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物探与化探, 2022, 46(3): 628-636 doi: 10.11720/wtyht.2022.1244

地质调查·资源勘查

中国陆域冻土区浅表烃类地球化学特征及其成因分析

杨志斌,1,2,3, 周亚龙1, 张富贵1, 张舜尧1, 孙忠军1

1.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

2.国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 065000

3.西藏自治区地质调查院,西藏 拉萨 850000

Geochemical characteristics and genesis of hydrocarbons in superficial soil in continental permafrost regions in China

YANG Zhi-Bin,1,2,3, ZHOU Ya-Long1, ZHANG Fu-Gui1, ZHANG Shun-Yao1, SUN Zhong-Jun1

1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, China

2. State Research Center of Modern Geological Exploration Engineering Technology, Langfang 065000, China

3. Tibet Institute of Geological Survey, Lhasa 850000, China

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2021-04-30   修回日期: 2021-07-22  

基金资助: 中国地质调查局国家海洋地质专项项目“青南藏北冻土区天然气水合物资源勘查(物化探所)”(GZHL20140301)
中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中央财政科研项目结余资金项目(JY201705)

Received: 2021-04-30   Revised: 2021-07-22  

作者简介 About authors

杨志斌(1984-),男,硕士,高级工程师,主要从事能源与环境地球化学相关研究工作。Email: yzhibin@mail.cgs.gov.cn

摘要

基于中国羌塘盆地、祁连山、漠河盆地冻土区浅表土壤样品资料,进行了烃类气体组分地球化学特征、成因及性质分析。结果表明,冻土区浅表烃类气体主要成分为甲烷,还含有少量乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和戊烷。羌塘盆地和漠河盆地烃类气体主要为热解成因,气体类型为油型气及其与煤层气的混合气;祁连山冻土区浅表土壤中烃类气体具有热解成因和生物成因,气体类型包括油型气、煤层气和生物气。烃类地球化学调查为我国陆域冻土区水合物等油气资源勘查提供了依据。

关键词： 陆域冻土区; 地球化学特征; 天然气水合物; 酸解烃; 顶空气

Abstract

This study analyses the geochemical characteristics, genesis, and properties of hydrocarbon components using data of surface soil samples collected from the permafrost regions in the Qiangtang Basin, the Qilian Mountains, and the Mohe Basin. The results revealed that the hydrocarbon gases in the superficial soils in the permafrost regions mainly comprise methane, as well as a small amount of ethane, ethylene, propane, butane, and pentane. The hydrocarbon gases in the Qiangtang and Mohe basins are mainly of pyrolytic genesis and their types include soil-formed gas and the mixed gas of soil-formed gas and coalbed methane. In contrast, hydrocarbon gases in the superficial soil in the permafrost zone in the Qilian Mountains are of pyrolytic and biogenic genesis and their types include soil-formed gas, coalbed methane, and biogenetic gas. The study provides a basis for exploring oil and gas resources such as natural gas hydrates in the continental permafrost regions in China.

Keywords： continental permafrost region; geochemical characteristics; natural gas hydrate; acidolysis hydrocarbon; headspace gas

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本文引用格式

杨志斌, 周亚龙, 张富贵, 张舜尧, 孙忠军. 中国陆域冻土区浅表烃类地球化学特征及其成因分析[J]. 物探与化探, 2022, 46(3): 628-636 doi:10.11720/wtyht.2022.1244

YANG Zhi-Bin, ZHOU Ya-Long, ZHANG Fu-Gui, ZHANG Shun-Yao, SUN Zhong-Jun. Geochemical characteristics and genesis of hydrocarbons in superficial soil in continental permafrost regions in China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(3): 628-636 doi:10.11720/wtyht.2022.1244

0 引言

中国陆域多年冻土分布范围广,面积达215×104 km2, 是世界第三冻土大国,主要分布于青藏高原、大兴安岭及其他高山地区 [1]。研究表明,青藏高原、东北漠河盆地、祁连山等陆域多年冻土区具备良好的油气资源形成条件和找矿前景[2]。2008年,中国地质调查局在青海祁连山木里地区成功地钻获了天然气水合物实物样品,取得了找矿工作的重大突破[3-4]。

