海底甲烷滲漏背景下自生礦物形成控制條件數(shù)值模擬研究

【摘要】：甲烷厭氧氧化反應(yīng)是海底厭氧沉積物的重要生物地球化學(xué)過程,該反應(yīng)顯著地調(diào)控著全球甲烷收支平衡,在全球碳、硫循環(huán)中發(fā)揮著重要作用,同時與甲烷厭氧氧化反應(yīng)伴生的生物地球化學(xué)特征也成為天然氣水合物找礦的標(biāo)志。已有的研究多是針對生物作用和生物能量學(xué)對甲烷厭氧氧化反應(yīng)的控制,缺少綜合考慮甲烷厭氧氧化反應(yīng)、成巖作用和溶質(zhì)運(yùn)移來研究海底甲烷滲漏背景下自生礦物的形成。本文依托天然氣水合物相關(guān)自生礦物形成項目,以南海北部陸坡臺西南盆地為研究區(qū),結(jié)合研究區(qū)的物性參數(shù)、生物地球化學(xué)條件,采用TOUGHREACT模擬軟件,研究海底甲烷滲漏背景下自生礦物形成的控制條件。依據(jù)研究區(qū)實(shí)際物性參數(shù),通過設(shè)置不同的模擬方案,研究不同的甲烷泄漏速率、水文地球化學(xué)條件情況下,硫酸鹽-甲烷界面以及自生礦物形成的時間、空間變化特征。研究發(fā)現(xiàn),甲烷泄漏速率對自生礦物的形成具有顯著影響。甲烷泄漏速率越大,硫酸根-甲烷界面越淺,界面處甲烷厭氧氧化反應(yīng)越劇烈,方解石沉淀量越大,界面處方解石的沉淀主要受控于甲烷厭氧氧化反應(yīng);當(dāng)甲烷泄漏速率比基礎(chǔ)方案增大20倍時(7.60×10-2 mmolcm-2 a-1),有文石的沉淀,甲烷泄漏速率越大,文石出現(xiàn)沉淀時間越早,沉淀位置越淺,沉淀量也越大,甲烷泄漏速率是文石生成的主要控制因素;硫酸根離子濃度對鐵白云石的沉淀具有顯著影響,硫酸根濃度越低,鐵白云石的沉淀量越大,當(dāng)硫酸根離子濃度減小3倍時,鐵白云石的沉淀量能增大到3個數(shù)量級以上;鈣離子濃度主要影響方解石、菱鎂礦的沉淀,鈣離子濃度比基礎(chǔ)方案增大5倍時,方解石沉淀量比基礎(chǔ)方案增大了0.16%,鈣離子濃度比基礎(chǔ)方案減小5倍時,菱鎂礦沉淀量比基礎(chǔ)方案增大約5個數(shù)量級,因此,低鈣離子環(huán)境有利于菱鎂礦沉淀;溫度主要是從反應(yīng)速率和平衡常數(shù)兩個方面進(jìn)行控制的,溫度升高,奧長石、鉀長石、鈉蒙脫石、鈣蒙脫石、綠泥石的溶解量增加,方解石、菱鎂礦、黃鐵礦的沉淀量增加。綜上所述,在綜合考慮生物作用、成巖作用和溶質(zhì)運(yùn)移來研究甲烷滲漏背景下自生礦物形成過程中,不同自生碳酸鹽巖以及硫化物的形成能夠指示不同的沉淀環(huán)境,因此在實(shí)際工作中結(jié)合沉積層礦物沉淀情況能夠更好的指示底部存在天然氣水合物的可能。 【關(guān)鍵詞】：甲烷泄漏 甲烷厭氧氧化 自生碳酸鹽巖 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P736.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-22
• 1.1 研究背景及選題依據(jù)12-13
• 1.1.1 研究背景12
• 1.1.2 選題依據(jù)12-13
• 1.2 甲烷滲漏背景下自生礦物形成的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 甲烷滲漏背景下自生礦物類型與賦存特征14-16
• 1.2.2 甲烷滲漏背景下自生礦物的指示意義16-17
• 1.2.3 AOM-SR過程中生物化學(xué)作用與環(huán)境條件17-19
• 1.2.4 AOM-SR及自生礦物形成的定量化研究19
• 1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)方法19-22
• 1.3.1 研究內(nèi)容19-20
• 1.3.2 技術(shù)方法20-22
• 第2章 研究區(qū)概況22-28
