南祁連盆地木里坳陷石炭系—侏羅系天然氣水合物潛在氣源巖地質特征

范東穩，盧振權，肖 睿，牛索安，祁拉加，魏 毅，張永安，費德亮，黨孝鋒

(1.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083；2.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100029；3.青海煤炭地質一0五勘探隊，青海 西寧 810007)

0 引 言

天然氣水合物由水和輕質氣體分子(如甲烷、乙烷、丁烷、戊烷和二氧化碳等)在低溫高壓、氣體濃度大于其溶解度條件下形成的結晶狀固體物質[1]，近幾十年來主要發現在深海沉積物和陸上永久凍土帶中[2-3]。我國的凍土面積為2.15×106km2，占總的國土面積的22.4%，位列世界第三凍土大國，永久凍土帶主要分布在我國青藏高原以及黑龍江省北部地區[4]。2000年以來，相關專家已經在青藏高原多年凍土區針對天然氣水合物開展了大量的研究工作，通過地球化學及地球物理等方法對該地區的天然氣水合物的資源量有了初步的預測[5-12]。中國地質調查局在2008年至2009年期間開展的天然氣水合物科學實驗鉆探工程在青海省祁連山南緣采集到了陸域天然氣水合物實物樣品[13-16]，同時祁連山地區屬中低緯度高山凍土區，在此中低緯度高山凍土區發現天然氣水合物實屬世界首例[17]。

近年來，祁連山凍土區天然氣水合物調查研究工作多集中于木里煤礦三露天及其附近[18-25]，主要為點上工作，而對整個木里坳陷特別是石炭紀—侏羅紀地層的地質特征及相關氣源巖調查研究較少。為進一步了解區域天然氣水合物氣源巖發育狀況及特征，開展了南祁連盆地木里坳陷天然氣水合物基礎地質剖面調查，通過對南祁連盆地木里坳陷石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系等4套層系5條剖面的野外測量及室內分析，以探討不同層系烴源巖地質發育特征及其成為天然氣水合物氣源巖的可能性。

1 區域地質背景

所測剖面主要位于南祁連山盆地北部地層區木里坳陷(圖1)。震旦紀—中寒武世時期祁連山地區經歷了大陸裂谷階段，之后晚寒武世—中奧陶世進入了洋底擴張及溝弧體系階段，自中奧陶世以來該地區又經歷了一系列造山作用，包括俯沖造山、碰撞造山和陸內造山作用等，形成了如今的地形地貌特征[26-27]。

祁連山地區在早古生代階段為一個小型洋盆，位于柴達木地塊與華北地塊之間，后期受到志留紀晚期加里東運動的影響，致使洋盆閉合隆升受到侵蝕；石炭紀時期地層又開始沉降接收沉積，主要為淺海陸棚沉積；二疊紀祁連山北部地區地層隆升接受剝蝕，而祁連山南部地區依舊為淺海陸棚沉積；之后祁連山地區在三疊世晚期由于受印支運動影響，古特提斯洋整體被抬升成陸，沉積物由海相砂泥巖互層局部夾灰巖轉變為陸相剝蝕區；后期受到燕山運動的影響，祁連山地區由于構造作用拉伸產生一系列帶狀斷陷盆地，并沉積了一套侏羅紀的山間河湖沼澤相含煤碎屑巖建造，白堊紀和第三紀沉積物主要為棕紅色中細粒砂巖、黏土巖；第四系在盆地內分布廣泛，以冰水-洪積相和冰川堆積物為主[28-30]。

2 實測剖面地質特征

2.1 石炭系—二疊系

圖1 研究區構造簡圖及剖面位置Fig.1 Map showing the location of the study area and cross sections

圖2 青海省海北州門源縣多隆鄉石炭系—二疊系剖面及位置(DL1)Fig.2 Carboniferous-Permian section DL1 in Duolong,Menyuan County，Haibei, Qinghai

