全球天然气水合物储量巨大, 是一种未来的优质、清洁能源, 又是地球上重要的碳储库。多年冻土区年平均地温低, 可为天然气水合物形成提供适宜的温压条件和良好的圈闭作用, 是天然气水合物的主要分布环境之一。目前国际上在多年冻土区勘探到天然气水合物的地区主要集中在俄罗斯东西伯利亚、西西伯利亚, 美国的阿拉斯加以及加拿大的马更些三角洲等地^{[1, 2]}, 这些地区的地理位置都在北极圈附近, 属极地冻土区天然气水合物。中国多年冻土面积达215× 10⁴ km², 占国土总面积的22.3%^[3], 其中大部分属于中纬度高海拔永久冻土区。研究表明, 我国冻土区尤其是羌塘盆地、祁连山、风火山和漠河盆地等地具备较好的天然气水合物成矿条件和找矿前景^[4]。2008年, 中国在青海省木里永久冻土区首次钻获天然气水合物实物样品, 使中国成为第一个在中纬度高海拔冻土区发现天然气水合物的国家^[5]。

在海洋天然气水合物调查中, 已广泛应用可控源电磁法(CSEM)圈定海底水合物稳定带内的高阻异常区, 配合其他工作来提高水合物勘探成功率^[6]。在极地冻土区天然气水合物勘探中, 也开展过电磁法实验^[7]。我国以往应用电磁法在探测永久冻土分布方面做过不少工作^{[8, 9]}, 但在探测冻土区水合物方面还属探索阶段。姚大为^[10]等在木里地区开展了可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)探测水合物应用实验, 认为CSAMT能够很好地分辨出天然气水合物形成、运移所需要的冻土盖层和断裂构造; 由于水合物矿体规模较小, CSAMT直接探测水合物效果不明显。杨明国^[11]等在木里地区开展了瞬变电磁法(TEM)探测水合物应用实验, 在永久冻土层下方的水合物稳定带内探测出不连续的高阻层位, 并与实际钻孔资料所推断的天然气水合物的储层位置具有可比性, 认为TEM探测冻土区天然气水合物是有效的。由于水合物具有“ 排盐效应” , 导致纯水合物具有较高的电阻率, 当固体水合物占据了储层内一部分孔隙, 阻碍了导电流体在沉积物中的运移, 使储层表现为高电阻率特征, 是电磁法用于探测水合物的物理前提。在阿拉斯加Mount Elbert水合物井和墨西哥湾JIP II水合物井开展的随钻测井结果显示, 水合物沉积层的电阻率与饱水地层相比可高达140倍^[12]。木里地区水合物发现井地球物理测井结果显示, 砂岩水合物层比饱水砂岩层的视电阻率高2倍左右, 泥岩水合物层比饱水泥岩层的视电阻率高约2~3倍, 页岩水合物层比饱水页岩层的视电阻率最大能高5倍^[13]。水合物沉积层的电阻率除与水合物含量有直接关系外, 还和其所处的地质环境有密切关系。极地和海域水合物主要赋存在新生界未固结的松散地层中, 地层孔隙度大, 水合物含量高, 地层产状平缓, 构造简单。木里地区属中纬度高海拔多年冻土区, 冻土(岩)层较薄, 地层产状陡, 断裂发育, 岩性复杂, 水合物主要赋存在中生界砂岩、泥岩、页岩等硬岩石的孔隙或裂隙内, 具有埋深浅、饱和度低、水平及纵向分布不连续等特点, 与极地和海域天然气水合物的赋存条件和基本特征存在很大差异。在这样复杂条件下, 音频大地电磁测深技术探测天然气水合物是否有效?水合物赋存层位具有怎样的电性异常特征?2011年以来, 笔者在木里地区持续开展了音频大地电磁测深方法实验工作, 本文以其中一条过井剖面的实验结果来讨论音频大地电磁测深法探测冻土区天然气水合物的有效性。

研究区地处青藏高原北缘, 位于祁连山木里地区聚乎更煤矿区内, 海拔4 026~4 128 m, 年平均气温-2~-2.5 ℃。木里地区多年冻土层广泛发育, 冻土层呈岛状分布, 一般厚50~70 m, 最厚达 95 m^[14]。聚乎更煤矿区从属南祁连盆地的木里坳陷(图1), 由于构造作用及其演化结果, 矿区中部为三叠纪地层组成的一个背斜, 南北两侧为侏罗系含煤地层组成的两个向斜, 该背向斜的南北两侧发育规模较大的逆冲推覆断裂, 控制着现存坳陷的边界。

