青藏高原祁连山与乌丽冻土区水合物成藏条件研究

龚建明，张剑 （ 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室青岛海洋地质研究所，山东 青岛266071）

陈小慧 （长江大学地球环境与水资源学院，湖北 武汉430100）

廖晶 （ 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室；青岛海洋地质研究所，山东 青岛266071）

李小豫 （青海煤炭地质勘查院，青海 西宁810001）

贺行良 （ 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室；青岛海洋地质研究所，山东 青岛266071）

蒋玉波 （中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛266100）

祁连山冻土区位于青藏高原北部 （见图1），平均海拔4200m，连续冻土区的年平均地表温度为－1．95℃，冻 土 层 厚 度 为 50．0～139．3m。其中，木里地区冻土层厚度约为60～95m［1］。2008～2009年，中国地质调查局在祁连山木里冻土区成功钻获了天然气水合物实物样品，研究结果表明祁连山木里冻土区具有良好的天然气水合物成藏条件［2～8］。

图1 青藏高原乌丽和祁连山木里冻土区工区位置图

乌丽冻土区位于青藏高原西南唐古拉山北麓，长江源头沱沱河一带。平均海拔4700m，年平均气温－3．6℃［9］，平均地温梯度为2．06℃／100m，冻土发育。2012年青海煤炭地质勘查院在该区钻探了第一口天然气水合物试验孔ZK1。据统计，ZK1孔附近冻土层平均厚度约为60m。ZK1孔的疑似水合物样品经青岛海洋地质研究所实验测试中心检测，未发现天然气水合物。初步分析认为，乌丽水合物试验孔地处缝合带附近，构造运动强烈，深大断裂发育，区域盖层在相当范围内缺失，因此，不利于天然气和天然气水合物的保存。

为了分析祁连山冻土区与乌丽冻土区天然气水合物成藏条件的差异，找出乌丽水合物试验孔没有发现天然气水合物的可能原因，笔者对二者所处的大地构造位置、温压场特征、气源条件等进行了对比，以期获得乌丽冻土区天然气水合物的主控因素，为探索冻土区天然气水合物富集规律和勘探方向提供依据。

1 区域地质背景

1．1 大地构造位置

研究表明［10］，青藏高原是由相继增生到亚洲大陆上的6个地体组合而成，其分界线为5条缝合带 （见图2）。乌丽冻土区紧邻金沙江缝合带［11］，位于羌塘地体北部边缘。二叠纪末，羌塘地体与可可西里巴颜喀拉地体开始对接碰撞，三叠纪末，古特提斯洋关闭。区内印支、燕山以及喜马拉雅山运动强烈，深大断裂发育［10］，有利于深部无机气体向上运移和聚集。钻探区地层隆升剥蚀严重，ZK1孔钻遇地层主要有上二叠统，缺失三叠系、侏罗系和白垩系。同时，乌丽冻土区全新世断裂十分发育，张扭性构造裂缝与线性泉水群常见［12］。因此，大地构造背景不利于天然气的保存。

祁连山冻土区位于昆仑山地体的东北部 （见图2）。自震旦纪以来，祁连山先后经历了大陆裂谷、洋底扩张、沟弧盆体系、造山等演化阶段而形成了现今的构造格局［13］。晚三叠纪末的印支运动使得整个祁连山地区抬升成陆，而早燕山运动又使祁连山局部拉张，形成了一些条带状的山间断陷盆地，沉积了一套侏罗系的山间河、湖、沼泽相含煤碎屑岩建造［14］。祁连山冻土区断裂构造也十分发育，以NWW、EW走向的逆冲断层为主。水合物钻探区位于中祁连断隆带中的聚乎更矿区，大地构造位置属于中祁连陆块北缘。

