0 引言
氢作为未来清洁能源的关键载体,其大规模应用仍受制于当前生产技术的成本以及碳捕集与封存等技术应用,因此,从地下获取的天然氢,也被称为地质氢、金氢或白氢[1],已成为全球能源领域的新兴热点。天然氢主要形成机制包含地幔脱气、水岩反应(主要是蛇纹石化作用)、水的辐解、断层活动摩擦、有机质分解等[2-
马里Bourakebougou地区是目前全球唯一实现天然氢工业化生产的典型实例[9-10]。研究表明,该地区的氢气主要来源于结晶基底或基底以下地层,其结晶基底属于西非克拉通的莱奥地盾,已证实为无机成因,超镁铁质岩石的蛇纹石化过程被认为是其潜在氢气来源[11]。基底断裂系统作为深部氢气的运移通道,将深部氢气输送至砂岩—辉绿岩—碳酸盐岩组成的“储盖”地层组合中,形成了完整的天然氢成藏系统[7]。尽管如此,控制天然氢富集的地质要素和成藏机理仍需深入研究,高效勘查技术体系亟待建立[12]。为数不多的国际天然氢勘查实践显示,地球物理方法在天然氢勘探中可发挥关键作用,例如,在马里Bourakebougou地区,通过重力、磁法、电法等方法查明了氢气运移及储盖层构造特征[13];在澳大利亚South Nicholson盆地,也利用类似技术组合圈定了潜在成藏目标区[14],为地球物理方法应用于天然氢勘探提供了重要借鉴。
我国天然氢勘探处于起步阶段,尚未形成系统的天然氢勘查方法技术体系。值得关注的是,作者团队近期在张北盆地土壤氢气地球化学调查中,发现了显著的大面积氢气逸出异常,最高浓度超过1 000×10-6,远高于典型背景值。氢气同位素测量在-567.83‰~-461.95‰之间,根据Milkov的研究,该范围内的氢气属于幔源无机成因[15],说明研究区内的天然氢主要来源于地球深部。北美堪萨斯(Kansas)盆地[16-17]和马里陶代尼盆地的氢气研究成果显示天然氢主要来源于基底的花岗岩以及蛇绿岩等,且基底越浅,氢气含量越高。同时,切穿基底的活动断层提供了氢气向上运移的通道,将氢气输送至浅部储盖层中富集成藏。因此,为了进一步评估张北研究区内天然氢的成藏潜力,亟须进一步查明与生氢和导氢相关的基底构造特征、断裂分布情况以及基底以上地质体是否能够组成足够厚的储盖组合层。
研究区前期尚未开展大比例的地质及地球物理工作,缺乏盆地基底构造特征的精细刻画。基于此,本次在研究区部署了1∶5万的重力面积测量和大地电磁剖面测量,基于获取的数据,采用“重力场异常圈定—电磁剖面详查—重电互约束反演”的技术路线:首先利用重力面积测量数据圈定可能指示基底坳陷/沉积凹陷(潜在储氢构造)的重力低值异常区;然后,针对优选的重力低值区,布设NW向大地电磁测量剖面,利用其深部探测能力获取电性结构;再提取与大地电磁测线重合位置的重力剖面数据,利用重力和大地电磁数据在分辨率和敏感度上的互补性,进行互约束反演,以克服单一方法的多解性,获得更可靠的地下密度和电阻率结构模型。据此,推断隐伏断裂的空间展布特征和基底构造格架,识别能够输送氢气且穿透基底的断裂,评估凹陷区地层作为储氢空间的潜力。最终,结合前期土壤氢气来源及分布特征,揭示张北研究区(克拉通环境)深部基底(生氢源岩与断裂系统)与上覆盆地凹陷(储盖组合)之间的耦合关系,从而为建立克拉通环境中大规模天然氢“运聚”成藏系统模型提供依据,为构建我国天然氢勘查技术体系、优选战略勘探靶区提供重要的地球物理支撑。
1 研究区概况
1.1 研究区地质概况
图1
研究区位于尚义县与张北县交界处的大青沟镇—公会镇一带。区内上侏罗统张家口组地层仅在研究区北东部零星分布。中新统汉诺坝组玄武岩在研究区中部广泛分布,呈熔岩被状覆盖,岩性主要为致密块状玄武岩及气孔状玄武岩。其下部土井子组为河湖相砂泥组合,顶部含有泥岩层。上新统石匣组仅在安固里淖南沟谷中出露,为一套砂砾岩、砂岩及泥岩组合。第四系更新统马兰组和全新统堆积物分布广泛,岩性以黏土、亚黏土为主。在北部邻区和安固里淖南部钻孔中见有古元古界化德群头道沟组地层,其岩性为片岩、含磁铁石英岩、大理岩等。前人勘查钻孔中还见有中生界下白垩统青石砬组,为断陷盆地陆源碎屑沉积,见有多个砾砂泥含煤沉积组合。侵入岩零星分布有元古宙二长花岗岩、古生代二叠纪二长花岗岩、钾长花岗岩等。区域内深部基性和超基性岩地质体、富铁质基底以及钾长花岗岩具有生成氢气的能力,而研究区内的砂岩—泥岩组合具有一定的储盖能力。
