基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(编号:2009CB219501)、中国地质调查局地质调查项目“青藏高原冻土带天然气水合物调查评价”。 作者简介:祝有海,1963年生,研究员;主要从事天然气水合物和海洋地质研究工作。地址:(100037)北京市西城区百万庄大街26号。电话:(010)68999032。E-mail:zyh@mx.cei.gov.cn
中国冻土区天然气水合物的找矿选区及其资源潜力祝有海 赵省民 卢振权中国地质科学院矿产资源研究所
祝有海等.中国冻土区天然气水合物的找矿选区及其资源潜力.天然气工业,2011,31(1):13-19. 摘 要 中国是世界第三冻土大国,多年冻土面积达2.15×106km2(主要分布于青藏高原和东北大兴安岭地区),蕴含丰富的天然气水合物资源。前人对中国冻土区天然气水合物的研究多局限在青藏高原,且在找矿预测特别是找矿选区方面的研究较少。为此,对中国冻土区天然气水合物成矿条件及找矿选区进行了深入讨论,并初步评价其资源潜力。根据形成天然气水合物的气源条件、温压条件,结合目前所发现的异常标志,认为中国冻土区具备良好的天然气水合物形成条件和找矿前景,羌塘盆地是形成条件和找矿前景最好的地区,其次是祁连山地区、风火山—乌丽地区和漠河盆地,接下来还有青藏高原的昆仑山垭口盆地、唐古拉山—土门地区、喀喇昆仑地区、西昆仑—可可西里盆地以及东北的根河盆地、拉布达林盆地、海拉尔盆地和新疆北部的阿尔泰地区等。采用体积法和蒙特卡罗法初步估算出中国冻土区天然气水合物资源量约为38×1012m3,相当于380×108t油当量,与中国常规天然气资源量基本相当,显示出巨大的资源潜力。 关键词 中国 天然气水合物 冻土区 资源评价 成矿条件 找矿选区 资源量 羌塘盆地 DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.003
天然气水合物广泛分布于海底沉积物和陆上永久冻土区中,其全球潜在资源量相当于(1.8～2.1)×1016m3的甲烷气,是已知煤、石油和天然气等化石燃料资源量总和的2倍[1-3]。中国非常重视天然气水合物的调查研究,分别在南海神狐海区和青海祁连山冻土区成功钻获天然气水合物实物样品,显示出良好的找矿前景[4-7]。 迄今为止,国外冻土区内共发现天然气水合物产地9处,主要分布于俄罗斯、美国和加拿大等国的环北冰洋冻土区,包括美国阿拉斯加北部斜坡的Brudhoe湾-Kuparuk河地区,加拿大Mackenzie三角洲和Sverdrup盆地,俄罗斯的西西伯利亚盆地、Lena-Tun-guska地区、Timan-Pechora盆地、东北西伯利亚及Kamchatka地区,挪威的Svalbard半岛、格陵兰等[8-9]。中国是世界第三冻土大国,多年冻土面积达2.15×106km2,主要分布于青藏高原和东北大兴安岭地区,占国土面积的22.3%[10]。自20世纪90年代末开始,就有少部分学者开始关注中国冻土区特别是青藏高原冻土区是否存在天然气水合物,并开展形成条件和分布预测等方面的调查研究,结果显示青藏高原特别是羌塘盆地基本具备天然气水合物的形成条件,并提出了各自的分布预测[11-20],但这些调查研究多集
中在形成条件方面,且多局限在青藏高原,在找矿预测特别是找矿选区方面更是语焉不详。本文主要依托中国地质调查局的“中国陆域永久冻土带天然气水合物资源远景调查(2004—2007)”项目成果,结合近年来的调查研究进展,对中国冻土区天然气水合物成矿条件及找矿选区进行深入讨论,并初步评价了其资源潜力,以供有关决策部门参考。
