唐古拉凍土區(qū)氣水合物地球化學(xué)異常及成藏條件

李江濤，何文勁，謝啟興，文 龍，徐 剛，梁 斌

（1．西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2．四川省地勘局川西北地質(zhì)隊(duì)，四川 綿陽 621010）

唐古拉凍土區(qū)氣水合物地球化學(xué)異常及成藏條件

李江濤1,2，何文勁2，謝啟興2，文 龍1,2，徐 剛2，梁 斌1,2

（1．西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2．四川省地勘局川西北地質(zhì)隊(duì)，四川 綿陽 621010）

對(duì)唐古拉山北側(cè)溫泉盆地多年凍土區(qū)冷泉?dú)怏w樣品的化學(xué)分析表明，CH4平均含量為370×10-6，是青藏鐵路沿線（昆侖山口—安多）多年凍土區(qū)冷泉?dú)怏w中CH4平均含量的近113倍，表現(xiàn)出極高的地球化學(xué)異常。與國內(nèi)外多年凍土區(qū)天然氣水合物的形成條件相比，溫泉盆地地區(qū)具有天然氣水合物形成的凍土厚度與溫壓、烴類氣體與水源、流體運(yùn)移與儲(chǔ)集的良好條件，預(yù)示該區(qū)可能具有天然氣水合物的存在，是今后值得重視的天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)。

溫泉盆地；天然氣水合物；地球化學(xué)異常；唐古拉

天然氣水合物（Gas Hydrate）是烴類氣體分子與水分子在低溫（0～20℃）、高壓（2～25MPa）條件下形成的一種結(jié)晶狀的固體物質(zhì)，廣泛分布在水深300～3 000m的海底、深湖泊沉積物或地表130～2 000m以下的多年凍土區(qū)中[1-2]。天然氣水合物因其具有使用方便、燃燒值高、污染少以及儲(chǔ)量巨大的獨(dú)特優(yōu)勢，被譽(yù)為“21世紀(jì)最大新型能源”[3]。為開發(fā)這種新能源，世界各國不惜投入巨資進(jìn)行勘查研究。我國有關(guān)工作起步較晚，主要集中在近海區(qū)域，但近年來青藏高原多年凍土區(qū)已成為尋找天然氣水合物的重點(diǎn)地區(qū)之一，并已取得了重要的進(jìn)展[4-5]。

青藏高原作為“世界第三極”，多年凍土區(qū)面積約150×104km2，占世界多年凍土面積的7%，約占中國凍土面積的70%[6]，已開展的地球物理、化學(xué)勘探表明青藏高原多年凍土區(qū)具備天然氣水合物形成條件，初步估計(jì)天然氣水合物儲(chǔ)量約為1.2×1011～2.4×1014m3[7]。

溫泉盆地區(qū)位于青藏高原的腹地唐古拉山地區(qū)，平均海拔大于5 000m。本次在唐古拉山溫泉地區(qū)開展的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，在溫泉盆地東側(cè)多年凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)冷泉冒氣現(xiàn)象，并采集冷泉?dú)怏w進(jìn)行化學(xué)分析，以期為該地區(qū)天然氣水合物資源的尋找提供地球化學(xué)依據(jù)。

1 樣品采集及分析結(jié)果

采樣地點(diǎn)位于溫泉盆地東側(cè)茸馬河北岸凍脹丘旁的一泉水坑，水坑底部布滿直徑約5mm的氣泡，見氣泡從坑底冒出，泉水坑的東側(cè)為一活動(dòng)斷層。樣品采集采用排水法，收集并密封保存在2個(gè)500mL玻璃容器中。樣品送中國科學(xué)院蘭州油氣研究所，首先用氣相色譜（GC）進(jìn)行烴類氣體分析，再利用氣體同位素質(zhì)譜（MS, Finnigan MAT271）測定非烴組分，歸一化得到全組分?jǐn)?shù)據(jù)。測試結(jié)果見（表1）。由表1可知，冷泉?dú)鈽又?，氣體以N2、O2、CO2、Ar為主，以及少量的CH4、H2S氣體。

