东北漠河盆地北部冻土分布特征
刘畅往1,2,3, 裴发根1,2,3, 仇根根1,2,3, 张鹏辉1,2,3
1.国土资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室,河北 廊坊 065000
2.国家现代地质勘查技术研究中心,河北 廊坊 065000
3.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

作者简介: 刘畅往(1963 - ),男,教授级高级工程师,主要从事冻土区天然气水合物电磁勘探技术研究。

摘要

漠河盆地具有良好的天然气水合物成藏前景,了解盆地内冻土发育状况对评价水合物资源潜力和有利区优选十分重要。在东北漠河地区开展音频大地电磁测深(AMT)的剖面测量工作,目的之一是查明工区内冻土层埋深厚度以及空间分布。本文通过对东北漠河盆地北部冻土层电性特征的分析,依据冻土层的高阻特性进行了厚度识别和划分,勘探结果显示,漠河盆地北部冻土呈岛状分布,冻土分布特点为北厚南薄,西部薄,中东部厚,最大厚度为120 m,平均厚度40~80 m,反映了该区具有形成天然气水合物良好的冻土条件。

关键词: 东北漠河盆地; 音频大地电磁测深(AMT); 电性特征; 永久冻土层; 天然气水合物
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1204-11
Permafrost distribution characteristics of northern Mohe basis in Northeast China
LIU Chang-Wang1,2,3, PEI Fa-Gen1,2,3, QIU Gen-Gen1,2,3, ZHANG Peng-Hui1,2,3
1. Key Laboratory of Geophysical Electromagnetic Detection Technology, Ministry of Land and Resources, Langfang 065000, China
2. National Modern Geological Exploration Technology Research Center, Langfang 065000, China
3. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang 065000, China
Abstract

Mohe basin has favorable reservoir-forming prospect for gas hydrate, and the understanding of the permafrost development situation in the basin is very important for evaluation of gas hydrate resources potential and optimization of favorable areas. One of the purposes of carrying out audio frequency magnetotelluric sounding profile measurement in Mohe area of Northeast China is to find out the buried depth and spatial distribution of permafrost in the working area. Based on an analysis of the electrical property characteristics and high resistivity features of the permafrost, the authors made thickness recognition and division. The exploration results show that the permafrost in northern Mohe basin exhibits island-shaped distribution, with characteristics of thick in the north and thin in the south, thin in the west and thick in central and east parts, with the maximum thickness being 120m and the average thickness being 40~80, which demonstrates that the study area has favorable permafrost conditions for the formation of gas hydrate resources.

Keyword: Mohe basin in Northeast China; audio frequency magnetotelluric sounding (AMT), electrical property characteristics; permafrost; gas hydrate
0 前言

天然气水合物是在低温高压条件下由水和天然气形成的结晶物, 俗称“ 可燃冰” , 它广泛分布于大陆边缘海底和冻土带沉积物中, 是未来能源的理想替代物。在陆域, 形成水合物的温度和压力条件与多年冻土有密切的关系。漠河盆地地处我国大兴安岭北端, 常年气温低, 不仅是我国最为寒冷的地区, 也是我国极地冻土的主要分布区。漠河盆地是潜在的含油气盆地, 是天然气水合物成藏的有利远景区, 但调查工作程度不高, 查明盆地内冻土发育状况对评价水合物资源潜力和有利区优选十分重要。人们常选择电阻率法来探测冻土层厚度[4, 5], 在祁连山木里水合物发现区开展的探测水合物方法实验中, 也证明AMT是探测冻土的有效方法。2011~2014年, 中国地质科学院物化探所在漠河盆地北部开展了AMT勘探工作, 主要目的之一是探测区内冻土发育及分布状况, 为评价东北永久冻土区天然气水合物成藏条件, 圈定水合物有利区块提供依据。

1 工区概况

工作区位于黑龙江省漠河县, 属于漠河盆地范围。工作区内地形起伏较大, 最高海拔为783.5 m , 最低为402 m , 一般为616 m。区内全部为森林覆盖, 气候属于我国最寒冷的寒温带气候, 年平均气温-4.9℃, 极端最低气温达-49.5℃, 结冻期长达7个月左右, 有利于连续冻土层的发育。漠河盆地属于永久冻土带, 系欧亚大陆多年冻土的一部分和自然南延, 大体分布于我国东北北纬48° 以北的广大地区, 系晚更新世形成冻土的残留部分, 总面积约38.2万km2, 约占我国永久冻土面积(215万km2)的 17.8%, 是我国永久冻土带的重要组成部分。

