凍土區(qū)天然氣水合物的探途元素—鹵族元素I和Cl

唐瑞玲， 孫忠軍， 張舜堯， 李慶霞, 楊志斌， 張富貴， 周亞龍

(中國地質(zhì)科學(xué)院　地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊　065000)

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凍土區(qū)天然氣水合物的探途元素—鹵族元素I和Cl

唐瑞玲， 孫忠軍， 張舜堯， 李慶霞, 楊志斌， 張富貴， 周亞龍

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊065000)

孔隙水Cl-含量異常計(jì)算海底天然氣水合物的飽和度取得了重要的進(jìn)展，但在陸域天然氣水合物勘查中鹵族元素的有效性需要探索。選擇祁連山凍土區(qū)三露天天然氣水合物礦藏進(jìn)行了土壤I和Cl的地球化學(xué)勘查試驗(yàn)，研究了土壤I、Cl和I/Cl的水合物異常模式，探討了影響因素，進(jìn)一步討論了土壤Cl元素的地球化學(xué)障和I元素異常形成機(jī)理。試驗(yàn)表明，①Cl元素負(fù)異常是水合物礦層Cl元素的貧化和煤層地球化學(xué)障的綜合效應(yīng)；②I元素環(huán)狀模式是水合物礦藏邊界微滲漏和高寒湖沼土壤富集I的能力較差的結(jié)果；③I和Cl是凍土區(qū)天然氣水合物的探途元素。

鹵族元素； 環(huán)狀異常； 負(fù)異常； 天然氣水合物； 凍土區(qū)

0　前言

鹵族元素，特別是土壤碘，經(jīng)過近40年的勘查實(shí)踐，已經(jīng)成為油氣勘查的一種輔助指標(biāo)[1-10]。油氣田上方土壤碘主要呈暈狀異?；颦h(huán)狀異常[7, 11-13]。土壤碘的地質(zhì)影響因素主要是油氣田、斷層和微裂隙，表生影響因素是土壤巖性、pH和有機(jī)質(zhì)等[2, 11, 14-17]。近十幾年，鹵族元素應(yīng)用于海域天然氣水合物調(diào)查取得一些進(jìn)展(如沉積物孔隙水Cl-降低以及較重的δ18O已經(jīng)成功地用于海域水合物的調(diào)查之中[18-21]，近幾年也有學(xué)者嘗試研究海底沉積物孔隙水Br-和I-特征與水合物的關(guān)系[22])，而陸域凍土區(qū)天然氣水合物鹵族元素勘查國內(nèi)、外未見報(bào)道，作者在祁連山三露天天然氣水合物礦藏進(jìn)行了試驗(yàn)，認(rèn)為土壤I和Cl是凍土區(qū)天然氣水合物的有效探途元素。

1　研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)位于祁連山木里煤田聚乎更礦區(qū)，礦區(qū)總體上是一個(gè)復(fù)式背斜構(gòu)造。北向斜分布有三井田、二井田和一露天，南向斜由四井田、一井田、三露天和二露天組成，天然氣水合物礦藏位于聚乎更礦區(qū)南向斜三露天井田內(nèi)[23-24]。

三疊統(tǒng)地層廣泛出露于礦區(qū)南北部和背斜軸部，巖性以黑色粉砂巖、泥巖及薄煤層為主。中侏羅統(tǒng)木里組下巖性段(J2m1)為辮狀河沖積平原沉積，巖性為中-粗粒碎屑巖，偶夾薄層碳質(zhì)泥巖或薄層煤，木里組上巖性段(J2m2)為湖泊-沼澤環(huán)境沉積相，巖性為深灰色粉砂巖、細(xì)砂巖及灰色細(xì)-中粒砂巖、粗粒砂巖夾兩層主煤層；中侏羅統(tǒng)江倉組下巖性段(J2J1)為三角洲-湖泊環(huán)境的灰色細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和深灰色泥巖、粉砂巖，含煤2-6層，江倉組上巖性段(J2J2)為厚層油頁巖段，是一套淺湖-半深湖環(huán)境的細(xì)碎屑泥巖、粉砂巖；上侏羅統(tǒng)(J3)是半干旱和干旱氣候下形成的一套紅色碎屑巖。測區(qū)DK3水合物鉆孔烴源巖鏡質(zhì)體反射率Ro值為0.78%～1.1%，處于熱演化成熟并大量生成油氣的階段，最高熱解峰峰溫Tmax在44℃～470℃，說明烴源巖進(jìn)入生油高峰，開始生成少量天然氣[25]。

