Natural gas distribution and reservoir-forming law of the Yinggehai Basin, China
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摘要:
油气勘探实践表明莺歌海盆地的天然气形成、分布及保存均与底辟区超压体系密切相关。文章根据地震、测井及地质资料与钻探成果，系统地分析总结了莺歌海盆地天然气生成、运聚及富集成藏特征。研究表明，莺歌海盆地天然气分布往往具有浅层气田沿中央泥底辟带分布、中深层岩性气藏分布于底辟构造翼部的特征，且具有"流体超压驱动、底辟裂缝输导、重力流扇体储集、高压泥岩封盖、天然气幕式脱溶成藏"的运聚成藏及富集规律。
Abstract:Oil-gas exploration in the Yinggehai basin shows, the formation, distribution and preservation of oil and gas resources are closely related to the overpressure system in the diapir zone. We based our analysis of the characteristics of generation, migration and reservior-forming of oil and gas resources on a full integration of geological logging and seismic data as well as drilling outcomes in the Yinggehai basin. Our research results show that the distribution of natural gas, is generally characterized by shallow gas reservoir along the central mud diapir zone and middle deep lithologic gas reservoir along the limb of diaper zone. The reservior-forming and enrichment follows the law of "driven by overpressure, conduction via fracture of diapir, enrichment in fan deposit possessed by gravity flow, capping with high pressure mudstone, pool-forming of episodic water-soluble gas ".
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内蒙古阿拉善左旗乌力吉苏木苏宏图火车站以北、杭乌拉山—蒙根乌拉山—乌兰尚德，即中蒙边境一带，地质界称其为哈日奥日布格盆地。盆地两侧分布大面积海相地层，岩性组合为灰色、灰褐色变质砾岩、变质岩屑砂岩、粉砂质板岩、泥质板岩夹薄层结晶灰岩及钙质粉砂岩透镜体。1:20万区域地质调查将该套地层划入下二叠统哈尔苏海群上岩组，广泛分布于杭乌拉—蒙根乌拉一带①②。1996年内蒙古岩石地层清理工作对哈尔苏海群进行了解体，将浅海相碳酸盐岩及碎屑岩组合划归为下二叠统双堡塘组，将中性、酸性火山熔岩及火山碎屑岩划归为中二叠统方山口组，将含植物化石的陆相碎屑岩划归为上二叠统哈尔苏海组[1]，该套地层随之被划归为下二叠统双堡塘组。之后的地质工作者均将其划归为双堡塘组③，但一直没有取得确切的时代依据，为一套哑地层，并与典型双堡塘组现在的定义、地质特征及区域变化[1]截然不同，主要表现为沉积相和岩性组合不同，其次是所含化石类型和岩石变质程度不同。