實測石炭系—二疊系剖面(DL1)位于青海省海北州門源縣多隆鄉地區(圖1)，起點坐標為N37°43′8″、E101°7′3″，H=3 272 m；終點坐標為N37°44′45″、E101°6′17″，H=3 418 m。該剖面出露的地層主要為石炭系和二疊系，剖面共分42層，厚度近400 m(圖2)。同時，還對二疊系剖面(DL2)開展了測量，該剖面同樣位于青海省海北州門源縣多隆鄉(圖1)，起點坐標為N37°39′34″、E101°5′40″，H=3 273 m；終點坐標為N37°40′21″、E101°5′10″，H=3 331 m。該剖面出露的地層為二疊系，剖面共分26層，厚度近580 m(圖3)。

DL1剖面出露兩套地層，分別為石炭系和上二疊統。石炭系在野外剖面觀察到的巖性主要是以褐灰、淺灰色粉砂巖和灰色、深灰色泥巖為主，部分含泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，發育交錯層理、水平層理、波紋層理。上二疊統窯溝組巖性特征以灰綠、紫紅、暗紫色中細粒粉砂巖和中粒砂巖為主，局部含鈣質砂巖夾雜色灰巖，雜色礫巖與角礫狀灰巖互層，發育交錯層理、平行層理；二疊系底部發育灰綠色含礫粗砂巖，與下伏石炭系為平行不整合接觸。

DL2剖面出露一套地層，為中二疊統諾音河群。中二疊統諾音河群的巖性特征可分為兩部分，下部巖性主要是淺灰褐色、灰紫色細砂巖及含泥質粉砂巖，中細粒砂巖，長石細砂巖，層厚一般為0.1～0.5 m，可見平行層理、塊狀層理，巖石較堅硬。上部以灰白色、淺灰綠色長石中砂巖、中粗粒砂巖、含礫粗砂巖為主，因巖石中等風化成高嶺土，中等堅硬至疏松，層厚0.1～0.2 m，中薄層狀，發育平行層理。整體下部較上部巖性較細，主要為雜色碎屑沉積，與上覆三疊系為平行不整合接觸。

2.2 三疊系

實測上三疊統剖面(JC1)選在江倉礦區日干山一帶(圖1)，起點坐標為N38°3′38″、E99°42′50″，H=3 756 m；終點坐標為N38°4′55″、E99°42′39″，H=3 906 m。該剖面出露的地層主要為上三疊統，剖面共分52層，厚度近700 m(圖4)。

JC1剖面出露地層為上三疊統默勒群，按巖性自下向上分為阿塔寺組和尕勒得寺組。

圖3 青海省海北州門源縣多隆鄉二疊系剖面(DL2)及位置Fig.3 Permian section DL2 in Menyuan County，Haibei, Qinghai

圖4 青海省海北州剛察縣江倉礦區上三疊統剖面(JC1)及位置Fig.4 Upper Triassic section JC1 in Jiangcang Mining area, Gangcha County, Haibei, Qinghai

上三疊統阿塔寺組出露于JC1剖面下部，巖性以淺灰、褐灰色細砂巖、粉砂巖及泥質粉砂巖為主。按巖性可將上三疊統阿塔寺組分為上、中、下段。下段巖性以淺灰-灰色薄層粉砂巖夾中厚層粉砂質泥巖、淺灰-褐灰色厚層粉砂巖及厚層灰綠色粉砂巖，淺灰-灰褐色中厚層狀細砂巖與粉砂巖互層為主；中段較下段巖石粒度變細，巖性以深灰-灰黑色中厚層含泥粉砂巖、粉砂質泥巖和中薄層粉細砂巖與中厚層含泥粉砂巖為主，粉砂巖風化較為嚴重，細砂巖呈灰色，部分鐵質含量高；上段巖性以灰白色厚層細砂巖為主，新鮮面褐灰色，接觸式膠結為主，發育楔狀斜層理，板狀交錯層理等。

上三疊統尕勒得寺組出露于JC1剖面上部。尕勒得寺組巖性特征以出現煤線、薄煤層及炭質頁巖為特征。本次實測剖面該組巖性下部以厚層灰白色粉砂巖夾薄層粉細砂巖及兩層薄煤層和炭質頁巖為主，炭質頁巖呈粉末狀，油脂光澤；上部發育灰白色厚層礫巖夾淺褐色中砂巖及雜色細砂巖。上三疊統尕勒得寺組上部較下部整體粒度變粗，分選變差。

