中國天然氣水合物氣的成因類型

戴金星，倪云燕，黃士鵬，彭威龍，韓文學，龔德瑜，魏偉

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

中國天然氣水合物氣的成因類型

戴金星，倪云燕，黃士鵬，彭威龍，韓文學，龔德瑜，魏偉

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

基于中國祁連山凍土帶、南海北部珠江口盆地、臺西南盆地的陸坡等天然氣水合物樣品資料，進行了天然氣水合物氣的成因類型分析。研究結(jié)果表明，祁連山木里地區(qū)中侏羅統(tǒng)江倉組發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物氣主要是油型氣，為自生自儲型，δ13C1值為-52.7‰～-35.8‰，δ13C2值為-42.3‰～-29.4‰；還發(fā)現(xiàn)了少量煤成氣，氣源巖可能主要為中侏羅統(tǒng)木里組含煤地層，δ13C1值為-35.7‰～-31.3‰，δ13C2值為-27.5‰～-25.7‰。南海珠江口盆地與臺西南盆地天然氣水合物氣主要是CO2還原型生物氣，δ13C1值為-74.3‰～-56.7‰，δD1值為-226‰～-180‰；還發(fā)現(xiàn)熱成因氣遺跡，δ13C1值為-54.1‰～-46.2‰。綜合國內(nèi)外20個地區(qū)（盆地）相關(guān)天然氣水合物氣地球化學資料，提出世界天然氣水合物熱成因氣既有油型氣也有煤成氣，以油型氣為主，在中國祁連山和加拿大溫哥華島附近識別出了少量煤成氣，煤成氣δ13C1值重即大于等于-45‰，δ13C2值大于-28‰；油型氣δ13C1值為-53‰～-35‰，δ13C2值小于-28.5‰。世界天然氣水合物氣主要是生物成因氣，并以 CO2還原型生物氣為主，僅在俄羅斯貝加爾湖盆地發(fā)現(xiàn)乙酸發(fā)酵型生物氣。CO2還原型生物氣δD1值重即大于等于-226‰，乙酸發(fā)酵型生物氣δD1值輕即小于-294‰。世界天然氣水合物的生物氣δ13C1值最重的為-56.7‰，最輕的為-95.5‰，其中-75‰～-60‰是高頻段。世界天然氣水合物氣δ13C1值最重為-31.3‰，最輕的為-95.5‰；δD1值最重的為-115‰，最輕的為-305‰。圖6表3參87

神狐海域；祁連山凍土帶；天然氣水合物氣；生物氣；油型氣；煤成氣；碳氫同位素組成；成因類型

0 引言

化學家在實驗室發(fā)現(xiàn)天然氣水合物差不多有 200年了，在前期相當長時間沒有認識其在能源上的重大意義。當管道堵塞的原因被認為是天然氣水合物所致時，20世紀30年代石油工業(yè)界開始關(guān)注水合物[1]。俄羅斯科學家在60年代首先發(fā)現(xiàn)巖石圈存在天然氣水合物[2-3]。1968年在西西伯利亞盆地北部發(fā)現(xiàn)了世界上第1個天然氣水合物氣田——Messoyakha氣田[4-5]。70年代早期，一些科學家[6-7]推測水合物存在于永久凍土和海洋沉積物中。80年代早期，科學家在深海鉆探取心中發(fā)現(xiàn)陸緣海外圍的沉積物中含有天然氣水合物[8-9]，在美國阿拉斯加北坡凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)Tarm和Eileen水合物氣藏[10]，加拿大馬更些河三角洲凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)Mallik水合物聚集[11]，證實了Stoll等[6]在早期的科學推測。全球天然氣水合物聚集體中的天然氣資源是巨大的，但評價是推測性的，跨越 3個數(shù)量級：天然氣資源量為2.8×1015～8.0×1018m3[12]。被廣泛引用的全球天然氣水合物資源量為Kvenvolden[8]提出的2×1016m3。在世界能源消費日益增長、污染加重的情況下，天然氣水合物巨大的資源量引起人們加速勘探開發(fā)，在阿拉斯加北部、馬更些三角洲、日本Nankai海槽[12]和中國南海神狐海域[13]開展了天然氣水合物試采。

