中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物的找礦選區(qū)及其資源潛力

祝有海 趙省民 盧振權(quán)

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所

中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物的找礦選區(qū)及其資源潛力

祝有海 趙省民 盧振權(quán)

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所

中國(guó)是世界第三凍土大國(guó),多年凍土面積達(dá)2.15×106km2(主要分布于青藏高原和東北大興安嶺地區(qū)),蘊(yùn)含豐富的天然氣水合物資源。前人對(duì)中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物的研究多局限在青藏高原,且在找礦預(yù)測(cè)特別是找礦選區(qū)方面的研究較少。為此,對(duì)中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物成礦條件及找礦選區(qū)進(jìn)行了深入討論,并初步評(píng)價(jià)其資源潛力。根據(jù)形成天然氣水合物的氣源條件、溫壓條件,結(jié)合目前所發(fā)現(xiàn)的異常標(biāo)志,認(rèn)為中國(guó)凍土區(qū)具備良好的天然氣水合物形成條件和找礦前景,羌塘盆地是形成條件和找礦前景最好的地區(qū),其次是祁連山地區(qū)、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)和漠河盆地,接下來(lái)還有青藏高原的昆侖山埡口盆地、唐古拉山—土門地區(qū)、喀喇昆侖地區(qū)、西昆侖—可可西里盆地以及東北的根河盆地、拉布達(dá)林盆地、海拉爾盆地和新疆北部的阿爾泰地區(qū)等。采用體積法和蒙特卡羅法初步估算出中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物資源量約為38×1012m3,相當(dāng)于380×108t油當(dāng)量,與中國(guó)常規(guī)天然氣資源量基本相當(dāng),顯示出巨大的資源潛力。

中國(guó) 天然氣水合物 凍土區(qū) 資源評(píng)價(jià) 成礦條件 找礦選區(qū) 資源量 羌塘盆地

天然氣水合物廣泛分布于海底沉積物和陸上永久凍土區(qū)中,其全球潛在資源量相當(dāng)于(1.8～2.1)× 1016m3的甲烷氣,是已知煤、石油和天然氣等化石燃料資源量總和的2倍[1-3]。中國(guó)非常重視天然氣水合物的調(diào)查研究,分別在南海神狐海區(qū)和青海祁連山凍土區(qū)成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品,顯示出良好的找礦前景[4-7]。

迄今為止,國(guó)外凍土區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)地9處,主要分布于俄羅斯、美國(guó)和加拿大等國(guó)的環(huán)北冰洋凍土區(qū),包括美國(guó)阿拉斯加北部斜坡的Brudhoe灣-Kuparuk河地區(qū),加拿大 Mackenzie三角洲和Sverdrup盆地,俄羅斯的西西伯利亞盆地、Lena-Tunguska地區(qū)、Timan-Pechora盆地、東北西伯利亞及Kamchatka地區(qū),挪威的 Svalbard半島、格陵蘭等[8-9]。中國(guó)是世界第三凍土大國(guó),多年凍土面積達(dá)2.15×106km2,主要分布于青藏高原和東北大興安嶺地區(qū),占國(guó)土面積的22.3%[10]。自20世紀(jì)90年代末開始,就有少部分學(xué)者開始關(guān)注中國(guó)凍土區(qū)特別是青藏高原凍土區(qū)是否存在天然氣水合物,并開展形成條件和分布預(yù)測(cè)等方面的調(diào)查研究,結(jié)果顯示青藏高原特別是羌塘盆地基本具備天然氣水合物的形成條件,并提出了各自的分布預(yù)測(cè)[11-20],但這些調(diào)查研究多集中在形成條件方面,且多局限在青藏高原,在找礦預(yù)測(cè)特別是找礦選區(qū)方面更是語(yǔ)焉不詳。本文主要依托中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的“中國(guó)陸域永久凍土帶天然氣水合物資源遠(yuǎn)景調(diào)查(2004—2007)”項(xiàng)目成果,結(jié)合近年來(lái)的調(diào)查研究進(jìn)展,對(duì)中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物成礦條件及找礦選區(qū)進(jìn)行深入討論,并初步評(píng)價(jià)了其資源潛力,以供有關(guān)決策部門參考。

1 成礦條件分析

天然氣水合物形成于低溫高壓環(huán)境下,并需要有接近于飽和的氣源條件和充足的水源條件,同時(shí)氣體組成及其孔隙水鹽度也將影響到水合物能否形成并保持穩(wěn)定。由于中國(guó)凍土區(qū)的水源條件比較豐富,故制約水合物能否形成的關(guān)鍵因素是氣源條件和溫壓條件,這里先就溫壓條件進(jìn)行深入分析。

