水合物氣資源評價(jià)

1、布萊克海臺(tái)水合物氣資源評價(jià)摘要：布萊克海臺(tái)是全世界天然氣水合物研究的熱點(diǎn)之一。該區(qū)研究程度高、資 料豐富,是進(jìn)行對比研究的典型地區(qū)。論述了布萊克海臺(tái)天然氣水合物形成的地 質(zhì)條件和地球化學(xué)特征，綜述了該區(qū)水合物的研究歷史和進(jìn)展，介紹了對水合物 氣資源量的評價(jià)方法和評價(jià)結(jié)果。根據(jù)不同評價(jià)者和不同方法的評價(jià)，布萊克海 臺(tái)區(qū)水合物氣的資源量在（880）X1012用其中預(yù)測為（5080）X1012m 的資源 量包含水合物層之下的游離氣之間。關(guān)鍵詞：布萊克海臺(tái)；水合物；資源評價(jià)布萊克海臺(tái)位于美國卡羅萊納州南部查爾斯頓以東約400 km 的大西洋大陸性洋脊（圖 1）,是一個(gè)由等深流沉積物堆積形成的大陸隆，其

2、東南延伸方向與 北美大陸邊緣成正交1,2。深海鉆探計(jì)劃（DSPD）早就預(yù)測到了該臺(tái)區(qū)存在有天然 氣水合物藏2。大洋鉆探計(jì)劃（ODP） 164 和 172 航次也對該區(qū)進(jìn)行了專門考察。 可以說，在過去的 30 多年里，布萊克海臺(tái)一直是水合物調(diào)查研究的熱點(diǎn)區(qū)。圖 1 布萊克海臺(tái)的地理位置1 布萊克海臺(tái)天然氣水合物研究概況布萊克海臺(tái)和卡羅萊納高地是世界最著名的海洋氣體水合物的賦存地，對水合物的研究有著重要的意義。1. 1 研究歷史早在 1970 年,DSDP 就開始在布萊克海臺(tái)進(jìn)行考察,由于在采集到的沉積物 樣品中發(fā)現(xiàn)了高濃度的甲烷，考察人員便把這種甲烷同地震探測數(shù)據(jù)聯(lián)系起來 研究,提出了布萊克海臺(tái)

3、存在甲烷水合物的假設(shè)。到了1980 年,DSDP 在該區(qū)采集到了水合物樣品,證實(shí)了這一假設(shè)。1995 年 11 月和 12 月,ODP 第 164 航次 對布萊克海臺(tái)區(qū)氣體水合物藏和鄰近的卡羅萊納州高地進(jìn)行了專項(xiàng)探查2o1997年 2 月,ODP 172 航次從南卡羅萊納州的查爾斯頓出發(fā)，對北大西洋布萊克一巴 哈馬外海臺(tái)和卡羅萊納州一線進(jìn)行了更深入的調(diào)查，主要目的是獲取一個(gè)全新 的晚第三紀(jì)的沉積物深度剖面，以便認(rèn)識北大西洋西部氣候和洋流在上新世中 期到更新世的變化情況。另外，在布萊克一巴哈馬外部海臺(tái)一線上的地震數(shù)據(jù) 都顯示了 BSR 的存在，而且孔隙水樣品中氯化物的濃度變化也證明了氣體水合 物

4、是存在的。2001年 9月,科學(xué)家搭乘 Alvin潛水設(shè)備下潛 2200多米,對布萊克海臺(tái) 進(jìn)行了一次近距離的觀察。除了收集到甲烷水合物的有關(guān)信息外，還第一次觀察 到了冷泉化學(xué)合成生態(tài)系統(tǒng)。1.2 天然氣水合物形成機(jī)理研究布萊克海臺(tái)是由平行于海岸線的兩股海底洋流在此的沉積作用而逐漸形成 的。在古新世，墨西哥灣暖流沿著大西洋海岸向北與向南的北冰洋寒流在此相匯 導(dǎo)致兩股洋流速度銳減而發(fā)生沉積作用。較高的沉積速率有利于水合物的形成。 已證實(shí)布萊克海臺(tái)含水合物沉積物與 海底等深流沉積有密切關(guān)系。等深流沉積是海洋沉積物沉積后又被活躍的深水流 充分改造過的沉積，它主要分布在沉積速率較高的地方，它形成的首要