崔军文等［15］研究认为，青藏高原各地体碰撞拼合的时间具有由北至南逐渐变新的特征，依次为印支期、燕山期和喜山期。位于北部的祁连山冻土区碰撞拼合的时间较早，而位于中南部的乌丽冻土区碰撞拼合的时间较晚，地层隆升剥蚀严重。因此，与处于缝合带上的乌丽水合物钻探区相比，祁连山冻土区晚期构造活动相对较弱，中生代地层保存较全，烃源岩和区域盖层保存较好，有利于天然气水合物的成藏。

图2 青藏高原地体构造区划图

1．2 沉积环境与地层

乌丽冻土区主要发育了上二叠统和上三叠统。其中，上二叠统乌丽群那益雄组 （P3n）为海陆交互相碎屑岩建造；拉卜查日组 （P3lb）为浅海－滨浅海相碎屑岩和碳酸盐岩沉积。试验孔附近露头区的上三叠统结扎群甲丕拉组 （T3jp）为浅海－滨浅海相碎屑岩，见小规模火成岩侵入；波里拉组 （T3bl）为浅海相碳酸盐岩沉积；巴贡组 （T3bg）为海陆交互相含煤沉积，含可采煤层4层。由此可见，该区的沉积环境主要为滨浅海相到海陆过渡相，大量的含煤地层在过成熟的情况下可以形成较好的气源层。

祁连山冻土区木里煤田聚乎更矿区出露的地层主要包括第四系、上侏罗统、中侏罗统和上三叠统［2，16］，而水合物层主要分布于中侏罗统的含煤地层中。上三叠统以陆相碎屑岩建造为主，夹有海相石灰岩薄层，与上覆侏罗纪地层呈平行不整合接触。中侏罗统包括木里组 （J2m）和江仓组 （J2j），其中，J2m上段和J2j下段主要为湖沼相的含煤层段。上侏罗统为河流冲积环境。第四系分布广泛，主要为冰水、洪积和冰川堆积物。整个祁连山冻土区不仅发育侏罗纪含煤地层［17］，而且还发育有4套已成熟的烃源岩：下石炭统臭牛沟组 （C1c）暗色泥 （灰）岩、下二叠统草地沟组 （P1c）暗色灰岩、上三叠统尕勒得寺组 （T3g）暗色泥岩和侏罗系暗色泥页岩［14，18］。它们为该区提供了较为充足的气源。

由此可见，与处于缝合带附近的乌丽冻土区相比，祁连山冻土区沉积地层更全，沉积环境更优，烃源岩更发育，有利于油气，特别是天然气的形成。

2 气源成因对比

据统计［19］，冻土区天然气水合物以热解成因气为主 （δ13C＞－50‰），生物成因气为辅。通过对祁连山冻土区和乌丽冻土区水合物试验孔的气体组分和碳同位素测试分析认为，二者具有截然不同的气源成因。其中，乌丽冻土区水合物试验孔的岩心和附近湖水中的气体组分主要为无机成因的二氧化碳，而祁连山冻土区天然气水合物的气源主要为有机成因的烃类气体。具体分析结果如下：乌丽冻土区ZK1孔岩心顶空气的天然气测试结果为，气体组分中CO2的平均体积分数为98%，甲烷等烃类气体仅占2%；茶措湖水中的天然气的气体组分CO2体积分数为100%。气体中CO2碳同位素值为－13．9‰～－1．18‰，主频为－4‰ ～－6‰。另外，从乌丽86道班冻涨丘自行爆炸和62道班冻涨丘钻孔钻穿冻土后发生CO2爆炸的现象看［1，20］，冻土带中溶解了相当多的CO2。从气体组分和同位素综合分析认为，乌丽水合物钻探区气源成因主要为无机成因的CO2。

祁连山冻土区DK2孔岩心顶空气测试结果显示［4］，气体组分主要为烃类气体，其中，甲烷占96．6%，乙烷占3．3%，丙烷占0．1%。甲烷体积分数最高，乙烷次之，最少为丙烷。综合分析认为［8］，DK2孔的烃类气体具有明显的热解气特征。

