天然气水合物(gas hydrate) 是由水分子和碳氢气体分子组成的具有笼状结构的似冰雪状结晶化合物.因其气体分子以甲烷(CH₄) 为主(> 90%), 故也被称为甲烷水合物或“可燃冰”.由于天然气水合物是一种储量巨大、洁净的新型替代能源而受到普遍的关注(蒋国盛和王达, 2002; 孙春岩等, 2001; 孙春岩等, 2003b).目前, 世界上间接或直接发现的100处以上的天然气水合物赋存区中, 已证明海洋天然气水合物占90%, 海洋因具有巨大潜力的天然气水合物资源而受到重视.

我国拥有近300万km²的海洋国土, 按照天然气水合物生成的自然约束条件, 我国有许多适合天然气水合物赋存的海域.20世纪90年代末期国际大洋钻探和国内一些科学家的研究工作也提供了一些南海具有水合物矿藏的证据.我国政府的科技和国土资源部门一直对海洋水合物勘查研究工作十分重视和投入, “九五”、“十五”国家“863”计划、“973”基础研究, 都把探测海洋天然气水合物列为重点探索科研项目, 但是同世界发达国家相比, 我国天然气水合物研究和勘探尚处于初级阶段.

作为“九五”863技术推广应用, 笔者参加了2000年、2001年广州海洋地质调查局HY126-2000-03、GH-01航次有关天然气水合物大洋科学调查, 基于海上实际工作和目前承担国家“863”计划、“973”计划的课题研究成果完成了本论文.论文首次发表了南海西沙海槽现场实测得到的多种地球化学实测数据成果; 结合室内研究和地球物理资料预测评价了西沙海槽天然气水合物勘探远景区; 依据地球化学异常特征和碳同位素数据, 探讨了该区气态烃甲烷的成因.

1.   西沙海槽工作区位置和地质概况

1.1   工作区地理位置和研究程度

研究调查工作区位于西沙海槽海域内的一个菱形区域, 具体位置如图 1所示.由于该区处在陆坡深水区, 工作程度较低.1999年10月, 国土资源部广州海洋地质调查局完成了以天然气水合物资源前期调查为目的的530 km多道高分辨率地震勘探, 发现了多段似海底反射界面(BSR), 累计达100多km.2000年9-10月, “探宝号”船和“海洋四号”船分别在该区进行了天然气水合物资源调查(HY126-2000-03航次), 完成了约1 500 km的多道地震和15个站位的地球化学取样、气态烃的现场分析等工作.2001年7-8月, “海洋四号”大洋科学考察船在西沙海槽区域进行了中国首次天然气水合物资源调查专项(GH-01航次), 主要勘探方法有单道地震、浅层剖面、海底摄像、沉积物取样、现场地球化学分析、多波束测深、重磁测量等.

图  1  研究工作区位置

Fig.  1.  Location of working area

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1.2   西沙海槽研究区有关水合物形成的地质条件

工作区的中部区域属于新生代沉积盆地, 经过有关部门调查, 该区域单独划为西沙海槽盆地.该盆地基本为半地堑型盆地, 深部沉积了较厚的浅海相、海陆交互相碎屑沉积, 快速埋藏了新生代大量的有机质物质, 具有较好的石油和能源气藏发育条件, 能够为形成天然气水合物提供充足的物质来源.通过对ODP184航次1146站位顶空气中烃类组分及其甲烷碳同位素分析, 发现东沙群岛南部陆坡的气体以热解气为主(蒋国盛和王达, 2002).德国“太阳号”调查船发现, 海槽附近沉积物中的气体也为热解气, 而南海南部陆坡区的气体则以微生物气为主.

