新疆北部哈拉阿拉特山地區(qū)石炭系與頁(yè)巖氣勘探潛力分析

鄭 曦（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)烏魯木齊830000）

新疆北部哈拉阿拉特山地區(qū)石炭系與頁(yè)巖氣勘探潛力分析

鄭 曦
（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)烏魯木齊830000）

哈拉阿拉特山地區(qū)巨厚頁(yè)巖出露是新疆北部中小盆地和什托洛蓋盆地頁(yè)巖氣研究的突破口。本文通過(guò)巖性、古生物等特征的分析和對(duì)比，對(duì)哈山地區(qū)石炭系頁(yè)巖分布區(qū)太勒古拉組(C2t)地層進(jìn)行三段劃分并加以對(duì)比。太勒古拉組含頁(yè)巖地層的詳細(xì)劃分方案的確定直接關(guān)系到和什托洛蓋盆地石炭系頁(yè)巖的展布預(yù)測(cè)，對(duì)新疆北部其它盆地開(kāi)展頁(yè)巖層劃分提供了重要的資料。論文依據(jù)石炭系頁(yè)巖地質(zhì)特征和地化資料，對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖氣勘探潛力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

哈拉阿拉特山地區(qū)頁(yè)巖氣地層劃分烴源巖有機(jī)地化指標(biāo)

0 前言

新疆北部中小盆地頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)以頁(yè)巖出露分布為劃分依據(jù)，劃分為中型和什托洛蓋盆地和小型和豐盆地、吉木乃盆地、塔城盆地、福海-富蘊(yùn)（盆地）五個(gè)重點(diǎn)研究區(qū)[1-2](圖1)?；谥袊?guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）2012年在準(zhǔn)西北地區(qū)頁(yè)巖氣路線地質(zhì)調(diào)查的成果和2013年度新疆北部中小盆地頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)將頁(yè)巖氣潛力區(qū)定于和什托洛蓋盆地及其周緣，目標(biāo)層位為泥盆系-石炭系[3-5]。

圖1 新疆北部中小盆地頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)研究區(qū)示意圖

1 哈拉阿拉特山地區(qū)石炭系劃分與對(duì)比

1.1 石炭系劃分對(duì)比存在的問(wèn)題

首先，該區(qū)由于達(dá)拉布特?cái)嗔褜?dǎo)致構(gòu)造較為復(fù)雜，導(dǎo)致石炭系出露極為特殊，加之區(qū)域火山碎屑巖為背景，使得該區(qū)地層劃分與對(duì)比方案各異。

其次，在前人對(duì)石炭系中的頁(yè)巖描述研究甚少，很多頁(yè)巖出露被描述成凝灰?guī)r，缺乏可參考的資料。

地層是認(rèn)識(shí)一個(gè)地區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)，地層的劃分與對(duì)比始終貫穿于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究的全過(guò)程。頁(yè)巖出露分布雜亂，地層劃分不確定制約著頁(yè)巖氣勘探工作的開(kāi)展。基于地層劃分出現(xiàn)的問(wèn)題，本文旨在通過(guò)對(duì)哈山地區(qū)石炭系劃分的認(rèn)識(shí)，擬定了哈山石炭系含頁(yè)巖地層單元的年代屬性。

1.2 石炭系劃分方案和歷史沿革

（1）1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖(新疆區(qū)調(diào)大隊(duì)1979)達(dá)拉布特?cái)嗔岩阅献阅衔飨虮睎|依次劃分為C3(向斜)、C2、C1a、C1b、C25塊，北部為老的三分中石炭統(tǒng)C2(圖2a)。

（2）南京古生物研究所王玉凈等[8](1987)采用國(guó)際石炭紀(jì)二分慣例，在哈山烏和公路和阿臘德依克塞溝實(shí)測(cè)兩條古生物地層剖面，分別建立上石炭統(tǒng)哈拉阿拉特組(C2h）和阿臘德依克塞組(C2a)，該劃分方案首次將阿臘德依克塞溝地層解體為北部C2h和南部C2a，北部為C1b，即石炭系三分最中部單元(圖2b)。

