非生物成因天然气的成因和前景

非生物成因天然气的成因和前景

21世纪后期，人类将面临常规油气资源枯竭的问题。已知的常规石油和天然气储量， 按目前世界的能耗率估算尚可维持40年。考虑到人口和需求的增长，这些储量仅仅只能维持25年。如果加上其他未发现的能源，将可再满足人类20年左右对流体资源的需求。因此，非常规天然气（比如非生物成因天然气、深层天然气和甲烷水合物等）无疑在未来能源结构中占有举足轻重的地位。

非生物作用能否形成石油和天然气，这是一个多世纪以来科学界争论不休的重大科学论题、其关键的问题是[1]：（1）非生物成因天然气的理论依据是什么？（2）地质地球化学特征及判识标志是什么？（3）能否形成具商业开采价值的天然气藏；（4）非生物成因天然气的成藏特征和分布规律是什么？

1. 非生物天然气资源的类型

非生物成因天然气指不涉及有机物质反应的一切作用和过程所形成的气体。它包括地球深部岩浆活动、变质作用、无机矿物分解作用、放射作用以及宇宙空间所产生的气体，包括烃类气体和非烃气体。根据非生物气的可作为资源的有用组分的类别及其占天然气总组分份额的多少， 可将非生物天然气资源分为主非生物天然气资源和次非生物天然气资源2 种类型[2]（表1）。

主非生物天然气资源，指非生物气中作为可利用开发的非生物气组分，占天然气总组分的大部分或绝大部分。这类资源若聚集为气藏（田） 便成为主非生物天然气储量。目前世界上开发利用的非生物天然气主要是此类型，并以主非生物 CO 2资源为主，一般CO 2 占 90% 以上，例如中国万金塔气田、黄桥气田和美国帝国气田。中国发现了主非生物烃气田， 如松辽盆地昌德气藏（芳深 1、芳深 2 井）。

次非生物天然气资源，指天然气中作为可开发利用的非生物气组分，仅占天然气总组分的少部分或极少部分，例如氦（中国氦的工业品位为 0.1% 以上）。我国苏北盆地溪桥氦气藏，氦含量最高达1.06%～1. 17%。俄罗斯奥伦堡气田和美国胡果顿—潘汉得气田中氦均属次非生物天然气资源。在非生物天然气资源类型中，又可根据非生物气组分以某组分为主再进行亚类划分：若以非生物CO 2组分为主，则称为主非生物CO 2 资源；若以非生物烷烃气组分为主，则称为主非生物烷烃气资源。

石油天然气的无机或非生物成因假说至少可以追溯到19世纪早期，人们首先注意到泥火

山、油苗与岩浆活动有关，M.Berthelot （1886）提出地球深部碱金属同再循环的地壳CO 2作用可形成石油[3]。稍后D.Mendeleeft 提出铁的碳化物水解可生成石油和天然气。近代Hunt 等更详细地论述了碳化物假说[4]。美国天文学家Gold T（ 1980）提出了著名的“地球深部气体假说” [5]。提出地慢甲烷通过地壳薄弱地带、岩石圈板块边界、古构造带、陨石冲击区等连续不断地进入地壳在缓慢向上迁移、冷却过程中，甲烷通过聚合作用形成高分子量的烃类气体和石油。

尚有诸多著名学者论述了石油、天然气形成的非生物成因见解[6]。主要论及（1）太阳系外行星甲烷的丰度；（2）加入到原始地球的陨石有机化合物的类型和丰度；（3）岩浆岩中的沥青和烃类气体；（4）大断裂与深部流体运移、大量烃类富集的相关性慢源氦与烃类的共存。王先彬根据威远震旦纪天然气的地球化学特征， 提出了该气藏非生物成因的见解， 相继在有关论著中论述了非生物成因天然气的地球化学特征、宇宙化学依据、甲烷的热力学稳定性， 并系统论述了非生物成因天然气理论。

2.1 甲烷CH 4无机成因

地球原始甲烷指地球形成时从星际空间捕获的以甲烷为主的气体，在地球脱气过程中，经由各种断裂体系运移至地球表层。在大陆，地球深部原始甲烷主要同与深大断裂有关的水热系统相伴产出，如俄罗斯堪察加热水中的天然气，美国黄石公园热泉中的甲烷，新西兰提科特雷地区和布罗兰兹地区水热体系中的甲烷以及中国腾冲地区与火山活动有关的水热系统的甲烷，均有较多的地球化学标志表明它们可能为来自地球深部的地幔原始甲烷。

