祁连山木里地区电性结构及天然气水合物地质控制因素

何梅兴，裴发根,2，方慧，张鹏辉，何大双，张小博，吕琴音，仇根根

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊，065000；2.成都理工大学地球物理学院，四川成都，610059)

我国祁连山冻土区与极地地区的天然气水合物在成藏条件和分布特征方面存在很大差异，如加拿大马更些三角洲地区(Mackenzie Delta)地温梯度小，冻土层厚度较大，天然气水合物主要赋存在古近系碎屑沉积层内，气体来源为热成因气，与常规油气资源共生，水合物饱和度高[1-3]。而祁连山地区属中纬度高海拔冻土区，地温梯度大，冻土层相对薄，水合物主要赋存在中侏罗统江仓组，地层产状陡、断裂发育，水合物埋深浅、饱和度低[4]。相比极地地区，祁连山冻土区的天然气水合物成藏条件较差，矿体规模小，成藏规律更加复杂。在木里聚乎更煤矿区三露天井田内26 口天然气水合物钻探井中，其中11 口钻井钻获的天然气水合物呈不连续分布，规律不明显[5-7]，这导致了水合物资源勘探难度大，亟待加强研究该区有关天然气水合物不均匀性分布的地质控制因素等基础性问题。

前人从地层岩性、气源类型、断层破碎带和冻土层属性等角度探讨分析了与天然气水合物分布的规律，认为断层是最主要控制因素，气源成因类型、冻土层的构成及岩性对水合物均有一定影响[5,8]。但这些分析主要基于有限钻井岩心的测试结果，木里地区地质情况复杂，钻井资料有限，还缺乏天然气水合物与其成藏控制因素的整体认识，而且涉及的地球物理资料有限，因此，对天然气水合物空间分布与主要控制因素的对应关系认识还不足。

针对天然气水合物分布规律不明显与地质控制因素不清等问题，在以往工作基础上，从木里三露天的电性结构与天然气水合物分布关系的角度，综合分析音频大地电磁测深结果，探讨该区天然气水合物运移通道和冻土层分布等对天然气水合物分布的控制作用，为进一步研究青藏高原冻土区天然气水合物成藏机制和下一步勘探开发提供借鉴与参考。

1 地质概况及地球物理场特征

图1所示为祁连造山带构造单元分布。由图1可见：研究区处于中祁连构造带中西部，石炭纪—二叠纪，区域接受了一套海相和海陆交互相沉积，三叠纪受印支运动影响，地层隆升剥蚀，侏罗纪的燕山运动导致局部拉伸，沉积了一套煤系地层。晚中生代的燕山运动构造抬升，沉积面积萎缩，白垩系被剥蚀而保留了部分侏罗统。自新近纪以来，受喜马拉雅运动的影响，祁连山地区处于强烈挤压构造应力区，发生了大幅度的地壳缩短、抬升和旋扭。天然气水合物发现区木里坳陷聚乎更矿区主要由2个向斜和1个背斜构成的复向斜构造组成[9-11]。

图1 祁连造山带构造单元分布Fig.1 Distribution of tectonic units in Qilian orogenic belt

根据祁连山重力场特征，研究区可划分为北祁连重力高值梯度带、中祁连重力场过渡带和南祁连重力场平缓区，前2个区总体呈北西—南东走向重力梯度带，祁连山西南部重力低反映了地壳增厚，东北至西南莫霍面逐渐加深，最深处位于祁连山西南部[12]。航磁异常分布特征显示祁连山东、西两段基底岩系出露区磁异常强度为50～250 nT，中部晚古生代—早中生代分布区磁异常强度为-25～-75 nT，磁异常强度差异性表明中部基底埋深大，可能存在北东方向的基底隐伏断裂[13]。

2 工作方法

在天然气水合物地球物理调查中，电磁法勘探是一种重要的方法手段，该方法根据水合物储层与围岩之间的电阻率差异，推断天然气水合物赋存位置[14]。在青藏高原地球物理方法有效性对比实验中，该方法对于天然气水合物形成、运移和封堵所需要的断裂构造和冻土盖层也有较好的探测效果[15]。