历史上阿拉善盟地质工作分别由甘肃、宁夏、内蒙古完成，受地理和环境条件所限，该区基础地质和矿产调查工作及研究程度较其他地区相对偏低。前人因出露于乌兰尚德一带的大面积海相地层无化石等时代依据，仅据岩性组合将其划为双堡塘组。本次在乌兰尚德等五幅1:5万矿调项目工作中，经路线和剖面详细研究，确认这套地层的岩性组合与双堡塘组的现在定义及地质特征及区域变化无法对比，且经历了区域浅变质和多期次构造变形。
区域上，圆包山组广泛分布于内蒙古阿拉善盟西部圆包山、小狐狸山、甘肃肃北县黑尖山等地，笔石化石丰富[1-2]。研究区位于阿拉善盟中东部，本次工作首次在现划三段灰褐色钙质粉砂岩透镜体中采集到大量笔石化石，经南京古生物研究所张元动研究员鉴定为Demirastrites（.半耙笔石）、Torquigraptus. （扭曲笔石），见于志留纪兰多维列世埃隆期，时代为早志留世。这一重要发现和侵入圆包山组三段的中粗粒黑云母花岗岩闪长岩U-Pb同位素年龄(379±2.9Ma)的获得，彻底改写了杭乌拉—乌兰尚德长64km、宽40km、分布在8个1:5万图幅中，面积770km2的地层划分问题，将其岩石地层厘定为下志留统圆包山组。为研究区域地层划分和构造演化提供了重要依据。
1. 区域地质概况
本区古生代大地构造单元属于额济纳－北山弧盆系红石山裂谷(C)(Ⅰ-9-2)[3-4]，见图 1。地层区划古生代属于塔里木地层大区（Ⅱ）、黑鹰山地层分区（Ⅱ1）；中生代属于塔里木地层大区（Ⅱ）、北山地层分区（Ⅱ1）。区内地层主要出露古元古界北山岩群、蓟县系—青白口系圆藻山群、下志留统圆包山组、中二叠统金塔组、上二叠统方山口组、中侏罗统龙凤山组及白垩系，侵入岩以泥盆纪、石炭纪、二叠纪、白垩纪花岗岩类为主，区域构造发展演化过程极复杂。古元古界北山岩群为研究区最古老的结晶基底，经历了高绿片岩相－角闪岩相的区域变质变形作用，岩性为浅粒岩、变粒岩、片麻岩、大理岩、片岩等；之后裂陷沉积蓟县系—青白口系圆藻山群；早志留世北东向海槽沉积滨、浅海相圆包山组；泥盆纪—二叠纪岛弧型岩浆侵入和喷发，圆包山组褶皱变形[5-6]；中生代早期北东走向的断陷盆地沉积侏罗系龙凤山组；白垩纪地质事件频发，盆地内巴音戈壁组沉积、苏红图组玄武岩喷发、岩浆带正长花岗岩侵入，断皱带紧闭倒转褶皱形成；晚白垩世南东倾韧性剪切带和北西倾推覆断层相继形成；喜马拉雅运动断裂叠加改造形成现在的盆山构造格局（图 1）。
图 1. 工作区大地构造位置（a）[3]及区域地质简图（b）Ⅰ—天山-兴蒙造山系；Ⅱ—华北陆块区；Ⅲ—塔里木陆块区；Ⅰ-9-1—圆包山（中蒙边境）岩浆弧（O-D）；Ⅰ-9-2—红石山裂谷（C）；Ⅰ-9-3—明水岩浆弧（C）；Ⅰ-9-4—公婆泉岛弧（O-S）；Ⅰ-9-5—哈特布其岩浆弧（C-P）；Ⅰ-9-6—恩格尔乌苏蛇绿混杂岩带（C）；Q—第四系；K—白垩系；J—侏罗系；T—三叠系；P3f—上二叠统方山口组；P2j—中二叠统金塔组；S1y3—下志留统圆包山组三段；S1y2—下志留统圆包山组二段；S1y1—下志留统圆包山组—段；Jx-Qb—蓟县系-青白口系；Pt1—古元古界；K1ξγ—早白垩世正长花岗岩；T1ηγ—早三叠世二长花岗岩；Pγο—二叠纪斜长花岗岩；Pηο—二叠纪二长岩；P2υ—中二叠世辉长岩；Cηγ—石炭纪二长花岗岩；D3ηγ—晚泥盆世二长花岗岩；D3γδβ—晚泥盆世黑云母花岗闪长岩；Pt2υ—新元古代辉长岩；1—地质界线；2—角度不整合界线；3—实测断层；4—实测正断层；5—实测逆断层；6—韧性剪切带；7—糜棱岩化带；8—岩层产状；9—倒转岩层产状；10—糜棱面理产状；11—火山口；12—同位素年龄及测试方法；13—笔石化石点；14—剖面位置及编号Figure 1. Tectonic location (a) and regional geological map (b)2. 岩石地层特征