地球演化过程中，岩石与介质间的化学反应也是形成无机甲烷的途径。对地壳深部变质作用过程的模拟研究表明，甲烷在温度达800℃、压力大于1×109 Pa 条件下（相当于地壳深35km 和40km 的条件）仍是稳定的，而且在变质作用过程中可以产生大量的甲烷[7]。热力学研究表明，在与石墨平衡的C —H —O 体系中CH 4 是占优势的成分。在变质作用过程中，甲烷的产生量与所在体系的氧逸度有关。如果岩石具有较高的氧逸度则甲烷将被氧化，变成CO 2，反之则有利于甲烷的保存。地球深部的温压条件不仅有抑制烃类系列化合物热分解的作用，而且可以促进烃类的环化作用、聚合作用和凝析作用，并向着复杂烃类系列演变。

2.2 非烃气体的成因

天然气体中的非烃气体主要指N 2、CO 2、H 2、H 2S 、Hg 及稀有气体He 、Ne 、Ar 、Kr 、Xe 、Rn 。非烃气体既是重要的资源，又是天然气形成演化、成因类型识别的重要指标。下面只简要介绍几种重要的非烃气体的来源。

2.2.1 稀有气体

在天然气中占优势的稀有气体是放射性成因的4He 和40Ar 。天然气中稀有气体含量很低。很少超过1％。唯氦例外，其含量可达百分之几。天然气中稀有气体的来源主要有3种：① 幔源稀有气体，主要是由核过程形成的原始稀有气体组成，包容在地球内部，由于其化学稳定性和以气态存在，因而具有强烈的扩散运移能力，一般沿深大断裂运移或经火山活动进入气藏。该类稀有气体的同位素组成与元素合成时产生的原始核素一致，明显地富含3He 等同位素。② 壳源稀有气体，主要由地壳内放射性元素的衰变过程形成，以4He 、40Ar 为主，不同沉积层形成的稀有气体同位素组成有明显变化，具有明显的年代积累效应。③ 大气稀有气体，大气是地球稀有气体的主要储集处，它保存了地球大部分稀有气体。大气稀有气体可溶于任何水体。沉积水体中均存在与大气溶解平衡的稀有气体，这部分气体在沉积演化过程中由于脱吸附和水的析出等作用进入天然气藏。不同来源的稀有气体具有其自身的稀有气体同位素组成特征[8]。

2.2.2 其他非烃气体[8]

1、二氧化碳（CO 2）：天然气藏中经常含有二氧化碳气，并且有时含量很高，甚至以纯二氧化碳气藏产出，如我国的三水盆地、苏北盆地、济阳坳陷和松辽盆地等都分布有含二氧

化碳较高的气藏和纯二氧化碳气藏。但在大多情况下，天然气中二氧化碳的含量变化在百分之几到百分之十几。

CO 2无机成因包括两种：碳酸盐等矿物的化学成因和岩浆成因。碳酸盐岩在高温热解、低温水解以及地下水中酸性溶解过程中均可以生成CO 2。纯碳酸盐无水时，在825℃才开始分解，但在有水时，不纯的碳酸盐，在75℃就开始产生CO 2，海相成因的石灰岩在地下温度为150℃时分解产生大量CO 2。在热作用下，碳酸盐岩与硅酸盐作用可形成绿帘石或绿泥石，同时释放CO 2。如菱铁矿和高岭石反应形成绿泥石。在岩浆上升过程中，由于温度和压力降低，可析出大量CO 2。国内外许多学者对火成岩所含气体成分进行了研究，其所含的气体主要是CO 2（戴金星等，1992）。目前研究结果表明，天然气中含量大于50％的CO 2基本是无机成因的。

