天然气水合物作为一种新型清洁能源, 其储量巨大, 具有重要的战略意义^[1], 受到了众多国家的重视。目前, 水合物的主要勘查和开采区域主要集中在海洋的大陆坡及部分海盆地区^[2]。2008年, 我国祁连山木里地区DK1钻遇了水合物实物样品, 这是我国首次在陆域冻土区发现水合物, 也是世界上首次在中低纬度高海拔的高原永冻区发现实物样品^{[3, 4, 5]}, 从此, 中国地质调查局加紧了对青南藏北地区的水合物调查工作。但是多年来, 中国陆域水合物的勘查成效甚微, 目前还未在其他区域发现水合物实物样品。

拉湖坳陷与木里坳陷毗邻, 同属于南祁连盆地次级凹陷, 中生代生烃地层发育, 构造背景和沉积环境相似, 而哈拉湖坳陷新生代地层较厚, 储层和冻土条件相对较好, 且湖泊水和冰川水极其充足, 是水合物调查的重点优选区^[6]。但是该区除了基岩出露区外, 其它地区基本被第四系覆盖, 下伏地层发育情况(包括烃源岩)和构造特征均不甚清楚, 为了查明哈拉湖冻土区深部气源地层、浅部储层、浅表冻土层分布及断裂展布及性质, 笔者在该区通过开展地震勘查工作, 以水合物成矿理论为基础, 从成矿系统的发育情况入手, 深入分析哈拉湖地区水合物成矿潜力和成矿条件, 对该区乃至我国陆域冻土区水合物调查评价具有重要的实践意义和一定的经验借鉴。

哈拉湖位于青海省德令哈市以北约150 km, 木里以西约120 km, 为典型的无人区。哈拉湖南临哈拉湖南山, 北靠祁连山最高峰— 疏勒南山, 东西两侧为低矮的丘陵(图1), 其中, 疏勒南山常年被冰川和积雪覆盖 。哈拉湖地区年平均气温为-4 ℃, 为永久冻土区, 属于山地草原半干旱气候。湖泊主要由高山冰雪融水和地表径流供水, 为内陆封闭湖泊, 湖面海拔4 078 m^[7]。工区位于湖东南冲洪积平原带, 地势平坦, 地表被巨厚的第四系覆盖, 地震施工相对较为方便。

图1

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	图1 哈拉湖地区地理位置

水合物整个成矿系统深度范围大, 为了兼顾深层烃源岩和浅层冻土层、储层的探测, 笔者于2016年在该区采用了小道距, 适当大排列的施工方式, 观测系统为1600-4-0-1600, 采样率为0.5 ms, 采集长度为3 s, 使用KZ28AS大型可控震源激发, 60 Hz检波器接收。为了避免浅表季节性低速冻融层对地震波强衰减作用的影响, 选择在冬季地表上冻时施工。垂直于构造主线布置了4条NE向平行的地震测线, 文中选择了其中具有代表性的hlh-B线来重点分析测区冻土层和构造以及地层的地震波场特征。

根据水合物稳定相带和青藏高原地温梯度较大及冻土层较薄的特点模拟发现, 我国高原水合物主要赋存在冻土层下(冻土层不作为储层), 但是冻土层在水合物成矿系统中则起到了一定的盖层作用^{[14, 15]}。因此, 冻土层在水合物的勘查中也是一个重点研究对象。

本次在哈拉湖地区地震波场研究中, 发现了原始记录的炮集和其它硬岩地区具有明显的不一样的现象, 即初至波在很多位置呈“ 半路消失” 的形态, 波形突然消失或能量降低到肉眼难以识别的程度, 在部分“ 消失点” 之后, 初至以微弱的低频、低速面貌呈现, 和原本高速、高频的初至波截然不同, 该现象在龙尾湖松软第四系地区也曾发现^[16]。

由于冻土层和其下含水层之间具有明显的电阻率差, 因此, 电磁法在冻土层的探测中起着重要的作用, 浅表条带状高阻体即为冻土带, 经实钻井温测井校正后, 便可反演出较为可靠的冻土厚度^{[17, 18]}。图4展示了该区的典型炮集, 把炮点位置投影到电磁法所探测的冻土层厚度平面图上, 发现炮集形态和冻土层的厚度变化具有较好的一致性:A炮点南北两侧冻土层厚度相当, 其炮集初至形态对称, B炮点南段厚度急剧变薄, 北段厚且变化平滑, 炮集初至为南短北长, C炮点南北段形态则随冻土变化反过来。总体发现了以下规律:冻土层越厚, 变化越缓, 初至波传播距离越远, 反之亦然, 而且, “ 消失点” 基本出现在冻土层厚度变化最大的地方。