图1

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	图1 测区地质及测线位置示意

矿区出露的地层除第四系外, 还包括部分上三叠统和中侏罗统地层。上三叠统地层以黑色泥岩、粉砂岩为主, 并夹有薄煤层, 与上覆侏罗系地层呈低角度不整合接触。中侏罗统自下而上可分为木里组(J₂m) 和江仓组(J₂j) , 其中, 木里组可细分为上、下两岩性段, 下段为发育辫状河环境的粗粒砂岩、灰色细— 中粒砂岩及深灰色细粒砂岩, 底部底砾岩发育; 上段以湖泊— 沼泽沉积为主, 为深灰色泥岩、粉砂岩和灰色中砂岩、细砂岩, 为主要含煤层段, 可见两套可采煤层。江仓组也可细分为上、下两个岩性段, 其中下段为三角洲— 湖泊环境, 以暗色泥岩、灰色粉砂岩为主, 并含有多个薄煤层, 偶夹薄层炭质泥岩; 上段以浅湖— 半深湖沉积为主, 暗色泥页岩、灰褐色油页岩发育。

2008~2009年木里地区首次实施水合物钻探井, 其中DK1、DK2、DK-3、DK7和DK8井都钻遇了水合物实物样品, 这些井集中在直径小于30 m的狭小范围内, DK-4井在这些发现井的北侧, 相距约400 m, 没有发现水合物。已有钻孔揭示天然气水合物主要产于南部向斜的南翼, 呈肉眼可见的白色冰状薄层出露在岩层的裂隙中, 所在层段的岩性主要为泥岩、油页岩、粉砂岩等, 或呈肉眼难辨的微细浸染状产出在如细砂岩等岩层的孔隙中; 相反, 中砂岩、粗砂岩中则较少见到天然气水合物。水合物纵向上分布不连续, 主要出现在地下130~400 m之间。5口水合物发现井虽然相距不远, 但水合物层位横向上追索比较困难。水合物产出区地层产状较陡, 发育拟冲断层, 其中, F₁、F₂断层对天然气水合物的形成与分布可能存在一定的控制作用(图2)。天然气水合物气体以热解成因为主, 气体来源与油型气密切相关, 主要由下部或更深部上三叠统或二叠系提供。深部烃类气体沿断裂向上运移, 并在F₁、F₂压性断裂连同泥岩、油页岩等封堵作用下形成浅部气体聚集, 在天然气水合物稳定带内与水结合形成天然气水合物^{[15, 16, 17, 18]}。

图2

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	图2 DK-3、DK-4钻井横剖面简图(引自卢振权等[15])

地下不同介质之间存在的电性差异是电磁法测量结果解释的基础。研究区测井资料表明冻土(岩)层的电阻率比非冻结地层平均高约3倍^[19]。含水合物地层相对于不含水合物的相同地层表现为电阻率相对高的特征, 当水合物含量较小时, 电阻率测井响应则不明显^{[20, 21]}。不含水合物的地层总体上表现为随着岩性从泥岩到砂岩电阻率逐渐增大^[22], 煤层电阻率最高。

图3为DK-3和DK-4井电阻率测井和钻孔编录结果。DK-3井显示浅部冻土层表现出明显的高电阻率特征, 但DK-4井浅部高阻特征并不明显, 说明DK-4附近的冻土不是很发育。两口钻井钻遇的地层按电性可以分为2组, 江仓组上部以泥岩、页岩为主的地层整体表现为低阻特征, 电阻率30 Ω · m左右, 江仓组下部和木里组上部以砂岩、粉砂岩为主的地层电阻率相对较高, 约为100 Ω · m。水合物赋存在江仓组泥岩、页岩为主的地层段, 在低电阻率背景下表现出相对高阻特征。

图3

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	图3 DK-3井(a)和DK-4井(b)钻井编录及电阻率测井结果

图5为AMT电阻率二维反演断面及解释推断结果。在电阻率断面图中, 地表下方存在一水平方向连续展布的高电阻率异常, 与测井结果对比可以推断高阻异常是多年冻土(岩)层的反映。高阻异常横向展布情况反映测区内多年冻土具有“ 南部厚、中部及北部薄, 具有一定起伏变化” 的分布特征。南部多年冻土厚度基本在68~114 m范围内, 中部的厚度分布在39~62 m之间, 北部的起伏变化较大, 厚度在26~81 m范围内。其中在钻井DK-3处的冻土层最厚, 达到114 m, 且该处的冻土电阻率值较大, 最大值约为1 000 Ω · m, 而在钻井DK-4附近冻土厚度较薄, 约为42 m, 且电阻率较低, 与两口井电阻率测井结果相一致, 证明了反演结果的可靠性。冻土的发育状况与天然气水合物成藏密切相关, 冻土层较厚的地区, 地下不仅容易形成有利水合物生成的温度和压力条件, 冻土层还能够较好地封堵下部运移上来的烃源气体, 为气体聚集提供了良好的封盖条件。较薄的冻土层则难以对烃源气体形成有效的封盖, 导致无法提供稳定的温压和封闭条件, 不利于水合物的形成。