1.2 天然氢地球化学特征
图2
图2
研究区布格重力异常分布、大地电磁测线以及沿线氢气浓度分布
Fig.2
Map of bouguer gravity anomaly, magnetotelluric survey lines and hydrogen concentration distribution along the lines
1.3 重力和大地电磁数据获取
为了进一步查明与天然氢成藏系统有关的断裂分布与基底的构造特征,在研究区部署了1∶5万重力面积测量。重力测网为500 m×250 m,采用CG-5型重力仪进行野外数据采集,并对原始数据进行高度改正、中间层改正、正常场改正和地形改正(地形改正半径 166.7 km),得到研究区布格重力异常,布格重力异常总精度为±0.121 9×10-5 m/s2。
同时,为了更可靠地获取研究区内凹陷区的基底深度及断裂分布情况,穿过凹陷区布设了1条28 km的大地电磁剖面AA'(图2),设置点距为500 m,观测时长1.5 h,频率范围10 400~0.35 Hz。大地电磁数据采集使用加拿大凤凰公司的V8_system2000.NET多功能电法测量系统,用MT-Editor对功率谱进行仔细选择,最终获得57个原始数据。为了进行约束反演,在该剖面位置,按照500 m点距,从1∶5万重力面积测量数据中提取了布格重力剖面数据。
2 重力场特征及物性特征
2.1 重力场特征
研究区1∶5万布格重力异常场(图2)呈现“周边高、中心低”的半围合式空间展布特征。根据布格重力异常可以进一步划分为4个区:①西部重力高异常区(Ⅰ),推断为基底凸起和花岗岩体隆升的反映;②中部重力低异常区(Ⅱ),推断为基底凹陷的反映,且土壤氢气低异常圈闭区也基本处于此区域内;③南部重力高异常区(Ⅲ),推断是由元古宙与太古宙结晶基底、中元古代花岗岩体隆升引起;④东部重力高异常区(Ⅳ),推测为基底与酸性侵入岩体隆起的响应。由此推断中部重力低异常区(Ⅱ)具有氢气赋存的可能。重力-大地电磁反演剖面即位于中部重力低异常区(Ⅱ)。在AA'剖面3~11 km以及17~23 km处对应2个主要凹陷区,此区域地表被第四系沉积物和新近系汉诺坝玄武岩所覆盖。剖面上氢气浓度超过200×10-6(氢气异常下限)的测点仅有9个,而且大部分集中在2个凹陷外的隆起区或凹陷边界,由此推断凹陷区较厚的泥岩层具有较好的氢气封存能力。
2.2 视电阻率曲线特征
图3
图3
不同构造单元典型视电阻率曲线
Fig.3
Typical apparent resistivity curves of different tectonic units
2.3 密度和电性特征
表1 张北盆地及邻区物性统计
Table 1
| 地层性 | 密度/(103 kg·m-3) | 电阻率 | 密度层平均密度 | 电性层 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 变化范围 | 平均值 | (Ω·m) | (103 kg·m-3) | |||
| 新生界 | Q | 1.42~1.88 | 1.68 | 10~65 | 1.68 | 低 |
| N2s | 1.75~1.86 | 1.81 | 8~100 | 2.02 | 中低 | |
| N1h | 1.95~2.49 | 2.22 | 34~2046 | 高 | ||
| 中生界 | K | 1.80~2.83 | 2.47 | - | 2.47 | 中等 |
