1樓：小月傳天下
天然氣的成因
天然氣與石油生成過程既有聯絡又有區別：石油主要形成於深成作用階段，由催化裂解作用引起，而天然氣的形成則貫穿於成岩、深成、後成直至變質作用的始終；與石油的生成相比，無論是原始物質還是生成環境，天然氣的生成都更廣泛、更迅速、更容易，各種型別的有機質都可形成天然氣——腐泥型有機質則既生油又生氣，腐植形有機質主要生成氣態烴。因此天然氣的成因是多種多樣的。
歸納起來，天然氣的成因可分為生物成因氣、油型氣和煤型氣。近年來無機成因氣尤其是非烴氣受到高度重視，這裡一併簡要介紹，最後還了解各種成因氣的判別方法。
一、生物成因氣
1.概念
生物成因氣—指成岩作用（階段）早期，在淺層生物化學作用帶內，沉積有機質經微生物的群體發酵和合成作用形成的天然氣。其中有時混有早期低溫降解形成的氣體。生物成因氣出現在埋藏淺、時代新和演化程度低的岩層中，以含甲烷氣為主。
�2.形成條件�
生物成因氣形成的前提條件是更加豐富的有機質和強還原環境。
最有利於生氣的有機母質是草本腐植型—腐泥腐植型，這些有機質多分布於陸源物質**豐富的三角洲和沼澤湖濱帶，通常含陸源有機質的砂泥岩系列最有利。硫酸岩層中難以形成大量生物成因氣的原因，是因為硫酸對產甲烷菌有明顯的抵制作用，h2優先還原so42-→s2-形成金屬硫化物或h2s等，因此co2不能被h2還原為ch4。�
甲烷菌的生長需要合適的地化環境，首先是足夠強的還原條件，一般eh＜-300mv為宜（即地層水中的氧和so42-依次全部被還原以後，才會大量繁殖）；其次對ph值要求以靠近中性為宜，一般6.0～8.0，最佳值7.
2～7.6；再者，甲烷菌生長溫度o～75℃，最佳值37～42℃。沒有這些外部條件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷氣。
�3.化學組成
生物成因氣的化學組成幾乎全是甲烷，其含量一般＞98%，高的可達99%以上，重烴含量很少，一般＜1%，其餘是少量的n2和co2。因此生物成因氣的乾燥係數（cl/∑c2+）一般在數百～數千以上，為典型的幹氣，甲烷的δ13c1值一般-85～-55‰，最低可達-100‰。世界上許多國家與地區都發現了生物成因氣藏，如在西西伯利亞683-1300公尺白堊系地層中，發現了可採儲量達10.
5萬億m3的氣藏。我國柴達木盆地（有些單井日產達1百多萬方）和上海地區（長江三角洲）也發現了這類氣藏。
二．油型氣
1.概念
油型氣包括濕氣（石油伴生氣）、凝析氣和裂解氣。它們是沉積有機質特別是腐泥型有機質在熱降解成油過程中，與石油一起形成的，或者是在後成作用階段由有機質和早期形成的液態石油熱裂解形成的。
2.形成與分布
與石油經有機質熱解逐步形成一樣，天然氣的形成也具明顯的垂直分帶性。
在剖面最上部（成岩階段）是生物成因氣，在深成階段後期是低分子量氣態烴（c2～c4）即濕氣，以及由於高溫高壓使輕質液態烴逆蒸發形成的凝析氣。在剖面下部，由於溫度上公升，生成的石油裂解為小分子的輕烴直至甲烷，有機質亦進一步生成氣體，以甲烷為主石油裂解氣是生氣序列的最後產物，通常將這一階段稱為幹氣帶。
由石油伴生氣→凝析氣→幹氣，甲烷含量逐漸增多，故乾燥係數公升高，甲烷δ13c1值隨有機質演化程度增大而增大。
對我國四川盆地氣田的研究（包茨，1988）認為，該盆地的古生代氣田是高溫甲烷生氣期形成的，從三疊系→震旦系，乾燥係數由小到大（t：35.5→p：
73.1→z：387.
