引用本文
孙忠军, 王惠艳, 张舜尧, 周亚龙, 张富贵, 杨志斌. 祁连山哈拉湖坳陷天然气水合物地球化学勘查[J]. 物探与化探, 2017,41(6): 1152-1159.
SUN Zhong-Jun, WANG Hui-Yan, ZHANG Shun-Yao, ZHOU Ya-Long, ZHANG Fu-Gui, YANG Zhi-Bin. Geochemical exploration of natural gas hydrate in Halahu Depression of Qilian Mountain[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(6): 1152-1159.
Doi:10.11720/wtyht.2017.6.22  
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祁连山哈拉湖坳陷天然气水合物地球化学勘查
孙忠军1,2,3, 王惠艳1,2,3, 张舜尧1,2,3, 周亚龙1,2,3, 张富贵1,2,3, 杨志斌1,2,3
1.国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 065000
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: 孙忠军(1961-),男,研究员,地球化学专业,主要从事油气和天然气水合物研究与勘查。Email:sunzhongjun@igge.cn

收稿日期: 2017-09-08
基金: 国土资源部公益性行业科研专项项目(201111019); 国家127专项项目(GZHL20110324,GZH201400302)
摘要

自祁连山冻土区木里坳陷发现天然气水合物以来,南祁连盆地开始成为中纬度冻土区天然气水合物调查的重点地区。2014年在哈拉湖坳陷开展了1:10万地球化学调查,目的是为天然气水合物远景预测提供地球化学依据。调查面积3 000 km2,采样密度1点/2 km2,分析了天然气水合物和油气化探指标。在哈拉湖坳陷圈出了与三露天水合物矿藏类似的地球化学综合异常,面积大于30 km2,异常组合为酸解烃甲烷、酸解烃干燥系数、丁烷异构比、顶空气甲烷和荧光F320,这些指标存在组分分带现象。进一步研究表明,烃类气体主要来源于深部的凝析油伴生气和煤型气,异常区发育有利于天然气水合物形成的冻土厚度。调查结果表明,地球化学技术适用于中纬度冻土区天然气水合物勘查,能够圈出天然气水合物远景区。

关键词: 天然气水合物勘查; 地球化学; 水合物远景; 哈拉湖坳陷; 冻土区
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1152-08
Geochemical exploration of natural gas hydrate in Halahu Depression of Qilian Mountain
SUN Zhong-Jun1,2,3, WANG Hui-Yan1,2,3, ZHANG Shun-Yao1,2,3, ZHOU Ya-Long1,2,3, ZHANG Fu-Gui1,2,3, YANG Zhi-Bin1,2,3
1.State Research Center of Modern Geological Exploration Engineering Technology,Langfang 065000,China
2.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China
3.Key Laboratory of Geochemical Cycling of Carbon and Mercury in the Earth's Critical Zone,Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China;
Abstract

South Qilian basin has become the key area of natural gas hydrate survey in the mid-latitude permafrost since natural gas hydrate was discovered in Halahu Depression. The 1:100 000 geochemical survey was carried out to provide evidence for prospective prognosis of natural gas hydrate in Halahu Depression in 2014. Natural gas hydrate and oil-gas geochemical indexes were analyzed in 3000 km2 survey area, with the sampling density being 1 sampling site per 2 km2. Geochemical anomalies (>30km2) similar to Sanlutian hydrate despoit were delineated, where the abnormal combination of acidolysis methane, acidolysis aridity coefficient, butane isomerization rate, headspace methane and fluorescence 320 exhibited compositional zoning. Further studies show that condensate and coal-type gas were the main source of hydrocarbon gas, and the development of abnormal area was beneficial to the formation of the depth of natural gas hydrate. The results of the survey show that the geochemical technique is suitable for the exploration of natural gas hydrate in the mid-latitude permafrost, and could delineate the prospective area of natural gas hydrate.

Keyword: Halahu depression; permafrost; exploration for natural gas hydrate; geochemistry; prognosis of natural gas hydrate
0 引言

自2008年祁连山三露天地区发现天然气水合物以来[1, 2], 该区已成为中纬度冻土区天然气水合物地质、物化探和钻采的热点地区。目前已进行了26口井的天然气水合物钻探, 其中11口井(DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8、DK-9、DK-12、DK13-11、DK12-13、DK11-14、DK8-19)钻到天然气水合物实物样品。研究表明, 地球化学方法寻找冻土区天然气水合物具有较高的预测成功率[3, 4], 不仅可以进行远景区预测[3, 5, 6, 7, 8, 9, 10], 而且可以判断天然气水合物成因[4, 11], 甚至结合冻土条件有可能区分天然气水合物和浅层天然气异常[12], 进而进行天然气水合物靶区预测。

