陆相生物气纵向分布特征及形成机理研究——以柴达木盆地涩北一号为例

生物气主要有两种生成途径:乙酸发酵和二氧化碳还原.一般,海相环境以二氧化碳还原型为主,而陆相淡水-微咸水沉积环境主要以乙酸发酵型为主,随着深度增加,二氧化碳还原所占比例提高.通过对中国柴达木盆地三湖地区涩北一号构造区新涩3-4井系列取样分析认为,生物甲烷的两种产生途径并不严格按照深度分布.乙酸发酵成因类型分布在浅层(160～400 m)及井底部位(1650～1700 m); 近地表(50～160 m)及中深部是二氧化碳还原型.浅层乙酸发酵型甲烷明显偏重的稳定碳同位素值与相对封闭的泥岩环境及相对有限的母质来源有关; 而井底部位(1650～1700 m)正常乙酸发酵型生物甲烷与粉砂岩为主的相对开放的环境有关,该层段水中极高的乙酸含量说明充分的营养供给不会造成甲烷碳同位素明显变化,同时也意味着本层段地下水活动强烈,从外界携带大量营养底物进入.分析结果同时表明一定浓度的烯类气体暗示着该区细菌活动性强的事实.商业性的聚集以CO2还原成因类型为主,乙酸发酵所占比例较少.     

中国稠油区浅层天然气地球化学特征与成因机制

在我国发育稠油的含油气盆地中,广泛分布着浅层天然气,浅层气资源潜力巨大.研究发现这些浅层天然气与稠油具有密切的成因关系,是厌氧微生物降解原油过程中形成的次生成因的生物气,也称为稠油降解气,它们一般分布在稠油油藏的上倾方向或周围.这种天然气以干气为主,主要成分是甲烷,乙烷以上的重烃类含量较低,非烃中N2含量较高;甲烷的碳同位素值偏轻,一般介于生物气与热解气之间,乙烷的碳同位素偏重,可能混合有热成因气;CO2显示出异常重的碳同位素值,因此,在微生物降解原油过程中碳同位素分馏效应十分明显.稠油降解气的生成是一个十分复杂的地质地球化学和微生物地球化学过程,是在多种微生物群体参与下发生的一系列有机-生物和水-烃反应综合作用的结果,受多种因素控制.     

煤层甲烷碳同位素分布特征及分馏机理

煤层甲烷碳同位素分布范围很宽, 并且和常规煤成气相比, 煤层气中甲烷碳同位素存在强烈的分馏效应, 使煤层甲烷碳同位素变轻. 煤层甲烷碳同位素与煤的R_o相关性很差, 以致无法根据煤层甲烷碳同位素值来判断煤系烃源岩的成熟度. 煤层甲烷碳同位素变轻的程度差别很大, 且明显受地下水动力条件的影响: 水动力越强, 煤层甲烷碳同位素偏轻的程度就越大, 反之就越小. 前人试图用煤层气解吸-扩散-运移-分馏来解释煤层甲烷碳同位素偏轻的现象, 但不能圆满解释碳同位素的空间展布. 根据大量的实验和实际数据, 指出流动的地下水对游离气的溶解作用-游离气与吸附气的交换作用是煤层甲烷碳同位素分馏的机理. 煤系中的水对煤中游离态甲烷的溶解作用更容易把¹³CH₄带走, 留下更多的¹²CH₄, 使游离气中¹²CH₄会相对富集, 游离气中12CH4再与煤中的吸附气发生交换, 部分¹²CH₄变成吸附气, 把吸附气中部分¹³CH₄交换出来变成游离气, 交换出来的¹³CH₄再被水优先溶解带走. 这种过程是不停地在发生, 通过累积效应, 引起煤层气¹²CH₄大量富集, 煤层甲烷碳同位素变轻. 通过水溶气的模拟实验研究, 证实了流动的水可以对甲烷碳同位素产生明显的分馏作用, 容易把重碳同位素的甲烷溶解带走.     

原始太阳星云条件下Fischer-Tropsch反应中的碳同位素分馏

实验研究结果表明:原始太阳星云地球吸积区条件下Fischer-Tropsch反应的产物中二氧化碳具有最重的碳同位素组成;甲烷的碳同位素组成变化很大,乙烷、丙烷、丁烷间的碳同位素分配具有与生物成因烃类完全不同的反序排列特征,这表明了地球形成时吸积于其内部的原始烃类气体的碳同位素分配是反序排列的.     

