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      木里地區(qū)永久凍土層的形成及對(duì)天然氣水合物的成藏影響

      2022-05-08 05:51:14王莉平朱英豪徐拴海田延哲劉乃飛王文麗
      煤田地質(zhì)與勘探 2022年4期
      關(guān)鍵詞:凍土層多年凍土木里

      王莉平,朱英豪,李 寧,徐拴海,田延哲,劉乃飛,王文麗

      (1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;3.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710055)

      天然氣水合物是由水分子和小分子組成的具有籠狀結(jié)構(gòu)的白色或淺灰色冰雪狀結(jié)晶化合物,因其中氣體分子以甲烷(CH4)為主(體積分?jǐn)?shù)>90%),也稱為甲烷水合物或水合物(Gas Hydrate)[1]。天然氣水合物是氣體分子和水分子在低溫高壓條件下形成的白色結(jié)晶狀物質(zhì),主要賦存于海底沉積物、陸域永久凍土帶及一些深水湖泊底部沉積物中[2],由于其能量密度高、分布廣、規(guī)模大、埋藏淺、成藏物化條件優(yōu)越,被視為21 世紀(jì)最具潛力的代替煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源之一[3],2017 年11 月3 日,國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)將天然氣水合物列為新礦種[4]。

      我國(guó)是世界上第三凍土大國(guó),在青藏高原和大興安嶺地區(qū)分布著大片凍土區(qū),多年凍土面積達(dá)2.15×106km2,占國(guó)土總面積的22.4%[5]。1998 年,據(jù)中國(guó)科學(xué)院政策局有關(guān)人員研究,“青藏地區(qū)具有形成天然氣水合物礦藏的條件和可能,值得引起注意”。1999 年,徐學(xué)祖等[6]對(duì)青藏高原地區(qū)的多年凍土與已發(fā)現(xiàn)的賦存有天然氣水合物的極地凍土進(jìn)行對(duì)比分析,同時(shí)結(jié)合幾種水合物的標(biāo)準(zhǔn)相圖,認(rèn)為我國(guó)青藏高原高山多年凍土有可能賦存有以硫化氫、乙烷和丙烷為主體的重?zé)N類天然氣水合物,且其埋藏深度較淺(可能為100~1 000 m)。陳多福[7]、吳青柏[8]等分別定量分析了青藏高原羌塘盆地中可能的水合物儲(chǔ)層的頂?shù)捉?。祝有海等[9]依據(jù)青海祁連山木里地區(qū)的實(shí)測(cè)氣體組分,結(jié)合年平均地溫、地溫梯度和凍土層厚度等資料,定量分析了天然氣水合物形成的熱力學(xué)條件,認(rèn)為祁連山木里地區(qū)也基本具備天然氣水合物的形成條件。2008-2009 年,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施“祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程”,于2008 年11 月5 日在木里地區(qū)DK-1 孔井深133.5~135.5 m 處首次發(fā)現(xiàn)天然氣水合物實(shí)物樣品,之后分別在11 月7 日和11 月10 日再次發(fā)現(xiàn)水合物。2009 年5 月31 日至10 月11 日在DK-2、DK-3 孔中再次鉆遇天然氣水合物,從而證實(shí)我國(guó)凍土區(qū)存在天然氣水合物[10]。

      從天然氣水合物中烴類氣源的角度,一種觀點(diǎn)以煤型氣為主,認(rèn)為本區(qū)產(chǎn)出的天然氣水合物屬于偏煤型氣的混合氣成因[11]。一種觀點(diǎn)以油型氣為主,認(rèn)為天然氣水合物屬于熱解成因,主要為石油伴生氣或油型氣,與煤型氣關(guān)系不大[12-14]。無論是煤型氣,還是油型氣,主要的烴源巖分布在上三疊統(tǒng)尕勒得寺組湖相泥巖和侏羅系窯街組。這2 套烴源巖于中侏羅世晚期-早白堊世(165 Ma~100 Ma)進(jìn)入生烴高峰,是天然氣水合物最有利的氣源巖,通過青海湖周緣原生砂楔群分析和年代學(xué)測(cè)試,表明祁連山中更新世早期已進(jìn)入冰凍圈[15],即先有氣藏,后有永久凍土;此外,還有從氣候變化的角度,分析氣候變暖永久凍土層變薄之后對(duì)天然氣水合物賦存的影響[16-17]等。

