天然氣水合物成藏系統(tǒng)研究

天然氣水合物成藏系統(tǒng)研究

一、天然氣水合物成藏地質(zhì)模式天然氣是在高壓和低溫條件下由烷、乙烷和二氧化硫等低排放量氣體和廢水組成的固體物質(zhì)。它主要存在于農(nóng)田的永久凍土帶和超過300米水深的海上沉積物中。天然氣水合物對經(jīng)濟(jì)社會和環(huán)境具有重要意義,不僅因?yàn)樘烊粴馑衔锟删奂蔀榻?jīng)濟(jì)可觀的化石能源,而且也可能通過大規(guī)模地質(zhì)滑坡和甲烷氣體釋放而造成地質(zhì)災(zāi)害,同時天然氣水合物及其賦存沉積物已經(jīng)成深部生物圈生物地球化學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。天然氣水合物成藏關(guān)鍵取決于溫度、壓力、氣體組分和飽和度及孔隙水組成,其結(jié)晶和生長還取決于沉積物顆粒大小、形狀和組成?？刂铺烊粴馑衔镄纬珊唾x存的這些因素受到海洋中一系列作用的影響,在不同的時間尺度上導(dǎo)致多種可能的動力學(xué)反映。正因?yàn)槿绱?世界范圍內(nèi)已知的天然氣水合物在垂直方向和水平方向上的分布十分不連續(xù)且不均勻。雖然不同地質(zhì)因素控制下,天然氣水合物具有不同的成藏地質(zhì)模式,但是各地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和水合物成藏所需條件各異,國外學(xué)者分別從成藏機(jī)理、成藏氣源和成藏動力學(xué)角度,建立了相應(yīng)的成藏地質(zhì)模式。我國學(xué)者也提出了擴(kuò)散型和滲漏型兩類概念型天然氣水合物成藏模式?？茖W(xué)家已經(jīng)開始運(yùn)用系統(tǒng)思想開展天然氣水合物氣體來源、氣體運(yùn)移、天然氣水合物形成之間的內(nèi)在聯(lián)系,即圍繞天然氣水合物成藏系統(tǒng)(gashydratereservoirsystem)進(jìn)行研究。但大多未對其給出一個明確的定義,研究主要集中在游離氣體和水都存在的相平衡系統(tǒng),或指深海環(huán)境甲烷氧化和硫酸鹽還原等有機(jī)生態(tài)系統(tǒng),或指天然氣水合物在溫度和壓力平衡條件下地質(zhì)因素對其形成過程的約束。神狐海域調(diào)查研究區(qū)位于南海北部陸坡中段神狐暗沙東南海域附近,即西沙海槽與東沙群島之間海域。而筆者的研究區(qū)重點(diǎn)位于珠江口盆地珠二坳陷(圖1),該坳陷自中中新世以來處于構(gòu)造沉降階段,形成了良好的天然氣水合物成藏地質(zhì)條件。近年來,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在該區(qū)域開展了天然氣水合物地質(zhì)、地球物理和鉆探調(diào)查。筆者試圖從成藏基本條件、淺表層沉積物孔隙水地球化學(xué)特征及其反映的氣源、天然氣水合物地震特征和分布,初步探討南海北部陸坡神狐海域天然氣水合物成藏系統(tǒng)。二、天然氣水合物形成的基本條件1.研究區(qū)地溫梯度根據(jù)19個站位的野外地溫梯度測量和室內(nèi)沉積物樣品的熱導(dǎo)率測量結(jié)果,計(jì)算出神狐海域海底熱流介于74.0~78.0mW·m-2之間,平均熱流值為76.2mW·m-2。5個鉆探站位溫度原位測量結(jié)果表明,研究區(qū)的地溫梯度為45~67.7℃/km?？偟膩砜?研究區(qū)熱流和地溫梯度處于中—低范圍,該區(qū)域流體相對活躍,斷層發(fā)育,有利于天然氣水合物的發(fā)育。天然氣水合物的分布深度和厚度明顯受溫壓條件的控制。通過5個似海底反射(BSR,BottomSimulatingReflector)區(qū)塊地震剖面上76個BSR點(diǎn)的溫度和壓力計(jì)算表明,研究區(qū)BSR處的溫度一般為15~25℃,壓力一般介于12~18MPa之間,處于水合物穩(wěn)定存在的溫壓范圍。2.巖體內(nèi)的氣體組分通過氣相色譜分析,表1為SH2站位鉆探獲得的沉積物巖心中的氣體組分。