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青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测_图文55425875

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青藏高原 冻土 天然气 水合物 形成 条件 分布 预测 图文 55425875
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第48卷第F 8.2005陈多福,王茂春,夏斌.青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测.地球物理学报,2005,钢(1):165~172 F, c,.of .(in 2005,48(1):165~172青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测陈多福1’2,王茂春1,夏 斌11中国科学院广州地球化学研究所及南海海洋研究所边缘海地质重点实验室,广州 5106402中国科学院广州天然气水合物研究中心,广州 5摘 要 冻土带是天然气水合物发育的两个重要地质环境之一.青藏高原平均海拔在4000年冻土面积约1.4×106文根据青藏高原冻土层厚度和地温梯度特征,运用天然气水合物的热力学稳定域预测方法,确定中低纬度高海拔区冻土带天然气水合物的产出特征.青藏高原多年冻土带热成因和生物成因天然气水合物形成的热力学相平衡反映,水合物顶界埋深约27~560m,底界埋深约77—2070m.初步计算表明,青藏高原冻土带水合物天然气资源约1.2×10“~2.4×10“冻土层越厚、冻土层及冻土层之下沉积层的地温梯度越小的地区,最有利于天然气水合物的发育.气温的季节性变化对天然气水合物影响不大.在全球气温快速上升的背景下,青藏高原天然气水合物将处于失稳状态,天然气水合物顶界下降、底界上升,与冻土带的退化相似,分布区逐渐缩小,最终将完全消失.关键词 天然气水合物 中低纬度高原冻土带 青藏高原文章编号000005)01一0165—08 中图分类号 稿日期2003—1004—06—25收修定稿of ,o∥旷肘。画胁f&o&№7弹i£‘叮口府饥i舳&嗽拓,艄,G∞咿眦,劬ou&吼如,础,o“5l()640,观is of 000m is .4×10b on of in 0w—is by he of is in 27 2070m, of in as .2×1011 .4×1014 m3 as is to is in st.of 0m is 0m.10be in be 金项目作者简介中国科学院知识创新重要方向项目(19、17)、国家自然科学基金项目(枷73023)、(40072044)以及中国科学院广州地球化学研究所知识创新重要领域项目(3.04)联合资助.陈多福,男,1962年生,1983年毕业于兰州大学,主要从事沉积学与地球化学研究,特别是天然气水合物研究.E.g.”.. 48卷as 0w— 引 言天然气水合物是在低温高压条件下由水和天然气形成的结晶物,它广泛分布于大陆边缘海底和冻土带沉积物中…,是当代科学界的一个研究热点.天然气水合物具有巨大的能源前景,估计全球天然气水合物中的碳储量为2×10”当于全球已探明常规燃料总碳量的两倍心’31,被认为是未来能源的理想替代物.天然气水合物又是地球上重要的碳储库,它的分解可能是全球气候变暖、冰期终止的重要原因‘4“o.海底天然气水合物的分解将引发海底沉积层液化,破坏海底稳定性,对海洋工程具有毁灭性的破坏作用一““,天然气水合物在输气管线和钻井流体中形成,产生堵塞并引发爆炸,危害工业生产㈧2I.我国在1998年报道台西南盆地东缘和南海北部存在天然气水合物的证据——似海底反射层(3’“J.其后,相继在东海和南海多处发现了水合物存在的证据¨5’”o.对南海水合物资源初步评价,表明具有巨大的远景,水合物天然气达约6.7×1013 7].冻土发育区(冻土带)是天然气水合物的主要分布环境之一,产于130~2000最近土带环境约为10”~1016 洋环境约为10”~10”土带水合物比海洋环境的水合物低约二个数量级,但数量仍然相当可观,且冻土带水合物比海洋水合物更易开采,成为未来10~15年内作为商业开采的两个主要对象之一.