祁連山木里凍土區天然氣水合物地球化學異常成因分析

楊志斌，周亞龍，普 嘎

(1.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所,廊坊 065000; 2.西藏地勘局 地熱地質大隊,拉薩 850000)

0 前言

天然氣水合物是由水和小客體分子(主要是甲烷)在低溫高壓條件下形成的一種固態結晶物質，俗稱“可燃冰”，廣泛分布于大陸架邊緣的海底沉積物和陸上永久凍土帶中[1]。2008年我國在祁連山木里DK-1孔首次發現天然氣水合物，之后分別在DK-2、DK-3、DK-7、DK-8、DK-9等孔鉆獲水合物實物樣品[2]。

在水合物DK-1井附近淺表進行地球化學勘查方法技術試驗，發現酸解烴、頂空氣輕烴、碳酸鹽等地球化學指標具有明顯異常，通過井中垂向地球化學研究，對淺表沉積物中形成地球化學異常的成因得到初步認識。

1 區域地質地理概況

研究區在我國發現天然氣水合物的青海木里煤田聚乎更礦區，其地理坐標為東經99°01′、99°15′，北緯38°04′、38°12′，屬青海省海西州天峻縣木里鎮管轄。 該區位于中祁連區的大通河流域的上游南岸，地貌屬于高海拔地區，丘陵地形，地形總體上呈西高東低、南高北低之勢，海拔4 128 m～4 028 m，區內凍土發育。

祁連山木里煤田聚乎更礦區總體上是一個復式背斜構造。北向斜分布有三井田、二井田和一露天，南向斜由四井田、一井田、三露天和二露天組成，天然氣水合物礦藏位于聚乎更礦區南向斜三露天井田內。礦區出露地層主要是上三疊統(T3)、中侏羅統(J2)、上侏羅統(J3)和第四系(Q)。上三疊統地層廣泛出露于礦區南北部和背斜軸部，巖性以黑色粉砂巖、泥巖及薄煤層為主[3,4]。

2 地球化學技術試驗

選擇在祁連山木里地區進行技術試驗，該地區具有良好的天然氣水合物成藏條件，并且已鉆獲天然氣水合物實物樣品。地球化學試驗面積50 km2，采集土壤樣品213件。穿過腐殖層采集第四系覆蓋區地表60 cm以下粘土層或砂土層物質；采樣間距500 m×500 m，水合物DK-1井位附近測點進行加密為250 m點距(圖1)

分析測試由中國石化石油勘探開發研究院勘查地球化學實驗室完成，分析方法和檢出限依據《石油天然氣行業標準》SY/T6009-2003。在檢測過程中，采取管理樣監控和重復密碼樣監控、異常點復測等方法進行質量保證(表1)。

表1 樣品分析質量統計表

圖1 祁連山木里凍土研究區位置及采樣點位圖Fig．1 Iocation of studied area and sampling sites in Muli permafrost of Qilian mountain

2.1 地球化學異常控制因素

2.1.1 地球化學異常特征

本次試驗通過對研究區淺表層土壤酸解烴(吸附氣)分析，得出甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷空間分布特征。

圖2 木里凍土區天然氣水合物調查酸解甲烷地球化學異常圖Fig．2 Anomaly map of acid hydrolysis methane in gas hydrates from permafrost in Muli

圖3 木里凍土區天然氣水合物調查酸解丙烷地球化學異常圖(圖例見圖2)Fig．3 Anomaly map of acid hydrolysis propane in gas hydrates from permafrost in Muli (legend shown in Fig. 2)

試驗區酸解烴異常包括，C1、C2、C3、iC4、nC4、iC5、nC5，其總體規律一致，現以酸解甲烷、丙烷為例(圖2)，酸解甲烷以70-260-400 μL/kg圈定異常，共圈出三個異常：Ⅰ號異常位于試驗區西北部一井田，由兩處異常構成，發育三級異常，西側異常范圍和強度均較大，采煤區在異常范圍內，異常面積6.54 km2；東側異常面積為1.33 km2，東北側未閉合，呈頂部異常特征；Ⅱ號異常與水合物井DK-1對應，異常面積0.71 km2；Ⅲ號異常位于試驗區東南部二三露天區，異常區構造也較發育，異常面積為4.72 km2，異常東側未閉合。