中國天然氣水合物的研究和調(diào)查起步較晚，落后國外大約30年。20世紀80—90年代地質(zhì)礦產(chǎn)部、中國科學院、教育部有關(guān)單位翻譯和搜集國外水合物調(diào)查和研究成果，為中國海域水合物調(diào)查做準備。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于1999—2001年率先在南海北部西沙海槽區(qū)開展高分辨率多道地震調(diào)查。2002年正式啟動了“中國海域天然氣水合物資源調(diào)查與評價”國家專項[14]。爾后，中國不僅在南海北部陸坡，還在凍土區(qū)開展水合物研究和調(diào)查，2008年在祁連山凍土帶天然氣水合物鉆探獲得重要進展。在天然氣水合物試采方面，2017年5月10日—7月9日在神狐海域試采，60 d產(chǎn)氣超過 30.0×104m3，創(chuàng)造了天然氣水合物產(chǎn)氣時間和總量的世界紀錄[13]，比日本2017年6月5日—6月28日在Nankai海槽24 d試采產(chǎn)氣約20×104m3勝出一籌。

1 天然氣水合物形成條件和分布

1.1 形成條件

天然氣水合物的形成要具備 4個條件：①低溫。最佳溫度是0～10 ℃。②高壓。壓力應(yīng)大于10.1 MPa。溫度為0 ℃時壓力不低于3 MPa，相當于300 m靜水壓力。在海域水合物也可在較高溫度下形成，通常在水深300～2 000 m處（壓力為3～20 MPa），溫度為15～25 ℃時水合物仍然可形成并穩(wěn)定存在，其成藏上限為海底面，下限位于海底以下650 m左右，甚至可深達1 000 m[14]。③充足氣源。等深流作用強的海區(qū)，一般是水合物的有利富集區(qū)，因等深流具有充足氣源，例如布萊克海臺水合物可能與等深流作用有關(guān)[15]。阿拉斯加北坡[16]和加拿大[17]天然氣水合物研究表明，熱成因烴源巖對于高豐度的天然氣水合物形成是非常重要的。由此可見氣源是天然氣水合物成藏富集的核心因素。④一定量的水。水是天然氣水合物氣體賦存籠形結(jié)構(gòu)的物質(zhì)主體。氣體和水共同體才構(gòu)成天然氣水合物。故水是天然氣水合物形成的重要物質(zhì)之一。

1.2 分布區(qū)域

雖然天然氣水合物資源量巨大，但受上述 4個形成條件控制，其分布不均。全球已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物資源量的98%分布在海洋陸坡，僅有2%分布于大陸極地、凍土帶、內(nèi)陸海和湖泊[18]。中國在南海北部西沙海槽盆地、瓊東南盆地、珠江口盆地和臺西南盆地的深水區(qū)域均發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的地質(zhì)、地球物理及地球化學證據(jù)[19]，還在東海、臺灣東部海域、南沙海槽和南沙海域發(fā)現(xiàn)天然氣水合物[18,20]。在祁連山凍土帶青海省木里地區(qū)，2008年以來多井鉆獲天然氣水合物[21-23]。羌塘盆地和東北漠河地區(qū)多年凍土區(qū)天然氣水合物勘探也有良好顯示[20,24-25]。

2 天然氣水合物氣的地球化學特征

氣源對比和鑒定是天然氣成藏聚集、運移分析和資源評估的重要支撐性研究。與常規(guī)天然氣，甚至非常規(guī)天然氣中的致密氣相比，天然氣水合物資源 98%分布在海洋，且大部分為生物成因的干氣，往往缺失重烴氣和輕烴等科學信息，致使氣源對比和鑒定難度增大，只能依靠水合物氣中低碳分子氣組分及其碳氫同位素有關(guān)的參數(shù)進行氣源研究。中國已取得天然氣水合物樣品，并報道了其氣組分、碳同位素組成的，僅有祁連山凍土帶、珠江口盆地和臺西南盆地陸坡帶的部分區(qū)塊（見圖 1）。本文將綜合研討這些天然氣水合物氣地球化學特征及氣源問題。