以往科学家提出的油气形成演化模式中,油气在成藏过程中伴有烃类游离气的微渗漏和运移的动态过程[5]。冻土区油气的运移以及天然气水合物的形成和分解,均导致烃类气体迁移到地表,在沉积物中富集并形成异常。沉积物中烃类气体一般以游离气和吸附气两种不同形式存在,分别通过顶空气法和酸解烃法将它们释放出来[6]。针对烃类气体的不同赋存方式,分别选择顶空气和酸解烃检测方法检测C1~C5的轻烃组分,包括甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、异丁烷(iC4H10)、正丁烷(nC4H10)、异戊烷(iC5H12)和正戊烷(nC5H12)9个指标[7-8]。

1 方法技术

1.1 样品采集

样品主要采集于羌塘盆地中北部、祁连山木里三露天以及漠河盆地西北部冻土区,羌塘盆地北羌塘地区选取面积5 000 km2,采集样品5 011件,祁连山木里地区选取面积150 km2,采集样品300件,漠河盆地选取面积1 000 km2,采集样品2 001件,共计7 312件土壤和顶空气样品。

土壤样品主要采集冻土区浅表第四系覆盖区30~60 cm黏土层或砂土层沉积物。顶空气样品采样时取一定量的土壤样品立即装入盛有饱和盐水的专用容器中,容器上部留有一定的空间,然后密封保存,在运输过程中和室内均倒置摆放。

1.2 分析方法及依据

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和中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成,分析方法和检出限依据《石油天然气行业标准》(SY/T 6009—2003)执行。在分析检测过程中,采用空白监控、标准样品仪器监控、重复密码样监控、异常点复测等方法保证数据质量,分析测试质量结果符合标准要求(表1)。

表1   样品分析质量统计

Table 1  Analysis quality statistics of sample

地区指标酸解烃顶空间轻烃
祁连山木里地区样品数300300
管理样150
异常复测及重复密码样数3030
总合格率/%95.5100
漠河盆地样品数20012001
管理样1000
异常复测及重复密码样数210210
总合格率/%100100
羌塘盆地样品数50115011
管理样2800
异常复测及重复密码样数550550
总合格率/%99.7599.25

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酸解烃测量方法:试样在真空和恒温(35 ℃)条件下加酸脱气,释放出来的气体经过NaOH吸收去除CO2,其余气体经碱液驱赶至量气管并记录气体体积,取适量脱出的气体,用气相色谱测定C1~C5烃类组分含量,然后用外标法进行定量计算。

顶空间轻烃测量方法:顶空气样品取回待气液两相平衡后,用气相色谱仪检测顶空气采样容器上部空间气体中C1~C5烃类组分含量。

甲烷稳定碳同位素(δ13C1)检测:首先进行脱气处理,然后将制备好的烃类气体通过CuO氧化成CO2,利用质谱法测定δ13C1的组成。

2 烃类地球化学特征

2.1 酸解烃地球化学特征

羌塘盆地和祁连山木里地区浅表土壤酸解烃检测均有CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、nC4H10、iC4H10、nC5H12和iC5H12组分,漠河盆地土壤样品均检测出酸解烃CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6,部分样品可以检测到nC4H10、iC4H10、nC5H12和iC5H12。冻土区所有样品酸解烃均具有C1>C2>C3>C4>C5的含量特征。

祁连山木里地区酸解烃CH4含量平均值为55.50 μL/kg,酸解烃重烃(C2~5)平均值为7.52 μL/kg;漠河地区酸解烃CH4平均值为3.89 μL/kg,酸解烃C2~5平均值为0.41 μL/kg;羌塘地区酸解烃含量整体较高,组分齐全,变化范围大,酸解烃CH4平均值为3 225.54 μl/kg,酸解烃C2~5平均值为205.15 μL/kg(表2);酸解烃类含量整体均值羌塘盆地>祁连山木里地区>漠河盆地。浅表沉积物酸解烃的明显富集,表明冻土区在历史演化过程中大量的烃类气体从深部迁移至地表,并在地表沉积物中吸附富集,具有很好的烃源供给,为冻土区水合物等油气资源的形成提供了较好的气源条件[9]。祁连山木里地区已发现天然气水合物地区酸解烃含量变化较大,变异系数达2.68,其来源可能受多种因素控制。