到目前为止,报道的冻土带水合物均分布于高纬度地区.我国青藏高原位于280~37。年冻土面积约1.4×106 均海拔在4000|,属于中低纬度高海拔冻土,与高纬度区冻土带水合物特征区别明显.尽管已推测青藏高原冻土区可能存在重烃类为主的天然气水合物¨”2“,但国内外至今在中低纬度高海拔冻土区还未曾报道有水合物明确产出的地质、地球物理、地球化学证据.本文根据我国青藏高原冻土带冻土层厚度及地温梯度特征,运用天然气水合物的热力学稳定域预测方法,确定中低纬度高海拔冻土带天然气水合物产出的可能特征.2青藏高原冻土带天然气水合物形成的条件2.1天然气水合物形成的地质条件已开展的地球物理勘探表明,青藏高原将有可能成为我国21世纪的又一个具有战略意义的油气资源前景区.青藏高原发育有众多的中生代陆相和海相含油气沉积盆地,主要有扎达盆地(z)、奇林错盆地(G)、定日一岗巴盆地(D)、伦坡垃盆地(M)、比如盆地(B)、昌都盆地(c)、羌塘盆地(Q)、可可西里盆地(K)、库塞盆地(柴达木盆地((图1).羌塘盆地是青藏高原分布面积最大的中生代海相沉积盆地,充填地层总厚达万余米,烃源岩广泛分布,有机质含量和演化程度高(有机碳为0.1%~5.4%,沥青镜质体反射率为1.1%~4.5%)。2…,盆地内生烃潜力巨大,估计可达1012t‘2 3|.盆地内共发现油气显示190余处,其中5处为液态油苗,数处见厚达数厘米的板状沥青Ⅲo.因此,盆地内具有天然气水合物形成的充足天然气来源.近代地震活动反映羌塘及邻区的第四纪断裂活动频繁。2“,对水合物形成提供了有利的流体运移通道.2.2冻土带天然气水合物形成的热力学条件天然气在冻土带沉积物中的特定温度和压力条件下可形成水合物,并受沉积孔隙流体盐度、天然气的组成等因素的控制H’25删o.图1 青藏高原温度、盆地和多年冻土层有利产出特征。20]1多年冻土有利发育区of 年平均气温等温线(单位为℃)of );3中生代含油气沉积盆地g of 1多福等:青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测 167青藏高原多年冻土层分布广泛,受气候和地形控制,主要发育于阿尔金山/祁连山地区、羌塘地区、昌都地区、定日一岗巴高山区.羌塘盆地大片连续的多年冻土区是高原多年冻土区的主体(图1).表1冻土带天然气水合物热力学相平衡计算参数 土层厚度(m) 冻土层地温梯度(℃/冻土带之下的地温梯度(℃/围 大700 15~50天然气组成(%) i—2 9.18 0.15 0.02 —— 0.68 _——2 97.71 0.65 0.40 O.20 O.55 0.493 100 —— —— _—— —— ——;2新疆塔里木盆地克拉2气田的天然气组成;3生物成因纯甲烷青藏高原多年冻土层发育面积约1.4×106 9I.实测厚度10~175计算最大厚度可达700冻土层年均地温为一4~0℃,并受控于纬度和海拔高度等因素∞2’3 3『.青藏高原冻土层地温梯度为11~33℃/土层之下沉积层地温梯度为28~51℃/|.羌塘盆地现今地温梯度仅为15~18℃/ 3。.青藏高原冻土带沉积物孔隙流体盐度目前还没有报道.(5~35)×10一,对水合物形成温度和压力条件影Ⅱ向不大b“.由于青藏高原冻土区的天然气组成至今未有测定,水合物形成的热力学相平衡以青藏高原周边地区的柴达木盆地青海涩北气田天然气和新疆塔里木盆地克拉2气田天然气及纯甲烷来计算,用于计算水合物形成的热力学相平衡控制因素列于表1中.2.3天然气水合物形成的相平衡与冻土带水合物的稳定带根据表1列出的参数计算获得的水合物相平衡曲线绘于图2中,生物成因甲烷和青海涩北气田天然气水合物形成的相平衡曲线基本重合,新疆克拉2气田热成因天然气水合物形成的相平衡曲线显示了明显低的压力和高的温度条件.数学回归分析表明水合物的温度、压力相平衡边界的数学式表示为P:0.00000l£5+0.00005.0003.0071.1364t+1.6173 (.9999) (1)P=0.0000007£5+0.00002£4+0.0004.0131£2+0.1995f+2.8169 (尺2:0.9999) (2)其中位为位为℃),(1)为甲烷形成水合物的温度与压力关系式,式(2)为新疆克拉2气田热成因天然气形成水合物的温度,/” O、合物相平衡曲线据文献[1]计算,计算的盐度为0%.A:年均地表温度;B:冻土层底界处的静岩压力;c、F:分别为新疆克拉2气田热成因天然气水合物埋藏顶界和底界压力;D、E:生物成因甲烷和青海涩北气田天然气水合物埋藏顶界和底界压力.