天然氣水合物體系動態(tài)演化研究_海底滑坡_圖文

1、 第18卷第3期地球物理學(xué)進展V ol. 18N o. 32003年9月(503511 PROG RESS I N GE OPHY SICS September 2003:海底滑坡天然氣水合物體系動態(tài)演化研究(宋海斌(中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京100029摘要天然氣水合物被認為是大陸邊緣沉積物強度變?nèi)醯囊粋€因子, 從而能解釋大陸邊緣海底滑坡的一些觀測現(xiàn)象. 天然氣水合物的形成使沉積物強度增加, 而其分解則使沉積物強度變?nèi)? 雖然無法直接觀測沉積物中天然氣水合物的活動過程與相應(yīng)的海底滑坡, 大量的背景資料表明, 天然氣水合物崩解常常有助于觸發(fā)海底沉積物塊體的運動. 此外, 大型滑塌可

2、以釋放大量的固態(tài)天然氣水合物, 水合物在水柱中上浮. 大塊天然氣水合物可以在分解前到達海洋的上部層, 一些甲烷可以直接進入大氣中. . 關(guān)鍵詞天然氣水合物體系, 動態(tài)演化, 海底滑坡, 沉積物強度, 中圖分類號P315, P744文獻標(biāo)識碼A (209R esearches of gas hydratearine slidesS ONG Hai 2bin(o f G eology and G eophysics , Chinese Academy o f Sciences , Beijing 100029, China Abstract G as hydrate decom position

3、is hypothesized to be a factor in generating weakness in continental margin sediments that may explain s ome phenomena of submarine slides on continental margin. The formation of gas hydrate can cause the strengthening of sed 2iments , and the decom position of gas hydrate can result in the weakenin

4、g of sediments. Although gas hydrate active processes within the sediments and ass ociated seafloor slides are im possible to directly observe , a number of evidences suggests that gas hydrate breakdown often helps to trigger sediment mass m ovement on the seafloor. M oreover ,large submarine slides

5、 could release v olumetri 2cally significant quantities of s olid gas hydrates which w ould float upwards in the water column. Large pieces of gas hydrate w ould reach the upper layers of the ocean before decom posing , and s ome of the methane w ould be directly injected into the atm osphere. Resea

6、rches on submarine slides , which may be related with gas hydrate system ev olution , are summarized. K eyw ords G as hydrate system , Dynamic ev olution , Submarine slides , Sediment strength , G eological disaster0引言天然氣水合物儲藏庫的排氣與全球氣候是否有關(guān)系? 兩者的關(guān)系怎么樣? 科學(xué)家們對這些問題進行了激烈的討論1,2. 基于一些假設(shè), 已經(jīng)提出了相應(yīng)的模式. 這些假設(shè)包括

7、:甲烷水合物沉積的總量是巨大的, 甲烷水合物沉積的穩(wěn)定性易受溫壓變化而變動, 足夠的甲烷可以從這些沉積中釋放, 足量的同位素較輕的溫室氣體改變了海洋或大氣甲烷儲庫中的組分, 存在甲烷從深部地質(zhì)儲藏庫輸運到海洋和/或大氣中的機制. 應(yīng)該指出, 甲烷碳從天然氣水合物收稿日期2003202210; 修回日期2003205210.輸運到海洋和大氣的機制研究是非常關(guān)鍵的, 而海底滑坡代表著這種輸運的一種可能機制2. 海底滑坡可以產(chǎn)生巨大的濁流, 可以運移大量的沉積物到深海平原. 滑坡可以引發(fā)海嘯, 也可能釋放大量的甲烷到大氣中.海底滑坡是一種重要的地質(zhì)災(zāi)害3. 1929年11月18日, G rand B

8、anks 地震觸發(fā)了20km 3的海底滑坡, 有27人在該事件中死亡. 滑坡形成了濁積沉積物流, 把200km 3的碎屑帶入深水中. 跨大西洋的海底電報電纜被切斷, 造成了經(jīng)濟損失. 一系列電纜被切斷的時間序列分析表明, 濁流的速度高達65k. p.基金項目中國科學(xué)院全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文專項資金、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程項目(K ZCX32SW 2219 、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(G 20000467 .作者簡介宋海斌, 男,1968年生, 浙江紹興人, 博士, 副研究員, 主要從事海洋地球物理研究. 504地球物理學(xué)進展18卷h. 1979年Nice 機場岸外的一次0. 15km 3滑坡

