根河盆地水合物成礦條件研究

梁文君，肖傳桃，葉明

（油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （長江大學(xué)），湖北 武漢 430100）

天然氣水合物是一種在低溫高壓條件下，主要由甲烷氣體 （也有某些揮發(fā)性液體）與水相互作用形成的白色固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)，也稱可燃冰［1］。天然氣水合物儲(chǔ)量十分豐富，廣泛分布于近大陸邊緣的海底和多年凍土區(qū)［2］。因?yàn)榫薮蟮哪茉匆饬x以及對(duì)氣候、環(huán)境的影響，這種化合物已成為當(dāng)代科學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前，僅俄羅斯、美國、加拿大證實(shí)并評(píng)估了多年凍土區(qū)天然氣水合物資源量。我國先后在南海和祁連山多年凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，但對(duì)高緯度多年凍土區(qū)的天然氣水合物的研究程度較低。

根河盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部呼倫貝爾盟境內(nèi)，橫跨額爾古納左旗、鄂倫春自治旗及黑龍江省呼瑪?shù)鹊?。區(qū)域上森林廣布、水系縱橫、年氣溫低，屬于高緯度多年連續(xù)凍土分布區(qū)，理應(yīng)具有天然氣水合物形成的良好條件。但由于根河盆地勘探程度極低，關(guān)于其天然氣水合物的形成、分布及研究的相關(guān)報(bào)道迄今尚未見到。為此，筆者從對(duì)天然氣水合物形成至關(guān)重要的區(qū)域構(gòu)造及地層充填等區(qū)域地質(zhì)背景分析入手，結(jié)合多年凍土厚度與地溫條件、烴類來源、圈閉條件，探討了根河地區(qū)天然氣水合物的形成、分布及成藏潛力。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

根河盆地位于東北地區(qū)永久凍土帶內(nèi)。盆地范圍東到鄂倫春自治旗－林海，西起牛爾河鎮(zhèn)－滿歸鎮(zhèn)一線。南到額爾古納左旗－托扎敏努力圖一線，北臨呼瑪河上游一帶。盆地東西寬約120km，南北長約225km，面積約26630km2［3］。中晚侏羅世，在北部蒙古－鄂霍茨克洋及東部那丹哈達(dá)洋關(guān)閉的過程中，持續(xù)的擠壓作用使其周圍諸地塊的地殼進(jìn)一步縮短，形成一系列具有狹長不對(duì)稱構(gòu)造樣式的弧后前陸盆地［4］，根河盆地便屬于其中之一。早白堊世，東北地區(qū)進(jìn)入板塊俯沖、熱幔柱上拱階段，發(fā)生大面積火山噴發(fā)，形成了眾多北東向的弧內(nèi)斷陷盆地，發(fā)育盆嶺構(gòu)造。此時(shí)沉積中心眾多，在西部大興安嶺地區(qū)的大楊樹、根河、拉布達(dá)林等地區(qū)發(fā)育了2套火山巖夾1套沉積巖的二元沉積建造，厚度在1000～3000m之間。通過野外研究也發(fā)現(xiàn)根河盆地所在的內(nèi)蒙－興安嶺褶皺系興安嶺褶皺帶內(nèi)發(fā)育多條北東向韌性剪切帶［5］。該盆地中部的一個(gè)隆起把盆地分為西、東部2個(gè)坳陷，盆地的西界和東界分別由德爾布干斷裂和大興安嶺西部深大斷裂所界定［6］。

2 盆地充填序列及巖相古地理

根河盆地發(fā)育在海西褶皺基底之上，主要形成于晚侏羅世和白堊紀(jì)，以發(fā)育火山巖為主，同時(shí)有多套沉積巖發(fā)育。在參考前人研究的基礎(chǔ)上［7－8］，將盆地地層序列劃分如下:古生代，根河盆地屬于興安地層區(qū)中的額爾古納地層小區(qū)；中生代，屬于大興安嶺－燕山地層分區(qū)中的博克圖－二連浩特地層小區(qū)。其中石炭紀(jì)地層自下而上依次為紅水泉組、新伊根河組［7］。紅水泉組為一套弧后盆地沉積，是一套類復(fù)理石建造，由雜砂巖、砂板巖、碳酸鹽巖及凝灰?guī)r組成。這反映物源的多樣性。總體來看，是在相對(duì)比較淺和相對(duì)比較穩(wěn)定的海水環(huán)境中形成的［9］。新伊根河組以平行不整合覆于紅水泉組之上，底部以礫巖為標(biāo)志，是一套類似于磨拉石－雜陸屑式組合地層，產(chǎn)安加拉型植物化石，頂部常被中生代火山巖覆蓋。由于晚石炭世海域縮小且盆地邊緣伴隨火山活動(dòng)，屬后弧湖盆沉積［10］。在根河盆地內(nèi)缺失二疊紀(jì)，三疊紀(jì)的地層僅有零星出露。根河盆地所在的大興安嶺地區(qū)因?qū)侪h(huán)太平洋火山活動(dòng)帶，火山活動(dòng)劇烈，侏羅系主要是由一套厚度大、巖性和巖相變化復(fù)雜的火山巖和沉積巖組成［7，11］。地層序列自下而上依次為下侏羅統(tǒng)紅旗組；中侏羅統(tǒng)萬寶組、塔木蘭溝組；上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組、瑪尼吐組、白音高老組和梅勒?qǐng)D組［12］。其中，紅旗組主要以河流相、河漫灘及湖相碎屑堆積的含煤層系組成，產(chǎn)植物化石。萬寶組巖石組合為一套河流－湖沼相碎屑巖沉積，產(chǎn)植物化石［13］。在盆地邊緣分布著白堊世地層，包括大磨拐河組和伊敏組、二連組等沉積巖層。此外，根河盆地古近系、新近系地層不發(fā)育［14］。