漠河盆地以前中生代基底大地构造单元划分, 研究区位于兴安岭— 内蒙地槽褶皱区额尔古纳地块额木尔山中间隆起带东部。工作区(永冻区, 下同)横跨2个I级构造单元, 即萨彦— 额尔古纳地槽区和天山— 兴安地槽区。漠河盆地内主要地层充填是中上侏罗统, 泥盆系为盆地基底。自下而上, 依次发育了中侏罗统的绣峰组、二十二站组、漠河组和开库康组, 上侏罗统的塔木兰沟组、吉祥峰组、木瑞组、上库力组, 依列克得组, 另有少量古新近系中— 上新统金山组和第四系(图1)。

图1 漠河研究区地质概况及AMT测线布置

东北永久冻土区内发育有众多中新生代沉积盆地, 其中漠河面积大于10 000 km2。盆地均充填了数千米厚的碎屑岩系, 其中的巨厚暗色泥岩和煤线是天然气水合物形成所必需的烃类气体生成的主要烃源岩, 是永久冻土带天然气水合物形成所必需的物质基础。

2 工作方法及物性前提
2.1 工作方法

本次工作采用音频大地电磁测深法(AMT)剖面测量, 点距100 m, 采用五分量张量观测系统, 观测频率为10 kHz~0.35 Hz, 使用多台加拿大风凰公司生产的V5-A型仪器, 野外数据采集前后开展了仪器的平行试验、一致性试验等工作, 保证了仪器采集系统的一致性, 2011~2014年共完成AMT测线41条, 测点4 561个。

对于野外采集的音频大地电磁数据, 在野外数据预处理的基础上, 室内主要进行了数据编辑、极化模式识别、数据畸变分析以及静校正等处理, 对视电阻率曲线类型进行了归类分析, 进一步研究了曲线首支(高频段)形态与冻土层的关系, 在上述工作的基础上, 进行了测线的一维和二维定量反演计算, 根据二维地电断面结果对工区的冻土层厚度及分布范围进行了推断解释。

2.2 物性前提

AMT测量是以岩层或地层之间的电性差异为物性基础, 冻土层的探测是建立在同一岩性的地层在冻与未冻状态的电性差异, 在自然状态下, 冻土的电阻率受到的影响因素较多, 其中主要因素有二个。

一是冻结岩石含冰量的多少对其电阻率有决定性的影响, 对于同一种岩性的冻结地层而言, 含冰量愈多, 冻结程度愈高, 其电阻率愈高。

二是不同的岩石冻结前后电阻率的变化相差很大, 岩石结构松散, 孔隙、裂隙发育的第四系沉积物, 冻结前后其电阻率可相差10~30倍, 而对于岩性致密, 孔隙、裂隙度很低的岩石, 冻结前后其电阻率差异仅为1~5倍。这种现象出现的原因, 可能是由于松散沉积物与致密岩石的空隙度不同引起的含冰量不同所致, 划分冻结的松散沉积物的效果要好于划分冻结致密岩石的效果。

根据Harada K.对西伯利亚北部不同岩性在原位状态下的直流电阻率测量结果(表1)[9], 同一岩性在冻状态比未冻状态下电阻率值大几倍或十几, 不同岩石间冻结状态下的电阻差异也较大, 如土、砂土在冻结状态的电阻率为700~3 000Ω · m, 而石灰石非冻结状态的电阻率高达5 000~10 000 Ω · m。同在冻结状态下, 土、砂土与石灰石电阻率的差异也十分大, 因此在运用电磁法探测冻土的资料解释中, 应根据高阻与低阻地区不同的电性特征背景, 确定冻土电阻率的分布范围以及厚度。

表1 原位状态下西伯利亚北部冻与未冻的岩石电阻率[9]