2.1 祁連山凍土帶

祁連山多年凍土面積達 10×104km2，年平均氣溫低于-2 ℃，凍土層厚度為50～139 m[26]，具有良好的天然氣水合物形成條件和勘探前景[27]。2000年至今，在南祁連盆地木里坳陷，即在祁連山南緣青海省天峻縣木里鎮(zhèn)木里煤田聚乎更礦區(qū)，中國地質(zhì)調(diào)查局先后實施天然氣水合物科學鉆探井共10余口，其中發(fā)現(xiàn)天然氣水合物探井11口，即DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8、DK-9、DK-12、DK13-11、DK12-13、DK11-14和 DK8-19井（見圖 1）。天然氣水合物主要儲集于中侏羅統(tǒng)江倉組粉砂巖和泥巖中，其次為砂巖，其產(chǎn)狀不穩(wěn)定，為與斷裂關(guān)系較密切，埋深 133.0～396.0 m[20-23]。對以上發(fā)現(xiàn)天然氣水合物井，許多學者[20-23,28-30]先后對其水合物氣的主要地球化學參數(shù)做了研究（見表 1）。

圖1 中國天然氣水合物氣研究區(qū)位置圖

2.2 南海北部陸坡

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局分別于 2007年、2013年、2015年及2016年4次在南海北部陸坡海域?qū)嵤┨烊粴馑衔镢@探，成功鉆獲天然氣水合物，證實了此地區(qū)蘊藏著豐富的天然氣水合物資源。鉆探和調(diào)查研究證明，南海北部陸緣西部—中部—東部具有不同地質(zhì)構(gòu)造特點，天然氣水合物成藏條件的差異性明顯，對其成藏過程、成藏模式及空間分布產(chǎn)生深刻影響[31]。

目前，僅在珠江口盆地和臺西南盆地有天然氣水合物氣的地球化學報道。

2.2.1 珠江口盆地

神狐海域目前是天然氣水合物鉆探獲樣品最多、水合物氣地球化學研究成果最多的地區(qū)。神狐海域構(gòu)造上位于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷，地理上位于南海北部陸坡區(qū)中段，即西沙海槽與東沙群島之間海域[32]。新近紀以來，神狐海域發(fā)育大量的深水沉積扇，還發(fā)育底辟帶、氣煙囪、海底麻坑[33]。鉆井巖心 Be測年顯示，天然氣水合物主要賦存于上中新統(tǒng)上部和上新統(tǒng)底部的軟性未固結(jié)沉積物中。沉積物為細粒有孔蟲黏土或有孔蟲粉砂質(zhì)黏土，也有孔滲好、較疏松的粉砂巖。2007年在神狐海域首次實施天然氣水合物鉆探，在SH2、SH3和SH7等3口井獲得天然氣水合物樣品[34]。除神狐海域外，在珠江口盆地東部也有幾口井獲得天然氣水合物。許多學者[30,33-37]對上述天然氣水合物氣的主要地球化學參數(shù)做了研究（見表 2）。同時對神狐海域4 pc和23 pc站沉積物頂空氣的甲烷碳同位素組成也作了研究[33]（見表3），可以認為這些沉積物頂空氣與天然氣水合物氣應(yīng)是同源的。

2.2.2 臺西南盆地

臺西南盆地位于南海東北部大陸斜坡，東沙群島以東地區(qū)，天然氣水合物氣藏主要分布在海域更新統(tǒng)—全新統(tǒng)[19]。研究區(qū)內(nèi)中新世濁流沉積非常發(fā)育，上新世以峽谷沉積、天然堤沉積及半遠洋沉積為主。峽谷沉積以粗顆粒沉積為主，包括細砂巖、中砂巖及粗砂巖，是天然氣水合物非常好的儲集層；天然堤沉積以細顆粒沉積為主，包括粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖以及泥巖；半遠洋沉積以塊狀泥巖為主。2013

