天然气地质学中的氩、碳同位素相关研究.pdf

第 8卷 第 1期 1 9 9 7年 2月 天然气 地球科 学 NATURAL GAS GEoS CI ENC E Vo 1 ． 8 Oc t ． No． 1 1 9 97 7一 一 } 0 { ／ 3 口 s 6 天然气地质学中的氩、 碳 同位素相关研 ／ 口 刘文汇 徐永 昌 气体地 球 化 学 国家重点 实验 室 兰州 7 3 0 0 0 0 摘要氩、 碳同位素组成是天然气形成演化、 成 因类型研究和源岩迫索的重要手 段 。 在 同一含 油 气盆地 ， 源岩 沉积 类型 ． 演化 温度和 演化 时间等 因素对 天 然 气氩 、 碳 同住素组成都具有控制作用。表文在多年工作基础上， 结合前人的研究， 从沉积特 点、 演化特点和天然气地球化学特征上探计 了碳和氩 同住素组成的相 关性及其在 天然气形成演化和源岩追索方面综合研究的意义 ， 认为天然气氩碳 同位素组成特 征对天然气地质学研究具有重要价值。 关 键 词 璺 ， 堕 旦 竺 盔 ， 苎 丝 气 油 对 比 气 厥 在油气地质学领域， 天然气中氩同位索组成和碳 同位素组成能够作为主要判识标志 ， 进 行 天 然气类 型划 分 、 油气 对 比和源 岩追 索 天 然 气 中氩 同位 素组 成主 要 以源岩 中放射 性元 素 钾的衰变形成 Ar 为基础， 因此， 具有明显的年代积累效应。 。 。碳同位素组成取决于源岩 的母 质类型 、 成 气作 用 以及 有 机母 质的 演化 程度 等“ ’ 。 天 然气 中碳 同位 素组成 分 布范 围很 大 。 C ， 为 一2 0 ％ 。 ～ 1 0 ‰ ， 这 种 大的 变化 利 于进 于 亍 天 然气 成 因类 型 划分 和 气源 对 比。 大量的地质资料表明， 对壳源天然气中氩和碳 同位素组成共同起作用的有 以下因素 ①源岩 类型 有机质类型控制碳同位素组成， 岩石中钾丰度控制放射性成因氲的丰度 ； ②温度 控制 有机质演化 程度和氲同位 素的释 出速率； 时间 可以补偿有机质演化温度的不足， 时间是 控制 放射性 成 因氩积 累 的首 要 因素 。 因此 ． 上 述 因素是 氩 和碳 两种不 同体 系 同位 素组 成在 天 然气 形成演 化 中具 相 关性 的研 究 基础 。 1 相 关研 究基 础 形成烃 类 气体 的有 机质 和放 射成 因氩 的母 体元 素钾在 源岩 演化 过程 中处于 同一 地球 化 学体 系 ， 尽管 两者 本 身不具 明显 的 内在 联 系 ， 但 在 成 气演 化 过程 中所 处的地 质 、 化 球化 学条 件会 对它们 同时起 作 用。 1 ． 1 沉积 学特 征 正 常沉积 盆 地 中 ， 油 气源岩 在 横 向上 趋 于一 致或 过 渡 变化 ， 而纵 向上会 存 在较 大 差 异 。 一 方面这种差异表现在沉积环境不同引起 的母质类型变化， 从而导致源岩生成的天然气碳 同位 素组成 发生 较 大变化 。 另 一方 面 ， 纵 向上 时代 差异 导致 天然 气中 氩同 位素组 成表现 出明 显的 年代 积累 效应 ， 特别 是 同一沉 积盆 地 中时代 间隔较 大 的源岩 ， 天 然气 氩 同位 素组 成年 代 效应 更为 明显 。 1 ． 2 源岩 演化 特征 同 一源 岩 形成 的天 然 气 ， C 值变 化 主要 与演 化 程 度有 关 ， 演化 程 度 成 熟 度 是 温 度 收 稿 日期 1 蚺 6 1 0 1 0 维普资讯 8 天然气地球科学 V d． 