2.1 下志留统圆包山组一段(S1y1)
圆包山组一段仅在西部额林格尔－都热乌拉构造岩浆岩带中呈北东走向分布，总体为南东倾单斜岩层，被晚泥盆世灰白色细粒二长花岗岩侵入，与二、三段为断层接触。以额林格尔东P10剖面为例，厚度大于1180.1m（图 2-a）。
图 2. 乌兰尚德地区区域地质简图Qhal—第四系冲积层；K2w—乌兰苏海组；K1b2—巴音戈壁组二段；S1y3—圆包山组三段；S1y2—圆包山组二段；S1y1—圆包山组—段；D3ηγβzx—晚泥盆世中细粒黑云母二长花岗岩；1—砾岩；2—复成分砾岩；3—含砾粉砂岩；4—变质砾岩；5—变质复成分砾岩；6—变质含泥砾长石岩屑砂岩；7—变质含砾长石岩屑砂岩；8—变质长石岩屑砂岩；9—变质钙质长石砂岩；10—变质钙质长石岩屑砂岩；11—粉砂质板岩；12—泥质板岩；13—炭质板岩；14—灰岩；15—平行层理；16—水平层理；17—槽状层理；18—板状交错层理；19—脉状层理；20—笔石化石点Figure 2. Regional geological map of Wulanshangde area由P10剖面1~19层构成，岩性组合主要为灰色、灰褐色变质复成分粗砾岩、中砾岩、细砾岩，灰褐色变质长石岩屑砂岩、薄层板岩组成的不等厚、不完整旋回性沉积。基本层序为砾岩－砂岩－板岩构成的正粒序层，局部层位发育板状交错层理。本段以滨海相粗碎屑岩为主，普遍发生片理化。
2.2 下志留统圆包山组二段(S1y2)
圆包山组二段主要分布在杭乌拉山－蒙根乌拉山断褶带中，其次在西北部额林格尔－都热乌拉构造岩浆岩带零星出露。在都热乌拉，地层总体走向北东，与古元古界北山岩群断层接触，被中二叠统金塔组不整合覆盖；在额林格尔出露较小，走向北东，与一段和三段呈断层接触。在杭乌拉山—乌兰尚德一带构成北东走向的大型复式向斜两翼（图 2-b、c)，与三段整合接触。
（1）阿得根嘎顺地区
总体构成复式向斜构造的两翼，本段褶皱为背斜构造。由P11-1剖面1~7层构成（图 2-b），厚度为1072.01m。
下部由灰色变质复成分细砾岩、灰色变质含砾粗粒长石岩屑砂岩、灰色变质中粒长石岩屑砂岩、灰色片理化变质细砂岩及浅灰色、深灰色粉砂质、泥质板岩组成不等厚、不完整旋回性基本层序。向上板岩变厚、砂岩变薄。中部由灰褐色中层状变质含砾粗粒长石岩屑砂岩、灰紫色中层状片理化变质含砾不等粒长石砂岩、灰褐色巨厚层状片理化变质不等粒（中细粒）长石砂岩、灰褐色厚层状变质中粒长石岩屑砂岩、灰色片理化变质细粒钙质长石砂岩、灰色薄层状片理化变质细砂岩（发育平行层理）、灰色-深灰色-灰紫色中－巨厚层状粉砂质、泥质板岩组成下粗上细的旋回性韵律层。基本层序反复叠置，厚3~4m。上部由灰色厚层状变质含泥砾细砂岩、灰褐色厚层状片理化变质中细粒、细粒长石岩屑砂岩（发育交错层理）、浅灰色、灰黑色中－巨厚层状粉砂质、泥质板岩（发育水平层理）组成下粗上细的正粒序旋回性基本层序，且反复叠置。
（2）乌兰尚德地区
构成大型复式向斜之两翼，由P7剖面1~4层构成（图 2-c），厚度大于787.2m。
下部为灰绿色中层状变质复分成细砾岩，灰绿色、深灰色中厚层状变质含砾粗粒长石岩屑砂岩，灰黄色、灰绿色、深灰色中－巨厚层状变质粗粒、中粒、细粒长石岩屑砂岩（发育平行层理，局部见浪成波痕），灰色中层状变质钙质细砂岩组成的数个正粒序、不完整、不等厚的旋回性韵律基本层序。中部为浅灰色、灰色不等厚、巨厚层状变质含泥砾粗粒、中细粒长石岩屑砂岩（发育浪成波痕），浅灰色、灰褐色片理化中－巨厚层状变质中粒、中细粒、细粒长石岩屑砂岩（发育平行层理、交错层理、波状层理），浅灰色、灰色薄层状炭质粉砂质、粉砂质、泥质板岩（发育水平层理），夹灰色钙质细砂岩透镜体，由若干个不完整、不等厚旋回性韵律基本层序组成。局部见同生角砾、包卷层理。部分岩层产状倒转。上部为灰色巨厚层状变质细砾质粗粒长石岩屑砂岩，灰色中层状变质粗粒长石岩屑砂岩，灰色中层状变质含砾中粗粒长石岩屑砂岩，灰色变质含粗粒细中粒长石岩屑砂岩（发育平行层理），灰色巨厚层状变质中细粒长石岩屑砂岩（发育平行层理，局部见波痕），灰色薄层状含泥砾变质细粒长石岩屑砂岩，灰色薄－中层状粉砂质板岩组成6个以上不完整、不等厚的正粒序旋回性韵律基本层序。