祁連山木里天然氣水合物產(chǎn)于中侏羅統(tǒng)江倉組地層中，“裂隙型”以薄層狀、片狀、團(tuán)塊狀賦存于粉砂巖、泥巖和油頁巖的裂隙面上；“孔隙型”呈浸染狀賦存于粉砂巖、中砂巖的孔隙中[26]。到目前為止，已經(jīng)在水合物鉆井中發(fā)現(xiàn)三層水合物，產(chǎn)出深度在133 m～396 m之間[27]，水合物層甲烷含量為54%～76%，乙烷含量為8%～15%，丙烷含量為4%～21%，并有少量的丁烷、戊烷等，CO2含量一般為1%～7%，高的可達(dá)15%～17%，水合物光譜曲線與墨西哥海底水合物樣品相似，屬于II型水合物[27]。

研究區(qū)介于托來南山和大通山之間，海拔高度一般為4 000 m～4 300 m，是祁連山凍土區(qū)的中心地區(qū)，地貌以山地沼澤為主，發(fā)育高寒草地土壤。

2　樣品采集與測試方法

2.1樣品采集

研究區(qū)面積為150 km2，采樣密度為2個(gè)點(diǎn)/km2，采樣深度為0.6 m，共采集土壤樣品300件。樣品在野外涼干，截取-20目粒級的樣品100 g，用紙樣袋包裝，送實(shí)驗(yàn)室分析。

2.2樣品測試

運(yùn)用X射線熒光光譜法(XRF)測定土壤Cl。稱取200目的樣品4 g，經(jīng)105 ℃烘干，用低壓聚乙烯鑲邊，并在35 t的壓力下壓制成樣品直徑為32 mm的圓片，用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制作校準(zhǔn)曲線。

3　結(jié)果與討論

3.1鹵族元素地球化學(xué)異常

3.1.1I的地球化學(xué)異常

用頻率分布方法圈出了土壤I的三級異常，一級異常土壤I的累積頻率為88%～95%，異常下限為0.26×10-6；二級異常累積頻率為95%～98%，異常下限為2.7×10-6；三級異常累積頻率大于98%，異常下限為3.2×10-6。測區(qū)主要圈出了三個(gè)土壤I的異常，其中I號異常為半環(huán)狀異常，II、III號異常為頂部異常(圖1)。

圖1　祁連山木里地區(qū)土壤I地球化學(xué)異常圖Fig.1　Iodine geochemical anomalies in the Muli area of the Qilian mountains

I號異常位于木里天然氣水合物礦區(qū)(圖1)，是研究區(qū)面積最大的異常，包括南北兩翼的高值異常和中間的背景區(qū)，異?？偯娣e15.4 km2，異常平均值為3.57×10-6，發(fā)育三級異常。北翼異常面積為3.54 km2，異常強(qiáng)度較大，為三級異常，南翼異常面積為6.03 km2，也發(fā)育三級異常，南北兩翼包圍的背景面積約5.83 km2，異常呈半環(huán)狀位于水合物礦藏的南北兩翼，這種異常模式在油氣化探中也常見到，主要受到斷裂構(gòu)造和油氣邊界微裂隙的控制[28]。從圖1可以明顯看出，南翼的異常展布方向?yàn)镹WW向，與區(qū)域逆斷層展布方向相似，北翼異常呈現(xiàn)東西拉長的橢球狀，位于區(qū)域逆斷層F2的上盤，同時(shí)受到NNE向正斷層的約束。可以這樣認(rèn)識，斷裂構(gòu)造F1和F2為I異常的形成提供了通道。進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn)，干井DK4位于I號異常外部，干井DK5和DK6位于高值異常區(qū)，此次調(diào)查前所鉆的天然氣水合物井DK1-3、DK7和調(diào)查后的水合物井DK9、DK3-11、DK12-13、DK11-14位于環(huán)狀異常包圍的低值異常范圍。所以土壤I的半環(huán)狀異常對天然氣水合物,具有很高的預(yù)測成功率。