9、造成海嘯, 也使11人死亡. 海底滑坡災(zāi)害涉及從對海底光纖電纜與管道的嚴(yán)重破壞到大型海嘯或滑坡本身的破壞. 在接近人口密集地區(qū)的小型滑坡可能是特別危險的, 接近三角洲的城市(如溫哥華 是特別危險的. 雖然大型滑坡是稀少的, 但海嘯可以遠距離產(chǎn)生的危險可能是普遍的.研究最詳細的海底滑坡是Storegga 滑坡系, 三個滑坡的巨大的谷頭陡壁(headwall 長約300km , 大致沿挪威岸外的陸架邊緣分布4. 450m 厚的碎屑展布至3. 6km 深的深海海底, 延伸800km (圖1 . 第一次大型滑坡發(fā)生于3000050000a 前, 滑坡體積可以覆蓋Alaska 面積一個頭的高度, 遺留下

10、的滑坡涯比Maryland 大得多. 第二次滑坡發(fā)生于600081滑坡的原因當(dāng)作用于沉積物的應(yīng)力超過沉積物強度時, 陸地與海底的滑坡均可以發(fā)生. 滑坡常常是多種因素綜合影響的結(jié)果. 使沉積物強度變?nèi)醯谋容^重要的過程與沉積物外部的一些因素有關(guān). 這些因素包括持續(xù)陸坡沉積引起陸坡過陡、構(gòu)造變化侵蝕下切. 地震、波浪運動(wave pum ping 等其他的一些外部事件則作為瞬時觸發(fā)機制. 當(dāng)巨大的不穩(wěn)定的沉積物累積時, 海底滑坡就會發(fā)生. . 特別是, 內(nèi)、沉積物孔隙度增加和氣泡的形成會降低陸坡的穩(wěn)定性.在一些情形下, 甲烷水合物沉積對引起海底滑坡起作用. 沉積物中有機質(zhì)的腐敗產(chǎn)生天然氣, 增加了

11、孔隙壓力, 降低了沉積物強度. 在外部的壓力和溫度條件下, 甲烷水合物在陸坡的上部沉積物中生長, 而在下方, 游離氣在沉積物中聚集. 天然氣水合物層的底界可以用反射地震學(xué)方法識別, 為一似海底反射層, 該反射層通常與沉積層反射橫切. 在冰期, 海平面下降引起沉積物壓力下降, 導(dǎo)致下部水合物層分解, 釋放游離氣, 游離氣圈閉于沉積物中. 可能是一次小地震、洪水帶來新的沉積物或者甚至是大風(fēng)暴觸發(fā)了海底滑坡. 但一旦塊體運動開始, 水合物下方沉積物中的天然氣藏可能崩解. R othwell 等7推測水合物分解介入了他們發(fā)現(xiàn)的巨大濁積巖的形成過程中, 大多數(shù)大型滑坡實際上是似乎與水合物失穩(wěn)有關(guān).前,

12、兩個達10×30km km. 在蘇格蘭海岸, 位標(biāo)記上方達4第一次Storegga 邊緣切穿沉積層反射的似海底反射層、天然氣水合物底界的深度一致. 美國東海岸Carolina 岸外邊緣末次冰期的Cape Fear 滑坡留下了50km 長的斷涯, 與下伏的天然氣水合物區(qū)有關(guān)5.大陸邊緣存在大量海底滑坡留下的斷涯. 這些斷涯的規(guī)模和形狀指示在這些滑坡事件中被搬移的大量物質(zhì)可能有數(shù)十甚至數(shù)千立方公里. 許多學(xué)者嘗試把大陸邊緣一些大型滑坡與天然氣水合物分解失穩(wěn)聯(lián)系起來(圖2 3,69. 這一推斷常?；谶@樣一種觀測, 在滑坡涯鄰近地區(qū)的沉積物中出現(xiàn)似海底反射層,BSR 通常是作為天然氣水合物

