一、标题 综合地质-地球化学-热年代学多学科工作流程评价褶皱冲断带热成因气与天然氢系统：以哥伦比亚东科迪勒拉为例

《Energies》：A Systems-Based Integrated Workflow for Evaluating Thermogenic Gas and Natural Hydrogen Systems in a Fold-And-Thrust Belt: Insights from the Eastern Cordillera of Colombia

　　

三、摘要翻译
在构造复杂的褶皱冲断带（fold-and-thrust belt）中开展热成因气与天然氢勘探，需要采用能够降低地质不确定性并约束气体生成、运移、聚集和保存过程的综合方法。本研究提出一套多学科工作流程，用于表征哥伦比亚东科迪勒拉（Eastern Cordillera）潜在的熱成因气与天然氢系统，覆盖约17,843 km²、涉及四条区域剖面。该工作流程整合了地质填图、地层学与沉积学分析、原位气体测量、岩心表征、多参数实验室分析、二维地震解释与构造复原以及一维热年代学模拟。研究识别出地表氢异常，记录值高达2000 ppm，最高浓度出现在东部区块（Eastern Sector）与下白垩统（Lower Cretaceous）地层出露相关的区域。地质与地球化学证据表明，下白垩统地层构成主要的热成熟烃源岩层段，而上白垩统蒸发岩和古近系细粒单元提供潜在的区域盖层。热年代学重建显示，若干构造域在晚渐新世—早中新世（约30–20 Ma）进入干气生成窗，其与现今氢异常的空间对应关系暗示存在受断裂控制的深部成熟系统运移。综合分析进一步识别出热成因气和天然氢的有利勘探带。所提出的工作流程为全球反转沉积盆地中天然氢与热成因气系统的评价提供了可移植的框架。

四、论文解读
研究背景方面，全球能源转型推动了对低碳能源的探索，氢（H₂）因其高重量能量密度和难减排行业脱碳潜力而成为战略能源载体。天然氢在太古宙克拉通、热液系统、蛇纹石化超镁铁质杂岩、深部沉积盆地和构造活跃区均有记录，其成因包括蛇纹石化、水的辐射分解、水岩相互作用、铁质矿物氧化等非生物机制，以及有机质热演化、烃类裂解和高温水岩反应等热成因过程。然而，这些过程的相对贡献仍不确定，尤其在构造复杂区多重过程可能同时发生。当前天然氢勘探已从单一生成机制评价转向地质系统视角，需综合考虑生成、运移、聚集和保存条件。地表氢异常的解读面临挑战，难以区分深源排放、浅层生物过程和活动断裂系统的瞬变现象。数值盆地模拟已用于区域尺度氢系统评价，但安第斯褶皱冲断带中整合区域多学科工作流程专门调查热成因气系统的研究仍然很少，这一方法学空白限制了独立地质与地球化学证据的系统整合。为此，研究人员在哥伦比亚东科迪勒拉开展了一项综合勘探工作流程研究，作为评价深部气体系统的案例。

研究人员开展了覆盖约17,843 km²、四条区域剖面（自北向南编号1–4）的综合分析，涉及Santander、Boyacá、Cundinamarca和Casanare省。数据集包括超过2000 m地层剖面、53个地表气体测量点、500 ft钻井岩心、181条地震线和热年代学数据（AFT、ZFT、AHe、ZHe）。研究得出以下结论：下白垩统地层为主要热成熟烃源岩；上白垩统蒸发岩和古近系细粒单元为区域盖层；多个构造域在晚渐新世—早中新世进入干气生成窗；地表氢异常与深部成熟系统的断裂控制运移存在空间对应；识别出三个有利勘探带。该研究的重要意义在于提供了一个可移植的工作流程框架，可用于全球反转沉积盆地中天然氢和热成因气系统的评价，有助于降低勘探不确定性。

技术方法方面，研究采用七个相互关联的工作流程：（1）更新地质填图，整合23幅1:100,000地质图及区域填图数据库，统一了112个岩石地层单元；（2）地层与相分析，实测约2000 m剖面并进行沉积学描述（0.5 m间隔）；（3）原位气体测量，采用钻机钻孔后插入气体采样探针，使用Dr?ger X-am 8000检测六种气体；（4）地层井验证与沉积学岩心分析，对Ubalá地区10口井478.23 m连续岩心进行描述；（5）多参数实验室表征，包括光学岩相学、X射线衍射（XRD）、岩石物性、有机地球化学（TOC、Rock-Eval热解）和流体包裹体分析；（6）地质建模，基于181条二维地震线使用Petrel?解释，在MOVE?中平衡复原，采用断层传播褶皱和滑脱褶皱运动学；（7）热年代学模拟，使用QTQt?（v5.8.5）贝叶斯反演模拟，整合114个热年代学样品，采用Ketcham等（2007）磷灰石裂变径迹退火参数、Guenthner等（2013）锆石氦扩散模型和Reiners（2005）磷灰石氦扩散模型，并以Sweeney和Burnham（1990）Easy%Ro模型计算镜质体反射率。样品队列来源为哥伦比亚地质调查局（SGC）地质图、Geosearch–ANH项目（2008）填图数据库、Acerías Paz del Río钻探并捐赠给国家烃类局（ANH）的36口浅孔地层井以及ANH提供的二维地震数据。

