青藏高原天然气水合物的形成与多冻土的关系.doc

青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系第25卷第12期2006年2月地质通报ge0l0glcalbulletlnofchlnavo1.25.nos.12feb.,2006青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系吴青柏,蒋观利,蒲毅彬,邓友生wuqingbai,jiangguanh,puyibin,dengyousheng中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州730000statekeylaboratoryoffrozensoilengineering.cl0andaridregionsenvironmentalandengineeringresearchinstitute,chineseacademyofsciences,lanzhou730000gansu,china摘要:天然气水舍物是一种新型清洁能源,赋存在多年冻土区和海洋沉积物等低温高压环境中.青藏高原多年冻土面积占高原总面积的一半以上,是可能的天然气水舍物赋存区.根据青藏高原多年冻土条件和天然气水舍物形成的热力学条件,讨论了多年冻土地温梯度,冻土厚度与天然气水舍物形成的热力学条件之间的关系和青藏高原存在天然气水舍物的可能性.结果表明,青藏高原多年冻土区基本具备形成天然气水合物的热力学条件,最适宜的热力学条件是多年冻土地温梯度接近或略大于多年冻土底板附近融土的地温梯度,且融土地温梯度越小,越容易形成天然气水舍物.估算得到天然气水舍物最浅的顶界埋深为74m左右,最深的底界埋深达上千米.关键词:青藏高原;多年冻土;天然气水合物;地温梯度中图分类号:p618.130.1文献标识码:a文章编号:16712552(2006)01-02-002905wuqb,jianggl,pliyb,dengys.relationshipbetweenpermafrostandgashydrateso11qinghai-tibetplateau.geologicalbulletinofchina,2006,25(1-2):29-33abstract:gashydratesareakindofnewcleanenergy.theyarefoundinlowtemperatureandhighpressureenvironmentsinpermafrostandmarinesediments.thepermafrostonqinghaitibetplateau,whichaccountsforabouthalfofthetotalareaofcheplateau.maybeapotenfimregionofgashydrates.accordingtothepermafrostcharacteristicsoftheplateauandthermod3,namicconditiomofformationofgashydrates,therelationshipsofthepermafrostthermalgradientsandthicknesswiththethermodynamicconditionsofformadonofgashydratesarediscussed.inaddidon.chepossibilityoftheexistenceofgashydratesonqinghaitibetplateauisalsopreliminarilyanalyzed.theresultsshowthatthepermafrostregionsontheplateauhavebasicthermodyrnamicsconditionsforformationofgashydrates.thebestthermodynamicsconditionisthatthethenmlgradientofpermafrostisclosetoorshghdyhigherthanthatofthawedsoilsnearthepermafrostbosom,andthelowerthethermalgradientofthawedsoils,chemoreeasilygashydrateswillbeformed.itisestimatedthattheshallowestburialdepthofthetopofthegashydratelayeris-74mandthatthedeepestbottomofthelayerisudtoonethousandmeters.keywords:qinghaitibetplateau;permafrost;gashydrate;thermalgradient天然气水合物是由气体和水组成的类冰固体,广泛分布于多年冻土区和海洋中.