南海琼东南盆地两种不同成因天然气水合物赋存的深层沉积物地球化学特征对比.pdf

第 52 卷 第 2 期 Vol.52,No.2,180190 2023 年 3 月 GEOCHIMICA Mar.,2023 收稿日期:2021-04-20;改回日期:2021-06-25 项目资助:国家自然科学基金项目(41803042、41872156)、中国科学院战略性先导科技专项(A 类)(XDA14010103)、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0102)和中国地质调查局地质调查项目(DD20190230)联合资助。第一作者简介:王俊杰(1995),男,博士研究生,油气地球化学专业。E-mail: 通信作者:蒋彬(1989),男,工程师,主要从事地质有机质分子组成研究。E-mail: 方允鑫(1984),男,教授级高工,主要从事水合物相关地球化学研究。E-mail: Geochimica Vol.52 No.2 pp.180190 Mar.,2023 南海琼东南盆地两种不同成因天然气水合物赋存的深层沉积物地球化学特征对比 王俊杰1,2,4,蒋 彬1,2,4*,廖玉宏1,2,4,赖洪飞3,5,郭睿波3,5,曾 清1,黄越义1,2,4,方允鑫3,5*,匡增桂3,5(1.中国科学院 广州地球化学研究所,有机地球化学国家重点实验室,广东 广州 510640;2.中国科学院 深地科学卓越创新中心,广东 广州 510640;3.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州),广东 广州 511458;4.中国科学院大学,北京 100049;5.中国地质调查局 广州海洋地质调查局,广东 广州 510760)摘 要:对来自琼东南盆地 W03和 W09站位的天然气水合物分解气及其赋存沉积物的地球化学特征进行对比研究。结果表明,W03 和 W09 站位的天然气水合物分解气分别对应以生物气为主和以热成因气为主的混合成因气,2 个站位水合物赋存的深层沉积物的地球化学特征具有显著差异。以生物成因气为主的 W03 站位沉积物表现出较高的总有机碳(TOC)、较低的硫酸盐含量以及较高的孔隙度,这些是产甲烷菌活跃的有利条件;同时天然气水合物富集层沉积物的饱和烃中显示出强度很高的低碳数未分离复杂化合物(UCM)鼓包(C12C19),推测该站位沉积物中产甲烷菌活跃。以热成因气为主的 W09 站位沉积物中轻重烷烃指数(L/H)、姥鲛烷/植烷(Pr/Ph)和 n-C17/Pr 等多种生物标志物特征表明,该站位在天然气水合物富集层有明显的油源烃浸染的痕迹,推测来自深部油气藏的天然气将油源烃携带到天然气水合物层位,同时该站位部分样品色谱图中显示出与油源烃微生物降解活动相关的 UCM 鼓包(C17C21),表明油源烃在沉积物中也受到了微生物降解活动的影响。关键词:天然气水合物;热成因气;生物成因气;UCM 鼓包;琼东南 中图分类号:P593 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)02-0180-11 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.02.005 Comparison of geochemical characteristics of natural gas hydrate-related sediments in Qiongdongnan Basin,South China Sea WANG Junjie1,2,4,JIANG Bin1,2,4*,LIAO Yuhong1,2,4,LAI Hongfei3,5,GUO Ruibo3,5,ZENG Qing1,HUANG Yueyi1,2,4,FANG Yunxin3,5*,KUANG Zenggui3,5(1.State Key Laboratory of Isotope Geochemistry,Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.CAS Center for Excellence in Deep Earth Science,Guangzhou 510640,Guangdong,China;3.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou),Guangzhou 511458,Guangdong,China;4.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;5.Guangzhou Marine Geological Survey,China Geological Survey,Guangzhou 510760,Guangdong,China)Abstract:We evaluated the geochemical characteristics of decomposed gas and its accompanying sediments from the W03 and W09 stations in the Qiongdongnan Basin.The results showed that W03 and W09 correspond to two types of mixed gas,mainly biogenic gas and thermogenic gas.The geochemical characteristics of the deep sediments accompanied by hydrates and the two stations significantly differed.The biogenic gas dominating sediments at the W03 