祁连山木里冻土区天然气水合物地球化学异常成因分析

杨志斌，周亚龙，普 嘎

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,廊坊 065000; 2.西藏地勘局 地热地质大队,拉萨 850000)

0 前言

天然气水合物是由水和小客体分子(主要是甲烷)在低温高压条件下形成的一种固态结晶物质，俗称“可燃冰”，广泛分布于大陆架边缘的海底沉积物和陆上永久冻土带中[1]。2008年我国在祁连山木里DK-1孔首次发现天然气水合物，之后分别在DK-2、DK-3、DK-7、DK-8、DK-9等孔钻获水合物实物样品[2]。

在水合物DK-1井附近浅表进行地球化学勘查方法技术试验，发现酸解烃、顶空气轻烃、碳酸盐等地球化学指标具有明显异常，通过井中垂向地球化学研究，对浅表沉积物中形成地球化学异常的成因得到初步认识。

1 区域地质地理概况

研究区在我国发现天然气水合物的青海木里煤田聚乎更矿区，其地理坐标为东经99°01′、99°15′，北纬38°04′、38°12′，属青海省海西州天峻县木里镇管辖。 该区位于中祁连区的大通河流域的上游南岸，地貌属于高海拔地区，丘陵地形，地形总体上呈西高东低、南高北低之势，海拔4 128 m～4 028 m，区内冻土发育。

祁连山木里煤田聚乎更矿区总体上是一个复式背斜构造。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、三露天和二露天组成，天然气水合物矿藏位于聚乎更矿区南向斜三露天井田内。矿区出露地层主要是上三叠统(T3)、中侏罗统(J2)、上侏罗统(J3)和第四系(Q)。上三叠统地层广泛出露于矿区南北部和背斜轴部，岩性以黑色粉砂岩、泥岩及薄煤层为主[3,4]。

2 地球化学技术试验

选择在祁连山木里地区进行技术试验，该地区具有良好的天然气水合物成藏条件，并且已钻获天然气水合物实物样品。地球化学试验面积50 km2，采集土壤样品213件。穿过腐殖层采集第四系覆盖区地表60 cm以下粘土层或砂土层物质；采样间距500 m×500 m，水合物DK-1井位附近测点进行加密为250 m点距(图1)

分析测试由中国石化石油勘探开发研究院勘查地球化学实验室完成，分析方法和检出限依据《石油天然气行业标准》SY/T6009-2003。在检测过程中，采取管理样监控和重复密码样监控、异常点复测等方法进行质量保证(表1)。

表1 样品分析质量统计表

图1 祁连山木里冻土研究区位置及采样点位图Fig．1 Iocation of studied area and sampling sites in Muli permafrost of Qilian mountain

2.1 地球化学异常控制因素

2.1.1 地球化学异常特征

本次试验通过对研究区浅表层土壤酸解烃(吸附气)分析，得出甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷空间分布特征。

图2 木里冻土区天然气水合物调查酸解甲烷地球化学异常图Fig．2 Anomaly map of acid hydrolysis methane in gas hydrates from permafrost in Muli

图3 木里冻土区天然气水合物调查酸解丙烷地球化学异常图(图例见图2)Fig．3 Anomaly map of acid hydrolysis propane in gas hydrates from permafrost in Muli (legend shown in Fig. 2)

试验区酸解烃异常包括，C1、C2、C3、iC4、nC4、iC5、nC5，其总体规律一致，现以酸解甲烷、丙烷为例(图2)，酸解甲烷以70-260-400 μL/kg圈定异常，共圈出三个异常：Ⅰ号异常位于试验区西北部一井田，由两处异常构成，发育三级异常，西侧异常范围和强度均较大，采煤区在异常范围内，异常面积6.54 km2；东侧异常面积为1.33 km2，东北侧未闭合，呈顶部异常特征；Ⅱ号异常与水合物井DK-1对应，异常面积0.71 km2；Ⅲ号异常位于试验区东南部二三露天区，异常区构造也较发育，异常面积为4.72 km2，异常东侧未闭合。

酸解丙烷以1.4-3.6-39.6 μL/kg圈定异常(图3)，圈出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号三个异常：三处异常位置与顶空气甲烷一致， 异常面积分别为9.84 km2、1.06 km2、3.71 km2。其中Ⅰ号异常规模较大，NAP值达27.28。

2.1.2 地球化学异常控制因素

已有成果证实该区多年冻土区活动带具备形成天然气水合物的特殊地质条件，多年冻土带的存在阻止了烃类气体的散逸，成为良好的封盖层，从而有利于天然气水合物矿藏的稳定储存。但由于受温压、构造等条件的改变，天然气水合物分解，使得烃类气体沿构造和微渗漏迁移到地表，形成地球化学异常[5-8]。