2.3 侏羅系

圖5 青海省天峻縣木里鎮努日寺溝中—上侏羅統剖面(ML1)及位置Fig.5 Middle-Upper Jurassic section ML1 in Muli town, Tianjun County, Qinghai

侏羅系共實測兩條剖面，分別為木里鎮努日寺溝中—上侏羅統剖面(ML1)和熱水鎮柴達爾礦采坑處中—上侏羅統剖面(RS1)。本次實測木里鎮努日寺溝中—上侏羅統剖面位于青海省天峻縣木里鎮努日寺溝一帶(圖1)，剖面長度2.2 km，起點坐標為N38°4′0″、E99°13′31″，H=4 017 m；終點坐標為N38°4′39″、E99°14′17″，H=4 011 m。剖面主要出露的地層有中侏羅統木里組和江倉組，上侏羅統享堂組及上三疊統尕勒得寺組，剖面共分32層(圖5)。熱水鎮柴達爾礦采坑處中—上侏羅統剖面位于青海省剛察縣熱水鎮柴達爾礦煤礦采坑處(圖1)，起點坐標為N37°36′52″、E100°30′12″，H=3 838 m；終點坐標為N37°36′35″、E100°29′56″，H=3 787 m。剖面主要特征為中侏羅統煤系地層，與木里地區剖面類似，除煤層外以發育厚層泥巖為主要特征，剖面共分47層(圖6)。

本次實測木里鎮努日寺溝剖面巖性主要為含礫中粗粒砂巖、中細粒砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、泥頁巖和煤；含礫中粗粒砂巖為灰-灰白色，礫含量5%～10%，礫石主要成分為石英；中粗粒砂巖主要成分為石英(50%～60%)、長石(40%～50%)，顆粒大小一般為0.3～0.5 mm，以中粒結構為主，以接觸式膠結、鏡嵌式膠結為主，膠結物為泥質，泥質風化成淺褐色，巖石中等硬度，厚度大于10 m；粉細砂巖氧化面為紅褐色，含石英80%，基質為20%，顆粒大小0.1～0.2 mm，孔隙式膠結，膠結物為鐵質，呈紅褐色薄層狀；泥頁巖深灰-灰黑色，頁理發育，層厚3～4 m，其內夾薄層煤線2～3 cm，細砂巖與泥巖互層，局部夾炭質頁巖；煤層呈煤黑色，煤巖成分以暗煤為主，約占50%，鏡煤占20%，絲炭占30%，宏觀煤巖類型為半亮煤-暗煤，具貝殼狀或階梯狀斷口，玻璃光澤為主，褐色條痕，塊狀呈條帶狀構造，厚層煤大于5 m。

熱水鎮柴達爾礦采坑處中—上侏羅統剖面出露地層主要為中侏羅統木里組和江倉組，木里組根據巖性特征可分為上、下兩段，江倉組根據巖性特征也可分為上、下兩段。中侏羅統木里組下段巖性以灰、灰白色厚層含礫中粗粒砂巖為主，礫含量為90%，礫石主要成分為石英，基質占10%，分選較差，層理不發育。中侏羅統木里組上段是含煤層段，發育分布廣泛的下1煤、下2煤；巖性以淺灰色薄層細粉砂巖夾薄層泥巖、粉砂質泥巖、粉細砂巖及深灰色厚層泥巖與薄粉砂巖互層為主，煤層夾多層矸石，煤黑色，塊煤，煤巖成分暗煤占50%，絲炭占30%，亮煤占20%，油脂-玻璃光澤，貝殼-階梯狀斷口，具褐-淺褐色條痕，宏觀煤巖類型為暗煤-半亮煤，較堅硬，性脆，塊狀呈條帶狀構造。中侏羅統江倉組下段巖性以灰白、淺褐色中厚層狀粉砂巖與中厚層泥巖夾薄層煤層互層、紫灰色厚層礫巖夾中薄層中粗粒砂巖為主，塊狀層理發育，厚度2～2.5 m，內含泥鐵質結核，多個結核長軸方向與巖層產狀一致。中侏羅統江倉組上段巖性以雜色厚層泥巖夾薄層粉砂巖、淺褐灰色厚層粉砂巖與泥巖互層、深灰-灰黑色厚層泥巖含粉砂泥巖、紅褐色粉細砂巖與厚層泥巖互層及淺灰色-灰色厚層粉砂巖為主，整體巖性較下段變細，水平層理發育，厚度大于10 m。

