木里冻土带天然气水合物赋存区浅层土壤地球化学特征及指示意义.pdf

第 3 5卷第 1期 专天然乞比 O I LG A S G E 0 L 0 G Y 2 0 1 4年 2月 文章编号： 0 2 5 3 9 9 8 5 ( 2 0 1 4 ) O 1 0 1 5 9 0 8 木 里冻土带天然 气水 合 物赋存 区 浅层土壤地球化学特征及 指 示 d o i ： 1 0 1 1 74 3 o g g 2 01 4 01 21 意义 邢学文 ， 刘 松 ， 周红 英 ， 邹 立 群 ， 李广之 ， 高 伟 ( 1 中国石油 勘探开发研究院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 2 中国石化集团 资产经营管理有限公司 合肥培训测试中心， 安徽 合肥2 3 0 0 2 2 ) 摘要： 青海省祁连 山木里是中国陆上唯一通过钻探发现天然气水合物样品的地区。在木里天然气水合物赋存 区开展 了土壤油气化 探的研究工作， 采用了顶空气、 酸解烃和蚀变碳酸盐3种烃类检测技术， 其中顶空气和酸解烃方法在木里冻土带比较有效， 而蚀变碳 酸盐方法相对较差。顶空气法提取的游离烃和酸解烃法提取的吸附烃显示： 木里天然气水合物赋存 区土壤中烃类气体组分复杂， 除了主要成分甲烷外， 还含有少量乙烷、 丙烷、 丁烷和戊烷。烃类气体既有热解成因， 又有生物成因； 气体类型包括油型气、 煤成气 和生物气。根据甲烷衬度异常图， 结合研究区地质资料和发现天然气水合物的钻井资料， 认为工区中东部的甲烷高异常区断裂发 育， 应该是天然气水合物的有利赋存区。 关键词 ： 永久冻土带； 土壤地球化学； 天然气水合物； 青海木里 中图分类号 ： T E 1 2 2 1 文献标识码 ： A Ge o c he m i c a l be h a v i o r s o f s h a l l o w s o i l i n M ul i pe r m a f r o s t a nd t he i r s i g n i fic a nc e a s g a s h y dr a t e i nd i c a t o r s Xi n g Xu e we n ， L i u S o n g ， Z h o u Ho n g y i n g ， Z o u L i q u n ， L i Gu a n g z h i ， G a o W e i ( 1 P e t r o C h i n a R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p r n e n t ， B e l l i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 H e f e i T r a i n i n g a n d T e s t i n g C e n t e r ofA s s e t s Ma n a g e m e n t L t d of C h i n a P e t r o c h e m i c a l C o r p o r a t i o n ， H ef e i ， A n h u i 2 3 0 0 2 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Mu l i ， t h e o n l y g a s h y d r a t e h o s t i n g a r e a i n C h i n a p r o v e d b y c o r e s a m p l i n g ， i s l o c a t e d i n Q i l i a n M o u n t a i n p e r m a - f r o s t a r e a P e t r o l e u m g e o c h e mi c a l e x p l o r a t i o n w a s c a r r i e d o u t w i t h t h r e e h y d r o c a r b o n d e t e c t i o n t e c h n i q u e s ( H S ， a c i d o l y s i s h y d r o c a r b o n a n d a l t e r e d c a r b o n a t e s u r v e y me t h o d s ) i n t h e a r e a T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f o r me r t w o m e tho d s a r e mo r e e l - f e c t i v e t h a n t h e l a t t e r o n e An aly s i s o f f r e e h y d r o c a r b o n s e x t r a c t e d t h r o u g h HS a n d a b s o r b e d h y d r o c a r b o n s f r o m a c i d o l y s i s i n d i c a t e s t h a t t h e c o mp o n e n t s o f h y d r o c a r b o n g a s i n s o i l o f a r e a s c o n t a i n i n g g a s h y d r a t e i