陆良、保山气藏碳、氢同位素特征及纯生物乙烷发现

近10余年间云南陆良和保山两个盆地中分别发现了小型天然气藏. 过去基于地质背景、天然气组分和碳同位素组成研究, 基本厘定两个气藏为细菌成因气藏. 本次研究全面测定了两个盆地天然气碳、氢同位素组成, 从较深层次揭示了其成气作用的机制. 陆良盆地天然气δ¹³C₁值 为-73.3‰ ~ -72.1‰, δ D_CH4为-242‰ ~ -234‰, 显示其生物成气作用以CO₂还原占主导地位. 证明在陆相淡水条件下, 存在CO₂还原的生物成气过程. 保山盆地天然气δ¹³C₁为-63.6‰ ~ -62.5‰, δ DCH₄为-260‰ ~ -252‰, 为过渡相区生物气特征. 在陆良盆地一个重要发现, 是测得了纯生物成因乙烷的碳同位素组成, δ¹³C₂值为-66.0‰ ~ -61.2‰. 这批数据在我国是首次发现, 与世界迄今两例δ¹³C₂<-55‰的报道相比, 一个重要差异是后两例中均有表征热成因乙烷的混杂.     

塔里木盆地深层碳酸盐岩中气体包裹体组成及其碳同位素特征

通过分步加热法和真空电磁破碎法, 对塔参1井深层(>5700 m)碳酸盐岩包裹体中微量气体组分进行了质谱计在线检测, 并对真空电磁破碎法释放的气体进行了碳同位素测定. 组分测定结果表明, 虽然两种方法获得的气体成分有差别, 但总的情况是, 深层碳酸盐岩中包裹气体成分以CO₂为主, 其次为烃类气体CH₄, C₂H₆和C₃H₈. 非烃气体CO在分步加热法中丰度较高, 而在真空电磁破碎法测定中含量较低, 包裹体中N₂, H₂和O₂含量较低. 在5713.7 ~ 6422 m的下奥陶统和上寒武统中, 气体包裹体δ ¹³C₁表现出富¹²C, 类似于生物气的特点(-52.4‰ ~ - 63.1‰), 但其组分却没有生物气“干”的特征. 深层包裹体中这一特征可能主要与烃类气体的运移分馏因素有关. 塔中个别深层天然气中较轻的CH₄碳同位素特征可能也有类似成因. 而在下寒武统7117 ~ 7124 m处的气体包裹体则δ ¹³C₁较重, 为高成熟度CH₄的特点. 深层碳酸盐岩包裹体中 主要表现出无机成因的特点, 与塔中天然气的CO₂碳同位素值所表现的成因一致.     

鄂尔多斯盆地东缘煤层气成因机制

鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发在过去近20年的时间,并没有取得实质性进展,确定气体成因和来源对煤层气勘探选区及开发具有指导意义.本文测试了37组煤层气碳同位素数据,讨论了鄂尔多斯盆地东缘煤层气成因,并从煤的热成熟度和盆地水动力条件方面讨论了煤层气成因的机制.结果表明,鄂尔多斯盆地东缘甲烷碳同位素分布在70.5‰～36.19‰,由北向南明显呈偏重趋势,边浅部为次生生物气与热成因混合气,而中深部为热成因气,这一现象的形成主要受控于盆地的煤阶展布规律和地下水动力场.首先,从全国煤的热成熟度与煤层甲烷成因关系得出,鄂尔多斯盆地东缘以中煤阶煤为主,镜质体反射率Rmax分布在0.5%～2.0%,如果具备适当的水动力条件可形成次生生物气与热成因气混合的煤层气藏;与此同时,鄂尔多斯盆地东缘边浅部煤层埋藏浅,露头发育,大气降水及其他地表水携带细菌补给煤层,使煤中有机化合物发生新陈代谢生成甲烷和二氧化碳,在存在圈闭机制的区域,如柳林和韩城,现今含气量比较高.     

