天然气水合物成藏系统研究

天然气水合物成藏系统研究

一、天然气水合物成藏地质模式天然气是在高压和低温条件下由烷、乙烷和二氧化硫等低排放量气体和废水组成的固体物质。它主要存在于农田的永久冻土带和超过300米水深的海上沉积物中。天然气水合物对经济社会和环境具有重要意义,不仅因为天然气水合物可聚集成为经济可观的化石能源,而且也可能通过大规模地质滑坡和甲烷气体释放而造成地质灾害,同时天然气水合物及其赋存沉积物已经成深部生物圈生物地球化学研究的重点领域。天然气水合物成藏关键取决于温度、压力、气体组分和饱和度及孔隙水组成,其结晶和生长还取决于沉积物颗粒大小、形状和组成。控制天然气水合物形成和赋存的这些因素受到海洋中一系列作用的影响,在不同的时间尺度上导致多种可能的动力学反映。正因为如此,世界范围内已知的天然气水合物在垂直方向和水平方向上的分布十分不连续且不均匀。虽然不同地质因素控制下,天然气水合物具有不同的成藏地质模式,但是各地区地质构造环境和水合物成藏所需条件各异,国外学者分别从成藏机理、成藏气源和成藏动力学角度,建立了相应的成藏地质模式。我国学者也提出了扩散型和渗漏型两类概念型天然气水合物成藏模式。科学家已经开始运用系统思想开展天然气水合物气体来源、气体运移、天然气水合物形成之间的内在联系,即围绕天然气水合物成藏系统(gashydratereservoirsystem)进行研究。但大多未对其给出一个明确的定义,研究主要集中在游离气体和水都存在的相平衡系统,或指深海环境甲烷氧化和硫酸盐还原等有机生态系统,或指天然气水合物在温度和压力平衡条件下地质因素对其形成过程的约束。神狐海域调查研究区位于南海北部陆坡中段神狐暗沙东南海域附近,即西沙海槽与东沙群岛之间海域。而笔者的研究区重点位于珠江口盆地珠二坳陷(图1),该坳陷自中中新世以来处于构造沉降阶段,形成了良好的天然气水合物成藏地质条件。近年来,广州海洋地质调查局在该区域开展了天然气水合物地质、地球物理和钻探调查。笔者试图从成藏基本条件、浅表层沉积物孔隙水地球化学特征及其反映的气源、天然气水合物地震特征和分布,初步探讨南海北部陆坡神狐海域天然气水合物成藏系统。二、天然气水合物形成的基本条件1.研究区地温梯度根据19个站位的野外地温梯度测量和室内沉积物样品的热导率测量结果,计算出神狐海域海底热流介于74.0~78.0mW·m-2之间,平均热流值为76.2mW·m-2。5个钻探站位温度原位测量结果表明,研究区的地温梯度为45~67.7℃/km。总的来看,研究区热流和地温梯度处于中—低范围,该区域流体相对活跃,断层发育,有利于天然气水合物的发育。天然气水合物的分布深度和厚度明显受温压条件的控制。通过5个似海底反射(BSR,BottomSimulatingReflector)区块地震剖面上76个BSR点的温度和压力计算表明,研究区BSR处的温度一般为15~25℃,压力一般介于12~18MPa之间,处于水合物稳定存在的温压范围。2.岩体内的气体组分通过气相色谱分析,表1为SH2站位钻探获得的沉积物岩心中的气体组分。由表1可见,研究区沉积物中的气体96.10%~99.82%为甲烷,乙烷和丙烷气体含量很少,说明沉积物中大多形成I型天然气水合物水合物。三、大型重力栓塞沉积物岩心和地层体地层水合物地球化学特征一般来说,如果海底沉积物中赋存有天然气水合物,由于与天然气水合物有关的气体的扩散或者运移,以及沉积物中的地球化学作用以及生物地球化学作用,将在含天然气水合物层之上的沉积物中引起如下变化:①沉积物孔隙水的Cl-含量随着深度加深而迅速降低,同时伴随有较重的δ18O和δD值;②孔隙水硫酸盐含量的急剧线性降低及较浅的硫酸盐—甲烷界面(SMI);③随深度增加,Ca2+、Mg2+、Sr2+浓度的显著降低,Mg2+/Ca2+、Sr2+/Ca2+比值急剧增加,Ba2+浓度升高等。通过神狐海域HS-337PC、HS-338PC、HS-373PC、HS381PC、HS-389PC、HS-500PC等大型重力活塞沉积物岩心地球化学研究,沉积物孔隙水的离子含量都表现出下述特征:随着深度加深,沉积物孔隙水的Cl-含量迅速降低,SO42-含量急剧线性降低,CH4含量呈现缓慢增加的趋势,较浅的SMI深度,Ca2+、Mg2+、Sr2+浓度显著降低,Mg2+/Ca2+、Sr2+/Ca2+比值急剧增加,Ba2+浓度明显增加(图2)。这些特征强烈地暗示了沉积物深部存在着天然气水合物。根据上述各站位大型重力活塞沉积物岩心及SH1、SH2、SH3、SH5、SH7站位钻探岩心沉积物孔隙水SO42-浓度和CH4变化趋势计算出研究区SMI深度如表2所示。从表2可以看出,不同站位沉积物中的SMI不同,钻探站位沉积物中的SMI深度要比大型重力活塞取样站位要深。尽管其原因有待进一步探讨,但总的来说研究区的SMI深度普遍较深。形成天然气水合物的气体来源主要有生物成因和热解成因。