（3）1∶25萬(wàn)新疆和什托洛蓋地區(qū)區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)圖[6-7]在1979年1∶20萬(wàn)烏爾禾幅地質(zhì)圖上做了相應(yīng)變更：C3(向斜)→P3kj、C2→C2t2、C1a→C2t1、C1b→C2t2、C2→C2t3(圖2c)，正式在哈山地區(qū)采用太勒古拉組三個(gè)段劃分方案。本次野外工作在1∶25萬(wàn)新疆和什托洛蓋地區(qū)區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析修正,也延續(xù)了太勒古拉組三個(gè)段劃分的方案。

1.3 本文石炭系劃分對(duì)比意見(jiàn)

綜合前人關(guān)于哈山地區(qū)石炭系地層劃分各類研究成果，本文以達(dá)拉布特?cái)嗔褳榻?，分為和達(dá)拉布特?cái)嗔岩员钡貐^(qū)（C區(qū)）和達(dá)拉布特?cái)嗔岩阅系貐^(qū)。其中斷裂以南地區(qū)以鳳城水庫(kù)為界東部（A區(qū)）、西部（B區(qū)）三個(gè)區(qū)域地層劃分(圖2d)。

(1)A區(qū)：東北部烏和公路附近地區(qū)自下而上由南西向北東依次劃分為太勒古拉組一段(C2t1)、二段(C2t2)、三段(C2t3)，巖性特征明顯，易于區(qū)別。

(2)B區(qū)：西部阿臘德依克塞溝附近，項(xiàng)目使用1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖將該區(qū)只劃定為太勒古拉組二段(C2t2)；王玉凈等[8]的研究成果在西部阿臘德依克塞溝附近，根據(jù)古生物化石資料將南北區(qū)分出兩個(gè)不同的地層單元，即北部哈拉阿拉特組(C2h)和南部阿臘德依克塞組(C2a)(注：該地區(qū)構(gòu)造在地層產(chǎn)狀判斷出現(xiàn)偏差，即北傾而非南傾。)。野外頁(yè)巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查也顯示出兩套不同巖石組合類型，確定了南北劃分兩個(gè)不同地層單元的思路是合理的。因此，阿臘德依克塞溝溝北為哈拉阿拉特組(C2h)，對(duì)應(yīng)為太勒古拉組二段(C2t2)。至于阿臘德依克塞溝所在的阿臘德依克塞組(C2a)，由于野外地層產(chǎn)狀顯示其在北部地層之下，因此只能對(duì)應(yīng)于太勒古拉組一段(C2t1)。因此，該區(qū)自南向北由下而上為太勒古拉組一段(C2t1)、二段(C2t2)。

(3)C區(qū)：達(dá)拉布特?cái)嗔驯辈康貐^(qū)，出露的石炭系地層其歸屬爭(zhēng)論較大，分別有C2、下石炭統(tǒng)b組C1b、太勒古拉組一段C2t1[7]，本文尊重王玉凈等(1987)比對(duì)C1b(圖2a)為1979年烏爾禾幅1∶20萬(wàn)之烏和公路附近的C1b(圖2b)，即王玉凈等(1987)命名的C2h,現(xiàn)為太勒古拉組二段C2t2，項(xiàng)目組在達(dá)拉布特?cái)嗔驯辈抗铝⑹肯德额^北緣也采集到大量生物化石，如海百合莖、珊瑚、腕足等(圖3c、3d)；相對(duì)而言，目前為止包括哈山南北，只有太勒古拉組二段C2t2(即王玉凈等(1987)達(dá)拉布特?cái)嗔驯辈緾1b、南部C2h之南部白板地)這層位化石最為富集，因此現(xiàn)在定義為太勒古拉組二段C2t2；另外一個(gè)依據(jù)為C區(qū)通過(guò)本次工作，確定了北部二號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)，與太勒古拉組一段C2t1不含頁(yè)巖層有明顯區(qū)別。以上兩點(diǎn)為斷裂北部孤立露頭區(qū)確立為C2t2的重要依據(jù)，這也是本次頁(yè)巖氣研究關(guān)于地層工作的一項(xiàng)及其重要成果，直接關(guān)系到達(dá)拉布特?cái)嗔涯媳蹦酥梁褪餐新迳w盆地石炭系及其頁(yè)巖的構(gòu)造-地層展布預(yù)測(cè)。各時(shí)期哈拉阿拉特山地區(qū)石炭系地層劃分對(duì)比關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 各時(shí)期哈拉阿拉特山石炭系地層劃分方案