13、存在的唯一可獲得的“遙測”標(biāo)志. 這一觀測清晰地說明許多滑坡事件涉及的沉積物原先是含有天然氣水合物的. 天然氣水合物分解是否使大陸邊緣沉積物強度變?nèi)? 受影響的滑坡物質(zhì)中天然氣水合物所含甲烷的命運如何? 這些問題是必須考慮的.天然氣水合物被認為是大陸邊緣沉積物強度變?nèi)醯囊粋€因子, 從而能解釋大陸邊緣沉積失穩(wěn)的一些觀測現(xiàn)象. 天然氣水合物的形成使沉積物強度增加, 而其分解則使沉積物強度變?nèi)? 強度變?nèi)醯某练e物形成一個特殊的地層, 沿該層段容易發(fā)生沉積破壞. 陸坡破壞與天然氣水合物分解的因果關(guān)系并沒有被證實, 但許多觀測支持它們間可能存在聯(lián)系. 本文綜述有關(guān)海底滑坡與天然氣水合物分解的研究現(xiàn)狀,

14、為天然氣水合物體系動態(tài)演化研究提供基礎(chǔ).2沉積物中天然氣水合物形成與分解的效應(yīng)2. 1沉積物強度的變化天然氣水合物的形成與分解會對海洋沉積物力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響. 甲烷水合物的形成會提取孔隙中的水和甲烷. 孔隙中被提取的流體水和溶解甲烷(在一些情況下為氣態(tài) 轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的甲烷水合物. 固態(tài)天然氣水合物替換液態(tài)水會增加沉積物的強度, 同時也會使孔隙度和滲透率降低. 大陸邊緣沉積物中天然氣水合物的形成與凍土帶冰的形成效應(yīng)相似.相反, 當(dāng)天然氣水合物不穩(wěn)定時, 會分解形成水 505 :海底滑坡3期宋海斌:天然氣水合物體系動態(tài)演化研究(和天然氣. 固態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成液體(也可能是游離氣會降低沉積物的剪切強

15、度, 使沉積物容易被破壞. 如果天然氣水合物分解釋放的天然氣超出了氣體飽和度, 會產(chǎn)生氣泡, 從而進一步降低了沉積物強度.天然氣水合物分解過程也會影響沉積物的孔隙壓力10. 當(dāng)沉積物的孔隙水已經(jīng)飽和甲烷時, 甲烷水合物的繼續(xù)分解會使釋放到孔隙中水和氣體體積超過原先天然氣水合物占有的體積. 當(dāng)沉積物是在較好封閉環(huán)境下, 壓力會增加. 而當(dāng)容許通過流體流動釋放壓力時體積就會增加. 因此, 當(dāng)存在低滲透的沉積層時, 天然氣水合物分解會導(dǎo)致壓力超過靜水壓力, 形成超壓. 孔隙壓力的增加、沉積物體積的膨脹與氣泡的發(fā)育都可能使沉積物強度變?nèi)?.大程度的變淺. 這種化學(xué)條件驅(qū)動的天然氣水合物存在帶的變淺與已

16、知油氣區(qū)如墨西哥灣有關(guān).天然氣水合物存在帶上限附近的沉積物最易被天然氣水合物分解的效應(yīng)影響. 這些地區(qū)的天然氣水合物對短期的底水溫度熱擾動很靈敏, 因此, 更可能經(jīng)歷反復(fù)的幕式的天然氣水合物形成與分解. 但是, 當(dāng)水深增加時, 天然氣水合物相邊界上方的沉積物厚度也相應(yīng)增加. 沉積物中溫度變化的傳遞主要通過熱傳導(dǎo)的方式進行, 這需要幾千年的時間才能, 從而改變相邊界的位置. , . 這是因為壓力控制了天然氣水合物分解產(chǎn)生的氣體的相對體積(圖3 . 例如, 美國大西洋邊緣水深650m , 接近天然氣水合物相邊界與海底溫度的交界深度, 該深度天然氣水合物轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀莺退畷r, 體積為2. 84倍. 當(dāng)天

17、然氣水合物在海面下4km 處分解時, 體積增加為1. 16倍.如果天然氣水合物分解是引起陸坡失穩(wěn)的重要因子, Paull 等預(yù)測9, 沉積破壞會集中在水合物穩(wěn)定帶上限附近的海底沉積物. (1 在更淺的深度, 既沒有天然氣水合物也不會有天然氣水合物誘發(fā)的變形發(fā)生. (2 天然氣水合物相邊界與海底溫度曲線交界處的海底深度附近或稍深地區(qū)的沉積物可能經(jīng)歷了多數(shù)天然氣水合物生長和分解事件, 因為它們對海底溫度變化最靈敏. (3 與天然氣水合物分解相關(guān)的體積增加, 沿天然氣水合物存在區(qū)淺水上限方向上升.圖3海底天然氣水合物穩(wěn)定帶分布即分解前后體積對比9Fig. 3Diagram showing the d

