外露头常可见水平层理，由于野外风化较严重，未见动植物化石。

3.2 DL2剖面

DL2剖面除顶部第四系覆盖之外，中二叠统诺音河群沉积相自下向上主要为滨岸相、浅海陆棚相和三角洲相。

3.2.1 滨岸相

滨岸相为DL2剖面的主要沉积相，广泛分布。滨岸相以紫红色细粉砂岩为主，部分含泥粉砂岩、泥质粉砂岩、长石石英细砂岩，单层厚度0.1～0.2 m，分选较差，杂色中细粒砂岩，粉砂质泥岩及泥质粉砂岩通常形成韵律层，局部可见从下向上粒度逐渐变粗的反韵律。该套岩性组合发育平行层理、低角度交错层理。

3.2.2 浅海陆棚相

该剖面中部发育浅海陆棚相沉积，其岩性以紫红色、暗紫色细粉砂岩与细砂岩互层，整体粒度较细，分选较好；野外露头常可见水平层理，由于风化较严重，未见动植物化石。

3.2.3 三角洲相

三角洲相位于剖面上部，根据岩性特征及垂向上的沉积组合特征将三角洲相细分为三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相。三角洲平原亚相中分流河道微相见于该剖面中上部，其岩性以灰白色、浅灰绿色长石中砂岩、中粗粒砂岩、含砾粗砂岩为主，垂向上局部见正粒序层理，表现为粒度下粗上细的结构特征，发育交错层理、平行层理。三角洲前缘亚相位于DL2剖面顶部，整体沉积水体较下部深，岩性以灰绿色细粉砂岩及深灰色粉砂质泥岩为主，局部含浅灰绿色细砂岩，接触式胶结，岩石较坚硬，层厚10～20 cm，粉砂岩局部可见小型交错层理，发育水平层理和透镜状层理。

3.3 JC1剖面

上三叠统为早期的海陆交互相沉积和后期的河流-湖泊陆相沉积，含有煤线或劣质煤层，仅上部尕勒得寺组局部含有可采煤层，煤层薄而不稳定。在晚三叠世，研究区内盆地的沉积环境受区域构造影响，发生了重大变化，形成了性质稳定的南祁连陆内坳陷型盆地，并沉积了晚三叠世的河-湖沉积体系的含煤三角洲。该剖面主要的沉积相类型为潮坪相、湖泊相及河流相。

3.3.1 潮坪相

潮坪相位于JC1剖面底部，主要为上三叠统阿塔寺组沉积相特征，岩性以浅灰-褐灰色厚层粉砂岩及中厚层状细砂岩与粉砂岩互层为主，砂岩中平行层理极为发育(粉砂岩为水平层理)，局部见板状交错层理和楔状交错层理，砂岩底部可见槽模构造，整体反映浅海潮坪沉积环境特征。

3.3.2 湖泊相

湖泊相位于JC1剖面中部，主要为上三叠统阿塔寺组上部和尕勒得寺组下部沉积相特征。该沉积相可分为滨湖亚相和浅湖亚相。滨湖亚相岩性以深灰-灰黑色粉细砂岩和中薄层钙质细砂岩为主，发育水平层理及波纹层理，砂岩层较厚，局部砂岩可见脉状层理及透镜状层理，综上可推测该套沉积物当时的地形环境相对较平缓，为滨湖环境。浅湖亚相岩性以杂色中厚层泥岩夹厚层粉砂岩为主，可见块状层理，局部发育水平层理，整体粒度较下部变细，交错层理不发育，整体上表现为水体环境较稳定，应为浅湖亚相沉积。

3.3.3 河流相

河流相位于JC1剖面上部，主要为尕勒得寺组上部沉积相特征，整体岩性以浅褐、灰白色中砂岩为主，局部厚层砾岩局部夹中砂岩，整体碎屑岩粒度较粗，发育楔状斜层理、板状交错层理，反映了水动力较强的沉积特征，厚层粉砂岩夹薄层粉细砂岩及两层薄煤层和炭质泥岩，薄煤层为晚三叠世末期河流-湖泊沉积体系的含煤三角洲沉积。

3.4 ML1及RS1剖面

研究区中侏罗统沉积相类型自下向上主要为辫状河相、三角洲相及湖泊相。

3.4.1 辫状河相

辫状河相主要见于木里组下段，岩性以灰、灰白色厚层含砾中粗粒砂岩为主，整体粒度较粗，分选较差，发育大型板状交错层理，垂向上可观察为正粒序特征，向上粒度逐渐变细。

3.4.2 三角洲相

三角洲相主要见于木里组上段及江仓组下段，岩性以煤层为标志，是该地区主要产煤的重要沉积环境区；岩性特征为褐色中细粒砂岩、细砂岩和浅灰色薄层细粉砂岩夹薄层泥岩，发育板状交错层理、平行层理、楔状交错层理等。

