南海北部陆坡天然气水合物bsr的分布

南海北部陆坡天然气水合物bsr的分布

天然气水合物，也被称为可燃冰，是在低温和高压条件下形成的一种固体物质。这是地球上尚未开发的最大潜力能源。近20年来,世界各国相继开展了天然气水合物的调查研究和评价工作并取得了一定的进展。国际上通过大洋钻探计划(ODP)和综合大洋钻探计划(IODP)的实施,已在全球多个海域发现了天然气水合物存在的标志。中国国土资源部地质调查局于2007年5月首次在中国南海北部神狐海域成功获得了天然气水合物实样,并于2013年在珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物,从而证实了中国珠江口盆地海域蕴藏有丰富的天然气水合物资源,实现了天然气水合物资源调查的战略突破。由此使中国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家,为中国南海天然气水合物的资源分布与勘探前景研究提供了可靠证据。天然气水合物的形成、演化及赋存成藏需要地球物理、地球化学等因素的匹配。当前国内外学者认为水合物稳定带(GHSZ)是受温度、压力条件的控制,BSR及其之上出现的振幅空白带已成为判断海洋中存在天然气水合物及寻找其分布的最好证据。然而,BSR或水合物的分布又与温度、压力状态方程预测的GHSZ不尽一致,水合物往往处于动态平衡变化的过程中,评价水合物分布范围与规律目前仍没有非常可靠的方法,仅用BSR来评价水合物的发育分布,总会有很多不确定性。BSR代表的是水合物稳定带与其下出现的游离气间的界面,若沉积物孔隙中充填少量气体,也会产生强烈的地层反射形成BSR。因此,天然气水合物与BSR并不存在一一对应的关系。此外,BSR还受构造作用、沉积作用、沉积物的含碳量和水合物含量等诸多因素影响,岩石的物性和地震资料处理等因素对地震属性也有一定影响。当前国际上对天然气水合物成藏系统已开展了一定研究,并建立了相关的成藏模式,但绝大部分都是从地球物理、地质构造、气源、热力学环境及动力学角度分析的,就天然气水合物的沉积成藏条件及模式来说,仍缺乏系统考虑多种地质作用及地球物理、地球化学等因素对成藏作用的综合影响。将烃类气体供应、烃类气体运移通道、岩层和构造对水合物产状与分布的控制作用综合分析的水合物成藏系统研究依然较少。1南海边缘海基底结构陆坡、海隆、边缘海深水盆地中的表层沉积物或沉积岩中赋存有天然气水合物,这些构造单元是天然气水合物富集成藏的理想场所。中国南海北部大陆边缘也属被动大陆边缘,是西太平洋最大的边缘海之一,既具有被动陆缘的共同特征又具有相应的特色,其盆地形成演化不仅受到了中生代—新生代周边不同板块的相互作用,而且还受到南海扩张裂解等地球动力学事件的深刻影响,具有良好的天然气水合物成藏条件和勘探前景。南海北部陆坡区涉及东沙地区、神狐地区、西沙地区和琼东南地区,其整体呈NE向展布,涉及南海海域范围27.8×104km2。神狐海域水合物钻探区位于南海北部陆坡中段的神狐暗沙东南海域附近,即西沙海槽与东沙群岛之间海域,在A、B、C3个站位钻获天然气水合物实样(图1)。在海洋环境中,天然气水合物稳定带受温度、压力的控制,水合物的稳定性对水温和海平面的变化较为敏感。层序地层学在研究海平面相对变化的基础上为沉积背景分析、沉积体系展布、沉积相及岩相预测提供了有效的理论基础和方法手段,在层序地层格架下揭示和预测沉积体系时空演化进而指导本区天然气水合物的沉积成藏特征具有重要意义。笔者结合神狐地区钻探层序划分和从中中新世以来南海发生的构造运动以及全球和莺-琼盆地、珠江口盆地海平面相对变化,在自晚中新世以来的地层中共识别出3个三级层序界面,对应的时间分别是11.61Ma、5.33Ma、1.81Ma,从而界定了3个三级层序,从下而上分别为层序Ⅲ、层序Ⅱ、层序Ⅰ(图2)。2天然气水合物分布2.1天然气水合物形成环境受自然界温度、压力条件限制,海洋环境中天然气水合物赋存于水深超过300m的区域。