Category Archives: 科研进展

塔中地区油田水和油气的协同演化: 碘129及多离子含量示踪

在含油气盆地中,水是重要的反应媒介,大多数地质过程都会有水的参与。因此,水的化学和同位素数据普遍被认为记录了水来源、演化和水岩反应的相关信息。然而,对于石油地质学家来说,一个关心的问题是,油田水的演化是否与油气的成藏过程有关。油田水中的碘和碘129是解决这个问题的关键元素。已有研究使用油田水的碘和碘129数据解释简单地质条件下(如浅埋藏的天然气水合物)油气的来源层位和成藏年龄问题。但对于具有多期充注和后期改造的油气藏,还没有研究试图关联其中水、油和气的演化过程。

近期,中科院广州地化所陈键博士、彭平安研究员,联合中科院地球环境研究所侯小琳研究员,以塔里木盆地塔中地区奥陶系碳酸盐岩储层油田水为研究对象,主要利用水中碘和碘129,并结合水中离子、稳定和放射性同位素数据,恢复了该地油田水和油气的协同演化历史。研究结果表明,该储层油田水是由三期古蒸发海水和少量古大气降水混合而成的。古蒸发海水来自深部地层的不同层位。早期的古蒸发海水贫碘(<5.65 mg/L),是在加里东晚期(晚奥陶世)从深部非烃源岩的地层向上运移进入储层。中期的古蒸发海水富碘(>30 mg/L)、但碘129较低(11.8-47.0 atom/uL),是在晚加里东-晚燕山期(志留-石炭纪)随着原油从满加尔坳陷的烃源岩运移而来的。晚期的古蒸发海水富碘129(>100 atom/uL),是在喜山期(晚新近纪)与来自深部烃源岩的、向上气侵的天然气一起运移而来的(图1)。根据地质资料,古大气降水是在志留纪晚期地层抬升剥蚀时侵入储层的。研究揭示了油田水形成演化和油气成藏的密切关系;结合水化学和相关油气生产数据,不仅可以指示储层中油气的来源方向,而且可以指示近期油藏的改造历史(图2)。

图1 油田水I-Br (A)和129I-I (B)图解

图2 油田水I(A)和129I(B)的空间分布。灰色和黄色箭头分别指示志留-石炭纪原油和新近纪干气的运移方向。

本研究受国家自然科学基金青年科学基金(41503051),国家重大专项(2017ZX05008-003)和中科院A类先导项目(XDA14010102)的联合资助。

研究成果发表在Marine and Petroleum Geology杂志上。论文信息:

Chen, Jian*; Liu, Dayong; Hou, Xiaolin; Fan, Yukun; Jia, Wanglu; Peng, Ping’an; Zhang, Baoshou; Xiao, Zhongyao. Origin and evolution of oilfield waters in the Tazhong oilfield, Tarim Basin, China, and their relationship to multiple hydrocarbon charging events. Marine and Petroleum Geology, 2018, 98:554-568.

大气中甲磺酸盐的云凝结核活性

唐明金 研究员

由海洋浮游植物排放的二甲基硫是大气中最重要的含硫化合物之一,其排放量为海洋天然硫排放总量的95%和全球硫排放总量的1/8左右。进入大气之后,二甲基硫将被OH和NO3等大气氧化剂氧化,最终形成硫酸盐气溶胶。除了硫酸盐之外,甲磺酸盐也是二甲基硫大气氧化的重要产物之一;在海洋大气颗粒物中,甲磺酸盐的质量浓度可达非海盐硫酸盐质量浓度的10%。硫酸盐和甲磺酸盐气溶胶通过作为云凝结核,影响地球系统的辐射和能量平衡。但是,目前还没有关于甲磺酸盐云凝结核活性的研究。

中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室唐明金研究员课题组首次测定了甲磺酸钠、甲磺酸钙和甲磺酸钾的云凝结核活性,研究成果近日发表在Atmospheric Environment上。该研究发现,这三种甲磺酸盐具有较强的云凝结核活性,其kappa值分别为0.46、0.37和0.47。此外,该研究还测定了甲磺酸钠/氯化钠和甲磺酸钠/海盐混合颗粒物的云凝结核活性,发现当甲磺酸钠与氯化钠或海盐的质量比为1:10时,甲磺酸钠对氯化钠和海盐颗粒物云凝结核活性的影响很小。该研究认为,由于甲磺酸盐的云凝结核活性较强且其实际大气含量较小,一般情况下甲磺酸盐对实际大气中海盐气溶胶颗粒物云凝结核活性的影响可以忽略不计。这项研究对于进一步认识海洋气溶胶的物理化学性质以及二甲基硫的气候效应具有较为重要的意义。