兩件樣品中上述氣體成分差別不大，其中CO2含量為2.67%、3.89%，CH4含量為340×10-6、400×10-6。據(jù)盧振權(quán)等[8]研究，青藏高原鐵路沿線（昆侖山口—安多）多年凍土區(qū)低空大氣中CO2含量介于0.050% ～0.235%，平均含量為0.096%，CH4含量介于0.66×10-6～3.64×10-6，平均含量為1.95×10-6；冷泉?dú)鈽又蠧O2含量介于0.257%～22.223%，平均含量為5.885%，CH4含量介于1.47×10-6～6.93×10-6，平均含量為3.29×10-6。與之相比較，本次分析樣品中CO2平均含量為3.28%，是其低空大氣中CO2平均含量的34.17倍，與其冷泉?dú)鈽又蠧O2平均含量相差不大；而CH4平均含量為370×10-6，是其低空大氣中CH4的平均含量的189.74倍，冷泉?dú)鈽又蠧H4平均含量的112.46倍。

表1 冷泉?dú)鈽又袣怏w組分含量

上述比較表明，溫泉盆地東側(cè)冷泉?dú)鈽又械腃H4顯示出極高的地球化學(xué)異常，為該凍土區(qū)天然氣水合物的存在提供了重要的證據(jù)。

2 溫泉盆地區(qū)天然氣水合物成藏條件分析

溫泉盆地位于唐古拉山北側(cè)，是青藏鐵路沿線上所能見到的規(guī)模最大的一個(gè)近SN向盆地[9]，盆地東西谷寬8～12km，南北長約40km，面積約380km2，平均海拔大于5 000m，是上疊于侏羅紀(jì)前陸盆地之上的第四紀(jì)盆地，第四紀(jì)沉積物厚度大于1 000m[10]，盆地的兩側(cè)，特別是西側(cè)發(fā)育一組近SN向的活動(dòng)斷層—溫泉斷層。第四紀(jì)盆地的基底為中—上侏羅系雁石坪群碎屑巖—碳酸鹽巖建造，由下向上依次為雀莫錯(cuò)組（J2q）、布曲組（J2b）、夏里組（J2x）、索瓦組（J3s）和雪山組（J3xs），屬于一套淺海相、濱海相及陸相環(huán)境的沉積地層。

2.1 多年凍土厚度與溫壓條件

溫泉盆地是青南—藏北高原北部高寒帶大片多年凍土區(qū)之一，凍土厚度達(dá)80～120m[6]。這不僅與已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的我國祁連山多年凍土區(qū)凍土厚度50～139m[5]極為接近，而且也與推測有天然氣水合物分布的漠河多年凍土區(qū)（凍土厚度20～140m）[11]和西伯利亞Yamal半島的多年凍土區(qū)的凍土厚度相當(dāng)[12]。由此可見，溫泉盆地多年凍土區(qū)的凍土厚度，滿足天然氣水合物形成的凍土條件。

溫泉盆地特有的海拔高度，決定了該區(qū)年均地溫常年處于－0.5～0℃[6]的低溫條件。王家澄等[13]對(duì)青藏公路沿線10個(gè)穿透多年凍土層的鉆孔測溫結(jié)果的分析和計(jì)算，得出103道班（位于溫泉盆地）凍土地溫梯度為2.5℃/100m，低于整個(gè)青藏高原凍土地溫梯度平均值（4.18℃/100m）[5]。與已相繼在凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的俄羅斯西伯利亞麥素雅哈（－8～－12℃），1.0～3.0℃/100m）[14]、美國阿拉斯加北坡（－4.6～－12.2℃，1.5～5.2℃/100m）[15]、加拿大馬更些三角洲（－1℃，1.8℃/100m）[16]以及我國的祁連山多年凍土區(qū)（－2.6℃，2.2℃/100m）[5]的地溫梯度基本相當(dāng)。另外，祝有海等[5]通過利用Sloan的CSMHYD軟件對(duì)唐古拉山—土門地區(qū)（溫泉盆地屬于該區(qū)）進(jìn)行了溫壓條件計(jì)算，結(jié)果顯示該區(qū)具備形成天然氣水合物的溫壓條件，能形成天然氣水合物的穩(wěn)定帶。因此，溫泉盆地多年凍土區(qū)溫壓條件有利于天然氣水合物的形成。

