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⑤I()
第29卷第5期
2000年9月
地球化学
V01.29.No.5
Sept.,2000
GEOCHIMICA
文章编号:0379—1726(2000)05—0442—05
油气田上地气物质迁移机制研究
V
’,-___。_一
杨风根 ,童纯直 ,王鹤年 ,华仁民
’ __ —一
(1_南京大学地球科学系成矿作用研究国隶重点实骑室,江苏南京210093; 成都理工学院三系.四Ji『成都610059)
摘要:将地气测量技术应用于油气田勘查及评价工作中。地气测量反映出4 000多m的深部拘造形成的弱异常,
地气异常间接指示了该地区的含气性。地气物质迁移机理研究结果表明,采样器上沉积的物质是以纳米级微粒及其
集合体形式存在的。这些纳米级微粒由于具有一系列物理和化学特性,使得它可以与地壳中上升气流的气体相吸
咐,随着垂向迁移的气体而上升。不断产生的纳米级微粒被上升气流带刊地表,从而在地表形成地气异常。
关键词:地气翅厦3地气异常;上升气流;纳米级微粒;迁移机制;油气田
中圈分类号: P631 6.-
;P594 文献标识码:A
P f J;o1 f ~
O引 言
地气测量是20世纪8O年代初由瑞典学者“ 发
展起来的用于寻找深部隐伏矿的一种新方法。可用
该方法捕集并测定地下上升气流中痕量金属元素和
如何在地表形成了这些微弱异常的,即组成这些异
常中的元素微粒是呈什么状态,又为什么能被迁
移。对这些地气测量机理问题国内外学者研究得还
不多,如瑞典的Kristiansson el a/.认为附在气泡上
并随上升气流一起迁移的物质是微粒“ ,但他们对
微粒究竟是什么没有进一步说明。90年代后期,童
非金属元素来揭示地下较深地质体的信息。他们把
这种方法应用于找矿实践中,取得了良好的效果 。
之后,相继出现了以地下上升气流中或大气中痕量
金属元素或非金属元素为测定对象的新方法、新技
术,如捷克学者提出的“金属射气找矿方法”口 ;德
国和捷克学者提出的“元素的分子形式方法” ;前
苏联学者提出了“空气部分金属提取法” 等。8O年
纯菡等通过研究后证实,地气物质是以纳米级微粒
形式存在并迁移的,且总结出了金属矿上方地气异
常形成机理 }。然而,有关地气测量在油气田上的应
用国内外尚未有先例,特别是对油气田上地气物质
的迁移机理研究还未涉及。本文拟在四川省宣汉气
田开展地气测量工作的基础上,对地气物质的迁移
机理做一些探索性研究。
代后期,我国也开展了这项研究工作,童纯菡等 对
技术方法进行了一些改进,如用特殊采样装置收采
地气物质和用仪器中子活化分析(INAA)测试地气
1地气物质的采集及分析测试方法
1.1地气物质的采集
研究区位于四川盆地东部大巴山前缘万源一巫
山一带,野外地气采集具体地点在一个已知气田
——
物质浓度。王学求等曾用地气法在隐伏区开展寻找
巨型矿试验 · 。地气法在国内外已有一些成功的应
用实例,在隐伏的金属矿上方获得了明显的地气异
常,反映出300—4OOm深的盲矿 }。另外,瑞典学者
还应用地气法在新西兰的Rotokawa地热田开展试 宣汉气田上进行。
验工作 ,地气异常与其他方法鉴别出来的构造相
一
地下上升气流中地气物质的采集装置由一个倒
置的塑料漏斗和杯形罩组成。在漏斗的颈口处悬挂
致。既然地气异常能够反映深部盲矿、断裂构造
等.那么这些来自于深部的异常是如何产生的,又是
采样器(一种高纯、强吸附材料),使之与土壤层分
收蔫日期:2000一DI一17;謦订日期:2000—03—02
基盒璜目:国隶自然科学基金资助项目(49673202)
作者蕾介:橱风根(1963一).男,博士后,地球化学专业。
