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柴达木盆地三湖地区第四系天然气是我国目前发现的最大生物气田。本次研究系统采集了涩北一号、涩北二号和台南气田不同气层组的35个天然气样及11个地层水样,进行了天然气组分和碳氢同位素分析,同时对地层水的氢氧同位素进行了分析。采集了三湖地区第四系气岩样55个,并进行了烃源岩的常规分析。
第四系源岩有机质丰度较低,有机碳含量分布于0.11％～0.46%范围内,平均值为0.226%;有机质类型以Ⅲ型为主。源岩饱和烃组分中正、异构烷烃、甾类化合物和萜类化合物等生物标志化合物研究显示,成熟度处于未熟—低熟阶段,但部分参数指向成熟阶段,这可能是由于细菌作用将大分子化合物异构化的结果;母质输入类型主要为陆相高等植物的输入,低等水生生物输入为次,但构造带不同,母质输入有所差别;沉积环境为咸水环境,形成了盐湖相。
天然气组分以甲烷为主,CH4%＞99%,C2+＜0.15%,干燥系数为0.999:气体同位素特征为-68.69‰＜δ13C1＜-61.8‰,-50.6‰＜δ3C2＜-40.7‰,-36.2‰＜δ13C3＜-31.9‰,-17‰＜δ13Cco2＜-3.2‰,-234.7‰＜δD1＜-214‰。通过δ13C1与δD1图版、地层水与甲烷的关系、δ13C1与δ13Cco2关系图这三种判断方法显示,三湖地区生物甲烷形成途径是以CO2还原作用为主。对该区生物气与该盆地热成因气进行了对比,两者重烃组分含量和碳同位素特征明显不同,说明该区生物气中重烃混入热成因气可能性较小。对该区生物气中重烃δ13C3-δ13C2值与深度关系和δ13CO2与烃类气体同位素的关系研究认为三湖地区生物气中重烃成因复杂,可能为低温热成因和生物成因共同作用的产物。
三湖地区地层水中碳氢同位素特征为:氢同位素变化范围为-85‰～-60‰,平均值为-73.2‰;碳同位素变化范围较广,从-13.4‰到0.42‰,平均值为-7.2‰,与现今大气中CO2同位素值-7.8‰很相近。通过对三湖地区地层水中HCO3-、生物气中CO2和CH4三者碳同位素研究认为,它们之间存在内在联系:地层中CO2溶于地层水中所发生碳同位素分馏强度为8‰,与大气CO2溶于海水所发生同位素分馏强度一致;CO2与HCO3-的碳同位素交换过程是使CO2碳同位素变轻的过程;在CO2还原作用过程中,HCO3-可能是直接的碳源,而CO2可能是其间接碳源。