天然气中非碳氢化合物的稳定同位素地球化学

<正> 从天然气的勘探实践和有关天然气成因的地球化学研究来看。天然气中的非碳氢化合物的组成对解释天然气成因、迁移和蚀变过程的机理十分有益。自然界中稳定同位素丰度的变更主要是由于放射性衰变和质量分馏作用造成的。近年来,非碳氢化合物的稳定同位素丰度数据丰富了天然气本身的地球化学资料。现将天然气中的稀有气体、CO_2,N_2,硫化物和H_2O 的同位素地球化学特征简述如下。Ⅱ稀有气体稀有气体的同位素丰度随放射性衰变和其他物理过程而变更。稀有气体~3He/~4He 值     

天然气气-源对比的地球化学研究

气-源对比是天然气勘探开发和油气理论研究的重要课题，同位素地球化学是气-源对比的重要手段，尤其是碳、氢稳定同位素和稀有气体同位素已经被广泛应用于烃源岩、母质环境、源岩热演化程度、成藏过程和天然气混源判识，系统的介绍了利用碳、氢以及稀有气体同位素判识天然气成因来源，利用甲烷碳同位素与源岩热演化程度数学模式进行气源追索，利用甲烷氢同位素及其空间分布判识母质环境和成藏过程，利用稀有气体同位素判识是否深部来源气体并利用其年代积累效应进行气-源对比等方法。     

天然气中的幔源稀有气体

天然气为地球内流体的重要组成部分，天然气中幔源稀有气体是源于地球深部的地幔挥发分。文章以气体地球化学国家重点实验室有关研究为主，简要综述了此一领域的研究。氦的同位素３Ｈｅ／４Ｈｅ是幔源物质的重要判识指标，天然气中３Ｈｅ／４Ｈｅ值大于１．４×１０－６时，表明有相当数量的幔源挥发分加入到天然气中，它是地球构造活动性强，地幔挥发分可以沿一定断裂体系进入沉积壳层的指示。在一定程度上氩同位素４０Ａｒ／３６Ａｒ及氖同位素２０Ｎｅ／２２Ｎｅ值也可指示构造环境的特征。天然气中稀有气体研究反映了我国东部含油气区具有最活跃的构造环境，中部最稳定，西部次稳定。在东部活跃的构造背景下，造成了幔源挥发分较普遍地加入到沉积壳层天然气中，形成了中国东部发现的世界首例壳－幔复合型氦资源，形成了一批与幔源挥发分成藏有关的二氧化碳资源。东部地区也成为幔源甲烷可能富集成藏的重要区域。     

天然气气-源对比的地球化学研究

气-源对比是天然气勘探开发和油气理论研究的重要课题,同位素地球化学是气-源对比的重要手段,尤其是碳、氢稳定同位素和稀有气体同位素已经被广泛应用于烃源岩、母质环境、源岩热演化程度、成藏过程和天然气混源判识,系统的介绍了利用碳、氢以及稀有气体同位素判识天然气成因来源,利用甲烷碳同位素与源岩热演化程度数学模式进行气源追索, 利用甲烷氢同位素及其空间分布判识母质环境和成藏过程,利用稀有气体同位素判识是否深部来源气体并利用其年代积累效应进行气-源对比等方法.     

琼东南盆地深水区浅表层水合物稀有气体地球化学特征及意义

琼东南盆地深水区具备形成天然气水合物藏的地质条件,是我国海洋天然气水合物两个勘探开发先导示范区之一。本文选取深水区浅表层水合物为研究对象,基于天然气地球化学、稀有气体地球化学分析,开展了其与深部常规天然气藏的对比研究。结果表明:本次研究的浅表层气体碳同位素与深部常规天然气碳同位素的特征类似,气源主要为深部热成因气,生物气的贡献不明显,气体的成因类型为煤型气,推测气源岩为崖城组煤系烃源岩。轻稀有气体Ar同位素组成显示,气源岩和第三系相关;样品中³He/⁴He值偏高,指示了部分幔源气的贡献。因此,在富生烃凹陷背景下,讨论深部热成因气对水合物成藏具有重要意义,深部热成因气藏与浅层水合物藏在垂向上可以形成立体的天然气藏,为未来的“多气可采”提供理论支持,也有助于提高深水区天然气水合物矿藏开发的经济性。     

稀有气体在深部地质研究中的意义

幔源物质中的稀有气体蕴藏着丰富的地球深部过程信息。它们可对地幔结构、地幔脱气历史、大陆地幔不均一性、幔源岩浆演化和CO2天然气成因等研究提供独特的示踪作用。结合中国东部地幔捕虏体的资料,综述了稀有气体在这些方面的研究进展。研究表明,MORB源和OIB源玄武岩稀有气体组成差异强烈支持地幔双层结构的存在,地幔脱气过程主要受溶解度控制脱气模式(SCD)控制;同时,中国东部地幔存在不均一性可以在稀有气体方面得到印证;郯庐断裂可能为东部幔源无机CO2的脱出提供了良好的通道。     