site showed a high total organic carbon,low sulfate content,and high porosity,which are favorable 第 2 期 王俊杰等:南海琼东南盆地两种不同成因天然气水合物赋存的深层沉积物地球化学特征对比 181 Geochimica Vol.52 No.2 pp.180190 Mar.,2023 conditions for methanogen activity.Compared with gas hydrate-free deposits from adjacent boreholes,the gas hydrate-enriched deposits showed a high intensity of unresolved complex mixture(UCM)bulge(C12 to C19)in the saturated hydrocarbons chromatogram.This result indicates the existence of traces of microbial modification,and that the sediments at the station are suitable for methanogen activity.A large amount of biogas was produced,and a gas hydrate-rich area was formed.However,L/H,Pr/Ph and n-C17/Pr in the sediments of the W09 station,which is dominated by thermal gas,indicate that there are obvious traces of oil-source hydrocarbon impregnation in the gas hydrate enrichment layer at this station.Gas from the deep reservoir may have carried the oil-source hydrocarbon to the gas hydrate horizon.Additionally,the chromatograms of some samples at the station showed UCM bulges(C17 to C21)related to microbial degradation of oil-derived hydrocarbons,indicating that oil-derived hydrocarbons were affected by microbial degradation in the sediments.Key words:gas hydrate;thermogenic gas;biogenic gas;UCM bulge;Qiongdongnan 0 引 言 天然气水合物是一种在特定的温度和压力条件下形成的以 CH4、C2H6等烃类气体为主的似冰状固态化合物。因天然气水合物总量大且能量密度高,被视为未来的一种重要战略能源,从而越来越受到世界各国及科学界的重视。天然气水合物气体一般有 2 种来源:微生物成因,多种产甲烷菌将沉积物中的有机质或者 CO2转化为 CH4(Sugimoto and Wada,1993;Sassen and MacDonald,1994),这个反应过程离不开沉积物中的有机质;热成因,一般情况下由海底深处烃源岩或者石油等受到高温高压作用裂解为 CH4、C2H6和 C3H8等气体(赵祖斌和杨木壮,2001)。生物成因气一般在原地或者经过短距离运移以后进入天然气水合物富集层形成天然气水合物,而热成因气体往往来自地层深部,通过泥底劈、气烟囱和断层等裂隙运移到上部沉积物中,在合适的温度和压力条件下形成天然气水合物。当 2 种来源的天然气在海底共同对天然气水合物的形成做出贡献时,称天然气水合物的气体来源为混合来源,通常采用 CH4与 C2H6和 C3H8之和的比值(C1/(C2+C3)和 CH4的 C 同位素(13C1)共同来判断天然水合物成因(狄永军和郭正府,2003)。我国南海北部发现了大量天然气水合物,并已对部分海域的天然气水合物进行试采(刘杰等,2019)。天然气组分和同位素结果显示,南海北部各海域天然气水合物气体来源并不相同:琼东南盆地和珠江口的白云凹陷盆地中的部分站位以生物成因气为主,而台西南盆地和西沙海槽以热解成因气为主,同时混合成因气在南海大部分区域也都有一定程度的检出(张洪涛等,2007;吴庐山等,2011)。沉积物的地球化学指标尤其是生物标志物在对天然气化合物的寻找和气体来源判识等方面有明显优势。有机元素如 C、N 和 S 对判断沉积物中有机质丰度、来源以及盐含量等有至关重要的作用。前人通过模拟实验发现,有机碳的供应量对产甲烷菌等微生物活动至关重要,为生物气的形成提供了重要碳源(康晏和王万春,2004;付少英,2005)。沉积物中的硝酸盐和硫酸盐对生物气的形成也十分重要,研究表明,较高的硫酸盐和硝酸盐含量会抑制生物气相关微生物的活动(Lovley and Klug,1983)。综合分析沉积物中的元素含量,可以推断其物质来源、是否适宜微生物发育以及对天然气水合物生成的影响。饱和烃分布特征可以指示物质来源和相关的微生物活动,如正构烷烃碳数分布可以用来指示沉积物中有机质的物质来源:海洋微生物来源的有机质碳数普遍小于 C21,而陆地高等植物来源的有机质则以 C27、C29和 C31为主(Hu et al.,2009)。另外,一些参数如碳优势指数(CPI)、奇偶指数(OEP)、轻重烷烃指数(L/H)和姥鲛烷/植烷(Pr/Ph)等,能判断沉积物是否有油源烃的混入以及是否受到微生物降解(Gao and Chen,2