8 和 时 间的 函数 。同时 ， 源岩 中氩 同位 素组成 主要与 时间有 关 ， 但 温 度对 氩 从源岩 中释 出进 入 气藏起一 定 作用 因此 ， 同一 油气 区天 然气 8 1 。 C 与氩 同位 素 组成 在相对 小 的 范 围 内变化 时 可 以认 为是 同源 的 。如 果 6 C 变化较 大 而氩 同位素组 成 相对稳 定 ， 应 考虑 可能是 时 代相 同的源 岩 。 由于 沉积 相变 化而 形成 不 同的母 质类型 ， 当 C 和氩 同位 素 组成 均有较 ．太变化 时 ． 则 应属 于不 同来 源的 天然气 。 1 ． 3 天然气地球化学特征 利用 天然气 8 ” c 值可将其分为生物成因气、 生物一热催化过渡带气、 热 解气和深源 气 。 。 一 般情 况 下 ， 这些 气 体 的碳 同位 素组 成 中依 次富集 ” C 它们 形成 的地质 、 地球 化 学条 件 不尽 相 同 。因此 ． 表现 在天 然气 氩同位 素组 成上 亦有 变化 。生物 成 因气 形成 于 温度 低 、 埋 藏相 对浅 的成岩 作用 初期 ， 源 岩 中一般 含较多 的沉 积水 ． 这种 水 一般饱 和 溶解大 气 。 因此 ， 尽 管报导过中生界源岩形成的生物成因气 ， 但大部分源岩时代较新 ， 放射成因氩在源岩中积累 较少 ， 残 留在沉积 碎 屑及矿 物 中 的放 射成 因氩 由 于温 度低 、 成 岩 作 用程 度 差而 难 以释 出 ， 而 水 体 中溶 解的 大气 氩成 为 天 然气 中 氩 的主 要来 源 ， 导 致 生物 成 因气 中 Ar ／ Ar比值 较 低 。 生物一 热 催化过 渡带 气 也基本 如此 对 于热 解气而 言 ， 由于 源岩 形成 环境 和有 机质 演化 程度 十分复杂， 碳同位素组成变化较大 ， 而氩同位素组成存在着明显 的年代积累效应 ， 可以综台 分析 ， 进 行油 气对 比和源 岩追 索 。深源 气一 般指幔 源非 生物 成 因气 ， 其特 点是碳 同位 素 组成 较重 8 1 。 C 一2 0 ％ 。 ， 而 氩 同位 素组成 相对 高 综上 所述 ， 尽 管 天然 气 中碳 、 氩同位 素组 成受控 于不 同的地球化 学 体系 ， 但 两者之 间在 一定 地质 、 地 球化 学条 件下 存在 着相 关性 ， 可 以相 互 印证 2分 析 及 讨 论 多 年来 ， 对 天然气 中氩 、 碳同 位素 组成综 台研究 积累了大量资料。 、 。 。 现将我 国油型气和煤 型 气氩 、 碳 同位素 组成关 系 加以 综台研 究 。 2 ． 1 油 型气 。 C 与 。 Ar ／ “ Ar 比值 之关 系 我 国油 型气 的储层 分布 从前 震旦 花岗 片麻岩 系 到 上第三 系诸 层段 均有 分布 ， 源岩 主要 为震 旦系 四 川 等 、 寒武一 奥 陶系 塔里木 、 石炭 二叠 系 塔 里 木 、 准噶 尔 、 中生界 松 辽 、 塔 里木 、 准噶 尔等 和 第图 1 油型 气 8 1 C 与“ Ar ／ Ar 分 布 三系 渤 海 湾、 苏北 、 百 色 、 三水等 。因此 ， 油型气 的氩 、 碳 同位 素组成 分 布范 围较 大 图 1 为我 国油 型 气6 ” C 与 Ar ／ Ar 值分 布关 系 图 。 从 图 中可 以 发 现6 。 C 与 A r ／ Ar 之间 具 有 一 定 相 关 性 。 首 先 ， 所 有 天 然 气 的 Ar ／ Ar 比值 均 大 于 空 气 2 9 5 5 。 