      永久凍土層的形成是青海木里地區(qū)天然氣水合物成藏的重要條件,目前的相關(guān)分析多是基于地質(zhì)和氣候調(diào)查取得的間接證據(jù)進(jìn)行判斷,缺乏直接定量的分析手段。筆者基于青海木里地區(qū)氣候、地層的調(diào)查事實(shí),分析現(xiàn)有永久凍土層形成時(shí)的氣候條件及地層溫度,利用FLAC3D模擬計(jì)算永久凍土層的形成過程、形成時(shí)間、穩(wěn)定底邊界及其中的溫度梯度,并與調(diào)查現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析,從定量的角度回答永久凍土層的形成,同時(shí)分析此種條件下天然氣水合物的賦存條件,并與現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析,推測(cè)天然氣水合物可能的形成過程,相關(guān)成果可為木里地區(qū)天然氣水合物的勘探和開采提供一定的思路。

      1 木里地區(qū)天然氣水合物的勘探現(xiàn)狀

      近十多年來,我國(guó)在青海木里地區(qū)天然氣水合物的研究方面取得了巨大的進(jìn)展,研究主要集中在鉆探調(diào)研、成分分析、來源推斷及氣候變化可能對(duì)天然氣水合物賦存帶來的影響方面。如中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局先后在木里地區(qū)鉆探DK-1-DK-12 共12 口調(diào)查井,其中DK-8 兼為試采井,在DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8、DK-9、DK-12 中發(fā)現(xiàn)賦存的天然氣水合物,在DK-4、DK-5、DK-6、DK-11 中發(fā)現(xiàn)與天然氣水合物相關(guān)的異?,F(xiàn)象,在DK-10 中發(fā)現(xiàn)異常高壓淺層天然氣層[10,14,18-19]。神華青海能源開發(fā)有限責(zé)任公司項(xiàng)目“青海省天峻縣聚乎更煤礦區(qū)三露天天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)”共組織施工13 口天然氣水合物探查鉆孔,其中4 口井探獲天然氣水合物實(shí)物樣品,分別為DK8-19、DK11-14、DK12-13 和DK13-11[20]。以上各鉆孔的分布如圖1 所示。

      圖1 木里煤礦天然氣水合物研究區(qū)地質(zhì)及鉆井分布示意圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[21]修改)Fig.1 Geological condition and boreholes distribution of the natural gas hydrate study area in Muli Mine(According to Reference [21],modified)

      2 木里地區(qū)多年凍土的現(xiàn)狀及形成分析

      2.1 基本特征

      青海木里地區(qū)位于祁連山中部,是介于托來山和大通山之間的一個(gè)山間盆地,高程一般為4 000~4 300 m,是祁連山凍土區(qū)的核心,除局部融區(qū)外,多年凍土連續(xù)分布,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。平均地表地溫和多年凍土厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5]見表1。

      表1 木里地區(qū)多年凍土區(qū)平均地表地溫和厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5]Table 1 Average ground surface temperatures and thicknesses of permafrost in Muli Region[5]

      表1 中的數(shù)據(jù)表明,木里地區(qū)多年凍土區(qū)的年平均地表地溫為-1.95℃,多年凍土平均厚度為71 m,假設(shè)地溫沿著凍土層深度方向線性變化,則地溫梯度為0.027 3℃/m,即2.73℃/hm。

