祁连山冻土区天然气水合物伴生碳酸盐CO同位素特征及其地质意义

第２７卷　第６期２０１３年１２月现　代　地　质ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ２７　Ｎｏ６Ｄｅｃ２０１３祁连山冻土区天然气水合物伴生碳酸盐Ｃ、Ｏ同位素特征及其地质意义蔡俊军１，卢振权２，３，孙　青４，刘　晖３，王　婷３，孙喜爱３（１中国地质科学院地质研究所，北京　１０００３７；２中国地质科学院矿产资源研究所，北京　１０００３７；３中国地质调查局油气资源调查中心，北京　１０００２９；４国家地质实验测试中心，北京　１０００３７）　　收稿日期：２０１３０７０５；改回日期：２０１３１０１８；责任编辑：潘令枝。　　基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７３０４０）；中国地质调查局天然气水合物勘查与试采专项项目（ＧＺＨＬ２０１１０３１１）；中国地质调查局地质调查项目（１２１２０１１１２０２８１）。　　作者简介：蔡俊军，男，博士，副研究员，１９６６年出生，地球化学专业，主要从事同位素地球化学和矿床地球化学的相关研究。Ｅｍａｉｌ：ｊｊｔａｓｉ＠ｇｍａｉｌｃｏｍ。　　通信作者：卢振权，男，博士，研究员，１９７２年出生，地球化学专业，主要从事天然气水合物地球化学勘查等方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｕｚｈｑ＠ｖｉｐｓｉｎａｃｏｍ。摘要：伴生碳酸盐矿物在海底与天然气水合物伴生是一种普遍现象，但在陆上冻土区中报道较少。以近两年在祁连山冻土区发现天然气水合物伴生的碳酸盐矿物为研究对象，根据对含碳酸盐样品的显微镜观察及矿物分析，确定了伴生碳酸盐的矿物种属及赋存状态。按碳酸盐矿物组成及地质产状的不同，其赋存状态分成４种类型，即白色薄层状、烟灰色菱形晶簇状、深灰色薄壳状、微细浸染状。根据不同赋存形态碳酸盐的Ｃ、Ｏ同位素特征，认为烟灰色菱形晶簇状方解石或呈（云烟状）微晶方解石可能与天然气水合物分解有关。碳酸盐Ｃ、Ｏ同位素随深度变化特征表明在一定深度处可能存在着烃类物质的活动，即天然气水合物分解，导致碳酸盐的矿物生成。关键词：伴生碳酸盐；天然气水合物；碳、氧稳定同位素；祁连山冻土中图分类号：ＴＥ１３２２　　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　　文章编号：１０００－８５２７（２０１３）０６－１３５６－０９ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣａｎｄＯＩｓｏｔｏｐｅｓｏｆＣａｒｂｏｎａｔｅｓＡｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈＧａｓＨｙｄｒａｔｅｉｎｔｈｅＱｉｌｉａｎＭｏｕｎｔａｉｎＰｅｒｍａｆｒｏｓｔａｎｄＴｈｅｉｒＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅＣＡＩＪｕｎｊｕｎ１，ＬＵＺｈｅｎｑｕａｎ２，３，ＳＵＮＱｉｎｇ４，ＬＩＵＨｕｉ３，ＷＡＮＧＴｉｎｇ３，ＳＵＮＸｉａｉ３（１ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３７，Ｃｈｉｎａ；２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３７，Ｃｈｉｎａ；３Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｕｒｖｅｙ，ＣｈｉｎａＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２９，Ｃｈｉｎａ；４ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＧｅｏａｎａｌｙｓｉｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓａｕｎｉｖｅｒｓａｌｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｆｏｒｇａｓｈｙｄｒａｔｅａｓｓｏｃｉａｔｅｄｃａｒｂｏｎａｔｅｓｉｎｓｅａｆｌｏｏｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓ，ｂｕｔｉｔｉｓｒａｒｅｌｙｒｅｐｏｒｔｅｄｉｎｔｈｅｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓａｎｄｍｉｎｅｒａｌａｎａｌｙｓｅｓｏｎｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｇａｓｈｙｄｒａｔｅ，ｍｉｎｅｒａｌｓｐｅｃｉｅｓａｎｄｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｍｏｄｅｓｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｉｎｔｈｅＱｉｌｉａｎＭｏｕｎｔａｉｎｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｍｏｄｅｓｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅｓｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｆｏｕｒｔｙｐｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣａｎｄＯｉｓｏｔｏｐｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｍｏｄｅｓｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｍｏｋｙｇｒａｙｒｈｏｍｂｉｃｃａｌｃｉｔｅｃｒｙｓｔａｌｓｏｒｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｃａｌｃｉｔｅｓｍａｙｂｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｇａｓｈｙｄｒａｔｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＣａｎｄＯｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｃａｒｂｏｎａｔｅｓｗｉｔｈｄｅｐｔｈｓｕｇｇｅｓｔｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｐｒｏｂａｂｌｙｅｘｉｓｔｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓｅｅｐａｇｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｗｉｔｈｉｎａｃｅｒｔａｉｎｄｅｐｔｈ，ｎａｍｅｌｙｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｇａｓｈｙｄｒａｔｅ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｃａｒｂｏｎａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｃａｒｂｏｎａｔｅ；ｇａｓｈｙｄｒａｔｅ；ＣａｎｄＯｉｓｏｔｏｐｅｓ；ＱｉｌｉａｎＭｏｕｎｔａｉｎｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ０　引　言天然气水合物是由气体分子与水在低温高压条件下形成的白色结晶状物质，主要产于海底沉积物和陆上永久冻土带中。这是一种新型的潜在能源，全球资源量达２１×１０１５ｍ３，约为煤炭、石油和天然气资源总量的两倍，具有巨大的能源潜力［１－２］。伴生碳酸盐矿物在海底沉积物中与天然气水合物伴生产出是一种普遍现象，如美国ＢｌａｋｅＲｉｄｇｅ区［３－４］、墨西哥湾北部陆坡区［５－９］、加利福尼亚南部近海ＳａｎｔａＭｏｎｉｃａ区［１０］、加拿大外海Ｃａｓｃａｄｉａ区［１１－１８］、日本海西部大陆坡区［１９］、秘鲁近海［２０］、哥斯达黎加大陆边缘区［２１］、地中海东部海区［２２］、鄂霍茨克海［２３］、西非刚果深水扇区［２４－２５］、印度西孟加拉湾ＫｒｉｓｈｎａＧｏｄａｖａｒｉ区［２６］等，特别是在海底微渗漏较为活跃的地区更是如此。但是，在陆上多年冻土区，伴生碳酸盐矿物远不如海底天然气水合物区发育，例如，在加拿大Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ三角洲地区，只偶尔在天然气水合物产出层段中观察到胶结砂岩层的白云石；在阿拉斯加北坡ＭｏｕｎｔＥｌｂｅｒｔ区，在天然气水合物层下部只检测出微量碳酸盐［２７］。国内科学家开展了大量与天然气水合物有关的伴生碳酸盐研究，主要集中在南海北部陆坡区，分别从伴生碳酸盐的矿物学和碳、氧同位素及微生物特征等方面，阐述了伴生碳酸盐的碳、氧来源及其微生物作用，认为这些伴生碳酸盐与南海北部陆坡区烃类微渗漏或天然气水合物密切相关［２８－３８］，甚至还与沉积物中有机质有关［３９］。蒋干清等［３９］还将古代盖帽碳酸盐岩与可能的天然气水合物分解联系在一起，认为新元古代盖帽碳酸盐岩中广布的甲烷渗漏构造、特殊的同位素标识、低硫酸盐浓度、海相重晶石沉积以及短暂而显著的碳同位素负偏是当时甲烷释放的有力证据，并暗示我国华南陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩可能也与天然气水合物分解有关。