虚线度)变化,可用地温梯度和压力梯度(式3和4)描述. 7js 蹦um of 0 is of Q is T}of by g th。],i8 to be is is of 盯e of 方数据168 地球物理学报(. 48卷与压力关系式.在图2中,地表温度、冻土层地温梯度、冻土层之下沉积层地温梯度与天然气水合物温度、压力相平衡边界所限定的区域为水合物的热力学稳定分布区.冻土层地温梯度或冻土层之下沉积层的地温梯度与相平衡边界的上交点为水合物层埋藏顶界压力,下交点为水合物层埋藏底界压力,二交点之间为水合物层稳定带压力范围.冻土层内和冻土层之下的温度与深度可表示为£f=t。+G£^f,f。=£f+G。^。, (3)式中£,为冻土层内深度^,处的温度,f。为地表温度,G,为冻土层地温梯度(℃,m),£。为在冻土层之下深度为^。处的温度,G。为冻土层之下沉积层的地温梯度,^。为冻土层底界向下的深度(m),冻土层底界温度为0℃.冻土层及其下沉积层的压力与深度的关系分别依静岩压力(P,)和静水压力(尸。)计算7]。+P。=Pf+lD。g^。10+。, (4)式中P。为地表大气压力(为0.19.81m/』D,为冻土层密度,实验测定冻土密度为1500~2000k∥8’3 9。,计算时取1750k∥m3,冻土层之下孔隙流体密度(1000k∥水合物稳定带厚度为^;=(^。+^,)一^。, (5)式中^:为水合物稳定带厚度,(^。+^,)表示水合物底界埋深,矗.为水合物顶界埋深.联解方程式(1)~(5)获得水合物稳定带底界、顶界埋藏深度和厚度.2.4水合物分布特征及可能的资源远景预测表2列出了在冻土层厚度实测值10一175土层地温梯度O.011~0.033℃/m、冻土层之下沉积物地温梯度0.015~0.05℃/23'32],青藏高原多年冻土带天然气水合物产出顶界和底界可能的埋藏特征.在水合物产出特表2青藏高原多年冻土带天然气水合物可能产出的顶界和底界的埋藏深度 of 物成因甲烷水合物 热成因天然气水合物冻土层地温 冻土层之下沉积物 冻土层 顶界埋 底界埋 水合物 顶界埋 底界埋 水合物梯度(℃,m) 地温梯度(℃,m) 厚度(m) 深(m) 深(m) 厚(m) 深(m) 深(m) 厚(m)O N N N 206 999 79310 N N N 189 1019 8300.015 30 560 560 O 155 1064 909175 128 1314 5 1314 1240700 118 2070 1952 58 2070 20120 N N N N N 1110 N N N N N N N N N 5 77 N N N 77 77 42 142 O 76 252 176175 140 387 247 75 296 2218 1067 949 58 910 8520 N N N 206 999 79310 N N N 189 1019 830O.015 30 560 560 O 155 1064 909175 137 1314 1177 68 1314 1247700 70 2070 2000 27 2070 2()43O N N N N N 3310 N N N N N N N N N 5 77 N N N 77 77 0142 142 142 O 71 252 181175 137 387 249 68 296 228700 70 1067 997 27 910 882多福等:青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测 169征的计算过程中,冻土层底界温度取0℃,冻土层为0水合物顶界和底界埋深相同(水合物层厚度为0m)时的冻土厚度是在选定的地温梯度条件下形成水合物的最小冻土厚度.如在G,=0.011℃/0.05℃/成因天然气形成水合物的最小冻土层厚度为77m,水合物热力学平衡的深度为77m.生物成因天然气形成水合物的最小冻土层厚度为142m,水合物热力学平衡的深度也为142m.在确定的天然气组成、流体盐度条件下,冻土带天然气水合物的产出特征主要受冻土层厚度、冻土层地温梯度、冻土层之下沉积层地温梯度控制.从表2可见,青藏高原多年冻土带天然气水合物可能的产出特征为(1)在G,=0.011~0.033℃,m、G。