南祁连盆地是一个潜在的含油气盆地, 分为疏勒、木里、哈拉湖、下日哈和天峻5个次级坳陷, 具有类似的地质演化历史和天然气水合物成藏背景。2014年物化探研究所在哈拉湖坳陷开展了1:10万地球化学调查, 主要目的是圈出天然气水合物地球化学异常, 为天然气水合物钻探提供地球化学依据。调查表明, 哈拉湖坳陷存在天然气水合物潜在远景。

1 地质概况

调查区位于南祁连盆地的哈拉湖坳陷, 海拔高度在4 160~4 600 m之间。研究表明, 木里坳陷、哈拉湖坳陷、疏勒坳陷和下日哈坳陷尕勒得寺组Ro值分布范围为1.21%~1.5%, 平均值为1.37%。哈拉湖坳陷尕勒得寺组烃源岩Tmax值分布范围448~471 ℃, 均值457 ℃, 已经进入高成熟热演化阶段[13, 14]。据推测, 哈拉湖坳陷新近系和第四系地层较发育, 如果其中的有机质在微生物的作用下产生一定量的烃类气体, 很容易与冻土形成的时间产生耦合作用形成天然气水合物矿藏。

哈拉湖地区的断层构造及地层展布主要为NW— SE走向, 哈拉湖南部断层构造发育, 倾向向南。哈拉湖北部的疏勒南山断裂总体走向为NW, 倾向NE, 倾角约60° , 该断裂为左旋走滑兼逆冲性质。疏勒南山断裂为哈拉湖凹陷的区域性断裂, 控制了哈拉湖坳陷的形成和沉积物的充填。

测区具有高寒缺氧、空气干燥、少雨多风、年内四季不分、昼夜温差大的特点。年平均气温2.4~4.1 ℃, 年最高气温25~26 ℃, 最低气温-35 ℃, 最冷的月份在1月, 平均低温为-16.8 ℃, 平均高温为-3.7 ℃。测区湖成地貌以哈拉湖为中心形成湖积平原和湖积冲积平原。流水地貌广泛分布于山前地带, 其中冲积湖积和湖积平原位于河流入湖区。冲积平原呈带状分布于山间盆地或山前地带。冲洪积平原和洪积平原都位于山麓地带。南祁连盆地属于高海拔盆地, 最低海拔4 078 m, 最高海拔是哈拉湖北侧的团结峰5 826 m, 多数地区海拔大于4 500 m。土壤类型以黑钙土和寒毡土为主。

中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(简称“ 物化探所” )音频大地电磁测深调查表明, 哈拉湖测区永冻土层发育, 但各地发育程度不均, 平均厚度超过40 m, 局部最大厚度超过120 m[15]。冻土分布总体特征是测区南部和北部山前凹陷冻土厚、中部隆起冻土相对薄, 测区东部薄、西部厚。总之哈拉湖地区具有形成天然气水合物的有利冻土条件。

2 样品与分析
2.1 样品采集

测区位于哈拉湖坳陷中西部, 地球化学调查面积3 000 km2, 采样密度1点/2 km2, 采集样品数1 503件。分析指标为:土壤酸解烃、顶空间轻烃、土壤荧光光谱、土壤碳酸盐、甲烷碳同位素和微量元素。

土壤样品采集深度约40~60 cm, 样品重量大于1 kg, 野外样品过20目筛, 弃去粗颗粒。顶空气样品与土壤样品同点位同深度, 野外用装有盐水的顶空气瓶采集, 将土壤样品装入200 ml饱和盐水的盐水瓶中, 使饱和盐水的液面升至400 ml刻度, 装完样品的瓶子拧紧螺丝和瓶盖, 在室内倒置摆放。

2.2 样品测试

取-40目的样品50 g, 在真空和恒温条件下进行酸解脱气, 用气相色谱检测浅层土壤中的(C1~C5)轻烃组分。

顶空气样品放置一定时间, 待气液两相平衡后, 抽出顶空气瓶顶部气体, 用气相色谱仪分析轻烃组分含量。

取20 g粒径为-80目的样品用正己烷进行萃取, 利用荧光分光光度计, 选择合适的固定激发波长, 检测其萃取液中可以反映油气信息的芳烃及其衍生物荧光光谱特征及其特征峰强度。本方法主要检测指标为320、360和405 nm3波长处的芳烃组分。