估计全球天然气水合物中的c储量为2x1015n3,相当于全球已探明常规燃料总c量的2倍,是一种新型的清洁能源【1】.同时,天然气水合物,特别是甲烷水合物,对温度变化特别敏感,甲烷气对气候转暖的贡献约为二氧化碳的20倍日,因此甲烷气水合物分解和释放对温室效应和气候变化将会产生较大的影响13一.分布于多年冻土区的天然气水合物的形成与多年冻土热状态,多年冻土厚度有着密切的关系.目前在多年冻土区已经发现有大量的天然气水合物,如加拿大马更些三角洲,收稿日期:20050930;修订日期:2005-1102基金项目:国家自然科学基金项目(40471024).国科学院寒区旱区环境与工程研究所创新项目资助.作者筒介:吴青柏(1964一),男,博士,研究员,从事冻土环境与工程,多年冻土区天然气水合物研究.e-mail:1jk坶.皖告形成r1.jjp.j.蒂件_j.满此删q将iiijii烷水#髓故tt叫械j【$mi】然气啦f袖rfj是l,lijjj,盛燕什仆k行将的脬越#i!l:ij&禾1青藏高原多年球上问分布蛀商吼0hi讣缶特ill!眦illj地flz量蚌地廿制纠同叫壁刊艘i神盎地幔均j刊地f水域求1f_i,地ll郜ji乇:芷,1.)r鹰jilm谢性掰h高iii(irj也甜f降h:l增k/f恤哳#l约4,x)_.fhjj对j%#l平而尢致廿4f1m域:惫j】吐tlj,iii#41r茫埔k】霉ttl【和徘cij寥iti.l竹控悱山i【i岛状茹mil_j1,1i新k琏数#f自.114址-幢#,一呐忭.m约1.71llk1性高墙4c1cj_)r_】r均3r【,化i【ie:iljne1一nq.llfrn),f牲地奇多年上lj眵战火然气水,物的热力学条件1笋年c_j条什k刊c物_【茺幕1】1tt1r)l1hb,v.【mdlc11tbmlad_1ifjhydrate*dm-l【rrh?r叫,址k然l水捌能仃住们2夺什l拚r近4带哦#qfl扎世温多年iq地盥嘘ti卜j:,i1ll_土均约!.iihirllt茁m苷,1喊1十寄遗#l机删孔世进1】廿析霉排十r地拂k约l8r2im儿jf铺孔地叮1掷虚kftl:际多年球足l_地件鹰暑i峙杵l晤矗水等阿索响川km地嗡忻啦耐捌-.多阵上jq地黼怫!1fl奸柑【jmiiflicr1l)-ldlstriblmclonqlnhaiibelj1atrt1舭蚋憾训一二三螂刚呲岫帅一一叫川一攀一一第25卷第1期吴青柏等:青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系31表1世界多年冻土区天然气水合物形成温度条件对比table1correlationoftemperaturesfortheformationofgashydratesinpermafrostregionsintheworld度处于变化状态.而青藏高原多年冻土底板附近融土地温梯度相对是稳定的,一般为2.88.5(2/100m;其中有8个钻孔地温梯度大于5(2/100m,青藏高原季节冻土区的地温梯度大约为1.5-6.5(2/100m,平均约为3.9c/100m.与世界上其他多年冻土相比(表1)【11j,中国青藏高原多年冻土区的地温梯度对甲烷气水合物的形成和储量规模也是非常有利的,特别是对于那些多年冻土和多年冻土层下融土的地温梯度较小的地区,这些地区将是天然气水合物赋存最有利的地区.然而,由于青藏高原地表温度和年平均地温较高,难以形成较厚的多年冻土,目前青藏高原哇里希里塘盆地多年冻土钻探揭示的最大多年冻土厚度约为128m,但并未穿透多年冻土底板【1蜘.从图3风火山区100m深孔多年冻土地温测温资料推测,多年冻土厚度最大可达220m左右.现今青藏高原多年冻土大片连续分布的羌塘盆地,低温中心的气温条件与昆仑山区,风火山区及唐古拉山区相当甚至更低,具备发育较厚多年冻土的气候条件.3天然气水合物形成的多年冻土厚度计算多年冻土厚度是多年冻土区天然气水合物形成的一个非常重要的热力学条件,多年冻土底板附近融土的地温梯度决定了多年冻土厚度的大小.土体在融化层和冻结层相界面满足能量守恒定律,在多年冻土底板的冻融相界面有:q广q:qo专(1)式中,q份别是融化层和冻结层之间相界面的热流,9.是单位土体的相变热,是相界面移动速率.如果qt:q,融化层和冻结层相界面不发生热交换,此时相界面移动速率,_0.如果地表温度和地中热流的变化足够小,含水量不大的土(岩)体能够很快地融化和冻结,使得土(岩)体满足稳定状态条件.此时多年冻土厚度有:-z去(2)式中,日为多年冻土厚度(m);为年平均地温();为冻土(岩)的导热系数;为多年冻土底板附近融土的地温梯度;02o甚.o多年冻土温度/3n-2.0-1.00.0l|02.030_.