表2   冻土区土壤酸解烃指标统计特征

Table 2  Statistics of various indexes of acidolytic hydrocarbon in the permafrost area

地区指标检出样本数均值
/(μL·kg-1)		最小值
/(μL·kg-1)		最大值
/(μL·kg-1)		标准离差
/(μL·kg-1)		变异系数
祁连山
木里地区		CH430055.501.171687.86148.632.68
C2H63004.430.01144.4513.773.11
C2H42990.2701.280.210.77
C3H82991.48060.665.353.60
C3H62950.1401.010.100.75
nC4H102720.45019.871.823.64
iC4H102750.30011.531.113.43
nC5H122800.2309.630.783.14
iC5H122260.2208.740.933.17
漠河盆地CH420013.890.8917.831.460.38
C2H618700.0400.400.030.70
C2H419760.1401.450.130.95
C3H819370.0400.240.030.68
C3H619560.0700.530.040.65
nC4H102150.0300.170.020.76
iC4H10840.0200.090.010.70
nC5H12880.0401.130.122.94
iC5H12720.0300.110.020.66
羌塘盆地CH450113225.5414.23103309.193575.091.17
C2H65011123.680.432485.51120.830.98
C2H450110.560.062.620.260.46
C3H8501142.960.25632.5541.550.97
C3H650110.410.033.990.210.51
nC4H10501114.080.07250.9813.740.98
iC4H10501110.500.04205.4911.051.05
nC5H1250115.140.0494.825.211.01
iC5H1250117.820.08182.358.481.09

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2.2 游离烃地球化学特征

羌塘盆地、祁连山木里地区和漠河盆地顶空气样品,除极少数样品外,均能检测出游离CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C3H6组分,nC4H10、iC4H10、nC5H12和iC5H12检出率较低(表3)。

表3   冻土区顶空游离烃指标统计特征

Table 3  Statistics of various indexes of hydrocarbon gas detected with headspace gas technique in the permafrost area

地区指标检出样本数均值
/(μL·L-1)		最小值
/(μL·L-1)		最大值
/(μL·L-1)		标准离差
/(μL·L-1)		变异系数
祁连山
木里地区		CH4300600.003.0113092.851624.192.71
C2H63000.510.103.410.430.85
C2H43000.930.094.720.640.69
C3H83000.440.073.690.441.00
C3H62950.4901.470.360.74
nC4H102560.1401.010.100.69
iC4H102560.1300.570.090.68
nC5H12740.1800.480.090.47
iC5H12770.3401.830.391.15
漠河盆地CH4200110.951.64644.4517.991.64
C2H620002.370621.2721.849.23
C2H420018.250.0739.225.560.67
C3H820012.220.04405.0213.956.27
C3H620000.810.044.130.500.61
nC4H1019930.980172.686.046.14
iC4H1018740.12011.240.453.63
nC5H1220002.77055.973.581.29
iC5H1219740.42011.110.551.33
羌塘盆地CH450113.300.10118.394.701.42
C2H650050.430300.625.2712.30
C2H450060.6506.700.570.88
C3H850090.270136.572.418.91
C3H650060.18013.000.231.28
nC4H1049610.13059.641.078.03
iC4H1049980.1002.630.090.92
nC5H1248280.1506.270.231.61
iC5H1248600.1606.580.261.65