5、條件是 由于沉積物的壓實(shí)固結(jié)作用不穩(wěn)定而導(dǎo)致上升流的流動(dòng)。布萊克海臺(tái)晚中新世至全新世沉積速率為 40340 cm/Ma,屬于快速沉積區(qū)。由于等深流沉積具有顆粒 較粗、儲(chǔ)集物性好、氣源充足和流體運(yùn)移條件優(yōu)越等特點(diǎn)，對水合物的形成相當(dāng) 有利，因此等深流沉積作用強(qiáng)烈的布萊克海臺(tái)區(qū)有利于水合物的富集。在布萊克海臺(tái)，大量的甲烷被包含在水合物層和以游離氣的形式聚集在水 合物層之下。水合物形成和分解、甲烷的釋放和重新聚集這一反復(fù)過程，是解釋布萊克海臺(tái)區(qū)游離氣濃度與氣體水合物之間相互關(guān)系的依據(jù)。關(guān)于布萊克海臺(tái)主要拗陷過程與甲烷分解和釋放之間的關(guān)系，目前還沒有 完全弄清楚，但存在兩種解釋。一種解釋強(qiáng)調(diào)氣體和沉積

6、物的災(zāi)難性爆炸，如在 末次間冰期，海平面下降導(dǎo)致海底地層壓力降低，引起水合物分解和氣體釋放；由于布萊克海臺(tái)沉積物滲透率低和氣體不能有效擴(kuò)散，致使壓力增加、構(gòu)造隆 升、氣體噴發(fā)。第二種解釋認(rèn)為，由于沉積物的快速沉積，使更多的甲烷通過高 滲透性通道逐漸逸出，其中一些高滲透性通道就連接著海底水合物的分解帶5。2 布來克海臺(tái)區(qū)域地質(zhì)研究2.1 鉆孔站位分布3 / 7在卡羅萊納高地布置了 4 個(gè)觀測孔（站位 991、992、993 和 996）,孔深 50 67 m,用于觀測沉積剖面的物理特性和氣體的運(yùn)移情況。站位991、992 和 993位于開普菲爾底辟構(gòu)造的頂部和側(cè)翼的更新世滑動(dòng)帶上，站位 996

7、位于布萊克海臺(tái)底辟構(gòu)造的斷層面上。ODPS 172 航次在布萊克海臺(tái) BSR 分布區(qū)內(nèi)外都布置了站位,這有利于評價(jià) 氣體水合物的橫向分布和大陸隆的地球化學(xué)特征，和判定由氣體水合物直接或 間接引起的成巖過程與各種地球化學(xué)模式的聯(lián)系。圖 2 布萊克海臺(tái)地區(qū)研究站位分布3圖中:DSDP 第 11 航次 102、103 和 104 站位和第 76 航次 533 站位用三角 形標(biāo)識；ODP 第 164 航次 994、995 和 997 站位用圓形標(biāo)識;ODP 第 172 航次包 括卡羅萊納高地（站位 1 0541 057）、布萊克海臺(tái)（站位 1 0581 061）和巴 哈馬海臺(tái)（站位 1062）各站位用

8、菱形標(biāo)識。陰影部分為 BSR 分布區(qū)。2. 2 沉積物特征2. 2. 1巖性特征布萊克海臺(tái)是由上新世和中新世的沉積物堆積而成，它的沉積速率超過 350 m?M a,沉積物主要來源于大西洋西部的邊緣潛流8,9。地層巖性序列相當(dāng)均勻，富含 微型浮游生物化石的粘土和泥巖以及不同數(shù)量的蛋白石。該層段巖性序列從上到 下依次為粘土、泥質(zhì)粘土、泥巖。最古老的沉積物是中新世的，它是一種灰綠色 的硅酸質(zhì)泥漿，其中部大多是含碳的灰綠色泥漿，并摻雜有不同數(shù)量的煤粉和砂 礫粒。再向深鉆進(jìn)所獲得沉積物的物性和巖性差別非常小。222有機(jī)碳含量對世界上已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物海域的沉積物有機(jī)碳分布研究表明，含水合 物區(qū)表層沉積物

