天然气水合物的识别标志

1.天然气水合物识别标志天然气水合物可以通过海底沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方式直接识别，也可以通过似海底反射层（BSR）、速度－振幅异常结构、地球化学异常、多波速测深以及海底电视摄像等方式间接识别。

下面介绍一些间接识别标志。

1、地震标志海洋天然气水合物存在的主要地震标志有：似海底反射层（BSR）、振幅变形（空白反射）、速度倒置、速度－振幅异常结构(VAMP)。

大规模的天然气水合物聚集可以通过高电阻率（大于100欧·米）声波速度、低体积密度等参数进行直接判读。

似海底反射层BSR是地震反射剖面上的一个平行或基本平行于海底、可切过一切层面或断层面的声波反射界面。

天然气水合物矿层之下，还常常圈闭有大量的游离甲烷气体（游离天然气），从而导致在地震反射剖面上产生BSR。

现已证实，BSR代表的是天然气水合物矿层的底界面或基底，其上为固态的天然气水合物矿层，声波速率高，其下为游离甲烷气体或仅仅为孔隙水充填的沉积物，声波速率低，因而在地震反射剖面上形成强的负阻抗反射界面。

因此，BSR是由于低渗透率的天然气水合物矿层与其下大量游离天然气及饱和水沉积物之间、在声阻抗（或声波传播速度）上存在较大差异而形成的。

由于天然气水合物矿层的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，往往位于海底以下一定的深度，因而BSR基本平行于海底，所以被称为“似海底反射层”。

BSR除了被用来识别天然气水合物的存在和编制天然气水合物分布图以外，还被用来判明天然气水合物矿层的顶底界面及其产状，计算天然气水合物矿层的深度、厚度和体积。

然而，并不是所有的天然气水合物都存在BSR。

在平缓的海底，即使有天然气水合物存在，也不易识别出BSR。

BSR常常出现在斜坡或地形起伏的海域。

另外，也并不是所有的BSR都对应有天然气水合物的存在。

在极少数情况下，其它因素也可能导致BSR的形成。

还应注意的是，尽管绝大部分天然气水合物矿层都位于BSR之上，但是并不是所有的天然气水合物矿层都位于BSR之上。

这已经被深海钻探所证明。

因此，BSR不能被作为天然气水合物存在的唯一标志，应结合其它勘查方法综合判断。

近几年来，分析和研究地震的速度结构，已成为该学科领域的前沿。

天然气水合物层是高速层，其下的饱气层或饱水层是低速层。

在速度曲线上，BSR界面处的速度会出现突然降低，表现出明显的速度异常结构。

此外，分析地震的振幅结构也可识别天然气水合物。

相对而言，天然气水合物层是刚性层，其下的饱气层或饱水层是塑性层。

因此，在振幅曲线上，BSR界面处的振幅会出现突然减小，表现出明显的振幅异常结构。

这种识别标志对海底平缓的海域来说，尤其显得重要。

2、地球化学标志浅层沉积物和底层海水的甲烷浓度异常高，浅层沉积物孔隙水的氯Cl含量（或矿化度）和氧同位素δ18O 异常高，出现富含重氧的菱铁矿等，均可作为识别天然气水合物存在的地球化学标志。

3、海底地形地貌标志在海洋环境中，天然气水合物富集区烃类气体的渗逸，可以在海底形成特殊的环境和特殊的微地形地貌。

天然气水合物存在的地貌标志主要有：泄气窗、甲烷气苗、泥火山、麻点状地形、碳酸盐壳、化学合成生物群等。

最近几年，德国基尔大学Geomar研究所，通过海底观测，在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia 天然气水合物海台，就发现了许多不连续分布、大小在5cm2左右的天然气水合物泄气窗。