年天然氣水合物鉆探在WA鉆位和WB鉆位分別獲得天然氣水合物實物樣品。WB鉆位附近氣煙囪和斷裂十分發(fā)育，有大量的氣煙囪群，天然氣水合物氣的δ13C1值為-70.7‰～-69.9‰（見表2）[37]（見圖1）。

表1 祁連山凍土帶木里一帶天然氣水合物氣的組分和碳氫同位素組成

表2 珠江口盆地和臺西南盆地天然氣水合物氣的組分和碳氫同位素組成

表3 神狐海域4 pc和23 pc站沉積物頂空氣中的甲烷碳同位素組成[33]

3 氣源鑒別和討論

近30余年來，中國學者在氣源鑒別和對比上，從天然氣碳氫同位素、組分、輕烴和生物標志化合物 4方面對生物成因氣、煤成氣和油型氣氣源對比鑒別提出可信度高的系列鑒別指標、圖版和公式，使中國氣源對比研究處于世界前列，出現(xiàn)許多高水平成果[38-52]。

由于天然氣水合物氣大部分為貧重烴氣的干氣，所以缺乏輕烴和生物標志化合物兩個方面鑒別指標的科學信息，僅有碳氫同位素和組分兩個方面鑒別指標的科學信息可以利用，將表1和表2中的相關(guān)地球化學參數(shù)分別投到δ13C1-δ13C2-δ13C3鑒別圖[39,41]（見圖 2）和δ13C1-δD1鑒別圖[53]（見圖3）。由于目前中國發(fā)現(xiàn)天然氣水合物氣的相關(guān)地球化學參數(shù)樣品分布地域局限，所以引入國外14個地區(qū)（盆地）天然氣水合物相關(guān)地球化學參數(shù)[54-71]于上述兩鑒別圖，首次進行世界性天然氣水合物氣的氣源對比鑒別。

近幾年中國許多學者應(yīng)用δ13C1-C1/(C2+3)鑒別圖[20-23,25,29-30,33,35-36]來對比天然氣水合物氣的成因類型，該圖的不足之處在于把δ13C1值為-55‰～-50‰的天然氣水合物氣劃入混合氣，并在熱解氣中不能判別出油型氣和煤成氣。

3.1 祁連山凍土帶

以往許多學者[20-23,27-30]對本區(qū)天然氣水合物氣的成因類型和氣源作了較多研究，基本有兩種觀點，本文在前人研究基礎(chǔ)上進行進一步分析討論。

3.1.1 油型氣為主

黃霞等根據(jù)12口水合物鉆井資料研究，指出水合物主要儲集于江倉組，為油型氣，與煤成氣關(guān)系不大，氣源來自深部上三疊統(tǒng)尕勒得寺組烴源巖[20]（見圖4），盧振權(quán)等也認為水合物氣與油型氣密切相關(guān)，主要為原油裂解氣、原油伴生氣，并有少量生物氣，而與煤成氣關(guān)系不大[21]。唐世琪等[72]根據(jù) DK-9井天然氣水合物巖心頂空氣組分和碳同位素組成研究，指出水合物氣為油型氣，并含有少量生物氣。

圖2 δ13C1-δ13C2-δ13C3天然氣成因鑒別圖[39,41]

3.1.2 “煤型氣源”天然氣水合物[73-76]

木里天然氣水合物位于中侏羅統(tǒng)江倉組油頁巖段的細粉砂巖夾層內(nèi)（見圖4），天然氣水合物中的甲烷主要來自木里煤田的煤層氣，故稱為“煤型氣源”天然氣水合物[73-74]。曹代勇等認為該區(qū)天然氣水合物中烴類氣體主要來自侏羅系煤層和煤系分散有機質(zhì)熱演化的產(chǎn)物，也稱之為“煤型氣源”天然氣水合物[75]，還有認為是以廣義煤系氣為主的混合氣[76]。