圖2 哈拉阿拉特山石炭系地層分布圖

2 研究區(qū)石炭系巖性及古生物特征

哈山石炭系太勒古拉頁(yè)巖是目前新疆北部出露面積較為完整的地區(qū)之一，頁(yè)巖累計(jì)厚度960 m。通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查，對(duì)該地區(qū)地層巖性組合、古生物化石組合及分布等露頭信息，進(jìn)行較為系統(tǒng)的觀察描述。涉及到的地層單位主要包括上古生界下石炭統(tǒng)太勒古拉組和上二疊統(tǒng)烏爾禾群。

2.1 太勒古拉組(C2t)

位于廟爾溝至夏子街西，整合于希貝庫(kù)拉斯上亞組(C1x2)之上，未見(jiàn)頂。系以復(fù)理石建造為主混雜式建造、火山類復(fù)理石建造、陸源碎屑巖建造，為海相、深海相火山碎屑巖山巖、放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖、碎屑巖等濁流沉積。區(qū)域上可細(xì)分為三個(gè)巖性段：

太勒古拉組第一段(C2t1)：灰綠色杏仁狀玄武巖、杏仁狀安山巖、紫灰色安山質(zhì)晶屑巖屑凝灰?guī)r、安山質(zhì)熔巖角礫巖夾灰綠色流紋巖等，厚度2 016 m；出露于哈山東北部，未見(jiàn)化石和頁(yè)巖分布。

太勒古拉組第二段(C2t2)：出露于盆地中段南側(cè)哈山，達(dá)拉布特?cái)嗔涯媳本蟹植?，該層厚度約為3 352 m。主要巖性為灰綠色砂巖、中酸性熔巖及凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、頁(yè)巖、灰?guī)r及灰?guī)r透鏡體等。其中灰?guī)r層中產(chǎn)海百合莖、腕足類化石，單層極其富集，與黑色頁(yè)巖一同產(chǎn)出。數(shù)量以海百合莖最多，節(jié)片大小不等，直徑在2～13 mm，以小者居多，局部堆積(圖3e、圖3f)；腕足類(圖3d)以及苔蘚蟲(chóng)等。太勒古拉組二段(C2t2)含有兩個(gè)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖出露區(qū)，二號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)位于達(dá)拉布特?cái)嗔驯辈?，三?hào)頁(yè)巖出露區(qū)位于斷層南部。兩個(gè)頁(yè)巖出露區(qū)內(nèi)頁(yè)巖分布均為頁(yè)巖與凝灰質(zhì)砂巖互層。

太勒古拉組第三段(C2t3)，主要巖性為紫色-灰綠色砂巖、灰黑色含炭硅質(zhì)頁(yè)巖、玄武巖等為主夾灰?guī)r透鏡體。下亞段(C2t3-1）為大套黑色片狀、薄層、中層、中厚層硅質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r透鏡體，向上漸變?yōu)榛揖G色砂巖、含礫砂巖；該段下亞段底部產(chǎn)海百合莖化石(圖3b)，中部保存大量順層分布深水遺跡化石(圖3a)；上亞段(C2t3-2)黑色頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖與凝灰?guī)r、中酸性熔巖互層。太勒古拉組三段地層厚1 055～2 145 m(引自《烏爾禾幅地質(zhì)圖》(1979))[6]，項(xiàng)目實(shí)測(cè)2 300 m，組內(nèi)一號(hào)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖出露區(qū)位于烏和公路西側(cè)的TC01、TC02探槽。TC01硅質(zhì)頁(yè)巖厚度約960 m，面積約為22 km2，單層頁(yè)巖厚度最大值36.87 m；TC02硅質(zhì)頁(yè)巖總厚208 m，單層頁(yè)巖最大厚度為20.2 m。