工作区位于准被动大陆边缘断层褶皱构造带, 具有良好的地貌条件.受断裂构造即水流底蚀作用, 陆坡地形复杂多变, 整体呈阶梯状下降, 发育海槽、海谷、海山、海丘、陡坡、陡坎、海底高原、海底滑塌以及海底扇等各种构造地貌.这与国外发现水合物地震BSR特征地区的海底地貌条件具有一定的相似性.国外勘探经验表明, 被动大陆边缘地区的断裂—褶曲构造、底辟构造、海底扇状地形、麻坑地形(pockmark) 和海底地滑等多种形式的海底浅表层构造环境往往有利于水合物的形成, 并且成为海洋天然气水合物勘探的重点地区.因此, 从相似地质条件对比分析上推测, 本区应该是天然气水合物赋存的有利区块.另外本区构造条件、沉积条件、地温状况等均有利于天然气水合物矿藏的形成.

由此, 海上工作区水合物物资来源发育, 构造条件及断层性质有利于形成流体运移, 具有形成水合物赋存的浅部稳定环境和温压条件, 具备了水合物成藏的地质条件.在大的区域上, 该地区应该为南海具有天然气水合物赋存前景的地区之一(周蒂等, 2000; 孙春岩等, 2001; 蒋国盛和王达, 2002; 王宏语等, 2002; 孙春岩等, 2003).

2.   工作区地球化学勘探

2.1   样品采集和现场测试

西沙海槽工作区现场取样由广州海洋地质局“海洋四号”科学调查船于2000年10月和2001年8月分2次完成.采用随船重力柱状管、大型重力活塞管、箱式及抓斗等取样工具主要采集了表层沉积物和底层水样品, 同时有少量表层海水样品和零海拔空气样品, 2000年航次对西沙15个站位的33个海底沉积物样品进行了现场测试, 全部检测出酸解烃甲烷、乙烷, 其中检测出丙烷的6个样品都对应于较高甲烷、乙烷含量, 相关性显著.2001年GH-01航次对30个站位的90个沉积物样品、8个底层水样品进行了现场测试, 全部检测出游离烃甲烷, 但没有检测出乙烷和丙烷, 体积比(每mL沉积物含游离烃mL) 为游离烃单位(祝有海等, 2001).各类样品总计167个.

气态烃测试分3种技术方法进行.第1种, 2000年9月底至11月初HY126-2000-03航次, 采用高灵敏度气态烃快速传感装置现场测试样品的酸解烃.第2种, 2001年7月至8月GH-01航次, 采用气相色谱装置现场直接测试分析样品中的游离烃(也称为顶空气).第3种, 将野外采集样品现场保存, 登陆后送实验室进行热释酸解脱气后, 测试分析全烃(吸附烃和吸留烃) 含量.

2.2   气态烃地球化学特征

工作区海上沉积物现场快速测试和室内分析, 3种测试方法获得的气态烃地球化学结果见参数表 1.将本区海底沉积物现场分析结果与刘崇禧2001年发表的我国海域海洋化探酸解烃主要值域比较, 本区甲烷均值基本与前人所得结果相同, 但乙烷均高于前人所得.西沙海槽甲、乙烷地球化学背景高于南沙, 尤其是甲烷指标说明西沙烃类来源比南沙丰富.由地球化学结果还可以看到, 就现场分析而言, 海底沉积物酸解烃指标比游离烃指标效果要好, 信息更可靠, 宜在海洋资源地球化学勘探中使用.

表  1  海上沉积物气态烃指标参数

Table  Supplementary Table   Indicatrix of marine gas hydrate

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采用数据统一方法将西沙海槽研究区现场测试距海底1.3~1.5 m沉积物甲烷、乙烷样品2次现场测试结果统一到酸解烃量纲, 按甲烷均值为95.96 μL/kg、异常下限值为132.5 μL/kg, 乙烷均值为10.18 μL/kg、异常下限值为14.92 μL/kg, 圈出西沙海槽海底沉积物甲烷等值线图(图 2) 和西沙海槽海底沉积物乙烷等值线图(图 3).由图 2可见B33、A09-A11、B17-A02、B01-B03和A07为甲烷高值5个局部异常, 呈北西向展布.由图 3可见, 乙烷异常虽然在北部与甲烷异常位置上有一定相关, 但总体呈北西向展布与甲烷有所不同.按照地球化学异常的一般规律, 乙烷应该来源于地下深部油气藏的烃类渗漏, 同源甲烷指标的异常分布趋势与乙烷应基本一致.异常特征的差异说明该区甲烷并非完全是热解成因, 尤其在海槽的北坡.