n Mu l i a r e c o mp l e x I n a d d i t i o n t o t h e m a j o r c o m p o n e n t o f m e t h a n e ， t h e r e a r e a l s o s ma l l a mo u n t o f e t h a n e ， p r o p a n e ， b u t a n e a n d p e n t a n e T h e r e a r e b o t h h y d r o c a r b o n g a s o f p y r o l y t i c o rig i n a n d t h a t o f mi c r o b i o g e n i c g e n e s i s T h e h y d r o c a r b o n g a s c a n b e c l a s s i f i e d a s o i l p r o n e g a s ， c o a l d riv e d g a s a n d b i o g a s Me t h a n e c o n t r a s t d i a g r a m i n c o mb i n a t i o n w i t h t h e g e o l o g i c b a c k gro u n d a n d c o r e s a mp l e s i n we l l s d i s c o v e ri n g g a s h y d r a t e r e v e a l t h a t i t s e a s t e r n - c e n t r a l p a r t wi t h we l l - d e v e l o p e d f a u l t s a n d h i g h me t h a n e a n o maly ma y b e a f a v o r a b l e t a r g e t f o r g a s h y d r a t e e x p l o r a t i o n Ke y w o r d s ： p e rma fr o s t ； s o i l g e o c h e mi s t r y ； g a s h y d r a t e ； M u l i a r e a i n Q i n h a i p r o v i n c e 天然气水合物是水分子和甲烷等气体分子在低温 (1 0) 、 高压( 3 5 M P a ) 、 气体浓度大于其溶解度条 件下形成的一种具有笼状结构的结晶化合物 ， 是一种洁 净无污染的新型能源 。由于赋存环境 比较特殊 ， 目前发 现的天然气水合物主要位于水深大于 3 0 0 m的海底沉 积物和地面1 3 0 m以下的多年冻土带中。1 9 6 7 年， 前苏 联在西伯利亚冻土带的麦索亚哈油气田区首次发现天 然产出的天然气水合物 j ， 之后美国、 加拿大也相继在 阿拉斯加、 马更些三角洲等陆上冻土区发现了天然气水 合物 - 3 。2 0 0 8年 ， 我国在青海祁连山山地冻土带的木 里地区也首次钻获了天然气水合物样品 。 天然气水合物的勘查方法主要有地质 、 地球物理 、 地球化学以及钻探等手段 ， 其 中地球物理 中的似海 底 反射 ( B S R) 技术是 目前最为有效的方法。然而也有研 究表明， B S R代表了天然气水合物下方甲烷气泡的存 在， 并非天然气水合物的直接指示， 许多采集到天然气 水合物的地方没有出现 B S R， 而出现 B S R的地方不 一 定存在天然气水合物 J 。另外 ， 冻 土带冰胶结永冻层 收稿 日期 ： 2 0 1 20 90 3 ； 修订 日期 ： 2 0 1 4 0 1 1 0 。 第一作者简介 ： 邢学文 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 博士 、 高级工程师 ， 遥感。E - ma i l ： x 5 5 0 5 1 6 3 c o m。 基金项 目： 国家科技重大专项 ( 2 O l 1 Z X 0 5 0 2 00 0 8 ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刑学文， 等 木里冻土带天然气水合物赋存区浅层土壤地球化学特征及指示意义 1 6 1 表 1 顶空气不同指标统计特征 Ta b l e 1 S t a tis ti c s o f v a r i o u s i n d e x e s o f h y d r o c a r b o n g a s d e t e c t e d wi t h h e a d s p a c e g a s t e c h n i q u e i n t h e s t u d y a r e a U U Z U 4 U 6 U l c 含量 图 2 顶空气 C 1 ， C 2 +C 3 ， C 4 +c 5 三角图 F i g 2 T r i a n g l e p l o t o fCl ， C 2+C 3 a n d C4+C5 o f h e a d s p a c e g a s i n t h e s t u d y a r e a 变异系数 近似地代表 了地球化学场 的不均 匀程 度 ， 变异系数越 大， 越可能成矿。研究 区除了顶空 气乙烷 、 乙烯和重烃的变异系数小于 1 属于均匀场外 ， 其他轻烃指标变异系数都大于 1 ， 为非均匀场， 特别是 顶空气甲烷、 异丁烷、 正丁烷、 异戊烷、 正戊烷和总烃的 变异系数都大于 2 ， 为高度非均匀场。