2.1 数据采集

测区位于木里坳陷聚乎更矿区三露天井田，测线穿过多个天然气水合物钻井，完全覆盖了已发现水合物区域。测线南端跨越了大通山北缘主控断裂，测线方向垂直于北西-南东向的背斜构造，如图2所示。音频大地电磁测深(AMT)采用五分量张量测量方式，即同时测量天然电磁场5个分量(电场分量Ex和Ey；磁场分量Hx，Hy和Hz；其中，x，y和z为观测坐标系统方向)，布设采用正“十”形测量装置。

图2 木里坳陷三露天音频大地电磁测点与地层分布图Fig.2 AMT measuring points and stratigraphic distribution

2.2 数据处理

对采集的音频大地电磁测深电场和磁场时间序列进行频谱分析，采用Robust 方法估算了实测坐标系的阻抗张量元素，为了更好地对比观测结果，进行了二维和三维反演。由于大地电磁信号信噪比低和信号干扰，导致某些频点的数据误差较大，甚至一些频点或频段发生了畸变，在数据反演之前先进行主轴旋转、测线圆滑和静态校正等预处理。结合地质情况，选定TM模式二维反演结果作为剖面解释依据。

三维反演采用SIRIPUNVARAPORN 教授在Occam反演算法基础上改进的数据空间算法[16]，该算法将模型空间转换到数据空间，数据远小于模型参数数据，极大地减小了反演的计算量。三维反演采用测区完成的AMT 测量189 个测点，点距为100 m，面积约为6 km2，三维模型网格x，y和z轴分别剖分为45，51和25个单元格，边界网格数为5 个，水平方向单元网格长×宽(x×y)为100 m×100 m，深度(z)单元网格首层为20 m，以1.05倍数递增，有效反演深度为1 000 m，反演迭代10 次，反演拟合误差为1.53%。

3 研究区电性特征

3.1 地层电性特征

祁连山木里地区中侏罗统江仓组下段的下部及其下伏的木里组均为相对高阻的含煤地层，砂岩、粉砂岩为次高阻，中侏罗统江仓组下段的上部泥岩地层为低阻特征，上三叠系砂岩、含煤层为中高阻特征。含天然气水合物地层段均表现出较明显高电阻率特征，冻土层和水合物赋存带与相同岩性非水合物赋存带相比表现出相对高阻特征，各地层的电阻率差异为电磁法试验提供了物性条件。

3.2 研究区整体电性结构

图3所示为木里三露天三维电性结构模型。由图3可见，高阻异常区对应为三叠系和木里组含煤地层，主要分布在水合物区西南部和东北部，地层岩性相对完整。低阻异常主要对应侏罗系泥岩、油页岩，范围主要分布在中东部，含泥岩、页岩的侏罗系和断裂构造较为发育。整体电性特征与地质构造特征具有较好对应，表现为“东西向分块、南北向分带”的特征。

图3 木里三露天三维电性结构模型Fig.3 Three-dimensional electrical structure model in Sanlutian of Muli area

4 天然气水合物地质控制因素

4.1 气源

木里冻土区天然气水合物以热解成因气为主，微生物成因气较少[17]，但对热解成因中是油型气还是煤型气还存在分歧。从天然气水合物气体组成和同位素基本特征分析，烃类气体主要是油型气[18]。但如果根据天然气水合物在煤系地层的赋存状态、碳同位素和气体组成，则指示为煤成气[19]。气源对比表明中侏罗纪泥岩暗色泥页岩和晚三叠世尕勒得寺组暗色泥岩是主要的烃源岩，中侏罗统与上三叠统烃源岩是今后的主要目标层[20]。在气源分布差异方面，三露天的钻井中岩心显示，烃类气体有效供应量从西至东逐次变差[5]，气源的有效供应状况可能决定了天然气水合物分布的差异性。

4.2 断裂构造

燕山期木里地区受区域挤压应力作用，主要断裂性质由张性转变为压性，南侧发育规模较大的逆冲推覆断裂F1和F2[21-23]，控制着坳陷南边界。在电阻率剖面上反映了逆冲推覆构造的电性特征，表现为低阻异常和高阻异常倾向一致向西南倾斜，反映了断层向北逆冲，倾向为西南，根据低阻异常特征反映的逆冲断裂，可以划分出主断裂F1 和F2，目前发现的水合物主要分布主断裂附近，构造控矿明显。