| J | 1.97~3.13 | 2.47 | 86~267 | |||
| 元古宇 | PT | 2.12~3.75 | 2.71 | - | 2.71 | - |
| 太古宇 | AR | 2.26~3.50 | 2.71 | 200~2000 | 高 | |
研究区密度随地层年代由新到老逐渐增大,第四系—新近系—中生界—(元古宇、太古宇)地层存在较明显的密度界面。其中,中生界平均密度为2.47×103 kg/m3,属于中等密度层,为沉积盖层;元古宇及太古宇属于高密度层,为沉积基底。
研究区电阻率分布具有分层特征,且各层电性存在不均匀性。浅部整体表现为中低阻特征,松散的新生界为低阻层,新近系为中低阻层;深部的太古宇为高阻层,是大地电磁勘探的标志层。由于电阻率较高的中新统汉诺坝组玄武岩层较薄,本区电性模型仅分为两层——中新生代中低阻层和前中生代高阻层。此外,受局部低阻层屏蔽等影响,会存在局部的电性异常。
3 重力—大地电磁剖面约束反演
3.1 重力和大地电磁剖面互约束反演流程
为了获取地层的纵向约束,本次采用大地电磁反演优先策略。目前大地电磁测深反演仍然以2D反演模式为主[32-33],反演过程中选取阻抗张量元素或者视电阻率、阻抗相位等数据进行反演[34],反演结果要求各测点的反演数据达到满足条件的最佳拟合,进而得到合理的地电模型[35]。随后以大地电磁反演结果为约束条件,建立重力初始模型,利用提取的剖面重力数据,进行2.5D重力人机剖面反演[36],最终达到重力与大地电磁相互约束反演的效果。具体流程如下:①首先以钻孔、地质以及物性资料为基础,进行大地电磁剖面反演计算;②再以大地电磁反演结果为基础,建立重力人机交互反演的反演初始地质模型;③为每个地质体赋予密度参数,调整各地层厚度及构造位置以拟合实测布格重力异常曲线;④若反演模型的地层厚度和密度与参考地质资料、物性参数以及钻孔资料相差较大时,则重新调整大地电磁反演参数进行迭代计算,直至重力人机交互反演结果与实际地层分布和密度参数相符合,得到最终地质解释剖面。
3.2 重力—大地电磁剖面反演计算
图4
图4
重力—大地电磁联合反演综合地质解释成果
Fig.4
Joint interpretation results of gravity and magnetotelluric
研究区重力特征表现了基底的起伏和盖层发育的状况,但是其形态和方向与地表构造并不完全一致,仅依靠地表出露地层及岩体信息进行重力反演,很难准确获取地层纵向深度变化信息以及构造的产状信息。为此,结合大地电磁剖面解释成果,建立断裂位置、地层信息的初始地质模型,进行基于二度半棱柱体模型的重力人机剖面反演。反演拟合的过程中,以大地电磁反演推断模型为初始模型,以周围各钻孔地层厚度范围作为参考(图2、表2),将地层分成第四系、新近系和中生界;基底为元古宇和太古宇,各地层的密度采用表1中的密度层平均密度。钻孔资料显示(表2):研究区内第四系厚度为2.55~6.75 m,对剖面重力异常的影响小于1×10-5 m/s2,因此反演中大幅度的异常起伏主要显示新近系及其以下地层的起伏(图4b、c)。ZK0828钻孔位于AA'剖面东南侧,与剖面垂直距离2.6 km,将该钻孔的中生界深度(1 031.86 m)和太古宇深度(>1 038.17 m)作为南部凹陷中生界反演深度的主要约束参考。
表2 钻孔地层埋深
Table 2
| 钻孔编号 | 新生界 | 中生界 | 太古宇 | |
|---|---|---|---|---|
| 第四系 | 新近系 | 白垩系 | ||
| ZK11 | - | 117.5 | 257.7 | - |
| ZK15 | - | 94.6 | - | - |
| ZK0828 | 2.55 | 34.9 | 1031.86 | >1038.17 |
