天然气水合物矿床是烃类生成体系、流体运移体系、成矿富集体系匹配关系的产物^{[1, 2]}, 断层和冻土层是影响天然气水合物产出的两个重要因素, 与温压条件共同构成了天然气水合物成藏条件^[3]。与海域及高纬度极地多年冻土区相比, 中纬度青藏高原冻土区冻土层较薄, 一般为几十米至一百多米。木里地区的天然气水合物成藏受断层构造控制明显, 多数在砂岩孔隙储层、泥岩与油页岩裂隙储层中, 断层F₁和F₂附近, 分布零散^{[4, 5]}。这些问题为冻土区的天然气水合物勘探造成了难度。

前人在木里地区开展过以煤层为主要目标的地质工作, 从2009年木里发现天然气水合物开始, 以天然气水合物为目标的地质调查才陆续开展。虽然开展了地质、地球化学和部署了若干钻井等调查, 但对试验区整体的冻土层分布特征和断层深部发育情况仍不清楚, 造成对天然气水合物成藏条件和成藏规律认识不清。为了充分认识试验区的断层及冻土层分布规律, 作者与团队成员依托天然气水合物评价项目在试验区开展了音频大地电磁测深试验, 试验成果为研究天然气水合物成藏规律提供了依据。

木里坳陷位于祁连造山带的中祁连断隆带, 大地构造位置属于北祁连晚元古代— 早古生代缝合带与疏勒南山— 拉脊山早古生代缝合带之间的中祁连陆块北缘。加里东构造运动期所形成的中祁连陆块西段的南祁连盆地, 受到北部托莱山构造带和南部大通山构造带的相向逆冲控制, 呈对冲型构造盆地产出^{[6, 7, 8]}(图1)。

图1

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	图1 祁连山冻土区区域地质构造刚要(卢振权, 2010)[12]

试验区中部为三叠系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, 向斜轴向北西50° ~70° , 向斜的两侧也有明显的不对称现象, 局部发生了倒转。试验区东部含煤地层褶曲剧烈, 使该地层遭受破坏或剥蚀, 仅存留南向斜。试验区南北两侧发育规模较大的向坳陷内逆冲推覆断层, 该断层的走向在区内变化不大, 总体呈北西西— 南东东向展布, 部分断层的断层面在北部向北倾, 在南部断层面南倾, 且控制着现存坳陷的边界。在南北二个向斜发育有一组北东向的剪切断层, 将坳陷切割成断续的不同大小块段, 控制着盆地的构造格架, 使试验区呈现南北分带, 东西分区的构造特征^{[9, 10, 11, 12]}(图2)。

图2

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	图2 木里试验区AMT测点分布

利用音频大地电磁测深(AMT)作为试验方法, AMT探测冻土层厚度及断裂构造效果明显^[13]。仪器采用加拿大凤凰地球物理公司V5-2000大地电磁仪, 采用五分量张量测量方式, 同时测量天然电磁场E_x、E_y、H_x、H_y、H_z5个分量, 测量装置采用正“ 十” 形布设, 有效观测记录频带为10 k~1 Hz。

试验区位于青海省天峻县木里镇东南方向的煤田聚乎更矿区三露天井田及附近, 部署了21条测线, 测线经过了多个天然气水合物钻井(图2)。其中多个钻井发现了天然气水合物实物样品, 测线穿过试验区南部主控断层F₁和F₂, 垂直于北西— 南东向的背斜构造。试验区测线部署可以为研究水合物成藏条件提供电磁法依据, AMT测量剖面完成了57 km, 线距为500 m, 点距为100 m, 面积为25 km², 面积覆盖了水合物发现区。

音频大地电磁法(AMT)接收的信号为天然电磁场, 电场和磁场的时间序列进行频谱分析后, 利用加拿大凤凰公司的处理软件中的Robust方法估计实测坐标系的阻抗张量元素。木里地区构造走向主要为NW-SE向, 以二维特征为主, 电性主轴角可以旋转至与地质构造走向一致, 测量坐标系逆时针旋转56° , 计算出相应的阻抗张量元素、视电阻率和阻抗相位。由于大地电磁信号信噪比低, 信号干扰使实测数据中某些频点的数据误差较大, 实测视电阻率和相位曲线在一些频点或频段发生畸变, 数据资料在反演解释之前先进行预处理。

数据经过预处理后, 可以编制频率— 视电阻率、阻抗相位拟断面图, 用于定性分析。L14测线的频率— 视电阻率断面图中的剖面中部0.3~1.7 km位置高频段视电阻率值高(图3), 说明了中部冻土层发育。在剖面1.0~1.3km位置的低频段视电阻率值低, 说明了该处可能发育断层。