在这种泄气窗中，甲烷气苗一股一股地渗逸出来，渗气速度为每分钟达5公升。

在这种渗逸气流的周围有微生物、蛤和碳酸盐壳出现。

4、海底“冷泉”生物群标志深海“黑暗食物链”并不以热液为限。

在大陆坡、深海区分布着天然气水合物。

一旦海底升温或减压，它就会释放出大量甲烷，可以在海水中形成甲烷柱，被科学家称为“冷泉”。

在冷泉附近可以形成特殊的生物群落。

冷泉是海底天然气水合物的产物之一。

在冷泉附近往往发育着依赖这些流体生存的冷泉生物群，又称为“碳氢化合物生物群落”。

它是一种独特的黑暗生物群，最常见的有管状蠕虫、双壳类、腹足类和微生物菌等。

海底冷泉及其伴生的黑暗生物群，是确认天然气水合物存在的有力证据。

天然气水合物释放区的生物群，也是类似于热液生物群的独立生态系统。

其食物链低层生物也是一种管状蠕虫，依靠甲烷细菌提供能量2 海洋天然气水合物形成机理探讨自然界的天然气水合物只分布于两类地区:多年冻土带和海洋。

而海洋沉积物中天然气水合物的资源量占全球总量的99% 以上, 因此, 海洋天然气水合物的成因机理是目前研究的重点和热。

天然气水合物的形成需具备几个基本条件: ①充足的天然气和水, 天然气的来源包括无机成因和有机成因的气体, 如甲烷、乙烷、丙烷、CO2等; ②足够低的温度和较高的压力, 与海底深度和地热梯度关系也较大; ③可使气和水充分聚集的有利的储集空间。

下面分别加以讨论。

围绕“水合物源控论”的思想, 水合物中气体的来源在很大程度上影响水合物的形成模式。

理论研究认为海洋天然气水合物的气源具有4 种可能的来源: ①海水溶解的甲烷(来自海水溶解或悬浮有机质生成的甲烷以及由大气或海底进入海水的甲烷);②海底之下气水合物层有机质自生自储的甲烷; ③海底之下水合物层下伏的沉积物或沉积岩中有机质生成的甲烷; ④ 深部非生物成因(无机成因)的甲烷[27 ]。

在①的情形下比较难以生成水合物, 因为,海水溶解甲烷的浓度很低, 目前积累的资料表明海水溶解甲烷的浓一般在10-8 cm 3\g 数量级, 远不能从海水中析出[28]。

在②和③的情况下, 甲烷具备原地生成水合物的可能性。

这两种天然气极有可能因为周围温度或孔隙压力的有利变化而转变为水合物, 尽管也会因上述条件的不利变化而不断分解,或者水合物分解后, 遇到有利的条件二次生成, 但孔隙流体的活动范围基本上不大。

微生物成因的水合物气源多来自原地, 如布莱克海台是典型的微生物成因, 甲烷基本上由原地产生。

但Egeberg[ 29 ]等应用沉积物孔隙水化学组成对布莱克海台天然气水合物气体来源进行了研究, 依据测定结果, 推测布莱克海台有随其它地区流体运移而来的甲烷。

这看起来有矛盾之处, 尚需进一步探究。

在④的情况下, 甲烷更可能通过运移生成水合物。

深部的无机成因甲烷, 还包括部分来自深部的热成因甲烷气会从海底深部上移至稳定带而形成天然气水合物。

墨西哥湾和里海的天然气水合物主要是热成因。

笔者认为, 它们是由来自深部的热成因甲烷气运移到有利的环境生成的。

尽管目前没有找到无机成因气的水合物矿点,但并不妨碍人们对无机成因气的水合物存在保持乐观的看法。

笔者认为, 随着认识和调查的深入, 无机成因气的水合物将会被发现。

在水合物形成的地质历史过程中, 海平面的高度、海底温度以及全球性的气候变化都会对水合物的稳定性产生影响。

温压条件不仅影响水合物生成,也是导致沉积物中水合物分解的主要因素。

海洋沉积物中天然气水合物稳定带的厚度明显受地温梯度和稳定带水深的影响, 一般的趋势是: 随地温梯度的增高水合物稳定带相对变薄, 而随水深增大而增厚。

当沉积物不断堆积移动通过水合物带时, 随着新的沉积物沉积于气体水合物的顶部,由于侧向挤压作用, 气体水合物带的底部有可能会发生分解,释放出大量天然气。

在可渗透的沉积物中, 这些天然气会向上运移并逸散, 而水合物带的存在犹如游离气上方的密封盖层, 会将这些气体圈闭于水合物层下,或者由于其它因素, 这些气体(以甲烷形式为主)向下部运移, 以游离态形式储存于地壳深部。

