新疆北部哈拉阿拉特山地区石炭系与页岩气勘探潜力分析

郑 曦（新疆维吾尔自治区地质矿产开发局第九地质大队乌鲁木齐830000）

新疆北部哈拉阿拉特山地区石炭系与页岩气勘探潜力分析

郑 曦
（新疆维吾尔自治区地质矿产开发局第九地质大队乌鲁木齐830000）

哈拉阿拉特山地区巨厚页岩出露是新疆北部中小盆地和什托洛盖盆地页岩气研究的突破口。本文通过岩性、古生物等特征的分析和对比，对哈山地区石炭系页岩分布区太勒古拉组(C2t)地层进行三段划分并加以对比。太勒古拉组含页岩地层的详细划分方案的确定直接关系到和什托洛盖盆地石炭系页岩的展布预测，对新疆北部其它盆地开展页岩层划分提供了重要的资料。论文依据石炭系页岩地质特征和地化资料，对研究区页岩气勘探潜力进行了预测。

哈拉阿拉特山地区页岩气地层划分烃源岩有机地化指标

0 前言

新疆北部中小盆地页岩气资源潜力评价以页岩出露分布为划分依据，划分为中型和什托洛盖盆地和小型和丰盆地、吉木乃盆地、塔城盆地、福海-富蕴（盆地）五个重点研究区[1-2](图1)。基于中国地质大学（武汉）2012年在准西北地区页岩气路线地质调查的成果和2013年度新疆北部中小盆地页岩气资源潜力调查评价将页岩气潜力区定于和什托洛盖盆地及其周缘，目标层位为泥盆系-石炭系[3-5]。

图1 新疆北部中小盆地页岩气资源潜力评价研究区示意图

1 哈拉阿拉特山地区石炭系划分与对比

1.1 石炭系划分对比存在的问题

首先，该区由于达拉布特断裂导致构造较为复杂，导致石炭系出露极为特殊，加之区域火山碎屑岩为背景，使得该区地层划分与对比方案各异。

其次，在前人对石炭系中的页岩描述研究甚少，很多页岩出露被描述成凝灰岩，缺乏可参考的资料。

地层是认识一个地区区域地质构造的基础，地层的划分与对比始终贯穿于区域地质调查研究的全过程。页岩出露分布杂乱，地层划分不确定制约着页岩气勘探工作的开展。基于地层划分出现的问题，本文旨在通过对哈山地区石炭系划分的认识，拟定了哈山石炭系含页岩地层单元的年代属性。

1.2 石炭系划分方案和历史沿革

（1）1∶20万区域地质图(新疆区调大队1979)达拉布特断裂以南自南西向北东依次划分为C3(向斜)、C2、C1a、C1b、C25块，北部为老的三分中石炭统C2(图2a)。

（2）南京古生物研究所王玉净等[8](1987)采用国际石炭纪二分惯例，在哈山乌和公路和阿腊德依克塞沟实测两条古生物地层剖面，分别建立上石炭统哈拉阿拉特组(C2h）和阿腊德依克塞组(C2a)，该划分方案首次将阿腊德依克塞沟地层解体为北部C2h和南部C2a，北部为C1b，即石炭系三分最中部单元(图2b)。

（3）1∶25万新疆和什托洛盖地区区域地质矿产图[6-7]在1979年1∶20万乌尔禾幅地质图上做了相应变更：C3(向斜)→P3kj、C2→C2t2、C1a→C2t1、C1b→C2t2、C2→C2t3(图2c)，正式在哈山地区采用太勒古拉组三个段划分方案。本次野外工作在1∶25万新疆和什托洛盖地区区域地质矿产图基础上进行了分析修正,也延续了太勒古拉组三个段划分的方案。

1.3 本文石炭系划分对比意见

综合前人关于哈山地区石炭系地层划分各类研究成果，本文以达拉布特断裂为界，分为和达拉布特断裂以北地区（C区）和达拉布特断裂以南地区。其中断裂以南地区以凤城水库为界东部（A区）、西部（B区）三个区域地层划分(图2d)。

