青藏高原天然气水合物勘探对湿地碳循环系统的影响
张舜尧1,2,3, 张富贵2,3, 杨志斌2,3, 周亚龙2,3, 王惠艳2,3, 唐瑞玲2, 孙忠军2,3
1.成都理工大学 地球科学学院,四川 成都 610000
2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
3.地球表层碳—汞地球化学循环重点实验室,河北 廊坊 065000;

作者简介: 张舜尧(1986-),男,工程师,博士研究生在读,从事地球化学勘查工作。Email:zhangshunyao@igge.cn

摘要

湿地是全球重要碳循环载体,青藏高原作为我国最大的湿地分布区,成为湿地碳循环系统的研究热点区。笔者通过采用地球化学勘探方法,利用顶空气和酸解烃方法,评估青藏高原祁连山木里盆地天然气水合物勘探活动对湿地碳循环系统的影响。研究区2009年、2011年、2013年酸解烃平均值分别为15.55、13.73、12.82 μL/kg,未发现明显增加;顶空气平均值分别为4.49、6.16、19.22 μL/l,随天然气水合物勘探开发活动增加。通过分析顶空气分布特征,发现顶空气是一种时间有效性较短的指标,并未指示烃类气体排放总量的增加。研究结果显示,天然气水合物试采井对碳循环系统的影响范围较大,但并未导致明显烃类气体排放增加,对区域碳循环系统整体影响较小,对环境的影响在可控范围内。

关键词: 湿地; 环境监测; 青藏高原; 天然气水合物
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1044-06
The research on the effect of gas hydrate exploration on wetland carbon cycle in the Tibetan Plateau
ZHANG Shun-Yao1,2,3, ZHANG Fu-Gui2,3, YANG Zhi-Bin2,3, ZHOU Ya-Long2,3, WANG Hui-Yan2,3, TANG Rui-Ling2, SUN Zhong-Jun2,3
1.College of Earth Sciences Chengdu University of Technology,Chengdu 610000,China
2.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065000,China
3.Key Laboratory of Geochemical Cycling of Carbon and Mercury in the Earth's Critical Zone,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065000,China;
Abstract

Wetland is an important part of global carbon cycle. As the largest wetland in China, the Tibetan Plateau is a hotspot in the research on wetland carbon cycle. In this paper, the authors evaluated the effect of gas hydrate exploration on wetland carbon cycle in Muli Basin, Qilian Mountain, the Tibetan Plateau. By using geochemical methods such as top gas and acidolysis hydrocarbon, the authors measured the values of the acidolysis hydrocarbon in 2009, 2011, 2013, which were 15.55 μL/kg, 13.73 μL/kg, and 12.82 μL/kg respectively, with no significant increase. The top gas in 2009, 2011, 2013 were 4.49 μL/L, 6.16 μL/L, and 19.22 μL/L respectively, showing increasing trend. The distribution characteristics analysis shows that top gas has short time efficiency, and can not be used to indicate the increase of hydrocarbon gas. The results show that the effect of gas hydrate wells has the features of wide range and low strength on regional carbon cycle system. The environment impact is less and in the controllable range.

Keyword: wetland; environment monitoring; Tibetan Plateau; gas hydrate
0 引言

湿地是指天然的永久或间歇性沼泽地、泥炭地、水域地带, 带有静止或流动、淡水或半咸水及咸水水体, 包括低潮时水深不超过6 m的海域。作为陆地4大生态系统之一, 湿地面积约占地球表面的 3.5%, 其碳汇能力却占全球碳储量的1/3[1, 2, 3], 因此成为碳循环系统的研究热点之一。青藏高原作为我国最大的湿地分布区, 其湿地面积约为13.19× 104 km2, 占我国湿地总面积的1/4[4], 并且由于其高海拔的特点(平均海拔4 000 m以上), 青藏高原湿地气候变化较其他地区表现更为超前和显著[5], 因此也成为我国湿地碳循环系统研究的重点区域。

通常情况下, 湿地生态系统的各种要素处于一种水文、生态和景观形态学上的平衡状态[6], 在人类活动较频繁地区, 人为干扰, 尤其是农耕活动会导致湿地水文及景观形态的变化, 从多方面引起湿地结构与功能的变化。而在青藏高原地区, 这种农耕活动的影响几乎为零。另一方面, 随着近年来我国陆域天然气水合物勘探活动的进行, 特别是水合物试采井的钻探活动, 青藏高原富天然气水合物区域的湿地结构也遭到了人为破坏, 因此, 本文选取青藏高原祁连山冻土带木里天然气水合物重点研究区, 应用地表地球化学勘探技术, 对其湿地碳排放变化进行研究, 探讨水合物开采对该区碳循环系统的影响。