9、的有機(jī)碳含量一般大于或等于1% ,如果有機(jī)碳含量低于 015%就難以形成水合物10。布萊克海臺(tái)區(qū)沉積物中有機(jī)碳含量平均值是015%- 115%(表 1),屬于含量較高的區(qū)域。2.2.3 氣體組成沉積物取樣分析發(fā)現(xiàn)，深度大約為海底之下 190480 m 之間的沉積物樣 品中含有大量的氣體，其中甲烷最多，約占 99% ,二氧化碳含量次之，另外還含 有微量的乙烷和其它烴類氣體。表 1 布萊克地區(qū)沉積物有機(jī)碳含量4,11,12航次/站位樣品數(shù)量有機(jī)碳含量(% )最小值最大值平均值DSDP 76/553310.20.90.5450.41.41.1180.31.50.8ODP 164/994130.91.

10、81.4ODP 164/997170.41.51.02.2.4 氣體水合物樣品994 站位獲得的粉砂質(zhì)粘土中含有水合物殘留物。996 站位所得樣品剛?cè)〕鰰r(shí)表層有約 1 mm 的紋理，水合物呈白色。所采集的水合物樣品分解后，放出的 氣體中甲烷約占 99%和二氧化碳約占 1%勺。經(jīng)測定,氣水合物中氣體與水的體積 比率在 130160 之間,說明至少有 70%的孔隙為 I 型結(jié)構(gòu)甲烷水合物占據(jù)13。997 站位所采樣品最大,大小約 5cmx14cm，呈白色,外部有綠色泥漿包裹,且 可以看到其中含有氣泡，說明水合物正在分解。3 布萊克海臺(tái)天然氣水合物的資源量氣體水合物的探測方法通常是地震方法，其主要通

11、過是否存在似海底反射層來 推斷氣體水合物的存在14。 然而，氯化物的濃度和同位素剖面可能是氣體水合物 存在的靈敏指標(biāo)。該方法要比地震方法具有更大的發(fā)展?jié)摿?5。例如，994 站位沒有 BSF 顯示，但是孔隙水異常明顯地指示有氣體水合物存在,因?yàn)椋郝然?物濃度隨深度減小，可能反映了水合物穩(wěn)定帶底部水合物的分解和下部流體的上移;硫酸鹽濃度直線下降，表明氣體水合物底層有甲烷氣體在向上遷移； 鉆孔發(fā)現(xiàn),淺部孔隙中甲烷和二氧化碳的 13C 有明顯的減少。5 / 73. 1 依據(jù)飽和氣濃度評價(jià)水合物資源量在 995 和 997 站位由壓力巖芯取樣器獲得的巖心中，每 1 m 孔隙體積可以 產(chǎn)出 0.846 ml的甲烷16。由壓力巖芯取樣器采集的氣體體積通常大大超過 （10 倍以上）地面條件下的飽和氣體濃度。在氣體水和物穩(wěn)定面之上，過剩的氣體可 能來源于占沉積物體積 8%的氣體水合物的分解。氣體水合物穩(wěn)定面及其以下的 過量氣體表明游離氣與 BSR有關(guān)（圖 3）。事實(shí)上,在氣體水合物穩(wěn)定面之下由沉 積物生成的游離氣的數(shù)量與包含在氣體水合物中氣體的數(shù)量相當(dāng)16。根據(jù)氣體數(shù)量觀測值和 BSR 的分布面積估算：布萊克海臺(tái)甲烷碳的儲(chǔ)量達(dá) 35 Gt （15 Gt 分布于水合物中，5Gt 溶解于孔隙水中，15Gt 在游離氣中）。圖 3 99