综上所述, 无论何种岩石体, 在冻结后, 其电阻率均发生急剧增加, 与其下伏非冻地层之间电阻率存在明显的差异, 是采用电阻率法探测冻土层厚度的物性前提。在实际探查中, 发现冻土层所表现出的高阻仅为相对高阻, 而下伏地层有明显的低阻薄层, 这可能是冻与非冻之间的一种熔融状态。通过判别低阻薄层顶界来识别冻土厚度, 取得了较好的地质解释效果。

3 工区冻土层电性特征分析
3.1 冻土层电阻率参数

为了系统了解工区内冻土层电阻率的变化情况, 根据测区内冻土验证孔电测井的数据, 对各个钻孔(见图1)的冻土层电阻率参数进行了统计(表2), 为AMT的反演解释与划分冻土厚度及分布范围提供了重要依据。从钻孔在工区的分布情况来看, MP-07~MP-11孔位于工区的中西部, 电阻率值范围为510.5~5 355 Ω · m, 尤其中部MP-09~MP-11孔电阻率最大值均在5 000 Ω · m, 东部MP-02~MP-03孔的电阻率范围为57~1 236 Ω · m, 明显反映出中部大、两边渐小的趋势。

表2 测井冻土厚度及视电阻率结果统计

图2 工区深度100 m的电阻率平面分布

图2是工区100 m深度的电阻率平面分布(切片), 这个深度大致处于测区的非冻状态, 电阻率在几~几千Ω · m。从两种测量结果看, 冻土层的电阻率是非冻岩石的几~十几倍, 与原位状态下西伯利亚北部测试结果相一致, 这也进一步证明了测区内冻土层的存在。

从钻孔的分布位置看, MP-07~MP-11孔出露地层为侏罗系中统漠河组(J2m), 冻土层电阻率为331.9 ~5 355 Ω · m, 平均值范围为:1 338.6~2 723.2 Ω · m , MP-01~MP-02孔出露地层为侏罗系中统二十二站组(J2e), 冻土层电阻率值范围为:75~1 236 Ω · m, 平均值范围为:225.7~411.6 Ω · m , 从冻土层电阻率统计结果来看, 冻土层的电阻率大小与地层及岩性密切相关, 漠河组地层的电阻率远大于二十二站组, 这一结果说明不同地层及岩性形成的冻土层电阻率千差万别, 因此在识别和划分冻土层中, 应根据地层及岩性选择电阻率值的范围。同时也间接证明非冻状态的两套地层之间电阻率的对应关系, 漠河组、二十二站组作为目前天然气水合物资源勘查研究的主要地层, 根据电阻率的特征分析, 二十二站组地层中可能更有利于天然气水合物的形成, 应引起足够的重视。

总之, 通过对钻孔中冻土层电阻率统计以及与测区电阻率分布特征的对比分析, 给出了不同地层内冻土层电阻率值的分布范围, 为电磁法资料的反演解释及冻土层厚度的提取提供了重要依据。

3. 2 典型视电阻率曲线的特征

因为冻土层一般分布在表层或浅部, 主要表现为高阻, 因此在分析冻土层存在与否及厚度变化时, 主要关注的是视电阻率曲线在高频段的形态特征。由于测区范围较大, 曲线形态种类较多, 笔者主要选择一些分布范围较大、有一定代表性的典型曲线类型进行对比分析, 以达到进一步了解测区冻土层分布规律的目的。

在曲线模式的选择上, 考虑到在AMT资料解释中反演数据常采用了TM模式, 所以在分析视电阻率曲线特征时也选择TM模式; 由于研究的冻土层要有一定的分布规模, 相邻测点间的电性特征一般具有对比性, 也是为了突出曲线间高阻冻土层的共性特征, 每一类型均选择3~5个相邻测点为一组。从分析结果看, 冻土层的视电阻率曲线形态受高阻区与低阻区背景值的影响较大, 差异十分明显, 原因主要是:低阻区多为砂土、粉砂岩以及粉砂质黏土组成的松散层, 含水较高, 易冻结形成冻土层, 而高阻区多为致密的岩石结构, 冻土层的厚度与岩石的风化程度有关, 往往风化越严重的地区冻土厚度越大。因此, 分析冻土层的视电阻率曲线形态主要从低阻区和高阻区两方面来进行。

