海底甲烷渗漏背景下自生矿物形成控制条件数值模拟研究

【摘要】：甲烷厌氧氧化反应是海底厌氧沉积物的重要生物地球化学过程,该反应显著地调控着全球甲烷收支平衡,在全球碳、硫循环中发挥着重要作用,同时与甲烷厌氧氧化反应伴生的生物地球化学特征也成为天然气水合物找矿的标志。已有的研究多是针对生物作用和生物能量学对甲烷厌氧氧化反应的控制,缺少综合考虑甲烷厌氧氧化反应、成岩作用和溶质运移来研究海底甲烷渗漏背景下自生矿物的形成。本文依托天然气水合物相关自生矿物形成项目,以南海北部陆坡台西南盆地为研究区,结合研究区的物性参数、生物地球化学条件,采用TOUGHREACT模拟软件,研究海底甲烷渗漏背景下自生矿物形成的控制条件。依据研究区实际物性参数,通过设置不同的模拟方案,研究不同的甲烷泄漏速率、水文地球化学条件情况下,硫酸盐-甲烷界面以及自生矿物形成的时间、空间变化特征。研究发现,甲烷泄漏速率对自生矿物的形成具有显著影响。甲烷泄漏速率越大,硫酸根-甲烷界面越浅,界面处甲烷厌氧氧化反应越剧烈,方解石沉淀量越大,界面处方解石的沉淀主要受控于甲烷厌氧氧化反应;当甲烷泄漏速率比基础方案增大20倍时(7.60×10-2 mmolcm-2 a-1),有文石的沉淀,甲烷泄漏速率越大,文石出现沉淀时间越早,沉淀位置越浅,沉淀量也越大,甲烷泄漏速率是文石生成的主要控制因素;硫酸根离子浓度对铁白云石的沉淀具有显著影响,硫酸根浓度越低,铁白云石的沉淀量越大,当硫酸根离子浓度减小3倍时,铁白云石的沉淀量能增大到3个数量级以上;钙离子浓度主要影响方解石、菱镁矿的沉淀,钙离子浓度比基础方案增大5倍时,方解石沉淀量比基础方案增大了0.16%,钙离子浓度比基础方案减小5倍时,菱镁矿沉淀量比基础方案增大约5个数量级,因此,低钙离子环境有利于菱镁矿沉淀;温度主要是从反应速率和平衡常数两个方面进行控制的,温度升高,奥长石、钾长石、钠蒙脱石、钙蒙脱石、绿泥石的溶解量增加,方解石、菱镁矿、黄铁矿的沉淀量增加。综上所述,在综合考虑生物作用、成岩作用和溶质运移来研究甲烷渗漏背景下自生矿物形成过程中,不同自生碳酸盐岩以及硫化物的形成能够指示不同的沉淀环境,因此在实际工作中结合沉积层矿物沉淀情况能够更好的指示底部存在天然气水合物的可能。 【关键词】：甲烷泄漏 甲烷厌氧氧化 自生碳酸盐岩 数值模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P736.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 研究背景及选题依据12-13
• 1.1.1 研究背景12
• 1.1.2 选题依据12-13
• 1.2 甲烷渗漏背景下自生矿物形成的国内外研究现状13-19
• 1.2.1 甲烷渗漏背景下自生矿物类型与赋存特征14-16
• 1.2.2 甲烷渗漏背景下自生矿物的指示意义16-17
• 1.2.3 AOM-SR过程中生物化学作用与环境条件17-19
• 1.2.4 AOM-SR及自生矿物形成的定量化研究19
• 1.3 研究内容与技术方法19-22
• 1.3.1 研究内容19-20
• 1.3.2 技术方法20-22
• 第2章 研究区概况22-28
• 2.1 地理概况22-24
• 2.1.1 研究区地理位置22-23
• 2.1.2 海底地形地貌23
• 2.1.3 海洋水文气象23-24
• 2.2 区域地质背景24-26
• 2.2.1 区域构造24-25
• 2.2.2 区域地层25-26
• 2.3 南海海域天然气水合物成矿条件26-28
• 第3章 数值模拟理论及模型建立28-44
• 3.1 模拟过程中涉及到的理论方法28-32
• 3.1.1 质量传递过程28-29
• 3.1.2 反应溶质运移29-30
• 3.1.3 化学反应30-31
• 3.1.4 生物降解动力学方程31-32
• 3.2 数值模型建立32-35
• 3.2.1 几何模型及网格剖分32
• 3.2.2 数学模型与定解条件32-34
• 3.2.3 数值模型设计34-35
• 3.3 模型的初始物理参数35-37
• 3.3.1 模型初始温度的设定35-36
• 3.3.2 模型初始压力的设定36
• 3.3.3 模型渗透性及孔隙特征的设定36-37
• 3.4 模型的初始水设定37-39
• 3.5 模型中生物降解动力学参数的设定39
• 3.6 模型初始矿物设定39-44
• 第4章 甲烷渗漏背景下沉积层水化学特征影响因素研究44-68
• 4.1 模拟方案设计44-46
• 4.2 甲烷泄漏速率对沉积层水化学特征的影响分析46-56
• 4.2.1 孔隙水化学组分（base-case）特征分析46-49
• 4.2.2 甲烷渗漏对SMI空间变化特征影响分析49-52
• 4.2.3 甲烷渗漏对AOM反应的影响分析52-56
• 4.3 SO_4~(2-)含量变化对沉积层水化学特征的影响分析56-62
• 4.3.1 SO_4~(2-)含量对SMI空间变化特征影响分析56-58
• 4.3.2 SO_4~(2-)含量对孔隙水组分特征影响分析58-62
• 4.4 CH4含量变化对沉积层水化学特征的影响分析62-66
• 4.4.1 CH_4含量对SMI空间变化特征影响分析62-64
• 4.4.2 CH_4含量对孔隙水组分特征影响分析64-66
• 4.5 本章小结66-68
• 第5章 甲烷渗漏背景下自生矿物形成影响因素研究68-118
• 5.1 数值模型建立与模拟方案设计68
• 5.1.1 甲烷渗漏背景下自生矿物生成概念模型68
• 5.1.2 数学模型与定解条件68
• 5.2 模型的初始参数68-69
• 5.3 模拟方案设计69-70
• 5.4 甲烷渗漏背景下自生矿物形成影响因素分析70-115
• 5.4.1 甲烷泄漏速率对自生矿物形成的影响分析70-93
• 5.4.2 SO_4~(2-)浓度对自生矿物形成的影响分析93-99
• 5.4.3 CH_4浓度对自生矿物形成的影响分析99-102
• 5.4.4 Ca~(2+)浓度对自生矿物形成的影响分析102-108
• 5.4.5 Mg~(2+)浓度对自生矿物形成的影响分析108-111
• 5.4.6 温度对自生矿物形成的影响分析111-115
• 5.5 本章小结115-118
• 第6章 结论与建议118-120
• 6.1 结论118-119
• 6.2 建议119-120
• 参考文献120-130
• 作者简介及主要成果130-132
• 致谢132

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