圖6 青海省海北州剛察縣柴達爾礦中—上侏羅統剖面(RS1)及位置Fig.6 Middle-Upper Jurassic section RS1 in Chaidar mining area, Gangcha County, Haibei, Qinghai

3 實測剖面沉積相

3.1 DL1剖面

通過對野外露頭的觀察描述以及室內綜合分析得出，DL1剖面除頂部第四系覆蓋之外，下部石炭系和上部上二疊統窯溝組沉積相主要為濱岸相、淺海陸棚相。

3.1.1 濱岸相

濱岸相為DL1剖面主要沉積相，廣泛分布于上二疊統，可細分為近濱、前濱和后濱亞相。近濱亞相巖性主要以粉砂巖為主，部分含泥粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾中粗粒砂巖，單層厚度0.3～0.5 m，分選較差，雜色中細粒砂巖，粉砂質泥巖及泥質粉砂巖通常形成韻律層，局部可見從下向上粒度逐漸變粗的反韻律。該套巖性組合發育平行層理、交錯層理。前濱亞相以灰綠色中細粒粉砂巖、灰綠-暗紫色中粒石英砂巖及巖屑長石砂巖為主，分選較好，發育低角度交錯層理。后濱亞相巖性特征主要為紫紅色鈣質細砂巖，局部夾雜色灰巖、細粉砂巖，雜色礫巖與角礫狀灰巖互層，紫紅色細砂巖(局部含鈣質細砂巖)及淺綠灰色、以淺紫紅色長石砂巖為主，可見水平層理。

3.1.2 淺海陸棚相

石炭系和上二疊統均有淺海陸棚相沉積，其巖性以灰色、深灰色泥巖偶夾薄層泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，分選較好；野外露頭?？梢娝綄永?，由于野外風化較嚴重，未見動植物化石。

3.2 DL2剖面

DL2剖面除頂部第四系覆蓋之外，中二疊統諾音河群沉積相自下向上主要為濱岸相、淺海陸棚相和三角洲相。

3.2.1 濱岸相

濱岸相為DL2剖面的主要沉積相，廣泛分布。濱岸相以紫紅色細粉砂巖為主，部分含泥粉砂巖、泥質粉砂巖、長石石英細砂巖，單層厚度0.1～0.2 m，分選較差，雜色中細粒砂巖，粉砂質泥巖及泥質粉砂巖通常形成韻律層，局部可見從下向上粒度逐漸變粗的反韻律。該套巖性組合發育平行層理、低角度交錯層理。

3.2.2 淺海陸棚相

該剖面中部發育淺海陸棚相沉積，其巖性以紫紅色、暗紫色細粉砂巖與細砂巖互層，整體粒度較細，分選較好；野外露頭?？梢娝綄永?，由于風化較嚴重，未見動植物化石。

3.2.3 三角洲相

三角洲相位于剖面上部，根據巖性特征及垂向上的沉積組合特征將三角洲相細分為三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相。三角洲平原亞相中分流河道微相見于該剖面中上部，其巖性以灰白色、淺灰綠色長石中砂巖、中粗粒砂巖、含礫粗砂巖為主，垂向上局部見正粒序層理，表現為粒度下粗上細的結構特征，發育交錯層理、平行層理。三角洲前緣亞相位于DL2剖面頂部，整體沉積水體較下部深，巖性以灰綠色細粉砂巖及深灰色粉砂質泥巖為主，局部含淺灰綠色細砂巖，接觸式膠結，巖石較堅硬，層厚10～20 cm，粉砂巖局部可見小型交錯層理，發育水平層理和透鏡狀層理。