=0.015℃/m、冻土层厚度0~700成因天然气均能形成水合物,产出顶界埋深约27~206m、底界埋深约999~2070m;(2)在G,=0.011一O.033℃/m、G。=0.05℃/m、冻土层厚度大于一77成因天然气才能形成水合物,水合物顶界埋深约27~77m,底界埋深约77~910m;(3)在G,=0.011~0.033℃/m、G。=0.015℃/m、冻土层厚度大于30物成因甲烷才能形成水合物,顶界埋深约70。560m,底界埋深约560—2070m;(4)在G,=0.011~0.033℃/m、c。=O.05cc,m、冻土层厚度大于142物成因甲烷才能形成水合物,顶界埋深约70~142m,底界埋深约142~1067m.因此,处于中低纬度高海拨地区的青藏高原多年冻土带具有天然气水合物发育的基本条件,热成因天然气比生物成因天然气更有利于形成水合物.青藏高原多年冻土分布面积为1.4×106北羌塘高原4.07×105|.计算的天然气水合物层厚度约为O~20432).如果青藏高原10%的多年冻土发育有水合物,水合物层厚度以1000土带水合物平均含量为1%,1 藏高原多年冻土带水合物天然气资源达2.4×10“北的羌塘高原水合物天然气资源达6.9×1013 果仅有1%的冻土带发育有水合物、水合物层厚50m、含量为0.1%,青藏高原多年冻土带水合物天然气资源达1.2×1011 北的羌塘高原水合物天然气资源达3.45 x 1010 此,青藏高原多年冻土带具有较大的天然气水合物资源前景.3青藏高原多年冻土带天然气水合物的影响因素3.1 冻土层厚度、地温梯度对水合物层的影响除形成水合物的天然气和水物质基础、天然气组成和孔隙流体盐度影响水合物的分布特征外,冻土带的温度、压力特征是控制水合物形成与分布的最主要因素.由于冻土层内的静岩压力梯度(17.17MP“同于沉积物孔隙流体的静水压力梯度(9.81冻土层厚度的差异将影响沉积剖面中的压力状态.在其他条件相同时,冻土层厚度从0增至700合物层顶界埋深变浅、底界埋深和厚度增加(表2).计算的青藏高原冻土带天然气水合物顶界最小埋深约27m,明显浅于报道的高纬度冻土带水合物的顶界埋深(~130m)旧1,这种差异是计算中应用热成因天然气和冻土层静岩压力计算所致.由于冻土层底界温度为0℃,冻土层的地温梯度主要影响水合物层的顶界埋深,冻土层之下沉积层地温梯度主要影响水合物层的底界埋深.表2显示在相同的冻土层厚度条件下,冻土层之下沉积层的地温梯度从0.05℃/15℃/合物底界埋深将增加;冻土层的地温梯度从0.011℃/33℃/m,水合物顶界埋深变浅.同时当不发育冻土层时,水合物的发育主要受沉积层的地温梯度和地表温度的控制,表2显示在沉积层地温梯度0.015℃/m、地表温度为0℃时,水合物稳定带顶界埋深为206m,底界埋深为999m,厚度为793m,可能存在水合物的发育.但在沉积层地温梯度O.015℃/℃、或在地表温度为0℃和沉积层地温梯度大于O.0228℃/具备天然气水合物发育的热力学条件.因此,在年平均地表温度较低、沉积层地温梯度较小的非冻土陆地,可能也具备天然气水合物发育的热力学条件.3.2青藏高原多年冻土带季节性地表温度变化对水合物的影响尽管青藏高原冻土带年均地温在一4~0引.但年内的季节性变化十分巨大,青康公路(214国道)沿线月均地表温度最低为1月(一5.2~一12.2℃),最高为7月(16.6~19.8℃)¨5|.冻土带剖面温度分布特征研究显示这种季节变化主要影响近地面10部冻土层温度变化不大∞2。3’舢4 2|.因此,这种地表温度的季节性变万方数据170 地球物理学报(. 48卷化对于埋深大于近30.3全球气候变化对青藏高原多年冻土带水合物的影响在温室效应的作用下,全球气温在逐渐增高.20世纪60年代以来,青藏高原年均气温上升了0.3~0.4℃H 3|.青康公路沿线20世纪90年代比60年代冻土层下界抬升了50。100m【帅].政府间气候变化委员会(1995年预测本世纪气温上升速度为0.03℃/a…1.研究表明在全球气温升高的背景下,青藏高原冻土区将逐渐退化.模拟计算表明,以O.04℃/来50年青藏高原冻土总面积减少12×104引,到2049年青藏高原气温将升高1.1℃,多年冻土减少19%,2099年气温升高2.91℃时,多年冻土减少58.18%[拍].随冻土区的缩小,冻土层厚度也将减小.