海洋地质▏浅层天然气的类型与基本特征

在国际上，海底浅层气通常是指在海底面以下1000m之内的沉积物中所聚集的气体。浅层气的组分主要包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等，其中一般以甲烷含量最高，分布最广。根据气源物质不同，与一般天然气类似，海底浅层气可分为有机成因和无机成因二大类。有机成因气是指沉积物（岩）中分散状或集中状的有机质通过细菌作用、化学作用和物理作用形成的气体；无机成因气泛指在任何环境下无机物质形成的天然气，一般来自热液、火山喷发、岩石变质等，也可是地幔中原捕获的气体沿深断裂等上移并聚集成浅层气。按有机质演化阶段，有机成因气又可进一步分为生物成因气（简称“生物气”）和热成因气。

我国科技工作者经过20多年的研究和实践，形成了中国特色的天然气地质理论，建立了比较系统的天然气成因分类及判别标志。如徐永昌、刘文汇等按照有机质的成烃演化规律，将有机质的热演化过程分为未成熟、成熟（包括低成熟和高成熟）、过成熟等阶段，相应地将有机成因气分为生物气、生物-热催化过渡带气、热解气、裂解气，同时又按有机质母质类型不同分为油型气（腐泥型天然气）和煤型气（腐殖型天然气），详细天然气成因类型划分方案见表1。不同类型浅层气的化学组分、有机质成熟度及碳稳定同位素、氢稳定同位素等指标方面均存在明显差异。

表1 天然气成因类型划分表

大类划分	成    因    类    型
按母质类型划分	按外生营力划分
Ro(%)    0.3          0.6          1.3            2.0
有机成因气	I | IIA	油型气	生物成因气	生物—热催化过渡带气	正常原油 伴生气	正常凝析 油气	裂解气
IIB | III	煤型气	热解气
无机成因气	地幔原始捕获气
岩石化学反应气

注：R_o---镜质体反射率。

上述类型的浅层气在我国海域均已有发现，其中以生物气分布最广。不同类型的浅层气在海底的分布特征各有特点，所造成的地质灾害也有差异。在一些海区，出现多种来源的浅层气混合在一起的现象，形成混合成因气，其气体组成、同位素等的变化受混合比例大小的控制，变得很复杂。

一、生物气

生物气是沉积物中有机质在未成熟阶段经厌氧细菌生物化学分解作用而生成的气体，以甲烷为主。厌氧细菌在缺氧的还原环境中生存，有机质在厌氧菌作用下通过碳酸盐还原生成甲烷等气体。在封闭、缺氧的水域，此类浅层气可在海底面附近生成。而对于开阔的海域，甲烷则一般生成于海底表层氧化带及其下面的厌氧硫酸盐还原带之下（图1），通常生成于最小埋深为海底面以下数米的沉积物中。一般认为生物气可以生成的最大埋深可达2000m左右。

图1 富含有机质的开阔海域沉积环境和微生物活动分带的理想化剖面图

作为低温未成熟阶段生成的气体，生物气的主要特征如下：有机质成熟度低，一般R_o＜0.3%；甲烷含量高，一般大于95%；重烃含量低，一般小于1%～2%，C₁/C₁-C₅为0.95～1.00，且C₂/C₃＞2.0；甲烷碳同位素富¹²C，δ¹³C₁值小于-55‰，δ¹³C_CO2值小于-10‰；甲烷氢同位素δD_CH4分布范围大，主要受水介质影响，一般为-255%～-150‰；³He/⁴He比值和⁴⁰Ar/³⁶A_r比值与空气大致相当。其中C_n代表烃中含n个碳分子，如C₁即CH₄（甲烷）、C₂即C₂H₆（乙烷），依次类推。C1～C5表示含1、2、3、4、5个碳分子的烃的含量之和。

资料表明，我国东南沿海平原、河口、海湾和近海区域广泛发育第四纪沉积，沉积物富含有机质，浅层气分布广泛，埋深一般不大于100m，气体基本属于生物气，且特征明显。表2 是杭州湾海域及邻近沿海平原若干浅钻孔中取得浅层气样品的化学组分和同位素组分分析结果，属典型的未受重大次生作用影响的原生甲烷型生物气，长江口海域浅层气测试分析数据也有类似性质。这种原生型生物气也是我国近海海域埋深数十米以内的浅层气的主要类型。