3.4.3 湖泊相

湖泊相主要见于江仓组上段，岩性以浅灰、浅褐灰色厚层粉砂岩与泥岩互层，厚层泥岩夹中厚层细粉砂岩，红褐色粉细砂岩与厚层泥岩互层及浅灰色-灰色厚层粉砂岩为主，比较明显的是该时期泥岩及粉砂岩沉积厚度较大，发育水平层理和平行层理。

4 讨论

前人根据钻孔(DK-1、DK-2、DK-3、DK-4)研究分析天然气水合物及异常现象主要存在于中侏罗统砂岩裂隙或孔隙中，同时4个孔中油页岩发育极好且厚度大，还伴有油迹现象，如油斑、油浸等[31]，特别在DK-2孔中油气显示现象与水合物产出深度段(130～400 m)或下部具有明显的相关性[32]，表明天然气水合物中的烃类气体来源与烃源岩发育情况密切相关，可作为天然气水合物潜在气源岩。

图7 木里坳陷石炭系—侏罗系实测剖面柱状图Fig.7 Histogram of the measured section of the Carboniferous-Jurassic in the Muli depression

木里坳陷自下而上发育4套烃源岩系，石炭系暗色泥(灰)岩、下二叠统暗色灰岩、上三叠统暗色泥岩和侏罗系暗色泥页岩，除石炭系烃源岩进入过成熟阶段外，其他3套烃源岩系具有良好的生烃潜力[33-34]。而有学者认为南祁连盆地石炭系臭牛沟组及二叠系烃源岩成熟度适中，是一套具有良好生烃潜力的形成于海相还原环境的烃源岩层[35-36]。而本次通过剖面测量研究木里坳陷4套层系泥岩发育特征，并根据对不同层系沉积相分析(图7和表1)，认为石炭系—二叠系沉积物以中细粒砂岩夹粉砂岩为主，石炭系为浅海陆棚相，中二叠统主要为滨岸-浅海陆棚-三角洲相，上二叠统为滨岸相沉积，石炭系和二叠系泥岩单层平均厚度值分别为0.16 m、0.14 m，泥岩累计厚度值分别为1.28 m、1.82 m，整体上石炭系—二叠系出露的泥岩层相对较薄，推测由于构造作用强烈、断层发育，致使局部地层厚度减薄，泥质岩层大部分缺失，可能难以成为天然气水合物潜在气源岩。

表1四套层系泥岩层厚度特征

Table1ThicknesscharacteristicsoftheCarboniferoustoJurassicargillaceoussequences

层系单层厚度最大值/m单层厚度最小值/m单层厚度平均值/m累计厚度值/m石炭系0.180.150.161.28二叠系0.170.100.141.82三叠系3.500.202.3525.80侏罗系11.500.804.20126.20

有研究表明木里盆地上三叠统发育泥岩为主的烃源岩，是最为有利的生烃层位，具有良好的生烃潜力[37-40]；但也有学者认为上三叠统尕勒得寺组为较差-非烃源岩，其对天然气水合物成藏贡献不大[41]。本次实测剖面表明，上三叠统发育一套湖泊相薄层泥岩沉积，沉积相类型为潮坪-湖泊-河流相，泥岩单层平均厚度值为2.35 m，泥岩累计厚度值为25.80 m，推测由于印支运动的影响使整个祁连山地区抬升为陆，海相沉积在晚三叠世时期结束，沉积区成为剥蚀区，故泥岩层相对较薄，岩性以中厚层粉砂质泥岩为主，但泥岩累计厚度较大，可认为是天然气水合物主要潜在气源岩。

侏罗纪时期，研究区受燕山运动早期作用影响，拉伸产生一系列带状断陷盆地，为沉积物提供了有利的沉积空间，中侏罗世时期沉积了一套厚层泥岩及煤层[24,42-43]。通过对木里三露天煤田和聚乎更矿区侏罗系烃源岩进行分析表明，其泥、页岩有机质含量高，以好和较好烃源岩为主[18,44]。本次实测剖面中侏罗统岩性以厚层泥、砂岩和煤层为主，沉积相类型主要为辫状河-三角洲-湖泊相沉积，泥岩单层平均厚度值为4.20 m，累计厚度值为126.20 m，泥岩单层平均厚度值和累计厚度值都较大，推测可作为天然气水合物潜在气源岩。