卜一曲道河_一一清水河-/h-开心岭山区_.卜可可西里山区.-.<)-昆仑山区_卜五道梁_c卜一风火山区图3青藏高原多年冻土层内的地温梯度fig.3geothermalgradientofpermaostonqinghaitibetplateau为多年冻土底板附近融土的导热系数;.为地温年变化深度(m),通常取15m;导热系数取高原上土质的平均状态,1.31w/m?oc,入=1.1w/m?oc.图4给出了多年冻土厚度计算结果,表明多年冻土底板下融土的地温梯度对多年冻土厚度有较大的影响,但多年冻土厚度也与冻土地温梯度有密切的关系.当qr<q肘,说明在多年冻土底板附近冻土温度升高,冻土厚度减小.当qf>q肘,多年冻土底板附近冻土温度降低,冻土厚度会增大.清水河地区127m监测孔表明,多年冻土层内地温梯度为2.85(2/100m,多年冻土底板附近融土地温梯度为5.1(2/100m;北麓河60m孔监测结果表明,多年冻土地温梯度为2.6/100m,而融土为3.2/100m.青藏高原大部分地区多年冻土层内地温梯度要小于融土地温梯度,说明多年冻土底板一直处于上移状态.32地质通报geologicalbulletinofchina2006矩表2天然气水合物层的埋深计算table2calculationoftheburialdepthofmethanehydratesfco-0.5c一1.5cf-3g?(1o0).h/mdfmdmt/mh/mdimdbmt/mh/mdfmdbmt/m245l567l1555l0486838752l94749989242.539l934552628692583491l58767236473|l/l75l18414296l34785484703.5/66162277116117804273474|l/l|ll04833362534.5|l/l|tl9486262l765|l/l|8698l9l935.2|t/t/85l09l74655.5|/l|84l34l4286|l/l|t|lll注:gt为冻土底板附近融土的地温梯度;为多年冻土年平均温度;h为多年冻土厚度;为天然气水合物层的最浅埋深;为天然气水合物层的最深埋深;功天然气水合物层厚度;/表示天然气水合物不能形成多年冻土厚度的计算结果表明,多年冻土底板附近融土的地温梯度极大地控制着多年冻土的厚度.控制了天然气水合物形成的热力学条件.青藏高原多年冻土区最适宜形成天然气水合物的热力学条件是,多年冻土地温梯度接近或者略大于多年冻土底板附近融土的地温梯度,融土地温梯度越小,越容易形成天然气水合物.4天然气水合物层可能的埋深估算对天然气水合物层埋深起到决定性影响的客观条件是冻土层的年平均地温和融土层的地温梯度g.长期观测所得数据显示,青藏高原绝大部分位于盆地地区的多年冻土,其冻土层年平均温度t介于一0.5-3之间.多年冻土底板附近融土的地温梯度一般介于26c/100itt之间,多年冻土厚度介于25200itt之间.由回归所得生物成因的天然气水合物温度,压力平衡公式131计算显示(表2),最浅的水合物层顶界埋深可能为74itt左右,最深的底界埋深有可能达到上千米.位于青藏高原高山基岩区的多年冻土层,当其年平均温度t.介于一3-4c之间时,与位于盆地区的多年冻土条件是有差别的.这对于天然气水合物的形成有极大的影响.以能生成最厚层天然气水合物的冻土条件(top=一3c,g2c/100m)为例,根据公式计算得到表2所列数据.计算发现.当多年冻土厚度为88.4m时,天然气水合物层的顶界埋深恰好位于多年冻土底板处.当多年冻土厚度大于这个数值时,天然气水合物顶界会在多年冻土层中出露;而当多年冻土厚度小于这个数值时,天然气水合物顶界只能在多年冻土层以下的融土层中出露.因此,青藏高原多年冻土e酷鸯蚺融土地温梯度/?m.尸卜一1.1一2.2/_-2.8卜5户卜/一ll一123456年平均地温/图4多年冻土厚度计算fig.4calculationofpermafrostthickness区具有天然气水合物赋存的条件.但是值得关注的是,天然气水合物在多年冻土层中是否能够形成?其形成的地质模式如何?这些问题对于多年冻土区天然气水合物的蕴藏量估算影响是非常大的.第25卷第1-2期吴青柏等:青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系335讨论和分析多年冻土条件是青藏高原多年冻土区天然气水合物形成的最为重要的热力学条件,特别是多年冻土的地温梯度,多年冻土底板附近融土的地温梯度和多年冻土的厚度.这些因素不仅控制了天然气水合物形成的热力学条件,而且对于正确地分析和评价天然气水合物的规模和蕴藏量估算起到了至关重要的作用.