引用本文
杨志斌, 张富贵, 王慧艳. 极地冻土区浅表土壤烃类组成特征及指示意义[J]. 物探与化探, 2017,41(6): 1190-1194.
YANG Zhi-Bin, ZHANG Fu-Gui, WANG Hui-Yan. Characteristics and indicative significance of hydrocarbon composition in shallow soil of polar permafrost region[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(6): 1190-1194.
Doi:10.11720/wtyht.2017.6.27  
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极地冻土区浅表土壤烃类组成特征及指示意义
杨志斌1,2,3, 张富贵1,2,3, 王慧艳1,2,3
1.国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 0650002
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.中国地质科学院 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: 杨志斌(1984-),男,硕士,高级工程师,地球化学专业,主要从事天然气水合物勘查方法技术研究。Email:yangzhibin@igge.cn

收稿日期: 2017-09-08
基金: 国家127专项“天然气水合物资源勘查与试采工程”项目(GZHL20110318); 中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(AS2016Y01、AS2015J02)
摘要

漠河盆地是我国主要极地冻土分布区,通过在漠河盆地西北部冻土区进行地球化学方法试验,浅表土壤中检出酸解烃和吸附烃两种烃类气体,其中吸附烃含量较高,甲烷平均值为12.48μL/L,最高值达49.93μL/L,酸解烃相对偏低。烃类三维荧光光谱显示凝析油特性,为热解成因气,表明深源气体不断迁移到地表表现出地球化学微观信息,结合该地区冻土、温压等条件,指示冻土区深部具有油性气和天然气水合物的存在。

关键词: 酸解烃; 顶空气; 油气资源; 极地冻土区
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1190-05
Characteristics and indicative significance of hydrocarbon composition in shallow soil of polar permafrost region
YANG Zhi-Bin1,2,3, ZHANG Fu-Gui1,2,3, WANG Hui-Yan1,2,3
1.The National Center for Geological Exploration Technology,Langfang 065000,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,CAGS,Langfang 065000,China;
Abstract

Mohe basin is the main permafrost distribution area in China. The performance of experimental geochemical prospecting methods in the northwestern permafrost area of Mohe basin detected acidolysis hydrocarbon and adsorbed hydrocarbon in shallow soil, and the adsorbed hydrocarbon has relatively high value, with the average methane value being 12.48μL/L and the maximum value being 49.93μL/L,whereas acidolysis hydrocarbon has relatively low content. The results of three-dimensional fluorescence spectra show that hydrocarbon gas exhibits characteristics of condensate oil, which is pyrolysis gas, indicating that the deep source gas migrates to the surface and manifests microscopic geochemical information. Combined with the permafrost, temperature and pressure conditions, it is shown that the deep permafrost area probably has oil gas and natural gas hydrate.

Keyword: acidolysis hydrocarbon; headspace gas; petroleum resources; permafrost
0 前言

漠河盆地地处我国大兴安岭北端, 常年气温低, 不仅是我国最为寒冷的地区, 也是我国极地冻土的主要分布区[1]。漠河地区发育有多年冻土, 一般厚20~80 m, 地表温度-0.5~-3.0 ℃, 地温梯度1.6 ℃/100 m, 具有与已经发现天然气水合物并进行开采或试开采的Messoyakha、阿拉斯加北部的Prudhoe湾和加拿大的Beaufort-Mackenzie盆地同属高纬度冻土, 具有形成天然水合物良好条件[2, 3, 4, 5, 6]。本次尝试性的在我国极地冻土区进行地球化学试验, 研究浅表沉积物中烃类组成和成因特征, 试图对极地油气资源的勘探研究提供地球化学资料。

1 试验区地质背景

试验区位于黑龙江省西北部的漠河盆地北极村附近, 属于森林沼泽景观, 极地冻土区, 在大地构造上处于亚布洛诺夫— 鄂霍茨克褶皱弧与大兴安岭褶皱带交汇处(图1), 为一中生代构造残留盆地[7, 8, 9, 10]。漠河盆地生油气层、储层、盖层均较发育, 具有油气勘探潜力。二十二站组与额木尔河组构成生储盖组合, 绣峰组、二十二站组、额木尔河组和开库康组均有湖泊相和前三角洲亚相暗色泥岩发育。由于前三角洲和湖泊相暗色泥岩在特定的温压条件下均可成为生油气层, 因此漠河盆地烃源岩较为丰富, 二十二站组和额木尔河组为烃源岩主要发育层位。绣峰组和开库康组冲积扇、扇三角洲粗碎屑岩发育丰富, 二十二站组和额木尔河组发育辫状河三角洲平原、前缘的粗碎屑岩, 而冲积扇、扇三角洲和辫状河三角洲成因的粗碎屑岩均是良好的储层。二十二站组和额木尔河组发育的泥岩和上侏罗统塔木兰沟组、上库力组的致密火山岩可构成良好的盖层[11, 12, 13, 14]。