(1)A区：东北部乌和公路附近地区自下而上由南西向北东依次划分为太勒古拉组一段(C2t1)、二段(C2t2)、三段(C2t3)，岩性特征明显，易于区别。

(2)B区：西部阿腊德依克塞沟附近，项目使用1∶25万地质图将该区只划定为太勒古拉组二段(C2t2)；王玉净等[8]的研究成果在西部阿腊德依克塞沟附近，根据古生物化石资料将南北区分出两个不同的地层单元，即北部哈拉阿拉特组(C2h)和南部阿腊德依克塞组(C2a)(注：该地区构造在地层产状判断出现偏差，即北倾而非南倾。)。野外页岩气基础地质调查也显示出两套不同岩石组合类型，确定了南北划分两个不同地层单元的思路是合理的。因此，阿腊德依克塞沟沟北为哈拉阿拉特组(C2h)，对应为太勒古拉组二段(C2t2)。至于阿腊德依克塞沟所在的阿腊德依克塞组(C2a)，由于野外地层产状显示其在北部地层之下，因此只能对应于太勒古拉组一段(C2t1)。因此，该区自南向北由下而上为太勒古拉组一段(C2t1)、二段(C2t2)。

(3)C区：达拉布特断裂北部地区，出露的石炭系地层其归属争论较大，分别有C2、下石炭统b组C1b、太勒古拉组一段C2t1[7]，本文尊重王玉净等(1987)比对C1b(图2a)为1979年乌尔禾幅1∶20万之乌和公路附近的C1b(图2b)，即王玉净等(1987)命名的C2h,现为太勒古拉组二段C2t2，项目组在达拉布特断裂北部孤立石炭系露头北缘也采集到大量生物化石，如海百合茎、珊瑚、腕足等(图3c、3d)；相对而言，目前为止包括哈山南北，只有太勒古拉组二段C2t2(即王玉净等(1987)达拉布特断裂北部C1b、南部C2h之南部白板地)这层位化石最为富集，因此现在定义为太勒古拉组二段C2t2；另外一个依据为C区通过本次工作，确定了北部二号页岩出露区，与太勒古拉组一段C2t1不含页岩层有明显区别。以上两点为断裂北部孤立露头区确立为C2t2的重要依据，这也是本次页岩气研究关于地层工作的一项及其重要成果，直接关系到达拉布特断裂南北乃至和什托洛盖盆地石炭系及其页岩的构造-地层展布预测。各时期哈拉阿拉特山地区石炭系地层划分对比关系见表1。

表1 各时期哈拉阿拉特山石炭系地层划分方案

图2 哈拉阿拉特山石炭系地层分布图

2 研究区石炭系岩性及古生物特征

哈山石炭系太勒古拉页岩是目前新疆北部出露面积较为完整的地区之一，页岩累计厚度960 m。通过野外地质调查，对该地区地层岩性组合、古生物化石组合及分布等露头信息，进行较为系统的观察描述。涉及到的地层单位主要包括上古生界下石炭统太勒古拉组和上二叠统乌尔禾群。

2.1 太勒古拉组(C2t)

位于庙尔沟至夏子街西，整合于希贝库拉斯上亚组(C1x2)之上，未见顶。系以复理石建造为主混杂式建造、火山类复理石建造、陆源碎屑岩建造，为海相、深海相火山碎屑岩山岩、放射虫硅质岩、碎屑岩等浊流沉积。区域上可细分为三个岩性段：

太勒古拉组第一段(C2t1)：灰绿色杏仁状玄武岩、杏仁状安山岩、紫灰色安山质晶屑岩屑凝灰岩、安山质熔岩角砾岩夹灰绿色流纹岩等，厚度2 016 m；出露于哈山东北部，未见化石和页岩分布。