圖3 δ13C1-δD1天然氣成因鑒別圖[53]

3.1.3 氣源、成因類型討論

表1列出了木里地區(qū)9口井45個天然氣水合物氣樣品烷烴氣碳同位素組成（δ13C1、δ13C2、δ13C3、δ13C4），其中 42 個樣品具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4正碳同位素組成系列，是未受次生改造的原生型天然氣，有利于進行氣的成因和氣源對比鑒定[77-78]，由此在圖 2中鑒定祁連山天然氣水合物氣絕大部分與油型氣密切相關(guān)的結(jié)論[20-23]是正確的。但其中有2個氣樣（DK2井141.5 m深度點和DK9-0-17）的δ13C1值分別為-31.3‰和-35.7‰，比其他樣品的δ13C1值重得多；δ13C2值分別為-27.5‰和-25.7‰，而煤成氣δ13C2值重于-28‰[79]，故此兩樣品是煤成氣（見圖2）。

關(guān)于祁連山凍土帶天然氣水合物的氣源巖，王佟等[73]和曹代勇等[75]認為氣源主要是侏羅系煤成氣，侏羅系煤層、炭質(zhì)泥巖和油頁巖是主要的烴源巖，上石炭統(tǒng)的暗色泥（灰）巖、下二疊統(tǒng)草地溝組暗色灰?guī)r、上三疊統(tǒng)尕勒得寺組暗色泥巖為次要烴源巖。黃霞等[20]推測天然氣水合物的氣源巖主要為深部的尕勒得寺組。

上述兩個煤成氣樣的δ13C1值為-31.3‰和-35.7‰，根據(jù)煤成氣樣的δ13C1=14.13 lgRo-34.39關(guān)系式[39]和δ13C1=22.42 lgRo-34.8（Ro值大于 0.8%）[45]計算，δ13C1值-31.3‰的源巖Ro值為 1.43%～1.66%；δ13C1值為-35.7‰的源巖Ro值為0.81%～0.91%，而本區(qū)侏羅系煤系源巖Ro值實測為 0.740%～1.851%[76]，也就是說煤成氣的源巖Ro值在侏羅系煤系烴源巖實測Ro值范圍內(nèi)。從圖4中Ro值分析，煤成氣烴源巖基本發(fā)育在江倉組、木里組、尕勒得寺組上部煤層段的含煤地層中。本區(qū)南部柴達木盆地由中、下侏羅統(tǒng)煤系源巖形成的煤成氣的δ13C1值為-38.6‰～-25.3‰，δ13C2值為-28.8‰～-20.9‰[80]，本區(qū)水合物氣中煤成氣的δ13C1值和δ13C2值（見表1）正好處在柴達木盆地中、下侏羅統(tǒng)煤系源巖形成煤成氣δ13C1值和δ13C2值的數(shù)值范圍中，也佐證了水合物煤成氣源巖是侏羅系含煤地層。據(jù)以上分析，確定天然氣水合物氣中煤成氣的烴源巖為江倉組底部、木里組和尕勒得寺組頂部含煤地層（見圖4）。

圖4 木里地區(qū)天然氣水合物氣綜合柱狀圖

由表1可見：煤成氣最輕的δ13C1值-35.7‰比油型氣最輕的δ13C1值-52.7‰重17.0‰，說明油型氣的烴源巖成熟度應(yīng)比煤成氣的低。由圖 4可知：油型氣的烴源巖不可能是木里組，因為該組有機質(zhì)類型為Ⅲ型；只有江倉組中上部地層可能是油型氣的烴源巖，因為該層段具有Ⅱ1型和Ⅱ2型可形成油型氣的有機質(zhì)類型，同時其Ro值小于1.0%，低于煤成氣烴源巖的成熟度。本區(qū)天然氣水合物氣中的油型氣具有重烴氣（C2—4）含量高、δ13C2—4值輕的 2個特點，和鄂爾多斯盆地中生界（T3y和J1y）油型伴生氣[81]具有相似性（見圖5），這說明祁連山凍土帶天然氣水合物中的油型氣即為油型伴生氣。