根据试验区各指标含量共圈出3个地球化学异常区，即Ⅰ号异常，Ⅱ号异常，Ⅲ号异常。三处地球化学异常与构造条件对比发现，北东向走滑断裂与北西向断裂交汇处，表明烃类气体的迁移受构造条件控制。

形成地球化学异常必需有深部气源烃类气体迁移到地表，煤田5-33号钻孔有气体喷出，DK-10井发生气体井喷现象，冻土层内有源源不断的气源补给，这可能是深部的热解气或者天然气水合物分解所释放的气体沿活动断层向上迁移所致。

浅表沉积物形成地球化学异常受气源条件和断裂构造两个主要因素控制。

2.2 地球化学异常烃类气体成因与来源

根据形成机制的不同，形成水合物的烃类气体可分为两大类：热降解成因和微生物成因，少数地区的水合物中烃类气体同时包括上述的两种成因。由于生命活动过程中，生物地球化学作用对甲烷生成具有很强的倾向性以及强烈的碳同位素生物分馏作用，从而造成生物成因的烃类气体具有较高的甲烷组成和较低的δ13C值；而热成因烃类气体的组成与其有明显差异，碳同位素分馏作用与沉积有机质接近[9-11]。

应用水合物气体的C1/(C2+C3)值以及甲烷的碳同位素组成δ13C1可以有效地区分沉积物中烃类成因。一般来说，C1/(C2+C3)>1 000、δ13C1<-60‰(PDB)指示气体为微生物成因；C1/(C2+C3)<1 000、δ13C1>-50‰(PDB)指示气体为热解成因；介于两者之间表明为混合成因[12]。DK-1井采集的气体碳氢同位素分析显示出明显的深部热解气特征(图4所示)，基本排除了浅部微生物气的可能。

图4 木里冻土区天然气水合物样品C1/(C2+C3)-δ13C1图解(据参考文献[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])

有资料表明[13]，木里煤田侏罗纪煤系曾产出相当数量的烃类气体，但是目前保存在煤层中的煤层气总量偏低，在地质历史中大量逸出的甲烷气体可能会在冻土带中富集，成为天然气水合物的主要气体来源；木里凹陷发育石炭系暗色泥(灰)岩、下二叠统暗色灰岩、上三叠统暗色泥岩、侏罗系暗色泥页岩等数套烃源岩，烃源岩质量较好，处于成熟一过成熟阶段，具有良好的生油生气潜力；以上结果证实木里具有煤型气和原有伴生气的气源条件。

表2为木里三个异常区的土壤样品中的δ13C1及烃类气体组分比值，图5为木里水合物及浅表层土壤烃类三个异常区的土壤C1/(C2+C3)与δ13C1图，结果表明，西北部异常(异常Ⅰ)为原油伴生气，DK-1附近异常区(异常Ⅱ)气体为凝析油伴生气和煤型气，东南部异常(异常Ⅲ)为煤型气成因，三个异常区均具有特殊的气体来源，异常烃类气体为原油伴生气、凝析油伴生气和煤型气热解混源成因，即浅表地球化学烃类异常与水合物烃类气体均为同源成因。

表2 木里冻土区地球化学异常区土壤甲烷稳定碳同位素及烃类气体组分比值

图5 木里天然气水合物和地表土壤C1/(C2+C3)-δ13C1(戴金星，1992，简化)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)

图6 DK-1井岩心综合天然气水合物地球化学柱状图(地层柱状图据祝有海等, 2009)Fig．6 The core of comprehensive histogram in the hole of DK-1

2.3 烃类气体垂向迁移方式

2.3.1 烃类气体深层垂向迁移方式

水合物DK-1井分别在井深134 m、143 m、165 m、169 m处产出四层天然气水合物(图6)，赋存在中侏罗统江仓组细砂岩、粉砂岩裂隙中。主要特征表现为：肉眼可见的天然气水合物，呈白色冰状薄层产出在裂隙中(0.5 mm～1 mm厚)，点火即可燃烧，或为肉眼难辨的天然气水合物产出在孔隙中，具有明显的异常现象[14]。

表3是木里DK-1井井中地球化学指标含量特征。井中酸解烃各指标具有C1>C2>C3>C4>C5的含量特征；浅表酸解烃指标与井中存在的差异为，井中烃类含量远远大于浅表，井中甲烷为浅表土壤中含量的130倍，呈现井中富集的特征。

图6是DK-1井酸解烃指标分布特征。结果表明：①酸解烃甲烷、丙烷、重烃指标有三个富集层位，分别是：20 m～40 m深度的中粗粒砂岩、油页岩和含煤中，60 m～70 m深的油页岩夹薄层含煤岩系，125 m～140 m深的深灰色细粒砂岩与深灰色油页岩中，该段为发现天然气水合物层位；②地下深部油气藏中的烃类组分在浓度梯度、压力梯度及水动力作用下由地下深处沿裂隙或微裂隙体系穿过盖层及上覆岩层到达地表，以渗滤作用垂向微渗漏。水合物井中烃类垂向变化较大，表明深层烃类气体主要通过岩石裂隙以渗滤作用迁移为主。