• 2.1 地理概況22-24
• 2.1.1 研究區(qū)地理位置22-23
• 2.1.2 海底地形地貌23
• 2.1.3 海洋水文氣象23-24
• 2.2 區(qū)域地質(zhì)背景24-26
• 2.2.1 區(qū)域構(gòu)造24-25
• 2.2.2 區(qū)域地層25-26
• 2.3 南海海域天然氣水合物成礦條件26-28
• 第3章 數(shù)值模擬理論及模型建立28-44
• 3.1 模擬過程中涉及到的理論方法28-32
• 3.1.1 質(zhì)量傳遞過程28-29
• 3.1.2 反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移29-30
• 3.1.3 化學(xué)反應(yīng)30-31
• 3.1.4 生物降解動力學(xué)方程31-32
• 3.2 數(shù)值模型建立32-35
• 3.2.1 幾何模型及網(wǎng)格剖分32
• 3.2.2 數(shù)學(xué)模型與定解條件32-34
• 3.2.3 數(shù)值模型設(shè)計34-35
• 3.3 模型的初始物理參數(shù)35-37
• 3.3.1 模型初始溫度的設(shè)定35-36
• 3.3.2 模型初始壓力的設(shè)定36
• 3.3.3 模型滲透性及孔隙特征的設(shè)定36-37
• 3.4 模型的初始水設(shè)定37-39
• 3.5 模型中生物降解動力學(xué)參數(shù)的設(shè)定39
• 3.6 模型初始礦物設(shè)定39-44
• 第4章 甲烷滲漏背景下沉積層水化學(xué)特征影響因素研究44-68
• 4.1 模擬方案設(shè)計44-46
• 4.2 甲烷泄漏速率對沉積層水化學(xué)特征的影響分析46-56
• 4.2.1 孔隙水化學(xué)組分（base-case）特征分析46-49
• 4.2.2 甲烷滲漏對SMI空間變化特征影響分析49-52
• 4.2.3 甲烷滲漏對AOM反應(yīng)的影響分析52-56
• 4.3 SO_4~(2-)含量變化對沉積層水化學(xué)特征的影響分析56-62
• 4.3.1 SO_4~(2-)含量對SMI空間變化特征影響分析56-58
• 4.3.2 SO_4~(2-)含量對孔隙水組分特征影響分析58-62
• 4.4 CH4含量變化對沉積層水化學(xué)特征的影響分析62-66
• 4.4.1 CH_4含量對SMI空間變化特征影響分析62-64
• 4.4.2 CH_4含量對孔隙水組分特征影響分析64-66
• 4.5 本章小結(jié)66-68
• 第5章 甲烷滲漏背景下自生礦物形成影響因素研究68-118
• 5.1 數(shù)值模型建立與模擬方案設(shè)計68
• 5.1.1 甲烷滲漏背景下自生礦物生成概念模型68
• 5.1.2 數(shù)學(xué)模型與定解條件68
• 5.2 模型的初始參數(shù)68-69
• 5.3 模擬方案設(shè)計69-70
• 5.4 甲烷滲漏背景下自生礦物形成影響因素分析70-115
• 5.4.1 甲烷泄漏速率對自生礦物形成的影響分析70-93
• 5.4.2 SO_4~(2-)濃度對自生礦物形成的影響分析93-99
• 5.4.3 CH_4濃度對自生礦物形成的影響分析99-102
• 5.4.4 Ca~(2+)濃度對自生礦物形成的影響分析102-108
• 5.4.5 Mg~(2+)濃度對自生礦物形成的影響分析108-111
• 5.4.6 溫度對自生礦物形成的影響分析111-115
• 5.5 本章小結(jié)115-118
• 第6章 結(jié)論與建議118-120
• 6.1 結(jié)論118-119
• 6.2 建議119-120
• 參考文獻(xiàn)120-130
• 作者簡介及主要成果130-132
• 致謝132

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