圖5 δ13C1-C1/C2+3鑒別圖版[39]

3.2 中國南海北部陸坡

南海北部陸坡珠江口盆地白云凹陷神狐海域天然氣水合物氣的地球化學研究較多，同時對該盆地東部和臺西南盆地有少許水合物氣的地球化學研究（見表 2）。

關(guān)于本區(qū)天然氣水合物氣的成因類型，基本有兩種觀點：①天然氣水合物的烴類氣主要是生物成因的甲烷[34,36-37]，與熱成因甲烷關(guān)系不大[34]；②神狐海域天然氣水合物的烴類氣主要來源于微生物氣，同時混合少量熱解氣[33]。兩種觀點的共同點在于都認為水合物中的甲烷主要是CO2還原型生物成因氣。

生物成因氣和熱解成因氣是完全不同的成氣作用的產(chǎn)物，前者是生物作用產(chǎn)物，后者為熱降解作用產(chǎn)物，鑒別兩者的參數(shù)是甲烷碳同位素組成（δ13C1值）。盡管有學者把劃分兩種氣的界限值定為-60‰，但通常認為生物成因氣δ13C1值小于等于-55‰，熱解氣δ13C1值大于-55‰[38]，即采用δ13C1值-55‰作為劃分2者的界限值。

由表 2可知，研究區(qū)天然氣水合物氣甲烷含量極高，為97.00%～99.97%，為重烴氣含量極低的干氣。除SH5C-11R樣品δ13C1值為-54.1‰外，其他樣品δ13C1值為-71.2‰～-56.7‰，均屬生物成因氣，其δ13C2值為-31.9‰～-31.1‰。研究區(qū)天然氣水合物氣δD1值為-226‰～-180‰，δD2值為-84‰。由圖 3可見研究區(qū)天然氣水合物氣是CO2還原型生物氣。

由表3中神狐海域14個沉積物頂空氣樣品數(shù)據(jù)，可以認為這些氣樣與該區(qū)天然氣水合物氣是同源的。14個氣樣中有 12個是生物成因氣，δ13C1值為-74.3‰～-56.9‰，另兩個氣樣的（4 pc-4/7、4 pc-7/7）δ13C1值分別為-46.2‰和-51.0‰，顯然是熱成因氣。

由上可見，南海陸坡天然氣水合物氣主要是 CO2還原型生物成因氣（見圖 3），δ13C1值為-74.3‰～-56.7‰，同時也有少量熱成因氣。

中國天然氣水合物氣地球化學研究有了良好開端，但分析研究項目不全，嚴重影響了開展天然氣水合物氣深入研究和經(jīng)濟評價。由表1、表2、表3可見，僅有 3個樣品進行了天然氣常規(guī)組分全分析，即除分析烴類氣外還分析N2和CO2，也就是說其他樣品不具備進行水合物經(jīng)濟評價的科學根據(jù)。大部分樣品只進行烴類氣組分分析，甚至連烴類氣體也未分析（見表2、表 3），多數(shù)樣品沒有氫同位素分析資料，使天然氣成因研究困難，今后應(yīng)克服這些弊病。

3.3 世界天然氣水合物主要分布地區(qū)（盆地）

根據(jù)中國祁連山凍土帶（見表1）和南海北部陸坡（見表2），以及國外天然氣水合物14個主要地區(qū)（盆地）水合物氣的烷烴氣碳同位素組成（δ13C1—3）和氫同位素組成（δD1），繪制了圖2和圖3，解讀此兩圖基本能獲得世界天然氣水合物氣的成因類型及其特征。

3.3.1 熱解成因氣

以往眾多研究者都肯定存在熱解成因天然氣水合物氣，但未深入研究其中的油型氣和煤成氣的分布。

由圖2可知：天然氣水合物熱解氣以油型氣為主，煤成氣目前僅發(fā)現(xiàn)在中國祁連山凍土帶（見表1）、加拿大溫哥華島附近[56]，還有土耳其馬爾馬拉海[54]基本是偏煤成氣分布的區(qū)域。煤成氣δ13C1值較重即大于等于-45‰，δ13C2值大于-28‰；油型氣δ13C1和δ13C2值相對煤成氣的輕，δ13C1值為-53‰～-35‰，δ13C2值小于-28.5‰。