天然气水合物的稳定带厚度主要取决于地温梯度和海水深度,地温梯度降低和水深增加都会使稳定域厚度增大。用深度/压力-温度图来确定天然气水合物稳定带底界,其数值在地温和海水相平衡曲线的交点上。研究区的水深为300～4400m,海水表面温度为1～5℃,地温梯度大体在20～70℃/km,大地热流值介于40～110mW/m2,具备形成天然气水合物的热力学背景。南海东沙和神狐水合物调查区BSR分布区的温压数据散点图沿纯甲烷水合物相平衡曲线形成一个相对集中的区域,证明了该区域具备形成天然气水合物的温度和压力条件(图3)。南海神狐水合物钻探区A站位的海底水深约1232m,海底水温3.92℃,该区据钻孔资料得出的地温梯度为48℃/km,其水合物稳定带在纯甲烷情况下理论计算厚度约278m(图3)。然而,钻获水合物的地层在海底191～225m的厚度区间,表明虽然水合物出现在预测的天然气水合物稳定带内,但只分布在较薄的地层中。南海北部地区现今地温场具有“热盆”属性,地温梯度随着水深的增加整体表现出增加的趋势,BSR分布区的大地热流值介于65～90mW/m2,主要集中在75～85mW/m2(图1),相对于其他海域大多数BSR分布区其数值偏高,因此天然气水合物出现带的厚度也就较薄。2.2南海边缘海区的bsr分布天然气水合物富集成矿后一般有其特有的表现,总体反映为地球物理响应与地球化学异常,如地震上的相关识别标志即似海底反射(BSR),它是水合物高阻抗与其下伏低阻抗沉积层之间相互作用而形成的较强振幅差异所表现的地震反射,是天然气水合物富集成矿的主要地球物理标志。截至2003年,全世界海域发现85处天然气水合物,其中存在BSR标志的有67处,占79%。依据研究区地震剖面上BSR的反射特征(图4),在南海北部大陆边缘晚中新世以来的地层中共识别出26个BSR分布区(图1),它们分布面积相差悬殊,大部分位于浅海—半深海区域,水深小于2000m的有17个,位于2000～3000m的有7个,水深超过3000m的仅有2个。地理位置上,琼东南和西沙地区的BSR分布数量均为6个,神狐地区分布有面积差别悬殊的10个BSR区域,东沙地区的BSR分布区仅有2个但面积大,且均位于台湾浅滩陆坡的深水区域,而东沙台地主体部位却无BSR的发育。构造背景上,在陆缘西段毗邻红河走滑断裂带的琼东南盆地、陆缘中部广阔的准被动大陆边缘性质的裂陷型陆缘、陆缘东段毗邻台湾造山带的水下逆冲推覆带,都有BSR的发现。绝大多数BSR分布区均位于地貌变化陡峭、地形起伏较大、且长期继承性沉降的地区,如琼东南地区的上陆坡、西沙地区和神狐地区东段的上陆坡。也有少量BSR分布区的地形地貌相对简单和平坦,但所在的水深较大。3天然气水合物沉积成藏控制因素3.1陆架深水区盆地油气运移特征就目前的研究成果,天然气水合物的气源以有机成因气为主,并仍然遵循“水合物源控论”的思想。对于被动大陆边缘来说,海台区水合物的形成以深部热解成因气的垂向迁移为主,海底扇以生物气的横向迁移为主,而海槽及底辟区则以混合气为主。在非活动陆缘的深水区叠合盆地内,常常发育有深部石油—中部天然气—浅部水合物的“三位一体”烃类能源结构模式。南海北部陆缘盆地天然气成因类型复杂,陆架浅水区和陆坡深水区的海底广泛分布生物气及亚生物气,具备形成大量生物气的有利沉积相带,主要分布在莺歌海盆地、琼东南盆地及珠江口盆地海底及200～2300m浅层。陆缘深水区主要发育3套烃源岩,而神狐水合物钻探海域所在的白云凹陷主要有2套深层烃源岩,包括始新统—渐新统湖相泥岩和新近系浅海—半深海相泥岩,已有研究证明神狐区域天然气水合物的气源为浅部生物气和深部热成因气组成的混合成因气,以浅部生物气为主。3.2粗粒碎屑沉积天然气水合物的形成需要一定的孔隙空间和水介质。沉积速率高的粗粒碎屑沉积区可构成良好的流体输导体系,有利于水合物的形成。