图5

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	图5 AMT二维综合解释断面

在DK-3井下方深约133~240 m处存在一个中高阻异常体“ Ⅰ ” , 高阻体位于F₂断裂下盘, 呈水平状展布。围绕该高阻异常体为一由NE向WS倾斜的低阻异常带, 根据DK-3和DK-4井编录资料和电阻率测井结果, 可以判断低阻带是江仓组上段以泥岩、页岩为主地层的反映, 低阻带的空间形态指示地层由NE向WS倾, 倾角较大, 在空间上形成水平状高阻异常与倾斜地层相交的现象, 因此水平状高阻异常显然不是岩石地层的反映。进一步对比两个钻井中水合物揭露情况, 水平状高阻异常在空间上与DK-3井第一和第二水合物层相重合, 因此推断高阻体“ Ⅰ ” 是水合物矿体的反映。高阻异常体并未延伸到DK-4井, 说明水合物层主要赋存在DK-3和DK-4之间靠近DK-3井一侧, 这与DK-4井没有钻遇水合物是一致的。高阻体“ Ⅰ ” 出现在F₁和F₂断裂下盘, 显示水合物主要分布在断裂带附近, 在水平方向上延伸有限, 可能受断裂控制。高阻异常体呈水平展布, 说明水合物不是沿陡倾的地层产出, 而是在断裂破碎带内呈水平状产出。实验区水合物气体来源于深部热解气, 在深部形成的天然气必须要运移到浅部满足水合物生成的稳定带内才可能形成水合物。实验区第四系沉积很薄, 冻土(岩)层下发育泥、页岩等致密岩层。当地层完整时, 会对深部气体向上运移形成封堵, 不利于水合物成藏; 当存在断裂构造时, 破裂的岩层不仅为深部气体向上运移提供了良好的通道, 还为水合物成藏提供了有利空间, 这是水合物分布受断裂控制的主要原因。高阻体“ Ⅰ ” 所反映的水合物层段的成因就是烃类气体从深部沿着断裂破碎带F₁和F₂向上迁移聚集, 由于该处冻土层较厚, 提供了有利的温压条件, 从而导致烃类气体在稳定带内与水结合形成水合物。这种独特的天然气水合物成藏模式与海域水合物常见的成藏模式存在较大差异, 这可能也是研究区没有发现类似海域水合物BSR地震学标志的原因。

DK-3井下方埋深近400 m的第三层水合物在电阻率断面上没有反映, 推测可能由于其距离F₂断裂较远, 无法获得充足的气源, 使得水合物含量低且分布范围有限, 难以被探测。值得注意的是, 在A0~A2位置下方、埋深280~400多米处, 还存在一个水平展布的中阻异常体“ Ⅱ ” , 该中阻异常体同样位于断裂F₁的下盘, 距离断裂F₁、F₂较近, 呈水平状展布, 与异常体“ Ⅰ ” 表现出类似的特性。所处深度与DK-3井第三层水合物深度相当, 说明这一深度还处于水合物稳定带内。因此推测这个中阻异常体“ Ⅱ ” 也可能为天然气水合物层段。由于距离F₂断裂近, 有良好的烃类气体供应, 并且能够被AMT所探测, 应是水合物含量较高、发育规模较大的储层。

在DK-4井以北, 冻土层下方存在2个规模较大的高阻异常, 其中南侧的高阻异常呈NE向WS倾, 其产出特征与地层产状一致而与高阻异常体“ Ⅰ ” 和“ Ⅱ ” 不同, 根据DK-4井钻井编录和电阻率测井结果, 该高阻体可能是江仓组下段和木里组上段以砂岩为主的地层。其北侧的高阻体呈南西向北东倾, 同样可能是江仓组下段和木里组上段以砂岩为主的地层, 与前者构成一个背斜构造。在DK-4井以北虽然冻土厚度变化较大, 但在A20~A30点之间冻土连续性较好, 厚度达到80 m, 理论模拟显示这样的冻土厚度满足水合物的生成条件^[26], DK-4井北部至少有2条断裂, 但却没有发现水合物, 说明水合物的形成受更复杂的因素影响。

1) 永久冻土(岩)层在二维电阻率断面上表现为地表下水平连续展布的高电阻率异常特征。研究区冻土发育, 但厚度变化较大, 最厚超过100 m, 最薄不足30 m, 冻土发育状况对水合物成藏有一定控制作用。

2) 水合物主要分布在坳陷南缘的逆冲断裂(F₁、F₂)下盘的近断裂带附近, 在水平方向上延伸有限, 受断裂控制明显。断裂不仅是气体运移通道, 也是水合物成藏空间。在深部形成的天然气沿断裂构造向上运移, 受冻土层的封盖作用而富集, 在合适的温压条件下与水结合形成天然气水合物矿藏, 构成天然气水合物油气系统。

3) 天然气水合物矿体在电性上表现出三大特征:① 水平展布的高电阻率异常特征; ② 高阻异常与倾斜地层产生的斜向低阻带存在相交现象; ③ 高阻异常出现在气源通道(断裂带)附近。这些特征可以作为判断水合物成藏的识别标志。

4) 音频大地电磁测深法在探测冻土和水合物方面是有效的, 但实际地质情况是复杂的, 多种因素都可能产生高电阻率异常, 必须要在水合物成藏理论的指导下, 紧密结合其他地质、地球物理成果, 进行综合研究来提高方法的探测效果。

致谢:感谢中国地质调查局油气资源调查中心的祝有海和卢振权研究员对研究工作给予的帮助。

(本文编辑:沈效群)