3.3 JC1剖面

上三疊統為早期的海陸交互相沉積和后期的河流-湖泊陸相沉積，含有煤線或劣質煤層，僅上部尕勒得寺組局部含有可采煤層，煤層薄而不穩定。在晚三疊世，研究區內盆地的沉積環境受區域構造影響，發生了重大變化，形成了性質穩定的南祁連陸內坳陷型盆地，并沉積了晚三疊世的河-湖沉積體系的含煤三角洲。該剖面主要的沉積相類型為潮坪相、湖泊相及河流相。

3.3.1 潮坪相

潮坪相位于JC1剖面底部，主要為上三疊統阿塔寺組沉積相特征，巖性以淺灰-褐灰色厚層粉砂巖及中厚層狀細砂巖與粉砂巖互層為主，砂巖中平行層理極為發育(粉砂巖為水平層理)，局部見板狀交錯層理和楔狀交錯層理，砂巖底部可見槽模構造，整體反映淺海潮坪沉積環境特征。

3.3.2 湖泊相

湖泊相位于JC1剖面中部，主要為上三疊統阿塔寺組上部和尕勒得寺組下部沉積相特征。該沉積相可分為濱湖亞相和淺湖亞相。濱湖亞相巖性以深灰-灰黑色粉細砂巖和中薄層鈣質細砂巖為主，發育水平層理及波紋層理，砂巖層較厚，局部砂巖可見脈狀層理及透鏡狀層理，綜上可推測該套沉積物當時的地形環境相對較平緩，為濱湖環境。淺湖亞相巖性以雜色中厚層泥巖夾厚層粉砂巖為主，可見塊狀層理，局部發育水平層理，整體粒度較下部變細，交錯層理不發育，整體上表現為水體環境較穩定，應為淺湖亞相沉積。

3.3.3 河流相

河流相位于JC1剖面上部，主要為尕勒得寺組上部沉積相特征，整體巖性以淺褐、灰白色中砂巖為主，局部厚層礫巖局部夾中砂巖，整體碎屑巖粒度較粗，發育楔狀斜層理、板狀交錯層理，反映了水動力較強的沉積特征，厚層粉砂巖夾薄層粉細砂巖及兩層薄煤層和炭質泥巖，薄煤層為晚三疊世末期河流-湖泊沉積體系的含煤三角洲沉積。

3.4 ML1及RS1剖面

研究區中侏羅統沉積相類型自下向上主要為辮狀河相、三角洲相及湖泊相。

3.4.1 辮狀河相

辮狀河相主要見于木里組下段，巖性以灰、灰白色厚層含礫中粗粒砂巖為主，整體粒度較粗，分選較差，發育大型板狀交錯層理，垂向上可觀察為正粒序特征，向上粒度逐漸變細。

3.4.2 三角洲相

三角洲相主要見于木里組上段及江倉組下段，巖性以煤層為標志，是該地區主要產煤的重要沉積環境區；巖性特征為褐色中細粒砂巖、細砂巖和淺灰色薄層細粉砂巖夾薄層泥巖，發育板狀交錯層理、平行層理、楔狀交錯層理等。

3.4.3 湖泊相

湖泊相主要見于江倉組上段，巖性以淺灰、淺褐灰色厚層粉砂巖與泥巖互層，厚層泥巖夾中厚層細粉砂巖，紅褐色粉細砂巖與厚層泥巖互層及淺灰色-灰色厚層粉砂巖為主，比較明顯的是該時期泥巖及粉砂巖沉積厚度較大，發育水平層理和平行層理。

4 討 論

前人根據鉆孔(DK-1、DK-2、DK-3、DK-4)研究分析天然氣水合物及異?，F象主要存在于中侏羅統砂巖裂隙或孔隙中，同時4個孔中油頁巖發育極好且厚度大，還伴有油跡現象，如油斑、油浸等[31]，特別在DK-2孔中油氣顯示現象與水合物產出深度段(130～400 m)或下部具有明顯的相關性[32]，表明天然氣水合物中的烴類氣體來源與烴源巖發育情況密切相關，可作為天然氣水合物潛在氣源巖。