2.2 烏爾禾群(P2w)

灰綠色、棕紅色礫巖、砂礫巖、砂巖，厚度1 448 m；主要發(fā)育于哈山西南部向斜部位。

3 研究區(qū)頁(yè)巖氣勘探潛力分析

3.1 頁(yè)巖層烴源巖有機(jī)地化指標(biāo)

太勒古拉組第三段(C2t3)和第二段(C2t2)層位在巖性、古生物和頁(yè)巖分布三方面都有相似之處，劃分依據(jù)僅有細(xì)微的差別。本文通過(guò)對(duì)頁(yè)巖的研究發(fā)現(xiàn)，烴源巖有機(jī)地化指標(biāo)也存在一定的差異，亦可當(dāng)做兩段頁(yè)巖進(jìn)行對(duì)比和劃分的依據(jù)，一號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)對(duì)應(yīng)第三段(C2t3)，二號(hào)區(qū)對(duì)應(yīng)第二段(C2t2)，有機(jī)地化參數(shù)值對(duì)比見(jiàn)表3。兩區(qū)沉積相均為淺海相和深海盆地,以《全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)》[9]整理的海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖基本參數(shù)特征為參考，頁(yè)巖層厚30～246 m(目前國(guó)內(nèi)海相頁(yè)巖厚度最大值)，埋深1 500～4 000 m，TOC含量1%～8%，Ro 2.0%～3.5%。一、二號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)在頁(yè)巖層厚度上都滿足參數(shù)特征值。

(1)TOC（%）：一號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)TC01、TC02采用槽探工程揭露至新鮮基巖面以下0.6～0.8 m，按3 m∕樣，樣重不低于500 g∕樣的標(biāo)準(zhǔn)采取連續(xù)撿塊法共采集烴源巖樣355件，樣品分析結(jié)果顯示：其有機(jī)碳TOC含量平均為0.569%；二號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)PM03采用同樣標(biāo)準(zhǔn)采集烴源巖樣25件，樣品分析結(jié)果顯示：其有機(jī)碳TOC含量平均為0.817%。TOC含量比規(guī)范參數(shù)含量較低，因?yàn)榈乇砣语L(fēng)化嚴(yán)重，可見(jiàn)地下頁(yè)巖有機(jī)碳TOC含量比較高（以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為地表化驗(yàn)成果）。

圖3 哈拉阿拉特山石炭系太勒古拉組古生物化石圖版

表3 太勒古拉組烴源巖有機(jī)地化指標(biāo)對(duì)比表

(2)Ro(%)∶一號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)TC01、TC02干酪根鏡質(zhì)組反射率測(cè)定中可用于反射率測(cè)定鏡質(zhì)體較少，其平均值為Ro=1.324%，熱演化較高，干酪根類型為Ⅲ型；烴源巖巖石熱解最高溫度Tmax介于510～537℃，產(chǎn)烴潛量PG介于0.04～0.08。說(shuō)明該套頁(yè)巖主要生烴階段已經(jīng)完成好；二號(hào)區(qū)干酪根鏡質(zhì)組反射率平均值為Ro=0.942%，源巖巖石熱解最高溫度Tmax=431℃，產(chǎn)烴潛量PG為0.067～0.1024，說(shuō)明為一套熱演化程度中等、主要生烴階段已完成的較好烴源巖層。

(3)X射線衍射定量分析：一號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)內(nèi)烴源巖中黏土礦物總量介于2.71%～6.47%,脆性礦物（石英）含量介于33.69%～63.27%，為一套極易壓裂的烴源巖。同時(shí)受達(dá)拉布特?cái)鄬訕?gòu)造影響，頁(yè)巖層內(nèi)部發(fā)育多組節(jié)理及小斷層碎裂巖帶，對(duì)后期頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)壓裂奠定了有利條件；二號(hào)區(qū)內(nèi)烴源巖中黏土礦物總量介于4.37%～6.28%,脆性礦物（石英）含量介于42.81%～61.04%，為一套易壓裂的烴源巖。