太勒古拉组第二段(C2t2)：出露于盆地中段南侧哈山，达拉布特断裂南北均有分布，该层厚度约为3 352 m。主要岩性为灰绿色砂岩、中酸性熔岩及凝灰质细砂岩、页岩、灰岩及灰岩透镜体等。其中灰岩层中产海百合茎、腕足类化石，单层极其富集，与黑色页岩一同产出。数量以海百合茎最多，节片大小不等，直径在2～13 mm，以小者居多，局部堆积(图3e、图3f)；腕足类(图3d)以及苔藓虫等。太勒古拉组二段(C2t2)含有两个富有机质页岩出露区，二号页岩出露区位于达拉布特断裂北部，三号页岩出露区位于断层南部。两个页岩出露区内页岩分布均为页岩与凝灰质砂岩互层。

太勒古拉组第三段(C2t3)，主要岩性为紫色-灰绿色砂岩、灰黑色含炭硅质页岩、玄武岩等为主夹灰岩透镜体。下亚段(C2t3-1）为大套黑色片状、薄层、中层、中厚层硅质页岩、泥质粉砂岩夹灰岩透镜体，向上渐变为灰绿色砂岩、含砾砂岩；该段下亚段底部产海百合茎化石(图3b)，中部保存大量顺层分布深水遗迹化石(图3a)；上亚段(C2t3-2)黑色页岩、泥质粉砂岩与凝灰岩、中酸性熔岩互层。太勒古拉组三段地层厚1 055～2 145 m(引自《乌尔禾幅地质图》(1979))[6]，项目实测2 300 m，组内一号富有机质页岩出露区位于乌和公路西侧的TC01、TC02探槽。TC01硅质页岩厚度约960 m，面积约为22 km2，单层页岩厚度最大值36.87 m；TC02硅质页岩总厚208 m，单层页岩最大厚度为20.2 m。

2.2 乌尔禾群(P2w)

灰绿色、棕红色砾岩、砂砾岩、砂岩，厚度1 448 m；主要发育于哈山西南部向斜部位。

3 研究区页岩气勘探潜力分析

3.1 页岩层烃源岩有机地化指标

太勒古拉组第三段(C2t3)和第二段(C2t2)层位在岩性、古生物和页岩分布三方面都有相似之处，划分依据仅有细微的差别。本文通过对页岩的研究发现，烃源岩有机地化指标也存在一定的差异，亦可当做两段页岩进行对比和划分的依据，一号页岩出露区对应第三段(C2t3)，二号区对应第二段(C2t2)，有机地化参数值对比见表3。两区沉积相均为浅海相和深海盆地,以《全国页岩气资源潜力调查评价》[9]整理的海相富有机质页岩基本参数特征为参考，页岩层厚30～246 m(目前国内海相页岩厚度最大值)，埋深1 500～4 000 m，TOC含量1%～8%，Ro 2.0%～3.5%。一、二号页岩出露区在页岩层厚度上都满足参数特征值。

(1)TOC（%）：一号页岩出露区TC01、TC02采用槽探工程揭露至新鲜基岩面以下0.6～0.8 m，按3 m∕样，样重不低于500 g∕样的标准采取连续捡块法共采集烃源岩样355件，样品分析结果显示：其有机碳TOC含量平均为0.569%；二号页岩出露区PM03采用同样标准采集烃源岩样25件，样品分析结果显示：其有机碳TOC含量平均为0.817%。TOC含量比规范参数含量较低，因为地表取样风化严重，可见地下页岩有机碳TOC含量比较高（以上实验数据均为地表化验成果）。

图3 哈拉阿拉特山石炭系太勒古拉组古生物化石图版

表3 太勒古拉组烃源岩有机地化指标对比表

(2)Ro(%)∶一号页岩出露区TC01、TC02干酪根镜质组反射率测定中可用于反射率测定镜质体较少，其平均值为Ro=1.324%，热演化较高，干酪根类型为Ⅲ型；烃源岩岩石热解最高温度Tmax介于510～537℃，产烃潜量PG介于0.04～0.08。说明该套页岩主要生烃阶段已经完成好；二号区干酪根镜质组反射率平均值为Ro=0.942%，源岩岩石热解最高温度Tmax=431℃，产烃潜量PG为0.067～0.1024，说明为一套热演化程度中等、主要生烃阶段已完成的较好烃源岩层。

