从2000年起, 在青藏高原冻土区先后开展了多个针对天然气水合物的调查研究工作, 主要以地质和地球物理等方面的调查和评价工作为主, 研究结果显示, 在青藏高原和祁连山地区具有良好的天然气水合物成矿条件^{[1, 2, 3, 4]}。2008年在青海祁连山木里地区成功钻获了天然气水合物实物, 取得了重大突破^[5]。2014~2015年, 为了调查祁连山木里周边天然气水合物的资源前景, 在哈拉湖地区开展了地球物理和地球化学等勘查工作。

哈拉湖坳陷位于青藏高原北缘祁连山西段, 是南祁连盆地次级凹陷, 烃源岩和储层条件相对较好^[6], 由于该区海拔高、工作条件差等原因, 地质工作程度相对较低, 尤其是对天然气水合物重要成藏要素的冻土层及断裂条件缺乏详细认识。笔者以音频大地电磁测深法为试验方法, 从地层电性的角度, 围绕冻土层和断裂问题, 通过地质资料与地球物理反演, 分析测区的冻土厚度、断裂及地层分布, 为优选天然气水合物成矿有利区提供依据。

哈拉湖坳陷处于南祁连盆地西部, 大地构造位置位于疏勒南山以南、拜兴哈达隆起以北、阳康隆起以西和哈拉湖附近地区, 构造形态为宽缓背斜, 构造趋向近EW向, 发育短轴状背斜、向斜, 各层序地层产状较平缓^[7]。哈拉湖地区地层单元多呈断块状出露, 早古生代以海相活动型沉积为主, 后加里东期为海相稳定型及陆相沉积为主^[8]。

沉积盖层自下而上包括了石炭系、二叠系和三叠系地层, 石炭系仅分布在坳陷东北侧, 二叠系和三叠系地层分布广泛, 整体形状近似长方形, 呈NW— SN展布, 目前大部分地区被第四系覆盖。二叠系包括为勒门沟— 草地沟组并组(P_1-2l-c)、哈吉尔— 忠什公组并组(P₂h-z), 由稳定海陆交互相陆源碎屑岩和碳酸盐岩组成。三叠系由下环仓组和江河组 T_1-2xh-j、切尔玛组(T₂q)和勒得寺组(Tg)构成, 下环仓组主要岩性为紫红色不等粒石英砂岩、灰绿色中细粒长石砂岩组成, 广泛分布于南祁连地区, 江河组主要由碎屑岩和碳酸盐岩不等厚互层组成, 勒得寺组为一套湖沼相沉积, 由灰深灰色粉砂岩、砂岩和粉砂质页岩组成, 岩性分布稳定^{[9, 10]}。

选择哈拉湖周边16处不同时代、具有代表性的地层露头, 采用露头小四极法测定电阻率参数, 统计结果见表1。物性测量均在野外基岩出露区, 由于本区风化强烈, 易于风化的泥岩、页岩等低阻类岩石没有完整出露, 因此测定的岩石不够全面, 另外, 地下地质体含盐量大、湿度高, 造成物性测量结果与AMT法得到的视电阻率有差异。

露头小四极法测量结果及音频大地电磁资料表明, 不同地层时代、不同岩性的电阻率存在一定差异。二叠系勒门沟— 草地沟组并组测量电阻率值范围944~2 206 Ω · m, 哈吉尔— 忠什公组并组测量电阻率值范围1 213~1 582 Ω · m, 勒门沟— 草地沟组并组电阻率均值比哈吉尔— 忠什公组并组高。三叠系的下环仓组和江河组地层和切尔玛组地层测量电阻率值平均值略高, 二叠系地层的电阻率值平均值比三叠系地层低。新生界地层一般是比较松散的富水层, 总体表现为低阻, 冻土层分布对新生界地层有一定影响。而三叠系、二叠系多为砂岩、泥岩、灰岩等岩性的电阻率值相对较高。

表1

表1

表1 哈拉湖周边不同岩性电阻率统计结果Ω · m 编号 地层时代 岩性 电阻率范围 电阻率平均值 1 T2q 细砂岩、灰岩、粉砂岩 1034~5233 2199 2 T1-2xh-j 石英砂岩、粉砂岩、灰岩、长石砂岩 606~5239 2656 3 P2h-z 长石石英砂岩 1213~1582 1392 4 P1-2l-c 石英砂岩、粉砂岩 944~2206 1654