天然气非烃地球化学

国家自然科学基金资助项目“富含非烃天然气的同位素特征及其成因”(批准号:0488013)研究于1989年1月开始执行,1991年12月完成。在三年的研究中,课题组人员考察了中国东部大陆裂谷内的断陷盆地,获得了大量第一手资料,主要分析了氦、氩、氖、氮、二氧化碳的同位素组成,重点剖析了三水盆地和渤海湾盆地富含非烃天然气的成因及裂谷演化过程中壳幔间的能量和物质交换。取得了如下主要成果: (1)根据广东三水盆地天然气中氮的δ~(15)N值(—57～+19‰)、结合地质资料,提出该区天然气中低浓度氮主要源于沉积有机质而高浓度氮主要源于岩浆的新认识。 (2)通过研究天然气中氦、氖和氩同位素组成,发现中国东部大陆裂谷内天然气中大气来源的稀有气体可     

中国天然气中稀有气体丰度和同位素组成

中国天然气中稀有气体丰度和同位素组成徐胜（中国科学院兰州地质研究所，兰州７３００００）关键词中国天然气、稀有气体丰度和同位素、稀有气体来源稀有气体在地质作用过程中的丰度和同位素组成变化几乎不受复杂化学反应的影响，而主要取决于溶解、吸附、吸着和核反应等...     

稀有气体同位素地球化学研究进展

火山玻璃及地幔包体中的稀有气体是地内信息的有效示踪剂，对其研究对追溯岩浆起源、探讨地幔特征与结构等具有重要意义。在此对稀有气体同位素地球化学研究现状、稀有气体在不同构造环境中的表现及其在岩浆起源、成因、地幔结构等方面的探讨，以及对稀有气体在油气、金属矿体、地表水位、测年、地震等灾害中的研究与应用情况进行简述。     

渭河盆地地热水溶气资源分布规律

渭河盆地地热水溶气资源丰富,但成分、成因、分布特征复杂。通过选择位于不同构造单元,不同完井深度的地热水井进行地热水及天然气样品的采集并送样分析,研究地热水特征,天然气的组分、成因及水气关系,结合天然气聚集成藏因素分析,对气体赋存的有利区域进行预测。研究表明,渭河盆地地热水化学类型相对复杂,地层温度及压力对天然气在水中的溶解度影响较大;盆地中最具有工业价值的天然气组分为壳源氦气及生物成因可燃气;根据气体源岩的分布,储盖组合特征,结合影响水溶气富集的因素,对氦气富集有利区和可燃气有利区进行了预测。     

广东三水盆地天然气非烃组分同位素地球化学

根据广东省三水盆地天然气中氦、氩、二氧化碳和氮等非烃组分的稳定同位素地球化学特征,探讨了该区天然气的来源以及大地热流。测得天然气中3He/4He（R）值为（1.60-6.36）×10-6,比大气的3Ne/4He（Ra）值(1.4×10-6)大:氩的稳定同位素组成(40Ar/36Ar=450-841)较大气氩富40Ar;二氧化碳的δ13C（PDB）值在-20-2‰的范围内,δ13N（Air）值在-57-+95‰之间:根据（?）He,4He值求得研究区的大地热流值（Q）为72-82mWm-2。大地热流和非烃组分同位素组成的高值以及研究区特别发育的火山岩等地质资料表明三水盆地有较强的地球深部流体（物质的和热的）向上溢出。一些油气藏中相当一部分氦、氩和氮来自地幔,各种天然气中均混有地壳来源的非烃气体。贫13C的二氧化碳气主要为地层中有机质分解的产物;富13C的二氧化碳则主要来自岩石化学反应的产物,并混有深部来源的二氧化碳。相当一部分大地热流源于上地幔。     

世界首例沉积壳层幔源工业储集的发现

七、八十年代地学研究的热点和前沿领域之一是关于地幔的研究,氦是地幔挥发分的重要组成。其同位素3He/4He的丰度比是判识含氦地质体来源于幔、壳和大气的重要指标,其相应的表征值为1.1×10-5,10-6和1.4×10-6,在研究我国东部含油气区的工业气井天然气组分和同位素组成时,发现一批沿郯庐大断裂两侧分布的工业气井,其氦浓度为0.05～0.1％,达到了氦气资源所要求的品位.其3He/4He比值达3.7×10-6～6.36×104,由于工业气井中大气氦的组分可忽略不计,可用壳-幔二元混合模式计算氦气中幔源氦所占份额,结果表明幔源氦达33.7～57.3％,从而在我国领土上第一次发现了幔源氦在沉积壳层形成工业储集。为了解这一发现在国际上的意义位置,请中科院兰州文献情报中心科技文献检索室进行了国际联机检索,证明从1967年到1991年3月（从可能出现有关文献及1990年我所论文发表分别作了相应时间的前后延伸）国际上无有关报导,证明这一发现在世界范围也是首次。此项发现对我们更深入认识地球、地幔形成演化,对于进一步了解幔源挥发份的脱气、运移乃至成藏有重大理论意义,从而对指导有关矿产的勘查也具有实践意义。     