2、氮气（N 2）：在天然气中，N 2比CO 2更常遇到。它的含量通常不超过10％（经常为2％—3％）。天然气中N 2的来源一般认为有生物来源、大气来源、岩浆来源和变质岩来源等。生物来源是天然气中N 2的主要来源，是指在沉积有机质或石油中的含氮化合物在生物化学改造或热催化改造过程中生成的。一般生物成因气中相对更富含N 2，因为有机物中的蛋白质在未成熟阶段易发生水解形成氨基酸，进一步分解形成NH 3，并经氧化形成N 2。大气中N 2也可通过地表水与地下水的循环作用，被带入气藏中，这类成因的N 2往往富集在浅部地层中。对我国一些煤矿气样的分析表明，N 2含量普遍较高，其基本都是大气成因的。由于煤田中的煤层埋藏较浅，处于气水交换活动带，大气中的O 2和N 2同时被地下水带人煤层，而后O 2易与其他物质反应而消耗掉，N 2则赋存在煤层中。

3、硫化氢（H 2S ）：H 2S 集中分布在碳酸盐岩和硫酸盐岩储集层中，而存在于陆源碎屑岩中的绝大多数都与区域上高硫化氢的碳酸盐岩、蒸发岩地层有着明显联系。目前已知几十个H 2S 含量大于10％的气田，包括我国冀中赵兰庄H 2S 气藏（H 2S 含量达92％），四川盆地的中7井、卧9井、卧63井，几乎都在碳酸盐岩及蒸发岩中，且绝大多数埋深分布在3000m 以下。

目前认为H 2S 气体的成因主要为生物成因、热化学成因和岩浆成因。后两种为非生物成因。热化学成因H 2S 从形成机理上也可以分为两种类型。一是热解成因，即含硫有机化合物在热力作用下，含硫的杂环断裂所形成。在这一形成过程中，含硫有机质先转化为含硫烃类和含硫于酪根，当温度增加到一定程度（大约80℃）时，干酪根中的杂原子逐渐断裂，可生成一定量气体，其中包括H 2S ，但浓度较低，当温度继续升高达到深成热解作用阶段（130℃）时，开始发生含硫有机化合物的分解，产生大量H 2S ，故这种成因的H 2S 往往存在于干气中，属热解成因。热化学成因H 2S 的另一种成因类型是热还原成因，即在高温作用下，有机质或H 2使硫酸盐还原生成H 2S 。从高含H 2S 的气藏大多分布于埋藏深度较大的区域上看，热化学成因对H 2S 的形成可能具有更大的意义。岩浆上升过程中也可析出H 2S 气体。国内外许多学者对火山气的研究已证明了这一成因H 2S 的存在。例如，哪须茶臼岳火山和谢维乌奇火山喷出的气体，扣除水分后，H 2S 含量分别占所剩气体的37.5％和61％（戴金星等，1989）。

3．地质地球化学特征及判识标志

地球深部存在大量非生物成因天然气的理论是以烃类为太阳系的主要含碳分子这一观察结果为依据。研究地球原始甲烷是非生物成因理论的重要内容。

3.1 CH 4有机成因和无机成因的判别依据

有机成因和无机成因两大类型天然气划分、判识的最主要标志是甲烷的碳同位素组成特征。通常将δ13C ＞-20‰作为无机成因甲烷的标志之一。戴金星等（1992）提出在无煤系地层存在时，此值可扩展至δ13C ＞-30‰，同时应当指出，煤系有机质在热演化程度达到过成熟时生成甲烷的占δ13C 可大于-20‰。

甲烷同系物间碳同位素关系也是两大类烷烃气划分的重要依据，通常有机成因气具有δ13C3＞δ13C2＞δ13C1的特征，而无机成因则具有倒转序列，即δ13C1＞δ13C2＞δ13C3。我国松辽盆地芳深1井下白垩统登娄库组天然气δ13C 值为-14.1％～-18.6‰，δ13C2值为-23.2此。在俄罗斯希比尼地块与岩浆岩有关的天然气中δ13C1值为-3.2‰、δ13C2值为-9.1‰、δ13C3值为-16.2‰。美国黄石公园泥火山天然气的δ13C1值为-21.5‰、δ13C1值为-26.5‰（戴金星等，1989）。以上实例说明无机成因甲烷及其同系物的δ13C 值随烷烃气分子碳数增加而减小[9]。

3.2 稀有气体有机成因和无机成因的判别依据

除上述烃类自身的地球化学特征外，人们在天然气成因研究中常采用稀有气体同位素组成作为判识天然气成因类型的佐证。最常用的指标为3He/4He 比值， 其他常用的指标尚有40Ar /36Ar 、4He /40Ar 和129Xe 等。