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第5期 杨凤根等:油气田上地气物质迁移机{6I研究 443
离,单独提取地气流中的地气物质。
野外工作时,经过实地布置测线及定点后,在每
个测点上挖掘一个直径及深度均约为40~50 cm的
坑,坑底弄平整,将地气测量装置埋人。然后上覆塑
2地气异常特征及地气物质的赋存状
态
1地气异常特征
地气测量时在工作区宣汉气田上共布置了四条
地气剖面,如图1所示。对采集的地气样品用INAA
料布,回填土壤压实填紧,作好测点记录。约一个半
月后,回收采样装置。
1.2地气物质的分析测试
采样器上吸附的痕量元素浓度的测定采用高灵
敏度、高准确度的仪器中子活化分析方法(INAA)。
地气样品中子辐照在中国核动力研究院反应堆进
法进行分析,得到各地气元素含量,将所得资料分别
接剖面对每个元素绘制剖面图,进行地气异常解释
工作。下面以1号测线为例进行解释。求出剖面各
元素的平均值(X)和均方差( ),将大于 +2 的
值定为异常点。从图2上可以看出,在宣汉气田断
裂构造上方出现了Au、As、Sb、Cr、Fe和Na等元素
的增高异常,衬度为2~3倍(图上用阴影区表示)。
行,中子注入量达1×10 n/cm 。使用同轴闭端式
高纯锗探测器,相对效率20%,对 Co的1 332
kev峰,能量分辨率为1.85 keV,峰康比56。后接
ORTEC的673型主放大器和918A型多道缓存器。
系统在MCA软件控制下,完成 能谱获取,分批获
缚La Sm As Au Sb K Na Cr Zn Fe Co莉
同样的方法在2线、3线断裂构造上方也出现了地
气多元素异常,衬度为2—3倍或2~5倍。4线由于
se等元素含量。由于采样器上这些元素含量很低,
大部分为1O一一10‘。。g/cm3。因此,注意了提高测
位于宣汉气田外围地区,剖面线上各元素数值没有
一
致的增高异常,而是呈杂乱的起伏。这种地气增
量灵敏度和精确度,大于检出限的为有效资料。同
时保证样品不受污染,措施之一是在埋人、取出采样
装置时对每一个环节均采取严格的防污措施;其次
是采用非破坏性分析方法,样品不经过预处理,从而
避免了试剂、器皿的污染。为保证每批测试资料的
一
高异常反映了宣汉气田含气的圈闭构造分布范围,
这种异常并非是由地下油气直接形成的,而是间接
指示该地区的含气性。
2.2地气物质的赋存状态
以上地气物质中微量元素的含量已用INAA法 致性,进行了质量监控。
1.3地气物质中微量元素形虢及擞区成分观测
采样器体积范围内地气物质的元素含量是用中
子活化分析方法测定的。而对地气物质微粒的大
小、形貌、平面和空阃分布、微区成分和结构的研究,
主要借助于原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜
(TEM)等扫描探针显徽技术进行。
AFM测试工作的目的,是查明在采样器表面吸
附的地气物质的颗粒大小、形状、堆积形态与颗粒密
度等微观特征。该项测试工作在南京东南大学生物
科学与医学工程系分子与生物分子电子学开放实验
室和中国工程物理研究院二所进行。所使用的AFM
为美国数字仪器公司的NanoscopeⅡ型及
NanoscopeⅢa型AFM系统。
TEM测试地气样品的目的,是查明在采样器上
吸附的地气物质颗粒大小、形状、空间分布、微区成
分和内部结构等微观特征。测试工作是在成都电子
科技大学材料分析中心进行的。使用的TEM为日本
电子公司的JEM-2OOOFX透射电子显微镜。
图1四川省宣议气田地气测量剖面线布置图
Fig.1 1)istrlbtaion of B prospevfing 0f Xumlum ifeld.