表2 杭州湾海域及其邻近沿海平原浅层气化学组分与同位素组分

地区	钻孔号	气体主要组分（%）	δ13C1（‰） PDB
CH4	N2	CO2	空气
杭州湾大桥 海域	X2K299	97.54	1.58	0.86	0.42	-67.3
X2K264-1	96.47	1.49	2.02	0.75	-65.9
X2K264-2	97.60	0.51	1.87	0.67	-65.8
X2K264-3	96.91	1.28	1.79	1.17	-66.4
萧  山	头灶1井	98.95	0.49	0.50		-74.22
余  杭	九堡	98.43	0.29	1.28		-66.15

近年来的调查研究资料表明，我国一些海区有埋深较深的生物气。南海北部莺歌海—琼东南盆地钻探发现生物气的地球化学特征如表3，表中生物气特征很明显，最大埋深大于1400m。同时在莺歌海盆地钻探中，根据海底至2300m深度10个泥岩样品的细菌学研究，泥岩样品中均存在厌氧纤维分解菌、发酵性细菌和产甲烷菌，其中以发酵性细菌最为常见。泥岩样品中的细菌数量在一定深度范围（海底～1800m深度）较多（0.225～4.76万个/g），深度超过2100m则细菌数量明显减少（250～350个/g），上述样品经过富集，均发现产甲烷菌，是典型的球菌，属H₂/CO₂营养型。另外，根据模拟实验与钻井、地质资料的综合分析，确定本区海相源岩生物气生成的主带温度介于35～65℃之间，下限温度为85℃（对应井深约2000m，实际埋深约1900m）。

表3 莺歌海—琼东南盆地生物气地球化学特征

井号	深度(m)/层位	天然气组成（%）	干燥系数	同位素特征
C1	C2+	CO2	N2	C1/C1~5	δ13C1(‰)	δDCH4(‰)
YHL2213	395～11.0/Q	87.09	0.70	0.73	11.48	0.992	-63.14	-108.5
YHL2214	575～595.0/Q	88.14	2.08	0.08	9.70	0.980	-55.72	-149.6
YHL2812	560～562.0/Q	96.02	0.34	0.01	3.63	0.996	-65.57	172.1
QYC1318	1402.0/Nh	89.19	0.06	1.10	9.65	0.999	-76.60
QYC211	609.6/Q	99.76	0.24			0.998	-60.80	-123
1371.6/Q	98.95	1.05			0.990	-54.70	-116

虽然一般生物气生成深度较小，仅存在于海底下浅部沉积物中，但也会由于快速沉积等原因，使生物气埋至海底下较深的地方。

   生物气也是海底天然气水合物形成的一种重要气源，一般认为易形成低浓度的地层扩散型水合物。在我国南海北部首次钻探采集到天然气水合物实物样品的神狐海域，对采集到样品的气体碳同位素δ¹³C和氢同位素δD分析成果显示，δ¹³C在-54.1% ～-62.2%间，认为该区域天然气水合物的烃类主要是由生物成因的甲烷组成。

二、生物—热催化过渡带气

随着海底沉积物埋藏深度的不断增加，一般地说埋藏时间和温度相应地不断增加，生物化学作用逐渐减弱，开始了有机质热演化作用。在沉积成岩演化作用早期，沉积物中的有机质处于生物化学作用和热解作用这样两个不同性质深化阶段的过渡时期，此时形成的天然气称为生物—热催化过渡带气。由于是两种作用的综合结果，因此所受到的地质及自然地理因素更复杂，气体组分变化较大。此类天然气的特点是有机质成熟度较低，R_o在0.3%～0.6%间；甲烷含量一般大于70%，C₁/ΣC₁～C₅为0.7～0.97，C₂/C₃为1.0～5.0；甲烷较富集轻同位素，δ¹³C₁为-55‰～-48‰，δ¹³C_CO2＜-10‰，³He/⁴He≤1.4×10^-6，⁴⁰Ar/³⁶Ar＞295.5。表4是南海北部莺歌海—琼东南盆地钻探发现的生物—热催化过渡带气的地球化学特征。