本研究受到国家重点研发计划(2018YFC0213901)、自然科学基金委(91644106和 91744204)以及中国科学院“率先行动”百人计划的资助,主要合作者包括中国科学院地球环境研究所黄如锦研究员、北京大学吴志军研究员和胡敏教授、香港理工大学王哲教授和中国科学院广州地球化学研究所王新明研究员等人。

(a)硫酸盐和甲磺酸钠颗粒物的云凝结核活化曲线;(b)海盐颗粒物和甲磺酸钠/海盐混合颗粒物(质量比为1:1)的云凝结核活化曲线。四种颗粒物的直径均为50纳米。

文章信息:Tang, M. J., Guo, L. Y., Bai, Y., Huang, R. J., Wu, Z. J., Wang, Z., Zhang, G. H., Ding, X., Hu, M., and Wang, X. M.: Impacts of methanesulfonate on the cloud condensation nucleation activity of sea salt aerosol, Atmos. Environ., 201, 13-17, 2019.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231018308914?via%3Dihub

延伸阅读:[1] Tang, M. J., Whitehead, J., Davidson, N. M., Pope, F. D., Alfarra, M. R., McFiggans, G., and Kalberer, M.: Cloud Condensation Nucleation Activities of Calcium Carbonate and its Atmospheric Ageing Products, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 32194-32203, 2015.

[2] Tang, M. J., Li, M. Q., and Zhu, T.: Heterogeneous reactions of gaseous methanesulfonic acid with calcium carbonate and kaolinite particles, Sci. China-Chem., 53, 2657-2662, 2010.

[3] Tang, M. J., and Zhu, T.: Heterogeneous reactions of gaseous methanesulfonic acid with NaCl and sea salt particles, Sci. China Ser. B-Chem., 52, 93-100, 2009.

烃类芳构化进程中的氢同位素分馏:对地质体与陨石中芳烃化合物成因的启示

芳烃化合物广泛分布在地球上烃源岩、石油、煤以及现代沉积物中,以及分散在宇宙中的一些星际介质、陨石和小行星中。由于具有生物毒性而难以在地球活体生物内广泛合成,地质体中的芳烃化合物被认为主要来自于烃类芳构化作用。该过程涉及到烃类化合物中键的断裂和去氢作用,将导致产物芳烃及其残余前驱物发生氢同位素分馏效应。因而,开展芳烃化合物氢同位素的分馏研究对地质体及陨石中芳烃化合物的成因演化具有重要意义。

近期,中国科学院广州地球化学研究所廖泽文研究员及其团队成员程斌副研究员以正丁基环己烷(BCH)为实验对象来模拟单环烃类的芳构化过程,调查BCH热演化产物中甲苯(Tol)和甲基环己烷(MCH)的氢同位素的演化特征及其分馏机制,进而探讨烃类芳构化过程中芳烃及其前驱物的分馏特征。实验结果显示,BCH的24h热解产物中甲基环己烷和甲苯产生强烈的氢同位素分馏效应,值高达+162.3‰,这种强烈同位素分馏效应随着热解时间的延长而逐渐减弱。值、Tol/(Tol+MCH)比值与热成熟度参数(Easy Ro)具有较好的线性相关性(图1),显示了值、Tol/(Tol+MCH)比值对于轻质油藏的热演化程度可能具有一定的判识意义。

 图1

 值与热解时间的良好相关性(图2a)显示,正丁基环己烷热解时间越短,芳烃氢同位素的分馏程度越强烈,例如,在10min的热解作用下,值将高达+363.6‰。分析认为,烃类芳构化过程受到二级动力学同位素效应影响,脂肪环优先断裂键而在芳环上残留更多键,因而快速芳构化作用将导致芳烃强烈富集(图2b)。

非常有意思的是,球粒陨石中的多环芳烃强烈富集重氢同位素,上述研究结果对于认识对于球粒陨石中强烈富集的多环芳烃()成因具有重要的启示。在本文中对上述问题进行了以下两方面的思考:(1)陨石在形成与演化过程中是否存在快速的热过程?(2)陨石在穿越大气层的短暂燃烧过程中是否对其中多环芳烃的生成有贡献?

图2

该研究获得中国科学院先导科技A类专项(XDA14010103)、国家科技重大专项(2017ZX05008002)以及国家自然科学基金项目(41772117)的联合资助。相关成果发表在ACS Earth and Space Chemistry杂志上。

论文信息:Cheng B., Liang Y.G., Xu J.B., Deng Q., Wei Z.W., Faboya, O.L., Liao Z.W.*, 2018. Remarkable fractionation of hydrogen isotope (δD) of hydrocarbon during fast aromatization process: Insights from the pyrolysis experiments of n-butylcyclohexane. ACS Earth and Space Chemistry, 2, 1240–1248.

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsearthspacechem.8b00111