青藏高原乌丽冻土区二氧化碳成因探讨

第２７卷　第６期２０１３年１２月现　代　地　质ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ２７　Ｎｏ６Ｄｅｃ２０１３青藏高原乌丽冻土区二氧化碳成因探讨杨德寿１，龚建明２，贺行良２，王慧东１，陈俊文３，杨志承３，蒋玉波４（１青海煤炭地质勘查院，青海西宁　８１０００１；２青岛海洋地质研究所，山东青岛　２６６０７１；３长江大学地球环境与水资源学院，湖北武汉　４３０１００；４中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛　２６６１００）　　收稿日期：２０１３０４１０；改回日期：２０１３１０１０；责任编辑：潘令枝。　　基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７３０６６）；青海省治多县乌丽地区天然气水合物调查项目。　　作者简介：杨德寿，男，高级工程师，１９６３年出生，地质调查勘探专业，主要从事煤田地质勘查研究。Ｅｍａｉｌ：ｍｋｙｙｄｓ＠１６３ｃｏｍ。　　通信作者：龚建明，男，研究员，１９６４年出生，石油地质专业，主要从事油气地质与天然气水合物研究。Ｅｍａｉｌ：ｇｏｎｇｊｉａｎｍ＠ａｌｉｙｕｎｃｏｍ。摘要：为了查明青藏高原乌丽冻土区天然气的组分与成因，对采集自乌丽水合物试验孔ＺＫ１井及其周边钻孔的岩心顶空气、岩心解析气以及湖水气进行了组分和碳同位素测试分析，同时对ＺＫ１井及其周边钻孔岩心中的碳酸盐岩碳同位素进行了测试分析。测试结果显示：该区天然气主要成分为二氧化碳，其含量在９８％以上，烃类气体（主要为甲烷）含量很少；二氧化碳碳同位素主频在－４‰～－６‰（ＶＰＤＢ）之间，少量富烃样品的甲烷碳同位素主频介于－３２３８‰～－２７８２‰（ＶＰＤＢ）之间，碳酸盐岩的碳同位素平均值为－３８７‰（ＶＰＤＢ）。综合分析认为，研究区二氧化碳主要为幔源成因，可能与该区强烈的构造运动和岩浆活动有关。关键词：成因；二氧化碳；乌丽冻土区；青藏高原中图分类号：ＴＥ１３２２　　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　　文章编号：１０００－８５２７（２０１３）０６－１３９２－０７ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅＣＯ２ＯｒｉｇｉｎｓｏｆＷｕｌｉＰｅｒｍａｆｒｏｓｔＺｏｎｅｉｎＱｉｎｇｈａｉＴｉｂｅｔａｎＰｌａｔｅａｕＹＡＮＧＤｅｓｈｏｕ１，ＧＯＮＧＪｉａｎｍｉｎｇ２，ＨＥＸｉｎｇｌｉａｎｇ２，ＷＡＮＧＨｕｉｄｏｎｇ１，ＣＨＥＮＪｕｎｗｅｎ３，ＹＡＮＧＺｈｉｃｈｅｎｇ３，ＪＩＡＮＧＹｕｂｏ４（１ＱｉｎｇｈａｉＣｏａｌＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉｎｉｎｇ，Ｑｉｎｇｈａｉ　８１０００１，Ｃｈｉｎａ；２ＱｉｎｇｄａｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｒｉｎｅＧｅｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６６０７１，Ｃｈｉｎａ；３ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３０１００，Ｃｈｉｎａ；４ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｒｉｎｅＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６６１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｏｒｉｇｉｎｏｆｇａｓｅｓｆｒｏｍｇａｓｈｙｄｒａｔｅｄｒｉｌｌｈｏｌｅ（ＺＫ１）ｉｎＷｕｌｉｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｚｏｎｅ，ＱｉｎｇｈａｉＴｉｂｅｔａｎＰｌａｔｅａｕ，ｔｈｅｇａｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｃａｒｂｏｎｉｓｏｔｏｐｅｓｏｆｈｅａｄｓｐａｃｅｇａｓｓａｍｐｌｅｓａｎｄｒｅｓｏｌｖｉｎｇｇａｓｓａｍｐｌｅｓｆｒｏｍｈｏｌｅＺＫ１ａｎｄｉｔｓａｄｊａｃｅｎｔｄｒｉｌｌｈｏｌｅｓａｎｄｇａｓｓａｍｐｌｅｓｆｒｏｍｌａｋｅｗａｔｅｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｃａｒｂｏｎｉｓｏｔｏｐｅｓｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅｒｏｃｋｓｆｒｏｍｃｏｒｅｓａｒｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｍｏｒｅｔｈａｎ９８％ｎａｔｕｒａｌｇａｓｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｗｉｔｈａｌｉｔｔｌｅｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｇａｓ（ｍａｉｎｌｙｍｅｔｈａｎｅ），ｔｈｅｍａｉｎｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓｏｆδ１３ＣＣＯ２ａｒｅｂｅｔｗｅｅｎ－４‰ａｎｄ－６‰（ＶＰＤＢ），ｔｈｅｍａｉｎｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓｏｆδ１３ＣＣＨ４ｆｒｏｍａｆｅｗｒｉｃｈｍｅｔｈａｎｅｓａｍｐｌｅｓａｒｅｂｅｔｗｅｅｎ－３２３８‰ａｎｄ－２７８２‰（ＶＰＤＢ），ｗｈｉｌｅｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅｏｆδ１３ＣＣａＣＯ３ｉｓ－３８７‰（ＶＰＤＢ）．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｒｅｇｉｏｎａｌｇｅｏｌｏｇｙ，ｉｔｃｏｕｌｄｂｅｄｒａｗｎａｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔｔｈｅＣＯ２ｏｆＷｕｌｉｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｚｏｎｅｉｓｍａｉｎｌｙｏｆｖｏｌｃａｎｉｃｍａｎｔｌｅｔｙｐｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｓｔｒｏｎｇｔｅｃｔｏｎｉｃｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｍａｇｍａａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｒｉｇｉｎ；ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅ；Ｗｕｌｉｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｚｏｎｅ；ＱｉｎｇｈａｉＴｉｂｅｔａｎＰｌａｔｅａｕ０　引　言青藏高原乌丽冻土区位于唐古拉山北麓、金沙江缝合带附近［１］。２０１２年青海煤炭地质勘查院在该区域钻探天然气水合物试验孔，以查明该区是否存在天然气水合物。笔者对采集自试验孔ＺＫ１和ＺＫ７３的顶空气、解析气以及试验孔附近茶措湖中的湖水气进行了气体组分和碳同位素测试。结果表明，该区天然气组分主要为二氧化碳，含量在９８％以上，碳同位素在－４‰～－６‰（ＶＰＤＢ）之间。同时对ＺＫ１和ＺＫ７３孔岩心中的碳酸盐岩进行了碳同位素测试，其碳同位素平均值（－３８７‰（ＶＰＤＢ））明显重于该区二氧化碳的碳同位素值。二氧化碳是天然气中重要的非烃组分之一，其成因类型主要为无机成因。而无机成因的二氧化碳又可细分为壳源型、火山幔源型及壳幔混合型３种。那么该区二氧化碳的成因类型属于哪一种？其主控因素是什么？本文将对这几个问题进行探讨。１　区域地质背景据吴军虎等人的研究［２］，青藏高原是由相继增生到亚洲大陆上的６个地体拼合而成，其分界线为５条缝合带，以挤压构造为主，主要呈ＮＷＷ向展布。乌丽冻土区位于羌塘盆地外缘的５条缝合带之一的金沙江缝合带附近，区内印支期、燕山期和喜马拉雅期构造运动强烈，深大断裂发育（如拉竹龙—西金乌兰深断裂带）［３］（图１）。印支后期的图１　羌塘盆地构造区划示意图及钻孔ＺＫ１位置（据文献［３］修改）Ｆｉｇ１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｔｅｃｔｏｎｉｃｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆＱｉａｎｇｔａｎｇＢａｓｉｎａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｌｌｈｏｌｅＺＫ１改造以南北向挤压为主，并伴有广泛的岩浆侵入［２］，ＺＫ１井所在的地区褶皱和断裂发育，该井在６１０ｍ左右钻遇安山岩。由于乌丽冻土区二叠纪之后隆升剥蚀强烈［２，４］，因此，ＺＫ１井主要钻遇晚二叠世地层。从沉积环境来看，上二叠统乌丽群那益雄组（Ｐ３ｎ）为海陆交互相含煤碎屑岩建造，相当于华南的龙潭组（或称龙潭煤系），而拉卜查日组（Ｐ３ｌｂ）为灰岩夹碎屑岩建造，相当于大隆组（或长兴组）［５］。由此可见，乌丽地区强烈的构造运动造成了大量地层的剥蚀，不利于烃类气体的保存，相反，却有利于深部无机成因气体通过深大断裂向上运移。２　样品采集与测试分析为了查明ＺＫ１井及其邻区岩心顶空气、解析气以及湖水气的成因，采集了３３个气体样品并进行了测试分析。采样位置见参考文献［１］中图１。其中，茶措湖湖水气样１个，采用排水取气法采集；顶空气样２９个，在装满２００ｍｌ的饱和盐水中装入岩心样品进行收集；解析气样３个，方法是将ＺＫ１井岩心样品从液氮罐中取出，放入盛有液氮的容器中，适度破碎后放入水中，使其表面吸附的游离气和残留液氮迅速挥发，待挥发完后，利用排水集气法收集。