冻土层内的静岩压力与沉积物孔隙流体的静水压力梯度的差异,冻土层厚度的变化将影响沉积剖面的压力.因此,全球气温的上升不仅直接影响水合物分布的温度条件,同时将影响含冻土层的沉积剖面压力条件,从而影响水合物分布的热力学稳定带,将导致水合物层发生分解,水合物顶界下降,底界上升,水合物稳定区及厚度逐渐缩小.4结 论青藏高原藏北羌塘盆地具有天然气水合物形成的充足气源.近代地震活动反映羌塘及邻区的第四纪断裂活动频繁,为水合物形成提供了有利的流体运移通道.青藏高原冻土实测厚度10~175m,计算最大厚度700m,冻土层内地温梯度为0.011~0.033℃/土层之下沉积层地温梯度为0.015~0.050℃/合物形成的相平衡特征显示热成因和生物成因天然气水合物顶界埋深约27—560m,底界埋深约77。2070m.初步计算表明青藏高原冻土带水合物天然气资源1.2×10“~2.4×10“北羌塘高原水合物天然气资源3.4×1010~6.9×10"冻土层越大、冻土层和冻土层之下沉积层的地温梯度越小的地区,越有利于水合物的发育.温度的季节性变化对埋深大于近30全球气温快速上升的背景下,青藏高原气温正以0.03℃/仅直接影响天然气水合物稳定的温度,而且将间接影响沉积剖面的压力,导致水合物失稳,分布区和厚度逐渐缩小,最终将全部分解消失.致谢孙永革博士提供了新疆克拉2气田天然气的组成,宋海斌和吴青柏博士对论文初稿提出了许多建议,特别是审稿人提出的许多修改建议,在此表示感谢.参考文献( D.1998.1~628 A. f c^∞1988,71:41—51 S. of 002,嘶(11):1971—1992. of on 鲈,1990,16:247—28 A. c,’988,2(3):22c K,, D.Is of 唧伽.鼢.励£.,1991,18:432—434 G.of .1990,27:148~157 J, ,So} E. a of g s ∞地001,29(5):443—446, , , et 蛔,1998,26:(12):1107~1110,,.of 口r.2000,163:125~148 V, , , et in e】【鼠扩勘Z.&c.,2000.50:217~224, R.of i“m.胁£. c^.,1988,34:1718—1721 C, L,“u C S,et of g in Ⅱ2A£998,9(4):779~794姚伯初.南海北部陆缘天然气水合物初探.海洋地质与第四纪地质,1998,18(4):11—18 C. of in of 2矗础&y&in 1998,18(4):11—18宋海斌,耿建华, 海北部东沙海域天然气水合物的初步研究.地球物理学报,2001,“(5):687~695So“g H B,(k“g J H, K,et of o“.锄p^".(in 2001,“(5):687~695万方数据多福等:青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测 17l[16] 栾锡武,秦蕴珊,张训华等.东海陆坡及相邻槽底天然气水合物的稳定域分析.地球物理学报,2003,46(4):467—475x w, S, H,et 1le of on of .(2003,46(4):467~475[17] 姚伯初.南海的天然气水合物矿藏.热带海洋学报,200l,20(2):20—28 c.in “’0f 0∞。啪hy(in 2001,20(2):20一28[18] 程国栋,赵 林.青藏高原开发中的冻土问题.第四纪研究,2000,20(6):521—53g G D,.in of Q“砒2000,20(6):521—531[19] 徐学祖,程国栋,俞祁浩.青藏高原多年冻土区天然气水合物的研究前景和建议.地球科学进展,1999,14(2):201~204xu x z, D, H.i“on 如删加&如1999,14:201—204[20] 张立新,徐学祖,马巍.青藏高原多年冻土与天然气水合物.天然气地球科学,2001,12(1—2):22~26 X, Z,.in £∞幽M(2001,12(1—2):22—26[21] 黄朋.潘桂棠.王立全等.青藏高原天然气水合物资源预测.地质通报,2002,21(11):794—798g P, T, 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