独山子泥火山曾发生剧烈喷发

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  独山子泥火山曾发生剧烈喷发

  

  沈建林/新疆油田公司教授级高级工程师

  

  在天山北麓、奎屯河东岸的戈壁平原上,拔地而起一座长宽各约6千米、最高海拔为1283米的背斜型山地(图1、图2),独山子因而得名。近年来,随着独库公路自驾旅游热的不断升温,独山子作为独库公路的起点而广为人知。

  独山子是新疆石油工业的摇篮,对中国石油工业的发展做出过重要贡献。独山子之所以能够成为新疆石油工业的发源地,与其独特的地质条件生成的泥火山有关。

  

  图1 从天山脚下向北远眺独山子


  图2 独山子背斜核部出露的岩层(右方为北)

  

  

  

  一、独山子泥火山为新疆石油工业奠基

  在沉积岩分布区,泥火山一般是由地下天然气体在压力作用下携带水、泥、砂、岩石碎屑等喷出地表所形成。与火山相似,泥火山也具有喷发口和喷出物堆积体,但泥火山喷出物不是炽热的岩浆,因而多呈常温态。

  新疆的泥火山主要分布于天山北麓一带,包括独山子泥火山、艾其沟(有文献称阿尔钦沟)泥火山(图3)、乌苏泥火山等。独山子泥火山位于独山子背斜山地的东北部(图4),海拔高度958米,相对高度约170米。

  

  图3 新疆地质博物馆展示的艾其沟泥火山照片

  

  图4 独山子泥火山位置图

  一般认为美国人德雷克1859年在宾夕法尼亚钻成世界第一口工业油井,井深21.69米,日产油1.817m3,标志着近代石油工业的开始。

  之后油气勘探的历程大致分为3个阶段,第一阶段是绕油气苗寻找油气田(油气在自然条件下溢流出地表称油气苗);此后总结出油气田多存在于背斜构造中,于是油气勘探的第二阶段就是寻找背斜,然后对其进行钻探;地面上易于发现的背斜构造找完后进入第三阶段,即依靠新理论和多种新技术手段的综合运用来寻找各种类型的油气田。

  1900年以前,独山子背斜东部的泥火山喷口众多,喷出物中含有原油,因此也被称为油泉,属于典型的油气苗(图5)。同时地表也可见油砂出露,曾用人力掘浅井获得油流。由于独山子同时具有油气苗和背斜这两项地质条件,在100多年前技术手段十分简陋的情况下,能够发现地下存在油气蕴藏实非偶然。

  

  图5 泥火山喷出物中含有褐色原油(1991年摄于独山子背斜西部)

  ◆中国大陆第一口油井于1907年钻成于陕北延长。

  ◆1909年,清政府从俄罗斯购进挖油机(顿钻钻机)一台,在独山子泥火山东麓钻探,当钻至七八丈(约30米)时,“井内声如波涛,油气蒸腾,直涌而出,以火燃之,焰高数尺。”这口井标志着新疆石油工业的开端,被命名为新疆第一口油井,2007年6月列入新疆维吾尔自治区文物保护单位。

  ◆1936年,新疆省政府与苏联合作成立独山子炼油厂,并于当年9月在独山子背斜钻探。1937年1月14日第一口探井出油。1942年独山子油田生产原油7321吨,成为抗战时期与玉门、延长齐名的三大油矿之一。

  ◆1953年,独山子油田达到最高原油产量70241吨,拥有了石油工业发展所需的各类人才。1955年10月29日,独山子矿务局1219青年钻井队在当时荒无人烟的准噶尔盆地西北缘钻获工业油流,宣告克拉玛依油田的发现。这口发现井被命名为克拉玛依一号井,2013年3月被国务院列入全国重点文物保护单位。

  ◆上世纪90年代初,独山子油田的油气开采生产终止,但此时独山子已发展成中国西部重要的石油化工基地。目前,独山子石化公司已具备年加工1500万吨原油的生产能力,年产乙烯达到132万吨。

  

  