3.3.2 生物成因氣

由圖3可知：天然氣水合物生物氣以CO2還原型生物氣占絕大部分，僅在俄羅斯貝加爾湖盆地發(fā)現(xiàn)乙酸發(fā)酵型生物氣[55]。CO2還原型生物氣δD1值重，即大于等于-226‰（見表 2），乙酸發(fā)酵型生物氣δD1值輕，即小于-294‰[55]。

3.3.3 生物氣、油型氣和煤成氣δ13C1值及δD1值展布

Milkov在2005年[66]、賀行良等在2012年[82]曾對世界主要地區(qū)（盆地）天然氣水合物氣的地球化學參數(shù)作了匯總和研究，從中可知天然氣水合物氣中含量最高的組分是甲烷，對甲烷碳氫同位素的分析也最多。由此可見甲烷含量及δ13C1和δD1為天然氣水合物氣成因?qū)Ρ辱b別提供了重要的科學信息。

根據(jù)表1和表2，以及眾多科學家[54-71,82-87]對世界20個地區(qū)（盆地）天然氣水合物δ13C1和δD1研究，繪制了圖 6。由圖 6可知：①生物氣δ13C1值最重值為-56.7‰（見表 2）在中國珠江口盆地，最輕值在日本Nankai海槽，為-95.5‰[12]，而出現(xiàn)率高頻段在-75‰～-60‰。在全世界20個地區(qū)（盆地）中16個地區(qū)（盆地）有天然氣水合物生物氣，其中有13個地區(qū)（盆地）的δ13C1值均在-75‰～-60‰高頻段中，此數(shù)值段可稱為天然氣水合物生物氣黃金高頻段，預(yù)測今后新發(fā)現(xiàn)的水合物氣也主要位于該頻段中。②天然氣水合物氣δ13C1值最重的為-31.3‰（見表1），在中國祁連山；最輕的為-95.5‰，在日本Nankai海槽；其數(shù)值域（最重值和最輕值之差）為 64.2‰、分布寬，其中生物氣的數(shù)值域為39.2‰，范圍最大，油型氣的居中為18.7‰，煤成氣的最小為 12.1‰。③天然氣水合物氣δD1值最重的為-115‰在美國墨西哥灣，最輕的為-305‰在俄羅斯貝加爾湖盆地（見圖6）。

圖6 世界天然氣水合物氣δ13C1值和δD1值展布圖

4 結(jié)論

中國祁連山凍土帶天然氣水合物分布在中侏羅統(tǒng)江倉組，主要為油型氣，是自生自儲型，δ13C1值為-52.7‰～-35.8‰，δ13C2值為-42.3‰～-29.4‰；還發(fā)現(xiàn)了少量煤成氣，氣源巖可能主要為江倉組底部、木里組及尕勒得寺組含煤地層，δ13C1值為-35.7‰～-31.3‰，δ13C2值為-27.5‰～-25.7‰。中國南海北部珠江口盆地和臺西南盆地陸坡發(fā)現(xiàn)天然氣水合物氣主要為生物成因氣，δ13C1值為-74.3‰～-56.7‰，δD1值為-226‰～-180‰，為 CO2還原型生物氣；同時還發(fā)現(xiàn)熱成因氣，δ13C1值為-54.1‰～-46.2‰。

