祁连山冻土带地处青藏高原北缘, 主要沿拉脊山、青海南山、柴达木山、冷龙岭、走廊南山和党河南山一线分布, 面积约10万km²; 属于高原亚寒带半干旱气候区, 年平均地温为-1.5 ℃~-2.4 ℃; 以山地多年冻土为主, 仅在山谷、山麓中有部分中-深季节冻土存在, 冻土层厚度为50~139 m。

祁连山侏罗纪小型含煤盆地星罗棋布, 组成祁连山含煤盆地群, 其中疏勒河— 大通河流域就分布有瓦乌寺、雪霍立、聚乎更、木里、江仓和热水等11个含煤盆地(图4), 均为北祁连深大断裂体系在燕山期再度复活形成的裂堑式断陷盆地。

图4

Fig.4

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	图4 祁连山冻土带范围及含煤盆地分布(多年冻土带、含煤盆地参考祝有海等[12](2007)图件编绘)Fig.4 Permafrost range and coal basin in Qilian Mountain

含煤层位为下侏罗统的热水组、中侏罗统的江仓组和木里组; 河流相、三角洲相、含煤沼泽相、浅湖相和深湖相沉积均有分布^{[12, 13]}。另外, 位于祁连山冻土区中南部的南祁连盆地是个潜在的油气盆地, 可细分成疏勒、木里、哈拉湖、下日哈和天峻等5个次级坳陷。其中, 哈拉湖坳陷是该盆地中面积最大的坳陷, 烃源岩厚度较大, 有机质丰度较高, 处于成熟-高成熟阶段, 是南祁连盆地生烃条件较好的坳陷; 木里坳陷发育有4套烃源岩, 烃源岩质量较好, 基本处于成熟-过成熟阶段, 加上保存条件最好, 是南祁连盆地最具勘探前景的坳陷^{[14, 15]}。综上所述, 祁连山冻土带具有良好的气源条件, 有利于形成天然气水合物。

在通过钻探发现有天然气水合物存在的木里煤田聚乎更矿区, 4个天然气水合物钻孔均见有煤系分布, 部分煤层厚度较大(可达几m), 部分还可解析出一定量的煤层气。另外, 4个钻孔中油页岩也非常发育, 厚度达几百m; 部分岩心还直接显示有油迹现象(如油斑、油浸等), 甚至还有沥青产出^[16]。根据目前的研究认为, 该区天然气水合物中的烃类气体组分比较复杂, 以煤层气为主, 还包括从深部迁移上来的油型气^{[17, 18, 19, 20, 21]}。

目前, 不莱梅大学网站可提供2003— 2009年的月平均甲烷柱数据, 但由于SCIAMACHY传感器甲烷柱反演范围的光谱探测器性能下降, 反演数据的质量难以保证, 特别是2008— 2009年的数据质量较差^[22]。因此, 在综合分析2003— 2009年的SCIAMACHY数据基础上, 选择了2003— 2006年获取的祁连山冻土带甲烷反演数据。该数据是离散点数据, 属于SCIAMACHY的CH₄柱总量2b级产品。

为了定量地研究祁连山冻土带CH₄柱浓度的变化规律, 采用简化的正弦模型^{[23, 24]}来拟合 CH₄柱浓度的变化, 即

y=a+bx+c sin(2π x/d+e) , (1)

式中: y为月平均 CH₄柱浓度; a为反映CH₄柱浓度的总体高低水平的常数; b为CH₄柱浓度每月的变化量; sin(2π x/d+e)为描述每年季节性循环特性的简化的正弦函数, 其中x为从2003 年 1 月开始的月数; c为季节性变化的振幅; d为变化的频率; e为正弦函数水平方向的调节变量。

图5为2003— 2006年大气甲烷变化的拟合图, 描述了2003年1月— 2006年12月 CH₄柱浓度的变化趋势, 其精度R²=0.595 8, 基本满足要求。

图5

Fig.5

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	图5 祁连山冻土带2003— 2006年大气甲烷均值月变化图Fig.5 Monthly methane characteristic of permafrost in Qilian Mountain from 2003 to 2006