| ZK0412 | 6.75 | 104.41 | 959.83 | >1073 |
通过不断调整模型地质体位置及几何形状,对F1~F4断裂倾向及其在深部的形态变化、地层深度及起伏变化进行更为精确的定量刻画,并再次反馈修正大地电磁解释结果,以此再次进行重力异常拟合,最终得到符合地质—地球物理数据资料条件下的合理结果和认识,达到了重—电约束反演的目的。
4 剖面综合解释结果分析
4.1 剖面综合解释成果
结合地质、钻孔及面积性重力资料,对重力和大地电磁反演结果揭示的断裂构造及基底构造进行了解释。如图4所示,4条规模较大的断裂(F1~F4)控制了该区域的基本构造格架。这4条断裂被新生界沉积层所覆盖未出露地表,属于隐伏断裂且均为正断层,F1和F3向南倾,F2和F4向北倾,4条断裂均切穿了元古宇和太古宇基底,垂向延伸达数千米。在F1断裂周边,存在3个氢气浓度超过200×10-6 的逸出点,指示基底以下发育有利于天然氢气向上运移的通道。而F2~F4断裂,由于断裂被致密的汉诺坝玄武岩所覆盖,断裂上高浓度氢气点较少,推断此处断裂可以储存天然氢。F1与F2、F3与F4这两组断裂为凹陷的边界断裂,控制了两个凹陷的展布范围以及凹陷的生成和演化;盆地南北向基底呈现垒堑状特征,F1~F4断裂将盆地分成了“两凹三隆”的构造格局,凹陷的盖层由中心向两边变薄,凹陷内地层界面连续。
研究区内第四系零星分布,厚度为0~40 m不等;新近系和白垩系地层沉积厚度最大,新近系在剖面两端厚度范围为15~300 m,在中心沉积处可达840 m厚;中生界地层厚度范围为600~1 100 m。F1~F2范围内凹陷的沉积厚度为620~1 340 m,F3~F4范围内断裂间的凹陷基底平均深度较深,沉积厚度为1 500~1 900 m,最深处位于AA'剖面20 km处。在上述凹陷区域,超过200×10-6的氢气逸出点较少,仅有1个,而在隆起区,有8个超过200×10-6的氢气逸出点。由此推断,较厚的沉积盖层起到了封存天然氢气的作用,且上覆的玄武岩盖层没被后期构造断开,为天然氢封存提供了较好的地质条件。另外,大地电磁反演结果(图4a)显示,在F2~F3之间基底隆起区下部存在低阻区域,推断该处相应层位包含有含铁建造地质体,并且以水为主的流体相对较多,也可能产生一定量的氢气。因此,推断该区的氢气除了主要来自基底以下幔源外,也可能部分来自于地壳地质体的水岩反应。
4.2 天然氢成藏地质条件分析
研究区地表广泛分布的玄武岩是由地幔橄榄岩分异演化并通过火山喷发至地表,而氢气同位素测量结果显示区内天然氢属于幔源无机成因,因此推测研究区深部存在大量蛇纹石化(水岩作用)生成的天然氢。张北地区频繁发生有感地震,区内深大断裂的活动将会触发这些深部天然氢向浅层释放。本次揭示的控制盆地边界的F1及F4处于尚义—汉诺坝断裂带上盘,切穿了元古宇与太古宇基底,且断裂对应的地表周围有高浓度氢气逸出,又是切壳的尚义—汉诺坝断裂带的次一级断裂构造,在深部可能与尚义—汉诺坝断裂连通,形成运移天然氢的通道。嘉世旭等[39]认为研究区地表0~2.5 km范围内电性层普遍为低阻沉积结构,反演结果显示F1~F2、F3~F4之间的凹陷区域内的新生代黏土、泥质岩和玄武岩盖层以及中生代泥质岩和胶结的碎屑岩厚度范围分别为620~1 340 m和1 500~1 900 m,凹陷内各地层界面连续,且测量显示土壤氢气浓度均基本低于200×10-6,可见断裂活化后将氢气运移至盆地中的砂岩层、水层等储层中富集,并被致密的玄武岩、泥质岩以及胶结的碎屑岩很好地封存。相反,F2~F3之间为盆地内的局部隆起,且盖层薄,导致地表出现了氢气异常大多数大于400×10-6,甚至个别点超过了1 000×10-6,说明此区域封存氢气能力差。
5 结论