黄土高原现代土壤和古土壤有机碳同位素对植被的响应

黄土高原古土壤碳同位素与古植被的关系是一直未能很好解决的问题. 其中一个主要原因是由于对该地区现代C₄/C₃植被分布特征与现代土壤碳同位素组成之间的关系缺乏足够的了解. 初步研究了黄土高原主要植物及现代土壤碳同位素组成, 对比了现代土壤和黄土-古土壤序列的有机碳同位素组成变化特征. 结果表明: 黄土高原现代植被以C3植物为主, C₄植物主要来自适宜在暖湿条件下生长的禾本科植物(如白羊草Bothriochloa ischaemum和狗尾草Setaria viridis等). 森林土壤的碳同位素组成δ ¹³C值明显低于黄土塬面的碳同位素组成, 现代土壤的碳同位素组成与现代植被的分布是一致的. 根据此关系推断: 在相对暖湿的古土壤阶段(间冰期)C₄草本植物比例增加, 在相对干旱的黄土阶段(冰期)灌木和C₃草本植物比例增加.     

鄂尔多斯盆地东缘煤层气甲烷碳同位素分布及成因

鄂尔多斯盆地东缘煤层气甲烷碳同位素分布及其成因对认识该区煤层气藏的形成和分布规律,煤层气资源评价具有重要意义.在系统总结该区煤层气组分和煤层气碳同位素的地域、时域和煤阶分布特征的基础上,结合煤储层演化过程,分析了甲烷碳同位素的变化规律.该区甲烷碳同位素分布范围宽,同位素组成总体偏轻,地域上由北往南呈现"变轻-加重-变轻"的趋势,针对性分析认为北部低煤阶次生生物气的生成,中部水动力活跃地区引起的水溶解分馏,南部构造演化过程中地层抬升造成的解吸分馏,以及局部岩浆运动引起的快速增温生烃分馏是造成该区甲烷碳同位素普遍偏轻的主要因素.     

沼泽沉积环境中植物和沉积脂类单体碳同位素组成特征及其成因关系研究

为了认识沼泽典型沉积环境中沉积脂类与生物脂类碳同位素的内在联系, 应用GC-IRMS碳同位素分析新技术, 对若尔盖沼泽草本植物、木本植物叶和沉积物中单体脂类碳同位素进行了测定. 结果表明, 不同类型植物之间的正构烷烃碳同位素组成存在着明显的差别, 草本植物的δ¹³C值(&#8722;32.2‰~&#8722;36.9‰)要比木本植物叶类的(&#8722;27.2‰~&#8722;35.0‰)平均低3.3‰. 植物中脂肪酸碳同位素组成(&#8722;30.3‰~&#8722;36.2‰)与正构烷烃的类似, 并且不饱和脂肪酸的δ¹³C值分布在饱和脂肪酸δ¹³C值范围之内. 植物脂类之间的碳同位素组成变化较大, 范围为2.4‰~7.8‰. 沼泽沉积脂类碳同位素组成与生物脂类的密切相关, 沉积物中正构烷烃、≥C₁₆脂肪酸、正构脂肪醇、甾醇和α-正构脂肪酮碳同位素组成(&#8722;27.0‰~&#8722;36.9‰)类似于植物脂类, 并且短链和长链沉积脂类碳同位素组成较为相似, 说明它们都来自高等植物; 只有沉积C_14:0和C_15:0脂肪酸碳同位素组成比植物中同碳数的轻, 反映了它们部分细菌成因的特征.     