天然气水合物除了必须要满足的热力学条件外,地下水是天然气水合物形成的必要条件.如果多年冻土底板以下一定深度内土体不含地下水或者不含有相当数量的水分,那么形成天然气水合物的可能性也不存在.因此必须了解多年冻土层间和层下部地下水的特征.多年冻土区地下水主要可分为冻结层上水,冻结层间水和冻结层下水.冻结层上水发育在地表浅层的活动层以上,冻结层间水发育在多年冻土层中,冻结层下水发育在多年冻土底板以下的土层中.实际上对于天然气水合物的形成条件来说,有意义的地下水类型主要是冻结层间水,冻结层下水.目前由于研究深度和交通条件等限制,沿青藏公路做了一些多年冻土区地下水的研究,而多年冻土最为发育的羌塘盆地的地下水研究还是个空白.受气候变化的影响,青藏高原多年冻土正处于退化过程中.大量的监测事实说明青藏高原东部多年冻土处于强烈的退化过程中,以羌塘盆地为主体的青藏高原腹地多年冻土无疑也将受到气候变化影响发生退化.天然气水合物的存在和分布无疑会对青藏高原气候的变化产生重大影响.6结论青藏高原多年冻土较为发育,特别是羌塘盆地西北部,是青藏高原气温低温中心,年均气温低于-6.0c,多年冻土相当发育.同时羌塘盆地内发现油气显示190余处,其中5处为液态油苗,具有形成天然气水合物充足的天然气来源.从多年冻土厚度,多年冻土地温梯度,多年冻土底板附近融土的地温梯度分析和评价,认为理论上青藏高原存在天然气水合物形成的热力学条件.按照目前钻孑l观测资料,青藏高原多年冻土层年平均温度介于一0.5-3c(n,多年冻土底板附近融土的地温梯度一般介于2,-.6(2/100m之间,多年冻土厚度介于25200m之间.天然气水合物最浅的顶界埋深可能为74m左右,最深的底界埋深有可能达到上千米.因此,青藏高原多年冻土区基本具备形成天然气水合物的热力学条件,多年冻土区可能赋存有相当数量的天然气水合物.参考文献:【1】史斗,孙成权,朱岳年.国外天然气水合物研究进展【m】.兰州:兰州大学出版社,1992.249.2macdonaldgj.roleofmethanechthratesinpastandfutureclimatesj.climaticchange.,1990,16(2):247281.【3paullck,usselerwiii,diuionwp.isthextentofglaciationlimitedbymarinegashydrate?o】.geophysicalresearchletter,1991,18(4):432434.4neueh.methabeemission矗0inricefields:wetlandricefieldsmaymakeamajorcontributiontoglobalwarmgu】.bioscience,1993,43(7):466473.【5collettts,ginburggd.gashydrauinthemessoyakhagasfieldofthewestsiberianbasicaexterminationofthegeologicevidencefai.in:proceedingsof7thinternationalo珏oreandpolarengineeringconference【c】.1997.96103.f6ldallimorestk,uch/dat,collettts.scientificresults在omjapex/jnoc/gscmmlik2l238gashydrateresearchwell,mackenziedelta,northwestterritoriescanadao】.bul1.geo1.surv.canada,2002.544.7devidsondw,e1一defrawymk,fuglemmo.naturalgashydratesinnortherncanada【a1.in:proceedingsof3thintertm-tionalconferenceonpermafist(volume1)【c1.edmonton,alberta,canada,1978.938-943.【8collettts.naturalgashydrateoftheprudhoebayandku-parukriverarea,northslope,.alaskao】.americanassociationofpetroleumgeologistsbulletin,1993,77(5):793-815.【9】黄朋,潘桂棠,王立全,等.青藏高原天然气水合物资源预测o】.地质通报,2002,21(11):794-798.【101徐学祖,程国栋,俞祁浩.青藏高原多年冻土区天然气水合物的研究前景和建议】.地球科学进展,1999,14(2):201204.【111张立新