王惠艷,唐瑞玲,畢婧

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北 廊坊 065000; 2.山東省地質(zhì)測(cè)繪院,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

熱釋光油氣勘查技術(shù)經(jīng)歷了從熱釋光劑量測(cè)量(thermoluminescence radiometric survey)到天然熱釋光測(cè)量(natural thermoluminescence survey)的發(fā)展歷程。前者是測(cè)量埋置在土壤中的熱釋光劑量片吸收的放射性劑量[1-2],后者是測(cè)定土壤中天然礦物在一定地質(zhì)年代內(nèi)接受天然輻射而產(chǎn)生的累積熱釋光強(qiáng)度[3]。熱釋光劑量測(cè)量雖然能夠通過累積測(cè)量消除或降低一些環(huán)境因素的影響(如土壤溫度、土壤濕度、取樣時(shí)間、大氣壓、降雨情況、地下水位狀態(tài)以及土壤的凍結(jié)和融化狀況),但是該項(xiàng)技術(shù)需要進(jìn)行二次測(cè)量(埋熱釋光劑量片和取熱釋光劑量片),無形中增加了勘探成本。中國油氣勘查學(xué)家們發(fā)展的天然熱釋光技術(shù)可以直接測(cè)定土壤中的石英、長(zhǎng)石、方解石等結(jié)晶礦物及黏土礦物長(zhǎng)期累積的熱釋光劑量,解決了需要進(jìn)行二次測(cè)量的問題(埋熱釋光劑量片和取熱釋光劑量片),降低了熱釋光勘查成本[4],在常規(guī)油氣勘探中取得了良好的勘探結(jié)果,成功率高達(dá)61.5%～85%[5-8]。

天然熱釋光應(yīng)用于油氣勘探的理論基礎(chǔ)源于氣體垂向微滲漏原理,地下油氣藏以及烴類的微滲漏垂向遷移引起近地表地球化學(xué)場(chǎng)的變化,使油氣藏與外圍環(huán)境的輻射場(chǎng)產(chǎn)生差異,進(jìn)而引起近地表土壤天然熱釋光的強(qiáng)度異常,由于天然氣水合物與常規(guī)油氣在物源及運(yùn)移機(jī)制上非常相似[5-7],所以很多學(xué)者把熱釋光技術(shù)應(yīng)用到天然氣水合物領(lǐng)域:張志攀等[9-10]在羌塘盆地天然氣水合物勘探中,發(fā)現(xiàn)了熱釋光高值異常呈串珠狀分布的特征,可以大致反映深部天然氣水合物藏的位置。張富貴等[11]在祁連山凍土區(qū)試驗(yàn)了天然熱釋光水合物勘查技術(shù),認(rèn)為祁連山天然氣熱釋光異常與天然氣水合物礦藏關(guān)系密切,源于深部水合物礦藏,天然熱釋光技術(shù)可以作為天然氣水合物勘查的一種有效輔助手段。盡管眾多結(jié)果顯示天然熱釋光能有效預(yù)測(cè)天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū),但是目前土壤熱釋光測(cè)量方法技術(shù)仍借鑒在油氣勘查中的方法,凍土區(qū)天然氣水合物與常規(guī)油氣相比,其成藏模式、成因機(jī)理和干擾因素有本質(zhì)差別,其不同樣品的發(fā)光曲線特征、最佳取樣粒級(jí)、最佳升溫速率以及最佳升溫區(qū)間均未開展研究,開發(fā)適合凍土區(qū)天然氣水合物的天然熱釋光技術(shù)尤為必要。因此,本研究的主要目的是:① 采用新型RGD-6型熱釋光劑量?jī)x,試驗(yàn)出適用天然氣水合物勘查的最佳土壤粒級(jí)、最佳升溫速率和最佳升溫區(qū)間;② 總結(jié)土壤天然熱釋光的異常模式,查明水合物與地表熱釋光異常間的相互關(guān)系;③ 建立天然熱釋光勘查模型。