a ” C 一4 0 。 的天然气 ． Ar ／ Ar比值一 般大于 5 0 0 ， 最大近达 1 0 0 0 0左右． 这部分 天然气 绝大 部分 为中 生界 以前源 岩形 成 的天然 气 ． 具 有 明显 的年代 积累 效应 。整体而 言 ， 天 维普资讯 No ． 1 射文汇徐永 昌 天然气地质 中氩、 碳同位素相曼研究 9 然气的氩、 碳 同位 素组成具有随源岩时代变老， At ／ Ar比值增大 ， 有机质演化程度增高 8 ” C 变 重 的趋势 。 2 ． 2 煤型气 6 ” C 与 Ar ／ “ Ar比值分布关 系 中 国煤 型气 源 岩 时 空 分布 范 围 较大 ， 古煤 层系 时 代包 括石 炭纪 、 二 叠纪 、 晚三 叠 世 、 侏 罗 纪、 白垩纪 及 第三 纪 。 其 中以晚石 炭 世 、 二 叠纪 和侏 罗 纪煤 系最 为发 育 ， 因此 ， 利 用“ At ／ Ar比值 判 识 煤 型 气 源 岩 时代尤 为重 要 研究 表 明 ， 在 兄 0 ． 5 以后 的阶 段 形 成 的 天 然 气 ， 煤 型 气 的 8 ” C 值 一 般 重 于 油 型 气 。因此 ， 在帅 At ／ Ar比值 与 C 关 系 上 ， 煤 型气 与 油型 气的 分布亦 有差 别 。 图 2是 我 国煤 型气” At ／ Ar比值 与 8 ” C 值 的 分布 由于煤 型气 源岩时 空 分布 范围较 大 ， 在 图 中的 分 布变化 趋 势更 为 明显 。与油 型气 相 比由于源 岩母 图 2 媒型气 A t ／ A r 比值与 8 】 j c 分布田 质 类 型 和 时代 之故 ， 煤 型 气的 8 ” C 偏 重 、 Ar ／ Ar比值偏 大 。对 比油 型 气 和煤 型 气 8 C 和 。 A t ／ A r比值 可 以发 现 具 有 相 近 At ／ Ar 值 分布 范 围 即 同一 时 代源 岩 的 天然 气 ， 煤 型气的 8 C 值相对重 ， 此结果与理论和大量实验结果相吻合。 纵 观 图 1和 图 2的 分 布特 征 可 以看 出 一 方 面 ， 同 一帅 A r ／ Ar比值 范 围 内 ， 8 C 有 一 定变化 区间 ； 这 主要 是 同一 时代 源岩 ， 由于 地 质 背 景 、 母质 类 型 的差 别和 热 演 化程 度 不 同导致 碳 同位索组 成 的变化 。 另一方 面 ， 同一 8 ” C 值 范围 内 Ar ／ Ar比值 亦 有 一 定 的变 化 区 间 ， 这可 能是 不 同 时代源岩 、 热 演化 程度 相近 的产 物 ， 总 体 上 Ar ／ Ar比值 增 大 ， 8 ” C 变 重的 趋势 是 主要 的 。因此 ． 利 用 氢碳 同 位 素组 成进 行 油 气对 比 、 源 岩 追 索 具 有 明显 的 一 致 性 ， 3 应 用 近年来利用天然气碳、 氩同位素组成进 行气 源对 比 、 源 岩 追索 有重大 进展 。 现 以渤海 湾盆地 为 例作具 体 剖析 “ 。 渤 海 湾 盆 地 是在 华 北 地 台中 、 新 生 代形 成 的 大 陆 裂谷 型含 油 气盆 地 ， 盆 地 在前 寒 武 系基 底 上 发 育 寒 武 系 、 奥 陶 系 、 石 炭一 二叠 C - ‰ A ． 生物 成目气 生物一热催化过馥带气 c． 正常原油伴 生气D 正常凝析油气 E ． 油型 、 煤量复合气G． 煤型气 圈 3 渤海 湾盆 地天 端气 ■碳 同位蠢组成田 系 、 中生界 及第 三 系不 同类型 的沉 积岩。 