图1 漠河试验区大地构造概况(改编自文献[14])

2 采样及分析方法

分析酸解烃和荧光光谱的土壤样品采自永久冻土层以上、有机质层以下; 顶空气样品采集位置深度及介质同土壤, 野外样品采集过程中弃去碎石、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, 装完样品的瓶子拧紧瓶盖, 在室内倒置摆放。试验区共采集307件土壤和顶空气样品(图2), 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, 分析检出限和分析质量均符合研究要求。

图2 试验区采样点位

3 结果及讨论
3.1 浅表土壤烃类组成特征

试验区采集的土壤样品均检测到酸解烃、吸附烃(表1), 酸解烃检测出甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷(丁烷和戊烷检出率较低), 酸解烃甲烷平均值 3.58 μ L/kg, 最高值7.26 μ L/kg。顶空间轻烃检测出C1~C5, 组分齐全, 并且检出含量相对较高, 顶空气甲烷平均值为12.48 μ L/L, 最高值49.93 μ L/L, 具有C1> C2> C3> C4> C5的含量特征。指示含有二环(F320)、三环(F360、F405)芳烃组分的荧光光谱指标也均有检出。

表1 试验区地球化学指标含量特征

各指标含量特征显示, 顶空气变异系数高, 衬值较大, 指示深源气体迁移到地表后表现出地球化学微观信息, 荧光光谱检出显示出油性气烃类气源迁移富集痕迹, 而酸解烃含量明显较我国其他地区相对偏低, 表明该地区深部存在油气的运移或聚集, 可能由于受极地冻土层阻碍, 烃类气体的迁移只能通过断裂等构造裂隙, 在地表局部地区形成游离烃和荧光光谱异常, 而未能如其它地区一样在地表土壤中形成酸解烃高背景值。

3.2 相关性统计分析

对漠河盆地试验区307件样品分析的烃类相关组分变量进行相关分析得到相关矩阵(表2), 按99%的相关显著水平, n=307, r0.01=0.148, 即相关系数大于0.148的两个变量之间具有相关关系。从表中可以看出顶空轻烃之间具有显著相关, 相关系数大于0.22; 荧光光谱之间具有显著相关性。顶空轻烃与荧光光谱具有相关关系, 相关系数为0.23~0.60, 相关性较明显, 揭示了土壤中顶空轻烃(吸附烃)与芳烃组分之间的具有相同成因的关系。

表2 试验区浅表土壤地球化学指标相关矩阵(n=307, r0.01=0.148)
3.3 烃类组分指示意义

3.3.1 反映深部油气藏

图3和表3为试验区异常点土壤样品的三维荧光参数及图谱, 三维荧光图谱的特征参数包括峰位置、峰强度(F)、主峰陡度(K)和特征波长对之间强度比值(R)等。在三维全扫描荧光光谱图中, 激发波长/发射波长等于265/322附近为单环及其同系物的荧光光谱峰(T3), 230/342及275/344附近为二环及其同系物的荧光光谱(T1), (252~272)/(350~424)附近为三环及其同系物荧光光谱峰(T2)。试验区监测点三维荧光光谱发育3个峰(T1、T2、T3), T1峰是油气的共性峰, 代表单环芳烃及其同系物, T2峰代表三环芳烃及其同系物, T3峰代表二环及其同系物, R值均大于6, k值大于0.70, 是典型的凝析油的特征峰, 表明土壤中烃类主要来源为深部热解成因气, 邓坚等研究表明MK-1水合物试验井中物理吸附气也显示为热解成因气[15], 表明该地区具有油气潜力。

图3 试验区土壤三维荧光图谱

表3 试验区土壤三维荧光数值

3.3.2 指示天然气水合物赋存

祁连山已发现天然气水合物的木里地区浅表土壤中酸解烃、荧光光谱、微量元素和顶空气等地球化学指标均有不同程度的异常特征, 尤其顶空气含量变化幅度大, 受深部天然气水合物影响大。试验区浅表土壤中吸附烃组成特征与我国祁连山发现水合物地区有很多相似性[16]。