中國(guó)凍土區(qū)主要分布于東北大興安嶺地區(qū)和青藏高原,并零星分布在一些高山上(圖1)。東北凍土區(qū)位于環(huán)北極凍土區(qū)的南緣,主要分布于東北大興安嶺46°30′N～53°30′N,面積38.2×104km3,占中國(guó)凍土區(qū)總面積的17.8%。東北凍土屬緯度凍土,隨著緯度降低,年平均氣溫升高,永久凍土的發(fā)育程度降低,連續(xù)性變差,凍土層厚度減薄,含冰量減少,由大片連續(xù)凍土逐漸演變?yōu)閸u狀凍土和稀疏島狀凍土。青藏高原是中國(guó)最大的凍土區(qū),南北跨越12個(gè)緯度,東西橫亙近30個(gè)經(jīng)度,面積150×104km3,占中國(guó)凍土總面積的69%。青藏高原凍土是典型的高山凍土(中低緯度凍土),緯度和海拔是凍土的主要控制因素。青南藏北高原特別是羌塘盆地是多年凍土最發(fā)育的地區(qū),基本呈連續(xù)分布或大片分布,由此向周邊地區(qū),隨著海拔降低,年平均地表地溫逐漸升高,由連續(xù)凍土或大片凍土逐漸過(guò)渡為島狀凍土。祁連山凍土區(qū)地處青藏高原北緣,總體上也屬于高原凍土,年平均地表地溫為-1.5～-2.4℃,凍土層厚度為50～139 m。木里地區(qū)是祁連山凍土區(qū)的核心,除局部地段外,多年凍土連續(xù)分布,其年平均地表地溫最低(-2.4℃),實(shí)測(cè)凍土層厚度60～95 m,并常見厚層地下冰[10]。

圖1 中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物找礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)圖(凍土分布范圍據(jù)本文參考文獻(xiàn)[10])

與環(huán)北冰洋凍土區(qū)(高緯度凍土區(qū))相比,中國(guó)凍土區(qū)的年平均地表地溫相對(duì)較高,凍土層相對(duì)較薄,如青藏公路沿線實(shí)測(cè)的最大凍土層厚度僅為128 m[10],而高緯度凍土區(qū)的凍土層厚度一般都介于400～500 m,這也導(dǎo)致部分人員懷疑中國(guó)凍土區(qū)能否形成天然氣水合物的主要疑慮。事實(shí)上,影響凍土區(qū)天然氣水合物能否形成及其水合物穩(wěn)定帶厚度的主要因素包括年平均地溫、凍土層厚度、凍土層內(nèi)地溫梯度、凍土層下地溫梯度和氣體組分、水體鹽度等,我們根據(jù)上述參數(shù),利用Sloan的CSMHYD軟件對(duì)中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物的溫壓條件進(jìn)行了計(jì)算,圖2即為根據(jù)祁連山木里地區(qū)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的一個(gè)實(shí)際例子,具體的計(jì)算方法和計(jì)算過(guò)程請(qǐng)參見本文參考文獻(xiàn)[17]。筆者利用同樣的方法對(duì)青藏高原的羌塘盆地、昆侖山埡口盆地、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)、唐古拉山—土門地區(qū)、倫坡拉盆地以及東北漠河盆地等地開展了溫壓條件計(jì)算,結(jié)果顯示青藏高原和漠河盆地基本具備形成天然氣水合物的溫壓條件。

圖2 祁連山木里地區(qū)天然氣水合物的溫壓條件

進(jìn)一步地,筆者分別利用祁連山木里地區(qū)33號(hào)鉆孔冷泉?dú)?CH4:96.6%,C2H6:3.3%,C3H8:0.1%,均為摩爾分?jǐn)?shù),下同)、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)頂空氣平均值(CH4:93.8%,C2H6:6.2%)和羌塘盆地雙湖地區(qū)頂空氣平均值(CH4:63.3%,C2H6:24.3%,C3H8: 8.9%,nC4H10:3.5%)等實(shí)測(cè)氣體組分,結(jié)合青藏高原的其他參數(shù),對(duì)青藏高原天然氣水合物的穩(wěn)定帶及其厚度進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果顯示青藏高原具備較好的天然氣水合物形成條件,即使要求最為苛刻的純甲烷水合物也能在局部地區(qū)形成(圖3),且隨著重?zé)N組分的逐漸增加,能形成水合物的地區(qū)范圍逐漸增大,水合物穩(wěn)定帶厚度也逐漸增厚。