这一结果说明， 该 区存在烃类富集。对顶空气轻烃的几个指标做相关 性分析， 顶空气 甲烷与顶空气其他几个指标均不相关 ， 有些还呈负相关 ( 表 2 ) ， 显示 了它们的成 因相差较大 ， 这说明土壤游离烃中的甲烷可能有不同的来源。 2 2 酸解烃地球化学特征 木里地 区的酸解烃土壤样品 ， 均可检测出甲烷、 乙 烷 、 乙烯、 丙烷 、 丙烯 、 异 丁烷、 正 丁烷 、 异戊烷 和正戊 烷 。为了了解土壤酸解轻烃 c 一c 分布的差异性和 共同性 ， 绘制了以 C ， C 2 +C 3 ， C + C 为指标的三角图 ( 图 3 ) 。从 图上可以看出， 所有样品都位于右下角 ， C 所 占比例非常高 ， 大部 分采样点的 c 含量 都在 9 0 以上 ， c 2 +C 含量大于 c 4+C ， 而 C +C 含量则很 小 。另外 ， 样 品分布较为集 中， 暗示研究区的吸附烃可 能具有同源的特征。 表2 顶空气轻烃指标相关性 Ta Me 2 Co r r e l a ti o n ma t r i x o f l i g h t b y O r oca r b o n s d e t e c t e d wi t h h e a d s p a c e g a s t e c h n i q u e i n t h e s t u d y a r e a 测试指标 甲烷 乙烷 乙烯 丙烷 丙烯 异丁烷 正丁烷 异戊 烷 正戊烷 重烃 总烃 甲烷 乙烷 乙烯 丙烷 丙烯 异 丁烷 正 丁烷 异戊烷 正戊烷 重烃 总烃 1 0 0 0 2 O 7 L n 卯 加 L n 0 5 3 8 O 7 6 9 c； n n 加 碣 加 L c； n 舛 L 踞 鲳 L c； c； 旺n n n 仍 n n c； c； 嘎 n 6 3 瑚 1 一 O 0 O 0 0 O 0 5 O 9 2 O 1 1 7 2 73 2 O O 3 1 1 3 O 0 O 0 0 l O O O O 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 6 石 油 与 天 然 气 地 质 第3 5卷 区位于工区东部 实测断裂区 ， 发现天然气水合物样 品 的钻孔( D K 1 ， D K 2 ， D K 3， D K 7和 D K 8 ) 位于 中高异 常 区， 推测附近存在断裂 ， 仅发现天然气水合物异常的钻 孔( D K 4 ) 位于中高异常区， 与断裂相距较远。根据庞 守吉等对研究区钻孔 的研究 ， 木里天然气水合物和断 裂 、 构造破碎带关 系密切 引。因而 ， 研 究区天然气 水 合物评价， 除了关注高异常区外， 还要关注断裂发育的 区域。根据木里土壤 甲烷衬度异常图， 研究 区异常面 积较大 ， 东部实测断裂分布区域 ， 应该是天然气水合物 最有利的赋存区域 ， 另外 ， 中高异常区内的断裂发育部 位 ， 也应该是天然气水合物的潜在赋存区。 5 结论 1 )木里采用的三种油气化探方法中， 顶空气对于 冻土带深部天然气水合物 的指示效果最好 ， 酸解烃较 好 ， 蚀变碳酸盐最差。 2 )木里烃类气体成 因不仅有热解成 因， 还有生物 成因； 烃类气体类型包括油型气、 煤型气和生物气。 3 )顶空气法提取的游离烃和酸解烃法提取的吸 附烃 ， 都是深部气源在地表 的反 映， 游离烃是多种烃 源 的反映， 酸解烃则主要是热解成 因的反 映 ， 结合地 质资料 ， 两者 都可 以用 于指导 木里 天然气水 合物 的 勘探 。 4 )根据土壤 甲烷衬度异常图， 工 区中东部 甲烷高 异常区断裂发育， 应该是天然气水合物的有利赋存区。 参考文献 1 K v e n v o l d e n K A A r e v i e w o f g e o c h e m i s t r y o f m e t h a n e i n n a t u r e g a s h y d r a t e J O r g a n i c G e o c h e mi s t ry， 1 9 9 5， 2 ( 1 1 1 2 ) ： 9 9 71 0 0 8 2 D a l l i mo r e S R， C o l l e t t T S I n t r a p e r ma f r o s t g a s h y d r a t e s f r o m a d e e p c o r e h o l e i n t h e Ma c k e n z i e D e l t a N o r t h w e s t T e r r i t o ri e s ， C a n a d a J G e o l o g y ， 1 9 9 5 ， 2 3( 6 ) ： 5 2 7 5 3 0 3 C o l l e t t T S N a t u r a l g a s h y d r a t e o f t h e P r u d h o e B a y a n d K u p a r u k R i v e r a r e a ， N o rt h S l o p e ， A l a s k a J A AP G B u l l e t i n ， 1 9 9 3， 7 7( 5) ： 7 9 38 1 2 4 祝有海， 张永勤， 文怀军， 等 青海祁连山冻土区发现天然气水合 物 J 地质学报 ， 2 0 0 9 ， 8 3 ( 1 1 ) ： 1 7 6 11 7 7 0 Z h o u Y o u h a i ， Z h a n g Yo n g