18、istribution of gas hydrate stability beneath the ocean floor and the com paris ons of v olumes after and before their decom positions 93海底滑坡與天然氣水合物的關(guān)系3. 1海底滑坡涯與已知天然氣水合物分布區(qū)的一2. 2不同海底深度與天然氣水合物有關(guān)的變形天然氣水合物改變沉積物力學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)在不同海底深度情形下并不相同. 很明顯, 合適的溫壓條件和天然氣的存在是天然氣水合物存在的必要條件. 天然氣水合物在大陸邊緣沉積物中的穩(wěn)定區(qū)可看作是一個向海增厚的楔狀體. 該

19、楔狀體上陸坡有一個明顯的界限. 對于中低緯度地區(qū)的水體溫度結(jié)構(gòu), 甲烷水合物穩(wěn)定帶的上限對應(yīng)于海底深度500700m. 大于該水深, 甲烷水合物在海底是穩(wěn)定的, 穩(wěn)定帶的厚度隨著水深增加而增加. 但是, 當(dāng)有少量其他的天然氣(例如乙烷、丙烷、硫化氫、二氧化碳等 從深處運移上來時, 水合物形成的上限深度會有較致性海底滑坡后留下的斷涯在地震剖面、長距離旁側(cè)聲納圖像和/或多波束水深資料上容易識別. 這些斷涯是大陸邊緣非常常見的地貌特征11. 許多海底滑坡比最大的陸地滑坡大得多.已有的資料給出了大陸邊緣沉積破壞的分布和規(guī)模, 但這些地球物理數(shù)據(jù)并不能直接揭示滑坡的起因. 另外, 有好多因素決定調(diào)查滑坡

20、成因是有難度的. 大多數(shù)已知的滑坡涯并不很新, 滑坡發(fā)生后又有了很大的環(huán)境條件的變化. 產(chǎn)生局部強度變?nèi)醯奶囟l件常常被滑坡事件所消除. 也很難了解在滑動 506地球物理學(xué)進展18卷體側(cè)翼留下的沉積物是否可以與滑坡沉積段比擬. 由于深海調(diào)查通常受限制而且非常昂貴, 很難對滑坡涯進行詳細的調(diào)查. 但是, 滑坡涯分布的總體形態(tài)提供了一些地理背景, 從而可以評估天然氣水合物在滑坡形成方面的潛在作用.許多學(xué)者都嘗試把大陸邊緣的大型滑坡與天然氣水合物崩解造成的不穩(wěn)定聯(lián)系起來3,68. 這種推斷通常基于似海底反射層(通常是唯一的天然氣水合物存在的“遙測”指標(biāo) 在滑坡涯周圍存在的觀測結(jié)果.最好地描述滑坡涯與

21、推斷的天然氣水合物分布區(qū)一致的地區(qū)是美國大西洋大陸邊緣. 這里, 圈定了200多個滑坡涯. 圈定的大量的滑坡涯有益于分析它們的空間分布特征. 密集的測繪工作也表明整個大陸邊緣斷斷續(xù)續(xù)地分布, . 的資料表明, , 與陡坡也. , . 實際上, 絕大多數(shù)滑坡涯的谷頭陡壁出現(xiàn)在500700m 深度范圍內(nèi). 因此, 如果天然氣水合物分解在引起海底滑坡方面有重要意義, 天然氣水合物分解的預(yù)測發(fā)生區(qū)與觀測到的滑坡涯分布是一致的. 3. 2巨型海底滑坡美國大西洋大陸邊緣最大的滑坡是Cape Fear 滑坡. 地震反射剖面顯示有許多犁式正斷層, 這些正斷層的底面在滑坡體谷頭陡壁附近接近BSR 的深度, 也在

22、滑坡體的底面下方. 在滑坡涯的邊緣,BSR 抬升, 而在其中心部位,BSR 消失了, 那里有明顯的氣體逃逸現(xiàn)象12. 這意味著天然氣水合物穩(wěn)定帶底界與沉積物中薄弱與破壞帶對應(yīng). 但是, 在該滑坡處, 天然氣水合物穩(wěn)定帶底界并不和主要滑坡界面吻合.已知最大的海底滑坡是挪威大陸邊緣的Storre 2ga 滑坡. Storrega 滑坡有290km 長的谷頭陡壁斷涯, 向下陸坡延伸愈800km , 運移了5000km 3的物質(zhì). 現(xiàn)今的滑坡涯代表著至少3次滑坡事件13. 最大的兩次發(fā)生于晚更新世. 最小的, 但是最近發(fā)生的事件發(fā)生于距今7200a , 與沖刷挪威海岸的11m 高的海嘯有關(guān)14. 與許