2.2 烴類氣體來源與水源條件

天然氣水合物的形成需要大量烴類氣體的供給，因此，對(duì)于能否在凍土區(qū)形成天然氣水合物，就要看該區(qū)域地層或沉積物中是否具有烴源巖。

據(jù)前人對(duì)羌塘盆地?zé)N源層的研究，初步確定存在12套烴源層，其中主要烴源層4套，即索瓦組（J3s）、夏里組（J2x）、布曲組（J2b）和肖茶卡組（T3x）[17]。據(jù)秦建中[18]對(duì)3套侏羅系烴源巖研究得出，其有效泥質(zhì)烴源巖厚度一般在100～500m，有效碳酸鹽烴源巖厚度一般在200～600m；其有效泥質(zhì)烴源巖中J2x頁巖殘余總有機(jī)碳含量（TOC%）平均最高達(dá)4.15%，有效碳酸鹽烴源巖中J3s泥灰?guī)r殘余總有機(jī)碳含量（TOC %）平均最高達(dá)1.26%。另外，已在這些侏羅系儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了裂隙式、晶洞式油氣苗顯示和大量冷泉碳酸鹽巖[19-20]，具有良好油氣形成條件。根據(jù)前面對(duì)溫泉盆地地層組成的敘述，可以看出，該區(qū)地層包括了這4套主要烴源層中的3套，即索瓦組（J3s）、夏里組（J2x）、布曲組（J2b）。因此，溫泉盆地的烴源巖充足，是區(qū)內(nèi)烴類氣體生成的保證，利于該區(qū)天然氣水合物的形成。

溫泉盆地冰川發(fā)育，冰川融水匯聚形成眾多河曲，如布曲河、茸瑪河、尼亞曲、沙賽曲等，保證了該區(qū)水的供給。據(jù)樊溶河等[21]對(duì)該盆地中淺層地下水（指凍結(jié)層下水）與河水水質(zhì)分析表明，水的礦化度僅為0.2～0.6g/L，屬于淡水（礦化度為0.0～1g/L），淡水的含鹽濃度只有0.01‰～0.5‰。最新的研究表明，當(dāng)水鹽度低于4‰時(shí)，對(duì)天然氣水合物的形成與穩(wěn)定性影響已經(jīng)很小了[22]。因此，溫泉盆地地下水的鹽度對(duì)該區(qū)天然氣水合物的形成幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。

2.3 流體運(yùn)移條件

與常規(guī)天然氣成藏一樣，流體運(yùn)移對(duì)于凍土區(qū)天然氣水合物的形成也是至關(guān)重要的。天然氣水合物中烴類氣體的來源并非簡單地由原地有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化而成，還包括深部與外部遷移而來的烴類氣體[23]，僅靠水合物穩(wěn)定帶原地的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化生成烴類氣體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，各種斷裂、裂縫和滲透性巖層等運(yùn)移系統(tǒng)為深部與外部烴類氣體的運(yùn)移與持續(xù)補(bǔ)給提供了可能[24]?？v觀世界天然氣水合物區(qū)，如美國布萊克脊區(qū)（Blake Ridge）、智利三聯(lián)點(diǎn)區(qū)（Chile Triple junction）、日本南海海槽區(qū)（Nankai Trough）[25]以及我國青海祁連山凍土區(qū)，其天然氣水合物的形成，無不顯示出斷裂構(gòu)造為深部與外部來源的烴類氣體所起的指向運(yùn)移作用。