圖3 青藏高原天然氣水合物(純甲烷組分)穩(wěn)定帶及其厚度分布圖

2 找礦選區(qū)討論

根據(jù)中國(guó)凍土區(qū)形成天然氣水合物的氣源條件、溫壓條件,結(jié)合目前所發(fā)現(xiàn)的異常標(biāo)志,筆者認(rèn)為中國(guó)凍土區(qū)具備良好的天然氣水合物形成條件和找礦前景,其中羌塘盆地是形成條件和找礦前景最好的地區(qū),其次是祁連山地區(qū)、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)和漠河盆地(圖1),再其次應(yīng)是昆侖山埡口盆地、唐古拉山—土門地區(qū)、喀喇昆侖地區(qū)、西昆侖—可可西里盆地以及東北的根河盆地、拉布達(dá)林盆地、海拉爾盆地和新疆北部的阿爾泰地區(qū)等,下面對(duì)這些重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行深入討論。

2.1 羌塘盆地

羌塘盆地是青藏高原最大的沉積盆地,面積約18 ×104km2,是在晚古生代裂谷演化背景上發(fā)育起來(lái)的疊合盆地,沉積了泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系等8大沉積層,總厚度大于30 000 m。羌塘盆地共發(fā)育有12套烴源巖,其中中上侏羅統(tǒng)索瓦組(J3s)、夏里組(J2x)、布曲組(J2b)和上三疊統(tǒng)肖茶卡組(T3x)為分布最廣的4套烴源巖,具有良好的油氣形成條件,目前已發(fā)現(xiàn)油氣顯示近200處,是青藏高原最有前景的常規(guī)油氣找礦遠(yuǎn)景區(qū)[21]。筆者在羌塘盆地雙湖地區(qū)150個(gè)站位的化探結(jié)果表明,酸解烴中的甲烷、乙烷和丙烷的平均含量分別高達(dá)1 424.4μL/kg、187.5μL/kg和96.0μL/ kg,大大高于其他盆地的相應(yīng)值。頂空氣、冰中氣、冷泉?dú)獾纫诧@示出類似的特征,顯示出羌塘盆地有豐富的烴類氣體,非常有利于形成天然氣水合物。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示羌塘盆地的重?zé)N(乙烷、丙烷、丁烷等)含量相對(duì)較高,如頂空氣中平均含有24.3%的重?zé)N(摩爾比,下同),冰中氣中平均含有28.1%的重?zé)N,而酸解烴中平均含有23.0%的重?zé)N,重?zé)N含量越高越有利于形成天然氣水合物,且其穩(wěn)定帶也就越厚。同時(shí),甲烷碳同位素的分析結(jié)果顯示,近地表沉積物中的烴類氣體既有原地形成的微生物氣,也有深部遷移上來(lái)的熱解氣,顯示出多種不同來(lái)源的烴類氣體在近地表處混合,也有利于形成天然氣水合物。

羌塘盆地是青藏高原3個(gè)低溫中心中溫度最低、面積最大的一個(gè),年平均氣溫值低于-6℃,且年平均地表地溫反演結(jié)果表明,該區(qū)年平均地表地溫多介于-5～-3℃,也是青藏高原年平均地表地溫較低的地區(qū)。若以2.2℃/100 m作為凍土層內(nèi)的平均地溫梯度,反演出來(lái)的凍土層厚度多在100～200 m之間,局部地區(qū)可大于200 m。由此可見,羌塘盆地是青藏高原凍土最為發(fā)育、凍土相對(duì)較厚的地區(qū),也有利于形成天然氣水合物。此外,羌塘盆地還是青藏高原地溫梯度最低的盆地,羌塘盆地現(xiàn)今的地溫梯度只有1.5～1.8℃/100 m,古地溫梯度也不到2℃/100 m[22],屬于典型的低熱流盆地,其地溫梯度(中值為1.65℃/ 100 m)遠(yuǎn)低于整個(gè)青藏高原的平均值(4.18℃/100 m),非常有利于形成天然氣水合物。

因此,羌塘盆地是中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物形成條件最好的地區(qū),筆者將之劃歸I級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū),但目前發(fā)現(xiàn)與水合物有關(guān)的異常標(biāo)志不多,EH-4法在龍尾錯(cuò)地區(qū)凍土層下發(fā)現(xiàn)高阻層,微測(cè)井法在羌塘盆地發(fā)現(xiàn)速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象[15]以及地質(zhì)雷達(dá)中發(fā)現(xiàn)的高速層[15]也許與水合物有關(guān),但目前尚未發(fā)現(xiàn)與水合物直接相關(guān)的異常標(biāo)志,迫切需要開展深入的調(diào)查研究,以便證實(shí)是否存在天然氣水合物。

2.2 祁連山地區(qū)

