2018年12月3日, 《自然-通讯》在线发表了地球科学与工程学院胡文瑄教授课题组在含油气盆地烃类演化领域取得的突破性进展, 题目为“Thermochemical oxidation of methane induced by high-valence metal oxides in a sedimentary basin” (Nature Communications, 2018, 9: 5131)。

甲烷是天然气的主要组分, 在沉积盆地中以各种形式的天然气藏聚集, 成为重要的化石能源。此外, 甲烷也存在于地幔至下地壳的广泛地球空间中。甲烷是仅次于CO₂的温室气体, 由于人类对天然气的开发, 其平均浓度已从工业革命前的680 ppbv剧增至2010年的1799 ppbv。研究认为, 甲烷氧化为CO₂并沉淀为次生方解石, 是阻止甲烷从地壳向大气渗漏的有效机制。目前, 微生物作用氧化甲烷并沉淀次生碳酸盐岩矿物的现象已在海底或湖盆沉积物中有所报道。但是, 沉积盆地中天然气藏埋深一般在几千米, 气藏温度一般高于80 °C, 甚至达到200 °C以上, 已不适合微生物的生存。前人实验表明, 在350~650 °C的高温条件下, 高价铁/锰等可以诱发甲烷热氧化。然而, 该反应在沉积盆地较低的温度条件下能否发生仍不清楚, 其在地球系统碳汇中的作用更无从谈起。

胡文瑄教授课题组选择了准噶尔盆地深埋条件下含有红层的砂砾岩油气储层进行探索性研究, 观察到可能是甲烷氧化产物的次生方解石。在此基础上, 研究团队综合应用多种现代化研究手段, 包括高精度二次离子探针分析等, 发现来自于深层烃源岩的甲烷在90至135 °C被高价锰/铁氧化物热氧化, 释放出¹³C极度亏损的CO₂和可溶的Mn²⁺和Fe²⁺。在偏碱性条件下, 生成的CO₂与长石溶解释放的Ca²⁺结合沉淀为次生方解石(图1)。该方解石具有极低的δ¹³C值(−70至−22.5 ‰, VPDB)和显著富锰(MnO均值为5 wt %)的特点(图2)。在研究区, 评估约有12.24亿吨的甲烷被氧化。甲烷热氧化虽然不利于天然气聚集, 但可能是地壳深部碳汇的重要机制。

图1. 沉积盆地高价铁/锰氧化物诱发的甲烷热氧化模式示意图

图2. 准噶尔盆地三叠系百口泉组砂砾岩中次生方解石产状和地球化学特征

该成果由课题组6位成员合作完成, 包括胡文瑄、康逊、曹剑、王小林、吴海光和傅斌。其中, 胡文瑄教授和康逊博士为论文共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金(41830425, 41230312, 41573054)、中央高校基本科研业务项目(020614380056)以及37000cm威尼斯优秀博士研究生创新能力提升计划项目(201701B023)的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07267-x

（地球科学与工程学院 科学技术处）