溫泉第四紀(jì)盆地的形成本身受近SN向溫泉活動(dòng)斷裂控制，使盆地呈現(xiàn)出箕狀半地塹的特征，整個(gè)盆地基地面向西傾斜。已有的研究表明，其最大活動(dòng)速率可達(dá)1.8mm/a[26]。盆地周圍侏羅系發(fā)育一系列近東西向的斷層，切割中侏羅統(tǒng)地層。尤為值得一提的是，本次冷泉?dú)鈽拥牟杉嘏跃陀幸粭l近SN的活動(dòng)斷層穿過，該活動(dòng)斷層可能為甲烷氣體的上升提供了通道。另外，溫泉地區(qū)屬溫泉—昌都地震帶，地震頻繁，分別于1956年8月5日和2008年6月10日，發(fā)生了4.7級(jí)和5.5（MS）級(jí)地震[21，27]。這些斷裂和地震產(chǎn)生的裂縫之間相互連通，使該區(qū)發(fā)育了通暢的流體運(yùn)移系統(tǒng)。因此，溫泉盆地具備天然氣水合物形成的流體運(yùn)移條件。

2.4 儲(chǔ)集條件

天然氣水合物礦藏的形成還受到天然氣水合物穩(wěn)定帶本身特性的制約[25]。其中，巖性本身特征是其主要影響因素，即天然氣水合物在不同巖性體中表現(xiàn)出不同的飽和度。最新的實(shí)驗(yàn)表明，砂質(zhì)沉積物中天然氣水合物的飽和度可達(dá)79%～100%，泥砂中可達(dá)到15%～40%，砂質(zhì)黏土泥中只有2%～6%[25]。2008～2009年，我國在青海祁連山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物實(shí)物樣品的產(chǎn)出層位的巖性也正是天然氣水合物飽和度高的細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等砂質(zhì)沉積物中[28]。溫泉盆地周圍砂質(zhì)巖類發(fā)育，特別是雀莫錯(cuò)組，其為一套砂巖、粉砂巖和泥巖夾灰?guī)r沉積組合，類似我國祁連山多年凍土區(qū)的地層結(jié)構(gòu)與巖性特征。因此，對(duì)于天然氣水合物的儲(chǔ)集而言，該區(qū)具備其所需的儲(chǔ)集條件。

3 結(jié)論

唐古拉山北側(cè)溫泉盆地多年凍土區(qū)冷泉?dú)鈽又蠧H4含量為340×10-6、400×10-6，其CH4平均含量為370×10-6，與青藏高原鐵路沿線（昆侖山口—安多）多年凍土區(qū)冷泉?dú)鈽又蠧H4平均含量3.29×10-6相比，是其近113倍，表現(xiàn)出極高的地球化學(xué)異常。

與國內(nèi)外多年凍土區(qū)天然氣水合物形成的條件相比較，溫泉盆地地區(qū)具有天然氣水合物形成的凍土厚度與溫壓、烴類氣體與水源、流體運(yùn)移與儲(chǔ)集的良好條件，并且已有地球化學(xué)異常顯示。預(yù)示該區(qū)具有天然氣水合物的存在，是今后值得重視的天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)。

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Geochemical Anomalies and Accumulating Conditions of Gas Hydrates in Frozen Earth Zone, Tanggula

LI Jiang-tao1,2HE Wen-jing2XIE Qi-xing2WEN Long1,2XU Gang2LIANG Bin1,2
(1- School of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010; 2- Northwest Sichuan Geological Party, Mianyang, Sichuan, 621010, China)

Geochemical survey of cold spring from frozen earth zone in the Wenquan basin, north of the Tanggula Mountains show the average content of CH4of 370×10-6which is about 113 times of that along the Qinghai-Tibet Railway. There are many favorable conditions for the formation of gas hydrate, such as frozen earth thickness, temperature and pressure, hydrocarbon gas and water source, fluid migration and reservoir in the Wenquan basin.

Wenquan basin; gas hydrate; geochemical anomaly; Tibet

P618.13；632+,1

A

1006-0995（2014）04-0551-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.017

2014-03-13

中國地質(zhì)調(diào)查局青海龍亞拉地區(qū)1:5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：121201122019）

李江濤(1989- )，男，四川成都人，碩士研究生，主要從事礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查研究