中國石油勘探開發研究院 王曉梅

在地球形成初期,原始大氣主要由氫氣與氦氣組成,同時包含少量的甲烷及二氧化碳等氣體。

早期地球吸積過程中,原始大氣中的氫被捕捉,并以溶液和化合物形式賦存在地球內部,在高溫高壓條件下達到穩定狀態。

這些氫后期從地核中逐步析出,進入地幔并與碳、氧、硫等元素相結合形成深部流體,后者會通過火山噴發、地震等活動釋放進入大氣圈,并在溫室-冰期循環、大滅絕事件和化石能源形成中發揮重要作用,成為鏈接地球系統圈層運動的紐帶。

傳統觀點認為,氫元素具有極強的還原性,且質量很輕,傾向于與其他元素結合以化合物形式存在,只有少數情況才能以單質氫氣的形式存在。

然而,越來越多天然氫氣的發現,預示其可以游離態、吸附態、溶解態以及包裹體形式賦存于地球不同圈層中。地球內部(內核、外核及地幔)可能是地球上最大的天然氫庫,據估計,地球外核中含有的氫氣量約為1.11×1019噸。

重新審視地下氫氣系統

實際上,天然氫氣普遍存在于全球范圍的地表-地殼環境,包括超基性巖體或花崗巖體(前寒武地盾)、深大斷裂發育區、海底洋中脊、火山體系、地下水/地表水熱系統和沉積盆地等。

其中,蛇綠巖帶、洋中脊、熱泉等水熱系統、深大斷裂發育區是已發現高豐度天然氫氣賦存的主要地質體。比如,馬里發現的深度1000米以內的天然氫氣含量最高達98%,主要賦存于蛇綠巖和花崗巖鄰近的沉積地層。

近年來,天然氫氣的成因來源和資源前景受到學術界和業界的廣泛關注。

總體上來說,地質體中的氫氣可為有機和無機兩類成因。有機成因包括微生物作用和有機質熱解作用,無機成因包括深部幔源脫氣、含鐵礦物的水熱反應(比如蛇紋石化作用)、水的放射性分解作用、巖石機械破碎引起的自由基產氫等。其中,超基性巖體和花崗巖體中二價鐵礦物的水熱反應、放射性作用是地殼中最重要的產氫途徑。據估算,1立方米巖石10億年產氫量約為0.19立方米。

盡管研究顯示地質體具有規模產氫潛力,但考慮到氫氣較強的擴散效應和高的生物-化學反應活性,自然界中是否存在工業價值的天然氫氣藏仍不確定。近年來,在能源需求和“減碳”目標的驅動下,尤其是非洲馬里天然氫氣的成功開發利用,促使全球業界開始重新審視地下的氫氣系統。

2019年以來,美國、澳大利亞等國家積極推進天然氫勘探,圍繞地下超基性巖體和花崗巖體,相繼鉆探多口天然氫專探井。國內學者也在松遼盆地、柴達木盆地、渤海灣盆地等發現天然氫氣顯示。

但總體來說,全球天然氫的勘探和開發利用仍處于起步階段,已有研究大多聚焦地表/淺層的超基性巖等火山巖體和水熱系統,對沉積盆地深層天然氫氣關注相對較少。

四川盆地富含多種油氣

實際上,我國克拉通盆地廣泛發育的深部斷裂,可為火山巖基底生成的氫氣運移至沉積地層有利圈閉發生聚集提供通道,是地下氫氣藏形成的潛在地質體。我們的研究團隊以四川盆地川中地區震旦系-三疊系常規氣藏為解剖對象,結合58個天然氣樣品的氫氣含量和同位素、區域地質條件、同位素分餾數值計算等分析,探討了氫氣潛在的成因來源,預期為認識沉積盆地深層天然氫氣形成機制和分布規律提供關鍵地質實例。

四川盆地位于中國的西南部,北鄰米倉山和大巴山,南鄰大涼山和大婁山,西鄰龍門山和邛崍山,東鄰七躍山,總占地面積約19萬平方公里。

作為大型疊合含油氣沉積盆地,四川盆地屬于上揚子克拉通板塊,經歷過多期構造運動。自新元古代以來,盆地經歷了揚子旋回、加里東旋回、海西旋回、印支旋回、燕山旋回、喜馬拉雅旋回等多次構造旋回。根據區域斷裂和構造變形差異,四川盆地可細分為5個構造單元:川東高陡斷褶帶、川南低陡褶帶、川中平緩褶帶、川西坳陷帶、米倉山-大巴山前緣褶皺帶。

盆地自基底以上發育新元古界震旦系、古生界、中生界和新生界的沉積層系。其中震旦系-中三疊統以海相碳酸鹽巖沉積為主,上三疊統-第四系多為陸相碎屑巖沉積。受構造活動影響,盆地深部發育多組溝通基底和下古生界沉積地層的斷裂(如龍門山和華鎣山斷裂),川中地區存在多條走滑斷裂帶,控制了震旦系-侏羅系油氣的成藏聚集。