  二、独山子泥火山剧烈喷发的证据

  由于独山子油田几十年的开采生产,地层压力大幅下降,因而独山子泥火山上已经看不见100多年前喷发口遍布的壮观景象,但喷发遗迹还是随处可见。现有的少量喷发口已成为著名的旅游景点和珍贵的石油地质现场教学课堂。

  在独山子背斜范围内,泥火山的喷发可区分出3种方式。

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  1、泥浆溢流式喷发。天然气携带泥浆喷溢出地表,逐渐堆积成圆锥状或圆丘状地貌。登上独山子泥火山顶,至今仍可看到这种喷发的实例(图6、图7)。

  

  图6 正在喷溢泥浆的小泥火山锥(2018年10月)

  

  图7 正在喷溢泥浆的泥火山口(2018年10月)

  2、水池状泥火山口喷发。天然气喷出时携带的地下水积聚成水池状,从一个溢流缺口向外流出。喷出的固体物质相对较少。喷口的外缘比周围的地表略高一点,呈现平缓的盾状。

  在独山子背斜西部,1991年见有一个直径约10米的水池状喷口(图8)。从地下喷出的天然气流量较大,搅动着喷口内积存的水和油膜,如油锅沸腾一般,并发出低沉的轰鸣声,几十米外即可耳闻。在独山子泥火山顶部,可见几十个类似的喷口,但已经干涸不再喷发,可称之为“死泥火山口”(图9)。

  

  图8 正在喷出天然气的水池状泥火山口

  (1991年摄于独山子背斜西部)

  

  图9 独山子泥火山顶已停止喷发的泥火山口之一

  (2018年10月)

  上述两种喷发实际上反映了泥火山喷发孔道是否通畅。地下天然气在压力不太高的情况下,如果喷发孔道畅通状况不好,为泥浆溢流式喷发而形成圆锥状地貌;如果喷发孔道比较畅通,喷出物则以气、水为主,地表呈现水池状泥火山喷口和盾状地貌。

  3、剧烈式喷发。地下的高压天然气突然爆发喷出,并携带大量的泥火山角砾至地表。

  受各类媒体的画面展示和现有泥火山实例的影响,使人以为泥火山只能以轻柔平静的方式喷溢。实际上泥火山也能发生剧烈喷发,与火山的猛烈喷发类似。

  例如1977年10月7日,阿塞拜疆洛克巴坦泥火山喷发时发生剧烈爆炸,喷出了300亿立方米的天然气和15万立方米的泥火山角砾,山顶升起350米高的火柱,周围几十千米范围内均被火光照亮。

  独山子泥火山的喷出物具有双层结构

  上部主要为疏松的粘土物质和细小的岩屑,由泥浆溢流式喷发和水池状泥火山口喷发产生。

  下部主要为泥火山角砾,是独山子泥火山发生过剧烈喷发的证据。

  这些泥火山角砾被高压天然气从地下深处携至地表,大小混杂,最大者直径可达40厘米以上(图10)。角砾的岩性主要为泥岩、粉砂岩、砂岩、细砾岩等,颜色多种多样,包括褐色、灰色、绿色等等。

  

  图10 直径达40厘米的泥火山角砾2018年10月

  独山子泥火山喷出的角砾经历了一定的压实和胶结成岩作用,可称之为泥火山角砾岩。在一些露头处,可见泥火山角砾岩受构造应力作用产生的裂缝(图11)。某些地点泥火山角砾岩具有相对较强的抗风化能力,在地表构成陡坎或陡崖地貌(图12、图13)。

  

  图11 泥火山角砾岩中的裂缝2018年10月

  

  图12 由泥火山角砾岩构成的陡坎2018年10月

  

  图13 由泥火山角砾岩构成的陡崖2018年10月

  在独山子泥火山北麓,见有第四系砾石层覆盖在泥火山角砾岩之上(图14)。据此推测独山子泥火山的剧烈喷发至少应在距今20万年之前,但究竟何时发生,期待能有进一步的深入研究予以确定。

  