1），重烴由多到少。川南氣田中，天然氣與熱變瀝青共生，說明天然氣是由石油熱變質而成的。�
三．煤型氣�
1．概述
煤型氣是指煤系有機質（包括煤層和煤系地層中的分散有機質）熱演化生成的天然氣。
煤田開採中，經常出現大量瓦斯湧出的現象，如四川合川縣一口井的瓦斯突出，排出瓦斯量竟高達140萬立方公尺，這說明，煤系地層確實能生成天然氣。
煤型氣是一種多成分的混合氣體，其中烴類氣體以甲烷為主，重烴氣含量少，一般為幹氣，但也可能有濕氣，甚至凝析氣。有時可含較多hg蒸氣和n2等。�
煤型氣也可形成特大氣田，1960s以來在西西伯利亞北部k2、荷蘭東部盆地和北海盆地南部p等地層發現了特大的煤型氣田，這三個氣區探明儲量22萬億m3，佔世界探明天然氣總儲量的1/3弱。據統計（m.t哈爾布蒂，1970），在世界已發現的26個大氣田中，有16個屬煤型氣田，數量佔60%，儲量佔72.
2%，由此可見，煤型氣在世界可燃天然氣資源構成中占有重要地位。我國煤炭資源豐富，據統計有6千億噸，居世界第三位，聚煤盆地發育，現已發現有煤型氣聚集的有華北、鄂爾多斯、四川、台灣—東海、鶯歌海—瓊東南、以及吐哈等盆地。經研究，鄂爾多斯盆地中部大氣區的氣多半來自上古生界c-p煤系地層（上古∶下古氣源=7∶3或6∶4），可見煤系地層生成天然氣的潛力很大。
2.成煤作用與煤型氣的形成
成煤作用可分為泥炭化和煤化作用兩個階段。前一階段，堆積在沼澤、湖泊或淺海環境下的植物遺體和碎片，經生化作用形成煤的前身——泥炭；隨著盆地沉降，埋藏加深和溫度壓力增高，由泥炭化階段進入煤化作用階段，在煤化作用中泥炭經過微生物酶解、壓實、脫水等作用變為褐煤；當埋藏逐步加深，已形成的褐煤在溫度、壓力和時間等因素作用下，按長焰煤→氣煤→肥煤→焦煤→瘦煤→貧煤→無煙煤的序列轉化。
實測表明，煤的揮發分隨煤化作用增強明顯降低，由褐煤→煙煤→無煙煤，揮發分大約由50%降到5%。這些揮發分主要以ch4、co2、h2o、n2、nh3等氣態產物的形式逸出，是形成煤型氣的基礎，煤化作用中析出的主要揮發性產物見圖5-9。
1.煤化作用中揮發性產物總量 2.co2 3.h2o 4.ch4 5.nh3 6.h2s
從形成煤型氣的角度出發，應該注意在煤化作用過程中成煤物質的四次較為明顯變化（煤巖學上稱之為煤化躍變）：
第一次躍變發生於長焰煤開始階段，碳含量cr=75-80%,揮發分vr=43%，ro=0.6%；
第二次躍變發生於肥煤階段，cr=87%,vr=29%,ro=1.3%；�
第三次躍變發生煙煤→無煙煤階段，cr=91%，vr=8%,ro=2.5%；�
第四次躍變發生於無煙煤→變質無煙煤階段，cr=93.5%,vr=4%，ro=3.7%，芳香族稠環縮合程度大大提高。
在這四次躍變中，導致煤質變化最為明顯的是第
一、二次躍變。煤化躍變不僅表現為煤的質變，而且每次躍變都相應地為一次成氣（甲烷）高峰。
煤型氣的形成及產率不僅與煤階有關，而且還與煤的煤巖組成有關，腐殖煤在顯微鏡下可分為鏡質組、類脂組和惰性組三種顯微組分，我國大多數煤田的腐殖煤中，各組分的含量以鏡質組最高，約佔50～80%，惰性組占10～20%（高者達30～50%），類脂組含量最低，一般不超過5%。
在成煤作用中，各顯微組分對成氣的貢獻是不同的。長慶油田與中國科院地化所（1984）在成功地分離提純煤的有機顯微組分基礎上，開展了低階煤有機顯微組分熱演化模擬實驗，並**了不同顯微組分的成烴貢和成烴機理。發現三種顯微組分的最終成烴效率比約為類脂組:
鏡質組:惰性組=3:1:
0.71，產氣能力比約為3.3:
1:0.8，說明惰性組也具一定生氣能力。
四．無機成因氣
地球深部岩漿活動、變質岩和宇宙空間分布的可燃氣體，以及岩石無機鹽類分解產生的氣體，都屬於無機成因氣或非生物成因氣。它屬於幹氣，以甲烷為主，有時含co2、n2、he及h2s、hg蒸汽等，甚至以它們的某一種為主，形成具有工業意義的非烴氣藏。
1. 甲烷�
無機合成：co2 + h2 → ch4 + h2o 條件：高溫（250℃）、鐵族元素
地球原始大氣中甲烷：吸收於地幔，沿深斷裂、火山活動等排出�
板塊俯衝帶甲烷：大洋板塊俯衝高溫高壓下脫水，分解產生的h、c、co/co2→ch4�
2. co2�
天然氣中高含co2與高含烴類氣一樣，同樣具有重要的經濟意義，對於co2氣藏來說，有經濟價值者是co2含量＞80%（體積濃度）的天然氣，可廣泛用於工業、農業、氣象、醫療、飲食業和環保等領域。我國廣東省三水盆地沙頭圩水深9井天然氣中co2含量高達99.55%，日產氣量500萬方，成為有很高經濟價值的氣藏。
目前世界上已發現的co2氣田藏主要分布在中—新生代火山區、斷裂活動區、油氣富集區和煤田區。從成因上看，共有以下幾種：
無機成因 ：
① 上地幔岩漿中富含co2氣體當岩漿沿地殼薄弱帶上公升、壓力減小，其中co2逸出。
② 碳酸鹽岩受高溫烘烤或深成變質可成大量co2，當有地下水參與或含有al、mg、fe雜質，98～200℃也能生成相當量co2，這種成因co2特徵：co2含量＞35%，δ13cco2＞8‰。
③ 碳酸鹽礦物與其它礦物相互作用也可生成co2，如白雲石與高嶺石作用即可。
另外，有機成因有：
生化作用
熱化學作用
油田遭氧化
煤氧化作用
3.n2�
n2是大氣中的主要成分，據研究，分子氮的最大濃度和逸度出現在古地台邊緣的含氮地層中，特別是蒸發鹽岩層分布區的邊界內。氮是由水層遷移到氣藏中的，由硝酸鹽還原而來，其先體是nh4+。
n2含量大於15%者為富氮氣藏，天然氣中n2的成因型別主要有：
① 有機質分解產生的n2：100-130℃達高峰，生成的n2量佔總生氣量的2.0%，含量較低；（有機）
② 地殼岩石熱解脫氣：如輝綠岩熱解析出氣量，n2可高達52%，此類n2可富集；
③ 地下滷水（硝酸鹽）脫氮作用：硝酸鹽經生化作用生成n2o+n2；
④ 地幔源的n2：如鐵隕石含氮數十～數百個ppm；
⑤ 大氣源的n2：大氣中n2隨地下水迴圈向深處運移，混入最多的主要是溫泉氣。
從同位素特徵看，一般來說最重的氮集中在硝酸鹽岩中，較重的氮集中在芳香烴化合物中，而較輕的氮則集中在銨鹽和氨基酸中。
4．h2s�
全球已發現氣藏中，幾乎都存在有h2s氣體，h2s含量＞1%的氣藏為富h2s的氣藏，具有商業意義者須＞5%。
據研究（zhabrew等，1988），具有商業意義的h2s富集區主要是大型的含油氣沉積盆地，在這些盆地的沉積剖面中均含有厚的碳酸鹽一蒸發鹽岩系。
自然界中的h2s生成主要有以下兩類：�
① 生物成因（有機）：包括生物降解和生物化學作用；1
② 熱化學成因（無機）：有熱降解、熱化學還原、高溫合成等。根據熱力學計算，自然環境中石膏（caso4）被烴類還原成h2s的需求溫度高達150℃，因此自然界發現的高含h2s氣藏均產於深部的碳酸鹽—蒸發鹽層系中，並且碳酸鹽岩儲集性好。
�5.稀有氣體（he、ar、…）
這些氣體儘管在地下含量稀少，但由於其特殊的地球化學行為，科學家們常把它們作為地球化學過程的示蹤劑。
he、ar的同位素比值3he/4he、40ar/36ar是查明天然氣成因的極重要手段，因沿大氣→殼源→殼、幔源混合→幔源，二者不斷增大，前者由1.39×10-6→＞10-5，後者則由295.6→＞2000。
�此外，根據圍岩與氣藏中ar同位素放射性成因，還可計算出氣體的形成年齡（朱銘，1990）。
五．各種成因氣識別標誌�
自然界中天然氣分布很廣，成因型別繁多且熱演化程度不同，其地化特徵亦多種多樣，因此很難用統一的指標加以識別。實踐表明，用多項指標綜合判別比用單一的指標更為可靠（戴金星，1993）。天然氣成因判別所涉及的專案看，主要有同位素、氣組分、輕烴以及生物標誌化合物等四項，其中有些內容判別標準截然，具有絕對意義，有些內容則在三種成因氣上有些重疊，只具有一定的相對意義。
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