图4所示为L01 与L02 测线电阻率剖面的低阻异常带电性特征。由图4可见，从西至东F1 和F2推覆断裂产状及规模不同，总体特征为发育规模变小，倾角变陡，推覆距离变小。推覆断裂的发育规模、倾角和推覆距离对水合物成藏都有控制作用，推覆断裂弧形前锋附近断裂最为发育，F1和F2 组成的断距最大，该处还发育北东向平移断裂，形成了该区断裂构造发育区，倾角较东部小，推覆距离较远，钻孔发现的水合物最多集中在该区，说明该处相对低角度的推覆断裂起着封堵作用，为烃源岩地层提供了保存条件，烃类气体最富集，同时提供了运移和成藏空间，在温压条件下，形成了天然气水合物分布集中区。因此，破碎带发育的规模大、倾角小和推覆距离远的推覆断裂前锋区域对水合物成藏更有利。

图4 木里三露天AMT测线电性断面及综合地质解释图Fig.4 Resistivity profile and comprehensive interpretation of AMT survey line in Sanlutian of Muli area

图5所示为三露天测区电阻率深度切片图。由图5可见：测区区西南部存在1 条明显的北西-南东走向的低阻异常带，与大通山北缘断裂构造方向一致，根据北西-南东方向的低阻带可推测断裂发育情况。从浅部(埋深为-187 m)到深部(埋深为-853 m)，低阻异常发育范围逐渐扩大，表明了深部断裂发育规模逐渐变大，推测断裂构造发育深度大于1 000 m。从深部(埋深为-583 m)到浅部断裂走向上，存在局部高阻阻隔区，破碎带连通性逐渐变差，表明了木里坳陷南部主断裂在走向与垂向上分布的差异性。

由图5可见，浅部方向约为北偏西45°，深部方向约为北偏西60°，说明主断裂深浅存在角度差，表明在推覆作用下，主断裂从深部北西西向旋转至浅部北西向。从地表地质情况可知，DK3处为弧形推覆构造的前锋，测区处于弧形推覆构造的东侧，结合电性特征和推覆作用差异性，主断裂构造附近存在2 处局部低阻异常区，推断为2个断裂破碎通道，分别在DK3和DK8-19附近，其中DK3 附近范围内发育规模较大。断裂通道与水合物发现区有较好的对应性，说明断裂通道对水合物分布起了重要控制作用。在测区中部(DK10-16和DK10-18附近)区域，中浅部对应为中高阻地层，缺乏贯穿深部的断裂通道，应是未钻遇水合物的原因之一。

图5 三露天测区电阻率深度切片图Fig.5 Resistivity depth slice diagram in Sanlutian of Muli area

为分析断裂破碎带的连通情况，建立了电性结构体小于30 Ω·m的三维等值面图，如图6所示。由图6可见：测区存在破碎带构成的2个“气烟囱”通道，通道位置及钻遇水合物井的分布有较好对应性。测区也发育泥页岩低阻层，根据“气烟囱”通道形态可推测低阻通道应该是低阻泥岩层和断裂破碎带两者的综合反映。“气烟囱”通道呈下宽上窄形态，通道延伸至深部，从深及浅发育2 个“气烟囱”式的断裂通道，该通道与已发现的水合物钻孔对应性较好，说明了烃类气源沿着“气烟囱”通道运移并成藏。

图6 三露天测区三维电阻率等值面与气源通道Fig.6 Three-dimensional electrical structure model and source gas channel in Sanlutian of Muli area

4.3 冻土层

冻土层具有致密性高和通透性差的特点，可阻止烃类气体向上迁移至空气中，稳定分布在地表的冻土层。木里地区海拔一般为4 000～4 300 m，年平均地表地温最低为-2.4 ℃，地表冻土发育。祁连山木里地区具有丰富烃类气体，气源条件良好，冻土条件已成为天然气水合物成藏的关键因素之一[24]。

由于冻土层含冰量高，具有地表上连续或间断分布的高电阻层特征，应用音频大地电磁测深探查冻土层应用效果良好。依据音频大地电磁测深获取的天然气水合物底板埋深及厚度，与钻井实测的冻土层厚度和底板埋深基本一致，结合音频大地电磁测深和高密度电法结果表明该区冻土较发育，平均厚度约82 m。