南海东北部陆坡天然气水合物分解释放成因的有孔虫碳同位素轻值事件

2013年中国地质调查局广州海洋地质调查局对南海北部实施第二次天然气水合物钻探并成功钻获可视天然气水合物实物样品,共有五个站位获取沉积物岩芯.本文对其中的GMGS2-08站位沉积物开展有孔虫同位素分析研究,以了解天然气水合物地质系统有孔虫的碳同位素特征及其对甲烷释放的响应.GMGS2-08岩芯沉积物中顶空气甲烷浓度最高达到39300μmol L~(-1),气态烃δ~(13)C值在-69.4~-72.3‰PDB,明确指示其为生物成因,根据甲烷δD测试结果(-183~-185‰SMOW)可进一步判别为CO2还原型微生物气.同位素分析结果显示GMGS2-08站位所获得的岩芯中共出现5期有孔虫碳同位素轻值事件,有孔虫δ~(13)C值明显低于南海冰期-间冰期的正常变化区间,底栖Uvigerina peregrina出现-15.85‰PDB的δ~(13)C极轻值,浮游Globigerinoides ruber的δ~(13)C值同样低至-5.68‰PDB.电镜扫描发现δ~(13)C负偏层位有孔虫壳体经历后期成岩改造被自生碳酸盐所充填,有孔虫壳体的成岩矿化程度与埋深并不相关.与有机碳的相关性计算表明有机质的厌氧氧化对底栖有孔虫的δ~(13)C组成影响微弱,意味着有孔虫的δ~(13)C异常负偏可能主要来源于甲烷厌氧氧化成因的次生碳酸盐的叠加影响.GMGS2-08岩芯记录中有孔虫δ~(13)C负异常和δ~(18)O正异常的耦合性是地质历史时期研究区天然气水合物分解释放的重要证据.     

中国北方黄土区C4植物稳定碳同位素组成的研究

通过对中国北方黄土区C₄植物稳定碳同位素(δ ¹³C)的系统分析, 发现C₄植物δ ¹³C值分布区间为-10.5‰ ~ -14.6‰, 其平均值为-12.6‰ ± 0.82‰; C₄植物δ ¹³C组成有随年降雨量减少, 即从半湿润区到半干旱区, 再到干旱区微微变轻的趋势; C₄植物的稳定碳同位素组成雨季比旱季偏重. 以上变化趋势都与C₃植物稳定碳同位素变化趋势相反.     

华南埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期的有机碳同位素梯度和海洋分层

埃迪卡拉纪-早寒武世是地球历史上碳循环的重大波动期,但有关其成因和古环境意义仍存在很大分歧.为阐明这一问题,本文对华南晚埃迪卡拉纪-早寒武世两条剖面进行了高分辨的碳同位素研究.在浅水相区九龙湾-季家坡剖面,晚埃迪卡拉纪灯影组大部分δ13Corg值在δ29‰~δ24‰变化;而在深水相区龙鼻嘴剖面,大部分δ13Corg值在δ35‰~δ32‰.这些新的研究结果与华南埃迪卡拉纪δ早寒武世其他剖面发表的δ13Corg数据对比表明,δ13Corg在时间和空间上均存在着巨大变化,并受岩相的明显约束.在以碳酸盐岩为主的地层中,δ13Corg相对较高,通常大于δ30‰;而在黑色页岩和暗色硅质岩为主的地层中,δ13Corg相对较低,一般小于δ32‰.这种有机碳同位素组成的显著差异很难以存在巨大的溶解有机碳库(DOC)解释,我们认为不同微生物类群的贡献可能是导致这种差异的主要因素.浅水相样品中较高的δ13Corg值(δ30‰)与显生宙同位素变化相近,可能反映了光合作用为主的同位素分馏;而深水样品较低的δ13Corg值(δ32‰)可能反映了缺氧环境条件下化能自养或甲烷氧化微生物对有机质的重要贡献.这意味着在埃迪卡拉纪-早寒武世之交扬子地台的海洋仍处于强烈分层状态,且氧化还原界面波动频繁.     