本段由南西向北东沉积厚度变小，砾石和泥砾含量增多，层理和层面（波痕）构造增多。纵向上西部韵律和岩石类型较少，东部韵律和岩石类型较多。显示海水南西深北东浅。
2.3 下志留统圆包山组三段(S1y3)
圆包山组三段主要出露在杭乌拉山－蒙根乌拉山断褶带中，其次在额林格尔零星分布，并被晚泥盆世灰色-灰绿色中粗粒黑云母花岗闪长岩(UPb年龄379±2.9Ma)侵入，此处与二段断层接触。在杭乌拉山－蒙根乌拉山断褶带中与二段整合接触。由一系列倒转紧闭褶皱构成大型复式向斜的核部（图 2-b、c)。
（1）阿得根嘎顺地区
位于复式向斜核部，构成紧闭倒转褶皱，由P11剖面8~12层组成（图 2-b），厚度大于672.47m。
下部由灰色巨厚层状变质含砾不等粒长石砂岩，灰色、灰褐色中－厚层状变质粗中粒、细中粒、中细粒长石砂岩（发育平行层理），浅灰色巨厚层状泥质板岩组成正粒序、不完整、不等厚的旋回性基本层序，局部夹数层薄层灰黑色炭质泥晶灰岩透镜体。中部为灰色厚－巨层状变质粗粒、中粒、细粒长石砂岩，浅灰色中－巨厚层状泥质板岩，灰黑色硅质微晶灰岩、灰黑色纹层状炭质泥晶灰岩（透镜体）组成的正粒序旋回性韵律基本层序。砂岩发育交错层理和波痕，局部夹钙质粉砂岩透镜体。总体构成若干个不完整、不等厚的沉积韵律。上部由灰褐色巨厚层状变质（含砾）不等粒长石砂岩、灰褐色中厚层状变质细粒长石砂岩（发育板状交错层理）构成数十个不完整、不等厚的正粒序旋回性韵律基本层序。
（2）乌兰尚德地区
位于复式向斜核部，亦构成紧闭倒转褶皱，与二段整合接触。由P13剖面5~11层构成（图 2-c)，厚度大于977.7m。
下部由浅灰色中层状变质中细粒长石岩屑砂岩（发育平行层理、交错层理），浅灰色巨厚层状泥质板岩夹炭质板岩、浅灰色厚层状粉砂质板岩、浅灰白色泥质板岩夹灰褐色钙质粉砂岩透镜体构成旋回性沉积。钙质粉砂岩透镜体含Torquigraptus. (扭曲笔石）和Demirastrites(半耙笔石）。上部由浅灰色变质中细粒长石岩屑砂岩（发育平行层理，底部见小型交错层），浅灰色薄层状片理化变质细粒长石岩屑砂岩，浅灰色、深灰色巨厚层状泥质板岩（发育水平层理，夹薄层浅灰绿色粉砂质板岩）组成的下粗上细的旋回性韵律沉积，向上单层厚度变薄（图 2-c），局部含有自生立方体状黄铁矿。
本段厚度由南西向北东增大。纵向上由下而上，碎屑由粗变细，反映海水由浅变深。横向上由南西向北东结晶灰岩类由多变少，直至尖灭。板岩类由南西向北东增多，厚度增大。在蒙根乌拉一带，出现数层灰黑色厚层状－巨厚层状硅质微晶灰岩，局部见灰色鲕状灰岩。
3. 沉积相和沉积环境
根据实测剖面和填图资料，用层序地层学、沉积学的理论与方法，总结岩性及组合特征，结合沉积构造和层面构造，对沉积相和沉积环境进行探讨。
3.1 层理构造
圆包山组层理构造二段发育平行层理、水平层理、交错层理、包卷层理。三段多见粒序层理和水平层理（图版Ⅰ）。
3.2 层面构造
圆包山组仅见波痕构造，其类型为浪成波痕。二段乌兰尚德所测4处波痕构造，3处结果显示波痕指数为4.98~9.11，不对称度为1.44~1.62，为浪成波痕；1处结果显示波痕指数为11.47，不对称度为8.33。三段阿得根嘎顺波痕发育，2处所测波痕系数3.71、10.00，不对称度为1.37、1.75，均为浪成波痕（图 3）。
3.3 沉积相和沉积环境
一段为大套厚层变质砾岩、变质含砾砂岩、变质砂岩组成的旋回性基本层序，变质砾岩砾石成分为花岗岩、灰岩及石英质，砾石分选性一般，呈圆状，反映物源近，磨圆度好，也反映水动力强，其上出现旋回性沉积，表明海水反复进退。上述因素表明，一段位于滨岸部位。