图7所示为三露天实验区永冻土底界厚度分布图。由图7可见：大通山北坡水合物分布区DK13-11 至DK10-17 范围冻土层相对发育，DK10-16 至DK10-18的东部冻土层发育差。总体上三露天冻土以岛状形态分布，西南部发育，东部发育差。受地形影响，地表水流向具有方向性，大通山北坡向三露天的地表水流向大致向DK11-14 至DK-10区域，地表水聚集区冻土层发育，可能是造成该区冻土层发育主要因素。除此之外，冻土层发育还受高程、地形和岩性等因素影响，三露天冻土层发育的不均匀性，在一定程度上限制了水合物成藏的有利空间。

图7 三露天实验区永冻土底界厚度分布图Fig.7 Distribution of thickness of permafrost in Sanlutian of Muli area

5 成藏模式探讨

天然气水合物主要在气源、构造和冻土层之间耦合机制体系下成藏[25-27]，水合物钻探显示天然气水合物产出层段多为零星、空间不连续分布，天然气水合物成藏机理复杂。侏罗系下伏的烃源岩的生排烃时间在距今90～100 Ma，而距今1.2 Ma才开始发育高原冻土，天然气水合物形成于距今1.2 Ma之后[20]，这期间喜山运动导致祁连山地区遭受了强烈的地壳压缩、隆起和剥蚀等，地层改造强烈，油气保存条件相对差，烃源岩的完整性和圈闭构造是水合物成藏的关键因素。

依据低阻异常范围的深度，大通山北缘断层发育深度大于1 km，侧面说明了气源来源于中深部，推测来自于约1 km 深度或更深处。在三露天天然气水合物测区断层连通性方面，断层已连通深部至浅部，存在2个“气烟囱”通道，水合物发现区域与断层通道分布吻合，远离“气烟囱”通道的水合物钻井未钻遇水合物。如DK6 和DK9 钻井对比(图8)，地层岩性都含泥岩、油页岩等烃源岩层，应该都具备了生成天然气水合物的气源条件，DK9 钻井位于“气烟囱”通道上方，冻土层厚度约100 m，而DK6远离“气烟囱”通道，冻土层厚度只有65 m，DK9 在气源通道和冻土层封闭条件都比DK6 有利，DK9 钻井钻遇了3 层含水合物层，表明水合物成藏与“气烟囱”通道及冻土层分布密切有关，缺乏气源通道运移和冻土封闭条件是造成水合物不均匀性分布的主要因素。

图8 水合物钻井测井曲线与水合物分布图Fig.8 Hydrate well logging and hydrate distribution

图9所示为祁连山木里冻土区天然气水合物成藏模式。木里地区断陷接受侏罗系沉积后，受燕山后期区域压应力场作用下，中生代地层开始褶皱变形，随着喜山期挤压作用的加剧，坳陷南北两侧发育对冲的逆冲断层，形成了褶—断组合形态，在三露天的南部大通山北缘发育了北西西走向的叠瓦状由南向北逆冲断层，倾向南西。断层逆推过程中，因侏罗系中发育低强度、高塑性的煤和泥岩层等软弱层位，三叠系沿着软弱滑脱层发生逆冲推覆。从三露天地层分布可知，受局部应力和软弱层位分布差异，逆冲断层平面分布形态呈弧形，弧形前锋推覆距离至少1 km，天然气水合物主要位于应力集中的逆冲断层前锋带下盘，挤压作用下形成大量逆冲断层，易形成岩性圈闭，三露天天然气水合物控矿构造样式以逆冲前锋型为主。

图9 祁连山木里冻土区天然气水合物成藏模式Fig.9 Pattern for gas hydrate accumulation Muli area in Qilian mountain

6 结论

1)木里三露天测区发育2 个“气烟囱”通道，主要由断裂破碎带构成，该通道呈“下宽上窄”形态，浅部断裂通道与深部断裂连通，该通道与已发现的天然气水合物钻孔对应性较好，指示烃类气源沿着“气烟囱”式的断裂通道运移并成藏。

2)据音频大地电磁法反演结果得出木里三露天测区整体三维电性结构模型，测区整体电性特征以“东西向分块、南北向分带”为主，反映了地层及地质构造特征。

3)木里三露天天然气水合物主要位于逆冲断层前锋带下盘，控矿构造样式以逆冲前锋型为主，木里三露天天然气水合物空间分布不连续，断裂通道及冻土层共同作用下可形成水合物成藏有利条件，天然气水合物分布具有“逆冲推覆前锋带、断裂破碎带和冻土层发育区”的规律。