祁連山地處青藏高原北緣,盡管海拔相對(duì)不高,但因緯度偏北,也成為青藏高原凍土分布比較廣泛的地區(qū)之一,多年凍土面積達(dá)10×104km2,實(shí)測(cè)凍土層厚度為50～139 m,理論計(jì)算的凍土層厚度最大值為400 m[10],基本具備形成天然氣水合物的凍土條件。筆者曾以木里煤田33號(hào)鉆孔附近的年平均地表地溫(-2.6℃)、凍土層厚度(88 m)、平均地溫梯度(2.2℃/100 m)和實(shí)測(cè)氣體組分作為參數(shù),計(jì)算出水合物穩(wěn)定帶的頂界埋深為171 m,底界埋深為574 m,穩(wěn)定帶厚度為403 m[17](圖2)。

祁連山凍土區(qū)具備充足的氣源條件,其中侏羅紀(jì)小型含煤盆地星羅棋布,組成祁連山含煤盆地群,內(nèi)含豐富的煤層氣,僅外力哈達(dá)和熱水2個(gè)礦區(qū)300～2 000 m深度范圍內(nèi)的資源量就達(dá)24.97×108m3。同時(shí),南祁連盆地是一潛在的油氣盆地,僅木里坳陷自下而上就發(fā)育有石炭系暗色泥(灰)巖、下二疊統(tǒng)草地溝組暗色灰?guī)r、上三疊統(tǒng)尕勒得寺組暗色泥巖、侏羅系暗色泥頁(yè)巖等4套烴源巖,其中石炭系烴源巖的有機(jī)質(zhì)已進(jìn)入過(guò)成熟階段,其他3套烴源巖基本上處于成熟—過(guò)成熟階段,有利于形成天然氣。這些煤層氣和天然氣能提供豐富的氣源,且青海煤炭地質(zhì)105勘探隊(duì)曾在木里煤田聚乎更礦區(qū)的煤炭地質(zhì)勘探中多次發(fā)現(xiàn)不明氣體,非常有利于形成天然氣水合物。

與羌塘盆地相比,祁連山的凍土條件較差,若局限于煤層氣則規(guī)模有限,而深部熱解氣是否充足還有待于深入研究,因此,我們總體上將之列為 II級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2008年,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局選擇成礦條件較有利且施工條件相對(duì)簡(jiǎn)單的祁連山木里地區(qū)施工“祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程”,并在DK-1科學(xué)鉆探試驗(yàn)孔井深133.5～135.5 m處首次鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品,取得了找礦工作的重大突破。2009年繼續(xù)在祁連山木里地區(qū)施工DK-2、DK-3、DK-4等鉆探試驗(yàn)井,再次鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品,證實(shí)水合物分布于133.0～396.0 m深度區(qū)間,并開展了一系列地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試,發(fā)現(xiàn)一系列天然氣水合物的直接證據(jù)和異常標(biāo)志[5]。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)上述預(yù)測(cè)是正確的,但穩(wěn)定帶頂?shù)捉缂捌浜穸扔兴町?這可能與實(shí)際的凍土層厚度、地溫梯度和氣體組分等與原預(yù)測(cè)參數(shù)有所差異所致。

2.3 風(fēng)火山—烏麗地區(qū)

風(fēng)火山—烏麗地區(qū)地處沱沱河盆地,有一定的成油成氣條件,且烏麗地區(qū)有豐富的煤礦點(diǎn),二疊系含煤巖系能提供一部分煤層氣,為水合物提供一定的氣源。此外,烏麗地區(qū)存在較多的近東西向活動(dòng)斷層,發(fā)育有一系列低溫泉水,并在泉水內(nèi)觀測(cè)到氣體逸出,說(shuō)明有深部氣體遷移至地表,有利于形成天然氣水合物。

風(fēng)火山地區(qū)是青藏公路沿線凍土最為發(fā)育的地區(qū),凍土層厚度較厚,按風(fēng)火山凍土試驗(yàn)場(chǎng)的地溫梯度推測(cè)其凍土層厚度達(dá)220 m。這一地區(qū)也是青藏高原地溫梯度最低的地區(qū),如風(fēng)火山凍土試驗(yàn)場(chǎng)凍土層內(nèi)的地溫梯度僅1.25℃/100 m,烏麗附近3個(gè)站位凍土層內(nèi)的地溫梯度也僅0.79℃/100 m、1.00℃/100 m和1.48℃/100m,遠(yuǎn)低于青藏高原的平均值(2.22℃/100 m),且凍土層下的地溫梯度更低,如烏麗地區(qū)的實(shí)測(cè)值僅為1.05℃/100 m,也是青藏高原的最低值,非常有利于形成天然氣水合物。筆者以風(fēng)火山—烏麗地區(qū)的實(shí)測(cè)氣體組分計(jì)算了形成天然氣水合物的溫壓條件,結(jié)果表明這一地區(qū)不僅能形成實(shí)測(cè)組分的天然氣水合物,甚至能形成純甲烷組分的天然氣水合物。