图3为工区高程300 m的宏观电性图, 从宏观电性的分布特征来看, 西部为低阻区, 包括的测线主要有L07~L10线、L20~L22等, 中东部为高阻区, 包括的测线主要有L42~L59线等。

图3 工区高程300 m宏观电性特征

3.2.1 低阻区冻土层的视电阻率曲线形态

图4是位于低阻区典型视电阻率曲线形态一及电性分层图, 图4a为L08线典型视电阻率曲线形态, 在高频段存在一个高阻层, 推断为冻土层, 图4b为与之对应的其中一条曲线一维反演电性分层, 具有一定的代表性, 浅部电性分层为高阻— 低阻— 高阻特征, 第一高阻层解释为冻土层, 电阻率为1 600~2 500 Ω · m, 厚度在25~45 m之间, 低阻层为冰土混合状的融溶层, 电阻率为10~50 Ω · m, 厚度在20~40 m之间, 第二高阻层为非冻岩层, 电阻率为350~550 Ω · m, 比冻土层的电阻率小5~6倍。

图4 低阻区典型视电阻率曲线形态一及电性分层

图5同样是低阻区典型视电阻率曲线形态二及电性分层, 与图4略有不同, 地表没有低阻层, 主要是位于沟底地带, 植被覆盖, 季节性融化不明显。图5a在高频段存在一个高阻层, 推断为冻土层; 图5b为与之对应的其中一条曲线一维反演电性分层, 具有一定的代表性, 浅部电性分层为高阻— 低阻— 高阻特征, 第一高阻层解释为冻土层, 电阻率为1 000~2 500 Ω · m, 厚度在30~50 m之间, 低阻层为冰土混合状的融溶层, 电阻率为20~100 Ω · m, 厚度在30~45 m之间, 第二高阻层为非冻岩层, 电阻率为500~800 Ω · m, 比冻土层的电阻率小4~6倍。

图5 低阻区典型视电阻率曲线形态二及电性分层

图6同样是低阻区典型视电阻率曲线形态三及电性分层。图6a在高频段存在一个高阻层, 推断为冻土层, 其浅部电性分层(图6b)为高阻— 低阻— 高阻特征, 第一高阻层解释为冻土层, 电阻率为1 200~2 200 Ω · m, 厚度在45~60 m之间, 低阻层为水土混合状的融溶层, 电阻率为20~120 Ω · m, 厚度在40~50 m之间, 第二高阻层为非冻岩层, 电阻率为400~700 Ω · m, 比冻土层的电阻率小4~5倍。

图6 低阻区典型视电阻率曲线形态三及电性分层

总之, 低阻区多为松散层, 含水较高, 易冻结形成冻土层, 视电阻率曲线在高频段的高阻层形态特征明显, 且下部均存在明显的融溶状低阻层, 通过低阻层顶界来识别和划分冻土层的厚度具有一定的可靠性, 效果好精度高。但该区冻土层的厚度普遍较小, 这可能与区内断裂构造较发育有关, 由于大量的断裂构造形成自然的导热通道, 很难形成厚度较大的冻土层。

3.2.2 高阻区冻土层的视电阻率曲线形态

图7是高阻区典型视电阻率曲线形态一及电性分层, 图7a为L43线典型视电阻率曲线形态, 在高频段存在一个高阻层, 推断为冻土层, 图7b的浅部电性分层为高阻— 低阻— 高阻特征, 第一高阻层解释为冻土层, 电阻率为5 000~6 000 Ω · m, 厚度在45~60 m之间, 低阻层为冰土混合状的融溶层, 电阻率为160~300 Ω · m, 厚度在30~45 m之间, 第二高阻层为非冻岩层, 电阻率为900~1 100 Ω · m, 比冻土层的电阻率小6~8倍。

图7 高阻区典型视电阻率曲线形态一及电性分层

图8a反映的是典型视电阻率曲线形态二, 整体电性表现为浅部中低阻、中部高阻, 在高频段有一个高阻层, 推断为冻土层。图8b显示出高阻— 低阻— 高阻的电性分层特征, 第一高阻层解释为冻土层, 电阻率为3 500~4 500 Ω · m, 厚度在50~65 m之间; 低阻层为冰土混合状的融溶层, 电阻率为50~130 Ω · m, 厚度40~50 m; 第二高阻层为非冻岩层, 电阻率为500~700 Ω · m, 比冻土层的电阻率小6~8倍。