q i n ， we n Hu al j u n ， e t a1 G a s H y d r a t e s i n t h e Q i l i a n Mo u n t m n P e r m a f r o s t ， Qin g h a i ， N o r t h w e s t C h i n a J A c t a G e o l o g i c a S i n i c a ， 2 0 0 9， 8 3 ( 1 1 ) ： 1 7 6 11 7 7 0 5 陈强 ， 业 渝光 ， 刁少 波 ， 等 海 洋 天然气水 合 物研究新 进 展 2 0 0 6 西太平洋地球物理会议 J 海洋地质动态， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 1 ) ： 2 12 5 C h e n Q i a n g ， Y e Y u g u a n g ， D i a o S h a o b o ， e t a1 Ne w p r o g r e s s i n m a r i n e g a s h y d r a t e s： s u mma r y f r o m 2 0 0 6 W e s t e r n P a c i f i c Ge o p h y s i c s Me e t i n g J M a ri n e G e o l o g y L e t t e r s ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 1 ) ： 2 1 2 5 6 雷怀彦， 郑艳红， 吴保祥 天然气水合物勘探方法B s R适用 性探析 J 海洋石 油， 2 0 0 2， ( 4 ) ： 18 L e i Hu a i y a n， Z h e n g Ya n h o n g， Wu Ba o x i a n g E x p l o r a t o ry me t h o d o f g a s h y d r a t e -r e s e a r c h o f B S R t e c h n o l o gy J O f f s h o r e O i l ， 2 0 0 2 ， ( 4 ) ： l一8 7 符俊辉， 周立发 南祁连盆地三叠纪地层及石油地质特征 J 西 北地质科学 ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 2 )： 6 47 2 F u J u n h u i ， Z h o u L i f a T ria s s i c s t r a t i g r a p h i e p r o v i n c e s o f t h e s o u t h e rn Q i l i a n b a s i n and t h e i r p e t r o g e o l o g i c a l f e a t u r e s J N o r t h w e s t G e o s c i e n c e ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 2 )： 6 47 2 8 黄霞， 祝有海， 王平康 ， 等 祁连山冻土区天然气水合物烃类气体 组分的特征和成因 J 地质通报， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 2 ) ： 1 8 5 1 1 8 5 6 Hua n g Xi a， Z h u Yo u h a i ， W a n g P i n g k a ng ， e t a1 Hy d r o c a r b o n g a s c o rn p o s i t i o n a n d o ri g i n o f c o r e g a s f r o m t h e g a s h y d r a t e r e s e r v o i r i n Q i l i a n Mo u n t a i n p e r ma f r o s t J Ge o l o g i c a l B u l l e t i n o f C h i n a ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 2 )： 1 8 5 11 8 5 6 9 孙春岩， 牛滨华， 王宏语 ， 等 西沙海槽研究区天然气水合物地球 化 学 勘 探 及 成 藏 模 式 研 究 J 地 学 前 沿 ， 2 0 0 5， 1 2( 1 ) ： 2 432 51 S u n C h u n y a n， Ni u Bi n h u a ， W a n g Ho n g y u， e t a 1 A s t u d y o f g a s h y - d r a t e g e o c h e mi c al e x p l o r a t i o n a n d d e po s i t f o r ma t i o n p a t t e rn s i n t h e X i s h a o c e a n J E a rt h S c i e n c e F r o n t ie r s ， 2 0 0 5 ， 1 2 ( 1 ) ： 2 4 3 2 5 1 1 O 卢振权， 吴必豪 海底水合物地球化学探测方法的试验研究 J 现代 地质 ， 2 0 0 2 ， 1 6 ( 3 ) ： 2 9 9 3 0 4 Lu Zh e n q u a n， W u Bi