表1 哈拉湖周边不同岩性电阻率统计结果Ω · m

哈拉湖东部的电性结构整体为测线中部以高阻异常分布, 北部和南部以低阻异常分布为主(图3)。测线北部低阻异常范围比南部大, 反映了南北部以凹陷构造为主, 其中北部凹陷最深, 新生代沉积地层厚度超过1 km, 测线中部的古生代— 中生代地层凸起, 并发育宽缓背斜构造。剖面北端虽未到达北部断裂, 但仍然可以推测存在深大断裂, 断裂深度超过1 km, 即疏勒南山南缘断裂, 剖面整体上以对冲式背斜为主要构造。哈拉湖往东测线的高阻异常范围逐渐变大, 古生代— 中生代地层逐渐凸起。

图3

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	图3 哈拉湖东部L19线电阻率剖面和综合解释成果

哈拉湖西部的电性结构以横向电性分块特征明显, 测线南北部大范围分布高阻异常, 低阻异常分布于中南部(图4)。测线北部高阻异常的电阻率等值线扭曲和局部存在低阻异常, 推测该区断裂发育、地层变形强烈和结晶基底隆起。测线南部的高阻异常北端较陡, 表明断裂向北逆冲, 倾角较大。新生代沉积地层凹陷中心靠近南部, 剖面中部地层平缓, 电性特征表现为北缓南陡的低阻异常。哈拉湖西部的地质构造主要以两隆一凹为主, 凹陷构造分布于中南部, 南北部地层隆起, 发育逆冲断裂。

图4

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	图4 哈拉湖西部N14+L01线电阻率剖面和综合解释成果

哈拉湖南部的电性结构在纵向上具有明显的分层性, 以高— 低— 中高阻为特征(图5)。浅部的层状高电阻异常为冻土层, 剖面中浅深度新生代地层发育, 分布了大面积的低阻异常。哈拉湖南部整体上以东西条带状的凹陷构造为主, 发育南倾的宽缓背斜构造, 地层产状平缓。

图5

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	图5 哈拉湖南部N20线反演电阻率剖面和综合解释成果

哈拉湖北部测线的电性结构以纵向分层为主, 电阻率等值线连续性较好, 由浅及深为高— 低— 中高阻(图6)。浅部高阻层对应为冻土层, 冻土层连续分布, 随海拔增大逐渐变厚。剖面中浅深度分布低阻异常, 新生代地层较为发育, 厚度200~1 000 m。剖面深部的中阻层对应为为二叠系— 三叠系地层, 地层产状平缓。

图6

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	图6 哈拉湖北部L07线反演电阻率剖面和综合解释成果

哈拉湖西北部的电性结构以纵向分层为主, 局部存在低阻异常(图7)。北部地层逐渐隆起, 断裂向南逆冲, 电阻率剖面中北部的高阻异常凸起, 存在局部低阻异常。沉积凹陷中心在测区西部, 新生代沉积地层厚度超过1 km, 从西向东逐渐变薄。哈拉湖西北部测区的整体为西部发育凹陷构造, 东部地层隆起。

图7

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	图7 哈拉湖西北部N5线反演电阻率剖面和综合解释成果

哈拉湖地区电阻率等值线平面图有南北向分带、东西向分区块的电性结构, 可划分出3个凹陷区和2个凸起区(图8), 分别为北部、南部和西北部凹陷, 凸起区为东、西凸起区。晚二叠纪末期— 晚三叠纪末受海西运动和印支运动的影响, 哈拉湖地区发生了差异性抬升运动, 形成了大致北高南低的古地形, 最终抬升为陆, 成为剥蚀区^{[11, 12, 13, 14]}。晚新生代以来青藏高原的快速挤压隆升以及向NE方向的持续扩展, 在祁连山地区产生了强烈的挤压逆冲和地壳缩短等构造变形^[15], 形成目前的构造格局。哈拉湖南部和东北部凹陷区以NWW走向, 沉积了大量的第四纪冰碛物冲-洪积建造^[16], 凸起区可能被NE— SW走向的断裂错开成哈拉湖东西两区。

图8

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	图8 哈拉湖地区高程3 500 m电阻率平面等值线与综合解释成果