然而，目前陆上多年冻土区与天然气水合物伴生的碳酸盐矿物相关研究远不如海底天然气水合物分布区。目前的研究表明，在天然气水合物分布区中，对伴生碳酸盐氧同位素影响最大的可能是天然气水合物分解释放的水，其次为深部沉积物中蒙脱石向伊利石转变的成岩作用水，或沉积物孔隙周围的流体。对祁连山冻土区与天然气水合物伴生的碳酸盐而言，其到底是由天然气水合物分解所致，还是与各种不同形态的有机物质（煤、油或气、泥岩或油页岩中有机质）或古渗漏密切相关，均不得而知。目前开展祁连山冻土区与天然气水合物伴生的碳酸盐成因研究具有重要意义。天然气水合物分布区中伴生碳酸盐的碳、氧同位素分析是揭示其成因研究的最重要手段之一。本研究以祁连山冻土区新近发现的与天然气水合物伴生的碳酸盐为研究对象，从微量元素地球化学，碳、氧同位素地球化学方面，研究其碳氧同位素特征，试图揭示研究区中不同产状伴生碳酸盐同天然气水合物的内在成因联系。１　地质概况祁连山冻土区地处青藏高原东北缘，多年冻土面积约１０×１０４ｋｍ２［４０］。其大地构造单元一般划分为北祁连构造带（河西走廊、走廊南山）、中祁连陆块（托莱山）和南祁连构造带等三大构造单元。自震旦纪以来，祁连山先后经历了大陆裂谷阶段（震旦纪—中寒武世）、洋底扩张及沟弧盆体系阶段（晚寒武世—中奥陶世）、造山阶段（中奥陶世之后分别经历了俯冲造山、碰撞造山和陆内造山作用）等演化阶段，形成了现今的地质构造格局［４１］。早古生代期间，祁连山地区为一介于柴达木地块和华北地块之间的小型洋盆，志留纪晚期的加里东运动使古洋盆封闭并开始隆升剥蚀。石炭纪时又开始下沉形成广阔的浅海陆棚相沉积。二叠纪时发生南北差异升降，北祁连抬升成陆，而南祁连仍为浅海陆棚或陆表海环境。三叠纪时南祁连仍为海盆环境，沉积一套海相砂泥岩夹灰岩建造。晚三叠纪末的印支运动使得古特提斯海域封闭，整个祁连山地区抬升成陆，成为剥蚀区。之后的早燕山运动使得祁连山地区局部拉张，形成一系列条带状的山间断陷盆地，沉积一套侏罗系的河湖沼泽相含煤岩系［４２］。白垩系和新近系以红色细粒碎屑岩、粘土岩为主，而第四系广布于盆地，以冰水－洪积和冰川相堆积物为主。祁连山侏罗纪小型含煤盆地星罗棋布，组成祁连山含煤盆地群，其中疏勒河—大通河流域就分布有木里、瓦乌寺、雪霍立等１１个含煤盆地（图１）。这些含煤盆地都是北祁连深大断裂体系在燕山期再度复活形成的裂堑式断陷盆地，呈７５３１　第６期蔡俊军等：祁连山冻土区天然气水合物伴生碳酸盐Ｃ、Ｏ同位素特征及其地质意义图１　祁连山冻土区地质简图Ｆｉｇ１　ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｋｅｔｃｈｍａｐｉｎｔｈｅＱｉｌｉａｎＭｏｕｎｔａｉｎｐｅｒｍａｆｒｏｓｔＮＷ—ＳＥ向狭长带状断续分布。木里煤田是青海省最大的煤田，面积约６５０ｋｍ２，其主体包括西部的聚乎更矿区、弧山矿区、江仓矿区和东部的热水矿区以及外围的外力哈达矿区、海德尔矿区、默勒矿区等，是青海省最重要的煤炭基地。聚乎更矿区更因煤层厚、储量丰富和煤质好而受到广泛关注［４３］。本研究区位于祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程区，地处青海省天峻县木里镇境内，地质上位于木里煤田聚乎更矿区。聚乎更矿区呈ＮＷＷ—ＳＥＥ向展布，东西长约１９ｋｍ，南北平均宽约４ｋｍ，面积约７６ｋｍ２。聚乎更矿区总体上为一复式背斜构造，由一个大背斜和两个小向斜组成，其中北向斜分布有三井田、二井田和一露天３个井田，南向斜由四井田、一井田、三露天和二露天组成。天然气水合物科学钻探试验区就位于南向斜的三露天井田内。研究区出露的地层主要包括第四系、上侏罗统、中侏罗统和上三叠统。其基底为上三叠统，广泛出露于矿区南北部及背斜轴部，岩性以黑色粉砂岩、泥岩及薄煤层为主，与上覆侏罗系呈角度不整合接触。中侏罗统包括木里组和江仓组。下部的木里组又可细分为上下两岩性段，下段为辫状河冲积平原环境，沉积了一套中－粗粒碎屑岩，偶夹薄层炭质泥岩或薄煤层，底部底砾岩发育，厚约１５０ｍ；上段为主含煤层段，为湖泊－沼泽环境的深灰色粉砂岩、细粒砂岩及灰色细－中粒砂岩、粗粒砂岩，夹两层主煤层（下１和下２煤），平均厚７８６６ｍ。江仓组按岩性也可细分为上、下两段，其中下段为三角洲－湖泊环境的灰色细粒砂岩、中粒砂岩及深灰色泥岩、粉砂岩，含煤２～６层，厚度平均１２５１０ｍ；上段为纸片状页岩－含油页岩段，为一套浅湖－半深湖环境的细碎屑泥岩、粉砂岩，夹灰色粉砂岩及透镜状菱铁矿层，厚度平均为１１２１１ｍ。上侏罗统为干旱气候下的河流冲积环境，以黄、紫、紫灰色砾岩为主，夹灰黄色厚层状粗砂岩。第四系在钻探区内广泛分布，为冲积、洪积成因的腐殖土、砂、砾石，坡积的角砾，冰积的