南海北部陆坡页岩气水合物稳定域的恢复

南海北部陆坡页岩气水合物稳定域的恢复

0天然气水合物成藏条件天然气水合物是水包围的气，外看起来像冰。早在1810年,英国科学家就在实验室中合成了水合物,并开展了有关水合物合成条件、分子结构、物理性质等方面的研究。上世纪30年代,石油工业在天然气管道中发现了这类物质,并把它们当作一种有害物质来对待,因为天然气水合物在输气管道中形成,堵塞了天然气的管道运输。上世纪40年代,前苏联科学家预测自然界中可能存在天然的水合物矿藏。自从上世纪60年代前苏联科学家在西伯利亚梅索亚哈气田发现了天然状态存在的水合物以后,世界各国已陆续在海域活动大陆边缘和被动大陆边缘、陆域的永久冻土带等获得了天然气水合物样品,并估计天然气水合物在地球上的储量相当巨大。随着世界经济的持续发展,各国对石油的需求越来越大,油气供应持续紧张,天然气水合物因其广泛的分布和丰富的甲烷储量而备受重视,并将其列为未来油气替代资源进行前期的研究与勘探。天然气水合物成藏条件研究是有效地进行天然气水合物勘探的前提。水合物成藏不仅受到温度、压力条件限制,同时还受到其他一些地质条件的限制。实验室合成实验表明,天然气水合物的形成需满足低温、高压的外部条件。由于温度、压力条件的限制,在自然界中水合物只存在于一个由温度、压力条件构成的水合物稳定带内。在海洋环境中,500m以下的陆坡区和深海盆地通常能够满足水合物稳定存在的温度、压力条件,从而成为水合物勘探的目标靶区。在地质方面,已经知道,丰富的沉积物来源、厚层的沉积地层,以及高沉积速率、高有机碳含量等都有利于水合物的发育。另外,泥底劈构造、海底冷泉、陆坡凸起等地质现象都可能是天然气水合物矿藏的有效指示。根据温度、压力条件,海底陆坡是天然气水合物勘探的有利目标靶区。但一些陆坡区也是海底火山发育的区域,如南海北部陆坡。陆坡火山活动对天然气水合物的成藏影响,到目前为止还少有文章讨论。本文以南海北部陆坡为地质背景,通过数值模拟来讨论陆坡火山活动对水合物成藏的影响。1南海北部陆坡陆坡区海底山的形成时代南海北部是指中国华南大陆和南海深水盆地之间的大陆边缘部分。它东起台湾岛,西至越南,大致呈北东向展布,长约1500km,宽约600km,总面积约90万km2,约占整个南海总面积的1/4(图1)。该区域在构造上属于中国华南地块向海自然延伸的一部分,在整体上属于统一的陆壳性质,但在形态上可明显分为大陆架和大陆坡两大地貌单元。南海北部陆架是介于中国华南大陆海岸和南海北部陆架坡折之间的部分,水深一般在0～300m之间,大致为长条形,呈北东方向展布,东北一端稍窄,西南一端稍宽。南海北部陆架最突出的特征是其上发育海南岛和东沙群岛两大岛屿。海南岛南北向宽度近200km,占据西南陆架的大部。东沙群岛位于珠江口东南,主要由两个水下高原构成。其中一个呈圆形,位于陆架坡折的位置,介于300～600m等深线之间,其最高的部分呈环礁形高出水面几十米,成为东沙岛的主体。南海北部陆坡是介于南海北部陆架坡折和南海深水平原之间的部分,水深在300～3700m之间。南海北部陆坡整体形态极不规则。由于东沙隆起的发育,东沙岛外缘的陆坡比较宽缓,坡度在10%左右,宽度可达200多公里。东沙岛东北和西南的陆坡区要窄很多,相应地,陆坡坡度也大很多,一般在20%左右,陆坡宽度在100km左右。图1中特别给出了500m等深线的位置,以显示水合物在此区域可能成藏的上界线。从图1可以看出,在南海北部陆坡区,500m等深线和深海洋盆之间,东沙岛附近的陆坡范围最大。从水合物勘探的角度,东沙岛附近的大陆坡应是勘探的重要区域之一。从图1给出的海底地形还可以看出,东沙岛附近的大陆坡除宽度较大外,在陆坡上还发育点状和线状海底山地形。这种海底山地形分布的频度显然要高于南海北部其他陆坡区。