II號異常位于露天采煤區(qū)的東部，異常受到NWW向區(qū)域逆斷層的控制，主體位于逆斷層的南部(圖1)。該異常與土壤酸解烴甲烷、重?zé)N和土壤熱釋光異常構(gòu)成組合關(guān)系[17,29-32]，可以認(rèn)為是深部烴類遷移形成的異常，初步預(yù)測該異?？赡苁怯蜌庖鸬漠惓?。

III號異常位于測區(qū)的西北角，異常受到兩條區(qū)域斷層的控制(圖1)。該異常組合與II號異常相似，也是與土壤酸解烴甲烷、重?zé)N和土壤熱釋光異常構(gòu)成組合關(guān)系。II、III號異常呈現(xiàn)頂部異常，異常模式與已知天然氣水合物異常模式不同，在該區(qū)許多天然氣水合物鉆孔已發(fā)現(xiàn)油氣顯示，我們認(rèn)為II、III號異?？赡芘c油氣有關(guān)，也應(yīng)該引起重視。

3.1.2Cl的地球化學(xué)異常

與I的異常模式不同，土壤Cl元素呈現(xiàn)負(fù)異常。三級負(fù)異常的圈定也是用頻率分布方法，一級負(fù)異常累積頻率為25%～15%，異常上限為90×10-6；二級異常累積頻率為15%～5%，異常上限為84.72×10-6；三級異常累積頻率小于5%，異常上限為77.97×10-6。測區(qū)主要圈出了四個(gè)土壤Cl的負(fù)異常。

I號負(fù)異常位于木里三露天天然氣水合物礦區(qū)，發(fā)育三級異常(圖2)。一級異常面積為14.2 km2，異常均值為78.5×10-6；二級異常面積為6.2 km2，異常均值為75.5×10-6；三級異常面積為3.1 km2，異常均值為64.4×10-6，該負(fù)異常濃積中心明顯，異常展布方向雖然與區(qū)域斷裂構(gòu)造方向不明顯，但是區(qū)域逆斷層穿過負(fù)異常的中心，說明區(qū)域逆斷層與負(fù)異常存在遮擋關(guān)系，這是一個(gè)與天然氣水合物礦藏相聯(lián)系的地球化學(xué)負(fù)異常，工作前的水合物鉆井DK1-3和DK-7位于二級負(fù)異常之內(nèi)，工作后的水合物鉆井DK9、DK12-13、DK1-14位于一級和二級負(fù)異常內(nèi)，只有DK13-11水合物井受NNE向斷層西側(cè)，位于異常之外。另外，作者還注意到水合物鉆孔DK0-17、DK1-14、和DK13-11沒有發(fā)現(xiàn)煤層。天然氣水合物礦藏土壤Cl元素的負(fù)異常證明，天然氣水合物礦藏上方除了頂部異常和環(huán)狀異常外，還存在負(fù)異常模式。

圖2　祁連山木里地區(qū)土壤Cl地球化學(xué)異常圖Fig.2　Chlorine geochemical anomalies in the Muli area of the Qilian mountains

II號負(fù)異常位于露天煤礦區(qū)南部的二井田和三井田(圖2)，一級異常面積大于6.5 km2，異常均值為73.4×10-6；二級異常面積為5.5 km2，異常均值為73.4×10-6；三級異常面積為3.4km2，異常均值為66.7×10-6，異常展布受到測區(qū)南部逆斷層和煤田的控制，兩個(gè)三級異常分別與一井田和五井田對應(yīng)，DK5天然氣水合物干井位于五井田的三級異常內(nèi)，這是一個(gè)反映煤田的地球化學(xué)負(fù)異常。

III號負(fù)異常位于測區(qū)西南部的四井田，異常展布方向受到區(qū)域逆斷層F2的控制，呈NWW向分布，異常發(fā)育兩個(gè)濃集中心，南部異常位于四井田，北部異常位于露天采煤區(qū)西部(圖2)。該一級異常面積可與I號異常相比，約10.3 km2，二級異常面積為5.5 km2，三級異常面積為4.2 km2，推測III號負(fù)異常也是與煤田有關(guān)的異常。