綜合了國內(nèi)外20個地區(qū)（盆地）相關(guān)天然氣水合物氣地球化學資料，得出世界范圍內(nèi)天然氣水合物氣熱解氣中既有油型氣也有煤成氣，以油型氣為主，在中國祁連山和加拿大溫哥華島附近識別出了少量煤成氣，煤成氣δ13C1值重即大于等于-45‰，δ13C2值大于-28‰。油型氣δ13C1值為-53‰～-35‰，δ13C2值小于-28.5‰。世界天然氣水合物氣主要是生物成因氣，并以 CO2還原型生物氣占絕大部分，僅在俄羅斯貝加爾湖盆地發(fā)現(xiàn)乙酸發(fā)酵型生物氣。CO2還原型生物氣δD1值重即大于等于-226‰，乙酸發(fā)酵型生物氣δD1值輕即小于-294‰。世界天然氣水合物的生物氣δ13C1值最重的為-56.7‰，最輕的為-95.5‰，其中-75‰～-60‰是出現(xiàn)高頻段。世界天然氣水合物氣δ13C1值最重為-31.3‰，最輕的為-95.5‰。世界天然氣水合物氣δD1值最重的為-115‰，最輕的為-305‰。

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Genetic types of gas hydrates in China

DAI Jinxing, NI Yunyan, HUANG Shipeng, PENG Weilong, HAN Wenxue, GONG Deyu, WEI Wei
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Beijing100083,China)

Researches were carried out on the origin of gas hydrate samples from the tundra in the Qilian Mountain, Pearl River Mouth Basin in the northern South Sea and the continental slope of Taixinan Basin in China. Gases of the gas hydrate samples from the Jurassic Jiangcang Formation in the Muli County in Qilian Mountain are mainly of oil-derived origin, characterized by self-generation and self-preservation.δ13C1values range from ?52.7‰ to ?35.8‰, and theδ13C2values vary from ?42.3‰ to ?29.4‰. There was a small amount of coal-derived gases, which might source from the coal-bearing Middle-Jurassic Muli Formation withδ13C1of ?35.7‰ –?31.3‰ andδ13C2of ?27.5‰ – ?25.7‰. Gases of the gas hydrate samples from the Pearl River Mouth Basin and Taixinan Basin are dominated by bacterial origin of carbonate reduction, withδ13C1of ?74.3‰ – ?56.7‰ andδD1of ?226‰ – ?180‰. A trace amount of thermogenic gases were also found in these basins withδ13C1of ?54.1‰ – ?46.2‰. This study combined the geochemical data of gas hydrates from 20 areas (basins) in the world, and concluded that thermogenic gases of the gas hydrates in the world can be either of coal-derived or oil-derived origin, but dominated by oil-derived origin. A small amount of coal-derived gas was also found in the Qilian Mountain in China and the Vancouver Island in Canada. The coal-derived gas has relatively heavyδ13C1≥ ?45‰ andδ13C2＞ ?28‰,while the oil-derived gas hasδ13C1from ?53‰ – ?35‰ andδ13C2＜ ?28.5‰. Gas hydrates in the world mainly belong to bacterial origin of carbonate reduction. Methanogensesis of acetate fermentation was only found in some gas hydrates from the Baikal basin in Russia.Bacterial gases of carbonate reduction have relatively heavyδD1≥ ?226‰, while gases of acetate fermentation haveδD1＜ ?294‰.The bacterial gas of gas hydrates in the world has the highestδ13C1value of ?56.7‰ and lowest of ?95.5‰, with a peak range of ?75‰– ?60‰. Gas hydrate in the world has the highestδ13C1of ?31.3‰ and lowest of ?95.5‰ and the highestδD1of ?115‰ and lowest of?305‰.

Shenhu area; Qilian mountain permafrost; gas hydrate; biogenic gas; oil-derived gas; coal-derived gas; carbon and hydrogen isotopic composition; genetic type

TE122.1

A

1000-0747(2017)06-0837-12

10.11698/PED.2017.06.01

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戴金星（1935-），男，浙江溫州人，中國科學院院士，中國石油勘探開發(fā)研究院教授級高級工程師，主要從事天然氣地質(zhì)與地球化學方面的研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學院路20號，中國石油勘探開發(fā)研究院，郵政編碼：100083。E-mail: djx@petrochina.com.cn

2017-10-12

2017-10-18

（編輯 張朝軍）