其 中石 炭一 二叠 系海 陆交互 相含 煤岩 系 、 中生 界含 煤岩系和第三系内陆湖泊陆相沉积岩系 ， 含有丰富的不同类型的有机质 ， 构成了重要的生气 源岩 有 机母 质处 于不 同的 演化 阶段 ， 形 成不 同成 因娄埠{ 的天 然气 因此 ． 该 赫地 是利 用钮 维普资讯 l 0 天然气地球科学 Vo 1 ． 8 碳 同位 素组 成研 究 天然 气形成 演化 的有利 场 所 。 天 然 气 中由 于源 岩 时 代 问 隔长 、 母 质 类 型 多 ． 氩 、 碳 同位 素 组 成 分 布 范 围大 。 “ A r ／ Ar 比值 为 2 9 7 ～1 2 7 0 ， 8 ” C 分布 范 围为 一6 2 ‰ ～ 一2 8 ‰ ， 由于 中 、 新生 代层 系天 然气 主 要 以 自 生 自储 型 为主 ， 天 然气 氩 同位 素组成 具 明显 的年代 积累 效 应 ， 从 上第 三 系至 中生 界具 逐渐 增 大 之趋 势 。渤 海湾 盆地 天 然气 氩 、 碳 同 位素组 成如 图 3所示 。 从 图 3中可 以发 现氩 、 碳 同位 素组 成在 油气对 比上具 有 明显 的一致 性 。如 前所 述 ， 盆 地 内气 源 岩 时代 为石 炭二叠 纪 、 中生代 和第 三纪 ， 它 们 之 间 时间 间 隔 比较 大 ， 石 炭一 二叠 系 和 中生 界为腐 殖 型母质 ， 第 三 系主 要为 腐殖一 腐 泥型母 质 。 因此 ， 在 成熟 阶段演 化范 围 ， 煤 型 气 8 ” C 大于第三系油型气， 同时， 石炭一二叠系和中生界形成的天然气 Ar ／ Ar比值远大 于第 三 系 。综 合研 究表 明 ， 氩 同位素 组成 的 高值组 与 甲烷 富l 3 C 一致 ， 而 低 值组与 甲烷 富” C 吻合 ， 总趋势是“ Ar ／ Ar比值和 ℃ 值从油型气一复合气一煤型气均从低值到高值。可以 认为 ， 同一油气 区8 ” C 。 值与氩同位素比值按一定相关性变化时， 它们可能是同源的， 仅演化 程 度不 同而 已， 如果 8 C 值 变化 较 大而帅 Ar ／ Ar比值相 对稳 定 时 ， 则应 考 虑是 否 与不 同类 型母 质存 在有关 综合 氩、 碳 同位素组成分 折， 可以对渤海湾盆地天然气成因类 型进行蛔分 见图 3 ， 其 类 型包 括 A． 生物成 因气 ． 低 8 ” C 8 6 0 此 外 ， 由于 渤海 湾 盆地位 于 深大 断裂边 缘 ， 部分 天 然 气 中有 深部 稀 有 气体 的混 人 ， 使 一 些 油 型 气具 较 高的 Ar ／ Ar比值 ， 如 图 3中 H 范 围 内辽河 盆 地第 三 系油 型 气具 有较 高 的1 0 At ／ Ar比值 。因此 ， 上 述 天然气 类 型划 分只 是一 个基本 范 围 ， 对 具 体 天然 气氩 、 碳 同位 素 组成 必 须结合地质实际 ， 不能作出正确判识。 参考文献 1 ] 持永 昌、 王先彬 ． 吴仁招等． 天然气中的稀有气体 同位薰． 地球化学 ． 1 9 7 9 、 4 2 7 1 ～2 8 2 ． [ 2 ] 朱家蔚 、 持永昌 ． 申建中等． 东灌凹陷天然气氩同位薰特 征盈煤戚气 翔识． 科学通报 ． 1 9 8 4 ， 1 】 4 1 ～4 4 ． 3 ] 刘支{ [． 持永昌 天然气中氩与源岩储层 钾 氢之关系． 见 中国辩学 院兰州地质研究所生物气 体地球化学开放研 究 实验室研究年报 1 9 8 6 t 兰州 甘肃科 学技术出版社． 