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

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。