      王超群等[22]對(duì)木里地區(qū)DK-9 孔進(jìn)行了連續(xù)3 a的地溫監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果表明多年凍土厚度約為160 m,年平均地溫為-3.3℃,多年凍土上限為-2.5 m。凍土層內(nèi)的地溫梯度為1.38℃/hm,凍土層以下的地溫梯度為4.85℃/hm。金春爽等[23]在DK-1 鉆孔進(jìn)行天然氣水合物勘探時(shí),鉆探過程中同時(shí)開展井內(nèi)溫度測(cè)量,提鉆后24 h(使鉆探的熱效應(yīng)對(duì)巖層影響最小)分別對(duì)3個(gè)充滿泥漿的鉆孔進(jìn)行溫度測(cè)井。從鉆孔泥漿溫度測(cè)量結(jié)果來看,DK-1 孔中,鉆孔泥漿上部約20 m 溫度不斷降低,可能反映了大氣與凍土層相互作用的結(jié)果;在20~115 m,泥漿溫度不斷增大,呈現(xiàn)出一定地溫梯度的變化特征,其變化斜率代表著凍土層內(nèi)地溫梯度值,約為1.39℃/hm(R2=0.95);在120 m 深度以下,泥漿溫度增大的斜率與115 m 深度以上明顯不同,為2.86℃/hm(R2=0.97),凍土底界出現(xiàn)在115~120 m 深度處。

      木里煤田聚乎更礦區(qū)呈NWW-SEE 向展布,東西長(zhǎng)約19 km,南北平均寬約4 km,面積約76 km2,總體上為一復(fù)式背斜構(gòu)造,由1 個(gè)大背斜和2 個(gè)小向斜組成。其中北向斜分布有三井田、二井田和一露天3 個(gè)井田,南向斜由四井田、一井田、三露天和二露天組成,如圖2 所示。

      圖2 木里煤田聚乎更礦區(qū)井田分布[24]Fig.2 Wellfield distribution in Jvhugeng Mine,Muli Coalfield[24]

      依據(jù)中鐵資源集團(tuán)海西煤業(yè)聚乎更礦區(qū)四井田露天礦(首采區(qū))《邊坡工程地質(zhì)勘察與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)報(bào)告》(2013 年)[25]的現(xiàn)場(chǎng)勘察,四井田礦區(qū)內(nèi)多年凍土分布很不均勻,東部高程較低,多年凍土的厚度較小,為50~70 m,西部高程較高,多年凍土的下限最深超過150 m。在四井田北部非工作幫設(shè)bk2-4 孔為地溫監(jiān)測(cè)孔,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該區(qū)多年凍土上限為-5.75 m,多年凍土厚度為54 m 左右,多年凍土中的溫度梯度約為2.85℃/hm,多年凍土之下的溫度梯度約為4.36℃/hm。

      由以上數(shù)據(jù)可以看出,木里地區(qū)多年凍土層的厚度差異很大,在50~160 m 之間變化,相較而言,發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的三露天井田中多年凍土的厚度更大,DK-1、DK-9 孔揭示的多年凍土層底界分別出現(xiàn)在115~120 m 和160 m 深度處。另外,多年凍土層內(nèi)的溫度梯度在1.3~3.0℃/hm,永久凍土層越厚,其中的地溫梯度越小。

      2.2 木里地區(qū)多年凍土層形成時(shí)間分析

      胡道功等[15]通過青海湖周緣原生砂楔群分析和年代學(xué)測(cè)試,揭示祁連山現(xiàn)代凍土為形成于中更新世早期倒數(shù)第3 次冰期(770 ka)、倒數(shù)第2 次冰期(40 ka)和末次冰期(13 ka)的凍土演化而來,確定各冰期時(shí)期年均氣溫為-10~-5℃。金會(huì)軍等[26]對(duì)2 萬年來的中國(guó)多年凍土形成演化進(jìn)行了分析,大致分為7 個(gè)階段:晚更新世LGM(20 000~10 800 a BP)多年凍土強(qiáng)烈擴(kuò)展,達(dá)到LPMax;早全新世氣候劇變期(10 800 至8 500~7 000 a BP)多年凍土較穩(wěn)定但相對(duì)縮減階段;中全新世HMP(8 500~7 000 至4 000~3 000 a BP)多年凍土強(qiáng)烈退化階段,多年凍土縮減到LPMin;晚全新世新冰期(4 000~3 000 至1 000 a BP)凍土擴(kuò)展階段;晚全新世中世紀(jì)暖期(1 000~500 a)多年凍土相對(duì)退化階段;晚全新世小冰期(LIA,500~100 a BP)凍土相對(duì)擴(kuò)展階段,以及近代升溫期(近百年來)多年凍土持續(xù)退化階段。