Sicbuan Provincv
1环形构造及编号:2.测线及测点;3.地名;4.油气钻井位置。
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地
一 Ⅱ】倒璐
球 化 学 2000越
一
颗石英晶形的颗粒,图版I_7为图版I-6的局部放
哪枷枷靴珊葶}亏}枷Ⅲ珊 ㈣ “们
大.清晰可见微粒呈150ⅡmX几十nm大小的椭圆
状分布。图版I_8是3线29号点的AFM影像,见到
极稀疏状分布的几颗纳米级微粒,其中有两颗也聚
合成微米级颗粒。
以上AFM研究结果表明。气田上方地气物质的
大小在几nm至几十m之间,形状为圆状、似圆状、
椭圆状等,能聚集成更大的颗粒。TEM观测结果表
明。地气物质的大小也为几十roll左右的微粒;形状
为圆状、链状、不规则状等,微粒也能聚合成更大颗
粒;地气物质的微区成分为si、Al、Fe、Mg、Ca、K、
Na、Ti、Zn和s等,微区成分与中子活化分析地气
样品体积范围内的成分基本一致。
3地气物质的迁移机制
从地气测量结果可知,多元素地气异常往往位
于隐伏环形构造断裂带的正上方,这表明地气物质
甘
图2四川省宣汉气田1线地气异常综合剖面图
Fig.2 G凹目明 ̄omely in pTospe ̄ing line 1,Xuan●帅
siehusrt nc
8¨field
具有垂向或近垂向迁移的特点。地气物质的这种迁
移方式很难用已有的地球化学分散晕来解释,也就
是说,很难从传统的地球化学理论中找到合理的结
论。从地气测量的采样器上已被INAA法检测到的
元素种类来看,某些元素,如Fe、co、cr、sc、【丑和
Sm等.在自然界常温常压下,或即使在高温高压下,
也很难形成易挥发的物质,且这些物质还能进行长
距离的迁移。那么,地气物质究竟是如何迁移的,又
为什么能迁移呢?上述借助于扫描探针显微技术对
这些地气物质的实验观测结果似乎可以回答这个问
题。
分析测定,并获得了环形构造断裂带正上方的多元
素地气异常的信息,为了了解组成这些地气异常元
素微粒的微观外貌特征及微区成分等,对部分地气
样品用AFM和TEM进行了观测工作。
图版I-1、2和3为用TEM观测宣汉气田上方1
线34号点和40号点地气样品的结果。图版I-1中
3.1地壳中存在垂直运移的上升气流
在回答地气物质是如何迁移这一问题前,首先
可见到圆状的微粒均在30—50 nIⅡ范围内呈链状连
接分布,并且这些微粒有聚合成大颗粒的趋势。图版
2中可见到地气物质的微粒为十几至几十n[1l甚至
得弄清携带地气物质的载体是什么。我们认为这种
载体就是地球内部或者说是地壳中普遍存在的垂直
有几百Hui的颗粒,形状为不规则状,其成分在图版
I_3中可见有si、Al和Fe等,还有少量ca、K、s和
Zn等。图版4是1线断裂构造上方52号点的AFM
影像,大小为几十nm的微粒,呈“角状”紧密排列分
布。图版I-5、6和7是3线4号点的AFM影像,4
运移的上升气流。地球存在去气作用,已被多种地
质事实所证实“ 。如,剧烈的火山喷发、地震,一般
岩石在温度作用下释放出氮气等。同时,用地气法
找矿时,瑞典的Krisfiansson耽 .用周密的研究工
作亦证明了存在上升气流,他们在瑞典北部三个矿
山的26个钻孔中收集到成分为 、O 、CO 、Ar及
c 等的上升气流 “。
因此,我们认为在地球内部存在有大量的气
体。这种气体在温度、压力作用下形成上升气流。这
种来自探源的气体是携带地气物质的良好载体。
号点处于环形构造断裂带正上方,AFM显示几十
11131至上百nIⅡ的颗粒,薄薄地堆积于样基上,堆积
厚度(垂直高度)约5 nIⅡ,这在图版I-5中显示得很
清晰。图版I-6见到自然形成的纳米线,由几十 m
大小的微粒呈首尾串接而成,此图中边缘处出现了
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第5期 杨凤根等:油气田上地气物质迁移机制研究
3.2地气物质能被迁移的关键因素
