根河盆地多年凍土區(qū)天然氣水合物形成條件研究

程弘飛 文志剛

(1. 長江大學(xué)教育部油氣資源與勘探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430100；2. 長江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院， 武漢 430100)

根河盆地多年凍土區(qū)天然氣水合物形成條件研究

程弘飛1，2文志剛1，2

(1. 長江大學(xué)教育部油氣資源與勘探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430100；2. 長江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院， 武漢 430100)

根據(jù)2014年野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)樣品測試結(jié)果，分析根河多年凍土區(qū)天然氣水合物形成條件。根河盆地紅水泉組、莫爾根河組、滿克頭鄂博組發(fā)育了大量有效烴源巖，具有良好的生烴潛力。其烴源巖有機(jī)質(zhì)處于成熟 — 過成熟階段，以Ⅲ型為主。盆地發(fā)育有斷裂構(gòu)造，研究區(qū)被斷裂構(gòu)造切割成多個斷塊，形成了良好的油氣運(yùn)移通道。凍土層發(fā)育良好，具備形成天然氣水合物的地質(zhì)條件。

根河盆地； 烴源巖； 運(yùn)移通道； 天然氣水合物

天然氣水合物是一種由H2O和CH4、C2H6、C3H8、CO2等氣體形成的籠型結(jié)晶化合物,凍結(jié)于海洋沉積物空隙及大陸永久凍土中[1-2]。我國的多年凍土面積達(dá)215×104km2，為世界第三[3]。2008年11月在青海木里地區(qū)中侏羅統(tǒng)江倉組發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，屬全球中緯度高山凍土區(qū)天然氣水合物的首次發(fā)現(xiàn)，是一項(xiàng)重大突破[4]。

根河盆地處于大興安嶺北段西坡，行政區(qū)劃位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市，自然地理上具有高緯度、高寒冷的特點(diǎn)，是東北地區(qū)多年凍土的主要分布區(qū)域。該區(qū)域與已經(jīng)進(jìn)行天然氣水合物開采的西伯利亞Messoyakha、阿拉斯加北部Prudhoe灣和加拿大北部Beaufort-Mackenzie盆地同屬高緯度凍土,具有天然氣水合物形成的良好條件[5]。關(guān)于根河地區(qū)凍土成藏的研究非常少。本次研究根據(jù)2014年野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)樣品測試結(jié)果，從沉積地層展布、氣源條件、凍土層特征及斷裂發(fā)育等方面來探討根河凍土區(qū)水合物的形成條件。

1 根河盆地地質(zhì)概況

根河盆地位于內(nèi)蒙古最北部，地處呼倫貝爾盟東北部、大興安嶺北段西坡，北緯50°09′ — 51°42′。盆地東以鄂倫春自治旗為鄰，西與額爾古納市接壤，南連牙克石市，北接黑龍江省漠河縣和塔河縣。盆地東西寬約120 km，南北長約225 km，面積約26 630 km2[6]。在中晚侏羅世，北部蒙古 — 鄂霍茨克洋及東部那丹哈洋關(guān)閉的過程中，持續(xù)的擠壓作用使其周圍地塊的地殼進(jìn)一步縮小，形成了一系列具有狹長不對稱構(gòu)造樣式的弧后前陸盆地，根河盆地便是其中之一[7]。在早白堊世，東北地區(qū)進(jìn)入板塊俯沖期，在熱幔柱上拱階段發(fā)生大面積火山噴發(fā)，形成了諸多北東向的弧內(nèi)斷陷盆地，并發(fā)育形成盆嶺構(gòu)造。此時沉積中心較多，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套火山巖中間夾1套沉積巖的二元沉積建造，厚度為1 000～3 000 m[8]。盆地中部的隆起將盆地分為西部和東部坳陷，盆地的西界、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。德爾布干斷裂帶與中生代海拉爾 — 拉布達(dá)林 — 根河盆地及大興安嶺呈現(xiàn)出盆嶺特征。此盆地群以發(fā)育早 — 中侏羅世前陸(擠壓)盆地和早白堊火山斷陷盆地為特征[9]。