（1） 3He/4He ：天然气中的氦可近似地视为壳源氦与幔源氦的混合物，壳源氦的3He /4He值主要受控于岩石中放射性元素U 、Th （产生4He ） 和6Li （产生3He ）的丰度，其特征值一般小于0. 04RA ， RA 为空气的3He/4He （RA = 1. 4×10- 6 ）。幔源氦是放射性成因氦与原始氦的混合物，其3He/4He=100~300RA。一般而言，上地幔的3He/4He 的特征值为8RA 。因此，天然气中高的3He /4He值意味着有幔源挥发份的加入。Jenden 等（ 1993）认为当天然气中3He/4He 值> 0. 1RA 时，就可能指示幔源氦的存在[10]。

（2） 40Ar /36Ar 与4He /40Ar ：地幔的40Ar /36Ar 比值是地球脱气模式的关键参数之一。根据对地幔40Ar /36Ar数据的统计分析，上地幔40Ar /36Ar 值可高达20000，因此天然气中的40Ar/36Ar 值在扣除壳源放射性成因40Ar 的年代积累效应等因素的影响后，高的40Ar /36Ar 值可作为非生物成因天然气深部来源特征的判据。

另外，根据不同的地幔脱气模式，可获得地幔不同的4He /40 Ar 比值。短期迅速的脱气模式， 其4He /40Ar = 5~6。而长期缓慢的脱气模式， 其4He /40Ar = 2。因此，4He /40Ar 值也可作为天然气成因探讨的一种间接判据。

（3） 129Xe ：地球氙的同位素组成较为复杂，特别有意义的是129Xe 。根据与地外物质的对比，某些地球样品中129Xe 过剩。这种过剩被认为是自然界现在已经灭绝的放射性核素129I （半衰期为1. 6Ga）的蜕变产物。这意味着地球物质的凝聚作用发生在太阳系历史的早期，在129I 灭绝之前。因此，在某些天然气样品中发现的129Xe 过剩，它明确代表了地球原始129I 的蜕变产物，129Xe 过剩无疑是地球原始气体的标记。同样129Xe 过剩可作为非生物成因天然气的一个重要地球化学指标[11]。

上述指标或基于地幔、地壳、大气具有明显不同的特征值，或基于地球原始气体的特征，它们提供的是深源物质进入壳内的重要信息。然而，应该指出的是，上述稀有气体同位素组成特征仅仅只能作为探讨天然气成因的间接证据。

3.3 CO 2和氮气有机成因和无机成因的判别依据

高含CO 2的天然气在工农业上有广泛的用途。有机成因和无机成因CO 2的主要区分标志是碳同位素组成。我国有机成因CO 2的δ13C 区间值在-8‰至-39‰，主频率段在-12‰到-17‰；无机成因CO 2的δ13C 区间值一般在+7‰。至-10‰，主频率段在-3‰至-6‰。此外，有机成因CO 2在天然气藏中的含量很少超过20％，所以高含CO 2（大于20％）的烃类气藏和CO 2气藏中的CO 2几乎都是无机成因的。戴金星（1989）根据国内外300多个不同成因气藏中CO 2的δ13C 值和百分含量编绘，可作为有机成因与无机成因CO 2的鉴别图版。天然气中大气来源N 2可用N 2/Ar值为38~84加以判别（徐永昌，1976），如果N 2/Ar，大于84，则说明有其他来源的N 2的加入。

4. 非生物成因天然气藏

非生物成因天然气理论，近百年来未获重要突破的关键在于未发现和提供确切的证据以

证明某些商业天然气藏是非生物成因的。

美国科学院院士H.Craig 等人提出用天然气中氦同位素比值、甲烷及其同系物的碳同位素δ13C 值判识是否为非生物成因天然气，但他们在分析了世界各地l700多口天然气井的资料后，未曾找到一口井能够满足上述三个条件的资料，同时他们采用大洋中脊热流体的CH 4/He值计算这些天然气藏中非生物成因天然气所占的比例，得到仅仅只有0.l ％的结果，由此而得出非生物成因天然气不能形成商业气藏的结论[12]。

中国松辽盆地昌德一肇州西商业气藏，通过地质、地球化学和地球物理的综合研究，确证该气藏为非生物成因天然气藏。最新的研究成果表明，松辽盆地三肇地区约l 万km 的区域将成为研究和寻找非生物成因天然气的理想场所。