图8 高阻区典型视电阻率曲线形态二及电性分层

图9a反映了高阻区典型视电阻率曲线形态三, 表现为由浅到深电阻逐渐增大的特点, 在高频段高阻层不明显或是无法识别到冻土层。图9b电性分层不明显, 浅部为薄的低阻层, 下部为高阻层, 电阻率为5 500~6 500 Ω · m, 厚度较大。高阻层反映的是非冻岩层的特点, 这样的视电阻率曲线识别冻土层十分困难, 这可能是岩层或岩体风化程度较小, 致密岩体很难形成冻土层。

图9 高阻区典型视电阻率曲线形态三及电性分层

总之, 高阻区多为砂岩、中砂岩地层以及花岗岩岩体等, 这些地区冻土层主要存在于岩层或岩体表层风化层中, 往往风化越严重越容易冻结形成冻土层, 岩层或岩体风化越严重的地区, 视电阻率曲线在高频段的高阻层形态特征明显, 而在一些岩层或岩体表层风化较弱的地区, 视电阻率曲线分层性差, 高阻地层的厚度较大, 即使存在冻土层, 也往往较薄, 对冻土层识别和厚度划分存在较大的困难。

3.3 地电断面中冻土层的电性特征

在上述分析的基础上, 为了有效地解释冻土层在测区的分布特征, 对根据AMT测深数据反演获得的地电断面进行了冻土层识别与厚度的划分。冻土层在地电断面中最主要的电性特征是表层(或一定深度)高阻层, 因此浅部高阻层是地电断面中识别冻土的主要依据。为了与典型视电阻率曲线形态进行对比, 选择了与之相对应的地电断面进行分析与解释。分别从低阻区、高阻区两个方面进行分析, 低阻区选择L22、L26线(图10, 图11), 高阻区分析L45、L50线(图12, 图13)。

图10 L22线AMT地电断面及冻土厚度解释

图11 L26线AMT地电断面及冻土厚度解释

图12 L45线AMT地电断面及冻土厚度解释

L22剖面(图10)浅部的电性分层为:高阻— 低阻— 高、中阻等, 第一高阻层为冻土层(虚线上方), 电阻率为1 200~2 200 Ω · m, 厚度在45~60 m之间, 高阻分布特征明显, 下伏存在一低阻层, 为冻与非冻之间的融溶层, 根据低阻层顶界划分冻土层厚度, 冻土厚度的测量结果可靠。

图13 L50线AMT地电断面及冻土厚度解释

L26剖面(图11)浅部的电性分层为:低阻— 高阻— 低阻— 高、中阻等, 地表低阻层为季节性融化层, 一般较薄, 第一高阻层为冻土层(虚线上方), 电阻率为800~2 000 Ω · m, 厚度厚度30~50 m, 高阻分布特征明显, 下伏低阻层较薄, 为冻与非冻之间的融溶层, 根据低阻层顶界划分冻土层厚度, 冻土厚度的测量结果可靠。

总之, 低阻区为砂土、粉砂岩以及粉砂质黏土组成的松散层, 含水较高, 易冻结形成冻土层, AMT测量地电断面的电性分层性好, 表层高阻层特征明显, 下伏低阻层为冻与非冻之间的融溶层, 特征同样明显, 是AMT探测和识别冻土层的有利地区, 划分结果可靠性较大。

图12为L45线AMT测量地电断面及冻土厚度解释, 剖面南段1~6 km内浅部电性分层不好, 根据断面的电性特征识别和划分冻土存在较大困难, 一般这些地区多为致密岩石层或花岗岩体, 电阻率为几千Ω · m, 厚度较大, 高阻分布特征明显且风化程度较低, 即使浅部存在冻土层一般厚度较小, AMT探测结果也难以区分, 这一类地区是AMT探测冻土的不利地区, 冻土厚度的测量结果可靠性较差。