1 成矿条件分析
天然气水合物形成于低温高压环境下,并需要有接近于饱和的气源条件和充足的水源条件,同时气体组成及其孔隙水盐度也将影响到水合物能否形成并保
·13·第31卷第1期 本 期 视 点 持稳定。由于中国冻土区的水源条件比较丰富,故制约水合物能否形成的关键因素是气源条件和温压条件,这里先就温压条件进行深入分析。 中国冻土区主要分布于东北大兴安岭地区和青藏高原,并零星分布在一些高山上(图1)。东北冻土区位于环北极冻土区的南缘,主要分布于东北大兴安岭46°30′N～53°30′N,面积38.2×104km3,占中国冻土区总面积的17.8%。东北冻土属纬度冻土,随着纬度降低,年平均气温升高,永久冻土的发育程度降低,连续性变差,冻土层厚度减薄,含冰量减少,由大片连续冻土逐渐演变为岛状冻土和稀疏岛状冻土。青藏高原是中国最大的冻土区,南北跨越12个纬度,东西横亘近30个经度,面积150×104km3,占中国冻土总面积的69%。青藏高原冻土是典型的高山冻土(中低纬度冻土),纬度和海拔是冻土的主要控制因素。青南藏北高原特别是羌塘盆地是多年冻土最发育的地区,基本呈连续分布或大片分布,由此向周边地区,随着海拔降低,年平均地表地温逐渐升高,由连续冻土或大片冻土逐渐过渡为岛状冻土。祁连山冻土区地处青藏高原北缘,总体上也属于高原冻土,年平均地表地温为-1.5～-2.4℃,冻土层厚度为50～139m。木里地区是祁连山冻土区的核心,除局部地段外,多年冻土连续分布,其年平均地表地温最低(-2.4℃),实测冻土层厚度60～95m,并常见厚层地下冰[10]。图1 中国冻土区天然气水合物找矿远景区预测图(冻土分布范围据本文参考文献[10]) 与环北冰洋冻土区(高纬度冻土区)相比,中国冻土区的年平均地表地温相对较高,冻土层相对较薄,如青藏公路沿线实测的最大冻土层厚度仅为128m[10],而高纬度冻土区的冻土层厚度一般都介于400～500m,这也导致部分人员怀疑中国冻土区能否形成天然气水合物的主要疑虑。事实上,影响冻土区天然气水合物能否形成及其水合物稳定带厚度的主要因素包括年平均地温、冻土层厚度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度和气体组分、水体盐度等,我们根据上述参数,利用Sloan的CSMHYD软件对中国冻土区天然气水合物的温压条件进行了计算,图2即为根据祁连山木里地区实际参数进行计算的一个实际例子,具体的计算方法和计算过程请参见本文参考文献[17]。笔者利用同样的方法对青藏高原的羌塘盆地、昆仑山垭口盆地、风火山—乌丽地区、唐古拉山—土门地区、伦坡拉盆地以及东北漠河盆地等地开展了温压条件计算,结果显示青藏高原和漠河盆地基本具备形成天然气水合物的温压条件。
图2 祁连山木里地区天然气水合物的温压条件 A点—年平均地表地温;B点—冻土层底界;C点—水合物稳定带顶界;D点—水合物稳定带底界;AB线—冻土层内地温梯度;BD线—冻土层下地温梯度
进一步地,笔者分别利用祁连山木里地区33号钻孔冷泉气(CH4:96.6%,C2H6:3.3%,C3H8:0.1%,均为摩尔分数,下同)、风火山—乌丽地区顶空气平均值(CH4:93.8%,C2H6:6.2%)和羌塘盆地双湖地区顶空气平均值(CH4:63.3%,C2H6:24.3%,C3H8:8.9%,nC4H10:3.5%)等实测气体组分,结合青藏高原的其他参数,对青藏高原天然气水合物的稳定带及其厚度进行了计算,结果显示青藏高原具备较好的天然气水合物形成条件,即使要求最为苛刻的纯甲烷水合物也能在局部地区形成(图3),且随着重烃组分的逐渐增加,能形成水合物的地区范围逐渐增大,水合物稳定带厚度也逐渐增厚。