1 9 8 7 ． 1 9 1 ～2 0 0 ． 4 3 Li u We n h u 1 ．Xu Yo n g c h g Ch e mic a l c h a r 砸t e ns t s o f He a n d Ar i s o t o p e s口 fⅡ a t L L I d i n t h e B o h a i B a y B a s i n i n W o r k s Ga sGe o c h e n fi s t r y I ．Ed． La bo ut G* n s u S c i e n c e a n dTe c hn o lo g y Pr e s s ， 1 9 9 2． 1 8 4 ～ 1 9 3 ． 5 St a h l W J a n d Ga r e y J r B D． S o u r c e r o c k I de n t i l i t io n b y I s o t o p e An a l 瑚 s o f Na t a ]G一．W t Ta x e s ．Che m Ge o 1 ． I 97 5 I 6 2 57 ～ 2 6 7 [ 6 S t a hl W 】 ． Ca r b o n a n d Ni t r o g e n I t o p e s i n Hy ar o c a r b o n R c h a Ⅱ d Ex p r a d o n ．Ch e m Ge o 1 ．1 9 7 7．2 O 1 21 ～ 1 4 9 ． [ 7 S c h o e l l M ． Th e Hv d r o g e n a n d C a r b o n I s o t o p i c C o mp o s i t i o n 0 f Me t h a n e f r o m Na r ea l G o f V f i o u s O r a n s ．Ge o c h e t ． ，Co s mo c hi m Ac t a，1 9 8 0 4 4 6 49 ～ 6 6 1 ． [ 8 沈平 t 王先彬 ． 持永昌． 天然气 同位薰组戚盈气酥对比． 石油勘探 与开发 ． 1 9 8 2 t 6 3 4 ～3 8 ． _ 9 刘文 汇 持柬 昌 沉积岩钾氧同位薰分市与天然气氩同位薰． 沉积 学报． 1 9 9 2 ． 1 0 I 8 3 ～9 2 ． 1 0 ] 沈平 榇永 昌 王先彬等． 气源岩和天然气地球化学特征且戚气 机理研究． 甘肃科学技 术出版杜． 1 9 9 1 ． 1 1 5 ～1 2 2 ． [ 1 1 ] 沈平 ． 申歧样 王先彬等． 气志烃同位薰组成特征及攥型气判识． 中国辩学 B辑 1 9 8 7 ． 6 ． [ 】 2 ] 榇永 昌 沈平． 中原一华北 油气区 堞型气” 地球 化学特征韧探． 沉积学报 ． 1 9 8 5 ， 3 1 ． [ 1 3 ] 榇永 昌． 沈平 ， 孙明 良等 我国东部天然气 中非烃及稀有气体 的地球 化学． 中国科学 B辑 ． 1 9 9 0 ． 6 6 4 5 ～6 5 1 [ 1 4 ]沈平． 王先彬 率歧样． 同位薰、 瑗 附烃研究 与气豫 对 比． 见 沉 积有机 地球 化学学会 论文 集． 北 京 辩学 出版社 1 9 8 3 2 3 4～ 2 4 1 ． 1 5 ] 杜建国 ． 榇 永昌． 三水盆地宝月地区干气的戚因探讨沉积学报 ． 1 9 8 9 ． 7 2 9 9 ～1 0 4 ． 维普资讯