(3)X射线衍射定量分析：一号页岩出露区内烃源岩中黏土矿物总量介于2.71%～6.47%,脆性矿物（石英）含量介于33.69%～63.27%，为一套极易压裂的烃源岩。同时受达拉布特断层构造影响，页岩层内部发育多组节理及小断层碎裂岩带，对后期页岩气开发压裂奠定了有利条件；二号区内烃源岩中黏土矿物总量介于4.37%～6.28%,脆性矿物（石英）含量介于42.81%～61.04%，为一套易压裂的烃源岩。

Ro是决定产油产气的重要参数：Ro在0.4%～0.6%主要产油页岩；Ro在0.6%～1.3%主要产页岩油；Ro在＞1.3%主要产页岩气。从样品分析结果上看出，只有一号页岩出露区TC01段是达到页岩气成熟度标准，是主要生烃阶段已完成好的页岩气评价目标层段。

综上，一号页岩出露区页岩厚度巨大、烃源岩地化指标较好、且地层易压裂的较好烃源岩，可做为重点评价有利目标层段。二号区为三套有机碳TOC含量较高、热演化程度中等、烃源岩地化指标中等、且具有较好的保存条件的比较有利目标层。一号区对应太勒古拉组第三段(C2t3)和二号区对应的太勒古拉组第二段(C2t2)，说明通过厚度、成熟度、TOC等烃源岩有机地化指标参数即可以作为地层划分的依据，又是页岩气资源评价的重要依据。

3.2 页岩层勘探潜力分析

以《全国页岩气资源潜力调查评价》[9]为参照，页岩层资源潜力参数标准主要有以下几点：

(1)有效厚度：单层厚度大于10 m（海相），连续厚度大于30 m；

(2)有效面积：连续分布的面积大于50 m2；

(3)有机碳含量（TOC）在0.5%～13%；

(4)镜质体反射率（Ro）＜3.5%：I型干酪根＞1.2%，II1型＞0.9%，II2型＞0.7%，III型＞0.5%；

(5)主体埋深在500～4 500 m之间；

(6)脆性矿物（石英）含量在15%～25%。

据研究区石炭系页岩厚度较大（960 m）、分布广泛（数百平方千米）、埋深适中（1 500～4 000 m）、有机质含量丰富（含大量海相化石）、有机碳含量较高（TOC在0.569%～0.817%）、有机质热演化较高（Ro为1.34%）、脆性矿物含量较高（石英含量在33.69%～63.27%），属易压裂烃源岩等，综合认为新疆北部哈拉阿拉特山地区和什托洛盖盆地石炭系页岩勘探具有巨大潜力。

4 结论与认识

(1)研究区（和什托洛盖盆地及周缘）以哈山地区页岩出露范围最大，是整个北部地区页岩气研究的突破口。以野外岩性识别、化石对比及烃源岩有机地化指标对比依据将太勒古拉组(C2t)划分为三段。

(2)从页岩气潜力评价方面来看，位于石炭系太勒古拉组三段(C2t3)的一号页岩出露区页岩厚度巨大、烃源岩地化指标目前仅限地表数据分析，TOC、Ro和脆性矿物等参数值都比较乐观，是主要生烃阶段已完成好的页岩气评价目标层段。

(3)根据页岩气评价指标页岩厚度、埋深及有机质丰度等综合分析，认为研究区石炭系页岩气具有重大勘探潜力。

本文得到成都地调中心余谦、闫剑飞等修改指正，长安大学外语学院李卿慧老师的帮助支持，在此致以衷心的感谢！

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收稿:2014-06-04

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DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.010