h a o Ex pe ri me n t al r e s e a r c h o n g e o c h e mi c al me t h o d s f o r p r o s p e c t in g g a s h y d r a t e s i n ma ri n e s e d i me n t s J G e o - s c i e n c e ， 2 0 0 2 ， 1 6 ( 3 )： 2 9 9 3 0 4 1 1 汤玉平 ， 丁湘玉 ， 吴 向华 ， 等 中 国主要 含油气 盆地 区域 地球化 学场参数 特征 及 其成 因研 究 J 石 油勘 探 与开 发 ， 2 0 0 1 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 4 Ta n g Yu p i n g ， Di n g Xi a n gyu， W u Xi an g h u a ， e t a1 F e a t u r e s an d g e - n e s i s o f r e g i o n a l g e o c h e mi c al fi e l ds o f t h e ma i n h y d r o c a r b o n - b e a tin g b a s i n s i n C h i n a J P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n and D e v e l o p m e n t ， 2 0 0 1 ， 2 8 ( 3 )： 1 4 1 2 孙长青 ， 陈银节 ， 荣发 准 ， 等 川东北 地区天然 气化探方 法实验 研究 J 石油实验地质 ， 2 0 1 0， 3 2 ( 2 ) ： 1 8 61 9 5 S u n C h a n g q i n g ， C h e n Y i n j i e ， R o n g F a z h u n ， e t a 1 R e s e a r c h o n g e o c h e mic al e x p l o r a t i o n t e c h n i q u e f o r n a t u r r al g a s i n t h e n o r t h e a s t e r n S i c h u a n ar e a J P e t r o l e u m G e o l o gy E x p e ri m e n t ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 2 ) ： 1 8 6 1 9 5 1 3 梁世容 ， 寇新琴 利用地球化学 异常探测水 合物 J 南海地 质 研究 ， 2 0 0 4： 1 1 51 2 1 Lia n g S hir o n g， Ko u Xi n q i n P r o s p e c t i n g g a s h y d r a t e s b y g e o c h e mi c al a n o m al y m e t h o d s J G r e s e a c h o f E o l o g i c al S o u t h C h i n a S e a ， 2 0 0 4 ： l 1 51 21 1 4 漆 富成 ， 秦明宽 ， 刘武 生 ， 等 鄂尔多 斯盆地直 罗组赋铀 沉积相 与油气蚀变带的时空配置 J 铀矿地质 ， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 2 ) ： 6 57 O Q i F u c h e n g ， Q i n Mi n g k u a n ， L iu Wu s h e n g ， e t a 1 T i me s p a c e c o n fi g u r a t i o n o f u r a n i u m mi n e r ali z a t i o n s e d i me n t a r y f a c i e s a n d o i l g a s i n d u c e d al t e r a t i o n z o n e i n Z h i l u o f o r ma t i o n ， O r d o s b asi n J U r a n i u m G e o l o gy， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 2 ) ： 6 5 7 0 1 5 庞守吉 ， 苏新 ， 何 浩 ， 等 祁 连山冻土 区天然气水合 物地质 控制 因素分析 J 地学前缘 ， 2 0 1 3， 2 0 ( 1 ) ： 2 2 32 3 9 P a n g S h o u j i ， S u X i n， H e J i e ， e t a1 G e o l o g i c a l c o n t r o l l i n g f a c t o r s o f g a s h y d r a t e o c c u r r e n c e i n Q i l i a n Mo u n t a i n p e rmafr o s t C h i n a J E a rt h S c i e n c e F ron t i e r s ， 2 0 1 3， 2 0 ( 1 )： 2 2 32 3 9 ( 编辑 高 岩) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m