二段主要为变质复成分细砾岩、变质含泥砾、含砾长石岩屑砂岩、变质长石岩屑砂岩及薄层状泥质板岩或粉砂质板岩，以基本层序中不含大套厚层－巨厚层状泥质、粉砂质板岩为特征，砂岩砂屑分选性中等，多呈次圆状，成分相对复杂，以长石、岩屑等不稳定组分为主，结构成熟度一般，成分成熟度不高，变质砂岩具平行层理、板状交错层理，板岩偶见水平层理；波痕指数显示为浪成波痕。总体反映海水十分动荡，水动力条件复杂，海进、海退反复交替，应属于滨岸、浅海交互环境，含潮间带沉积。
三段为变质砂岩、粉砂质板岩、厚层泥质板岩组成的旋回性沉积，以基本层序中出现厚层板岩为特征，夹数层微晶灰岩及钙质粉砂岩透镜体（笔石化石层），其陆源粗碎屑已大量减少，主要为陆源细碎屑或泥质，反映该套地层沉积时海水已达到一定深度，为浅海环境，细砂岩中发育交错层理，局部地段发育波痕，具有浊流沉积特征，说明其准确层位应为正常浪基面之下、风暴浪基面之上，为浅海－半深海环境。乌兰尚德地区巨厚层板岩含黄铁矿显示海水较深，为还原环境。
总体上，该套地层旋回性韵律十分发育，即纵向上碎屑粒度由粗到细反复出现，反映浅海或近岸环境海平面升降变化频繁。
4. 构造变形讨论
圆包山组大致经历了泥盆纪、白垩纪2次褶皱变形和多次断裂构造叠加改造，现分叙述如下。
4.1 褶皱构造变形
褶皱构造在阿得根嘎顺—乌兰尚德较发育，泥盆纪研究区由于北西—南东向挤压，圆包山组形成轴向北东的不对称复式向斜构造，两翼由二段组成，核部为三段。其中北西翼发育较好，层位全、厚度大，北端被巴音戈壁组凹陷不整合覆盖。中生代圆包山组叠加改造形成一系列倒转紧密褶皱和小规模的裙边褶皱，巴音戈壁组褶皱变形。后期多次脆性断层改造。
4.2 断裂构造改造
研究内断裂构造十分发育，通过实测和反复的遥感解译及验证工作，划分出多期次断裂构造。综合研究断裂的性质、产状、位置，以及地质体的切割特征和断裂构造间的交切关系、序次等，认为研究区断裂构造为华力西期、燕山期、喜山期。华力西期断裂构造主要受古亚洲洋闭合影响，形成一系列轴向北东的皱褶构造，断裂构造以北西向的张性断裂为主，其主要切割泥盆纪花岗闪长岩体及下志留统圆包山组。燕山早期地壳发生伸展作用，哈日奥日布格断陷盆地形成，两侧伴随一系列北东向的张性断裂，切割华力西期断裂构造；燕山晚期应力机制发生本质变化，伸展作用变为收缩作用，其典型产物为南东倾韧性剪切带及北西倾逆冲推覆构造，泥盆纪花岗闪长岩体、早白垩世正长花岗岩均卷入韧性剪切带。喜山期断裂构造以北西走向为主，改造之前褶皱、断裂构造，造成哈日奥日布格盆地北西向错位。
5. 时代依据
（1）圆包山组三段夹层采集化石经南京古生物研究所张元动研究员鉴定为Demirastrites.(半耙笔石)\Torquigraptus.(扭曲笔石)，见于志留纪兰多维列世埃隆期，时代为早志留世（图版Ⅱ）。其中，Demirastrites.(半耙笔石)在额济纳旗圆包山、甘肃肃北县黑尖山等地均有分布[2]。
（2）本次工作在辉斯西北部侵入圆包山组三段的晚泥盆世灰色-灰绿色中粗粒黑云母花岗闪长岩中采集同位素年龄样品，经北京科荟测试技术有限公司LA-(MC)-ICP-MS微区原位方法测试，U-Pb年龄为379±2.9Ma，时代晚泥盆世，岩石地球化学研究显示为岛弧成因。在甘肃、内蒙古北山地区，广泛分布有志留纪—泥盆纪花岗岩类岩石及火山岩，其大多形成于岛弧环境[7-12]。
（3）2010—2015年，尹海权等[13]在杭乌拉一带对圆包山组做过大量碎屑锆石研究，最终将圆包山组时代确定为早志留世—早泥盆世。
6. 结论
（1）圆包山组三段笔石化石的发现，以及侵入该地层晚泥盆世花岗闪长岩同位素年龄(U-Pb年龄379±2.9Ma)的获得，确定了该地层的时代归属，改变了该地区近770km2的地层划分，补充完善了圆包山组的定义、地质特征及区域资料，为区域地层划分对比提供了重要证据。