圖7 木里坳陷石炭系—侏羅系實測剖面柱狀圖Fig.7 Histogram of the measured section of the Carboniferous-Jurassic in the Muli depression

木里坳陷自下而上發育4套烴源巖系，石炭系暗色泥(灰)巖、下二疊統暗色灰巖、上三疊統暗色泥巖和侏羅系暗色泥頁巖，除石炭系烴源巖進入過成熟階段外，其他3套烴源巖系具有良好的生烴潛力[33-34]。而有學者認為南祁連盆地石炭系臭牛溝組及二疊系烴源巖成熟度適中，是一套具有良好生烴潛力的形成于海相還原環境的烴源巖層[35-36]。而本次通過剖面測量研究木里坳陷4套層系泥巖發育特征，并根據對不同層系沉積相分析(圖7和表1)，認為石炭系—二疊系沉積物以中細粒砂巖夾粉砂巖為主，石炭系為淺海陸棚相，中二疊統主要為濱岸-淺海陸棚-三角洲相，上二疊統為濱岸相沉積，石炭系和二疊系泥巖單層平均厚度值分別為0.16 m、0.14 m，泥巖累計厚度值分別為1.28 m、1.82 m，整體上石炭系—二疊系出露的泥巖層相對較薄，推測由于構造作用強烈、斷層發育，致使局部地層厚度減薄，泥質巖層大部分缺失，可能難以成為天然氣水合物潛在氣源巖。

表1四套層系泥巖層厚度特征

Table1ThicknesscharacteristicsoftheCarboniferoustoJurassicargillaceoussequences

層系單層厚度最大值/m單層厚度最小值/m單層厚度平均值/m累計厚度值/m石炭系0.180.150.161.28二疊系0.170.100.141.82三疊系3.500.202.3525.80侏羅系11.500.804.20126.20

有研究表明木里盆地上三疊統發育泥巖為主的烴源巖，是最為有利的生烴層位，具有良好的生烴潛力[37-40]；但也有學者認為上三疊統尕勒得寺組為較差-非烴源巖，其對天然氣水合物成藏貢獻不大[41]。本次實測剖面表明，上三疊統發育一套湖泊相薄層泥巖沉積，沉積相類型為潮坪-湖泊-河流相，泥巖單層平均厚度值為2.35 m，泥巖累計厚度值為25.80 m，推測由于印支運動的影響使整個祁連山地區抬升為陸，海相沉積在晚三疊世時期結束，沉積區成為剝蝕區，故泥巖層相對較薄，巖性以中厚層粉砂質泥巖為主，但泥巖累計厚度較大，可認為是天然氣水合物主要潛在氣源巖。

侏羅紀時期，研究區受燕山運動早期作用影響，拉伸產生一系列帶狀斷陷盆地，為沉積物提供了有利的沉積空間，中侏羅世時期沉積了一套厚層泥巖及煤層[24,42-43]。通過對木里三露天煤田和聚乎更礦區侏羅系烴源巖進行分析表明，其泥、頁巖有機質含量高，以好和較好烴源巖為主[18,44]。本次實測剖面中侏羅統巖性以厚層泥、砂巖和煤層為主，沉積相類型主要為辮狀河-三角洲-湖泊相沉積，泥巖單層平均厚度值為4.20 m，累計厚度值為126.20 m，泥巖單層平均厚度值和累計厚度值都較大，推測可作為天然氣水合物潛在氣源巖。

5 結 論

(1)石炭系—二疊系整體以出露中厚層砂巖夾薄層泥巖為主要特征，沉積相類型主要為淺海陸棚相、濱岸相和三角洲相，斷層發育致使局部地層厚度減薄、泥質巖層大部分缺失，可能難以成為天然氣水合物潛在氣源巖。

(2)上三疊統整體以發育中薄層泥巖與中薄至中厚層砂巖互層為主要特征，沉積相類型為潮坪相、湖泊相和河流相，但泥巖累積厚度較大，是天然氣水合物主要潛在氣源巖。

(3)中侏羅統整體上以發育厚層泥巖、砂巖為主要特征，沉積相類型為辮狀河相、三角洲相和湖泊相，可成為天然氣水合物次要潛在氣源巖。