與羌塘盆地相比,風(fēng)火山—烏麗地區(qū)的氣源相對(duì)有限,是否有充足的烴類氣體來(lái)形成天然氣水合物還需進(jìn)一步證實(shí)。同時(shí),雖然風(fēng)火山地區(qū)的凍土較好,但氣源條件相對(duì)較差,而烏麗地區(qū)的氣源條件相對(duì)較好,但凍土條件較差(融區(qū))。因此,我們將這一地區(qū)總體上列為天然氣水合物II級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2.4 漠河盆地

漠河盆地位于黑龍江省西北部,北部與俄羅斯境內(nèi)的烏舒蒙盆地相連為同一盆地,總面積約為38 500 km2,中國(guó)境內(nèi)面積約21 340 km2,為一中生代構(gòu)造殘留盆地。漠河盆地發(fā)育有多套烴源巖,其中中侏羅統(tǒng)的二十二站組和額木爾河組是主力烴源巖,內(nèi)含巨厚的暗色泥巖和煤線,其有機(jī)質(zhì)類型以腐殖型為主,有利于形成烴類氣體,且實(shí)測(cè) Ro值一般為 0.77%～1.38%,正處于油氣生成的高峰期。因此,無(wú)論從有機(jī)質(zhì)含量,還是從有機(jī)質(zhì)類型及成熟度看,該區(qū)域的這些暗色泥巖都具有較好的生烴潛力,且筆者曾在碎屑巖巖心中發(fā)現(xiàn)了非氣藏碎屑巖儲(chǔ)層中罕見的甲烷氣體,是形成天然氣水合物的良好氣源。漠河盆地是東北地區(qū)年平均氣溫最低、地溫梯度最低(僅1.6℃/100 m)、凍土最發(fā)育的盆地,實(shí)測(cè)的最大凍土厚度達(dá)131 m,這為天然氣水合物的形成提供了有利的凍土條件。筆者根據(jù)實(shí)測(cè)的氣體組分計(jì)算了漠河盆地天然氣水合物形成的溫壓條件,結(jié)果顯示當(dāng)凍土層厚度大于20 m時(shí)就有可能形成天然氣水合物,當(dāng)凍土層厚度為80 m時(shí),天然氣水合物穩(wěn)定帶的頂?shù)捉缏裆罘謩e為60 m和1 100 m,但穩(wěn)定帶的頂?shù)捉缂捌浜穸入S氣體組分的變化而有所改變。

此外,漠河盆地沉積有厚度、粒度不等的碎屑巖,且淺部巖層遭受風(fēng)化強(qiáng)烈,裂隙發(fā)育,這些都為天然氣水合物的儲(chǔ)存奠定了基礎(chǔ)。由此可見,漠河盆地具有天然氣水合物形成的氣源條件、凍土條件和儲(chǔ)存條件,是東北凍土區(qū)天然氣水合物成礦條件最好的地區(qū),但目前發(fā)現(xiàn)的異常標(biāo)志不多,總體上列為中國(guó)凍土區(qū)的II級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2.5 其他地區(qū)

中國(guó)凍土區(qū)除上述4個(gè)Ⅰ、Ⅱ級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)外,青藏高原的昆侖山埡口盆地、唐古拉山—土門地區(qū)、喀喇昆侖地區(qū)、西昆侖—可可西里盆地,東北的根河盆地、拉布達(dá)林盆地、海拉爾盆地和新疆北部的阿爾泰地區(qū)等也有可能發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。

2.5.1 昆侖山埡口盆地

昆侖山埡口盆地是青藏公路(鐵路)線上的一小型盆地,因著名的62道班凍脹丘而聞名,并有常年不斷的氣體逸出現(xiàn)象(冷泉?dú)?,且昆侖山埡口斷裂帶的持續(xù)活動(dòng)為地下深處的烴類氣體提供了便利的向上運(yùn)移通道,有利于形成天然氣水合物。但這一地區(qū)的地溫梯度數(shù)據(jù)變化較大,如青藏鐵路沿線實(shí)測(cè)的地溫梯度平均值僅為1.585℃/100 m,但62道班凍脹丘的地溫梯度卻高達(dá)6.6℃/100 m,這勢(shì)必影響到能否形成天然氣水合物及其穩(wěn)定帶厚度,同時(shí)盆地規(guī)模相對(duì)較少,且未發(fā)現(xiàn)明顯的烴源巖,也未有煤、石油、天然氣等顯示的報(bào)道,氣源條件可能有限,我們將之劃歸Ⅲ級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2.5.2 唐古拉山—土門地區(qū)