从图5可以看出, 祁连山冻土带大气甲烷受季节控制的特征明显, 呈现出单峰-单谷型的变化, 一年中CH₄柱浓度的最高值出现在7— 8月份, 最低值出现在1— 2月份, 而且在总体上呈现出随时间推移逐渐递增的趋势, 这一特征与全国及北京等各省市的统计结果差异较大^{[23, 24]}, 有可能是祁连山冻土层下天然气水合物的分解释放近年来有逐年加强趋势的反映。

卫星遥感探测到的祁连山冻土带大气甲烷包含多个来源, 诸如油气藏微渗漏、煤层气泄露、天然气水合物分解释放以及地表特殊场所排放等。特殊场所排放的甲烷通过地面建筑物调查比较容易排除, 而油气藏微渗漏、煤层气泄漏和天然气水合物分解释放的甲烷则相对较难区分, 因为天然气水合物常常位于油气藏或煤层气藏的上方(比如在最早发现天然气水合物的俄罗斯麦索亚哈气田, 天然气水合物位于气田上方, 形成天然气水合物的甲烷等气体就来自深部气田)。因此, 在这种情况下遥感探测到的大气甲烷有2种可能: ①油气藏微渗漏甲烷或煤层气泄漏甲烷; ②天然气水合物分解释放甲烷与油气藏微渗漏甲烷或煤层气藏泄漏甲烷的混合气体。根据图5可知, 祁连山冻土带的大气甲烷应该属于后者。另外, 个别月份还存在温、压突变引起的天然气水合物的大量释放, 比如2006年1月、2月、4月和5月这4个月份的大气甲烷含量明显偏离了正常的变化曲线。

根据祁连山冻土带2003— 2006年的48个期次的月平均甲烷柱数据, 可以制作出48幅大气甲烷异常图。但是, 与地下浅层土壤油气化探获取的甲烷数据不同, 大气中的甲烷受风向、风速的影响较大, 同一渗漏源、不同时间的甲烷会在大气中形成不同的甲烷气体分布特征。如果采用常规的多个月份综合处理方法, 会导致结果图出现由同一渗漏源引起的多个局部小异常。基于以上原因, 本次研究不对多期次甲烷数据进行综合处理, 仅针对单个月份的大气甲烷数据进行分析, 并结合地质特征选择最佳时段数据。通过对祁连山冻土带48幅大气甲烷异常图的分析, 在保证甲烷异常分布可以取得合理地质解释的前提下, 最终确定采用2006年2月份的大气甲烷数据。这一月份还属于大气甲烷含量异常月份, 更能突出天然气水合物的释放信息。图6是根据2006年2月遥感反演数据制作的祁连山冻土带大气甲烷异常图。

图6

Fig.6

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	图6 祁连山冻土带2006年2月大气甲烷异常图Fig.6 Methane anomaly map of permafrost in Qilian Mountain on Feb., 2006

从图6可以看出, 在祁连山冻土带存在1个大的异常带(木里— 江仓— 热水地区)和2个异常区(德令哈北部区和冻土带西部区)。

木里— 江仓— 热水异常区位于木里煤田范围。在该煤田的聚乎更矿区, 地科院已在水合物探井DK1, DK2和DK3中获取了天然气水合物实物样品。天然气水合物中的甲烷被认为主要来自于煤层气。聚乎更矿区煤层气含量在2 m³/t以下, 江仓矿区和东部的默勒矿区的煤层气含量与聚乎更矿区相似, 热水煤矿以及外力哈达矿区煤层气含量较高, 可达5~12.8 m³/t。根据王嵩等^[25]的计算, 外力哈达矿区300~2 000 m深度范围的煤层气储量为6 126万m³, 预测资源量为5.6亿m³; 热水矿区300 ~ 2 000 m深度范围内的远景储量为8 340万m³, 预测资源量为17.93亿m³。这2个矿区煤层气预测资源量为23.53亿m³, 显示这一异常带具有非常丰富的气源。另外, 根据祁连山冻土的实测资料^{[26, 27, 28]}, 江仓矿区的冻土厚度为50~86 m, 热水矿区的冻土厚度为8~60 m, 属于永久冻土带。因此, 从物源和冻土条件考虑, 江仓矿区和热水矿区应该是天然气水合物的潜在赋存区。

德令哈北部异常区处于含煤盆地群, 物源可以有保障; 但其处于冻土带的边缘, 形成天然气水合物的可能性较小。冻土带西部异常区与已知含煤盆地相距较远, 物源难以保证, 加上又处于冻土带边缘, 形成天然气水合物的可能性也较小。