 表4 莺歌海—琼东南盆地生物—热催化过渡带气的地球化学特征

井 号	深度(m)/层位	天然气组成(%)	干燥系数	同位素特征
C1	C2+	CO2	N2	C1/C1~5	δ13C1(‰)
YHLT111	2098～2102.0/Nh	90.99	4.48	1.60	2.93	0.950	-47.73
HXY118	1342～1358.0/Ny	79.64	1.38	0.35	18.63	0.980	-54.09
1369～1405.0/Ny	77.77	0.02	0.35	18.62	0.980	-50.32
HXY119	1318～1325.0/Ny	74.50	1.90	0.20	24.30	0.980	-51.04
YHL1411	830～850.0/Q	40.20	1.70	1.00	56.80	0.960	-48.18
1013～1058/Q	68.40	0.80	1.34	29.10	0.980	-43.10
YHL2211	851～858.0/Q	77.68	1.02	0.16	19.60	0.990	-54.30
YHL2215	925～965.0/Q	84.27	1.70	0.71	13.30	0.980	-49.30
QYC1311	3302～3318.4/Nh	86.50	10.94	0.07	2.49	0.888	-52.70

生物—热催化过渡带气主要分布于海底浅层和浅—中层地层中，一般埋深在1000m以上，最深可超过3200m。但在其生成后常会有向上运移而聚集于某个较浅的地方，如表4中在一些钻井中小于1000m埋深的区段出现此类气体。

三、热解气

随着沉积物埋深的进一步加深，温度升高，沉积有机质逐渐成熟。沉积有机质在成熟阶段（R_o=0.6%-2.0%）经热催化作用而形成的天然气称热解气。按有机质类型的不同，热解气可进一步分为油型热解气和煤型热解气。

油型热解气是指腐泥型干酷根在成熟阶段形成的天然气，按演化程度又可分为正常原油伴生气和正常凝析油气。正常原油伴生气相当于石油演化的成熟阶段，R_o为0.6%～1.3%，由热催化作用形成；气体中甲烷含量一般大于50%，重烃含量大于5%，最高可达40%～50%，C₁/ΣC₁-C₅为0.50～0.90，C₂/C₃为0.90～3.0；同位素δ¹³C₁为-48‰～-40‰，δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃＜δ¹³C₄，δD_CH4通常为-300‰～-200‰。正常凝析油气相当于石油演化的高成熟阶段，R_o为1.3%~2.0%，由热催化和热裂解复合作形成；甲烷含量高于正常原油伴生气，属湿气，甲烷含量一般大于60%，重烃大于5%，最高可达20%～25%，C₁/ΣC₁-C₅为0.60～0.90，C₂/C₃为0.9～3.0；同位素δ¹³C₁为-40‰～-36‰，δ¹³C_C02＜-10‰，δD_CH4一般为-300‰～-200‰。

煤型热解气是腐殖型干酪根在成熟阶段形成的天然气，相当于煤化作用的长焰煤至瘦煤阶段，R_o为0.6%～2.0%，由热催化作用形成。其甲烷含量＞70%，重烃＞5%，C₁/ΣC₁-C₅一般为0.70～0.95，C₂/C₃为0.8～3.0；同位素δ¹³C₁为-45‰～-30‰，δD_CH4为-230‰～-150‰。

油型气和煤型气一般可通过天然气中的汞含量和重烃的碳同位素组成来区别。一般情况下，煤型气汞含量＞700ng（Hg/m²），油型气汞含量＜600ng（Hg/m²）。δ¹³C₂＞-25.1‰和δ¹³C₃＞-23.2‰主要是煤型气，δ¹³C₂＜-28.8‰，δ¹³C₃＜-25.55‰者以油型气为主。