由表1可見,研究區(qū)沉積物中的氣體96.10%~99.82%為甲烷,乙烷和丙烷氣體含量很少,說明沉積物中大多形成I型天然氣水合物水合物。三、大型重力栓塞沉積物巖心和地層體地層水合物地球化學(xué)特征一般來說,如果海底沉積物中賦存有天然氣水合物,由于與天然氣水合物有關(guān)的氣體的擴(kuò)散或者運(yùn)移,以及沉積物中的地球化學(xué)作用以及生物地球化學(xué)作用,將在含天然氣水合物層之上的沉積物中引起如下變化:①沉積物孔隙水的Cl-含量隨著深度加深而迅速降低,同時伴隨有較重的δ18O和δD值;②孔隙水硫酸鹽含量的急劇線性降低及較淺的硫酸鹽—甲烷界面(SMI);③隨深度增加,Ca2+、Mg2+、Sr2+濃度的顯著降低,Mg2+/Ca2+、Sr2+/Ca2+比值急劇增加,Ba2+濃度升高等。通過神狐海域HS-337PC、HS-338PC、HS-373PC、HS381PC、HS-389PC、HS-500PC等大型重力活塞沉積物巖心地球化學(xué)研究,沉積物孔隙水的離子含量都表現(xiàn)出下述特征:隨著深度加深,沉積物孔隙水的Cl-含量迅速降低,SO42-含量急劇線性降低,CH4含量呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢,較淺的SMI深度,Ca2+、Mg2+、Sr2+濃度顯著降低,Mg2+/Ca2+、Sr2+/Ca2+比值急劇增加,Ba2+濃度明顯增加(圖2)。這些特征強(qiáng)烈地暗示了沉積物深部存在著天然氣水合物。根據(jù)上述各站位大型重力活塞沉積物巖心及SH1、SH2、SH3、SH5、SH7站位鉆探巖心沉積物孔隙水SO42-濃度和CH4變化趨勢計(jì)算出研究區(qū)SMI深度如表2所示。從表2可以看出,不同站位沉積物中的SMI不同,鉆探站位沉積物中的SMI深度要比大型重力活塞取樣站位要深。盡管其原因有待進(jìn)一步探討,但總的來說研究區(qū)的SMI深度普遍較深。形成天然氣水合物的氣體來源主要有生物成因和熱解成因。生物成因甲烷來自于存在有機(jī)質(zhì),并有微生物群存在的任何地方。不均勻的甲烷生成是消耗甲烷的微生物作用。在海洋沉積物中,硫酸鹽的甲烷厭氧氧化作用(AOM)很大程度上是海底至海底及其以下一定深度發(fā)現(xiàn)的甲烷消耗帶(無甲烷)的主要原因,而這種深度在某些環(huán)境可達(dá)幾百米。這種甲烷消耗帶的厚度,即硫酸鹽消耗帶的底界是擴(kuò)散型為主的天然氣水合物體系的甲烷通量的重要指標(biāo)。但是,天然氣水合物也發(fā)現(xiàn)于或接近海底[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。這種海底表面天然氣水合物的形成和穩(wěn)定需要快速的甲烷流體,并且許多地方顯示出來自海底以下較深部的熱解氣地球化學(xué)特征。因此,南海北部神狐海域較深的SMI深度說明其形成天然氣水合物的甲烷氣體的垂向通量較小,其來源主要是生物成因甲烷,并非深部的熱解氣。四、地震波形剖面內(nèi)bsr波形特點(diǎn)BSR是天然氣水合物在地震剖面上的主要響應(yīng),也是研究天然氣水合物分布特征的主要參數(shù)之一。從BSR分布形態(tài)來看,研究區(qū)大部分BSR與地層存在著斜交現(xiàn)象。從振幅和連續(xù)性看,BSR振幅變化不大,以強(qiáng)或中強(qiáng)振幅為主,中高振幅反映了BSR上下地層的物性(速度和密度)有較大的差異,即波阻抗差較大,推測主要由于BSR下部含有較豐富的游離氣所致。除個別BSR段表現(xiàn)為較差連續(xù)性外,其余都為高或中—高連續(xù),反映了BSR上下地層物性在橫向上分布比較穩(wěn)定。連續(xù)分布的BSR也同時具有中高振幅的特征,說明研究區(qū)天然氣水合物(或游離氣)豐度較高,橫向分布較穩(wěn)定(圖3)。從波形組合和極性特征看,通過地震波形剖面的仔細(xì)判讀,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)極性反轉(zhuǎn)的BSR波形都表現(xiàn)為成對出現(xiàn)的振幅波谷—波峰組合的雙峰,只有少數(shù)連續(xù)性較差的BSR波形極性不明顯。另外,研究區(qū)BSR以及上覆地層均存在地震速度異常(圖3)和波阻抗、AVO、瞬時振幅、瞬時相位、瞬時頻率等地震屬性異常,反映出存在天然氣水合物的分布特征。從平面上分析,研究區(qū)BSR以大小不等的區(qū)塊分布,各區(qū)塊中BSR延伸長度不等,一般延伸長度介于1.5~2.5km之間。從BSR的垂向分布深度看,BSR一般處于海底以下150~350m之間。通過對研究區(qū)地震剖面的精細(xì)解釋,發(fā)現(xiàn)幾乎所有BSR上部都發(fā)育有弱振幅或振幅空白帶,并呈現(xiàn)以下特征:①空白帶發(fā)育不均,同一區(qū)塊、同一測線不同BSR段空白帶發(fā)育差別大,空白帶表現(xiàn)為團(tuán)塊狀或?qū)娱g空白(圖3),可能反映了水合物的賦存特征;②明顯空白帶的出現(xiàn)與強(qiáng)振幅、高連續(xù)的BSR具有較好的對應(yīng)關(guān)系。2007年4~6月,中國地質(zhì)調(diào)查局首次組織實(shí)施了天然氣水合物鉆探工程,在研究區(qū)SH2、SH3、SH7這3個站位取得天然氣水合物實(shí)物樣品。通過鉆探、電纜測井、取心、原位溫度測量和孔隙水取樣、現(xiàn)場測試分析等表明,研究區(qū)含天然氣水合物層段位于海底以下153~225m,厚度為18~34m,水合物飽和度最高達(dá)48%。盡管各站位含天然氣水合物的沉積物層段賦存深度和厚度不同,但在天然氣水合物分布上有一個共同特征:①縱向上,天然氣水合物賦存比較深,且含天然氣水合物的沉積物層恰好位于BSR以上一定深度內(nèi);②平面上,雖然并非所有BSR區(qū)塊都有天然氣水合物,但那些具有強(qiáng)烈BSR反射特征的區(qū)塊都鉆探發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物;③含天然氣水合物的沉積物都是細(xì)粒的有孔蟲黏土或有孔蟲粉沙質(zhì)黏土,且高飽和度水合物在其中以均勻分散狀分布。五、形成天然氣水合物成藏系統(tǒng)的可能性天然氣水合物成藏系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。Tréhu等(2006)總結(jié)了大洋鉆探計(jì)劃(ODP)、綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)、美國能源部(DOE)計(jì)劃和雪佛龍—德克薩斯聯(lián)合工業(yè)計(jì)劃(JIP)等最近實(shí)施的科學(xué)大洋鉆探獲得的關(guān)于天然氣水合物的主要經(jīng)驗(yàn),根據(jù)控制氣體進(jìn)入天然氣水合物穩(wěn)定帶的機(jī)制,將天然氣水合物劃分為聚集型(Focused,High-FluxGasHydrate,FHF)和分散型(Distributed,Low-FluxGasHydrate,DLF)兩類。FHF系統(tǒng)往往形成塊狀天然氣水合物賦存于海底附近;而DLF系統(tǒng)則造成了分散狀天然氣水合物賦存于沉積物深部。研究區(qū)沉積物中較深的SMI深度反映甲烷流體垂向通量較低。從天然氣水合物分布特征推斷,形成天然氣水合物的甲烷氣體很可能來源于原位微生物成因甲烷,形成的天然氣水合物以穩(wěn)定帶底界(BGHSZ,接近BSR深度)附近的含量最高,但一般相對較低(孔隙空間的百分之幾至百分之二十幾)。這與布萊克海臺、水合物脊發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物分布特征相似。但是,流體對流仍然是含甲烷流體運(yùn)移到天然氣水合物穩(wěn)定帶的關(guān)鍵。除非原位生物成因甲烷的生產(chǎn)力比我們通常想象的要高,這種流體的擴(kuò)散非常低,不足以在合理的地質(zhì)時間尺度內(nèi)形成比較厚的天然氣水合物。研究區(qū)具有穩(wěn)定的構(gòu)造背景,沉積物相對均勻細(xì)粒,以有孔蟲黏土或有孔蟲粉沙質(zhì)黏土為主,滲透率相對較低。由此