四川盆地富含多種油氣資源,包括常規氣、頁巖/致密氣、頁巖油等,是我國重要的含油氣盆地。盆地海相-陸相地層存在6套優質烴源層、11套油氣成藏組合,已發現29套工業油氣產層、180余個油氣田及含油氣構造。深層-超深層天然氣勘探開發主要集中在震旦系-下古生界,其中,川中地區安岳氣區震旦-寒武系已探明天然氣儲量超萬億方,蓬萊氣區震旦系天然氣勘探也取得重要突破。

天然氫氣科研亟需加強

我們結合天然氣地球化學分析、地下產氫機理和氫同位素分餾數值計算,系統探討了川中地區震旦系-三疊系天然氣中氫氣的含量、同位素特征與成因機制。

研究發現,川中地區震旦系-三疊系常規天然氣中氫氣的平均含量為0.25%,最高含量達到1.6%,氫氣的氫同位素為−850‰~−586‰。同時,地質條件和同位素分餾效應分析,揭示微生物和有機質原位裂解產氫作用并非深層氫氣形成的有效途徑。氣藏中伴生氦的含量和同位素特征顯示為殼源特征,指示川中深層天然氣中氫氣存在外源成因,即花崗巖基底中水的放射性分解和二價鐵礦物的水熱反應是氫氣的主要來源。深部基底來源氫氣向儲層運聚過程中的擴散同位素分餾效應,是深層常規氣中氫同位素異常偏輕的重要機制。

同時,我們發現深層天然氫氣的聚集處于動態過程,即外源氫氣向儲層的運聚與儲層中氫氣的逸散同時發生。值得注意的是,地下氫氣的氫同位素常受到形成和聚集過程中各種次生作用的影響,準確識別其成因來源和形成溫度,可能需要更多的地球化學數據證據,比如氫氣簇同位素和伴生流體組分同位素等。

有利的構造演化條件和已有氫氣發現實例,預示我國具有天然氫形成的物質基礎。但其形成富集機制和分布規律仍缺乏足夠認識,難以有效指導高效勘探和開發利用,亟需加強基礎理論、關鍵技術和資源勘查等攻關研究。

基礎研究需要從氫氣系統的角度,明確天然氫形成機理、富集成藏機制和主控因素;關鍵技術需要聚焦天然氫的成因來源判識、地表-地下地球物理等預測、測錄井技術;資源勘查方面亟需加大陸上主要盆地和重點地區的天然氫普查,這將為我國天然氫氣資源評價和有利勘探區優選提供基礎數據支撐。

我們認為尋找天然氫氣藏、支撐勘探發現和鉆探目標實施,是當前基礎研究和技術研發的首要目的。從全球已發現天然氫的分布來看,蛇綠巖帶、深大斷裂發育帶、克拉通陸-陸碰撞帶和前寒武鐵條帶等地質體可能是高豐度天然氫勘探的潛在目標。由于天然氫氣藏的典型實例受限,目前仍需要堅持邊研究、邊勘探、邊開發的思路,不斷積累經驗,逐漸完善天然氫形成富集理論、勘探預測和開發技術,進而推動勘探持續發現。

作者簡介

王曉梅,中國石油勘探開發研究院正高級工程師,博士生導師。現任中國石油天然氣集團公司油氣地球化學重點實驗室主任、亞非石油地球化學與勘探協會(AAAPG)理事、全國有機地球化學學組學術委員、《Marine and Petroleum Geology》副主編、《石油勘探與開發》編委等。先后主持國家重點研發項目、國家自然科學基金杰出青年科學基金、中石油科技項目等20余項。長期從事地球系統與資源能源基礎研究,在中元古代地球環境演變與富有機質頁巖發育、古老超深層油氣資源形成、天然氫形成富集機制等方向取得了系列原創性認識。創新提出下馬嶺組沉積存在最小氧化帶(OMZ),發現14億年前的海洋同樣存在缺氧到硫化再到氧化的全周期演化,突破國際上“Canfield硫化海洋”的固有認識;創新揭示深部無機富氫流體-有機質加氫生烴作用機制,發現其對深層油氣形成具有重要貢獻,預測深層-超深層具有新油氣資源類型;超前探索天然氫形成演化機制,研發形成天然氫同位素分析和資源勘查等系列技術,闡明沉積盆地深層天然氫成因來源和運聚機制。相關成果在PNAS、Geology、ESPL、GCA、《中國科學.地球科學》等學術期刊發表論文100余篇。先后獲得省部級科技進步特等獎/一等獎7項、中國地質學會“十大地質科技進展”、“黃汲清青年地質科技獎”、中華國際科學交流基金會杰出工程師青年獎和中國石油“杰出青年科技創新人才”等獎勵和榮譽。