在定性分析基础上, 采用反演技术对数据进行反演处理, 综合地质、物性、其它地球物理等资料进行地质解释。结合地质情况对比了TE、TM和TE+TM反演模式, 选定TM模式反演结果的电阻率剖面作为地质解释依据。如下图, L14测线的视电阻率和相位TM模式的反演拟合对比, 视电阻率和相位反演前后的剖面图形态基本吻合, 其中视电阻率拟合的较为一致, 反演拟合效果较好。

图3

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	图3 L14线反演拟合结果a、c— 实测视电阻率、阻抗相位; b、d— 响应视电阻率、阻抗相位

断层和冻土层分别作为气源深部运移通道和天然气水合物盖层, 对天然气水合物成藏起着关键因素。木里试验区的断层发育规模不等, 冻土层呈岛状分布, 复杂的地质构造和发育不均匀的冻土层造成了天然气水合物分布复杂性。天然气水合物成藏条件中需要何种断层和冻土层, 需要结合地质、地球化学等资料, 对比地球物理解释结果才能找出之间的关系。现已发现的水合物主要分布在冻土层发育Ⅰ 区, Ⅰ 区冻土层以小片状连续发育, 说明发育良好的冻土层对水合物成藏起了重要作用。

天然气水合物分布与断层关系密切, 构造控矿作用明显, 目前发现的天然气水合物只分布在断层F₁及F₂附近。在其它断层和冻土层发育区, 为何未发现有天然气水合物储层?木里地区有充足的气源、气源的运移通道及冻土封盖条件, 断层深度大部分都在1 km以上, 对深部的烃类气体能起良好的运移通道, 此时断层的封堵性能对水合物成藏起着决定作用。

木里各组断层的产状和规模不同, 不同类型的断层对天然气水合物成藏有促进作用也有破坏作用。L06~L24剖面中部断层发育(图12、图13), F_3-1至F_3-4深部连通, 气源运移条件好, 但DK6和DK10~DK18等几个钻井未见水合物异常。从电性结构可知, F_3-1~F_3-4断层倾角较大, 高角度的断层可能对烃类气体难以起封堵作用, 造成在F₃层附近未发现水合物。F₁和F₂在L18~L42线范围内从西往东发育规模变小, 断层倾角也变得相对平缓, 由于从西往东断层规模变小, 对水合物深部气源运移不利, 但L18线DK10~DK17钻井也发现了天然气水合物异常, 说明低角度的断层对天然气水合物储层也起着封堵作用。

结合钻井结果, 对比分析F₁、F₂和F₃附近断层及冻土发育情况, 以小片状连续发育的冻土层和低角度的深断层对水合物成藏有利。海拔3 700 m电阻率等值线图上划分出了4个断层发育区, 其中Ⅰ 区是目前发现水合物最多的区域; Ⅱ 区附近的钻井未发现水合物样品, 与F_3-1和F_3-2断层倾角过大, 不利于烃类气体保存有关。区域Ⅲ 和Ⅳ 断层发育, 断层倾角小, 有利于天然气水合物成藏, 这二个区域为天然气水合物成藏有利区。

图12

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	图12 木里试验区L18测线电阻率及综合解释

图13

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	图13 木里试验区L24测线电阻率及综合解释

1) 音频大地电磁测深的测量结果较好地反映了试验区冻土层及构造特征, 试验区电性结构以东西向分区、南北向分带为主要特征, 电性结构特征与地质构造特征基本一致。木里天然气水合物试验区电性结构的综合解释成果, 为分析天然气水合物成藏环境及形成机理提供了依据。

2) 试验区的三叠系— 侏罗系地层在东西方向上产状不同, 大致以平移断层F_5-1为界, 试验区西部地层平缓。而试验区中东部地层西南倾向明显, 反映了试验区构造差异性。

木里试验区内逆冲推覆构造发育, 浅部发育的多个断层可能在深部归聚一起, 按照断层深部归聚情况划分出5组断层和4个断层构造发育区。其中, 4组逆冲推覆构造以NW-SE向为主, 断层F₃发育规模最大。

3) 木里试验区冻土层发育不均匀, 冻土层平面以岛状特征分布, 平均厚度超过60 m, 划分了3个冻土层发育区。冻土层对天然气水合物起着封盖作用, 冻土层分布不均匀限制了水合物成藏的有利空间。结合各种冻土层影响因素分析认为, 高程、地形、河流和断层是影响冻土层发育的主要因素。

4) 天然气水合物成藏与冻土层、断层关系密切, 目前已发现水合物成藏区的冻土层及断层均发育良好。断层F_3-1和F_3-2倾角近直立, 断层的倾角过大对烃类气体的封堵性差, 可能会造成烃类气体逃逸过快, 对天然气水合物成藏不利。结合钻井结果, 对比分析F₁、F₂和F₃附近断层及冻土层发育情况, 以小片状连续发育的冻土层和低角度的深断层对水合物成藏有利。结合冻土层发育和断层构造分布, 推测试验区东部F_3-3至F_3-5及F₄断层附近为天然气水合物成藏有利区。

(本文编辑:王萌)