23、多大陸邊緣的大型滑坡涯相似,Stor 2rega 滑坡的側(cè)翼的沉積物中存在BSR. 這一例子中,很大體積的濁積物, 稱為巨型濁積巖或巨型海底層, 是指與災(zāi)難性的海底滑坡有關(guān), 從大陸邊緣輸運至深海中的大量沉積物. 這么大的沉積破壞能產(chǎn)生海嘯, 下伏天然氣水合物的塊體中會有大量溫室甲烷氣體的釋放. 巨型濁積巖事件可能由地震活動觸發(fā), 也可能是海平面降低引起靜水壓力降低導(dǎo)致的天然氣水合物分解釋放天然氣本身觸發(fā)的14,15. 這些滑坡可以產(chǎn)生高密度的含沉積物紊流, 沿著陸坡向下運動, 在深海平原堆積濁積巖(圖4 . 濁積序,R othwell 等7報810. R oth 2用加速質(zhì)譜放射性測年對5個

24、離開較遠的巖芯進行測年, 以約束西地中海Balearic 盆地大型(500km 3 濁積地層的置位時間. 在過去的100ky 中, 這一濁積巖規(guī)模是異常的, 代表著Balearic 盆地一次主要的沉積事件. 500km 3的體積沉積足以使T exas 中部洼地覆蓋滿泥沙. 冰川覆蓋的歐洲的一條大河的向海方向的陸坡上發(fā)生的海底滑坡提供了這些物質(zhì). 22000a 前冰期發(fā)生時, 陸地上冰川堆積使海平面有較大程度地降低. 該事件可能首先是激烈的、巨大的海底流, 然后是巨大的波浪沖擊地中海海濱. R othwell 等沒有識別出沉積物的來源地. 但有可能最終來自阿爾卑斯或者是比利牛斯山脈的冰川碎屑?

25、是否一些碎塊是馬特豪恩峰在地中海海底砍鑿出來的呢?R othwell 等7的數(shù)據(jù)表明巨型海底層的置位是在距今22000日歷年前, 這個時間也對應(yīng)著末次盛冰期海平面最低的時間段. 雖然并不能被排除如地震等其他的觸發(fā)機制, 這些年齡值意味著低海平面水合物失穩(wěn)引起濁積層置位.巨型海底層的置位時間的估計值非常接近末次盛冰期的時間, 也對應(yīng)著海平面極低的時間段. 末次盛冰期通常指18ky BP 前16, 那時海平面與現(xiàn)今相比低120m , 是過去130ka 中最低的. 如同R othwell 等7的估計,C LI MAP 的18ky 的估計值大多基于放射性測年, 而1520ky BP 的放射性測年的誤差

26、為3. 03. 5ky. 根據(jù)放射性定年與日歷年的關(guān)系, 巨型海底層置位的18840a 放射性年齡對應(yīng)22000日歷年. 這是巨型海底層置位最好的絕對年齡估計值. 這包含了對海洋表層混合層400放射性年的校正, 也似乎適用于西地中海地區(qū). 結(jié)論是低海平面有益于滑坡的底面與側(cè)翼BSR 的深度一致, 表明破壞面與滑坡發(fā)生前的天然氣水合物穩(wěn)定帶底界一致. 3. 3巨型濁積巖 507 :海底滑坡3期宋海斌:天然氣水合物體系動態(tài)演化研究(出露的陸架和/或上陸坡沉積物出現(xiàn)滑坡.在22000a BP 最大冰蓋發(fā)育、最低海平面的時間里, 世界上天然氣水合物帶變得不穩(wěn)定了. 因為水合物穩(wěn)定帶取決于壓力和溫度6,