研究结果方面，地质填图与岩石地层及构造更新表明，整合地质图将350余个原始单元代号统一为112个岩石地层单元，通过卫星影像和数字高程模型（DEM）地貌分析识别出17条断裂段，四条区域剖面揭示了下白垩统潜在烃源岩与储层间的横向连续性和厚度变化，主要受厚皮断裂系统控制。构造解释表明东科迪勒拉主要受厚皮反转构造控制，涉及中生代伸展断裂的重新活动，构造架构包括西部山麓域（西倾逆冲断层）、轴部域（对称褶皱）和东部山麓域（东倾逆冲断层），平衡复原得出四条剖面缩短量51–54 km。地层、沉积学与岩石物性表征对九个地质单元和三个构造区进行了分析，Chipaque组和Arenisca Dura组孔隙度分别介于7.6%–28.9%和4.7%–32.6%，但约85%样品渗透率低于1 mD；La Paja组平均孔隙度17.6%，渗透率变化大；Areniscas de Chiquinquirá组渗透率最高达290 mD；Lutitas de Macanal组孔隙度仅约20%样品高于5%，渗透率不超过0.187 mD。原位氢测量在全部调查区块发现正异常，浓度达2000 ppm，东部区块记录最高值（延长测量318 ppm，初始测量达2000 ppm），与Las Salinas断裂和Terama背斜系统附近强烈破碎带空间相关；Zipaquirá和Nemocón盐丘测量值一般低于45 ppm，但初始测量达1550 ppm；仙女圈构造初始测量达1200 ppm。井岩心分析表明Ubalá地区Diamante和Ubalá组有机质以惰质组（Type IV干酪根）为主，TOC值0.1–3.0 wt.%，Rock-Eval热解S2值低于0.5 mg HC/g岩石，氢指数低于30 mg HC/g TOC，表明高度氧化和后成熟有机质，常规生烃潜力可忽略；未获得可靠镜质体反射率测量，流体包裹体分析仅识别出水相单相和两相包裹体，无紫外荧光。热模拟与热年代学演化基于114个AFT、ZFT、AHe和ZHe分析，分布于22个构造域，1D热历史模型揭示差异剥露格局：La Salina断裂上盘构造域剥露最早（约45–40 Ma），东倾断裂系统（Soapaga、Boyacá–Chivatá）记录晚中新世（约10–8 Ma）加速剥露；最大模拟古温度约180–280 °C，若干构造域在晚古近纪—早中新世（约30–20 Ma）达到干气生成条件（古温度约150–220 °C），La Salina、Boyacá–Chivatá和Guaicaramo断裂上盘记录最长干气窗停留时间。

讨论部分总结如下：潜在烃源岩、储层和盖层在氢系统中的作用方面，Chipaque和Lutitas de Macanal组平均TOC最高，La Paja组次之，下白垩统细粒层段为主要热成因氢候选烃源岩，古新世Guaduas组煤层为补充潜在烃源（镜质体反射率1.31%–1.44%，中等挥发分烟煤），Diamante组、Tablazo/Upper San Gil和Simití组选定层段、Areniscas de Chiquinquirá和Arenisca Dura组为初步潜在储层候选，Lutitas de Macanal组等细粒低渗层段显示潜在封盖特征，Zipaquirá和Nemocón蒸发岩构造可能对气体圈闭和保存起重要作用。地表氢异常与潜在构造控制方面，东部区块Lutitas de Macanal组出露区记录2000 ppm高值，超过比利牛斯褶皱冲断带和哥伦比亚Llanos、Putumayo、Cauca–Patía盆地地表调查常见值，氢异常与主要区域断裂系统的空间关联暗示构造可能影响气体分布和近地表出现，但数据集无法解析各断裂的连通性、渗透性、封闭行为、应力状态及与潜在气源的关系，应视为需进一步检验的地质假说，Transect 4东部区块为优先后续调查区。热年代学对气体生成、运移和保存的约束方面，不同构造域最大埋藏时间不同（约50 Ma至约8 Ma），若干域在约30–20 Ma经历干气窗长期停留；已发表的下白垩统镜质体反射率约4%支持高度过成熟条件，与热成因氢生成窗（约3.5%开始）一致；现今氢分布可能反映最大埋藏期间及之后多种过程组合，包括已生成气体再活动、沿重新活动深部断裂的幕式运移、区域盖层下滞留或深部持续生成；东科迪勒拉渐进新生代剥露改变了压力-温度条件和运移路径连通性及保存潜力；向东运移至Llanos前陆盆地在地质上合理，向西运移至Middle Magdalena盆地不能排除；蒸发岩层可能在生成和运移后贡献氢保存。热成因气和天然氢有利勘探带方面，基于五项准则的汇聚识别出西部构造带、轴部构造带和东部山麓带三个有利勘探带，西部带（Cambao–Cambras–La Salina构造系统）下白垩统烃源岩保存于断裂相关背斜中，上白垩统蒸发岩封盖，主要风险为密封完整性和造山后剥露导致的气体损失；轴部带（Soapaga、Boyacá、Chivatá断裂系统）具干气窗长期停留的较深构造隔间，但陡倾断裂系统带来储层分隔和运移效率不确定性；东部山麓带（Guavio背斜及Llanos山麓邻区构造）结合地震圈闭与区域基础设施邻近性及Guaicaramo逆冲系统相关运移路径，但充注量和运移效率存在不确定性，基底相关氢生成仍为需检验的替代假说。勘探与研究意义方面，研究证明整合多学科数据集可显著降低地质不确定性，氢系统不应解释为受单一岩石地层单元控制，而可能反映过成熟富有机质烃源岩、煤层、潜在储层、构造控制运移路径和细粒单元的相互作用；与比利牛斯褶皱冲断带的对比表明反转山带勘探应考虑多种潜在氢源，但东科迪勒拉深部岩石圈架构与比利牛斯不同，地幔楔优先与Central Cordillera相关而非直接位于东科迪勒拉之下，因此不能直接假定比利牛斯型幔源氢；主要可移植经验是整合烃源潜力、热历史、构造连通性、运移路径和封盖能力，东科迪勒拉及邻区前陆盆地应作为区域氢系统潜在互连要素评价。研究局限包括氢测量仅提供浓度数据而未约束气体成因，需优先开展H₂、CH₄、CO₂和稀有气体同位素分析，需专门的氢特异性岩石物性、地球化学和动力学实验评估储存能力、可注入性、封闭性和长期保存，三维地震数据可显著改善断裂连通性和圈闭几何表征，未来应通过实验和盆地尺度反应运移模拟评价过成熟下白垩统烃源岩的氢生成动力学。