1 研究区概况

研究区地处祁连山南缘, 地理坐标为E99° 01'~E99° 15', N38° 04'~38° 12'(图1), 行政规划上隶属青海省海西州天峻县木里镇管辖。该区被山地多年冻土覆盖, 湿地面积约10 万km2。该区位于中祁连区的大通河流域的上游南岸, 地貌上属于高海拔地区, 丘陵地形, 地形总体上呈西高东低、南高北低之势, 海拔4 128~4 026 m, 相对高差102 m。区内冻土发育, 厚度一般为60~95 m, 主要分布在祁连山中段和西段, 冻土下界大致与年平均气温-2℃~-2.5℃等温线相当[7]。由于受季节变化和气温的影响, 每年4月冻土开始融化, 至9月回冻, 最大融化深度小于3 m[8]。研究区属于高寒草地生态系统, 植被类型以天然高寒草甸草原为主[9], 其单位面积产草量较高, 土壤有机碳主要分布在土壤表层[10]

图1 研究区地理位置

研究区天然气水合物勘探工作最早始于2008年, 由中国地质调查局部署DK-1试验井, 该井在133.5~135.5 m处成功钻取天然气水合物实物样品, 之后该区天然气水合物勘探工作开始集中部署, 2008年至今, 中国地质调查局在该区共计钻探了12口钻井(DK-1~DK-12), 另外, 2013年开始, 神华集团也在该区陆续钻取了十余口钻井。2016年, 中国地质调查局在该区部署实施了SK-0, SK-1, SK-2三口试验井, 并对其进行了地下对接。这些勘探工作在不同程度上都对该区湿地结构造成了影响。

湿地生态系统结构变化的最直接表现就是烃类的逸散, 即碳汇向碳源的变化, 这种变化最直接的体现就是烃类逸散过程中与地表介质发生交换作用, 这种交换作用主要有吸附作用、溶解作用、水合作用和氧化作用[11]。地表介质对轻烃的吸附分为物理吸附和化学吸附。其中物理吸附是指轻烃以分子状态被固体介质表面所吸附, 吸附作用力为范德华力, 吸附可以是单分子层的, 也可以是多分子层的, 吸附热数值很小, 吸附速率却很大, 吸附过程受温度影响较小, 且基本不需要活化能。而化学吸附是指轻烃是以原子状态被固体表面所吸附, 吸附质和吸附剂之间由化学键链接, 所以只能是单分子层选择性吸附, 吸附热数值很大, 吸附过程和解吸过程都需要活化能, 受温度影响较大[12], 主要在夏季发生。基于上述分析, 笔者选取地球化学勘查中常用的顶空气和酸解烃方法, 分别测定该区2009、2011和2013年土壤表层物理吸附和化学吸附的烃类气体含量变化, 研究天然气水合物勘探对其湿地碳循环系统的影响。

2 试验方法

根据水合物勘探实际情况, 试验区从水合物试验井集中区向外延伸至相对背景区, 网格状部署采样点位, 采样点间距为500 m, 试验区面积为10 km2。受当地气候影响, 野外采样均选在夏季进行, 野外采用GPS定位, 定点误差不超过50 m, 遇沼泽、湖泊、风成砂堆积地和水系流水线时, 均将样点移动到最近的第四系覆盖区, 采样点在钻孔附近时, 避开钻孔位置, 进行位移(图2)。

图2 研究区采样点位

2.1 酸解烃采样方法

酸解烃是指用酸分解样品而释放出来的烃类气体, 其核心是分析沉积物中碳酸盐矿物包裹体及其晶体缺陷或不连通孔隙内的烃类气体含量, 主要为化学吸附烃[13, 14, 15]

在第四系覆盖区土壤采样深度约40 cm, 采集黏土层或砂土层物质[16, 17, 18]; 基岩出露区, 采集残积层样品, 采样深度约20~30 cm。采样过程中避开沼泽、沙丘、沙地和水系流水线, 采集残、坡积物、洪积物、洪冲积物等第四系覆盖物。

酸解烃分析分为样品制备(脱气)和色谱检测两部分。取-40目的样品50 g, 经减压、恒温(35℃水浴)、加酸脱气后, 通过NaOH吸收CO2后保存在饱和盐水中, 然后用气相色谱分析CH4的含量。单位为μ L/kg, 方法检出限小于0.05 μ L/kg。