27、15, 在最低海平面時水合物是最不穩(wěn)定的. 這種不穩(wěn)定有助于觸發(fā)大規(guī)模海底滑坡6,15. 在西地中海, 水合物形成的物理條件是存在的, 但是該邊緣盡管有很很好的地震調(diào)查覆蓋, 還沒有報道有似海底反射層、天然氣水合物存在17. 地中海西北邊緣的可能的水合物似海底反射層的深度較淺(0100m 17, 早先的塊體滑移可能導(dǎo)致天然氣的釋. 水合物分解釋放甲烷對一些大型滑坡如挪威岸外的Storegga 滑坡的觸發(fā)有作用, 那里地震活動可能開始了滑坡, 而來自水合物的氣體逃逸可能促進沉積物活動13,18. 活動是有限的, 但是C orsica 北部歷史上有多次地震活動. 緣處或鄰近地區(qū). 大陸邊緣率、長期

28、的堆積后, 水合物分解釋放和/或地震活動引起的. 3. 4海平面與滑塌的關(guān)系與海平面變動相關(guān)的靜水壓力變化會影響大陸邊緣天然氣水合物的穩(wěn)定性. 低海平面引起海底壓力降低, 從而導(dǎo)致沉積物中天然氣水合物相邊界上移. 這又進而引起天然氣水合物分解, 也肯定增加了大陸邊緣滑塌事件發(fā)生的頻率6.對更新世全球氣候變化已有很好的了解. 在18000a 前的末次盛冰期, 海平面比現(xiàn)今海平面低120m. 如果天然氣水合物分解在產(chǎn)生沉積失穩(wěn)方面起著重要作用, 可以預(yù)見1500025000a 前在海平面較低的這些時間里, 大陸邊緣滑坡是頻繁發(fā)生的.原則上通過建立大量大陸邊緣沉積破壞事件的年代數(shù)據(jù), 確定在低海平面

29、階段滑塌是否真的比較頻繁就可以測試這個推測. 但是, 只知道一些大型滑坡的年代7,13,19. 雖然已有資料與低海平面滑塌增多一致, 但是在低海平面階段一些地區(qū)同時具有高沉積速率的特征, 而高沉積速率也會導(dǎo)致沉積破壞頻率增加.另外一種評估這種推測的方法是檢查活塞巖芯中沉積間斷的頻率, 這種方法在Carolina 海隆和布萊克海臺天然氣水合物分布區(qū)的上部沉積物中進行了嘗試6. Paull 等6對整個區(qū)域45個活塞樣的上部7m 沉積物共123樣品進行了14C 測年. 這些巖芯的14C年齡分布表明在過去的35ka 中這一地區(qū)沉積速率并沒有變化. 但是, 在1425ka 前低海平面階段, 很多沉積間斷

30、被識別出來. 這一觀測與天然氣水合物分解和滑塌頻率因果關(guān)系的推測對應(yīng). 3. 5地質(zhì)記錄中的軟沉積變形假定天然氣水合物的形成與分解過程通過嚴(yán)重改變沉積物強度、孔隙壓力和體積使沉積物變動, 在存在活躍的天然氣水合物形成與分解作用(可能是多次 的大陸坡沉積物中可望看到沉積變形.K ennett 與Frackler 220最近對加利福尼亞州Santa Barbara Sisquoc 組地層的廣泛, 認為是天然氣水合. 在加利、底棲有孔蟲氧同位素, 天然氣水合物曾經(jīng)存在于Sisquoc 地層中. K ennett 與Frackler 2Adams 20用“clathrites ”這一術(shù)語描述沉積物中見

31、到的軟沉積變形類型, 認為clathrites 是天然氣水合物分解造成沉積物失穩(wěn)的產(chǎn)物. 這些clathrites 包含層間角礫、均質(zhì)化、底辟(刺穿 、液化通道和流體逃逸構(gòu)造. 他們指出這些巖石學(xué)特征與現(xiàn)今含天然氣水合物沉積的那些特征相似. 在Nevada , 在深水環(huán)境的地層中發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典的“霜凍鼓起”構(gòu)造、頁狀裂縫、小褶皺和沖斷層. 由于在這種環(huán)境中天然氣水合物比冰更容易形成, 天然氣水合物形成與分解認為是產(chǎn)生這些構(gòu)造的機制. 3. 6滑坡的直接觀測一些學(xué)者評估了沉積物中天然氣水合物熱分解, 釋放的氣體向上輸運至海洋和大氣中的機制21. 但是, 與海底滑坡相關(guān)的紊流并沒有被深入考慮, 而紊流