（2）重点研究了圆包山组的岩石组合、基本层序、沉积构造、古生物特征，认为研究区早志留世的沉积相和沉积环境经历了临滨－近滨－浅海－半深海的复杂变化，岩相古地理为北高南低的还原环境。为研究该地区早古生代以来的地层格架及构造演化提供了新的依据。
（3）通过对该地区地层和构造的综合研究，确定圆包山组岩石普遍发生区域变质变形改造，经历了复杂褶皱变形、多期次断裂改造。基本确定圆包山组第一次褶皱变形源于泥盆纪古亚洲洋的双向俯冲，形成北东向复式向斜，晚白垩世的北西倾逆冲推覆构造使原有褶皱进一步挤压变形，形成一系列北倾紧闭倒转褶皱，新生代断裂构造的叠加改造，形成现有的盆山构造格局，为研究该区大地构造演化提供了重要依据。
致谢
衷心感谢南京古生物研究所张元动研究员对本次工作所采集化石的鉴定，感谢长安大学焦建刚教授对稿件的审查，感谢长安大学闫海卿教授、内蒙古自治区地质勘查基金管理中心孟二根教授高级工程师对初稿的审查及指导。
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表 1 东方区高温超压气藏盖层与天然气微观封闭能力特征对比表
Table 1. Parameter comparison table for cap rock of gas reservoir with high temperature and over pressure vesus micro-sealing capacity
井号 气组 盖层突破压力/MPa 储层排替压力/MPa 平均压力比值 测井解释 DF-A Ⅰ 2.338~11.84 0.02~0.059 161.25 气层 DF-B Ⅰ 2.645~7.425 0.001~0.199 150.17 气层 DF-C Ⅱ 15.61~29.67 0.002~0.67 94.09 气层、气水同层、含气水层、水层 DF-D Ⅰ 15.61~29.67 0.002~0.67 596.25 气层 DF-E Ⅱb 20.76~83.04 0.003~0.94 662.11 气层 DF-F Ⅰ 5.367~98.69 0.007~0.866 1283.86 气层 DF-G Ⅱb 4.38~98.70 0.02~0.71 1093.71 气层 DF-H T30-A1 0.742~8.203 0.023~0.73 4.80 差气层 DF-I T30-A5 1.09~9.09 0.005~1.091 43.73 含气水层 
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表 2 东方区高温超压气藏盖层与天然气宏观封闭能力特征对比表
Table 2. Parameter comparison table for cap rock of gas reservoir with high temperature and over pressure vesus macro-sealing capacity
井号 地层压力系数 地层构造倾角 气藏剩余压力/MPa 盖层封闭压力/MPa 破裂压力/MPa 储层流体压力/MPa DF-A 1.96 3.4° 31.51 27.93 69.66 64.33 DF-B 1.90 1.9° 25.47 27.47 61.36 53.78 DF-C 1.93 1.9° 26.73 27.75 62.84 55.47 DF-D 1.97 1.9° 28.03 29.22 62.07 56.93 DF-E 1.76 1.1° 22.34 32.34 61.74 53.00 DF-F 1.82 1.1° 23.30 34.75 62.52 52.70
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