因此,研究沉积体系分布、沉积相、沉降-沉积速率、沉积物类型等特征,对分析水合物成藏的沉积条件与沉积成藏规律是有益的。3.2.1沉积相对bsr的控制海底重力流沉积尤其是等深流和浊流沉积,以及三角洲前缘的滑塌扇和位于构造转折处的斜坡扇为天然气水合物发育和赋存的有利相带。天然气水合物主要集中在各种快速沉积体的前缘,如三角洲前缘及浊积扇、等深流等沉积体的前缘部分。沉积相与BSR的关系随地层深度的不同而有所变化。对于南海北部陆坡研究区,以有BSR广泛分布的层序Ⅱ为例,其在西沙、神狐、东沙均可见,主要分布在各种沉积体(三角洲、浊积体、斜坡扇等)的前缘,此外浅海相、半深海相和等深流沉积体中也发育大量BSR,说明在相对中等埋深的地层中,水合物的形成受沉积相控制较为明显。地层由深变浅,BSR受控于沉积相的作用越明显,与高沉积速率的三角洲相关性更好(图5)。3.2.2欠压实区流体输导体系沉积速率是影响水合物形成的重要机制之一。在美国大西洋边缘,沉积速率是控制水合物聚集的最主要因素。这主要因为沉积速率高的粗粒碎屑沉积区易形成欠压实区,从而可构成良好的流体输导体系,将有利于水合物的形成。因而,有理由认为水合物富集在沉积厚度较大但不是最大的地方。因为最大的地方是沉积中心,砂/泥比太小,不利于水合物的形成。沉积速率与BSR的关系也随地层埋深的不同而变化。沉积速率高值区由于欠压实作用的影响,一般代表储集空间良好,流体输导能力强的地区。以本研究区有最广泛BSR分布的层序Ⅱ为例,BSR主要分布在沉积速率大于60m/Ma的相对高值区(图6)。3.2.3层序含砂率对储集空间和输导能力的要求含砂率直接影响储层空间和孔隙水的发育,从而影响天然气水合物的发育。自然条件下,粗粒沉积物有利于水合物的形成和富集,海洋气水合物主要产出于颗粒较粗的软性未固结的沉积物中,如含砂软泥,沉积物的粒度较粗、孔隙度较大。地层含砂率越小,储集空间越小,孔隙水也越少,不利于天然气水合物的形成,反之有利于天然气水合物的形成;但含砂率太高,封闭性变差,则不利于水合物的保存。研究区层序Ⅱ的BSR在含砂率值高和低的区间均有较好的发育。在南部水深较大的区域,BSR主要分布在含砂率小于10%的低值区;在北部水深较小的区域,BSR主要分布在含砂率约15%的相对高值区(图7)。这表明对于相对中等埋深的地层,在水深较大区域,水合物对沉积体的储集性要求不高;而在水深较小的区域,水合物对沉积体的储集空间和输导能力则有较高的要求。总之,随着地层由深变浅,BSR逐步分布在含砂率值较大的地区,对沉积体储集性要求也越高。3.2.4沉积相与粒度目前世界海域中发现的天然气水合物部分呈透镜状、结核状、颗粒状或片状分布于细粒级的沉积物中,含天然气水合物的沉积物岩性多为粉砂和黏土。通过对南海海域神狐钻探区水合物取心井段的粒级组分分析,可以发现沉积物类型较单一,粒度较细,主要由黏土质粉砂和粉砂组成,其中砂的含量小于10%,粉砂含量介于70%～80%。虽然含水合物层段的岩性组分含量(图8,表1)及粒度特征与其上、下层位差别不大,但在含水合物层段内部砂/地比越高,水合物饱和度越大,这说明相对粗粒沉积物有利于水合物的形成和赋存。3.3水合物及bsr的沉积体分布BSR可以发育分布在陆架[图9(a)—图9(b)]、陆坡[图9(c)—图9(d)]和陆基至深海[图9(e)—图9(f)],通过分析一些典型沉积体与BSR的关系,可以进一步明确水合物及BSR的分布规律。3.3.1裂陷后形成规模效应的天然气水合物矿构造坡折带是同沉积构造长期活动引起的沉积斜坡明显突变的地带,制约着盆地沉积相域的空间分布,是天然气水合物发育和赋存的重要构造单元。构造坡折带一般具有地形坡降较大、沉积厚度大的特点,而且底部断裂相对发育。同时构造坡折带上往往岩性较粗,储集体较发育,易于捕捉大量的天然气,从而形成具有规模效应的天然气水合物矿藏。南海北部大陆边缘盆地演化经历了裂陷期和裂陷后热沉降期2个阶段。