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祁连山木里地区游离烃含量的平均值表现为C1>C2>C3>C5>C4,其中CH4体积含量为3.01~13 092.85 μL/L,平均值600.00 μL/L,变异系数 2.71;C2H6体积含量为0.10~3.41 μL/L,平均值0.51 μL/L;C3H8体积含量为0.07~3.69 μL/L,平均值0.44 μL/L。顶空游离CH4含量均值远远大于C2H6和C3H8,是C2H6均值的1 176倍,是C3H8均值的1 364倍,且甲烷变异系数大于1,可能为多种成因[10]。

漠河地区游离烃CH4体积含量为1.64~644.45 μL/L,平均值10.95 μL/L;羌塘盆地CH4体积含量为0.10~118.39 μL/L, 平均值3.30 μL/L。相比祁连山木里地区,其游离烃CH4均值是漠河地区的55倍,是羌塘盆地的182倍。根据以往研究,这可能与不同地区受地表土壤类型和冻土条件限制有关[11],致使游离态烃类气体向上运移能力较弱,对水合物的保存相对比较有利。

3 烃类气体成因和性质

3.1 甲烷干燥系数、湿度指数

以往在油气地球化学研究中通常利用甲烷干燥系数、烃类湿度指数等方法来判别甲烷成因。甲烷干燥系数用C1/C2~5表示,干燥系数大于0.99时指示生物成因,小于0.99时指示热解成因。烃类湿度指数用C1/(C2+C3)表示,湿度指数大于100 时指示生物成因,小于100时指示热解成因 [11]。从羌塘盆地、祁连山木里地区、漠河盆地冻土区浅表土壤酸解烃类干燥系数与烃类湿度指数投点图看出(图1),祁连山地区和羌塘盆地主要为热解成因气,还有少量点位为微生物成因气,漠河盆地土壤酸解烃类均为热解成因气。图2为冻土区土壤游离气C1/C2~5与C1/(C2+C3)投点图,祁连山木里地区土壤顶空游离气由生物成因气和热解成因气组成,漠河盆地和羌塘盆地为热解成因气。

图1

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图1   祁连山木里地区(a)、漠河盆地(b)和羌塘盆地(c)土壤酸解烃C1/C2~5与C1/(C2+C3)投点

Fig.1   Point diagram of C1/C2~5 and C1/(C2+C3) from acidolysis soil in Muli area of the Qilian Mountain (a), Mohe Basin(b) and Qiangtang Basin(c)


图2

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图2   祁连山木里地区(a)、漠河盆地(b)和羌塘盆地(c)顶空轻烃C1/C2~5与C1/(C2+C3)投点

Fig.2   Point diagram of C1/C2~5 and C1/(C2+C3) from head-space gas soil in Muli area of the Qilian mountain(a), Mohe Basin(b) and Qiangtang Basin(c)


储层含油气性质判别主要运用烃类丰度及其结构组成判别法、轻烷烃比率参数及轻烃组成图解法,漆富成等[12]对国内外油气田产地大量的酸解烃C1/C1~5和C1/C2~5特征参数进行了统计,结果表明,生物成因气分布于C1/C1~5值(0.99~1)和C1/C2~5值(>100)区间,煤成气分布于C1/C1~5值(0.90~0.99)和C1/C2~5值(>10)区间,而油型气分布于C1/C1~5值(0.70~0.98)和C1/C2~5值(>2)区间。从图3和图4可以看出,羌塘盆地、祁连山木里地区和漠河盆地酸解烃方法检测的吸附烃主要为油型气或油型气与煤层气的混合气,而顶空气法检测的游离烃具有油型气、煤成气和生物气多种类型,其中生物气主要在祁连山地区表层土壤中检测出,羌塘盆地和漠河盆地以油型气为主。

图3

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图3   祁连山木里地区(a)、漠河盆地(b)和羌塘盆地(c)酸解烃C1/C1~5与C1/C2~5投点

Fig.3   Point diagram of C1/C1~5 and C1/C2~5 from acidolysis soil in Muli area of the Qilian mountain(a), Mohe Basin(b) and Qiangtang Basin(c)


图4

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图4   祁连山木里地区(a)、漠河盆地(b)和羌塘盆地(c)顶空轻烃C1/C1~5与C1/C2~5投点