32、可以破壞沉積物結(jié)構(gòu), 使大量天然氣水合物塊片從沉積格架中釋放. 一旦釋放, 天然氣水合物塊因為與海水比具有較低的密度, 因此可以在水體中上浮. 這一過程的效率取決于被釋放的天然氣水合物量、輸運的速率和在完全分解前天然氣水合物到達的深度.重力驅(qū)動的陸坡失穩(wěn)有不同的表現(xiàn)形式11. 許多滑坡, 特別是大型滑坡通常與能破壞沉積顆粒間的粘著力的紊流有關(guān). 沉積物原先的結(jié)構(gòu)被破壞, 沉積物分解成組成的顆粒, 濃厚的濁流水體形成. 這一高能濁流水體作為一種重力驅(qū)動流沿陸坡向下運動. 這樣的流動可以進行很遠距離, 最后在深海盆地沉積厚厚的、分選的沉積物. 滑坡涯的位置指示重力流物質(zhì)的來源為可能含有天然氣水合物

33、的大陸邊緣508 卷 地 球 物 理 學(xué) 進 展 18 圖1 挪威大陸邊緣 Storegga 滑坡 13 Fig. 1 Storegga slide on Norwegian margin13 圖2 海底滑坡與天然氣水合物分解示意圖 ( 據(jù)文獻 23 修改 Fig. 2 Schematic diagram of submarine slide and gas hydrate decomposition23 圖4 巨型濁積層形成示意圖 3 Fig. 4 Schematic diagram of formation of a megaturbidite 509 3 期 宋海斌 : 天然氣水合物體系

34、動態(tài)演化研究 ( : 海底滑坡 沉積物 22 . 因此 , 近海底沉積物中可能存在天然氣 逃逸進入海洋/ 大氣系統(tǒng) . Paull 等 2 水合物 , 滑坡過程中這些沉積物會瓦解可能使甲烷 利用俄勒崗?fù)馑衔锛公@得的數(shù)據(jù) 和觀測研究了從沉積格架中釋放的固態(tài)天然氣水合 物的變化情況 . 這些數(shù)據(jù)包含 ( 1 多波束海底反射率 和 ROV 觀測 ,可以描述有天然氣水合物存在依據(jù)的 地區(qū)的狀況 ; ( 2 ROV 采集的保壓巖芯樣 , 提供在表 層沉積物中有多少天然氣水合物存在信息 ; ( 3 當(dāng)含 天然氣水合物沉積物被擾動時的 ROV 觀測資料 . 這 氣的潛力給出約束 . Paull 等2 的分

35、析和實驗表明 , 些觀測對評估海底沉積物中的甲烷輸運到海洋和大 大型滑塌可以釋放大量的固態(tài)天然氣水合物 , 水合 物在水柱中上浮 ( 圖 5 . 大塊天然氣水合物可以在 分解前到達海洋的上部層 , 一些甲烷可以直接進入 大氣中 . 4 結(jié) 語 含天然氣水合物沉積物滑坡時 , 釋放的甲烷與 氣候關(guān)系怎么樣 ? 末次冰期時一些大型滑坡可能單 個就能釋放大量的甲烷到大氣中 ( 約 1 Gt . 如第一 次 Storegga 滑塌那樣大的滑坡能釋放 5 Gt 甲烷或更 多 6 . 如果確實如此 ,幾年中的溫室效應(yīng)是意義深遠 圖5 重力流中的天然氣水合物沉積塊上浮示意圖 2 Fig. 5 Schemat

36、ic representation showing hydraulic sorting of gas2hydrate2bearing sediment clusters in a sediment gravity flow2 的 . 在冰期旋回的一些時段里 ,一次大型滑坡會觸發(fā) 突然變暖 ,融化冰川 , 使海平面上升 . 跟隨著大型滑 坡的甲烷釋放過程 , 變暖和在北極地區(qū)隨后的海進 可能誘發(fā)更多的 , 不同的 , 凍土帶的水合物的氣體釋 放 . 與沼澤釋放的甲烷一起 ,能在很長時間里維持上 升的甲烷量水平 3 . 滑坡爆發(fā)的甲烷峰是短期的 ,但 是在冰芯的甲烷記錄中應(yīng)該能夠被檢測出來 . 但