图4

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	图4 受冻土层影响的典型炮集记录a— 测区冻土厚度(大地电磁法); b— 典型炮集A; c— 典型炮集B; d— 典型炮集C

针对实际炮集初至与冻土带厚度变化一致的情况, 我们根据该区浅层水文地质结构, 制作了冻土层厚度变化模型(图5), 模型1冻土层速度横向一致, 通过分析正演记录发现除了冻土底反射形态发生了曲率变化外, 初至并没出现像实际炮集中明显中断的现象。当我们改变模型, 使高速的冻土层在横向上呈尖灭状态展布时(模型2), 则出现了上述实际炮集初至中断的现象。综合分析认为:孔隙度极大(可达30%以上)的第四系含水较多, 浅部地层冻结为冻土层后(纯冰的纵波速度为 3 800 m/s), 速度增加特别大, 可达2 700 m/s甚至更高, 而下伏含水地层的速度则低很多(模型设置为1 900 m/s)。当高速冻土层为岛状发育时, 则地震波在该套较硬的地层中衰减慢、传播速度快, 频率也较高, 而当其进入速度极低的松软地层时, 则受地层对地震波衰减作用的影响, 能量和高频成分衰减严重, 从而在尖灭点出现了初至波突然中断或者明显减弱的现象。综合分析认为, 冻土层的厚度变化实际上反映了冻结程度的差异, 冻结程度高的地段, 波速高, 冻土层也较厚, 反之亦然, 从而出现了冻土层厚度变化与炮集特征一致的现象。

图5

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	图5 不同地震地质模型的地震正演记录a— 第四系冻土带厚度变化模型(模型1); b— 第四系浅表岛状高速冻土模型(模型2); c— 硬岩区冻土模型(模型3)

此外, 在叠加速度谱上, 我们发现了哈拉湖地区具有明显的速度倒转现象。图6红框内显示的浅层100~200 ms的叠加速度明显高于400~600 ms反射波叠加速度, 且这这两套地层的倾角相当, 因而该速度场能够较为准确地反映地层速度的相对高低关系。在整个速度剖面上, 浅层的高速横向展布特征和电磁法冻土层厚度变化同样具有较好的对应关系(图7), 从而证实了第四系冻土层模型设置的合理性。

图6

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	图6 具有倒转特征的叠加速度谱(红框显示了倒转现象)a— stk2300-2499; b— stk4100-4299

针对硬岩地区的地质特点, 我们同样制作了冻土层岛状尖灭的模型(图5模型3)。模型中岩石骨架速度为3 400 m/s, 冻土层孔隙度为3%, 等效速度3 413 m/s, 而下伏地层由于压实作用增大、风化程度也更弱, 孔隙度更低(1%), 含水后等效速度为3 386 m/s, 模拟炮集未发现明显的初至中断现象, 频率也没明显变化。显然, 由于冻土层和非冻土层速度差异小, 地震波衰减幅度小, 因而未出现第四系冻土层中初至中断的现象。

图7

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	图7 叠加速度谱浅层高速和冻土厚度对应关系(上图蓝点为hlh-B线对应CDP号)

地震波倒转速度场虽然在判别冻土层发育情况中具有重要的指示意义, 但是由于叠加速度为视速度, 受地层倾角影响较大, 且地层的速度又受岩相、岩性、孔隙度、埋深、含流体情况等控制, 因此判别速度倒转是否由冻土层所致时, 需要综合考虑以上因素的影响, 必要时结合电磁法等其他资料进一步佐证。

利用光滑速度场对时间偏移剖面作时深转换, 在深度剖面上结合该区构造演化、邻区相关地层情况以及电法TM模式反演剖面、地震波三瞬信息(图8), 开展了测区的地震资料解释, 图9展示了hlh-B线所揭示的测区构造格架和地层展布情况。

图8

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	图8 地震波三瞬信息

图9

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	图9 测区构造格架和地层展布图(地震深度剖面上的蓝框为TM模式显示的区域)

地震剖面展示了测区具有3套明显的构造层, 每套构造层具有不同的构造样式和地震波场特征。下构造层为前泥盆纪地层, 包括志留系在内的变质岩、岩浆岩, 为晚古生代— 中生代盆地的结晶基底。由于结晶作用的影响, 地层内界面反射消失, 再往深部也未见明显反射, 整体呈空白反射特征, 振幅弱, 频率中等偏高, 相位杂乱。