本研究基于张北地区地质地球物理特征,建立了“深部断裂输运—凹陷厚层封储盖”的天然氢成藏模式,该模型系统整合了氢气“运、储、盖”关键要素,明确了深大断裂作为幔源氢主运移通道及中新生代泥岩—玄武岩组合构成有效盖层的作用机制,揭示了深断裂输送与凹陷厚盖层封存的天然氢成藏条件。这一认识不仅增强了对张北地区乃至类似地质条件区天然氢成藏条件的理解,也为区域天然氢勘查技术体系的构建和勘探靶区的优选提供了直接的理论依据与实用指导。然而,断裂深部连通性、盖层封闭性定量表征及储层厚度分布等关键参数尚需进一步调查与验证,未来工作应聚焦于这些参数的定量研究,在开展地震勘探的同时,结合地球化学、流体动力学等多学科手段,更精确地评价研究区天然氢资源潜力。
参考文献
能源转型背景下不可忽视的新能源:天然氢
[J].
Non-negligible new energy in the energy transition context:Natural hydrogen
[J].
The occurrence and geoscience of natural hydrogen:A comprehensive review
[J].
Radiolytic H2 in continental crust:Nuclear power for deep subsurface microbial communities
[J].
Global hydrogen production during high-pressure serpentinization of subducting slabs
[J].
Reduced gas seepages in ophiolitic complexes:Evidences for multiple origins of the H2-CH4-N2 gas mixtures
[J].
Looking for natural hydrogen in Albania and kosova
[J].
Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali)
[J].
Natural H2 in Kansas:Deep or shallow origin
?[J].
Maricá (Brazil),the new natural hydrogen play which changes the paradigm of hydrogen exploration
[J].
Characterization of the spontaneously recharging natural hydrogen reservoirs of Bourakebougou in Mali
[J].
Enabling secure subsurface storage in future energy systems:An introduction
[J].
Mali airborne GT-1A gravity survey for UTS geophysics
[R].
Natural hydrogen exploration in Australia-state of knowledge and presentation of a case study
[J].
Molecular hydrogen in surface and subsurface natural gases:Abundance,origins and ideas for deliberate exploration
[J].
Serpentinization and the origin of hydrogen gas in Kansas
[J].
H2-rich and hydrocarbon gas recovered in a deep Precambrian well in northeastern Kansas
[J].
张北—尚义地震的地震构造环境与宏观破坏特征
[J].