四、裂解气

裂解气一般指在过成熟阶段（R_o＞2%）已生成的液态烃和残余干酪根以及部分重烃气经高温裂解作用而形成的天然气。它的重烃含量随有机质的成熟度增加而明显减少，最后变成以甲烷为主的干气。一般甲烷含量大于95%，重烃含量＜5%，C₁/ΣC₁-C₅值高，为0.95～1.00，C₂/C₃比为1.0～7.0；同位素δ¹³C₁＞-36‰，δD_CH4＞-200‰。

裂解气一般形成并分布在深逾4000m的超深层，但条件合适时可向上运移至浅层。

上述不同成熟度的有机成因烃类生物气—过渡带气—热解气—裂解气随沉积有机质埋藏深度变化的规律可简单用图2示意表示，相应的天然气组成和同位素变化一般特征可用图3表示。

图2 烃类生成随埋藏深度变化示意图

图3  海底沉积层中天然气的组成和同位素变化的一般特征

图3中（a）为碳同位素比值与烃类生成之间关系；（b）为碳同位素比值与高价烃比例之间关系；（c）为碳同位素比值与氢同位素比值之关系。

上述烃类随埋藏深度变化的分布是一般性规律。事实上埋深较大的热成气在生成后常可能沿断层、底辟等向上运移，聚集于某一个较浅的地方，甚至在合适的条件溢出海底。同时，构造运动等可使已生成的深埋藏天然气变浅。天然气在向上运移的过程中，还会产生生物降解和不同来源天然气的混合作用。我国的渤海、南海等海区已发现明显的天然气向浅部运移、生物降解等现象。因此，对海底发现的浅层气，不能简单根据埋藏深度来判断其类型，而应根据其组分、同位素变化测定数据等综合进行成因识别。对南海北部海底天然气水合物区气体的成因研究也表明，存在热解成因气、生物气和混合气等多种来源，其中以深部热解气为主时，一般形成构造渗漏型的天然气水合物。

除了上面的烃类气体外，有机成因气中也常含有非烃类气体，在一些海区甚至含量很高。如莺歌海盆地一些地方的生物气和过渡带气中已发现有很高的氮气含量，研究认为它们为有机成因。该盆地天然气中也有二氧化碳发现，在其含量低于10%的天然气中，二氧化碳的δ¹³C＜-10%，主要为有机成因。这些非烃气体同样可能向上运移，产生地质灾害。

五、无机成因气

无机成因气主要可分为幔源气和岩石化学反应气二类。幔源气主要涉及行星形成时即已被捕获在地幔中的原生甲烷等，常见于海底裂谷、热液喷发口等。幔源气中烃类气体以甲烷为主，同时含CO₂、H₂、H₂S等气体，并含较高的³He。其δ¹³C₁介于-20‰～-7‰左右（一般将δ¹³C₁＞-20‰作为无机成因气的标志之一），且具有δ¹³C₁＞δ¹³C₂＞δ¹³C₃的特征。稀有气同位素经常是鉴别幔源气重要标志，一般情况下，³He/⁴He＞1.4×10^-6时表示具有幔源气混入，³He/⁴He＞10^-5时表示全为幔源气。

岩石化学反应气是指岩浆活动和变质作用演化过程中无机矿物间高温反应形成的气体和碳酸盐、硫酸盐分解产生的非烃气体。其烃类气中甲烷占优势，但整个气体中非烃气体比例很高，常见的有CO₂、H₂、H₂S和CO等。其δ¹³C₁大多在-25‰～-15‰，δ¹³C_CO2大多＞-8‰，而³He/⁴He和⁴⁰Ar/³⁶Ar等值则与源物质有关。

无机成因气在中国海域已有发现，测试数据表明南海莺歌海盆地部分浅部天然气CO₂含量高于10%（CO₂含量最低为11.8%，最高达93.4%），δ¹³C_CO2值高于-8.16‰，³He/⁴He一般为0.95～6.79×10^-7，分析认为这一高含量CO₂主要是地壳源型岩石化学成因的无机气。

【致谢】本文来自《中国海洋灾害地质学》（海洋出版社，2012年）中的第十一章节“海底浅层天然气”，本篇内容作了节选，引用文献略。最后，特别感谢国家海洋局第二海洋研究所潘国富研究员对我微信公众平台的支持，特此鸣谢！

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