地气物质的显微实验观测结果表明,地气物质
岩层之间存在很大的压力差,这种压力差使沿着断
裂构造运移的上升气流流速增加,气体流量也随之
增加,纳米级物质随上升气流迁移的数量也相应增
是呈纳米级微粒及集合体形式迁移的,纳米级物质
的性质是地气物质迁移的关键因素。
加,从而在地表形成造岩元素及部分微量元素的增
高异常。不断产生的纳米级微粒被上升气流不断地
带到地表,甚至空气中,从而在地表形成地气异常,
地气测量就在地表截获这种异常。
由此可见,地气异常是一种积累效应异常。我
纳米级微粒是介于原子簇与宏观物体之间的过
渡态,它有一系列的物理和化学特性 :-n】。例如,纳
米粒子具壳层结构,它有表面层和吸附层。当纳米
级微粒变小时,其比表面积增大,位于表面的原子会
占相当大的比例。随着表面原子数增多.表面活性
们假设地下深处某点产生地气物质与该点元素含量
c、温度梯度t、压力梯度P有关,还与不同元素释
增强,微粒表面层实际状态接近于气体,即所谓“类
气体”(gas-llke)结构,这种结构既投有晶体的长程
序,也投有非晶体的短程序,具有更大的无序度。再
如,纳米级物质的固体的扩散速度非常快,在水、气
体中能停留很长时间,具有长距离迁移能力。此外,
纳米绷微粒之间由于粒子闻的静电力、范德瓦尔斯
出系数d有关,d是与该元素的赋存状态及物理化
学性质等诸因素有关的一个参数。因此,从深度一h
到地表,沿 轴方向总积累量可用下列函数关系来
,0
表示:D=l。,fq正 P)dz,这表明地表一个测
一月
点上的地气物质含量D是这些地气物质在一个深
度范围内的积累。所以地气测量反映的是深部地质
力、磁力等往往会使粒子间产生聚集状态。
纳米级微粒的这些特性,使它可以吸咐地壳中
上升气流的气体,并随着垂向迁移的气体的上升而
上升。因此.纳米级微粒的这些特性是地气物质能
随上升气流迁移的关键因素。
体信息,而不是地表信息。
4结论与讨论
(1)通过在宣汉气田上地气法试验,得到了气
3.3地气异常形成机制
已有的资料表明,金属、合金和化合物等几乎
所有物质都可采用气体蒸发方法来制备纳米级微
粒114] ̄在成岩、成矿和构造运动等地质作用过程中
和自然界中,存在有大量的纳米级微粒,如微细浸染
型金矿中的纳米金、火山岩中的隐晶质物质、构造
泥、粘土矿物和大气尘埃等 。因此,一些难溶而化
学活动性弱的元素均可能以固体的形式被迁移。对
油气田上的隐伏环状断裂构造带而言,一方面,由于
岩石破碎导致岩石的孔隙度较其两侧围岩高.这种
构造带是地下上升气流运移的有利通道;另一方面,
由于构造应力作用,岩石受挤压、剪切而破碎,在断
一
田上方地气多元素浓度异常特征。异常位置在隐伏
环形构造断裂带正上方,元素组合为K、Na、La、Sm、
Fe、sc、cr、Au、As、Sb、Zn和co等。
(2)地气异常的形态与断裂带的展布范围有
关。在剖面上地气多元素浓度异常均出现在环形构
造断裂带正上方;在平面上异常展布范围,基本上同
环形构造分布范围相吻合,这反映了地气物质沿断
裂带及其裂隙随上升气流而垂向迁移的特征。
(3)地气测量反映的信息并非是地表信息而是
个较大深度上的积累效应,反映的是一种动态的
(4)通过对气田上地气样品的显撒微观观察结
流动的晕。
裂带及其两侧的裂隙或孔隙中就会形成大量的纳米
级微粒。由前面研究知,这种纳米级微粒由于具有
一
果和微区定性、定量分析结果研究,证实了在采样器
上地气物质以几nm至几十ilnl固体微粒形式存
在。这些微粒可以聚集成更大的颗粒。
(5)宣汉气田上地气异常的形成、地气物质迁
移机制,与断裂带上及其两侧裂隙中具有一系列特
殊性质的纳米级微粒和上升气流的垂直运移有关。
总之,地气测量用于确定深部金属盲矿已有许
多成功实例,但作为一种新方法应用于油气田勘查
及评价上在国内外尚属首次。地气测量以往反映金
属矿的深度为300—4OO m,这次地气测量反映的已
系列特性,使得它可以吸附上升气流中的气体.并
随上升气流而迁移。那么这种地气异常又是如何形
成的呢?