松辽盆地烃源岩中高分子量(C+40)烷烃系列组成及分布特征

利用高温气相色谱(HTGC)、高温气相色谱-质谱(HTGC-MS)技术, 结合气相色谱-同位素质谱(GC-IRMS)和有机岩石学分析, 对松辽盆地烃源岩的氯仿抽提物及原油中烷烃, 尤其是高分子量(C⁺₄₀)烷烃组成及分布特征进行了研究. 结果表明, 嫩江组烃源岩氯仿抽提物正烷烃分布在nC₁₄~nC₆₃之间, 低分子量(C^-₂₁)、中分子量(C_21-40)正烷烃以双峰群分布为主, 且在nC₃₀~nC₃₇之间有高丰度的C₂₉~C₃₅藿烷系列化合物; 高分子量烷烃化合物以nC₄₅~nC₄₇为中心呈小峰群突起, 并有丰富的异构烷烃、烷基环己烷和烷基环戊烷系列化合物; 单体烃(nC₂₂~nC₄₄)碳同位素相对偏重, 源岩中的有机质显微组分类型丰富. 显示嫩江组烃源岩生源输入具有多样性, 低等水生植物、蓝细菌以及陆生高等植物都是可能的生油母质. 青山口组烃源岩氯仿抽提物烷烃组分主要由正烷烃构成, 最高碳数可达nC₆₁, 正烷烃分布以单峰型为主, 中、高分子量化合物呈连续递减趋势; C₂₉~C₃₅藿烷系列化合物以及高分子量异构烷烃、烷基环己烷和烷基环戊烷系列化合物丰度相对较低; 单体烃(nC₂₂~nC₄₄)碳同位素相对偏轻, 烃源岩有机质显微组分以腐泥组为主. 反映青山口组烃源岩生源输入单一, 藻类体可能是主要的生油母质. 烃源岩中C⁺₄₀相对含量及分布在低熟-成熟阶段变化不大, 进入高成熟阶段C⁺₄₀相对含量减少、正烷烃奇偶优势降低. 原油中C⁺₄₀相对含量主要与源岩性质有关, 并对原油黏度有显著影响.     

东海盆地丽水凹陷天然气类型及其成因探讨

丽水凹陷目前发现的天然气成分差异很大,烃类气体的含量占2%～94%,非烃类气体主要为CO2气体.在烃类气体的组成中,甲烷含量均低于90%,C2 以上重烃气体含量均大于10%,属于湿气.烃类气体碳同位素分析表明,甲烷的碳同位素组成δ13C值小于-44‰、乙烷的δ13C值基本上小于-29‰、丙烷的δ13C值小于-26‰,甲烷与乙烷碳同位素组成差值大,属于有机成因的油型气,是混合型有机质在成熟阶段生成的产物.非烃CO2气体的碳同位素δ13C值均大于-10‰,属于典型无机成因气.黄金管封闭体系下有机质的生烃模拟表明,灵峰组海相陆源有机质生成的天然气甲烷的比例明显高于月桂峰组湖相水生和陆生混合有机质生成的天然气,而重烃的比例明显低于月桂峰组混合有机质生成的天然气.灵峰组海相陆源有机质生成的天然气甲烷碳同位素δ13C值比月桂峰组混合有机质生成的甲烷的碳同位素δ13C值大5‰左右,乙烷和丙烷的碳同位素δ13C值大9‰以上.LS36-1油气藏是丽水凹陷目前唯一的商业性油气藏,烃类天然气各组分的碳同位素组成与灵峰组有机质生成的天然气各组分碳同位素组成差异大,而与月桂峰组有机质生成的天然气各组分碳同位素却很相近,表明其主要源岩是月桂峰组湖相烃源岩,而非灵峰组海相烃源岩和明月峰组煤系烃源岩.     

南盘江盆地古油藏沥青、天然气的地球化学特征及成因

南盘江地区的沥青主要分布在中泥盆统和上二叠统的礁灰岩古油藏中, 储集空间以洞、缝为主, 其次为基质孔隙和生物体腔内; 天然气显示则主要为高N₂天然气为主, 常与古油藏焦沥青伴生. 研究认为南盘江地区古油藏沥青主要源自中泥盆统泥质烃源岩, 为油藏深埋时的高温、高压作用下原油裂解成气后的焦沥青; 而该地区高N₂天然气不是原油裂解气, 也不是源自上二叠统龙潭组的煤成气, 而主要是源自中泥盆统泥质烃源岩晚期阶段的干酪根裂解气. 三叠纪的巨厚沉积使古油藏中的原油彻底裂解成焦沥青和甲烷气, 之后的2000~4500 m的地层剥蚀破坏了气藏的压力系统, 从而造成“异常高压”甲烷气藏的彻底破坏, 反而使常压的干酪根裂解气在相对局部封闭的条件下得以保存, 构成了气显示天然气的主体.     

蚀变珊瑚的氧碳同位素组成的环境意义探讨——以“南永一井”为例

对“南永一井”2 2～ 5 0m间的连续方解石化珊瑚岩芯以及 1 7～ 1 8m间文石向方解石转变过程中的珊瑚样品进行了氧碳同位素和矿物组成分析 .结果显示在文石向方解石转变过程中 ,其氧碳同位素比值大体存在一种线性的降低过程 ,意味着经方解石化后珊瑚原有氧碳同位素比值的相对变化可基本保存 .根据δ18O比值划分了 2 2～ 5 0m间蚀变珊瑚岩芯的氧同位素地层 ,所得年龄与古地磁结果基本一致 ,表明方解石化的珊瑚仍一定程度上保存原先的由氧碳同位素比值相对变化所反映出来的古气候古环境信息 .     