生物成因甲烷来自于存在有机质,并有微生物群存在的任何地方。不均匀的甲烷生成是消耗甲烷的微生物作用。在海洋沉积物中,硫酸盐的甲烷厌氧氧化作用(AOM)很大程度上是海底至海底及其以下一定深度发现的甲烷消耗带(无甲烷)的主要原因,而这种深度在某些环境可达几百米。这种甲烷消耗带的厚度,即硫酸盐消耗带的底界是扩散型为主的天然气水合物体系的甲烷通量的重要指标。但是,天然气水合物也发现于或接近海底[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。这种海底表面天然气水合物的形成和稳定需要快速的甲烷流体,并且许多地方显示出来自海底以下较深部的热解气地球化学特征。因此,南海北部神狐海域较深的SMI深度说明其形成天然气水合物的甲烷气体的垂向通量较小,其来源主要是生物成因甲烷,并非深部的热解气。四、地震波形剖面内bsr波形特点BSR是天然气水合物在地震剖面上的主要响应,也是研究天然气水合物分布特征的主要参数之一。从BSR分布形态来看,研究区大部分BSR与地层存在着斜交现象。从振幅和连续性看,BSR振幅变化不大,以强或中强振幅为主,中高振幅反映了BSR上下地层的物性(速度和密度)有较大的差异,即波阻抗差较大,推测主要由于BSR下部含有较丰富的游离气所致。除个别BSR段表现为较差连续性外,其余都为高或中—高连续,反映了BSR上下地层物性在横向上分布比较稳定。连续分布的BSR也同时具有中高振幅的特征,说明研究区天然气水合物(或游离气)丰度较高,横向分布较稳定(图3)。从波形组合和极性特征看,通过地震波形剖面的仔细判读,发现大多数极性反转的BSR波形都表现为成对出现的振幅波谷—波峰组合的双峰,只有少数连续性较差的BSR波形极性不明显。另外,研究区BSR以及上覆地层均存在地震速度异常(图3)和波阻抗、AVO、瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率等地震属性异常,反映出存在天然气水合物的分布特征。从平面上分析,研究区BSR以大小不等的区块分布,各区块中BSR延伸长度不等,一般延伸长度介于1.5~2.5km之间。从BSR的垂向分布深度看,BSR一般处于海底以下150~350m之间。通过对研究区地震剖面的精细解释,发现几乎所有BSR上部都发育有弱振幅或振幅空白带,并呈现以下特征:①空白带发育不均,同一区块、同一测线不同BSR段空白带发育差别大,空白带表现为团块状或层间空白(图3),可能反映了水合物的赋存特征;②明显空白带的出现与强振幅、高连续的BSR具有较好的对应关系。2007年4~6月,中国地质调查局首次组织实施了天然气水合物钻探工程,在研究区SH2、SH3、SH7这3个站位取得天然气水合物实物样品。通过钻探、电缆测井、取心、原位温度测量和孔隙水取样、现场测试分析等表明,研究区含天然气水合物层段位于海底以下153~225m,厚度为18~34m,水合物饱和度最高达48%。尽管各站位含天然气水合物的沉积物层段赋存深度和厚度不同,但在天然气水合物分布上有一个共同特征:①纵向上,天然气水合物赋存比较深,且含天然气水合物的沉积物层恰好位于BSR以上一定深度内;②平面上,虽然并非所有BSR区块都有天然气水合物,但那些具有强烈BSR反射特征的区块都钻探发现了天然气水合物;③含天然气水合物的沉积物都是细粒的有孔虫黏土或有孔虫粉沙质黏土,且高饱和度水合物在其中以均匀分散状分布。五、形成天然气水合物成藏系统的可能性天然气水合物成藏系统是一个非常复杂的系统。Tréhu等(2006)总结了大洋钻探计划(ODP)、综合大洋钻探计划(IODP)、美国能源部(DOE)计划和雪佛龙—德克萨斯联合工业计划(JIP)等最近实施的科学大洋钻探获得的关于天然气水合物的主要经验,根据控制气体进入天然气水合物稳定带的机制,将天然气水合物划分为聚集型(Focused,High-FluxGasHydrate,FHF)和分散型(Distributed,Low-FluxGasHydrate,DLF)两类。FHF系统往往形成块状天然气水合物赋存于海底附近;而DLF系统则造成了分散状天然气水合物赋存于沉积物深部。研究区沉积物中较深的SMI深度反映甲烷流体垂向通量较低。从天然气水合物分布特征推断,形成天然气水合物的甲烷气体很可能来源于原位微生物成因甲烷,形成的天然气水合物以稳定带底界(BGHSZ,接近BSR深度)附近的含量最高,但一般相对较低(孔隙空间的百分之几至百分之二十几)。这与布莱克海台、水合物脊发现的天然气水合物分布特征相似。但是,流体对流仍然是含甲烷流体运移到天然气水合物稳定带的关键。除非原位生物成因甲烷的生产力比我们通常想象的要高,这种流体的扩散非常低,不足以在合理的地质时间尺度内形成比较厚的天然气水合物。研究区具有稳定的构造背景,沉积物相对均匀细粒,以有孔虫黏土或有孔虫粉沙质黏土为主,渗透率相对较低。由此