Fig.4   Point diagram of C1/C1~5 and C1/C2~5 from head-space gas soil in Muli area of the Qilian mountain(a), Mohe Basin(b) and Qiangtang Basin(c)


3.2 甲烷稳定碳同位素

由于生物地球化学作用和碳同位素生物分馏作用,生物成因烃类气体组成和甲烷碳同位素组分与热成因具有明显差异,可以应用烃类气体的(C1/(C2+C3))值以及甲烷的碳同位素(δ13C1)组成有效的区分沉积物中烃类成因[13]。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气。

对羌塘盆地和祁连山木里地区土壤样品中酸解烃异常点甲烷稳定碳同位素及烃类组分分析测试,绘制C1/(C2+C3)与δ13C1交汇图(图5)[14],从图中可以看出,羌塘盆地土壤酸解烃烃类为深部热解气成因,主要为原油伴生气,这个结论与羌塘地区发现的油苗点事实相符[15⇓-17]。祁连山地区土壤酸解烃类组分是热解成因,为原油伴生气、凝析油伴生气和煤层气混合成因[18]。资料表明,羌塘盆地是大型海相碳酸盐岩盆地,而祁连山为海陆相盆地,祁连山发现的天然气水合物被认为是凝析油气和煤层气两种成因[19⇓⇓⇓⇓-24]。

图5

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图5   羌塘盆地和祁连山木里地区土壤酸解烃C1/(C2+C3)- δ13C1交汇图(据戴金星[14]修改)

Ⅰ1 —生物气;Ⅰ2—生物气和亚生物气; Ⅰ3—亚生物气;Ⅱ1—原油伴生气;Ⅱ2—油型裂解气;Ⅲ1—油型裂解气和煤成气;Ⅲ2—凝析油伴生气和煤成气;Ⅳ—煤成气;Ⅴ1—无机气;Ⅴ2—无机气和煤成气; —羌塘盆地检测点; —祁连山地区检测点

Fig.5   Relationships of C1/(C2+C3) and δ13C1 in acidolysis soil from Qiangtang Basin and Muli area (modified according to Dai J X[14])

Ⅰ1—biogas;Ⅰ2—biogas and sub-biogas;Ⅰ3—sub-biogas;Ⅱ1—oil-associated gas;Ⅱ2—oil cracking gas;Ⅲ1—oil cracking gas and coal gas;Ⅲ2—condensate oil-associated gas and coal gas;Ⅳ—coal gas;Ⅴ1—inorganic gas;Ⅴ2—inorganic gas and coal gas; —detection point of Qiangtang Basin; —detection point of Qilian mountain


3.3 三维荧光光谱

三维荧光光谱能够完整、直观地提供地质样品荧光光谱的全部信息,根据不同芳烃化合物在不同激发、发射波长的荧光光谱来判别烃类地球化学异常成因,判断烃类油气属性[25](表4)。

表4   地表样品三维荧光技术油气属性评价的量化指标[25]

Table 4  Quantitative indicators for evaluation of oil and gas properties of surface samples by 3D fluorescence technique

原油性质主峰陡度K主次峰比R
凝析油0.70~80.00>6.0
普通油0.45~0.702.0~6.0
重质油0.30~0.45<2.0
煤成油0.67~0.752.5~6.0

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三维荧光图谱的特征参数包括峰位置(T1 、T2 和T3)、峰强度(F)、主峰陡度(K)和特征波长对之间强度比值(R)等。在三维荧光光谱特征参数中,T1特征峰指示单环及其同系物,T3特征峰指示二环及其同系物,T2特征峰指示三环及其同系物[26]。

从表5中看出,冻土区样品三维荧光光谱均发育3个峰(T1、T2、T3),峰强度F1>F2>F3。羌塘盆地R值为3.4~7.0,K值为0.46~0.83,是凝析油和普通油的特征峰;祁连山木里地区R值为2.33~7.35,K值为0.65~0.81,是煤层气和凝析油特征;三维荧光特征峰判断结果与甲烷稳定同位素判定结果一致[27]。