2.2 顶空气采样方法

顶空气分析技术是对土壤介质中弱吸附烃(主要为物理吸附烃)进行含量检测的化探方法。其原理是将样品装在有溶剂的玻璃瓶中, 利用气相色谱技术测试出瓶中气相的轻烃, 进而分析出土壤介质中的烃类气体含量[19, 20]

顶空气样品采集位置深度及介质同土壤酸解烃, 野外样品弃去碎石、草根等; 在预装200 mL饱和盐水的盐水瓶中装入土样, 使饱和盐水的液面升至400 mL刻度; 装完样品的瓶子一定拧紧螺丝和瓶盖, 在室内倒置摆放; 运输过程中样品瓶倒置摆放。

测定试样前, 用微量注射器准确抽取20.0 mL± 0.1 μ L标准气, 进气相色谱仪分析, 重复3~5次, 测定结果的相对误差< 3%, 方可测定试样。六通阀加热至100℃± 5℃, 预柱用液氮冷阱冷冻, 六通阀富集载气流速25 mL/min。用注射器取一定量正压顶空间气(视含量而定, 最大50 mL), 注入进样口。同时秒表记时。经40 s, 分离掉空气后, 立即转动六通阀至解析位, 同时起动色谱程序, 绘制色谱图和采集数据。取下预柱液氮冷阱, 套上沸水杯以解析预柱的轻烃。待色谱峰出完, 按停止键, 自动定性和定量计算。将六通阀转至富集位, 取下沸水杯, 套上液氮冷阱, 2 min后进行下一次测定。

3 试验结果与讨论
3.1 数据特征

由于该区富含天然气水合物, 需消除地下天然气矿藏产生的个别极大值, 对试验区49个采样点各3组浅表地球化学数据进行极值处理后统计分析结果如表1, 研究发现:顶空气甲烷样品数据平均值具有明显的从2009~2013年增大的趋势, 其中2013年数据标准偏差较大, 表明在此时期, 随着天然气水合物勘探试验井的增加, 该区地下烃类气体逸散异常点明显增多, 而在2009~2011年这一现象还不显著。酸解烃甲烷样品中, 数据随年份递增的现象并未出现, 相反却出现了低速率递减现象, 这可能是由于化学吸附烃形成周期较长, 同时随着地下游离烃类气体向上逸散与地表介质进行交换所用产生的能力促使原有化学吸附烃裂解散失导致的。同时, 2009年和2013年两组酸解烃数据变异系数和标准偏差均较大, 表明其数据离散程度较高, 说明在该地区在天然气水合物勘探活动影响前, 地表存在地下天然气微渗漏导致的烃类异常, 这种异常是长期微渗漏形成的, 而早期勘探活动依然影响了该区碳循环系统的平衡, 导致该区普遍受到烃类气体与地表介质的交换作用影响, 另一方面, 随着大规模勘探的进行, 地表烃类气体逸散再次发生改变。

表1 木里地区浅表层土壤地球化学指标特征值
3.2 地表地球化学指标分布特征

为了消除不同批次试验检测偏差影响, 根据每一批次监控样品及标准样品标定值, 对测试数据进行归一化处理, 采用地球化学评价方法制作平面分布图, 如图3。根据水合物试验井分布情况及所在位置, 将研究区划分为Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 3个子区。Ⅰ 号区域位于研究区西北部, 地貌上以西南侧最高, 向东北海拔变低, 该区域为钻井较为集中区, 主要钻井包括2008~2009年中国地质调查局所部属的DK-1~DK-4井, 4口钻井位置较为接近, 其中前3口井均发现天然气水合物实物样品, DK-4井发现与天然气水合物相关的异常标志[21]。Ⅱ 号区域位于研究区中部, 地貌上呈南高北低, 主要钻井为2010年8月部署的DK-6井, 未钻遇与天然气水合物相关地层。Ⅲ 号地区位于研究区东南部, 尚未部署钻井。