IV號異常位于測區(qū)西部的三井天，這是測區(qū)最小最弱的異常，異常展布方向受到斷層的控制，很明顯這也是一個(gè)與煤田有關(guān)的負(fù)異常(圖2)。

總之，測區(qū)土壤Cl的負(fù)異常主要與天然氣水合物礦藏和已知煤田有關(guān)，也受到區(qū)域逆斷層的控制。

3.1.3I/Cl的地球化學(xué)異常

為了突出天然氣水合物地球化學(xué)異常，制作了I/Cl地球化學(xué)異常圖(圖3)。從圖3可以看出，木里水合物礦藏上方的異常得到改善，I/Cl的異常呈現(xiàn)閉合度較高的環(huán)狀異常。其他異常，如I的II、III號異常面積明顯減小，Cl元素與煤田有關(guān)的異常面積也減小了很多?？傊琁/Cl可以有效提取土壤中天然氣水合物的鹵族元素信息。

圖3　祁連山木里地區(qū)土壤I/Cl地球化學(xué)異常圖Fig.3　I/Cl geochemical anomalies in the Muli area of the Qilian mountains

3.2有機(jī)碳、地球化學(xué)障與Cl和I異常的關(guān)系

3.2.1有機(jī)碳與Cl和I異常的關(guān)系

一些學(xué)者很早發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳吸附I，使得I在土壤中富集[10-11,15]。高寒沼澤土壤鹵族元素的富集是否受到土壤有機(jī)碳的控制，前人沒有研究。作者對測區(qū)每個(gè)土壤樣品進(jìn)行了有機(jī)碳測定，制作了土壤有機(jī)碳與Cl和I的散點(diǎn)圖(圖4)，參與統(tǒng)計(jì)的樣品300件，相關(guān)系數(shù)臨界值r0.05=0.113、r0.1=0.148，從圖4可以看出，土壤有機(jī)碳與Cl、I沒有相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)楦吆訚傻貐^(qū)由于氣溫較低，有機(jī)質(zhì)含量偏低，有機(jī)酸不宜形成，土壤有機(jī)質(zhì)對Cl和I的吸附作用較差的緣故。

3.2.2煤層地球化學(xué)障與Cl和I異常的關(guān)系

煤層中富集Cl和Br元素，并且以有機(jī)物的形式存在，但較少富集I元素[33]，木里煤田是青海省重要的煤炭產(chǎn)地，煤層主要產(chǎn)于中侏羅統(tǒng)木里組和江倉組[24]。從表1可以看出：①Cl元素的負(fù)異常與測區(qū)的已知煤田關(guān)系非常密切，不管是露天煤礦還是井田，除了雷尼克井田外，均出現(xiàn)Cl元素的負(fù)異常；②土壤I的正異常與煤田沒有成因關(guān)系；③I/Cl異常在一些煤田上還存在弱異常，說明通過計(jì)算可以排除煤田的一些干擾，強(qiáng)化水合物異常。

圖4　祁連山木里地區(qū)土壤有機(jī)碳與Cl、I散點(diǎn)圖Fig.4　Organic carbon and Cl、I scatter plot in the Muli area of the Qilian mountains

表1　聚乎更盆地煤田與土壤Cl、I和I/Cl的關(guān)系

深入認(rèn)識土壤Cl元素負(fù)異常與煤田的關(guān)系，可以得出煤層是Cl元素垂向遷移的地球化學(xué)障的結(jié)論，主要有以下理由：①海洋天然氣水合物礦層Cl-呈現(xiàn)明顯的負(fù)異常[18,20-21]，這是海底天然氣水合物的重要標(biāo)志之一，而且可以根據(jù)孔隙水Cl-含量異常模式計(jì)算布萊克海臺天然氣水合物的飽和度[18,21,34]；②煤層中富集Cl元素，而且多以有機(jī)態(tài)存在[29]，這是國、內(nèi)外煤田地球化學(xué)家的共識；③木里煤田上方明顯存在Cl元素的地球化學(xué)負(fù)異常；④陸域天然氣水合物礦藏上方由于煤層的地球化學(xué)障和水合物礦層負(fù)異常的雙重作用，使得土壤中的Cl呈現(xiàn)負(fù)異常。