取-100目样品5 g, 用磷酸分解, 产生的CO2用乙醇— 二乙烯三胺吸收, 百里酚酞为指示剂, 用乙醇— 氢氧化钾标准溶液滴定, 测定土壤中碳酸盐含量。

取-40目样品50 g进行脱气(方法同酸解烃分析), 将气体用气相色谱仪分离, 通过CuO氧化成CO2, 将CO2收集密封保存, 用质谱仪分析甲烷稳定碳同位素。

3 天然气水合物地球化学异常

Ⅰ 号异常位于哈拉湖西15 km处, 与祁连山三露天天然气水合物异常类似, 都有很好的土壤甲烷异常, 而且甲烷异常形状类似, 均是团块状(图1)。Ⅰ 号甲烷异常面积36 km2, 是木里三露天水合物矿藏异常的15倍, 甲烷异常均值714.3 μ L/kg, 是木里水合物矿藏的14倍。显而易见, Ⅰ 号甲烷异常强度和面积远远大于三露天已知水合物矿藏(表1)。

干燥系数在油气藏上方一般指示气顶, 由于油气运移的烃类只有按照水合物分子中甲烷和重烃的比例进行分异作用才能形成水合物, 所以干燥系数也可以指示水合物矿藏[3]。三露天水合物矿藏在钻孔中和土壤中均存在干燥系数的异常。Ⅰ 号干燥系数异常面积32.9 km2, 异常平均值26.0 μ L/kg(表1, 图2)。干燥系数异常与土壤酸解烃甲烷异常吻合程度很高, 反映了二者具有相似的地球化学成因。

在三露天水合物矿藏钻孔中, 戊烷异构比指示了水合物形成的温压区间, 水合物稳定带内为负异常, 稳定带上部和下部均为正异常, 而土壤中呈现团块状正异常。Ⅰ 号异常戊烷异构比异常均值2.14, 异常面积19.6 km2(表1, 图3)。戊烷异构比异常的出现指示运移的烃类气体发生过地球化学分异作用, 可能反映水合物形成过程烃类异构比的重新分配。

图1 哈拉湖凹陷土壤甲烷地球化学图

表1 哈拉湖坳陷水合物地球化学异常特征值

图2 哈拉湖坳陷土壤干燥系数地球化学图

图3 哈拉湖坳陷戊烷异构比地球化学图

图4 哈拉湖坳陷顶空气甲烷地球化学图

图5 哈拉湖坳陷荧光F320地球化学图

研究表明, 水合物矿藏钻孔中和近地表土壤中均存在顶空气甲烷的异常[3-4; 15]三露天水合物矿藏发育顶空气甲烷的异常, 异常面积2.3 km2。哈拉湖坳陷Ⅰ 号异常顶空气甲烷面积41.34 km2(图4), 是木里已知水合物异常的十几倍。由于木里水合物矿藏位于沼泽区, 受到微生物甲烷的影响, 顶空气甲烷异常强度大于Ⅰ 号异常。

与其他指标不同, 荧光光谱F320异常展布方向为NNE向, 受到该方向断层的控制, 而且异常偏西, 发育三级异常, 一级异常面积107 km2, 平均值为10.36, 二级异常面积78 km2, 平均值为11.08, 异常浓集中心明显, 强度较高, 三级异常面积为38.34 km2, 异常最大值为19.46。

4 岩性异常

测区圈出的地球化学异常有两种类型, 据研究Ⅰ 号异常可能是天然气水合物异常, Ⅱ 号异常可能是岩性异常。Ⅱ 号异常主要有以下特征:① 异常呈NWW向展布, 主要与出露的早二叠世勒门沟— 草

地沟并组(Pl-c)和晚二叠世哈吉尔— 忠什公并组的生物灰岩和页岩有关; ② Ⅱ 号异常甲烷异常较弱(图1), 但是重烃异常很强(图6), Ⅱ 号异常重烃异常面积133.7 km2, 异常浓积程度很高; ③ 出现iC5/nC5的异常, 异常面积80.8 km2(图3), 小于酸解烃甲烷和重烃异常的面积; ④ Ⅱ 号异常没有干燥系数的异常, 而且干燥系数呈现负异常特征(图2); ⑤ 没有顶空气甲烷的地球化学异常(图4)。

Ⅱ 号异常位于基岩出露区, 出露的基岩主要是早二叠世、晚二叠世和古近纪地层, 其中早二叠世地层是勒门沟— 草地沟并组(Pl-c), 是一套碎屑岩、生物灰岩和页岩, 晚二叠世哈吉尔— 忠什公并组是一套碎屑岩、页岩和灰岩。大家知道, 页岩和灰岩酸解烃含量较其他岩石含量高很多, 而且, Ⅱ 号异常主要是酸解烃异常, 没有顶空气和荧光异常, 推测Ⅱ 号异常为地层引起的岩性异常。