中构造层为晚古生代— 中生代残留盆地, 据图2测区南部地层出露情况推测主要为二叠系、三叠系地层, 盆地内短轴状反射波组形态揭示测区段为一向斜构造, 中间凹陷处(大约CDP3800)最厚达2 200 m, 北东端最薄处约400 m厚。该套构造层在TM剖面上展示部分呈相对高阻特征(红色系为主), 视电阻率对数在2.0 Ω · m以上。盆地总体为中等反射振幅特征, 同相轴断续相间, 相位一致性较差, 频率中等, 略低于下伏结晶基底的频率, 整体反映了该套地层变形强烈。盆地底为不整合界面, 强反射, 频率低, 南西段连续性强于北东段, 其中南西段在CDP2600处被NE倾向逆断层F₂错断, 北东段被4条NE倾向的平行逆断层F₃~F₆错断, 呈倾斜台阶状向北东方向抬升, 断层下端伸入结晶基底, 顶端终止于中生界地层内。

上构造层为新生代地层, 剖面上呈北东向南西倾斜的不对称箕状盆地形态, 盆地底界面为不整合面, 其反射波呈强振幅、低频、相位一致性好的特征, 底界面深度和TM剖面揭示的深度基本一致, 该套构造层在TM剖面上除了浅部冻土层为高阻(红色系)外, 整体为相对低阻特征(蓝色系), 电阻率对数在1~1.5 Ω · m左右, 指示该套地层具有压实程度底, 含水量高的特点。晚古生代— 中生代残留盆地经过印支运动褶皱剥蚀夷平后, 在喜山期, 受印度板块向欧亚板块俯冲碰撞的远程效应的影响, 哈拉湖南山再度成为隆褶带^[19], 也就是图2所示的拜兴哈达隆起, 致使侏罗系— 白垩系甚至部分早新生代地层缺失。该隆起北端发育一系列逆冲断裂, 由于地形、构造负载发生挠曲成为造山带内小型前陆盆地^{[19, 20, 21]}, 盆地内由南向北发育冲断带、前渊(测区南端)、斜坡、前隆(现哈拉湖水体位置)。前渊沉积了厚度达约1 200 m的新生代地层, 古近系— 新近系(ENb)由前渊向前隆超覆减薄。该套地层底部发育一套地震波特征为振幅弱、相位一致极差、变频的地层, 推测为类磨拉石建造中分选差的粗大砾石层堆积— 沉积物。上部地层反射波连续性和相位一致性好、频率高, 主要为砂岩— 泥岩等河湖相沉积物, 指示沉积环境相对稳定。

约在新近纪上新世, 青藏高原强烈隆起^[22], 在哈拉湖南山冲断带的进一步逆冲推覆作用下, 前渊南端发育SW倾向逆断层F₁, 该断层上段错断古近系— 新近系地层, 并在该套地层内以两条陡立分支断层出现, 顶端终止于新近系顶, 未贯穿, 断层下段过盆地底后发生转折现象, 进入中生代地层以低缓角度呈现。断层破碎带表现出振幅弱、相位杂乱、频率中等偏高的特征。在该断层逆冲作用下, 古近系— 新近系南段地层反生隆褶成为低缓断展褶皱, 而北段变形则相对较弱, 该构造卷入了下伏中生代褶皱基底, 此外, F₂断裂向上错断了新生界底、终止于古近系— 新近系地层内, 推测可能为新构造运动导致的前期断裂重新活化。由于该褶皱隆升的影响, 测区内地形逐渐变为南高北低, 沉积中心从南往北转移。进入上新世末— 早更新世, 哈拉湖地区整体海拔已到达雪线以上, 南端高地形遭受剥蚀, 在低凹部沉积了大量的第四纪冰碛物冲— 洪积建造, 该套地层反射波呈明显振幅弱(绿色系), 频率高, 相位一致性中等的特征, 由南往北, 地震相发生变化, 反映了随物源距离的变化呈岩相分带的特点。该套冰碛物上覆地层反射中等振幅, 同相轴连续性中上等, 比古近系— 新近系砂泥岩地层反射略差, 同样反映了横向岩相的变化。测区内第四系最厚约520 m, 在盆地斜坡和隆起部位呈生长地层形态发育, 指示了第四纪以来构造运动仍比较活跃。

水合物的形成, 离不开天然气的生、运、储、盖系统和充足水源的供给^[23], 这些因素称为成矿系统^[24], 地震探测揭示的构造格架和地层结构为测区水合物成矿系统分析奠定了基础, 更为测区的水合物成矿潜力分析提供了重要的信息。