通过南海北部陆坡的地震剖面显示(图2),这里不仅发育南海北部区域沉降期的披覆沉积,发育披覆期以前的裂谷沉积,同时还明显发育前新生代的沉积地层。多数剖面上,陆坡区沉积地层厚度超过2s(双程走时),总体上地层厚度较大。如图2所示,在中陆坡和下陆坡位置上发育多座海底山。海山所处的海底深度从750m、1200m到3000m不等,海底山高出海底的高度一般在300m左右,宽度在2000m左右。地震剖面显示,这些海山上都有层状地层发育,不是出露海底的海底火山。从海底山的形状和规模分析,这些海山是底辟成因的可能性不大。海山上的沉积层并不厚,应该相当于陆架区T2以上的沉积。T2以下的反射模糊不清,可能是底侵的火成岩反射层,底侵的时间大约在T2。这和东沙隆起的时代相近。从图1可以看出,南海北部陆坡海底山主要分布在东沙岛附近,呈散点状和线状分布。线状的海底山大致为NE走向,和东沙隆起的方向一致。我们推测,这些陆坡海山的成因和时代都和东沙隆起有关联。因海底山数量较多,这些海底山在形成时间上也可能跨度的时代较长。陆坡区的海底沉积取样结果显示,整个陆坡区沉积物类型主要为泥质粉砂和粉砂质泥,大部分含钙质,显示为远海、半远海沉积物类型。目前资料认为在海底没有火山灰层。位于南海北部陆坡ODP184航次的4个钻井站位也都没有在海底发现火山灰层。ODP1144孔两个比较明确的火山灰层位为海底以下179m和海底以下396m,年龄大约为0.2Ma和1.0Ma。ODP1146孔则记录到11个火山灰层位,最深为海底以下357m,最浅为海底以下7m,分别相当于约5Ma和0.2Ma。上述数据进一步说明发育于南海北部陆坡的海底山为火山成因的,发育时代应该和南海北部的构造运动时代一致(详见下面的讨论部分)。2热传导模型的建立本文的地质模型是根据陆坡区的地震剖面给出的(图3)。模型的上部为未固结的沉积层(层1),以下是新生代沉积层(层2),再往下是中生代沉积层(层3)和中地壳层(层4)。模型要讨论的主体是底侵的岩浆体。岩浆体位于模型的底部,呈三角形,底宽2000m,高2000m,具体尺寸见图3。对地质模型进行温度场计算使用的方程为:ᐁ·(kᐁT)-ᐁ·(μwTv)+Q=μ∂T∂t(μwΤv)+Q=μ∂Τ∂t(1)这是存在热源、热传导和热对流时温度场微分方程。式中:T为温度;k是介质的热导率;μw为介质中流体的热容量;v为介质中流体的流速;Q表示单位时间、单位体积热源所产生的热量;t是时间;μ是介质的热容量。进行计算时,上边界给温度边界条件,两侧给绝热边界条件,下边界给热流边界条件。本文根据实际情况将方程(1)简化为只考虑放射性生热和热传导两部分,并利用有限单元法进行求解。有关有限元方程的推导详见文献。参照东海陆架、冲绳海槽海底沉积物样品以及南海ODP184航次岩心样品的测量数据,我们给定模型层1的热导率和生热率分别为1.3W/(m·K)和1.48μW/m3(表1),层2的热导率和生热率分别为1.5W/(m·K)和1.2μW/m3。层3和层4的热导率和生热率参照美人峰一井侏罗纪、白垩纪地层样品,灵峰一井片麻岩样品以及陆区岩石样品的数据,分别给定为2.5W/(m·K)、1.0μW/m3和2.8W/(m·K)、0.7μW/m3。火山岩的热参数参照上地幔的数值,给定为4.0W/(m·K)、0μW/m3。各材料的比热统一给为1500J/(kg·℃)。密度的给法参照各层地震波速,分别给定为1800kg/m3、2000kg/m3、2600kg/m3、2600kg/m3和3300kg/m3(表1)。南海北部陆坡区多个CTD站位在水深2000m左右深度,测得的温度一般在3℃左右。据此,我们给上边界的温度条件定为3℃。考虑到该区海底热流值较高以及该区沉积物的生热贡献,经过试算后,给底边界的热流条件定为75mW/m2(表2)。