图6 哈拉湖坳陷土壤酸解烃重烃( C2+)地球化学图

5 讨论
5.1 天然气水合物异常指标组合

图7是Ⅰ 号异常解剖图, 从图中可以看出, Ⅰ 号异常主要指标组合:酸解烃甲烷、酸解烃干燥系数、丁烷异构比、顶空气甲烷和荧光F320, 这些指标组合也出现在三露天天然气水合物矿藏上方。这些指标存在空间分带特征:中心以酸解烃甲烷、干燥系数和丁烷异构比 , 向东为顶空气甲烷, 再向东北是F320。酸解烃主要是化学吸附烃, 顶空气主要是物理吸附烃, 荧光光谱是液态芳烃, 相态不同, 活动性也不同, 推测这个异常可能是深部烃类物质沿着断裂通道运移上来的, 组分按照相态和活动性出现了上述组合特征。

图7 哈拉湖坳陷水合物地球化学异常剖析

5.2 天然气水合物异常成因特征

根据形成作用的不同, 冻土区天然气水合物成因类型可分为3大类:热降解成因, 如麦索亚哈、阿拉斯加和马更些三角洲[16]、微生物成因和混合成因, 少数地区的水合物中烃类气体同时包括上述的两种成因, 如西西伯利亚的亚姆堡(Yamburg)水合物矿藏[17]。

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δ 13C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。因此, 应用水合物气体的C1/(C2+C3)值以及甲烷的碳同位素组成δ 13C可以有效的区分其成因。以往的研究表明, 若甲烷碳同位素δ 13C小于-60‰ , R值[C1/(C2+C3)]大于1 000, 应为生物气; 若甲烷碳同位素δ 13C大于-50‰ , R值小于100, 则为热解气, 介于两者之间为混合气[16, 18]。

图8是哈拉湖坳陷土壤样品C1/(C2+C3)-δ 13C1图, 图中的样品采集于地球化学异常区。从图中可以看出, 地表地球化学异常的烃类气体主要来源于深部的凝析油伴生气和煤型气, 三露天水合物物质来源主要是原油伴生气和煤型气, 二者有一些差异。这说明哈拉湖油气演化程度稍高于木里坳陷。

图8 哈拉湖坳水合物异常土壤C1/(C2+C3)-δ 13C1图(据戴金星1992图版简化)[19]Ⅰ 1— 生物气; Ⅰ 2— 生物气和亚生物气; Ⅰ 3— 亚生物气; Ⅱ 1— 原油伴生气; Ⅱ 2— 油型裂解气; Ⅲ 1— 油型裂解气和煤成气; Ⅲ 2— 凝析油伴生气和煤型气; Ⅳ — 煤成气; Ⅴ 1— 无机气; Ⅴ 2— 无机气和煤成气

5.3 水合物异常的冻土特征

据项目物探AMT成果, Ⅰ 号异常所在的地区冻土厚度为80~170 m。祁连山三露天天然气水合物矿藏的冻土厚度大于70 m。因此异常区发育形成天然气水合物的冻土条件。

5.4 水合物异常的地质背景

Ⅰ 号异常位于哈拉湖的西侧, 东西向断层的南侧, 区内出露地层有白杨河组(E3N1b1)、切尔玛沟组(T2q)和下石炭统臭牛沟组(C1ĉ )。2014年胡道功研究员的调查成果表明, 沿哈拉湖北疏勒南山南坡分布的臭牛沟组有效碳酸盐岩厚度44~75 m, 灰岩残余总有机碳平均值0.38%, 生烃潜量平均值 0.02 mg/g, 最高热解峰温平均462 ℃, 为成熟中等烃源岩。哈拉湖西北沿疏勒南山南坡分布的臭牛沟组灰岩残余总有机碳平均0.1%, 生烃潜量平均值 0.02 mg/g, 最高热解峰温平均480 ℃, 属高成熟烃源岩。说明该区有形成天然气水合物的地质条件。

6 结论

1) 祁连山木里和哈拉湖天然气水合物研究和调查表明, 地球化学技术适用于中纬度冻土区天然气水合物调查, 可以提供天然气水合物远景区和靶区, 为地震和钻探的部署提供依据。

2) 哈拉湖坳陷圈出了面积大于30 km2的天然气水合物地球化学异常, 化探指标组合为酸解烃甲烷、酸解烃干燥系数、丁烷异构比、顶空气甲烷和荧光F320, 这些指标组合也出现在祁连山三露天天然气水合物矿藏上方。

3) 水合物地球化学异常存在空间分带:中心是酸解烃甲烷、干燥系数和丁烷异构比, 向东为顶空气甲烷, 再向东北是F320。引起异常组分分带的主要原因是地球化学指标的地球化学活动性和断裂构造。

4) 哈拉湖地区除了发现天然气水合物异常外, 还圈出了岩性异常。岩性异常组合主要以酸解烃重烃和酸解烃甲烷为主, 没有顶空气异常, 岩性异常主要由出漏地表的早、晚二叠世页岩和灰岩引起。

(本文编辑:王萌)

The authors have declared that no competing interests exist.

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