由图13可以看出, 同样是高阻地区, L50线与L45线断面的电性特征存在一定的差异性, 剖面浅部的电性分层明显, 电性分层为高阻— 低阻— 高阻, 第一高阻层为冻土层(虚线上方), 电阻率为3 500~4 500 Ω · m, 厚度在50~65 m之间, 高阻分层特征明显, 下部低阻层为水土混合状的融溶层, 与上下高阻分层特征明显, 为冻与非冻之间的融溶带, 根据低阻层顶界划分冻土层厚度, 冻土厚度的测量结果可靠, 电性的表现形式“ 两高夹一低” 特征, 可能是上部高阻层为岩石风化层冻结形成的冻土层, 下部为高阻岩石, 中间夹一低阻层为冻与非冻之间的融溶层。

从上述分析结果来看, 地电断面识别与划分冻土厚度, 一般存在以下几种情况:

1)断面的电性分层好, 浅部高阻层清晰, 其下部存在明显的低阻薄层, 以低阻层的顶界来划分冻土层及厚度较为合理可靠。

2)断面主要以高阻为主, 电性分层不明显, 需特别注意浅部高阻层与其下部高阻层之间存在着断续不甚明显低阻薄层, 同样可以通过低阻层的顶界来划分冻土层及厚度, 由于是分化界面, 划分冻土需特别注意厚度的不规则变化, 这些地区划分冻土层及厚度也是合理和可靠的。

3)在电性分层较差的高阻区, 特别是基岩出露区, 由于和冻土层的电性特征不明显, 划分冻土层厚度的准确性受到较大影响; 其次也存在电性剖面上部为中等阻值, 电性分层不明显, 需根据相对高低阻层之间的关系来确定冻土层的厚度, 划分冻土厚度需要特别注意相对低阻层界面; 需参考剖面前后数据及工区情况来识别与划分冻土层的厚度。

3.4 冻土钻孔验证井对比结果

在2013年完成的音频大地电磁测深工作及资料解释的基础上, 2014年进行了冻土验证孔的钻探, 目的是验证音频大地电磁测深探测冻土层厚度的效果及精度。共完成8个钻孔验证井及其测井工作, 表3为音频大地电磁测深(AMT)推断解释冻土厚度钻孔验证井的结果, 表中的冻土层厚度①为AMT推断解释结果, 冻土层厚度②为钻孔验证结果, 从对比结果来看, 与AMT探测的冻土厚度结果基本一致, 进一步证明了电磁法探测冻土的有效性。

表3 漠河工区冻土厚度的AMT推断与钻孔验证结果

为了进一步研究测区冻土层的电性特征, 将测井所获测温曲线、电测井曲线与AMT地电断面进行了对比。图14是钻孔MP-07、MP-10、MP-02点分别与过井AMT地电断面L47、L49、L56线的对比, 从MP-07孔来看, 电测井深度146 m, 电测井曲线的电性分层大致为高阻层-低阻层(薄层)-高阻层, 与地电断面图的电性分层相对应, 分层结果基本一致, 表层高阻层为冻土层, 低阻层为水土混合的融溶状过渡层, 下伏高阻为粗砂岩地层。需要说明的是, “ 表层为高阻层且下伏低阻薄层清晰可见” 是推断、识别冻土层有利地区的一个重要特征, 往往把低阻薄层顶界推断为冻土层的底界或埋深厚度, 推断精度较高。同时, 将井中测温曲线与地电断面也进行了对比, 根据测温曲线变化的拐点获取了冻土层埋藏深度, 其结果相一致。

图14 音频大地电磁测深地电断面与测井曲线对比

同样, MP-10、MP-02钻孔的对比情况也基本相同。尽管L49线、L56线的地电断面的在电性变化各有不同, 电性分层及形态变化上有一定的差异, 但与钻孔电测井曲线的电性分层与地电断面的电性分层对应性均较好, 对比结果均揭示的高阻冻土层以及下覆水土混合状的低阻融溶层普遍存在这样一个事实, 这也可能是电磁法探测冻土层的一套电性标志层。

图15 工作区冻土厚度平面等值线

总之, 通过验证孔电测井曲线、井中测温与二维地电断面之间的对比分析, 可以得出:在漠河地区开展音频大地电磁测深工作, 获得的地电断面电性分层清晰、合理, 与电测井曲线的电性分层结果一致, 识别和划分永久冻土层厚度的电性特征明显, 与井中测温获得冻土层厚度基本一致。进一步说明了音频大地电磁测深在冻土探测中是有效和可行的。