2.3.2 烃类气体浅层垂向迁移方式

试验区浅表第四系沉积发育，厚度约5 m～10 m。为确定浅层沉积物中烃类赋存和迁移特征，在试验区DK-1水合物井附近布置五个垂向剖面，剖面深度2 m，样品采集1件/20 cm，从地球化学剖图中看土壤酸解烃垂向变化趋势基本一致(图7～图10)，PM-1剖面0 cm～40 cm受地表生物作用烃类含量较高，60 cm以下表现为烃类含量随深度增加而增加，其他剖面均表现为酸解烃含量随深度增加而增大的趋势。

表3 DK-1井中酸解烃指标特征值

注：酸解烃含量单位为μL /kg。

图7 PM1垂向剖面酸解烃含量变化图

图8 PM2垂向剖面酸解烃含量变化图Fig．8 Profile map of acid hydrolysis in the PM2 from Muli permafrost

图9 PM4垂向剖面酸解烃含量变化图Fig．9 Profile map of acid hydrolysis in the PM4 from Muli permafros

图10 PM5垂向剖面酸解烃含量变化图Fig．10 Profile map of acid hydrolysis in the PM5 from Muli permafros

垂向剖面烃类地球化学表明：①表层0 cm～40 cm烃类含量受地表生物作用等影响较大，地球化学勘查取样需深采避免受到干扰。另外烃类气体从深部向地表迁移的过程中，当烃类气体迁移到地表时氧化形成二氧化碳，也可能导致烃类气体含量降低；②从酸解烃含量随深度增加而增大，地表覆盖层烃类气体向上迁移主要以扩散迁移作用为主。

地球化学异常烃类迁移形成过程：浅表地球化学异常烃类气体成因为深部热解气，与天然气水合物为同源成因。烃类气源深部地层中以渗滤作用为主，包括微渗漏和宏渗漏；浅部沉积物中以扩散作用为主，最终迁移到地表形成地球化学异常。

3 结论

在祁连山木里冻土区开展浅表和井中天然气水合物地球化学特征对比研究，查明了烃类垂向迁移方式，确定了陆域冻土区浅表烃类地球化学异常成因与深部天然气水合物有关。通过浅表天然气水合物地球化学勘查，圈定地球化学异常区，可以为水合物勘查提供靶区，为水合物钻井井位选择提供理论基础。

参考文献：

[1] SLOAN E D.Clathrates of natural gases[M].New York:Marcel Dekker,1990.

[2] 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,2009,83(11):1761-1770.

[3] 付俊辉,周立发.南祁连盆地石炭-侏罗纪地层区划及石油地质特征[J].西北地质科学,1998,19(2):47-54.

[4] 文怀军, 鲁静,尚潞军, 等. 青海聚乎更矿区侏罗纪含煤岩系层序地层研究[J]. 中国煤田地质, 2006, 18(5):19-21.

[5] COLLETT T S, DALLIMORE S R. Hydrocarbon gases associated with permafrost in the Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada[J]. Applied Geochemistry,1999, 14: 607-620.

[6] YAKUSHEV V S, CHUVILIN E M. Natural gas and gas hydrate accumulations within permafrost in Russia[J]. Cold Regions Science and Technology, 2000, 31: 189-197.

[7] DALLIMORE S R, COLLETT T S. Scientific results from the mallik 2002 gas hydrate production research well program, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada[J]. Geological Survey of Canada, 2005, 585: 1-36.

[8] 卢振权,吴必豪,祝有海.南海潜在天然气水合物藏的成因及形成模式初探[J].矿床地质,2002,21(3):232-239.

[9] BERNARD B,BROOKS J M,SACKETT W M.A geochemical model for characterization of hydrocarbon gas sources in marine sediments[C]//Proceeding of 9thAnnual Offshore Technology Conference. Houston: Offshore Technology Conference,1977:435-438.

[10] KVENVOLDEN K A.A review of geochemistry of methane in nature gas hydrate [J].Organic Geochemistry,1995,23(11/12):997-1008.

[11] WISES K, KVENVOLDEN K A. Introduction to microbial and thermal methane[M]//Howell D G, Wiese K, Fanelli M, et al. The Future of Energy Gases. Reston: United States Geological Survey,1993.

[12] 戴金星.天然气碳氢同位素特征和各类天然气鉴别[J].天然气地球科学,1993,4(2/3):1-40.

[13] 曹代勇,刘天绩,王丹,等.青海木里地区天然气水合物形成条件分析[J].中国煤炭地质,2009,21(9):3-6.

[14] 王平康,祝有海,卢振权,等.祁连山冻土区天然气水合物岩性和分布特征[J].地质通报,2011,30(12):1839-1850.