2 沉積地層分布

在晚古生代時期，根河地區(qū)隸屬于北疆 — 興安地層大區(qū)、興安地層區(qū)、額爾古納地層分區(qū)。中生代時期，根河地區(qū)屬于濱太平洋地層區(qū)、大興安嶺 — 燕山地層分區(qū)、博客圖 — 二連浩特地層小區(qū)[10-11]，該地區(qū)的沉積地層主要分布于石炭系和侏羅系。其中，石炭系地層有紅水泉組、莫爾根河組和新伊根河組，侏羅系主要涉及萬寶組和滿克頭鄂博組[10-11]。研究區(qū)烴源巖有暗色泥巖、碳酸鹽巖及煤3種類型。觀測剖面有5條，分別是額爾古納黑山頭下石炭統(tǒng)紅水泉組剖面、額爾古納黑山頭下石炭統(tǒng)莫爾根河組剖面、石炭伊敏鎮(zhèn)維拉河莫爾根河組剖面、額爾古納東北5 km上侏羅滿克頭鄂博組剖面、免渡河林場哨卡東北5 km中侏羅統(tǒng)萬寶組剖面。石炭紀(jì)地層自下而上依次分為紅水泉組、莫爾根河組。紅水泉組為典型的大陸斜坡環(huán)境，觀測剖面厚度為921.4 m，由雜砂巖、砂板巖、碳酸鹽巖和凝灰?guī)r組成[11]。莫爾根河組與紅水泉組的碎屑巖呈指狀交錯接觸，顯示出遠(yuǎn)濱 — 淺海路鵬環(huán)境特征，觀測剖面厚度為1 559.4 m。從其總體特征來看，莫爾根河組的巖石類型主要為海底富鈉火山巖，巖性為基性 — 酸性(細(xì)碧 — 角斑質(zhì))，部分地區(qū)伴生放射硅質(zhì)巖、硅質(zhì)粉砂巖、板巖及灰?guī)r等。

地層序列自下而上依次分為萬寶組、滿克頭鄂博組。其中萬寶組以一套陸相含煤地層分布于大興安嶺南部各個火山巖帶中，屬于辮狀河三角洲前緣亞相、分流河道及分支間灣微相沉積，觀測剖面厚度為95.8 m。其巖性主要為灰綠色中厚層砂巖、細(xì)砂巖、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖夾多層灰黑泥巖，泥巖中水平層理發(fā)育較充分。滿克頭鄂博組為曲流河三角洲相、前緣亞相沉積，觀測剖面厚度為213.7 m。其巖性以黑色泥質(zhì)夾灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、黑色薄層泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，砂巖粒徑較細(xì)，顏色偏深[11]。根河盆地古近系、新近系地層未發(fā)育[12]。

3 氣源條件分析

為了研究該區(qū)烴源巖的生烴潛力，從氣烴源巖分布特征、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度等方面對烴源巖進(jìn)行評價[13-14]。

3.1 氣烴源巖分布特征

根河盆地及其鄰區(qū)的烴源巖主要出現(xiàn)在古生界石炭系紅水泉組、莫爾根河組、中侏羅及上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組，垂向上有古生界和中生界。平面上，古生界烴源巖屬海相沉積，侏羅系烴源巖屬河湖相沉積。研究區(qū)及鄰近地區(qū)沼澤相煤系發(fā)育，是一套良好的烴源。表1所示為根河盆地?zé)N源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價數(shù)據(jù)。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

選取根河盆地各組烴源巖樣品進(jìn)行統(tǒng)計，表2 所示為根河盆地有機(jī)質(zhì)類型及成熟度綜合評價數(shù)據(jù)。

表1 根河盆地?zé)N源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價數(shù)據(jù)

表2 根河盆地有機(jī)質(zhì)類型及成熟度綜合評價數(shù)據(jù)

紅水泉組烴源巖總有機(jī)碳TOC為0.06%～0.63%，平均約0.34%；生烴潛量(S1+S2)為0.02～0.06 mg/g，平均約0.036 mg/g。綜合評價結(jié)果表明，60%的紅水泉組樣品達(dá)到烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)，為中等烴源巖。

莫爾根河組烴源巖總有機(jī)碳TOC為0.09%～0.53%，平均約0.22%；生烴潛量(S1+S2)為0.01～0.05 mg/g，平均約0.027 mg/g。綜合評價結(jié)果表明，莫爾根河組樣品為中等烴源巖。