4 工作区冻土的空间分布形态及特点

根据地电断面对冻土层的识别、划分和埋深情况的统计, 编制了工作区冻土埋深厚度平面等值线图, 如图15所示, 其中北极村以南的部分数据引用了吉林大学2004年电测深结果[5]

分析测区冻土厚度特征主要有以下几个特点:

1) 从测区冻土厚度分布图特征来看, 测区冻土层分布特征主要表现为北部厚、南部薄, 西部薄、中东部厚的特征, 冻土层等厚度分布大的趋势是沿北西和北东两个方向展布, 在两个方向的交汇带中北部形成一个冻土厚度相对较大的区带。

2) 从测区冻土层厚度总体分布情况来看, 测区冻土层较发育, 西部呈岛状分布, 会在小范围形成一个稳定的厚度带, 而中东部呈条带状分布, 分布范围更大。全区冻土平均厚度在40~80 m, 最小厚度约25 m, 最大厚度120 m。

3) 冻土发育与地形、地物等环境因素关系密切, 通过分析对比表明, 在漠河高寒、高纬度、高森林覆盖的“ 三高” 地区, 一般在山坡、山谷和山沟等低洼区域冻土比较发育, 在松散堆积区的冻土层也相对发育, 冻土层的分布特征表明在低凹区及周边冻土层发育, 而在凸起区冻土层相对不发育。

4) 冻土层发育也与地质构造单元、断裂构造以及地层、岩性的分布密切相关, 从冻土厚度分布来看, 冻土等厚度分布基本是沿NW和NE两个方向, 这与测区内大的地质单元及断裂构造的走向相一致, 这可能与受断裂构造控制形成的地质单元的地层、岩性的变化有关, 也与沿断裂形成的地形、地物分布有关, 有待于进一步研究。

5) 冻土层发育也与地质构造单元的隆坳格局有一定的相关性。从电测深曲线类型分析来看, 以沉积为主的坳陷区电阻率相对较低, 一般含水性较好且地势较低, 冻土相对发育, 厚度一般较大, 但在断裂附近由于受断裂影响冻土厚度反而较小; 隆起区与之相反, 冻土厚度较小, 特别是在火山岩出露区, 地表高阻厚度达几百米, 冻土厚度往往较小。这一特征与冻土厚度分布具有较好的对应性。

6) 根据音频大地电磁反演解释结果, 结合电测井数据统计分析结果, 测区内冻土层电阻率分布范围为300~6 000 Ω · m, 反映了不同岩性形成冻土层的电阻率差异, 冻土层的高阻特性也是一个相对高阻层, 对冻土层的划分需根据电性单元、地层、岩性、断裂等特征, 结合地形因素综合考虑。

在天然气水合物资源勘查中, 冻土探测既是基础性研究, 也是十分关键的一环, 根据青海木里地区已钻探获得的水合物实物样品来看, 冻土与水合物是相伴相生关系, 冻土层的存在表明地下存在水合物生成所需的温压条件, 也为水合物成藏提供了良好的封盖条件。

根据赵省民等[2]对漠河地区水合物形成的温压条件计算结果, 冻土厚度大于20 m就有可能形成水合物, 按70~80 m冻土厚度计算理论上可以形成水合物的稳定带。同样, 在钻遇水合物的木里地区冻土厚度大致为60~90 m[21], 漠河盆地北部探测冻土厚度为25~120 m, 因此该区具有形成天然气水合物有利的冻土条件。

5 结论

1) 音频大地电磁测深探测结果显示, 漠河地区北部冻土呈岛状分布, 具有“ 北厚南薄, 西部薄、中东部厚” 的特点, 最大厚度为120 m, 平均厚度40~80 m。

2) 根据测区内音频大地电磁测深推断解释的冻土层厚度, 经钻孔验证, 对比结果一致。并进行了地电断面与电测井曲线的对比分析, 得出了高阻冻土层与下部水土融溶状的低阻层相伴生的电性标志特征, 也进一步证明了电磁法探测冻土是有效和可行的。

3) 根据漠河盆地北部冻土探测结果, 表明了盆地北部冻土厚度具备了天然气水合物的成藏有利的冻土条件。

(本文编辑:沈效群)

The authors have declared that no competing interests exist.

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