中国松辽盆地昌德一肇州西非生物成因商业气藏的发现和证实，为探索非生物成因天然气提供了一个成功的实例，肯定地回答了非生物成因天然气能否形成商业气藏这一关键问题

[13]。

5．中国非生物天然气的资源前景

中国不仅把非生物天然气作为一种资源，而且2000年把非生物天然气中的CO 2作为储量归入全国天然气的总储量中。说明中国相当注意非生物天然气资源的研究，并且已把这种资源转化为储量而加以开发利用。

在20世纪末，一些学者对我国一些CO 2气田的储量作了预测。2004年国土资源部石油天然气储量评审办公室，审定了我国一些CO 2气田探明地质储量和累计采出量，其中黄桥CO 2气田累计采出量已达4.15×108m 3，恐怕它是世界上有效益开发非生物CO 2最多的一个气田

[13]。我国不仅研究、勘探和开发非生物CO 2气田，而且研究和探明了世界上第一个非生物烃气藏——昌德气藏。该气藏包括芳深1井和芳深2井，探明非生物成因烃气地质储量32.66×108m 3。以上说明了我国在研究、勘探和开发利用主非生物天然气资源类型上已走在世界的前列，同时从一个侧面反映了中国非生物天然气资源前景是好的[14]。

有关研究指出我国东部晚第三纪和第四纪9条北西西向玄武岩带，主要控制着CO 2气田的分布，而目前对该带没有开展有的放矢地CO 2气田的勘探。预测该带主非生物CO 2资源前景潜力大。何家雄等指出，初步预测南海莺-琼盆地CO 2资源量逾1×1012m 3，经勘探及钻探评价证实的CO 2地质储量亦颇大，据不完全统计，迄今为止所获CO 2的探明+控制+预测级地质储量已达3000×108m 3左右。可见我国东部和大陆架盆地CO 2资源潜力巨大[15]。

关于主非生物烃气资源研究和勘探至今还很薄弱，有根据的仅知松辽盆地昌德气藏（芳深1、芳深2井）储量达32.66×108m 3。至今为止，在世界其它地方未有报导发现和探明主非生物烃气藏和储量[16]。因此，昌德非生物烃气藏虽探明储量不大，但其发现和探明具有重大的实践和科学意义[17]。在沉积盆地，由于烃源岩存在，能形成大量有机成因烷烃气，即使盆地深部有非生物烷烃气运移至盆地沉积层中，往往难于认识而被认为是有机成因的烷烃气。根据天然气地质和地球化学条件，我国东部裂谷型盆地中有来自深部的非生物成因烷烃气[18]。例如：辽河坳陷界3井的甲烷中有5%左右为来自深部的非生物成因；在松辽盆地昌德非生物烃气藏旁的芳深3、芳深4井中也混有高比例的非生物成因的烷烃气；在松辽盆地徐家围子断陷有非常活跃的非生物成因烷烃气运移入沉积层，并有部分参加成藏；渤海湾盆地大

[21]港油田港151井甲烷也是非生物成因的。以上说明在我国东部裂谷盆地有非生物烷烃气运

移入沉积层中，并部分参与不同程度的成藏，但这种非生物资源至今未被人们充分认识和研究。由此可见，中国东部裂谷型盆地中非生物烷烃气资源有一定潜力，今后研究和勘探时应以予重视[19]。

对次非生物资源He 我国目前探明和开发的仅有四川盆地威远气田，探明地质储量近1×108m 3。在四川盆地、鄂尔多斯盆地和塔里木盆地应是我国探明氦资源的有利地区。但在我国东部裂谷盆地中有多处高于工业品位0.1%以上的含氦气井甚至是气藏，例如：苏北盆地

黄桥气田的溪桥氦气藏，松辽盆地芳深9井氦含量高达2.743%，汪9212井氦含量为2.104%[20]。松辽盆地北部已发现氦含量大于0.1%工业氦气藏标准的有30多口井，这说明松辽盆地北部氦资源有良好的前景，值得今后在天然气勘探中予以充分重视。徐永昌等指出郯庐大断裂带一些井中有（例如界3井）幔源氦的工业储集。总之，中国东部裂谷型盆地中氦资源值得我们重视和研究，尽管其储量规模不如古老地台巨大。

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