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天然气水合物是由天然气和水分子组成的类冰状固态化合物。自然界中天然气水合物主要存在于多年冻土和深海沉积物中,其储量巨大,是一种新型的潜在能源。近几十年来,许多科学家已经对天然气水合物进行了各方面的深入研究。中国对海洋天然气水合物的地球化学研究已经有一定的成果,但是对多年冻土区天然气水合物的地球化学研究尚很欠缺。因此,我们在中国青藏高原昆仑山垭口多年冻土区进行了天然气水合物钻孔研究工作。本文通过对昆仑山垭口多年冻土区钻孔沉积物粒度特征、沉积物和泥浆气体组分、气体同位素特征和钻孔沉积物的离子含量进行分析,借助冻土理论、水合物地球化学理论和水合物温压条件对青藏高原昆仑山垭口多年冻土区的天然气水合物赋存条件进行了分析,得到了以下几点结论:
1、对昆仑山垭口的钻孔沉积物进行粒度分析,分析了沉积物样品的频率曲线、概率累计曲线、粒度参数和粒度组成特征,通过这些特征探讨了昆仑山垭口钻孔地点的沉积环境,并且从曲线和参数的差别上区分了昆仑山垭口不同的沉积环境类型:湖相沉积环境和河相沉积环境。
2、本次昆仑山垭口两个钻孔中的气体包括泥浆气体和岩芯气体,钻孔-1中只收集了泥浆气体,钻孔-2中既有泥浆气体,也有岩芯气体,这些气体包括烃类气体和非烃类气体。烃类气体包括CH4、C2H6、C3H8和C4+。非烃类气体包括H2、He、N2、O2、Ar和CO2。
3、经过分析,烃类气体主要以甲烷为主,尤其在在多年冻土层内,甲烷的含量比较高,并且不断在多年冻土底板处聚集。通过对甲烷同位素值和C1/(C2+C3)的值进行计算,对甲烷的来源进行分析,认为甲烷主要是以微生物成因为主。非烃类气体中,二氧化碳的百分含量和同位素值指示其为有机成因。
4、通过对昆仑山垭口钻孔沉积物孔隙水的离子成分含量分析,发现沉积物孔隙水中主要阳离子包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+。其中NH4+、Mg2+和Ca2+离子的浓度变化趋势很相似,整体呈下降趋势。在多年冻土层内,NH4+浓度变化范围较大,而在非冻土层内,其含量迅速下降;K+的浓度在整个钻孔中都很低,而局部浓度出现异常;Na+的浓度整体呈增加趋势,变化范围不大。
5、阴离子包括F-、Cl-、SO42-。在多年冻土层内SO42-、Cl-、F-的浓度含量比较高,而进入非多年冻土层后它们的浓度急剧下降。F-的浓度变化趋势和Cl-的相似,在多年冻土层内,F-的浓度较高,但随着深度的增加而不断减小,到非冻土层内,F-的浓度迅速降低;在多年冻土层内,SO42-的浓度较高,而在非多年冻土层内,SO42-的浓度变得很低,总体来说,SO42-的浓度呈下降趋势。
6、通过对昆仑山垭口多年冻土区沉积环境、钻孔气体和钻孔沉积物离子的分析,再加上对昆仑山垭口钻孔温压条件的分析,得出结论:昆仑山垭口钻孔的温压条件和地球化学条件有利于天然气水合物的存在。