图  2  西沙海槽(距海底1.3~1.5 m) 沉积物甲烷含量等值线

Fig.  2.  Concentration contour of methane for sediments at Xisha ocean trough

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图  3  西沙海槽(距海底1.3~1.5 m) 沉积物乙烷含量等值线

Fig.  3.  Concentration contour of ethane for sediments at Xisha ocean trough

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表层沉积物数据(距海底0.0~0.1 m) 统一成游离烃量纲后, 甲烷均值为0.96×10^-6, 异常下限值为1.55×10^-6 (每mL沉积物含游离甲烷1.55×10^-6 mL).B33、B01、B17、B10和A14、B33、B14-A06、B10为甲烷高值局部异常.总体上和距海底1.3~1.5 m深度异常分布趋势相同, 这也从另一方面说明了上述观点.

2.3   研究区气态烃地球化学异常和地震BSR、BZ综合评价

虽然地震、测井等地球物理探测技术是目前世界上勘查天然气水合物, 确定海洋天然气水合物存在区的广泛应用的技术手段, 但国外许多事实也证明BSR、BZ (blank zoon)、VAMP (velocity-amplitude feature)、AVO (amplitude versus offset) 等地震属性标志和天然气水合物之间并不是一一对应的确定关系, 而是具有多解性(祝有海等, 2001; 孙春岩等, 2003b; 孙春岩等, 2003a).由于天然气水合物的主要成分为甲烷及其同系物, 因此可以通过测试海洋沉积物中气态烃异常的地球化学技术方法, 直接探测天然气水合物矿藏中主要组分垂向渗漏、运移的信息和证据, 进而鉴别筛选地球物理BSR和BZ指示的有利地段, 解决地球物理方法技术的多解性问题, 发现天然气水合物远景区, 指导勘探工作.

按照此种思路, 考虑了海水深度和下部断层的发育情况等因素, 将地球化学气态烃甲烷异常分布同地震BSR、BZ识别带叠合, 获得西沙海槽工作区物化探指标综合异常, 并依此筛选推断预测出水合物勘探远景区(图 4).本区预测存在5个比较有利的勘探区域:

图  4  水合物重点勘探远景区预测

Fig.  4.  Favorable prospecting area of marine gas hydrate

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Ⅰ区域为B07站位周围区域, 该区域位于北部斜坡地带上, 水深500 m左右.有较为典型的BSR现象, VAMP较明显, 浅部的空白模糊带BZ比较厚, 浅部地层沉积物中气态烃含量高.但只有2条地震测线控制, 所以面积较小.

Ⅱ区域为位于北部斜坡上较大面积的区域, 水深从500~2 300 m不等, 考虑BZ厚度因素和地震剖面BSR识别时所预测的范围略有不同.除了BSR现象和较厚的BZ带外, 部分测线上还有比较明显的VAMP现象、亮点现象、极性反转现象、瞬时频率异常现象及AVO属性异常等现象.该区域下部具有较大厚度的沉积地层和较为发育的正向断层.浅部和其他区域相比具有较快的沉积速率.并且B20站位通过海底摄像发现了碳酸岩介壳状沉积物.该区的B12点位(水深约1 700 m) 表层沉积物气态烃含量低于背景值, 甲烷碳同位素测试值为51×10^-3, 这也一定程度上说明该区域可能有固体水合物的赋存, 并且聚集成层.该聚集层起到了阻挡深部气体继续向上渗逸到海底地表的作用, 使局部区域表层沉积物中气态烃含量减少, 也使少量的生物成因在海底地表沉积物中占了较大的比例, 形成表层沉积物的甲烷气热解、生物混合成因.

Ⅲ区域位于西沙海槽北部斜坡的下部, 水深2 500 m左右.该区域有较为典型的BSR、VAMP特征, 由于水深较大, 压力相对较大, BSR发育的层位更浅, BZ发育也就会较薄.气态烃测试该区内的A14、B28、B24、B18点位的沉积物都有较高的甲烷气浓度.