·14· 天 然 气 工 业 2011年1月图3 青藏高原天然气水合物(纯甲烷组分)稳定带及其厚度分布图
2 找矿选区讨论 根据中国冻土区形成天然气水合物的气源条件、温压条件,结合目前所发现的异常标志,笔者认为中国冻土区具备良好的天然气水合物形成条件和找矿前景,其中羌塘盆地是形成条件和找矿前景最好的地区,其次是祁连山地区、风火山—乌丽地区和漠河盆地(图1),再其次应是昆仑山垭口盆地、唐古拉山—土门地区、喀喇昆仑地区、西昆仑—可可西里盆地以及东北的根河盆地、拉布达林盆地、海拉尔盆地和新疆北部的阿尔泰地区等,下面对这些重点地区进行深入讨论。2.1 羌塘盆地 羌塘盆地是青藏高原最大的沉积盆地,面积约18×104km2,是在晚古生代裂谷演化背景上发育起来的叠合盆地,沉积了泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系等8大沉积层,总厚度大于30000m。羌塘盆地共发育有12套烃源岩,其中中上侏罗统索瓦组(J3s)、夏里组(J2x)、布曲组(J2b)和上三叠统肖茶卡组(T3x)为分布最广的4套烃源岩,具有良好的油气形成条件,目前已发现油气显示近200处,是青藏高原最有前景的常规油气找矿远景区[21]。笔者在羌塘盆地双湖地区150个站位的化探结果表明,酸解烃中的甲烷、乙烷和丙烷的平均含量分别高达1424.4μL/kg、187.5μL/kg和96.0μL/kg,大大高于其他盆地的相应值。顶空气、冰中气、冷泉气等也显示出类似的特征,显示出羌塘盆地有丰富的烃类气体,非常有利于形成天然气水合物。实测数据也显示羌塘盆地的重烃(乙烷、丙烷、丁烷等)含量相对较高,如顶空气中平均含有24.3%的重烃(摩尔比,下同),冰中气中平均含有28.1%的重烃,而酸解烃中平均含有23.0%的重烃,重烃含量越高越有利于形成天然气水合物,且其稳定带也就越厚。同时,甲烷碳同位素的分析结果显示,近地表沉积物中的烃类气体既有原地形成的微生物气,也有深部迁移上来的热解气,显示出多种不同来源的烃类气体在近地表处混合,也有利于形成天然气水合物。 羌塘盆地是青藏高原3个低温中心中温度最低、面积最大的一个,年平均气温值低于-6℃,且年平均地表地温反演结果表明,该区年平均地表地温多介于-5～-3℃,也是青藏高原年平均地表地温较低的地区。若以2.2℃/100m作为冻土层内的平均地温梯度,反演出来的冻土层厚度多在100～200m之间,局部地区可大于200m。由此可见,羌塘盆地是青藏高原冻土最为发育、冻土相对较厚的地区,也有利于形成天然气水合物。此外,羌塘盆地还是青藏高原地温梯度最低的盆地,羌塘盆地现今的地温梯度只有1.5～1.8℃/100m,古地温梯度也不到2℃/100m[22],属于典型的低热流盆地,其地温梯度(中值为1.65℃/100m)远低于整个青藏高原的平均值(4.18℃/100m),非常有利于形成天然气水合物。 因此,羌塘盆地是中国冻土区天然气水合物形成条件最好的地区,笔者将之划归I级找矿远景区,但目前发现与水合物有关的异常标志不多,EH-4法在龙尾错地区冻土层下发现高阻层,微测井法在羌塘盆地发现速度倒转现象[15]以及地质雷达中发现的高速层[15]也许与水合物有关,但目前尚未发现与水合物直接相关的异常标志,迫切需要开展深入的调查研究,以便证实是否存在天然气水合物。2.2 祁连山地区 祁连山地处青藏高原北缘,尽管海拔相对不高,但因纬度偏北,也成为青藏高原冻土分布比较广泛的地区之一,多年冻土面积达10×104km2,实测冻土层厚