37、是 , 突然的 , 大型的甲烷爆發(fā)的依據(jù)是間接的 ,它們的證 實與否定對未來的冰芯工作是一種挑戰(zhàn) . 把海底滑坡與天然氣水合物體系的演化聯(lián)系起 來是當(dāng)今天然氣水合物研究的一個主題 . Rao 等24 在印度西部大陸邊緣的模擬單道地震剖面上識別出 一些似海底反射層 , 一部分似海底反射層位于觀測 到滑塌和塊體運動的地區(qū) . 他們認為印度西部大陸 邊緣更新世海平面變化時可能的天然氣水合物分 解, 高沉積速率導(dǎo)致的欠固結(jié)和地震活動與這些地 貌過程的原因 , 結(jié)果和地理上的差異程度有關(guān) . 大陸 坡可能的天然氣水合物分解的一個結(jié)果可能是沉積 破壞和沿陸坡向下的塊體運動 . 在平坦的深海地區(qū) , 天然氣

38、水合物的分解則可能導(dǎo)致海底天然氣泉噴出 和凹坑 (pockmarks 的發(fā)育 . 高壓低溫沉積物所含的 水合物的失穩(wěn)可能觸發(fā)災(zāi)難性的滑坡 , 同時釋放溫 室氣體 ,對全球氣候有嚴(yán)重影響 . 為了提供用以陸坡 510 卷 地 球 物 理 學(xué) 進 展 18 失穩(wěn)分析的改善的基本模型 , Gunn 等25 通過發(fā)展 實驗技術(shù)考察了沉積物中水合物分布的溫壓史的影 響 ,做到與水合物穩(wěn)定性有關(guān)的水合物地貌與結(jié)構(gòu) 的地球物理定量化描述 . Vogt 等26 把冰期晚期或冰 后期的底水變暖和海平面上升與甲烷水合物穩(wěn)定模 型結(jié)合起來解釋了不是在末次冰期的低海平面階段 而是在早全新世 ( 上升的海平面 時甲烷水

39、合物分解 可能觸發(fā)了一些大型滑坡 . 在 Storegga , 滑坡初始在 上陸坡或陸架下面發(fā)生 . 而在大于 800m 水深處 , 低 的底水溫度得以保持 , 海平面上升使甲烷水合物穩(wěn) 定帶在這段時間內(nèi)增厚 , 排除了全新世滑坡初始的 可能 . 全新世滑坡釋放的甲烷不可能使冰消作用開 始. 天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界與地溫梯度 , 底水 溫度 , 壓力 ( 水深 , 氣體組分 , 孔隙水鹽度和宿主巖 石的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān) . 天然氣水合物穩(wěn)定帶的時 間演化主要受控于底水溫度的變化 . 天然氣水合物 穩(wěn)定帶的變化會改變大陸邊緣陸坡的穩(wěn)定性 . 天然 氣水合物會膠結(jié)沉積物 ,增強抗剪切強度 ,從而

40、提升 陸坡的穩(wěn)定性 . 但是 ,天然氣水合物也阻礙了沉積壓 實作用與向地表流體運移的進行 , 因為天然氣水合 物降低了沉積物的滲透率 . 天然氣水合物分解則可 能通過兩個過程激勵陸坡破壞 ( 滑坡 . 第一 : 曾是水 合物膠結(jié)的沉積物會液化 ,形成欠固結(jié)的沉積物 ; 第 二 ,殘留水合物下方圈閉的氣體會組成超壓的軟弱 沉積層 . 因此 ,識別和圈劃世界大陸邊緣水合物存在 區(qū)對理解為什么水合物出現(xiàn)在那些地區(qū)與深化大陸 邊緣地質(zhì)災(zāi)害的認識非常重要27 . 天然氣水合物的 地球物理研究 28 47 , 地球化學(xué)研究 48 55 從而是天 然氣水合物體系動態(tài)演化研究1 ,56 的基礎(chǔ) . 前者是 先

41、期開展的 ,后者是前者的深入 . 天然氣水合物分解的力學(xué)效應(yīng)是降低沉積物強 度 ,增加大陸坡滑坡的可能性 . 雖然無法直接觀測沉 積物中天然氣水合物的活動過程與相應(yīng)的海底滑 坡 ,大量的背景資料強烈地說明這樣的一個設(shè)想 ,天 然氣水合物崩解常常有助于觸發(fā)海底沉積物塊體的 運動 . 參 ( References : 考 文 獻 1 宋海斌 . 天然氣水合物體系動態(tài)演化研究 ( I : 地質(zhì)歷史演變 J . 地球物理學(xué)進展 ,2003 ,18 (2 :188196. 2 Paull C K, Brewer P G, Ussler III W , et al . An experiment demo

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