图3 研究区2009~2013年地表甲烷含量对比

从酸解烃分布图中可以看出, 2009年, 酸解烃高值区集中在Ⅰ 号区域和Ⅲ 号区域东侧, 异常集中在地貌较高地区, 为该区原有地球化学异常; 随着水合物勘探的进行, Ⅰ 号区域地下碳源结构受到人为改变, 引起Ⅰ 号区域烃类气体沿西南侧较高地势区分布, 高值区发生东向偏移。而在Ⅲ 号区域, 类似的异常迁移为西北向。在Ⅱ 号区域, 2011年虽未出现异常高值区, 却可以观察到酸解烃含量增加, 呈现出不明显的东北向异常迁移。至2013年, 随着神华集团10~18井和5~22井的部署, 原来位于Ⅰ 号区域和Ⅲ 号区域的两个异常区都发生分化, 形成围绕新布置钻井的小范围异常高值区。因此, 我们假定酸解烃异常会向钻井方向移动, 重新观察2009~2011年Ⅰ 号区域异常分布对比, 则可以推测出同时可以发现, 这种迁移不仅发生在Ⅰ 号区域, 在Ⅱ 号、Ⅲ 号区域, 高值区也发生迁移; 而随着勘探开发活动的进行, 在水合物试验井集中区, 酸解烃整体含量继续增加, 高值区面积增加, 形成围绕试验井的高值集中分布。在2013年神华集团10~13井部署后, 异常的东向偏移是由于DK-9井造成的; 而在Ⅱ 号区域, 异常向DK-6井迁移的趋势也可以识别出来, 但由于DK-6井未钻遇天然气水合物, 所以这种迁移较弱。而2013年部署的DK-10井, 由于其他原因, 只钻进了50 m, 因此未发现异常迁移。参考已钻遇天然气水合物实物样品井深都在100 m以上, 我们认为这种异常迁移是钻遇天然气水合物层造成的。

这种异常分散趋势在顶空气含量图上也有发生, 2009年顶空气甲烷含量图中, 勘探前高值区同样分布在Ⅰ 号区域和Ⅲ 号区域东侧, 至2011年, 两个异常区都有向中部迁移的趋势出现, 但随着钻探活动的进行, 2011年Ⅰ 号区域钻井区顶空气异常有降低趋势出现, Ⅲ 号区域同样如此, 这可能是由于物理吸附烃结合不稳, 释放所需能量较小, 受外界影响发生烃类逸散造成的。2013年, 由于多口钻井(包括DK-9井, 神华集团多口钻井)的部署, 发生天然气水合物中烃类气体的向上逸散, 出现一段时间内的顶空气异常高值。

对3年数据分区进行统计分析, 分别计算其最大值、最小值、上下四分位数和中位数, 可以更直观的显示数据分布情况(图4)。结果显示, 顶空气甲烷数据在3个子区都以明显上升趋势出现, 又以2013年数据上升趋势最为明显, 也证实了这种异常可能是短时间内大量钻井的进行, 导致地下烃类气体的向上渗漏造成的。

图4 研究区顶空气甲烷、酸解烃甲烷子区变化

而在酸解烃数据中, Ⅰ 区数值较高, 分布范围较大, 但未发现随时间变化的明显规律性, 这说明随钻井的进行, 地下烃类气体发生的逸散量是有限的, 只发生了异常迁移。Ⅱ 号Ⅲ 号区域同样如此, 甚至出现了2013年数值轻微降低的现象。

综合上述异常分布变化与测试数值统计信息, 我们可以得出钻井虽会导致酸解烃异常的出现, 但是这种异常是烃类迁移造成的, 而不是由地下气体向上逸散形成的, 只是钻井造成的烃类渗漏通道取代了原有的烃类微渗漏通道。对于顶空气方法, 可以看出其指标有效期较短, 应用顶空气方法进行烃类气体排放检测应选择较小时间尺度连续进行。

4 结论

通过在青藏高原天然气水合物勘探集的地表吸附烃含量研究, 发现常规油气地球化学调查方法可以应用于湿地碳循环系统环境监测; 两年间隔的3次地球化学调查发现, 水合物勘探活动对整个研究区地表吸附烃含量都有影响, 范围较大, 但对其碳循环系统整体吸附能力影响并不显著, 仅在水合物试验井附近出现部分高值, 且以物理吸附烃为主, 化学吸附烃次之。已有研究显示, 相对于其他类型湿地, 农耕活动和地下水位变化对其碳循环系统的影响更大[22]。因此, 局部区域的水合物资源勘探活动, 在做好环境监测工作的基础上, 对湿地碳循环系统的影响是在可控范围内的。

然而, 目前在全球范围内, 对湿地生态系统碳循环的认识仍存在局限性, 这是导致碳循环成为全球变暖互馈机制中不确定性的主要原因之一[23]。利用地球化学调查方法获取高质量地表吸附烃的数据将为各种湿地碳循环系统模型的建立提供有力支撑, 促进管理生态系统的科学量化, 提高湿地碳收支评估的科学性, 为应对全球气候变化提供决策支持。

(本文编辑:王萌)

The authors have declared that no competing interests exist.

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