结论部分翻译如下：本研究表明，系统整合七个互补方法组件——更新地质填图、详细地层分析、原位气体测量、岩心表征、多参数实验室分析、二维地震解释与构造复原以及一维热年代学模拟——为研究构造复杂褶皱冲断带中热成因气和天然氢系统提供了稳健且可移植的工作流程。17,843 km²的综合地质填图和112个岩石地层单元的统一确定，下白垩统层段（包括La Paja、Lutitas de Macanal、Fómeque、Furatena、Muzo和Capotes组）构成研究区主要热成熟烃源岩层段，上白垩统蒸发岩和古近系细粒层段代表最有效的区域封盖单元。白垩系还包含孔隙度和渗透率有利的砂岩主导层段，使Diamante、Tablazo/Upper San Gil、Simití、Areniscas de Chiquinquirá和Arenisca Dura组成为热成因气的初步储层候选，其潜力在构造连接深部断裂处增强，互层细粒单元可提供内部封盖和分隔，但其作为氢储层的有效性仍未确认，需地下表征裂缝连通性、压力、毛细性质和流体-岩石相互作用。地表气体测量在所有调查区块识别出氢异常，浓度达2000 ppm，最高值记录于东部区块Lutitas de Macanal组及邻区下白垩统出露区，这些观察证明存在显著地表氢异常，但本身不能确定气体成因、特定地下气源或活动运移路径。热年代学重建表明受主要基底卷入断裂系统控制的差异剥露复杂历史，若干构造域在晚渐新世—早中新世（约30–20 Ma）达到干气生成条件，高级热成熟区、主要构造不连续面和现今地表氢异常之间的空间对应为评价热演化、构造架构和气体出现之间的潜在关系提供了地质基础，但这些关系不能证明检测到的氢是在已识别成熟地层内生成或目前正通过特定断裂控制路径运移。Ubalá地区岩心和实验室分析揭示高度成熟有机质以Type IV干酪根（惰质组）为主，TOC值达3 wt.%，并显示极端热演化证据，虽然这些层段不再具备常规生烃潜力，但其热状态与高级有机质裂解和后成熟油气系统相关的氢生成机制相容，但现有数据集不足以确定这些层段是否贡献了地表检测到的氢或识别主导氢生成机制。地质、地球化学、构造和热年代学数据集的整合识别出西部、轴部和东部山麓三个有利勘探带，各具烃源岩成熟度、构造圈闭、封盖完整性和运移潜力的独特组合，应视为进一步调查的优先区而非已证实的天然氢聚集。除哥伦比亚案例外，所提出的工作流程为评价其他反转沉积盆地和褶皱冲断带中热成因气和天然氢系统提供了可移植框架，有助于降低勘探不确定性并支持构造复杂地质环境中天然氢资源的未来评价。未来研究应结合氢、甲烷、二氧化碳和稀有气体同位素分析以及高分辨率地震成像、重复时间监测、靶向地下采样和地球化学或动力学研究，以帮助区分潜在氢生成机制、约束气体成因和气源深度、评价可能运移路径并确定已识别地表异常是否与持续地下氢系统相连。