  图14 被第四系砾石层覆盖的泥火山角砾岩(1991年摄于独山子泥火山北麓)

  独山子背斜核部出露的岩层主要是砂岩泥岩,抗风化剥蚀能力较差。由于独山子泥火山所在的位置堆积了大量的泥火山喷出物,在某种程度上抵消了剥蚀作用的效果,因而与背斜核部的其他位置相比,独山子泥火山保持了一定的相对高度。选择适当的地点,可以观察到独山子泥火山具有与火山地貌相似的轮廓(图15)。

  

  图15 独山子泥火山具有与火山地貌相似的轮廓左方为北

  

  三、独山子泥火山形成原因浅析

  3亿年前的石炭纪末期,受板块构造碰撞挤压作用,天山从海洋中隆起。经历上亿年的风化剥蚀作用,到侏罗纪时变成低缓的准平原地貌。4千万年前的始新世时期,印度板块与欧亚大陆板块碰撞挤压使喜马拉雅山开始了隆升过程。印度板块持续向北的挤压,导致上新世以来青藏高原整体急剧隆升,强大的挤压应力向北传递,使天山从上新世至第四纪再度强烈隆起。

  这一挤压应力的作用也使准噶尔盆地南缘形成了三排近于东西走向的背斜构造带,独山子背斜位列第三排背斜带中。这些背斜构造大多与逆断层相伴生,且逆断层的走向与背斜的长轴方向一致。

  纵贯独山子背斜的逆断层称为独山子断裂(图16)。在奎屯河谷中,可观察到独山子断裂出露地表。在断裂面附近,独山子背斜的北翼岩层发生直立甚至倒转。断裂上盘的上新统岩层逆冲于第四系砾石层之上(图17),表明独山子断裂目前仍处于活动期

  

  图16 独山子背斜地震剖面

  

  图17 奎屯河谷独山子背斜剖面示意图

  显然,独山子泥火山的剧烈喷发与独山子断裂有关

  “

  可能性有二:

  一是独山子断裂在活动过程中,切穿已形成的天然气藏,导致地下高压天然气沿着断裂面剧烈喷发而出;

  二是独山子断裂切穿气源层,气源层中已生成的天然气沿断裂面向上运移,至某一封闭遮挡条件较好的位置聚集成天然气藏。当气藏的压力升高到超过封闭遮挡的最大限度,气藏中的高压天然气即沿断裂面剧烈喷发而出。

  根据地质学常识,地下断裂活动在断裂面附近均产生一定宽度的破碎带。剧烈喷发的天然气将地下断裂面附近的破碎岩块携带而出,最终形成了独山子泥火山角砾岩。

  

  

  四、独山子泥火山的气源层与

  准噶尔盆地南缘天然气勘探前景

  戴金星等专家通过采样分析,确认准噶尔盆地南缘独山子等地的泥火山喷出的天然气源自侏罗系煤系地层。1996年和2006年,在准噶尔盆地南缘呼图壁背斜和玛纳斯背斜发现呼图壁气田玛河气田,探明天然气地质储量分别为126亿立方米和314亿立方米。经分析研究,这两个气田所产天然气也源自侏罗系煤系地层。

  新疆煤炭远景资源量位居全国前列,绝大部分蕴藏于侏罗系煤系地层中。在准噶尔盆地南缘,侏罗系的最大埋藏深度超过6000米,具有较高的热演化程度和较大的天然气生成能力

  根据已有的勘探成果,如果存在沟通侏罗系气源层的断裂,在准噶尔盆地南缘背斜中较浅的层位就可能聚集成天然气藏。但封闭遮挡条件欠佳的独山子背斜却通过剧烈喷发将已聚集的天然气喷出地表。

  在不具备断裂沟通条件的广大区域,侏罗系煤系地层生成的天然气可能在较大深度形成自生自储的天然气藏,或聚集在相邻的白垩系储层中。因此在准噶尔盆地南缘,针对白垩系和侏罗系较深目的层的天然气勘探,也应具有非常乐观的前景。

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