1 工作原理

近地表土壤樣品中的礦物在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里接受天然輻射而產(chǎn)生的累積熱釋光強(qiáng)度,與升溫速率、加熱溫度、輻射劑量、樣品粒度有重要相關(guān)關(guān)系[12-13]。土壤樣品在加熱時(shí),能將儲(chǔ)存的輻射能以發(fā)光的形式釋放出來,這種特性稱之為熱釋光。熱釋光的強(qiáng)度隨加熱條件而變化,兩者之間的函數(shù)關(guān)系稱為發(fā)光曲線,某段區(qū)間內(nèi)發(fā)光曲線的面積即總熱釋光量子數(shù)與樣品吸收的輻射劑量成線性關(guān)系,地表熱釋光的強(qiáng)弱反應(yīng)了該地區(qū)輻射水平的高低。油氣藏上方由于氣體垂向微滲漏原理會(huì)出現(xiàn)放射性元素局部富集或貧化現(xiàn)象,而對(duì)應(yīng)的地表熱釋光就會(huì)形成局部異常區(qū)域[14],因此可以依據(jù)地表熱釋光異常來探索地下深層油氣藏存在。天然氣水合物與常規(guī)油氣在物源和運(yùn)移機(jī)制上非常相似[15],因此可以探索土壤熱釋光與深部水合物的響應(yīng)關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及檢測(cè)結(jié)果

2.1 樣品來源

選擇祁連山天然氣水合物已知區(qū)進(jìn)行方法技術(shù)試驗(yàn),采樣點(diǎn)布設(shè)見圖1,測(cè)區(qū)面積4 km2,采樣密度16點(diǎn)/km2,采樣深度40～60 cm,共采集土壤樣品84件。樣品盡可能在微生物活動(dòng)層下部采集,樣品用鋁箔袋包裝,在室內(nèi)陰干,加工過篩。每個(gè)待測(cè)試樣品制備3個(gè)平行樣,每個(gè)平行樣重50 mg。樣品分析測(cè)試工作使用RGD-6型熱釋光劑量?jī)x完成,主要測(cè)量土壤γ累計(jì)輻射劑量,劑量單位為μGy。

圖1 研究區(qū)位置示意(a)及采樣點(diǎn)位分布(b)Fig.1 Location of the study area (a) and sample point distribution (b) in Qilian Mountain

2.2 取樣粒級(jí)試驗(yàn)

研究土壤熱釋光強(qiáng)度與粒度關(guān)系是為了實(shí)際應(yīng)用時(shí)能選取最佳粒度范圍,在實(shí)際測(cè)量過程中,粒級(jí)太大使顆粒間的支撐作用加強(qiáng),會(huì)造成分樣不準(zhǔn),直接后果就是測(cè)試數(shù)據(jù)一致性不好。相反,粒度太細(xì)會(huì)導(dǎo)致顆粒間的吸引力加大,造成分樣、放樣困難,工作效率降低;且粒度太細(xì),樣品受熱容易飛揚(yáng),會(huì)污染儀器。粒級(jí)愈細(xì),樣品中的結(jié)晶礦物(磷光體)的比例減小,黏土礦物的比例增多,存儲(chǔ)的能量減少導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度減弱。選擇3件土壤樣(303、403、503)分別加工至-20～40目、-40～60目、-60～100目、-100～150、-150～180目和-180目不同粒級(jí),利用新型RGD-6型熱釋光劑量?jī)x進(jìn)行土壤天然熱釋光測(cè)量,其中,303樣品位于水合物井上方,403樣品和503樣品位于水合物井周邊位置。試驗(yàn)結(jié)果顯示,3件土壤樣品的熱釋光值隨粒度變化的規(guī)律基本相似,-60～100目區(qū)間對(duì)應(yīng)的熱釋光強(qiáng)度最大,與天然氣水合物井位置不相關(guān),因此多年凍土區(qū)天然氣水合物土壤熱釋光測(cè)量的土壤粒度應(yīng)選擇-60～100目為宜(圖2)。

圖2 不同粒級(jí)熱釋光強(qiáng)度變化曲線Fig.2 The changing curve of intensity of thermoluminescence with different particle size

2.3 升溫區(qū)間試驗(yàn)