在裂陷期形成了大量断裂构造,在凹陷的边缘往往发育规模较大的同生断层,控制了盆地的边界和古地形,并在后期继续活动,控制了陆坡的起伏和演化,这样的地区被称为断裂坡折带(图9),其具有天然气水合物富集的有利条件:①断裂坡折带连接下部生烃凹陷,具有充足的气源条件;②坡折带发育有丰富的海底扇浊积砂体和滑塌堆积体,为天然气水合物形成提供了良好的储层条件;③坡折带的海底地形崎岖,沿坡折带形成的水下扇和海底扇砂体也可作为天然气侧向运移的良好通道。3.3.2陆坡上水合物的形成滑塌块体是沉积物重力流的一种,属阵发性因素直接或间接诱发形成的块体流和高密度流。自20世纪70年代后期以来,科学家已注意到在海底滑塌部位存在天然气水合物,并在地震剖面中发现了海底滑塌及BSR,滑塌构造常发育于坡折带或陡峭的陆坡上,其与水合物的分解及形成有密切的关系。滑塌体的发育为天然气水合物赋存提供了较为适宜的温度、压力环境,它可能是滑塌构造的一个诱导因素。另外,滑塌本身可能就是由于气水合物分解而产生的构造效应。由于构造运动或者海平面的下降,水合物分解时释放大量的水和气体,使水合物带从半胶结状态转变为充满气体状态,导致孔隙压力过剩降低了斜坡的稳定性,在重力直接作用下或外界因素(海啸、风暴等)诱发下,使水合物沉积层沿陆坡发生滑动或滑塌而形成重力流。BSR通常位于快速沉积的等深流、浊积体和滑塌体沉积体系,这些沉积体通常是突发事件的产物,沉积速率和沉积厚度相对较大,因此为天然气水合物聚集的有利相带。3.3.3等深流沉积相深水沉积物波是一种大型的波状沉积底形,可以分布于陆架坡折到深海平原的任何深度。深海沉积物波按成因分为4类:浊流成因、底流(等深流)成因、内波成因和潮汐作用成因。神狐海域沉积物波由一系列逆陆坡方向向上迁移的沉积物波组成,形成反向沉积构造,波形在上陆坡一侧短而陡、下陆坡一侧长而缓。此沉积物波的波谷和地层中的滑动面有较好的对应关系,暗示了该波域的重力变形成因。等深流沉积属深水沉积体系中重要的沉积类型,由于等深流沉积具有颗粒较粗、储集物性好、气源充足和流体运移条件优越等特点,对天然气水合物的形成相当有利,因此等深流沉积作用强烈的海区往往是天然气水合物的有利富集区。等深流沉积物波是常见的等深流沉积建造,多数情况下以顺陆坡走向的、大致平行于等深线流动的地转等深流为主,其地震反射呈席状波形相,厚度均一。在南海北部深水陆坡环境已确认发育若干类型的等深流沉积,发育于水深500～5000m的广泛海域的上新世和第四纪地层中。东沙海域东部水深3100～3300m的海盆内存在明显的席状波形相,推测为大型等深流迁移沉积物的地震相响应[图9(f)],其处于天然气水合物成藏的有利温度-压力域内,因此认为是天然气水合物聚集的有利相带。4陆基及海底区基于以上分析,建立了南海北部陆坡天然气水合物的沉积成藏模式(图10)。在陆架之上部位,无BSR分布,主要原因是不能满足水合物形成及赋存的温度、压力条件。在陆架区,BSR与高沉积速率三角洲沉积密切相关,主要赋存于三角洲前缘,并且可能与低位正常海退形成的低位体系域关系更为密切,水合物成藏的关键在于深部气源的沟通条件。陆坡部位地形坡度大,在坡折带及海槽和底辟区,BSR多赋存在滑塌或滑移体中,受断层切割等造成的地形起伏,BSR往往呈断续分布,其气源为靠气烟囱或断层沟通的深部热解气与浅部生物成因气的混合成因气。在陆基及深海区,BSR发育在海底扇、浊流、等深流沉积中,由于地势相对平坦,BSR侧向分布较连续,此部位往往缺少断层及气烟囱沟通深部热解气源,因此其气源更多的为浅部生物成因气,以侧向运移为主。总体上,BSR与高沉积速率的三角洲、构造坡折、深水重力流及等深流沉积密切相关,绝大多数BSR分布区均位于地貌变化陡峭、地形起伏较大、长期继承性隆升与沉降交汇的向海地区。在这些地区,构造活动较为强烈,沉积物的快速卸载区可为天然气水合物的赋存提供较好的沉积储层条件,尤其是坡下的重力流沉积,包括滑移块体、滑塌块体、砂质碎屑流、浊流等。沉积物快速沉积,可容纳空间迅速补偿,以富泥的细粒沉积为