      筆者團(tuán)隊(duì)于2013 年7 月在木里地區(qū)聚乎更礦區(qū)四井田露天礦采坑一標(biāo)段的南部工作幫中段采取冰層試樣(見冰深度15~18 m)進(jìn)行了14C 檢測(cè),測(cè)齡分別為2 136 a 和1 348 a。

      結(jié)合以上分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,初步有以下結(jié)論:

      (1) 木里地區(qū)自進(jìn)入第四紀(jì)以來,多年凍土層歷經(jīng)變遷:生長(zhǎng)-融化-生長(zhǎng)-融化-···,并非在固定時(shí)期形成并保持至今;

      (2) 在中全新世HMP(8 500~7 000 至4 000~3 000 a BP),木里地區(qū)的多年凍土可能融化殆盡;

      (3) 木里地區(qū)目前的多年凍土可能形成于晚全新世新冰期(4 000~3 000 至1 000 a BP)的凍土擴(kuò)展階段。

      因此,在之后的多年凍土形成的模擬計(jì)算中,擬以晚全新世新冰期(4 000~3 000 至1 000 a BP)的氣候作為溫度邊界條件。

      2.3 多年凍土層形成時(shí)的氣候條件

      全新世晚期(4 000~3 000 a BP)氣候開始顯著變冷。祁連山的敦德冰心記錄在4 000 a BP 開始降溫,在2 800~2 700 a BP 達(dá)到極低值。自此,溫度波動(dòng)下降直至1 000 a BP 結(jié)束,此時(shí)段是全新世較寒冷的新冰期階段。通過對(duì)比青藏高原的多年古凍土和古冰緣現(xiàn)象,推算當(dāng)時(shí)高原多年凍土下界比現(xiàn)今普遍低約300 m,當(dāng)時(shí)年平均氣溫比現(xiàn)在低約2℃[26]。

      3 木里地區(qū)典型烴類氣體的相變曲線

      截至目前,祝有海等[10]在DK-1 井100 m 深處經(jīng)排水集氣法收集氣體及泥漿氣共3 個(gè);劉昌嶺等[27]在DK-2 井140~480 m 內(nèi),采用真空頂空法收集樣品中的水合物分解氣6 個(gè),在DK-3 井142 m 和395 m,采用真空頂空法收集樣品中的水合物分解氣2 個(gè);黃霞等[14]采集了DK-2、DK-5、DK-6 井中的巖心游離氣共59 罐。相較而言,劉昌嶺等[27]采集的DK-2 井中的樣品為水合物分解氣,比巖心游離氣更能反映天然氣水合物的構(gòu)成,且DK-2 井中的數(shù)據(jù)更為翔實(shí),因此,本文以DK-2 孔中的天然氣水合物儲(chǔ)層狀況作為模擬及分析對(duì)象,DK-2 井中天然氣水合物的氣體組成比例見表2。

      表2 DK-2 鉆井中烴類氣體組分摩爾比[26]Table 2 Molar ratio of hydrocarbon gas components in DK-2 borehole[26]

      黃霞等[13]對(duì)木里地區(qū)采集到的天然氣水合物進(jìn)行了拉曼光譜檢測(cè),結(jié)果表明木里地區(qū)的天然氣水合物屬于II 型水合物,即除甲烷外,還含有較高的乙烷、丙烷等重?zé)N成分。表2 中的烴類氣體樣品都?xì)w屬為II 型水合物,但可以看出樣品1 與樣品2-樣品6 的氣體組成差異顯著:樣品1 中的甲烷摩爾比為34.85%,樣品2-樣品6 中的在60%左右,樣品1 中重?zé)N含量遠(yuǎn)高于樣品2-樣品6 的。這些組分上的差別相應(yīng)地也導(dǎo)致了成藏時(shí)溫壓條件的差異,為了更有針對(duì)性地進(jìn)行水合物成藏研究,特地根據(jù)氣體組分摩爾比的不同,將天然氣水合物劃分為A 類和B 類??梢钥闯觯瑢?duì)DK-2 井而言,A 類天然氣水合物埋藏深度約在井深149 m,B 類天然氣水合物的埋藏深度在井深253 m 以下,取樣品2-樣品6 的平均值代表B 類水合物。