这可以解释天然气水合物和游离态天然气往往共存这一现象。

假设具有充足的烃类气体和水分子供应,并且具备合适的温压条件, 那么天然气水合物是否一定就可以在海底之下沉积物中生成呢? 理论上看来可行。

但在实际的自然状况下, 除前述两种基本要素外, 天然气水合物的形成还必须有充足的流体载体的供应以及流体载体的输导系统。

该输导系统必须为流体载体提供一定的动力来源、运移通道空间等。

可见地质环境是气体水合物形成的重要控制条件,也正是由于地质条件的不同, 导致天然气水合物的形成模式和分布上的巨大差异。

笔者从天然气水合物形成特征的角度将海洋天然气水合物的形成模式分为强渗漏系统和弱渗透系统。

2.1强渗漏系统所谓强渗漏系统是指海洋底部由于地壳构造活动产生的挤压或拉伸等变形作用或者由于海洋沉积物的侧向挤压变形作用而出现断层, 许多圈闭的烃类气体由此向上渗流并大量漏出, 形成较稳定的水合物形成所需的气源。

以甲烷为主的烃类气体(可以是生物成因, 也可以是非生物成因) , 与流体载体一起形成孔隙流体团, 无论其是否达到饱和状态(相对于游离气体),在纵向和侧向上的压力梯度、温度梯度的驱动下,将会沿着断层的孔、缝等多种通道系统运移, 最后聚集在主通道内继续向上运移, 基本上达到过饱和状态。

同时, 在原地微生物烃类气体的参与下, 大量的烃类气体难以继续溶解在流体之中, 于是它们在合适的温度、压力下, 即在天然气水合物稳定带内,与水分子相结合, 成为固态结晶体的天然气水合物。

产状上可认为在BSR 之上积聚形成富水合物区, 大多数水合物聚集在BSR 之上一个相对狭窄空间带。

水合物稳定带的底界呈不连续状, 表现出稳定带形成之前具有突变过程。

其上界则是扩散和渐变的, 反映出水合物在横向和纵向上不断生长、并向外延伸和扩张的状态。

强渗漏系统极具成藏的可能性。

一是因为地壳构造活动的变形作用可形成许多流体运移的通道, 同时也可产生大量的向上运移的孔隙流体。

二是这种活动可带来有利的储集空间, 特别是快速巨厚沉积的裂陷区或扩张区, 是强渗漏系统易形成水合物的地方。

强渗漏系统的水合物形成模式也适于海底之下陆坡和陆基地带, 所形成的天然气水合物分布集中, 储量密度大, 成藏物化条件优越,具有实际开采价值, 其资源意义十分重要。

根据Kvenvo lden等[30]对世界各地的天然气水合物样品的调查资料以及有关的地质资料分析, 笔者认为墨西哥湾、中国南海、挪威外海有此类水合物藏存在的条件。

2.2 弱渗透系统相对于强渗漏系统, 弱渗透系统中天然气水合物的形成过程则细微与缓慢, 但其作用的范围也更加广泛。

以甲烷为主的烃类气体由微生物或热作用生成后,散布于海底之下较为松散的多孔沉积物层中,这些孔隙被气体充满的沉积物层,或者因为温度下降,或者通过挤压作用使孔隙压力增大而向有利于天然气水合物形成的状态变化,气体在原地合适的温压条件下从沉积物中原地淬取水, 在沉积物孔隙内形成天然气水合物。

另外,由于在地下成岩和微生物降解这类作用的缓慢过程中, 气体量相对会越来越大,所以在允许水合物稳定存在的海底之下温压条件下,溶于孔隙水中的自生生物烃类气体的数量可增加到保持水合物形成的平衡压力的程度, 使部分富含孔隙水的流体转化成水合物。