該區(qū)位于羌塘盆地東部,但這里的找礦前景略遜于羌塘盆地腹地,我們將之單獨(dú)列出。唐古拉山—土門地區(qū)是羌塘盆地尋找油氣的最有利地區(qū)之一,能提供豐富的天然氣,同時(shí)這里也是西藏最重要的成煤區(qū)所在地,上二疊統(tǒng)和上三疊統(tǒng)含煤巖系均有分布,能提供一定規(guī)模的煤成氣,且這里的年平均地表地溫為-2.0～-4.0℃,凍土層厚度為80～120 m,具備形成天然氣水合物較為有利的氣源條件和凍土條件。但這里的地溫梯度相對(duì)較高,如103道班和115道班的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均為5.0℃/100 m,對(duì)天然氣水合物的形成明顯不利,總體上也劃歸Ⅲ級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2.5.3 喀喇昆侖地區(qū)

若單純從凍土條件和溫壓條件分析,喀喇昆侖地區(qū)應(yīng)是中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物成礦條件最有利的地區(qū),盡管實(shí)測(cè)的凍土資料較少,但周幼吾等的理論計(jì)算表明,這一地區(qū)的年平均地表地溫最低(-23.4℃),凍土層最厚(達(dá)750 m)[10]。筆者的模擬計(jì)算結(jié)果表明,喀喇昆侖山區(qū)能形成純甲烷組分、純二氧化碳組分和各種實(shí)測(cè)組分的天然氣水合物,且其穩(wěn)定帶最厚(圖3)。但這一地區(qū)的氣源條件究竟如何,是否有充足的烴類氣體來(lái)形成天然氣水合物還需進(jìn)行深入的調(diào)查研究。

2.5.4 西昆侖—可可西里盆地

該盆地地處青藏高原凍土區(qū)腹地,是青藏高原年平均地表地溫較低、凍土層厚度較大的地區(qū)(僅次于喀喇昆侖山地區(qū)),同時(shí)也是形成天然氣水合物最有利的地區(qū)之一,各種組分的水合物穩(wěn)定帶厚度也相對(duì)較厚。這里還有較為有利的氣源條件,如可可西里盆地賦存有多套烴源巖,并有較好的成油成氣潛力,且在可可西里腹地還發(fā)現(xiàn)有以噴氣為主、噴水為次的泥火山群,說(shuō)明有充足的氣源來(lái)形成天然氣水合物。但這一地區(qū)工作開展較少,目前尚未發(fā)現(xiàn)其他異常標(biāo)志,其成礦條件和找礦前景如何尚有待于深入工作。

2.5.5 東北根河盆地、拉布達(dá)林盆地、海拉爾盆地

與喀喇昆侖、西昆侖—可可西里盆地有所不同,東北凍土區(qū)的根河盆地、拉布達(dá)林盆地、海拉爾盆地則有較好的氣源條件,有的盆地已發(fā)現(xiàn)有天然氣或可燃?xì)怏w,但這幾個(gè)盆地的凍土條件相對(duì)較差,總體上也劃歸Ⅲ級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2.5.6 新疆阿爾泰地區(qū)

該區(qū)也是中國(guó)重要的凍土區(qū)之一,這里的凍土層較厚,且曾發(fā)現(xiàn)厚層地下冰,同時(shí)該區(qū)中小型含煤盆地發(fā)育,也有豐富的烴源巖,具備形成天然氣水合物的凍土條件和氣源條件,其找礦前景值得進(jìn)一步探討。

3 資源遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)

目前天然氣水合物資源評(píng)價(jià)方法大致有4種:①以水合物賦存狀態(tài)為對(duì)象的評(píng)價(jià)方法(體積法);②以水合物氣體來(lái)源為對(duì)象的評(píng)價(jià)方法;③基于水合物地球物理、地球化學(xué)等勘探方法為對(duì)象的評(píng)價(jià)方法;④以水合物形成機(jī)制為對(duì)象的評(píng)價(jià)方法。上述4種方法相輔相成,第1種方法是目前評(píng)價(jià)水合物資源量的基本方法,第2種方法則從有機(jī)質(zhì)演化角度進(jìn)行資源量評(píng)價(jià),是一種大尺度的評(píng)價(jià)方法,目前仍處于探索階段。其他2種方法僅作為水合物資源量計(jì)算的輔助手段,其最終目的是獲取資源評(píng)價(jià)所需的各種參數(shù)[23]。