浅表土壤烃类地球化学异常图显示(图4~图6), 土壤中顶空气烃类气体和蚀变碳酸盐局部富集, 形成明显的带状和块状地球化学异常, 顶空气烃类组分具有相似的分布特征, 具有相同的成因特征, 而和酸解烃偏低(图7), 表明极地冻土层形成屏障将烃类气体封存于地下, 在温压条件适宜的层位形成天然气水合物。

图4 试验区顶空甲烷地球化学图

图5 试验区顶空丙烷地球化学图

图6 试验区土壤蚀变碳酸盐地球化学图

图7 试验区土壤酸解烃甲烷地球化学图

4 结论

极地冻土区(漠河盆地)浅表物理吸附烃高值、三维荧光图谱显示凝析油特征, 与试验井物理吸附气也显示为热解成因气, 均表明该地区具有油气潜力。

漠河盆地西部。浅表具有明显的物理吸附气地球化学异常, 酸解烃含量偏低, 表明受极地冻土层形成屏障将烃类气体封存于地下, 充足的气源、发育的多年连续冻土和区域低温条件, 利于天然气水合物的形成。

地球化学特征指示漠河盆地深部具有油性气和天然气水合物的赋存, 对进一步在极地冻土区进行烃类地球化学迁移规律研究及油气资源勘探提供基础性数据和理论支撑。

(本文编辑:王萌)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 周幼吾, 郭东信, 邱国庆, 等. 中国冻土[M]. 北京: 科学出版社, 2000: 1-450. [本文引用:1]
[2] 苗忠英, 赵省民, 邓坚, 等. 浅变质烃源岩生物标志物地球化学——以漠河盆地漠河组为例[J]. 地质学报, 2014, 88(1): 135-143. [本文引用:1]
[3] 赵省民, 邓坚, 李绵平, 等. 漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究[J]. 地质学报, 2011, 85(9): 1536-1550. [本文引用:1]
[4] 赵省民, 邓坚, 饶竹, 等. 漠河盆地多年冻土带生物气的发现及对陆域天然气水合物勘查的重要意义[J]. 石油学报, 2015, 36(8): 954-965. [本文引用:1]
[5] 吴青柏, 程国栋. 多年冻土区天然气水合物研究综述[J]. 地球科学进展, 2008, 23(2): 111-119. [本文引用:1]
[6] 邓磊, 文志刚, 唐婧. 漠河盆地中侏罗统天然气水合物储层特征及评价[J]. 西安石油大学学报: 自然科学版, 2015, 30(2): 8-17. [本文引用:1]
[7] 杨建国, 吴河勇, 刘俊来. 大庆探区外围盆地中、新生代地层对比及四大勘探层系[J]. 地质通报, 2006, 25(9-10): 1184-1189. [本文引用:1]
[8] 吴河勇, 王世辉, 杨建国, 等. 大庆外围盆地勘探潜力[J]. 中国石油勘探, 2004(4): 23-31. [本文引用:1]
[9] 吴河勇, 辛仁臣, 杨建国. 漠河盆地中侏罗统沉积演化及含油气远景[J]. 石油实验地质, 2003, 25(2): 116-121. [本文引用:1]
[10] 吴根耀, 冯志强, 杨建国, 等. 中国东北漠河盆地的构造背景和地质演化[J]. 石油与天然气地质, 2006, 27(4): 528-535. [本文引用:1]
[11] 侯伟, 刘招君, 何玉平, 等. 漠河盆地上侏罗统沉积特征与构造背景[J]. 吉林大学学报: 地球科学版, 2010, 40(2): 285-297. [本文引用:1]
[12] 邓磊, 文志刚, 刘蕴, 等. 漠河盆地漠河组天然气水合物潜在气源岩评价[J]. 特种油气藏, 2015, 22(5): 33-37. [本文引用:1]
[13] 吴河勇, 杨建国, 黄清华, 等. 漠河盆地中生代地层层序及时代[J]. 地层学杂志, 2003, 27(3): 193-198. [本文引用:1]
[14] 张顺, 林春明, 吴朝, 等. 黑龙江漠河盆地构造特征与成盆演化[J]. 高校地质学报, 2003, 9(3): 411-418. [本文引用:1]
[15] 邓坚, 赵省民, 陆程, 等. 东北漠河盆地天然气水合物勘查研究现状及存在的相关问题[J]. 矿床地质, 2012, 31(S): 421-422. [本文引用:1]
[16] 杨志斌, 孙忠军, 李广之, 等. 青海省木里天然气水合物发现区浅表地球化学特征[J]. 地质通报, 2011, 30(12): 1883-1890. [本文引用:1]