3.2.3土壤I 環(huán)狀異常的形成機(jī)理

祁連山木里天然氣水合物礦藏上方，土壤酸解烴、頂空氣、惰性氣體、熱釋光和金屬元素為頂部異常模式[29-33]，紫外吸收光譜和熒光光譜呈環(huán)狀異常模式，土壤I元素是半環(huán)狀異常，現(xiàn)探討I元素異常的形成機(jī)理。

在油氣藏上方土壤I的環(huán)狀異常模式比較常見，這是因?yàn)橛蜌獠剡吔缥⒘严栋l(fā)育，I的有機(jī)化合物很容易、且穩(wěn)定地遷移到近地表，形成環(huán)狀異常[34]，如果土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)育，土壤I往往與有機(jī)質(zhì)結(jié)合，在表層土壤中富集形成頂部異常，秦愛華等[10]很好地說明了這個(gè)問題，松遼盆地土壤I與有機(jī)碳關(guān)系密切，已知油氣田上方淺層土壤(0 cm～20 cm)發(fā)育地球化學(xué)巨省，異常面積約21 000 km2；深層土壤(大于1.5 m)則是典型的地球化學(xué)巨環(huán)，為14 035 km2[10]。祁連山木里雖然屬于高寒沼澤區(qū)，但由于土壤有機(jī)碳含量較低，有機(jī)質(zhì)很難與I形成有機(jī)化合物，因而淺層土壤保留了I的微滲漏環(huán)狀。由此可見，I元素地球化學(xué)模式的形成是微滲漏和表層土壤物理化學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果。

4　結(jié)論

1)祁連山木里天然氣水合物礦藏鹵族元素勘查試驗(yàn)表明，鹵族元素I和Cl是陸域凍土區(qū)天然氣水合物的探途元素。

2)水合物礦藏上方土壤中鹵族元素呈現(xiàn)兩種模式，①I元素呈現(xiàn)環(huán)狀模式;②Cl元素為負(fù)異常模式。

3)Cl元素異常受到煤層地球化學(xué)障的影響，I異常幾乎不受其影響。

4)Cl元素負(fù)異常的形成機(jī)理是水合物礦層Cl元素的貧化和煤層地球化學(xué)障的綜合效應(yīng),I元素地球化學(xué)模式是微滲漏和高寒湖沼土壤物理化學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果。

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Halogen elements I and Cl:the exploratory elements of gas hydrate in permafrost area

TANG Rui-ling, SUN Zhong-jun, ZHANG Shun-yao, LI Qin-xia,YANG Zhi-bin, ZHANG Fu-gui, ZHOU Ya-long

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang065000, China)

An important progress has been made on the calculation of gas hydrate saturation in marine sediments by anomaly of Cl- content in the pore water in recent years. However, the validity of this method on land gas hydrate exploration still needs to be researched. This paper selects the Sanlutian gas hydrate mining in the permafrost region of Qilian mountain to research the soil I and Cl geochemical exploration, studies the anomaly patterns of I, Cl and I/ Cl, then explored the influence. The soil Cl geochemical barrier and the formation mechanism of I anomaly are further discussed in the previous studies. Experiment shows the Cl negative anomaly is a synthetic effect caused by the dilution of Cl in gas hydrate formation and coal geochemical barrier; The I annular anomaly pattern is caused by the micro leakage of gas hydrate boundary and the low I capacity of limnetic soil in high-cold area; I and Cl are the pathfinder element of gas hydrate in the permafrost region.

halogen elements; ring anomaly; negative anomaly; natural gas hydrate; permafrost area

2015-04-22改回日期：2015-09-22

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(GZHL20110327,GZH2014003002);中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目(12120114004101)

唐瑞玲(1985-)，女，工程師，現(xiàn)從事地球化學(xué)分析測試方法技術(shù)研究工作， E-mail：tangruiling@igge.cn。

1001-1749(2016)04-0553-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.18