在印度洋板块与亚欧板块相撞挤压作用下, 哈拉湖坳陷形成了一系列断裂F1~F26, 断裂走向方向基本为NW— SE走向, 与南祁连构造走向一致。哈拉湖南侧的拜兴哈达隆起往北挤压过程中发育向北逆冲断裂F1, 哈拉湖北侧的疏勒南山南缘断裂是逆冲兼走滑的深大断裂, 哈拉湖东西凸起区的断裂构造差异, 可能与疏勒南山南缘断裂走滑过程中造成了构造应力差异有关。总之, 哈拉湖坳陷地层及构造受南北两侧的大断裂所控制。

冻土层因地层中含冰成分多, 含水率低, 造成电阻率高。在电阻率剖面中, 顶部出现的稳定连续或断续不同的高阻异常推测为冻土层标志, 高阻异常下部的低阻层是浅表地层冻与非冻的分界地带, 通过划分低阻顶界可以确定冻土层厚度。

对应的测点坐标位置和冻土层厚度生成平面图, 从图9可知, 冻土层发育区的平面分布特征主要以条带状为主。冻土层发育有3个区域, Ⅰ 区分布在哈拉湖南部的测线N13~N21范围, Ⅱ 区分布在哈拉湖北部的测线L5~L17范围, Ⅲ 区分布在哈拉湖西北部的测线N1~N4范围南部。冻土层发育区主要分布在哈拉湖南部和北部, 哈拉湖北部冻土层发育与高程关系较密切, 高程越大冻土层越发育, 最大厚度约250 m。哈拉湖南部冻土层发育均匀, 地层对应主要为第四系地层, 冻土层厚度约90~190 m。在哈拉湖的南部和北部断裂较发育, 为深部烃类气源提供了通道条件, 顶空气甲烷的异常也较明显^[17]。因此, 结合冻土层厚度和断裂条件, 哈拉湖南部和北部靠近断裂附近对天然气水合物成藏较有利。

图9

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	图9 哈拉湖地区冻土层厚度平面分布

哈拉湖冻土层不发育区主要分布在哈拉湖东部和西部, 对应地层主要为二叠系— 三叠系地层, 通常情况下古近系、新近系和第四系地层分布的区域冻土层发育, 说明地层对冻土层发育影响较大, 但也有局部冻土层发育差, 如哈拉湖西部和西北部的第四系地层冻土层就发育差。冻土层发育差的区域对烃类气体封盖性差, 对天然气水合物成藏不利。

1) 根据哈拉湖坳陷电性结构, 测区内划分了3个凹陷区和2个凸起区。哈拉湖南、北部以凹陷区为主, 以NW-SE条带状分布。凹陷区内新生代沉积地层发育, 局部地区厚度大于1 000 m。哈拉湖北部凹陷范围最大, 其次为哈拉湖南部凹陷, 最小为哈拉湖西北部凹陷。

2) 哈拉湖东部构造呈两凹一隆, 从L14~L17测线范围发育一宽缓背斜, 往东地层逐渐抬升, 褶皱构造发育。哈拉湖西部以构造南北分带明显, 中北部地层隆起、褶皱构造发育, 地层变形强烈, 发育向南逆冲断裂, 南部地层隆起、发育向北逆冲断裂。

测区内划分出26条断裂, 断裂走向以NW-SE为主, 测区地层及构造受南北两侧的大断裂控制。凹陷区受F1和F14等断裂控制, 凸起区受断裂F16~F25和断裂F5~F7等控制。

3) 冻土层发育区平面分布特征主要以条带形态为主, 发育区主要有3个区域, 哈拉湖南部和北部冻土层较发育, 其中北部冻土层最发育, 冻土层发育与地形和海拔有关。在此3个区域之外, 冻土层厚度偏薄。

4) 天然气水合物形成要具备油气藏形成的“ 生储盖” 条件, 即需要充足的气源、气源的运移通道及冻土封盖条件, 同时还需符合烃源岩的生烃期和冻土形成时期的匹配关系。结合哈拉湖坳陷的天然气水合物断裂条件、冻土层条件和烃类化学异常, 哈拉湖南部和北部靠近断裂附近对天然气水合物成藏较有利。

(本文编辑:沈效群)