Helium isotope compositions in sedimentary basins in China

The abundance and isotopic composition of He have been determined for a variety of natural gases (oil-field gases) in sedimentary basins in the continent of China. The³He/⁴He and⁴He/²⁰Ne ratios range from 0.004 to 4.99 Ra (where Ra denotes atmospheric³He/⁴He ratio = 1.4 × 10⁻⁶), and from 100-39,000, respectively. Helium in the gas sample is composed of mantle-derived He and crustal radiogenic He.The high³He/⁴He ratios were observed in the sedimentary basins which underwent Cenozoic extension in the eastern domain, such as the Songliao, Liaohe, North China, Subei, Sanshui and South China Sea basins. The basins where mantle-derived He is recognized are characterized by the presence of surface and subsurface volcanic rocks, high terrestrial heat flow, deep faults and thinned crust. On the other hand, regions which underwent pre-Tertiary extension such as the Jungar, Tarim, Tuba, Caidam and Yumen basins in the NW and tectonic loading such as the Ordos and Sichuan basins in the central domain are marked by almost pure radiogenic⁴He of crustal origin and thus by an apparent absence of mantle-derived He, which coincides with complete lack of Cenozoic volcanics, low terrestrial heat flow and thickened crust. Such a³He/⁴He distribution pattern clearly indicates that tectonic environment control the distribution of He isotopes in the continent of China.     

辽宁宽甸新生代火山岩和地幔包体的稀有气体同位素组成及其演化意义

通过对宽甸新生代碱性玄武岩、地幔包体及辉石巨晶的稀有气体同位素组成的分析，认为不同岩性稀有气体含量的差异反映了岩浆作用过程中轻、重稀有气体的分馏特性，较轻的稀有气体(He、Ne)比较重的稀有气体(Kr、xe)具有更高的活动性和不相容性；该地区上地幔源区具有典型的MORB型源区特征，以辉石巨晶为代表；地幔包体的^3He／^4He值较低，可能是地幔流体交代作用造成的；大陆碱性玄武岩具有与大洋玄武岩截然不同的He同位素组成，反映了大陆区地幔岩浆上升过程中受到了陆壳物质混染。地幔源区^40Ar／^36Ar值为350左右，二辉橄榄岩和碱性火山岩的^40Ar／^36Ar值比大气略高，可能有大气组分的混合。部分样品中有^21Ne、^22Ne、^129Xe、^134Xe和^136Xe相对于大气的过剩现象，是核成因造成的。     

Helium and Argon Isotopic Composition of Cenozoic Alkali Basalts and Mantle-Derived Xenoliths from Kuandian, Liaoning Province, China

The noble gas isotopic composition and content data of 2 alkali basalts, 3 Iherzolite xenoliths and one clinopyroxene megacryst from the Kuandian region have confirmed the occurrence of a fractionation of noble gases during magmatism. Light noble gases such as He and Ne are high in mobility and appear to be incompatible as compared with heavy ones ( such as Kr and Xe). Therefore, light noble gases are abundant in volcanics, especially in the volcanics with bubbles; lherzolite xenoliths have relatively high heavy noble gases. The clinopyroxene megacryst has the lowest abundance of noble gases, probably due to its high P-T origin. Noble gas isotopic composition of the clinopyroxene megacryst reveals that the mantle source beneath the Kuandian area has an MORB-like reservoir with^3 He/^4He ratio of—10 Ra(Ra: atmospheric^3 He/^4He ratio) and^40 Ar/^36 Ar ratio of 345.6. The Iherzolite xenoliths possess moderate^3 He/^4He ratios of 2.59 -4.53 Ra, reflecting the loss of primary helium during rock deformation or metasomatism caused by enriched mantle fluids during the up-lifting. The alkali volcanics have very low^3 He/^4 He ratios(0.47—0.61 Ra),indicating a contribution of radiogenic^4 He, probably having resulted from crust contamination. Most of the samples have excess^21 Ne and^22 Ne as compared with atmospheric neon, but Kr and Xe isotopic compositions are indistinguishable from atmospheric values within uncertainties with only individual samples having excess^129Xe,^134Xeand^136 Xe.     