酸解丙烷以1.4-3.6-39.6 μL/kg圈定異常(圖3)，圈出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號三個異常：三處異常位置與頂空氣甲烷一致， 異常面積分別為9.84 km2、1.06 km2、3.71 km2。其中Ⅰ號異常規模較大，NAP值達27.28。

2.1.2 地球化學異常控制因素

已有成果證實該區多年凍土區活動帶具備形成天然氣水合物的特殊地質條件，多年凍土帶的存在阻止了烴類氣體的散逸，成為良好的封蓋層，從而有利于天然氣水合物礦藏的穩定儲存。但由于受溫壓、構造等條件的改變，天然氣水合物分解，使得烴類氣體沿構造和微滲漏遷移到地表，形成地球化學異常[5-8]。

根據試驗區各指標含量共圈出3個地球化學異常區，即Ⅰ號異常，Ⅱ號異常，Ⅲ號異常。三處地球化學異常與構造條件對比發現，北東向走滑斷裂與北西向斷裂交匯處，表明烴類氣體的遷移受構造條件控制。

形成地球化學異常必需有深部氣源烴類氣體遷移到地表，煤田5-33號鉆孔有氣體噴出，DK-10井發生氣體井噴現象，凍土層內有源源不斷的氣源補給，這可能是深部的熱解氣或者天然氣水合物分解所釋放的氣體沿活動斷層向上遷移所致。

淺表沉積物形成地球化學異常受氣源條件和斷裂構造兩個主要因素控制。

2.2 地球化學異常烴類氣體成因與來源

根據形成機制的不同，形成水合物的烴類氣體可分為兩大類：熱降解成因和微生物成因，少數地區的水合物中烴類氣體同時包括上述的兩種成因。由于生命活動過程中，生物地球化學作用對甲烷生成具有很強的傾向性以及強烈的碳同位素生物分餾作用，從而造成生物成因的烴類氣體具有較高的甲烷組成和較低的δ13C值；而熱成因烴類氣體的組成與其有明顯差異，碳同位素分餾作用與沉積有機質接近[9-11]。

應用水合物氣體的C1/(C2+C3)值以及甲烷的碳同位素組成δ13C1可以有效地區分沉積物中烴類成因。一般來說，C1/(C2+C3)>1 000、δ13C1<-60‰(PDB)指示氣體為微生物成因；C1/(C2+C3)<1 000、δ13C1>-50‰(PDB)指示氣體為熱解成因；介于兩者之間表明為混合成因[12]。DK-1井采集的氣體碳氫同位素分析顯示出明顯的深部熱解氣特征(圖4所示)，基本排除了淺部微生物氣的可能。

圖4 木里凍土區天然氣水合物樣品C1/(C2+C3)-δ13C1圖解(據參考文獻[2]修改)Fig．4 Relationships of carbon isotope composition (δ13C1) and the ratio of C1/(C2+C3) in gas hydrates from Muli permafrost (after literature [2])

有資料表明[13]，木里煤田侏羅紀煤系曾產出相當數量的烴類氣體，但是目前保存在煤層中的煤層氣總量偏低，在地質歷史中大量逸出的甲烷氣體可能會在凍土帶中富集，成為天然氣水合物的主要氣體來源；木里凹陷發育石炭系暗色泥(灰)巖、下二疊統暗色灰巖、上三疊統暗色泥巖、侏羅系暗色泥頁巖等數套烴源巖，烴源巖質量較好，處于成熟一過成熟階段，具有良好的生油生氣潛力；以上結果證實木里具有煤型氣和原有伴生氣的氣源條件。

表2為木里三個異常區的土壤樣品中的δ13C1及烴類氣體組分比值，圖5為木里水合物及淺表層土壤烴類三個異常區的土壤C1/(C2+C3)與δ13C1圖，結果表明，西北部異常(異常Ⅰ)為原油伴生氣，DK-1附近異常區(異常Ⅱ)氣體為凝析油伴生氣和煤型氣，東南部異常(異常Ⅲ)為煤型氣成因，三個異常區均具有特殊的氣體來源，異常烴類氣體為原油伴生氣、凝析油伴生氣和煤型氣熱解混源成因，即淺表地球化學烴類異常與水合物烴類氣體均為同源成因。

表2 木里凍土區地球化學異常區土壤甲烷穩定碳同位素及烴類氣體組分比值

圖5 木里天然氣水合物和地表土壤C1/(C2+C3)-δ13C1(戴金星，1992，簡化)Fig．5 Relationships of carbon isotope composition (δ13C1) and the ratio of C1/(C2+C3) in gas hydrates and near-surface soil from Muli permafrost (Dai Jinxing, 1992)