在计算获得模型的温度场分布以后,根据水合物的温度-压力曲线来确定水合物的赋存范围(图4)。用下式拟合了水合物的相边界曲线:1T=3.79×10−3−2.83×10−4×logp1Τ=3.79×10-3-2.83×10-4×logp(2)先用p=ρgh+20MPa来计算模型区各点的压力,然后把模型计算获得的各点温度和压力代入(2)式,以确定这个点是否符合水合物温度、压力赋存条件。3岩浆底侵和岩浆温度稳定域的演化图5是岩浆侵入开始时本文模型的温度场结构,这实际上是两个温度场的叠加,一个是正常层状地层所具有的温度场,然后在其上叠加一个1200℃的岩浆体。从图5可以看出,海底以下2500m以上沉积层的等温线基本上是平直的。2500m处的温度大约为100℃,温度梯度为40℃/1000m。这在南海属于正常的温度梯度。水合物稳定域大致为水平层,其底界位于海底以下350m左右。图6是位于岩浆中心处(横坐标7000m处)剖面的温度变化曲线,它给出了在岩浆侵入刚发生时(0Ma)以及以后0.2Ma、0.4Ma、0.6Ma、0.8Ma和1.0Ma时的剖面温度曲线。从图6上可以看出,在岩浆底侵刚发生时,此剖面上,高温岩浆影响的深度范围为6500～4000m。4000m以上的地层温度基本保持正常状态。底侵发生0.2Ma以后,侵入岩浆的温度从1200℃降到300℃以下。尽管本文在温度场计算方程中没有考虑对流传热项,但从上面计算结果可以看出,仅在传导散热的条件下,岩浆降温的速度还是比较快的。在岩浆底侵发生0.2Ma后,整个剖面的温度基本可以恢复到接近正常的温度场水平。在0.2Ma时,由于热量迅速向上迁移,4000m以上的地层,其温度也有了明显的提高。在海底以下4000m处,0.2Ma时的温度,大约比初始温度升高了70℃;在海底以下2000m处,0.2Ma时的温度,大约比初始温度升高了40℃;在海底以下1000m处,升高约25℃。与岩浆底侵刚发生时的温度分布不同,在0.2Ma以后,地层的温度基本是由上而下线性升高的。在0.2Ma以后,整个剖面依海底以下1300m为界可分为两个部分:下部分温度梯度稍低,从0.2Ma时的50℃/km,降至1.0Ma时的34℃/km;上部分温度梯度稍高,从0.2Ma时的70℃/km,降至1.0Ma时的40℃/km。图6中的插图是海底至1000m部分温度曲线的放大,并添加了水合物的相线。根据水合物的稳定条件,相线的右侧部分应为非水合物区,相线的左侧为水合物区。从该插图可以看出,岩浆底侵后,上部地层的温度普遍增高,温度梯度提高,水合物底界面向上提升。随着时间的推移,地层热量逐渐散失,温度降低,水合物稳定域的底界也随之向下增大。根据计算结果,在其他剖面位置,岩浆底侵发生后的温度场演化和图6类似。稍有不同的是,靠近地质模型的两侧,也即离岩浆侵入体较远的位置,增温过程、降温过程出现的时间都要滞后一些,幅度也相对要小一些。总体上,对整个地质模型来说,在底侵刚发生时,浅部温度是最低的,水合物稳定域的范围也是最大的(图7)。随着岩浆热源的向上扩散,浅部温度逐步增大,水合物底界逐步向上抬升,稳定域范围逐步缩小。对于本文的情况,在底侵发生后0.5Ma,水合物稳定域的范围降到最低,也即底侵岩浆的热效应对水合物稳定域的影响达到最大。此后,水合物稳定域逐步扩大,到1Ma后基本恢复到底侵发生以前的水平。4火山活动对天然气水合物稳定域的影响发生岩浆底侵时,高温岩浆的存在能够使水合物稳定域的厚度变薄,但并没有使其完全消失。这其中海底温度一直保持3℃是一个很重要的原因。因为当模型中存在高温热源时,上边界维持一个低温的边界条件,有利于在近海底一定的范围内保持水合物稳定域的存在,同时也有利于热源从海底迅速散失。从本文的计算结果来看,当底侵发生在海底以下6km左右时,底侵岩浆的热效应对水合物稳定域的影响周期约为1Ma左右。