样品类型、采样深度、岩性描述等基本情况见表１。采集的气体样品存放在阴凉通风的低温环境中保存并及时送到实验室进行气体组分和碳同位素测试分析。２１　气体组分测试气体组分测试在青岛海洋地质研究所完成。３９３１　第６期杨德寿等：青藏高原乌丽冻土区二氧化碳成因探讨表１　乌丽冻土区样品采集情况表Ｔａｂｌｅ１　ＳａｍｐｌｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｌｌｈｏｌｅＺＫ１ａｎｄｉｔｓａｄｊａｃｅｎｔａｒｅａｓｉｎＷｕｌｉｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｚｏｎｅ取样位置样品编号样品类型采样深度／ｍ岩性描述　　备注ＹＳＹＹ１２－０２１顶空气８２８１０灰黑色中厚层泥岩裂隙发育，岩心完整ＹＳＹＹ１２－０２６顶空气８６０３５灰黑色厚层泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０１１顶空气４８４３０灰黑色厚层泥质粉砂岩裂隙发育ＹＱＹ１２－０１３顶空气４８６９５粉砂岩、粉砂质泥岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０１４顶空气４９４３５灰黑色细粒砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２０顶空气７３４４５灰色厚层细砂岩裂隙发育，岩心完整，表面含有黄铁矿ＹＱＹ１２－０２１顶空气７６５３５深灰色巨厚层泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２２顶空气７６８３５深灰色巨厚层泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２３顶空气７７２１３灰色巨厚层泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２４顶空气７９９４４深灰色巨厚层泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２５顶空气８０８１０深灰色巨厚层泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２６顶空气８１２１０灰黑色巨厚层泥岩裂隙发育，岩心完整ＺＫ１ＹＱＹ１２－０２７顶空气８２８７０灰黑色中厚层泥岩和泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２８顶空气８３７６０灰黑色巨厚层泥岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０２９顶空气８５６９０灰黑色中厚层泥质粉砂岩下部岩心破碎ＹＱＹ１２－０３０顶空气８６０７０深灰色厚层泥质粉砂岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０３１顶空气８６１５０深灰色中厚层泥岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０３２顶空气８６３００灰色中厚层泥岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０３３顶空气８６４２０灰黑色中厚层泥岩岩心上部完整，下部较破碎，局部裂隙发育ＹＱＹ１２－０３４顶空气８６７２０深灰色巨厚层粉砂质泥岩裂隙发育ＹＱＹ１２－０３５顶空气８７１８０深灰色巨厚层粉砂质泥岩上部岩心完整，下部岩心破碎，裂隙发育ＹＱＹ１２－０３６顶空气８７２５０深灰色巨厚层粉砂质泥岩岩心整状，裂隙发育ＹＱＹ１２－０３７顶空气８７６９０灰黑色厚层粉砂质泥岩岩心整状，裂隙发育ＹＱＹ１２－０３８顶空气８８０２０泥质粉砂岩资料丢失，描述不清ＹＱＹ１２－０３９顶空气８８２１０泥岩资料丢失，描述不清ＹＱＹ１２－０４０顶空气８８３９０泥质粉砂岩资料丢失，描述不清ＹＱＹ１２－０４１顶空气８９５００粉砂质泥岩资料丢失，描述不清ＹＱＹ１２－０４２顶空气９０１２０泥质粉砂岩资料丢失，描述不清ＺＫ７－３ＹＱＹ１２－００４顶空气５８５４４灰黑色巨厚层泥岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－００６解析气２９４５０灰黑色中厚层粉砂质泥岩上部岩心破碎，下部完整ＺＫ１ＹＱＹ１２－０１０解析气４５９５０灰色厚层粉砂质泥岩裂隙发育，岩心完整ＹＱＹ１２－０１２解析气４８５５０粉砂质泥岩裂隙发育，岩心完整茶措湖湖水气湖水气　　注：青岛海洋地质研究所实验室对乌丽地区岩心样品进行了气体组分测试分析。本次使用的是氢火焰离子化检测器（ＦＩＤ）／热导检测器（ＴＣＤ）并联气相色谱仪（Ｔｈｅｒｍｏ），其色谱柱为ＨＰＰＬＯＴＱ毛细管柱（３０ｍ×０３２ｍｍ×２００μｍ）；载气为９９９９９％高纯Ｈｅ；进样量１００μＬ，分流／不分流进样口进样，分流比为１０∶１；进样口温度２５０℃；柱流量为３０ｍＬ／ｍｉｎ。柱温升温程序如下：５０℃保持２ｍｉｎ，以２０℃／ｍｉｎ升至２５０℃，保持２ｍｉｎ。