该区冻土层厚度为30~130 m不等, 作为水合物的低温盖层相对较好。

从烃源岩地层褶皱形态和天然气运移通道来看, 测区南端F₁断裂所处的构造部位以及新生界底不整合面对天然气的向上运移是较为有利的。

新生界地层整体电阻率相对较低, 推测含水较多, 其中电阻率对数为1.0 Ω · m的深蓝色条带状异常和盆地底形态相似, 推测为高盐度含水地层。而淡水比盐水更有利于水合物形成^[13], F₁断裂顶端延伸也接近地表, 冰川融水和地表径流淡水可以通过浅表地层渗入断裂向下供给, 所以, 该段水源条件相对较好。

南祁连盆地主要烃源岩为下二叠统草地沟组、中三叠统大加连组碳酸盐和上三叠统尕勒得寺组暗色泥岩, 据周边出露地层仍保留尕勒得寺组推测, 测区晚古生代— 中生代盆地低凹部至少保留了上述3套地层, 但是地震探测结果显示古生界— 中生界地层剥蚀严重, 残余地层厚度较薄, 测线中段最深处约为2 200 m厚, 北端浅处仅400 m厚; 此外, 哈拉湖坳陷区大加连组(T₂d)被评价为非烃源岩^[25], 上三叠统尕勒得寺组(T₃g)虽然厚度最大, 其烃源岩有机质类型为Ⅱ 2型(腐泥腐殖型), 处于高成熟— 过成熟演化阶段^{[8, 26]}, 但是有机质中等, 整体评价为差— 中等烃源岩。天然气在水中的溶解度极小, 需要足够多的天然气注入才能保持水中天然气含量的平衡以保证能够形成水合物, 而测区的这些烃源岩较差且残余厚度又薄, 推测测区产气量不够理想, 对水合物成矿不太有利。

此外, 盆地在印支期和燕山期以及后来的喜山期都经历了复杂的构造运动, 剥蚀程度高, 在地震波场特征上也展现了这种复杂程度, 整套烃源岩内部地层反射波连续性差, 指示区域性盖层已经被严重破坏或基本剥蚀殆尽。哈拉湖南山的通天断裂发育, 早期的气藏圈闭同样会受到严重破坏; 另一方面, 新生代地层多为松散的红层, 封闭性好的低孔隙致密岩不发育, 该套地层中岩性盖层条件也较差, 而且该套地层主要为氧化环境下形成, 其自身作为烃源岩可能性也极小; 冻土层在第四纪以来才逐渐形成, 而在这之前, F₁断裂已贯通古近系— 新近系地层和下伏的生烃地层, 且其破碎带较宽, 这对天然气的保存同样不利, 如果在冻土层形成前, 生烃高峰期已过, 气源逃逸严重, 则对后期的成矿也不利。

总体看来, 根据现有资料分析表明, 该区水源和目前的冻土盖层条件较好, 但是冻土层的形成时间和导气断裂的形成时间耦合性差, 不利于深层气体的保存; 此外, 哈拉湖地区烃源岩整体评价也较差, 产气量不足; 新生代地层作为储层条件较好, 但是缺乏致密的岩性盖层, 均会导致天然气的逸失。因此, 从水合物成矿过程和成矿条件分析, 区内水合物成矿系统仍然不够完整, 对水合物成矿较为不利。

1)高孔隙度的第四系松软地层在饱含水的情况下, 浅表冻土波速可达2 700 m/s左右, 明显高于下伏液态水地层, 致使浅层叠加速度出现明显倒转现象; 而地震炮集初至中断、频率的变化则反映了该区冻土厚度和冻结程度具有横向变化的特征。

2)反射剖面揭示了测区具有三套明显的构造层, 哈拉湖坳陷是叠置在晚古生代— 中生代残留盆地上的造山带内小型前陆盆地。下构造层为弱振幅空白反射特征的加里东期结晶基底。受印支运动影响, 晚古生代— 中生代残留盆地组成中构造层, 主要地层为二叠系、三叠系, 厚度约为400~2 200 m, 测区内呈向斜构造形态, 中等反射振幅特征, 频率中等, 同相轴断续相间, 相位一致性差, 反映了受构造运动破坏严重的地层特征。上构造层为新生代前陆盆地松散沉积地层, 厚约300~1 200 m, 反射波整体振幅强、频率高, 连续性最好, 为河湖相沉积, 底层弱振幅、变频、杂乱反射为类磨拉石建造, 第四系底弱振幅为冰川沉积。

3)盆地冻土层和水源条件较好, 但是烃源岩品质较差, 新构造运动持续时间长而剧烈, 断裂贯穿浅, 区域性盖层缺乏, 冻土层形成时间又较晚, 气源条件和后期的保存不理想。根据目前的勘查程度和现有资料推测测区内水合物成矿潜力差。

(本文编辑:叶佩)