底侵后0.5Ma左右,底侵岩浆的热效应对水合物稳定域的影响最大,1Ma以后,其热效应对水合物稳定域的影响就基本消失。但在整个过程中,水合物稳定域始终存在,只是出现了水合物稳定域减薄的情况。当底侵的深度变浅时,高温热源对浅部温度场的影响要大很多。但由于海底的温度同样保持在3℃,所以水合物稳定域依然会存在,只是水合物稳定域的厚度要减薄很多。由于高温热源变浅,其热场演化的周期将缩短,所以在短于1Ma的时间内,底侵的热效应对水合物稳定域的影响将会消失。底侵深度变浅的一个极端情况就是发生海底火山喷发。很明显,岩浆体上侵至海底发生喷发后,水合物稳定域会完全被破坏。但由于大部分高温的岩浆体被喷出沉积层,保留在地层中的热源占少部分,并且,海底的温度同样保持在3℃,低温的海水会迅速使保留在浅表沉积层中的岩浆体温度降低。这样,水合物稳定域就会在较短的时间内得以恢复。从水合物发育的角度看,对岩浆喷出海底的情况,由于大部分热量没有保留在地层中,并由于海水的迅速降温作用,火山喷发引起的热效应对水合物发育的影响将在较短时间(估计<1Ma)内消失。当岩浆底侵的深度更大时,一方面,岩浆所含的热量需要更长的时间才能传到海底散失出去,这会对水合物稳定域产生更长期的影响;另一方面,由于热源位置深度变大,热源扩散的范围变大,局部热异常的程度相对降低,从而对水合物稳定域的影响程度也会降低。岩浆底侵的热效应所能影响的范围随着底侵深度的增大而增大,但其影响强度也随之降低。从本文的计算结果可以看出,当底侵的深度发生在海底以下6km左右时,它对水合物稳定域的影响范围在6～10km左右。因为本文计算模型宽度为14km,剖面两侧2km左右的范围,温度场对底侵热源的响应不是很大。基于有机生油理论,火山活动一般被认为不利于油气成藏。随着美国加利福尼亚圣华达盆地内第一个火山岩油气藏的发现,火山岩分布区已不再是油气藏勘探的“禁区”。随着火山岩成藏理论研究与实践的不断深入,到目前为止,世界上已有100多个国家或地区发现了与火山岩有关的油气藏或油气显示。火山作用与油气成藏的理论与实践也开始在我国引起重视,并已在准噶尔、松辽、辽河、三塘湖等盆地内取得重要进展。人们已开始认识到,火山活动不仅能带来新的(如无机)气源,同时其引起的高地温梯度也有利于有机质的成熟。此外,火山活动在加速烃类物质运移、形成有利储层和圈闭等方面都有着重要作用,并预测火山岩油气成藏理论有可能会成为继海相和陆相生油理论后,油气勘探领域的第三次认识飞跃。天然气水合物的成分为甲烷,所以,同样的道理,我们可以推测火山活动从烃类物质形成、气体运移、孔隙度形成等方面都有利于天然气水合物的成藏。另外,火山活动产生的高温背景有利于产甲烷菌的活动,这在一定程度上有利于甲烷的生成,进而有利于天然气水合物的形成。新生代以来,南海北部主要经历了6次较大的构造运动,分别为神狐运动、珠琼运动一幕、珠琼运动二幕、南海运动、东沙运动和流花运动(图8)。珠琼运动一幕和珠琼运动二幕沉积了南海北部重要的烃源岩系文昌组和恩平组,南海运动沉积形成了珠海组、珠江组和韩江组等物性良好的储盖组合。所以,南海运动及以前的构造运动奠定了南海北部油气成藏的基础,同时也奠定了南海北部天然气水合物成藏的基础。之后的东沙运动和流花运动均伴随着规模性的火山活动,对前期的构造和沉积格局都产生了不同程度的改造,其对水合物成藏的影响也成为本文讨论的重点。东沙运动持续的时间大致为9.8～4.4Ma,期间南海东北部发生较大规模的基性岩浆活动。但根据前面的计算结果,认为东沙运动期间岩浆侵入、侵出引起的热效应到目前为止已对水合物稳定域的发育没有影响。流花运动是上新世末—更新世初,万山组沉积之后(1.87～1.4Ma)发生的一次构造运动,同样伴随着十分强烈的火山活动。这在雷琼盆地主要表现为出