滿克頭鄂博組烴源巖總有機(jī)碳TOC為0.88%～1.53%，平均約1.21%；生烴潛量(S1+S2)為0.04～0.05 mgg，平均約0.045 mgg。綜合評價結(jié)果表明，滿克頭鄂博組樣品為中等烴源巖。

3.3 有機(jī)質(zhì)類型

紅水泉組和漠河組的有機(jī)質(zhì)為湖相泥，IH非常低(見表2)。造成這一現(xiàn)象的原因可能是，后期構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致研究區(qū)出現(xiàn)動力變質(zhì)作用，同時造成烴源巖演化程度陡增，致使有機(jī)質(zhì)類型變差。

3.4 有機(jī)質(zhì)成熟度

根據(jù)研究區(qū)巖石熱解峰溫特征[15]對其有機(jī)質(zhì)成熟度進(jìn)行研究。紅水泉組樣品中，熱解峰溫Tmax最高為587 ℃，最低為414 ℃，平均為471.8 ℃，有機(jī)質(zhì)的演化程度從未成熟至過成熟階段均有顯示。其樣品的熱解峰溫Tmax主要集中在445～480 ℃，表明有機(jī)質(zhì)的演化階段多為高成熟階段；而在這批高成熟階段樣品中，達(dá)到過成熟階段的樣品占到60%，表明有機(jī)質(zhì)演化程度適中，處在成熟 — 高成熟演化階段。莫爾根河組烴源巖有機(jī)質(zhì)均處于成熟 — 過成熟階段。滿克頭鄂博組樣品熱解峰溫Tmax最高為531 ℃，最低為501 ℃，平均為516 ℃，有機(jī)質(zhì)的演化程度高，達(dá)到高成熟階段。圖1所示為不同層位烴源巖最高熱解峰溫分布。

圖1 不同層位烴源巖最高熱解峰溫分布

4 油氣運(yùn)移條件

流體運(yùn)移對常規(guī)油氣成藏和天然氣水合物成藏起著重要的作用。天然氣水合物的含量巨大，水合物穩(wěn)定帶及其附近地層或沉積物中有機(jī)質(zhì)生成的烴類物遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其需求。水合物對地層或沉積物的膠結(jié)作用抑制有機(jī)質(zhì)生烴過程，外部烴類氣體沿斷裂、裂縫和滲透性巖層為運(yùn)移系統(tǒng)提供持續(xù)補(bǔ)給，都是形成天然氣水合物成藏的必要條件[5]。

就根河盆地而言，區(qū)域內(nèi)大地構(gòu)造隸屬內(nèi)蒙 — 興安嶺褶皺帶海拉爾 — 根河復(fù)向斜的北部，為中生代斷坳盆地，大體上呈北東向展布。盆地內(nèi)斷裂與構(gòu)造發(fā)育較好，以基底斷裂為主。斷裂展布方向有北東向、北西向、近南北向和東西向。斷裂與構(gòu)造關(guān)系較為密切，規(guī)模較大的斷裂對全盆地的構(gòu)造單元起到一定的控制作用，斷裂與構(gòu)造也是天然氣運(yùn)移通道。根據(jù)重磁、大地電磁勘探成果，初步將根河盆地劃分為3個一級構(gòu)造單元，即北部坳陷、中部隆起、南部坳陷。盆地中部隆起、兩側(cè)凹陷的構(gòu)造格局促成了天然氣水合物的形成與運(yùn)聚?？碧绞聦?shí)證明，圈閉在水合物成藏過程中也起到重要作用，特別是當(dāng)水合物出現(xiàn)在多年凍土帶底部時。

5 多年凍土厚度及地溫條件

地溫條件對于多年凍土區(qū)天然氣水合物的形成起著決定性作用。根河盆地是我國極為嚴(yán)寒的地域，屬寒濕帶氣候。多年平均氣溫約-5.4 ℃，極端低氣溫為-46.2～-49 ℃，年結(jié)凍期超過210 d以上[16]。該地區(qū)多年凍土呈大片分布，約占總面積的70%～80%。坡向、植被發(fā)育程度、松散層厚度等存在差異，其凍土溫度、厚度及地下水變化較大。其中，山間谷地、沼澤洼地和低級階地的凍土厚度普遍為60～80 m，最厚處達(dá)90～100 m；凍土溫度普遍為-1.5～-3.5 ℃，最低可達(dá)-4.2 ℃。陰坡凍土厚度一般以50～60 m居多，凍土溫度為-1～-2 ℃[3]。根河盆地的凍土厚度和地溫條件與已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的祁連山地區(qū)極為接近，滿足天然氣水合物形成的基本要求[17]。