二者气体组分对比结果显示，乌丽冻土区ZK1孔和祁连山冻土区DK2孔气体组分差异巨大 （图3），ZK1孔CO2含量很高，而甲烷等烃类气体几乎可以忽略不计，而DK2孔CH4含量很高，而CO2含量可以忽略不计。由此可见，二者在气源成因特征上截然不同。

图3 乌丽与祁连山冻土区顶空气气体组分对比图

3 温压场对比

众所周知，不论是海域深水区，还是陆域永久冻土带，合适的温压场是天然气水合物成藏的关键。对于冻土区天然气水合物而言，气体组分和地温梯度是水合物形成与否及其厚薄的决定性因素［21］。

乌丽冻土区平均海拔4700m，年平均气温－3．6℃［9］，冻土层厚度约为60m，冻土层内的地温梯度平均为1．09℃／100m，冻土层下的实测地温梯度为1．05℃／100m［22］。祝有海［23］通过乌丽冻土区实测气体组分计算了天然气水合物形成的温压条件，结果表明乌丽冻土区不仅能形成实测组分的天然气水合物，甚至能形成纯甲烷组分的天然气水合物。笔者利用乌丽水合物试验孔ZK1实测气体组分 （φ（CO2）＝98%，φ（CH4）＝2%）进行了模拟计算，同样也认为该地区具备形成天然气水合物的温压条件 （图4），且ZK1孔在90m （2．25MPa）以下就有形成水合物的可能。

祁连山冻土区的年平均地表温度为－1．5～－2．4℃，冻土层厚度为50．0～139．3m［1，22］。据统计［21］，木里煤田33号钻孔的海拔高程为4056m，冻土层厚度约为88m，该钻孔的年平均地表温度约为－2．6℃，冻土层内的地温梯度应为3℃／100m，冻土层下的地温梯度为2．2℃／100m，气 体 组 分 中 CH4为 96．6%，C2H6为3．3%和C3H8为0．1% （表1）。祝有海［21］通过模拟计算认为，33孔基本具备形成天然气水合物的温压条件。水合物稳定带位于171～574m，厚度403m。

从模拟结果来看，上述2个地区的温压场都能满足天然气水合物成藏的基本条件，但是，从表1中可以清楚看出，乌丽与祁连山冻土区在气体组分、地温梯度、冻土带厚度等方面差别很大。总体来看，乌丽ZK1孔的温压条件明显好于祁连山木里煤田33孔的温压条件，因此，单从温压条件来看，乌丽冻土区天然气水合物的成藏条件要好于祁连山冻土区。

图4 乌丽和祁连山冻土区不同气体组分的水合物相平衡曲线

表1 乌丽冻土区ZK1孔和祁连山冻土区木里煤田33孔天然气水合物形成的温压条件对比

4 结论

1）从构造演化及沉积地层发育情况来看，乌丽冻土区ZK1孔因紧邻缝合带，深大断裂发育，构造活动更强，持续时间更久，地层剥蚀更严重，不利于天然气及天然气水合物的保存；而祁连山冻土区构造活动相对较弱，地层保存较全，有利于天然气及天然气水合物的保存。

2）祁连山冻土区天然气水合物的气源主要为有机成因的烃类气体，而乌丽冻土区钻孔岩心和湖水中的气体主要为无机成因的二氧化碳。

3）从温压条件来看，乌丽冻土区和祁连山冻土区都满足天然气水合物的成藏条件，且前者好于后者。

4）构造活动性和气源成因可能是影响祁连山和乌丽冻土区天然气水合物成藏的主要原因。由于ZK1孔紧邻金沙江缝合带，该区第四纪断裂构造十分发育，在整个乌丽冻土区并不具有代表性，因此，推测羌塘盆地腹部可能具有良好的天然气水合物的成藏条件。

本文属青海省治多县乌丽地区天然气水合物调查项目产出论文。

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