表5   地表土壤样品三维荧光数值

Table 5  Quantitative indicators of surface samples by 3D fluorescence technique

分区样号T1F1T2F2T3F3RK
羌塘盆地WG218232/34050.0252/3708.7248/31245.05.70.73
WG324232/340108.0252/37038.8248/31253.72.80.63
WG385228/34045.6252/3708.1248/31250.55.60.70
XC048228/34033.5252/3705.8248/31245.35.80.81
XC161228/34035.2252/3705.8248/31243.56.10.81
XC198232/34043.6252/3704.9248/31245.38.90.75
XC237232/34040.3252/3703.9248/31242.610.30.81
XC255228/34027.6252/3703.8248/31241.27.30.83
XC274228/34039.3252/3706.8248/31243.45.80.78
XC308232/34038.7252/3704.9248/31241.67.90.76
XY038232/34093.8252/37016.2248/31249.85.80.72
祁连山
木里地区		QLH1810232/344551.0252/375144.0288/344128.03.80.73
QLH1911232/344601.0252/375190.0288/340146.03.20.68
QLH1912232/34447.4252/3758.7288/3408.25.50.72
QLH1913232/34460.0252/3759.6282/33011.76.30.83
QLH1915232/344110.0252/37523.4282/33021.04.70.75
QLH1916232/34447.0252/3759.5282/3309.75.00.71
QLH2010232/344676.0252/375267.0288/340203.02.50.72
QLH2011228/340520.0252/375183.0288/340134.02.80.66
QLH2012228/340386.0252/37568.0288/34083.75.70.79
QLH2108228/34045.8252/3759.8280/3308.84.70.72
QLH2109228/34090.5252/37513.3280/33017.16.80.83
QLH2110228/34076.4252/37510.4280/33013.57.40.79
漠河地区T236228/340158.0248/37514.0264/32025.611.30.80
T237228/340415.0248/37514.7264/32050.728.20.89
T238228/340339.0248/37521.0264/32074.016.10.83
T242228/340266.0248/37521.0264/32049.012.70.82
T243228/340198.0248/37516.0264/32037.012.40.80
T244228/340242.0248/37522.0264/32044.011.00.80
T245228/340311.0248/37540.0264/32054.07.80.78
T185228/34087.0248/3756.4264/32019.013.60.87
T191228/340118.0248/3756.8264/32018.417.40.83
T193228/34070.0248/3757.0264/32013.510.00.82
T194228/34075.6248/3756.8264/32015.611.10.85
T198228/340102.0248/3758.6264/32023.011.90.84
T199228/340153.0248/37513.4264/32039.011.40.84
T200228/340172.0248/37520.0264/32050.88.60.82

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漠河盆地土壤三维荧光光谱R值为5.3~25.0,K值为0.75~0.89,是凝析油的重要特征,反映了该地区曾发生较大规模油气运移,与以往研究成果一致,说明漠河盆地具有良好的水合物和油气成藏条件[28⇓-30]。

4 结论

1) 祁连山木里地区、漠河盆地、羌塘盆地冻土区浅表层均检出酸解烃、顶空气烃类。不同冻土区酸解烃方法检测的吸附烃主要为油型气,少量为与煤成气的混合气。顶空气方法检测的游离烃在祁连山木里地区具有包括油型气、煤层气和生物气多种类型,羌塘盆地和漠河盆地主要为油型气。

2) 烃类气体组成、甲烷稳定同位素和三维荧光光谱判定结果显示,祁连山木里地区土壤游离气由生物成因气和热解成因气组成,土壤酸解烃类均为热解成因气,主要是凝析油成因气和煤层气。漠河盆地和羌塘盆地土壤游离气为热解成因气,土壤酸解烃类大部分为热解成因气,气体成因为凝析油气,极少数为微生物成因气。

3) 中国陆域冻土区具有较大的油气资源潜力,土壤烃类地球化学可以反映陆域冻土区深部气源特征和性质,为陆域冻土区天然气水合物等油气资源勘查起到重要辅助作用。

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