RGD-6型熱釋光劑量?jī)x在測(cè)量前要求設(shè)置3個(gè)恒溫溫度,即第一恒溫、第二恒溫和第三恒溫,從熱釋光強(qiáng)度數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出,累積熱釋光強(qiáng)度是升溫速率和加熱溫度區(qū)間的函數(shù),因此,確定升溫速率和加熱溫度區(qū)間等實(shí)驗(yàn)參數(shù),研究最佳加熱程序是至關(guān)重要的。

有效劑量取自第一恒溫溫度結(jié)束至第二恒溫溫度結(jié)束之間的光子計(jì)數(shù)累積值,并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果顯示出來,第三恒溫溫度即退火結(jié)束后,降下加熱盤,停止數(shù)據(jù)采集,關(guān)閉光子探頭。首先固定第二和第三恒溫溫度為400 ℃,對(duì)同一個(gè)樣品,第一恒溫溫度分別取0～600 ℃進(jìn)行測(cè)量(間隔50 ℃),測(cè)量結(jié)果如圖3a所示,當(dāng)?shù)谝缓銣販囟确謩e取20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃進(jìn)行測(cè)量時(shí),50 ℃對(duì)應(yīng)的熱釋光強(qiáng)度最大,隨著溫度的繼續(xù)增加,同一樣品的熱釋光強(qiáng)度急劇減少。由此可見,對(duì)于土壤樣品熱釋光測(cè)量,50 ℃為最佳第一恒溫溫度。

圖3 不同升溫區(qū)間熱釋光強(qiáng)度變化曲線Fig.3 The changing curve of intensity of thermoluminescence in different temperature intervals

為了確定第二恒溫溫度,利用已經(jīng)取得的最佳第一恒溫溫度進(jìn)行試驗(yàn),即將第一恒溫溫度固定為50 ℃不變,第二恒溫溫度在0～600 ℃之間不斷改變來測(cè)量同一樣品的熱釋光強(qiáng)度,測(cè)量結(jié)果如圖3b所示。由圖可以看出,對(duì)于同一個(gè)樣品,當(dāng)?shù)谝缓銣販囟炔蛔儠r(shí),其熱釋光強(qiáng)度隨第二恒溫溫度的增加而加大,當(dāng)?shù)诙銣販囟仍O(shè)為400 ℃時(shí)熱釋光強(qiáng)度趨于平緩,因此應(yīng)將第二恒溫溫度設(shè)置為400 ℃。

2.4 升溫速率試驗(yàn)

升溫速率的確定也是熱釋光測(cè)量的一個(gè)必要條件。過低的升溫速率會(huì)影響測(cè)量工作的效率,而升溫速率過快又會(huì)降低發(fā)光峰的面積,同時(shí)也影響儀器的正確使用。為了確定最佳的升溫速率,對(duì)升溫速率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中,將升溫速率分別設(shè)置為3、4、5、6、7、8 ℃/s,其他條件一致,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4,從圖中可以看出,土壤樣品的熱釋光強(qiáng)度隨升溫速率的增加先升高后下降,因此最佳升溫速率為5 ℃/s 。

圖4 不同升溫速率熱釋光強(qiáng)度變化曲線Fig.4 The changing curve of intensity of thermoluminescence in different heating speed

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)選在青海木里凍土區(qū)聚乎更礦區(qū),是中國目前唯一在凍土區(qū)取得天然氣水合物實(shí)物樣品的地區(qū),屬于高原大陸性氣候,天氣寒冷,無絕對(duì)無霜期,年平均氣溫0.7～5.8 ℃,這為凍土發(fā)育提供了有利的氣候條件。大量實(shí)測(cè)資料證明,祁連山凍土區(qū)的年平均地表溫度為0～-2.4 ℃,凍土層厚60～95 m[16],平均地溫梯度為2.2 ℃/100 m。祝有海等[17]根據(jù)木里煤田33號(hào)孔計(jì)算出水合物的頂?shù)茁裆罘謩e為171 m和574 m,穩(wěn)定帶厚度為403 m;王超群等[18]對(duì)DK-9井的長(zhǎng)期地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,凍土層內(nèi)的地溫梯度為1.38 ℃/100 m,凍土層以下的地溫梯度為4.85 ℃/100 m,天然氣水合物穩(wěn)定帶深度為510～617 m。鉆井資料顯示,祁連山天然氣水合物分布在133～396 m多年凍土層以下的中侏羅統(tǒng)地層中,發(fā)育四層水合物[19],甲烷含量為54%～76%,乙烷含量為8%～15%,丙烷含量為4%～21%,另有少量的丁烷、戊烷等,CO2含量通常為1%～7%,高的可達(dá)15%～17%,深度較極地凍土區(qū)淺。天然氣水合物主要呈薄片狀分布于泥巖、粉砂巖裂隙或中細(xì)砂巖孔隙中,粗砂巖中未發(fā)現(xiàn)水合物,也很少見到天然氣水合物異常,天然氣水合物礦藏的穩(wěn)定帶厚度受凍土厚度控制。祁連山天然氣水合物氣體來源主要為混合成因[20],碳同位素研究表明,祁連山天然氣水合物的氣源主要在深部,氣源巖生成的氣體沿?cái)嗔堰\(yùn)移至淺部,直接或間接由較晚形成的壓性斷裂帶封堵形成淺部氣體聚集,經(jīng)晚更新世以來的冰期作用,形成水合物或仍以游離(吸附)氣存在于地層中[21]。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

按照本次試驗(yàn)的土壤熱釋光測(cè)量條件,測(cè)試了研究區(qū)土壤熱釋光強(qiáng)度,最小值為3.89 μGy,最大值為974.25 μGy,平均值為141.63 μGy(表1)。每個(gè)土壤樣品還測(cè)試了土壤酸解烴,分析指標(biāo)為C1～C5,由中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所分析測(cè)試中心完成。土壤酸解烴甲烷最小值為2.93 μL/kg,最大值為52.38 μL/kg,平均值為13.89 μL/kg;酸解烴重?zé)N最小值為12.56 μL/kg,最大值為237.60 μL/kg,平均值為35.91 μL/kg(表1),本文引用酸解烴甲烷數(shù)據(jù)進(jìn)行原始分析,通過分組頻率統(tǒng)計(jì),運(yùn)用克里金方法進(jìn)行插值處理,形成相應(yīng)的地球化學(xué)圖,成圖軟件為地學(xué)信息處理研究應(yīng)用系統(tǒng)(GeolPAS)。

表1 研究區(qū)土壤地球化學(xué)指標(biāo)特征值Table 1 Values of soil geochemical indications of the study area

土壤天然熱釋光在天然氣水合物發(fā)現(xiàn)井上方出現(xiàn)明顯的高值異常,異常最小值為49.96 μGy,最大值為974.25 μGy,平均值為351.46 μGy(表1),異常襯值為2.45,異常面積為0.84 km2,NAP(規(guī)格化面金屬量)值為2.51(表1),這個(gè)異常與天然氣水合物密切相關(guān),為典型的頂部異常模式,水合物樣品發(fā)現(xiàn)DK-1、DK-2、DK-3、DK-7和DK-9井均位于這個(gè)異常范圍內(nèi)(圖5),該異常區(qū)凍土厚度大于65 m[11],凍土層內(nèi)的地溫梯度為1.38 ℃/100 m,凍土層以下的地溫梯度為4.85 ℃/100 m[18],滿足天然氣水合物形成的溫壓條件。鉆井發(fā)現(xiàn)DK-4井、DK-6井均未發(fā)現(xiàn)天然氣水合物或相關(guān)的異常,應(yīng)為天然氣水合物礦藏的邊界,為土壤熱釋光的低值區(qū)。

圖5 祁連山凍土區(qū)土壤熱釋光地球化學(xué)分布Fig.5 Contour map of thermoluminescence in the permafrost region of Qilian Mountain