6 結(jié) 語

根河盆地發(fā)育有天然氣水合物的成藏系統(tǒng)。該區(qū)域具備有利于天然氣水合物形成的多年凍土厚度和地溫條件，以及圈閉及與其匹配的儲層、蓋層，形成烴類氣體所需的氣源也比較充足，油氣運(yùn)移通道良好。

研究區(qū)內(nèi)，暗色泥巖和暗色碳酸鹽巖發(fā)育良好，總暗色地層厚度為442.15 m；同時有效烴源巖發(fā)育充分，以Ⅲ型干酪根為主，處于大量生烴的成熟 — 過成熟階段；熱解氫指數(shù)值非常低，有利于氣態(tài)烴的生成。

根河盆地?zé)N源巖品質(zhì)優(yōu)良，油氣藏保存條件良好， 凍土層發(fā)育，為天然氣水合物的形成提供了很好的保障。綜上所述，根河盆地具有生成天然氣水合物的地質(zhì)條件。

[1] 魏偉，張金華，孫愛，等.天然氣水合物勘察識別與實(shí)驗(yàn)技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2009，29 (9)：123-125.

[2] 金春爽，汪集旸，王永新，等.天然氣水合物地?zé)釄龇植继卣鱗J].地質(zhì)科學(xué)，2004，39(3)：416-423.

[3] 邱國慶，周幼吾，郭東信，等.中國凍土[M].北京：科學(xué)出版社，2000：171-213.

[4] 祝友海，張永勤，文懷軍.祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程概論[J].地質(zhì)通報，2001，30(12)：1816-1822.

[5] 趙省民，鄧堅(jiān)，李錦平，等.漠河多年凍土區(qū)天然氣水合物的形成條件及成藏潛力研究[J].地質(zhì)學(xué)報，2011，85(9)：1537-1549.

[6] 江為為，涂廣紅，朱東英.大慶外圍盆地地球物理場與盆地基底特征[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21(4)：1064-1079.

[7] 劉文龍.大慶探區(qū)外圍中、新生代斷陷盆地群油氣地質(zhì)條件及遠(yuǎn)景評價[D].長春：吉林大學(xué)，2009：16-24.

[8] 梁文君，肖傳桃， 葉明，等.根河盆地水合物成礦條件研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，11(13)：44-46.

[9] 劉財，楊寶俊，王兆國，等.大興安嶺西北部中生新代盆地群基底電性分帶特征研究[J].地球物理學(xué)報，2011，54(2)：416-420.

[10] 內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)域礦產(chǎn)局.內(nèi)蒙古自治區(qū)巖石地層[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1996：33-37.

[11] 內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)域礦產(chǎn)局.內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：地質(zhì)出版社，1991：55-60.

[12] 楊建國，吳河勇，劉俊來，等.大慶探去外圍盆地中，新生代地層對比及四大勘探層系[J].地質(zhì)通報，2006，25(9/10)：1089-1093.

[13] 柳廣弟，張厚福.石油地質(zhì)學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999：154-157.

[14] 陳建平，趙長毅，何中華.煤系有機(jī)質(zhì)生烴潛力評價標(biāo)準(zhǔn)探討[J].石油勘探與開發(fā)，1997，24(1)：1-5.

[15] HUNT J M.石油地球化學(xué)何地質(zhì)學(xué)[M].胡博良，譯.北京：石油工業(yè)出版社，1986：186-333.

[16] 宋歡歡，柳長生.根河 — 拉布達(dá)林一級公路島狀多年凍土特征及處理措施[J].甘肅科技，2012，25(7)：45-47.

[17] 盧振權(quán)，祝有海.青海省祁連山凍土區(qū)天然氣水合物基本地質(zhì)特征[J].礦床地質(zhì)，2010，29(1)：4-6.

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

中國地質(zhì)調(diào)查局國家海洋地質(zhì)專項(xiàng)“東北凍土區(qū)天然氣水合物資源勘查”(GZHL20120304)

程弘飛(1992 — )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌獾厍蚧瘜W(xué)。

P641

A

1673-1980(2016)06-0041-04