      利用Sloan 的CSMHYD 軟件對(duì)A 類和B 類天然氣水合物形成的溫壓條件進(jìn)行計(jì)算,得到的結(jié)果如圖3 所示。

      由圖3 可以看出,當(dāng)溫度小于2℃時(shí),A 類和B 類天然氣水合物成藏所需的壓力基本相同;當(dāng)溫度大于2℃時(shí),A 類天然氣水合物成藏所需的壓力逐漸超過B 類天然氣水合物,且二者之間的差值越來越大;當(dāng)存在永久凍土層時(shí),即地層溫度小于0℃時(shí),其中A 類和B 類天然氣水合物成藏所需的壓力在250~500 kPa,即便只考慮土體自重,此壓力也非常易于獲得,在現(xiàn)有地層情況下,埋深大于13~25 m 即可達(dá)到成藏 條件。

      圖3 A 類和B 類天然氣水合物形成時(shí)的溫度壓力條件Fig.3 Temperature and pressure conditions for the formation of Class A and Class B gas hydrates

      4 永久凍土層形成過程計(jì)算

      4.1 地層建模及相關(guān)參數(shù)

      利用有限差分程序FLAC3D進(jìn)行永久凍土層的形成計(jì)算??紤]到木里地區(qū)鉆孔揭示的最深永久凍土層底界為160 m,本次計(jì)算地層深度(Z方向)取200 m,寬度(X方向)取10 m,厚度(Y方向)取1 m。

      DK-2 孔具體的巖性厚度比例組成[28]見表3 。

      表3 DK-2 鉆孔中不同巖性的厚度比例Table 3 Thickness ratio of different lithologies in DK-2 borehole

      根據(jù)以上鉆探獲得的DK-2 孔巖性分布情況,結(jié)合鉆孔巖心柱狀圖的0~200 m 巖層條件,在進(jìn)行地層建模時(shí),將DK-2 孔0~200 m 地層視為基巖(泥質(zhì)粉砂巖+粉砂巖+粗砂巖)、水及冰的混合體,混合體中各成分的基本物理參數(shù)見表4,其中基巖的指標(biāo)采用泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖和粗砂巖[29]的平均值。

      表4 地層混合體中各成分物理參數(shù)Table 4 List of physical parameters of each component in the stratigraphic mixture

      三露天井田天然氣水合物鉆孔巖心裂隙十分發(fā)育,裂隙形式復(fù)雜多樣[20],因此,在考慮基巖+裂隙混合體的熱傳導(dǎo)系數(shù)和體積比熱容時(shí),依據(jù)混合物理論[30],采用指數(shù)加權(quán)模型描述混合體等效熱傳導(dǎo)系數(shù)λe,其隨凍結(jié)溫度的變化規(guī)律為:

      式中:λs、λl、λi分別為巖石基質(zhì)、水以及冰的熱傳導(dǎo)系數(shù);wu為裂隙中未凍水含量;n為混合體中的裂隙率。

      對(duì)于混合體而言,已凍區(qū)和未凍區(qū)的熱平衡方程的差別主要體現(xiàn)在相變項(xiàng)上,相變潛熱在等效比熱容中予以考慮?;旌象w的等效體積比熱容cv可表示為:

      式中:ρs、ρi、ρw分別為基巖、冰及水的密度;cs、ci、cw分別為基巖、冰及水的體積比熱容;l為水冰相變潛熱;θ為水的溫度。

      本文將裂隙中的水冰相變限制在-3~0℃內(nèi),凍結(jié)終了時(shí)有wu=0,則裂隙水的未凍水含量方程可表示為:

      4.2 溫度邊界條件

      DK-2 孔缺乏直接的溫度監(jiān)測(cè)資料,依據(jù)附近DK-9 孔長(zhǎng)期的地溫監(jiān)測(cè)[22]:地表處平均溫度為-3.3℃,以正弦曲線模擬1 a 內(nèi)的溫度變化,振幅采用月平均最高溫/最低溫度與年平均溫度的差值,為11.45℃。

      由2.2 節(jié)的分析可知,晚全新世新冰期(4 000~3 000 至1 000 a BP)可能是目前木里地區(qū)多年凍土的形成及成長(zhǎng)階段,此階段的氣溫較現(xiàn)今低約2℃,因此,將以上的正弦曲線下移2℃,即年平均地表溫度為-5.3℃,振幅保持不變,以此作為氣溫邊界條件。

      式中:以某年1 月1 日零點(diǎn)為起算點(diǎn),s為距離起算點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng),s;θ1為s時(shí)間對(duì)應(yīng)的溫度,℃;L為一年的總時(shí)間,則L=365×24×3 600,s;b1、c1為地表的平均溫度和溫度振幅,分別取-5.3℃和11.45℃。

      模型兩側(cè)為絕熱邊界,模型底部邊界取熱流邊界,熱流密度為0.02 W/m2。

      4.3 地層初始溫度場(chǎng)

      依據(jù)2.2 節(jié)的分析,木里地區(qū)的多年凍土在中全新世HMP(8 500~7 000 至4 000~3 000 a BP)時(shí)可能融化殆盡,成為季節(jié)性凍土。根據(jù)施雅風(fēng)[31]成果,中國(guó)HMP 出現(xiàn)于8 500~3 000 a BP,其中穩(wěn)定暖濕的鼎盛階段在7 200~6 000 a BP,青藏高原南部氣溫比現(xiàn)今高4~5℃,則依據(jù)DK-9 孔的地溫監(jiān)測(cè),取此時(shí)的地表處平均溫度為-3.3℃+5℃=1.7℃,幅值仍取11.45℃。不同埋深處的初始地溫按如下公式進(jìn)行估算[32]:

      式中:z為距離地表的深度,取絕對(duì)值,m;t為距離起算日期的時(shí)間,d;p為振動(dòng)周期,可取365 d。

      地溫振幅≤ ±0.1℃的深度稱作地溫年變化深度,該處的地溫稱作年平均地溫,年變化深度以下的區(qū)段內(nèi),地溫基本上不隨時(shí)間變化,可視為穩(wěn)定溫度場(chǎng)[33]。由式(7)計(jì)算可得:地溫年變化深度為16 m,年平均地溫為1.7℃,該深度以下的地溫場(chǎng)梯度按照3℃/hm考慮。

      5 計(jì)算結(jié)果及分析

      5.1 永久凍土層形成時(shí)間及底邊界深度

      隨著計(jì)算的進(jìn)行,永久凍土層的底邊界不斷下移,當(dāng)計(jì)算時(shí)間持續(xù)到170 a 及以后時(shí),永久凍土的底部邊界基本保持不變,深度維持在130 m 左右,具體計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

      圖4 永久凍土層形成過程中地層中的溫度分布云圖Fig.4 Cloud map of the temperature distribution in the stratum during permafrost formation

      由2.1 節(jié)分析可知,DK-2 鉆孔缺乏直接的凍土層勘察資料,其附近鉆孔DK-1 的永久凍土底邊界深度為115~120 m,DK-9 鉆孔揭示的凍土底邊界為160 m左右,這2 個(gè)鉆孔,尤其是DK-1 鉆孔,與本文的模擬對(duì)象DK-2 鉆孔位置很近,間接證實(shí)了永久凍土模擬計(jì)算具備一定的可靠性。

      5.2 永久凍土層中的溫度及溫度梯度

      從25 m 左右的深度開始,地溫曲線呈現(xiàn)線性變化規(guī)律(θ=0.016 4d-2.199 4,R2=0.996 7),溫度梯度為1.64℃/hm,符合2.1 節(jié)中分析的此區(qū)域內(nèi)永久凍土層中的溫度梯度,且由于永久凍土層較厚,溫度梯度偏小,具體計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