南沙海区生物单体脂类碳同位素研究

应用GC-IRMS碳同位素分析技术, 对南沙海区典型生物的单体脂类碳同位素进行了测定. 饱和脂肪酸碳同位素δ ¹³C值分布在-25.6‰~-29.7‰之间, 其平均值在不同类型生物中为-26.4‰~-28.2‰, 差值仅为1.8‰. 不饱和脂肪酸具有较重的碳同位素组成, 与同碳数饱和脂肪酸的δ ¹³C值平均相差2.9‰~6.8‰. 正构烷烃碳同位素组成为-27.5‰~-29.7‰, 不同生物之间平均值极为接近, 为-28.6‰~-28.9‰. 饱和脂肪酸和正构烷烃平均δ ¹³C值只相差1.5‰, 表明它们具有相似的生物合成途径. 不同碳数脂类碳同位素δ ¹³C值差异大都在±2.0‰之间, 反映了它们经过碳链拉长的生物合成特征. 同时, 将这些生物单体脂类碳同位素与该海区沉积脂类的进行对比研究, 建立了生物与沉积脂类的碳同位素成因关系, 为脂类碳同位素应用研究提供了科学依据.     

川东北地区飞仙关组高含H2S天然气TSR成因的同位素证据

四川盆地川东北地区是中国含油气盆地中已发现的高含硫化氢天然气储量最大的地区. 目前已探明储量和控制储量规模近3000×10⁸m³. 这些高含硫化氢天然气藏主要分布在渡口河、铁山坡、罗家寨、普光等构造带上, 储集层为三叠系飞仙关组鲕滩云岩. 天然气中硫化氢含量平均在14%, 部分高达17%. 虽然多数学者认为H₂S在深部碳酸盐储层中的大量聚集是硫酸盐热化学还原(Thermochemical sulfate reduction, TSR)的结果, 但是TSR过程及其留下的地质地球化学证据并不十分清晰. 作者通过对碳酸盐地层、次生方解石等的碳同位素, 硫化氢、硫磺、石膏、黄铁矿等的硫同位素分析, 以及天然气组成、烃类碳同位素和储层岩石学等方面, 进一步证实了该地区高含硫化氢天然气属硫酸盐热化学还原反应(TSR)成因. 硫化氢、硫磺和方解石是烃类气体参与TSR反应后形成的. 在TSR消耗烃类的过程中, 烃类气体中的碳参与反应并最终转移到次生方解石中, 成为次生方解石的碳源, 从而导致次生方解石的碳同位素严重偏轻, 可低到&#8722;18.2‰. TSR的中间产物硫磺和最终产物硫化氢及黄铁矿, 硫源均来自于飞仙关组地层中的硫酸盐. 在硫同位素分馏过程中, 键能决定了³²S先逸出, 而且逸出越早, 其形成硫化物(H₂S)或硫磺的d ³⁴S越小; 而对于参与反应的石膏来讲, 反应程度越高, 其³²S逸出越多, 剩余的³²S就越少, ³⁴S就会相对增多, 测试结果证明了硫同位素动力学分馏的这一过程.     

渔塘坝硒矿床富硒硅质岩的成因

下二叠统茅口灰岩顶部含碳硅质岩段(P₁³m )是渔塘坝硒矿床的主要富Se层位, 具有水平层理和纹层理构造, 硅质岩平均含Se 1646 μg·g^-1, 富含有机碳、Al₂O₃和SiO₂, 而S含量较低, 除主要富集Se元素外, 其他如Mo, Cd, V, Co等也有较高富集. 稀土总量低, 轻稀土略显富集. 样品富集较重的Si同位素, δ ³⁰Si值变化不大, 范围在1.1‰~1.2‰之间. 通过常量元素、微量元素、稀土元素以及Si同位素组成特征可以判断渔塘坝富硒硅质岩形成于浅海-半深海缺氧环境, 并主要受生物化学作用控制.