圖6 DK-1井巖心綜合天然氣水合物地球化學柱狀圖(地層柱狀圖據祝有海等, 2009)Fig．6 The core of comprehensive histogram in the hole of DK-1

2.3 烴類氣體垂向遷移方式

2.3.1 烴類氣體深層垂向遷移方式

水合物DK-1井分別在井深134 m、143 m、165 m、169 m處產出四層天然氣水合物(圖6)，賦存在中侏羅統江倉組細砂巖、粉砂巖裂隙中。主要特征表現為：肉眼可見的天然氣水合物，呈白色冰狀薄層產出在裂隙中(0.5 mm～1 mm厚)，點火即可燃燒，或為肉眼難辨的天然氣水合物產出在孔隙中，具有明顯的異常現象[14]。

表3是木里DK-1井井中地球化學指標含量特征。井中酸解烴各指標具有C1>C2>C3>C4>C5的含量特征；淺表酸解烴指標與井中存在的差異為，井中烴類含量遠遠大于淺表，井中甲烷為淺表土壤中含量的130倍，呈現井中富集的特征。

圖6是DK-1井酸解烴指標分布特征。結果表明：①酸解烴甲烷、丙烷、重烴指標有三個富集層位，分別是：20 m～40 m深度的中粗粒砂巖、油頁巖和含煤中，60 m～70 m深的油頁巖夾薄層含煤巖系，125 m～140 m深的深灰色細粒砂巖與深灰色油頁巖中，該段為發現天然氣水合物層位；②地下深部油氣藏中的烴類組分在濃度梯度、壓力梯度及水動力作用下由地下深處沿裂隙或微裂隙體系穿過蓋層及上覆巖層到達地表，以滲濾作用垂向微滲漏。水合物井中烴類垂向變化較大，表明深層烴類氣體主要通過巖石裂隙以滲濾作用遷移為主。

2.3.2 烴類氣體淺層垂向遷移方式

試驗區淺表第四系沉積發育，厚度約5 m～10 m。為確定淺層沉積物中烴類賦存和遷移特征，在試驗區DK-1水合物井附近布置五個垂向剖面，剖面深度2 m，樣品采集1件/20 cm，從地球化學剖圖中看土壤酸解烴垂向變化趨勢基本一致(圖7～圖10)，PM-1剖面0 cm～40 cm受地表生物作用烴類含量較高，60 cm以下表現為烴類含量隨深度增加而增加，其他剖面均表現為酸解烴含量隨深度增加而增大的趨勢。

表3 DK-1井中酸解烴指標特征值

注：酸解烴含量單位為μL /kg。

圖7 PM1垂向剖面酸解烴含量變化圖

圖8 PM2垂向剖面酸解烴含量變化圖Fig．8 Profile map of acid hydrolysis in the PM2 from Muli permafrost

圖9 PM4垂向剖面酸解烴含量變化圖Fig．9 Profile map of acid hydrolysis in the PM4 from Muli permafros

圖10 PM5垂向剖面酸解烴含量變化圖Fig．10 Profile map of acid hydrolysis in the PM5 from Muli permafros

垂向剖面烴類地球化學表明：①表層0 cm～40 cm烴類含量受地表生物作用等影響較大，地球化學勘查取樣需深采避免受到干擾。另外烴類氣體從深部向地表遷移的過程中，當烴類氣體遷移到地表時氧化形成二氧化碳，也可能導致烴類氣體含量降低；②從酸解烴含量隨深度增加而增大，地表覆蓋層烴類氣體向上遷移主要以擴散遷移作用為主。

地球化學異常烴類遷移形成過程：淺表地球化學異常烴類氣體成因為深部熱解氣，與天然氣水合物為同源成因。烴類氣源深部地層中以滲濾作用為主，包括微滲漏和宏滲漏；淺部沉積物中以擴散作用為主，最終遷移到地表形成地球化學異常。

3 結論

在祁連山木里凍土區開展淺表和井中天然氣水合物地球化學特征對比研究，查明了烴類垂向遷移方式，確定了陸域凍土區淺表烴類地球化學異常成因與深部天然氣水合物有關。通過淺表天然氣水合物地球化學勘查，圈定地球化學異常區，可以為水合物勘查提供靶區，為水合物鉆井井位選擇提供理論基礎。

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