筆者運(yùn)用體積法和蒙特卡羅法初步估算了青藏高原天然氣水合物的資源潛力,體積法的基本思路是假定天然氣水合物在一定范圍內(nèi)是連續(xù)分布的,然后按下述公式計(jì)算資源量:

式中V為天然氣水合物的資源量,m3;A為天然氣水合物分布區(qū)的面積,m2;ΔZ為天然氣水合物層的厚度,m;φ為沉積物的孔隙度,%;H為充填在孔隙中的天然氣水合物飽和度,%;E為產(chǎn)氣因子系數(shù),即1 m3天然氣水合物在常溫常壓下分解成甲烷氣的體積數(shù)。

評(píng)價(jià)的具體方法是先以2′×2′(約3.0 km×3.7 km)的網(wǎng)格編制出青藏高原不同氣體組分的天然氣水合物穩(wěn)定帶分布圖,每個(gè)網(wǎng)格的面積乘以相應(yīng)厚度即為水合物穩(wěn)定帶的體積,各個(gè)網(wǎng)格體積的累加即得到相應(yīng)組分的水合物穩(wěn)定帶總體積。然后保守地假定沉積物的平均孔隙度為10%,水合物飽和度為1%,水合物的產(chǎn)氣因子為160,利用上述公式估算出青藏高原純甲烷組分、祁連山木里組分、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)組分和羌塘盆地組分的天然氣水合物資源量分別為10.8 ×1012m3、20.2×1012m3、26.2×1012m3和90.7× 1012m3。

運(yùn)用體積法估算天然氣水合物資源量時(shí),由于上述5個(gè)參數(shù)特別是沉積物孔隙度(φ)和水合物飽和度(H)的取值范圍變化較大,從而影響了計(jì)算結(jié)果的可信度。因此,利用蒙特卡羅法對(duì)青藏高原的資源量再次進(jìn)行了估算。蒙特卡羅法是利用各種隨機(jī)變量的抽樣序列模擬給定概率的統(tǒng)計(jì)模型,得出數(shù)值解的近似統(tǒng)計(jì)值。體積法計(jì)算天然氣水合物資源量的5個(gè)參數(shù)中除分布面積(A)外,其他4個(gè)參數(shù)都是獨(dú)立的隨機(jī)變量,針對(duì)任一隨機(jī)變量蒙特卡羅法均可根據(jù)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(或理論假設(shè)數(shù)據(jù)),計(jì)算出相應(yīng)的頻率曲線,再根據(jù)頻率曲線給出一定頻率下的樣本值。然后根據(jù)一定概率下(例如0.5)各參數(shù)的樣本值計(jì)算出這一概率下的天然氣水合物資源量。蒙特卡羅法的估算結(jié)果顯示,在0.5概率下青藏高原純甲烷組分、祁連山木里組分、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)組分和羌塘盆地組分天然氣水合物的資源量分別為21.9×1012m3、33.5×1012m3、45.8×1012m3和153×1012m3(圖4),均比體積法估算的相應(yīng)資源量要大。

圖4 青藏高原天然氣水合物資源量累計(jì)頻率分布圖

由此可見,單純運(yùn)用體積法估算出的青藏高原天然氣水合物資源量為(10.8～90.7)×1012m3,若取中值應(yīng)為50.8×1012m3;單純運(yùn)用蒙特卡羅法估算出的資源量則為21.9×1012～153×1012m3,若取中值約為87.5×1012m3。綜合這2種估算結(jié)果,筆者初步認(rèn)為青藏高原天然氣水合物的資源量約為70×1012m3。位于陳多福等估算的青藏高原資源量(0.12×1012～240×1012m3)[16]及庫(kù)新勃等估算的資源量(45×1012～298×1012m3)[20]區(qū)間內(nèi)。

運(yùn)用類似方法初步估算出漠河盆地的天然氣水合物資源量約為5.5×1012m3。

以上的估算僅是一種非常初步的估算,沉積物孔隙度、水合物飽和度均帶有很大的推測(cè)性,且還假定了在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)均有水合物產(chǎn)出。事實(shí)上,上述水合物穩(wěn)定帶內(nèi)還有很多巖漿巖、變質(zhì)巖等不適宜于水合物形成的地區(qū),且即使在沉積巖(物)內(nèi)也不是所有的穩(wěn)定帶內(nèi)都有水合物產(chǎn)出。因此,上述資源量帶有很大的假定和推測(cè)成分,有可能代表中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物資源量的上限值,僅具參考意義。假定水合物穩(wěn)定帶內(nèi)有一半地區(qū)有水合物產(chǎn)出,那么青藏高原天然氣水合物的資源量約為35×1012m3,漠河盆地約為3×1012m3,中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物的總資源量約為38×1012m3,即約相當(dāng)于380×108t噸油當(dāng)量,顯示出中國(guó)凍土區(qū)具有巨大的天然氣水合物資源潛力,與美國(guó)Blake海嶺的水合物資源量(35×1012～65 ×1012m3)和日本南海海槽的水合物資源量(74×1012m3)基本相當(dāng),與中國(guó)常規(guī)天然氣資源量(陸上天然氣總資源量為29.9×1012m3,海上天然氣總資源量為13.8×1012m3)基本相當(dāng)。