Ⅳ区域为南部隆起带上的一个局部区域, 该区域水深在1 700 m左右.地震剖面上BSR现象特征比较明显, 但发育较局限.由于水深较大, BSR发育较浅, 空白带较薄.虽然该区域附近大断层比较发育, 但在表层沉积物的甲烷含量并不高.

Ⅴ区域为B33和B30点位的周围区域, 该区域水深在1 200~1 800 m之间.地震BSR现象不明显, 其有可能是因为游离气聚集性较差, 或水合物分解的气体量较少, 没有形成BSR反射.但在浅部其空白反射还是比较明显的, 海底表层沉积物甲烷含量浓度较大.也有可能存在大量比较分散的水合物矿产.

总之, 这几个区域水深均为大于300 m的海域, 具有水合物保存温度和压力条件; 下部分布有区内的次级凹陷, 有良好的气体物源条件; 下部地层或附近地层都发育有较大断层, 有烃类来源通道; 特别是北部斜坡上的几个区域, 上第三系地层及第四系地层沉积速率较快, 沉积较为稳定, 厚度较大, 具有较大的孔隙度; 具有水合物矿藏形成的“运”、“储”、“保”条件.

3.   形成水合物的气态甲烷成因探讨

据吴必豪等“南海潜在天然气水合物矿藏的成因及形成模式初探”一文提出: 南海烃类气体的来源复杂, 并非单一成因.北部陆坡(莺歌海-西沙海槽-东沙群岛-台西南区域) 烃类气体主要来源于深部热解成因气, 可能还有浅部微生物气的混合.对南海南部海域, 烃类气体主要以浅部微生物气为主, 同时还有热解成因气的混合(蒋国盛和王达, 2002; 孙春岩等, 2003a).

本次在本区海底沉积物样品中挑选了具有代表性(空间分布上, 值异常程度上) 的14个点位, 共计17个样品, 进行了甲烷碳同位素测试, 发现选取的17个样品值范围在-51×10^-3~-34.18×10^-3, 为热解成因范围.由于带回实验室的样品量少, 脱气甲烷量不满足测定碳同位素的要求, 所以有几个点位是将同点不同深度样品混合脱气而测得的同位素值.但总体上该结果和德国人Berner、卢振权等人测试的西沙海槽区域甲烷碳同位素在-22×10^-3~-38×10^-3之间的结果基本一致.图 5是甲烷碳同位素和甲烷干燥系数散点图.图中的其他区域的数据来自于Bernard、Matsumotod等人, 中国南海前期数据来自于德国人Berner 1992年的测试结果.

图  5  西沙海槽甲烷碳同位素和烃类气体组成判别气体成因

1.布莱克海台; 2.黑海; 3.鄂霍茨克海; 4.ODP; 5.加利福尼亚; 6.里海; 7.墨西哥湾; 8.Prudhoe海湾; 9.南沙海槽; 10.西沙海槽; 11.西沙海槽(虚线小方框为本次研究的值区域); 其中部分数据来自于Bernard, 1976;Matsumotod等, 2000; Berner, 1992

Fig.  5.  Discriminating cause of gas hydrate with methane carbon isotope and hydrocarbon component

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甲烷碳同位素将西沙海槽研究区海底沉积物气态烃甲烷限定为热解成因, 但个别数值接近混合成因.联系到前面所述, 笔者认为此区来源于浅部生物成因的气体还是存在的, 但以热解成因为主.

4.   结论

(1) 海底沉积物地球化学勘探可以获得地下气态烃的可靠信息, 能够为海洋天然气水合物勘探提供直接的科学依据. (2) 气态烃分布特征和甲烷碳同位素、甲烷干燥系数等参数对海底沉积物气态烃成因的综合判别结果表明, 气态烃甲烷以热解成因为主, 部分区域可能混有生物成因气.结合沉积、构造等地质条件分析推测, 该海区赋存的水合物资源中甲烷以热解成因为主, 生物成因为辅. (3) 研究区内地球化学测量显示: 海底沉积物气态烃含量异常主要分布在北部斜坡地带, 与BSR等地震标志及下部断裂发育关系密切.