金属矿上方地气异常的形成,是由于在矿体附
近成矿元素、伴生元素纳米级微粒的相对富集。这
些纳米级物质在浓度差作用下,随上升气流垂直迁
移至地表而形成地气异常。而气田上就有点不同
了,气田上由于地下深处的断裂构造及裂隙与周围
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地 球 化 学 2OOO
知气田深部含气构造,据钻探证实,深度达4 000余
m,这是地气测量反映地质体深度的新纪录。这一测
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in州rbm.ae.jn wi 州
量结果具有重要理论研究意义及重大的实用价值。
首先,这种方法的综台资料解释对缩小油气勘查范
围确定勘查靶区很有效果;其次,地气物质是以纳米
微粒形式迁移这一结论,表明白然界中元素的集中
和分散可以是一种物理过程,而不是单一的化学过
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Ab ̄traet: 0g∞p ̄peetlng was applied to ̄tudying oil and gas field in this paper.It can reveal the weak
anomaly that is formed by the structure with a deplll of 4 000 m.The elements of weak anomaly aIe K,N LB,
Sm,Fe, Se, Cr,Au,As,Sb,Zn and Co and they can be indirectly indicated on the area.The Bhape of geog ̄
al1omaly hB something to do whh the extension of conceded fault.In the Literal section,the anomalies of gt
elements appear at ̄ve the ring structure.In the pkme.the distribution of the an0ⅡIalies is eonsiBtent with that of
the riIlg stnlcn .This sI wB the cl岫cteri8dcs that geog ̄眦b 蚰oe may be协岫叩帆ed by aBoend ga8 lfow do“g
the e ̄neealed fault.With the scanning eleo ̄ron miero ̄pic tee]miq,e,for inst ̄mee,atom force microcopy(AFM)
and transmission electron microscopy(TEM),the chmcte血tics of l ̄rticle ̄rbed in the ex ̄lleetor,sIlch a8.
granule size,feature,plan ̄and dimensional distribution,mic ̄copic c0】叩osition,aIe observed.It has been
turned out that the geog ̄substance deposited on the eMleeto ̄is a type of several de, ̄em of nt ̄tleter l ̄rticles.
The p叭icles get to become eatenulate,bigger and bigger,even naIlometer line.Because the瑚咀0巾ete p ̄'dele h聃
a series of l ̄hysical and chemical Pa cular properties,it is ab ̄rbed and transported by ascending gBB lfow in the
CrUst.When 4 lerge number of删0Tneter p叭icl髓were协m印oned up to the surface by ̄cendi,g g明flows,the
geog ̄anomaly w且s formed on the surface dizeetly Bb0ve the ring咖lcnIIe.
Key words: og8B b8tance;geog ̄蚰omaly; ̄eending g明flow;哪蚺c8le particle;mJ ̄ation meclumi ̄an;oil
and g∞field
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