4 結(jié)論

1)系統(tǒng)的氣源條件和溫壓條件研究結(jié)果表明,中國(guó)凍土區(qū)特別是青藏高原具備較好的天然氣水合物形成條件,且隨著氣體中重?zé)N組分的增加,能形成水合物的地區(qū)增大,水合物穩(wěn)定帶也增厚。

2)羌塘盆地是中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物找礦前景最好的地區(qū),其次是祁連山地區(qū)、風(fēng)火山—烏麗地區(qū)和東北漠河盆地。青藏高原的昆侖山埡口盆地、唐古拉山—土門地區(qū)、喀喇昆侖地區(qū)、西昆侖—可可西里盆地,東北的根河盆地、拉布達(dá)林盆地、海拉爾盆地和新疆北部的阿爾泰地區(qū)也有可能發(fā)現(xiàn)天然氣水合物。

3)運(yùn)用體積法和蒙特卡羅法初步估算了中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物資源量,其中青藏高原約為35×1012m3,漠河盆地約為3×1012m3,中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物的總資源量約為38×1012m3,即約相當(dāng)于380×108t油當(dāng)量,顯示出巨大的資源潛力。

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Resource potential and reservoir distribution of natural gas hydrate in permafrost areas of China

Zhu Youhai,Zhao Shengmin,Lu Zhenquan
(Institute of Mineral Sources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 31,ISSUE 1,pp.13-19,1/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

China is the third in the world with a permafrost area of 2.15×106km2,which is mainly distributed in the Qing-Tibet Plateau and the Daxing’anling area of Northeast China,where natural gas hydrate resources are extremely rich.Such related studies by the predecessors are most found to focus on the Qinghai-Tibet Plateau,while few studies have been conducted on the reservoir forecast and distribution of natural gas hydrate.In view of this,a further discussion is made on the forecast and distribution of natural gas hydrate reservoirs in the permafrost area of China as well as a preliminary assessment on its resource potential there.According to the generation conditions of natural gas hydrate including gas source,temperature and pressure,in combination with the currently discovered abnormal indicators,it is concluded that the permafrost area is favorable for the formation and accumulation of natural gas hydrate,the Qiangtang Basin will be the best target with a good prospect for natural gas hydrate reservoirs,next to that are the Qilianshan Mountainous area,the Fenghuoshan-Wuli area,and the Mohe Basin,and the next are those areas distributed in the Qinghai-Tibet Plateau like the Kunlun Pass Basin,Tanggula Range-Tumen,Karakorum region,and West Kunlun-Hoh Xil Basin,in Northeast China like the Genhe Basin,the Labudalin Basin and the Hailaer Basin,and in the northern Xinjiang like the Altay Mountainous area.The most important of all,natural gas hydrate has been discovered in the Muli area of the Qilianshan Mountain. The volumetric and the Monte-Carlo methods were adopted to calculate the resource reserves of natural gas hydrate in the permafrost area of China to be 3.8×1013m3,being 380×108t in oil equivalent.This calculation proves that there is a great potential for natural gas hydrate resources which are almost as much as the conventional natural gas resources in China.

China,natural gas hydrate,permafrost,resource assessment,Monte-Carlo Method,volumetric method,metallogenic condition,Qiangtang Basin

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(編號(hào):2009CB219501)、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“青藏高原凍土帶天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)”。

祝有海,1963年生,研究員;主要從事天然氣水合物和海洋地質(zhì)研究工作。地址:(100037)北京市西城區(qū)百萬(wàn)莊大街26號(hào)。電話:(010)68999032。E-mail:zyh@mx.cei.gov.cn

祝有海等.中國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物的找礦選區(qū)及其資源潛力.天然氣工業(yè),2011,31(1):13-19.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.003

2010-12-12 編輯 羅冬梅)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.003

Zhu Youhai,researcher,born in 1963,is mainly engaged in research of natural gas hydrate and marine geology.

Add:No.26,Baiwanzhuang Avenue,Xicheng District,Beijing 100037,P.R.China

Tel:+86-10-6899 9032E-mail:zyh@mx.cei.gov.cn