铵伊利石作为煤层气示踪矿物研究

本项目拟以我国不同煤化程度地区煤层夹矸中的铵伊利石矿物和煤层气为研究对象，利用矿物学、有机地球化学、同位素地球化学、煤层气地质学的研究方法和手段，通过对铵伊利石矿物中的氮和煤层气中的氮的来源、生成机理、氮同位素组成及特征、成岩作用和煤化作用研究，建立起铵伊利石矿物与煤层气中氮的成因联系，试图依此将铵伊利石矿物作为煤层气生成和富集的示踪剂，为指导煤层气勘探和预测提供一种新的方法和理论。

铵伊利石是高变质烟煤-无烟煤夹矸中常见的矿物，是伊利石层间域中K+被NH4+替代形成的类质同象。本项目以我国华北地区沁水煤田、鄂尔多斯盆地东缘以及黑龙江东部含煤地层中的夹矸铵伊利石、煤中有机氮以及煤层气中氮气为主要研究对象，对不同形态氮及其宿主物质的特征、成矿地质作用进行了深入研究，探讨了它们之间的成因联系和转化机理。研究结果表明：铵伊利石是由高岭石在成岩过程中转化而来，转化的起始温度约为150℃，且随着煤化作用逐渐增强，铵伊利石含量逐渐升高；铵伊利石中NH4+与煤中有机氮具有相近的同位素组成（δ15N铵伊利石=+4.41~+9.95‰，δ15N煤=+5.12~+11.62‰），证明了铵伊利石中NH4+来源于煤中有机氮。沉积环境对不同形态氮的含量及同位素组成有明显影响，受海水影响较大的煤中有机氮含量及夹矸中铵伊利石含量较受淡水影响的煤中偏高，且氮同位素组成亦偏重。煤层气中氮气主要来源于有机氮的热氨化和热裂解作用，鄂尔多斯盆地东缘煤层气中N2同位素组成在+2.138~+8.543‰，CH4碳同位素组成在-32~-70‰，兼具热成因及次生生物成因特征。沁水盆地煤层气中N2同位素组成极度偏重，在+32.196~+42.663‰，具有异常热裂解成因特征。随着煤化作用程度升高，煤层夹矸及煤中铵伊利石含量亦逐渐升高，其氮同位素组成逐渐偏重，同时作为煤分子去除不稳定结构的产物，CH4含量也逐渐升高，铵伊利石含量以及CH4含量在高变质烟煤-无烟煤阶段存在明显的正相关关系，因此铵伊利石可作为煤层气形成和富集的示踪剂，铵伊利石含量越高，预示着煤层气含量也越高。这一认识对于煤层气的勘探及预测具有重要指导意义。