阐述了张北-尚义地震的区域地震构造环境,结合本次地震的宏观烈度分布、震源机制解和震区卫星影像的线性构造解释等资料,讨论了地震的孕震构造和可能的发震断层,认为本次地震是张家口-蓬莱断裂带北西端最新活动的结果,北西向的张家口-蓬莱断裂带未来的地震活动趋势应引起重视。
Seismotectonics and macrodamage features of the Zhangbei-Shangyi earthquake
[J].
坝上张北盆地成热的可能性探讨
[J].
A Discussion on the possibility of geothermal formation in the Zhangbei Basin
[J].
华北地台北缘火山岩型铀钼矿床找矿模型研究
[J].
Prospecting model research of volcanics-hosted U-Mo deposits at north margin of the North China platform
[J].
尚义—张北地区天然氢调查研究进展及前景分析
[J].
Progress and prospective analysis of natural hydrogen investigation research in Shangyi-Zhangbei area
[J].
河北省区域地层物性柱特征
[J].
Charateristics of regional stratigraphic petrophysical column of Hebei Provinve
[J].
河北省区域岩石物性研究报告
[R].
Research report on the physical properties of rocks in Hebei Province
[R].
河北省张家口地区(张北—公会)电法普查勘探报告
[R].
Electromagnetic survey exploration report on Zhangbei-Gonghui area in Zhangjiakou,Hebei Province
[R].
基于凸集投影的重力数据扩充下延一体化方法
[J].
An integration of interpolation,edge padding,and downward continuation for gravity data based on the projection onto convex sets
[J].
重磁电震一体化综合解释技术及应用
[C]//
Integrated interpretation technology and application of gravity,magnetic,electric and seismic methods
[C]//
针对目标的非地震解释技术在鄂尔多斯盆地西缘的应用
[J].
Non-Seismic target-oriented interpretation techniques and application in the western edge of Ordos Basin
[J].
银川盆地南部灵武凹陷基底构造特征
[J].
Basement structure characteristics of the Lingwu depression in southern Yinchuan Basin
[J].
音频大地电磁法在复杂构造带调查中的应用:以藏东信本断裂带八美段为例
[J].
Application of audio magnetotelluric method in the investigation of complex structural zone:A case study of the Bamei section of Xinben fault zone in eastern Xizang
[J].
综合地球物理探测在深部空间结构中的应用—以胶东金矿集区为例
[J].
Application of integrated geophysical exploration in deep spatial structures:A case study of Jiaodong gold ore concentration area
[J].
Joint inversion of gravity,magnetotelluric and seismic data using the alternating direction method of multipliers
[J].
音频大地电磁测深(AMT)约束下的重力三维反演应用研究——以越城岭岩体北缘隐伏岩体为例
[J].
3D inversion of gravity under audio frequency magnetotelluric method(AMT)constraint:A case study of the concealed rock mass in the northern margin of Yuechengling rock mass
[J].
音频大地电磁与瞬变电磁深度学习联合反演
[J].
Deep learning audio-magnetotelluric and transient electromagnetic joint inversion
[J].
印模法在AMT数据处理中的改进与应用
[J].
The improvement and applications of the impression method in AMT data processing
[J].
基于AMT的龙首山成矿带西岔地段马路沟断裂带深部发育特征
[J].
Deep occurrence characteristics of the Malugou fault zone in the Xicha section of the Longshoushan metallogenic belt determined based on AMT
[J].
采集参数对音频大地电磁法二维非线性共轭梯度反演结果的影响研究
[J].
Research on effect of acquisition on parameters on audion-frequency magnetotelluric 2D Dinversion results using nonlineear conjugate gradient salgorithm
[J].
大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(一)——阻抗张量分解与构造维性分析
[J].
Refined techniques for data processing and two-dimensional inversionin magnetotelIuric I:Tensorde composition and dimensionality analysis
[J].