土壤酸解烴作為中緯度凍土區(qū)天然氣水合物地球化學(xué)勘查指標(biāo)具有很好的穩(wěn)定性和異常重現(xiàn)性,是可以作為天然氣水合物礦藏的直接有效勘查指標(biāo)[22-23],為更好地驗(yàn)證土壤天然熱釋光在木里凍土區(qū)天然氣水合物勘探中的指示效果,本文選擇酸解烴甲烷進(jìn)行對(duì)比研究。圖6為研究區(qū)土壤酸解烴甲烷地球化學(xué)分布,從圖中可以看出,土壤酸解烴甲烷也是頂部異常模式,在天然氣水合物已知井上方也發(fā)育高值異常,異常分布與天然熱釋光異常對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。同時(shí)酸解烴甲烷在研究區(qū)北部也發(fā)育大面積異常,整個(gè)異常面積為1.36 km2,異常襯值1.82,異常面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱釋光異常。酸解烴甲烷與土壤熱釋光的異常分布也存在差異,主要表現(xiàn)在:一是研究區(qū)既是水合物產(chǎn)區(qū),也是祁連山著名的煤田分布區(qū),受采煤活動(dòng)影響,研究區(qū)西北部發(fā)育明顯的酸解烴甲烷異常,異常強(qiáng)度較高,甲烷碳同位素結(jié)果也顯示研究區(qū)西北部甲烷主要來源于煤成氣[11],說明研究區(qū)西北部異常應(yīng)為煤層氣引起的,與天然氣水合物關(guān)系不大;二是天然熱釋光在水合物礦藏上方出現(xiàn)明顯的高值異常,在研究區(qū)西北部為低值區(qū),說明熱釋光異常不受煤田開采活動(dòng)的影響,更能直接反映天然氣水合物礦藏的位置,這是由于放射性元素在煤層氣存量較低,加上煤層賦存層位孔隙度較大,放射性元素易遷移滲漏,不易在煤層氣賦存;三是土壤熱釋光在該區(qū)能夠排除煤層氣的干擾,與直接指示烴類的酸解烴指標(biāo)綜合分析能大大提高勘探成果率。因此,土壤熱釋光是凍土區(qū)天然氣水合物勘查的一種有效指標(biāo)。

圖6 祁連山凍土區(qū)土壤酸解烴甲烷地球化學(xué)分布Fig.6 Contour map of acid extracted methane in the permafrost region of Qilian Mountain

4 結(jié)論

1)對(duì)祁連山凍土區(qū)天然氣水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)土壤樣品進(jìn)行天然熱釋光分析實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)RGD-6型熱釋光劑量?jī)x的最佳測(cè)試條件為:樣品測(cè)試粒度應(yīng)選擇-60～100目;升溫速率應(yīng)設(shè)置為5 ℃/s,升溫區(qū)間為50～400 ℃,第一恒溫溫度50 ℃(停滯時(shí)間0 s),第二恒溫溫度400 ℃(停滯時(shí)間12 s)。

2)祁連山凍土區(qū)天然氣水合物實(shí)例表明,土壤天然熱釋光是一種有效、快速勘查天然氣水合物的新方法,與實(shí)測(cè)的酸解烴甲烷相比,異常范圍、異常強(qiáng)度以及異常特征均有良好的一致性,在天然氣水合物礦藏上方出現(xiàn)大面積的高值異常,異常范圍外鉆井均未發(fā)現(xiàn)天然氣水合物樣品。另外熱釋光地球化學(xué)信息多賦存于礦物晶格中,異常信息不受環(huán)境、氣候、人為等外部因素影響,具有良好的重現(xiàn)性。

3)天然熱釋光測(cè)量信息反映了土壤中天然礦物在一定地質(zhì)年代內(nèi)接受天然輻射而產(chǎn)生的輻射劑量變化,還記錄了礦藏形成過程中礦物組分的變化信息,異常穩(wěn)定可靠。但是,天然熱釋光測(cè)量的遷移機(jī)理還未進(jìn)行深入研究,異常形態(tài)形成機(jī)制還缺乏理論基礎(chǔ),天然輻射場(chǎng)影響因素尚未統(tǒng)一認(rèn)識(shí),系統(tǒng)的方法技術(shù)研究還未形成,值得深入研究。