3 天然氣水合物特征

3.1 多年凍土的厚度及地溫條件

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的地表溫度梯度約為20℃／km，所以甲烷水合物只能形成于地表溫度低的地區(qū)。根河盆地多年平均氣溫－3.1～－5.3℃，最熱的七月平均氣溫18.5℃，極端最高氣溫31.5～36.6℃，最冷的1月平均氣溫－30.9～－27.3℃，極端最低氣溫－46.2～－49℃；年結(jié)凍期210d以上［15］。由此可見，根河盆地多年凍土區(qū)已具備天然氣水合物形成的溫度條件。其次，根河盆地沉積蓋層厚度為1400m，根河盆地以北是大片連續(xù)多年凍土地區(qū)，一般1～2m下即為凍土層，厚度為80～120m。每年春夏之際，氣溫升高，地表融化深度為l～2.5m，下部仍為永凍層［16］。這與已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的我國祁連山地區(qū)極為接近，因而該地區(qū)的凍土厚度和地溫條件能滿足天然氣水合物形成的基本要求［17］。

3.2 烴類來源

在石炭紀(jì)地層中，紅水泉組零星分布于根河盆地南部的圖里河鎮(zhèn)、西尼氣鎮(zhèn)等地，在額爾古納地層小區(qū)，紅水泉組為一套碎屑巖與碳酸鹽巖互層沉積，其中，黑色、黑灰色泥巖和頁巖較發(fā)育 （根河西尼氣鎮(zhèn)剖面厚度達(dá)400m以上，暗色泥巖超過300m）。由于根河盆地資料較少，而大慶探區(qū)的西部盆地群發(fā)育多個(gè)地質(zhì)條件相似的盆地，彼此間有著密切的成因聯(lián)系，其發(fā)展與演變都有很多相似之處。現(xiàn)以松遼盆地周邊盆地整體為例進(jìn)行簡述，松遼盆地周邊野外露頭樣品的有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較低，大多數(shù)樣品的總有機(jī)碳含量 （TOC）分布在0.2%～1.0%。綜合分析周邊地區(qū)各層位的有機(jī)碳值，發(fā)現(xiàn)石炭系紅水泉組的有機(jī)質(zhì)豐度較好，能夠?yàn)橛蜌馍商峁┪镔|(zhì)基礎(chǔ)，可作為生油氣源巖。干酪根鏡檢結(jié)果表明，石炭系烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型幾乎全部為III型。因此，石炭系烴源巖即使在生烴高峰階段，可能也以生氣為主。此外，野外露頭也證實(shí)石炭系烴源巖的熱演化程度較高。因此，石炭紀(jì)的紅水泉組可提供充足的氣源。但是新伊根河組的烴源巖發(fā)育一般，只有一定厚度的板巖［12］。侏羅紀(jì)地層中，紅旗組、萬寶組均含煤層，具有一定的生烴能力。白堊紀(jì)地層中，伊敏組發(fā)育湖、沼相粉砂巖、暗色泥巖、細(xì)砂巖及煤層［17］，二連組為泥質(zhì)砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r組合，也具有一定的生烴能力。

3.3 天然氣水合物形成所需的圈閉

根河盆地中部隆起、兩側(cè)凹陷的構(gòu)造格局造就了天然氣水合物形成的圈閉條件。而且，根河盆地的生儲(chǔ)蓋的組合類型為自生自儲(chǔ)。其中，紅水泉組生油巖為下部的暗色泥巖，儲(chǔ)集層為中部的砂巖，蓋層為上部的板巖［18］。紅旗組和萬寶組發(fā)育的煤系地層可以為油氣生成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，而且其中發(fā)育的泥巖段為該盆地各層位提供了多個(gè)封蓋層或隔層，其上部的礫巖、含礫砂巖等均可作為較好的儲(chǔ)層。根河盆地為典型的火山巖盆地，大面積分布的中、晚侏羅世、早白堊世多套火山巖組合形成了厚層油氣封蓋或隔擋，對(duì)油氣運(yùn)移和聚集能夠起到很大程度的限制作用，因而可以充當(dāng)良好蓋層。與此同時(shí)，火山巖在一定程度上也可以作為儲(chǔ)集層。同時(shí)，盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造極發(fā)育，若干北東向和近東西向斷裂將該區(qū)分割成眾多斷塊，為油氣的運(yùn)移提供了良好的通道。此外，在晚白堊世后，根河盆地一直處于緩慢差異抬升階段，其構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較弱，這樣有利于油氣的保存［19］。

4 結(jié)論

1）根河盆地既具有利于天然氣水合物形成的多年凍土厚度、地溫條件以及形成所需烴類氣體的豐富母質(zhì)及充足氣源，又具有天然氣水合物成藏所需的烴類氣體持續(xù)供給的運(yùn)移系統(tǒng)，還具有水合物成藏所需的圈閉及其中的儲(chǔ)層和封蓋條件。因此，根河地區(qū)發(fā)育有天然氣水合物的成藏系統(tǒng)。

2）根河盆地基底發(fā)育晚古生代地層，其中紅水泉組提供充足氣源；盆地深部侏羅紀(jì)地層紅旗組、萬寶組發(fā)育的煤系地層，可為油氣的生成提供一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于后期改造較弱，因而油氣保存條件良好。

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