济阳坳陷高青—平南断裂带CO_2气藏中稀有气体地球化学特征

济阳坳陷高青-平南发育多个CO_2气藏,对气藏组分、同位素以及组分同位索相关组合进行分析,认为气藏中CO_2主要是幔源-岩浆成因.气藏同时具有高~(40)Ar/~(36)Ar和高~3He/~4He值表明:气藏中稀有气体主要来自幔源,同时有部分壳源混入;气藏中~4He/~(40)Ar~*平均值为2.15,说明该地区气藏形成主要以岩浆缓慢脱气为主,大规模CO_2及稀有气体是岩浆冷却结晶阶段所释放.其形成机理为:在随岩浆上升的过程中,随着压力和温度不断下降以及岩浆成分的变化,岩浆中CO_2及稀有气体溶解度也随之降低并析出,产生的大量CO_2及稀有气体沿着深大断裂及一些二、三级断裂交汇处输送至地层的各类圈闭中,并在适当的位置聚集成藏.     

松辽盆地徐家围子断陷无机成因天然气及其成藏模式

通过对徐家围子地区天然气组分、同位素资料以及气体包裹体资料的综合分析认为 ,该地区存在无机成因天然气。烃类气体中具有重碳同位素异常 ( >- 2 0‰ )和负碳同位素系列(δ13C1>δ13C2 >δ13C3)的同位素分布特征 ,表现出无机成因烃类气体的特点。高含量的无机CO2 气体和幔源氦的发现 ,指示着该区无机成因天然气主要来自于地球的深部。地幔热柱上升在地壳不同圈层中引起的岩浆火山活动是无机天然气的主要来源 ,而由此形成的地壳“网状”结构和基底大断裂是无机气上升运移至浅部聚集成藏的主要运移通道。构造活动间歇期和活动期分别以渗流方式和幕式涌流方式向上运移可能是深部流体运移的两种主要方式。古隆起带、岩浆侵入带以及基底大断裂带是无机成因天然气的有利聚集带。     

Isotopic Geochemistry of Non—hydrocarbons in Natural Gases from the Sanshui Basin,Guangdong Province,China

This study is focused on geothermal heat flow and the origin of non-hydrocarbons in natural gases in terms of the isotope geochemical characteristics of Ar, He, CO₂ and N₂ in natural gases from the Sanshui Basin, Guangdong Province. China.³He/⁴He ratios are of (1.60-6.39) × 10^-6, and⁴⁰Ar/³⁶Ar ratios of 450–841. The carbon isotopic composition (δ_l3C PDB) of carbon dioxide ranges from -20‰ to -2‰. δ^l5N(air) ratios have a wider range of-57 ‰- +95 ‰. The isotope geochemical characteristics of non-hydrocarbons indicate that He, Ar and N₂ in the gas reservoirs enriched in non-hydrocarbons were derived largely from the upper mantle. Non-hydrocarbons in gaseous hydrocarbon reservoirs consist mainly of crustal radiogenic He and⁴⁰Ar and some mantle-derived He and Ar, as well as of¹³C-depleted carbon dioxide and nitrogen generated as a result of thermal decomposition of organic matter in strata. Carbon dioxide enriched in¹³C was derived largely from carbonate rocks and partially from the lower crust and upper mantle. Based on the relationship between geothermal heat flow (Q) and³He/⁴ He ratio in natural gases, the Q values for the area studied have been calculated. Similar Q values are reported from the upper mantle uplift area (77 mWm^-2) in Huabei and the Tancheng-Lujiang Rift Zone (88 mWm^-2). More than 60 percent of geothermal heat flow in the Sanshui Basin may have been derived from the upper mantle. The project is financially supported by the National Natural Science Foundation of China.     

柴北缘地区天然气40Ar/36Ar特征及其地质意义

测试并分析了柴北缘各油气田的14个天然气样品的氦、氩稀有气体同位素比值,并进行了气源对比。研究发现,柴北缘天然气40Ar/36Ar值分布在951～1712,平均1098,多数样品40Ar/36Ar较通常认为源于侏罗系的天然气40Ar/36Ar明显偏高,研究认为本区不存在幔源高40Ar/36Ar流体的介入,储层年代效应也不可能造成天然气40Ar/36Ar明显偏高,因此柴北缘天然气40Ar/36Ar明显偏高,主要是由于源岩年代积累效应引起的。据估算,气源岩年龄分布范围为164.7～460.8Ma,平均为345.1Ma,可能多数来源于石炭系。这一认识得到了柴北缘广泛分布有石炭系源岩和已发现源于石炭系原油的支持。柴北缘石炭系天然气的发现预示了柴北缘石炭系是一个新的油气勘探层系,从而拓展了柴北缘天然气勘探领域。