      圖5 永久凍土層底邊界穩(wěn)定時(shí)地層溫度與深度關(guān)系Fig.5 Relationship between formation temperature and depth when the bottom boundary of the permafrost layer is stable

      5.3 天然氣水合物形成時(shí)的溫壓條件

      假設(shè)地層中僅有自重壓力,將模擬計(jì)算得出的地層自重壓力及對(duì)應(yīng)溫度與A 類和B 類天然氣水合物形成時(shí)的溫壓曲線繪制在同一張圖中,如圖6 所示。

      由圖6 可以看出,當(dāng)?shù)貙勇裆畛^20 m 時(shí),即地層壓力大于300 kPa 時(shí),永久凍土層中即具備了形成A 類和B 類天然氣化合物的條件。目前鉆孔揭示出來的A 類和B 類的儲(chǔ)層分別在149 m 左右和大于250 m 處,可能的原因有2 種,一種為深部地層中烴類氣體遷移時(shí)僅到達(dá)140 m 左右處,可能由于地質(zhì)構(gòu)造方面的原因?qū)е職怏w無法進(jìn)一步向上遷移,無論地層處于凍結(jié)狀態(tài)還是融化狀態(tài),天然氣水合物僅隨之改變存在狀態(tài)(固態(tài)或氣態(tài))。第二種原因是,烴類氣體的確遷移至地層埋深較淺的位置,但由于在第四紀(jì)時(shí)期,氣候歷經(jīng)變遷,永久凍土層并非處于持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài),而是融化-生長(zhǎng)狀態(tài)交替出現(xiàn),使得永久凍土?xí)r期形成的天然氣水合物在氣候轉(zhuǎn)暖時(shí)又動(dòng)態(tài)分解為烴類氣體,并沿著裂隙向上遷移釋放至大氣中去。

      圖6 永久凍土層底邊界穩(wěn)定時(shí)地層內(nèi)溫壓曲線與A/B 類天然氣水合物形成時(shí)的溫壓曲線Fig.6 Temperature-pressure curves in the formation when the bottom boundary of the permafrost is stable and the temperature-pressure curves during the formation of class A/B natural gas hydrate

      6 結(jié) 論

      a.青海木里地區(qū)天然氣水合物成藏區(qū)域現(xiàn)存永久凍土可能形成于晚全新世新冰期(4 000~3 000 至1 000 a BP)的凍土擴(kuò)展階段,計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)晚全新世新冰期降溫時(shí),歷經(jīng)約170 a,永久凍土的底邊界基本達(dá)到穩(wěn)定,深度約為130 m,永久凍土層中的溫度梯度約為1.64℃/hm,與現(xiàn)狀勘察的結(jié)果相當(dāng)吻合。

      b.當(dāng)永久凍土層形成時(shí),在深度20 m 及以下即具備A 類與B 類天然氣水合物的形成條件,A、B 類天然氣水合物均在140 m 深度以下,可能的原因是:地質(zhì)構(gòu)造使得深部烴類氣體只能遷移至140 m 深度以下,隨著永久凍土層的形成,烴類氣體在適當(dāng)?shù)臏貕鹤饔孟滦纬商烊粴馑衔铮欢菬N類氣體可能遷移至更淺層的地層中,但由于多年凍土的反復(fù)演化,使得永久凍土?xí)r期形成的天然氣水合物在氣候轉(zhuǎn)暖時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)分解,以氣態(tài)形式進(jìn)入大氣。

      c.與北極地區(qū)相比,木里地區(qū)天然氣水合物分布相對(duì)分散,可能的原因有氣候作用下多年凍土的反復(fù)演化,使凍土處在凍結(jié)-融化-凍結(jié)的交替變化中,由此導(dǎo)致地層中的溫度和壓力始終處于變動(dòng)中,進(jìn)一步導(dǎo)致天然氣水合物儲(chǔ)存的分散。

      d.建議在未來的天然氣水合物探礦勘察中重點(diǎn)關(guān)注永久凍土層變化不大的地區(qū),深部地層同時(shí)具備烴類氣體的形成條件,如羌塘盆地等。

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