Ro是決定產(chǎn)油產(chǎn)氣的重要參數(shù)：Ro在0.4%～0.6%主要產(chǎn)油頁(yè)巖；Ro在0.6%～1.3%主要產(chǎn)頁(yè)巖油；Ro在＞1.3%主要產(chǎn)頁(yè)巖氣。從樣品分析結(jié)果上看出，只有一號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)TC01段是達(dá)到頁(yè)巖氣成熟度標(biāo)準(zhǔn)，是主要生烴階段已完成好的頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)目標(biāo)層段。

綜上，一號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)頁(yè)巖厚度巨大、烴源巖地化指標(biāo)較好、且地層易壓裂的較好烴源巖，可做為重點(diǎn)評(píng)價(jià)有利目標(biāo)層段。二號(hào)區(qū)為三套有機(jī)碳TOC含量較高、熱演化程度中等、烴源巖地化指標(biāo)中等、且具有較好的保存條件的比較有利目標(biāo)層。一號(hào)區(qū)對(duì)應(yīng)太勒古拉組第三段(C2t3)和二號(hào)區(qū)對(duì)應(yīng)的太勒古拉組第二段(C2t2)，說(shuō)明通過(guò)厚度、成熟度、TOC等烴源巖有機(jī)地化指標(biāo)參數(shù)即可以作為地層劃分的依據(jù)，又是頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

3.2 頁(yè)巖層勘探潛力分析

以《全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)》[9]為參照，頁(yè)巖層資源潛力參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾點(diǎn)：

(1)有效厚度：?jiǎn)螌雍穸却笥?0 m（海相），連續(xù)厚度大于30 m；

(2)有效面積：連續(xù)分布的面積大于50 m2；

(3)有機(jī)碳含量（TOC）在0.5%～13%；

(4)鏡質(zhì)體反射率（Ro）＜3.5%：I型干酪根＞1.2%，II1型＞0.9%，II2型＞0.7%，III型＞0.5%；

(5)主體埋深在500～4 500 m之間；

(6)脆性礦物（石英）含量在15%～25%。

據(jù)研究區(qū)石炭系頁(yè)巖厚度較大（960 m）、分布廣泛（數(shù)百平方千米）、埋深適中（1 500～4 000 m）、有機(jī)質(zhì)含量豐富（含大量海相化石）、有機(jī)碳含量較高（TOC在0.569%～0.817%）、有機(jī)質(zhì)熱演化較高（Ro為1.34%）、脆性礦物含量較高（石英含量在33.69%～63.27%），屬易壓裂烴源巖等，綜合認(rèn)為新疆北部哈拉阿拉特山地區(qū)和什托洛蓋盆地石炭系頁(yè)巖勘探具有巨大潛力。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)研究區(qū)（和什托洛蓋盆地及周緣）以哈山地區(qū)頁(yè)巖出露范圍最大，是整個(gè)北部地區(qū)頁(yè)巖氣研究的突破口。以野外巖性識(shí)別、化石對(duì)比及烴源巖有機(jī)地化指標(biāo)對(duì)比依據(jù)將太勒古拉組(C2t)劃分為三段。

(2)從頁(yè)巖氣潛力評(píng)價(jià)方面來(lái)看，位于石炭系太勒古拉組三段(C2t3)的一號(hào)頁(yè)巖出露區(qū)頁(yè)巖厚度巨大、烴源巖地化指標(biāo)目前僅限地表數(shù)據(jù)分析，TOC、Ro和脆性礦物等參數(shù)值都比較樂(lè)觀，是主要生烴階段已完成好的頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)目標(biāo)層段。

(3)根據(jù)頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)指標(biāo)頁(yè)巖厚度、埋深及有機(jī)質(zhì)豐度等綜合分析，認(rèn)為研究區(qū)石炭系頁(yè)巖氣具有重大勘探潛力。

本文得到成都地調(diào)中心余謙、閆劍飛等修改指正，長(zhǎng)安大學(xué)外語(yǔ)學(xué)院李卿慧老師的幫助支持，在此致以衷心的感謝！

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收稿:2014-06-04

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DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.010