泥火山、底辟构造与天然气水合物

泥火山——天然气水合物存在的活证据~

沙志彬 张光学 梁金强 王宏斌
第一作者简介：沙志彬，男，1972年出生，高级工程师，主要从事石油地质和天然气水合物的研究。
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
摘要 海底天然气水合物大多与通过切穿沉积盖层的断裂的上升烃类流体相关，这些高渗透带包括泥火山和底辟等侵入构造，所以泥火山、底辟和海底断裂等构造周围可能赋存水合物；实际钻探结果也证实，泥火山和水合物的形成与聚集有较为密切的关系。泥火山，它是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果，也是气体向上运移的通道。文章初步总结了泥火山与水合物的成矿关系，认为泥火山是水合物赋存的标志之一，是水合物存在的活证据。本文对我国泥火山与水合物的发育和赋存进行了分析预测，并对泥火山构造中水合物的成矿模式进行了初步探讨。
关键词 泥火山 天然气水合物 成矿模式
1 前言
泥火山，是顶部带有漏斗状火山口并具有通向深部的管孔，可涌出混有泥质粘土质沉积物的水、气的大型圆锥形山丘，它的形成与烃类渗出物相关。泥火山跟泥底辟一样，都是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果，同时它也是气体向上运移的通道。
1984年Ginsburg 等地球物理学家第一次提到了水合物与海底泥火山的关系问题，此后陆续发现了里海、黑海、挪威海、地中海、巴巴多斯近海、尼日利亚近海和墨西哥湾的水合物普遍有存在于泥火山或泥底辟附近的现象，这些现象说明泥火山与水合物的赋存关系密切，可以认为泥火山是水合物赋存的标志之一，是水合物存在的活证据。
被动陆缘内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动及张裂作用，可形成大规模的泥火山或底辟构造，这些构造能使构造侧翼或顶部的沉积层倾斜，便于流体排放形成天然气水合物。Reed 等（1990）认为，沉积物负荷和甲烷的产生相互结合促进了泥火山的发育或有助于附近泥底辟的演化，随着甲烷的聚集浓度增加导致了水合物的形成，而且有利于水合物的发育。目前，世界海洋中成规模的水合物产地共有五处，综合分析结果表明，水合物主要聚集于活跃的流体逸出环境中，是由微生物成因的甲烷气沿断层、节理、底辟构造或通过泥火山作用向上运移形成的。
2 与天然气水合物有关的泥火山
里海：1979年，在南里海的海洋考察中偶然发现了水合物，目前里海发现了50多个泥火山水合物分布区（图1）。1986、1988年，苏联组织了调查，在南里海盆地的两座海底泥火山上取得27个样品，有24个见到水合物（Buzdag泥火山的20个的重力岩心中有19个观察到了水合物，Elm泥火山的7个重力岩心中有5个发现了水合物。），水合物含量为2%～25%，气体成分以烃类为主，甲烷、乙烷含量比较高。据推测，在深水区的泥火山有60座以上，存在水合物的区域面积可能不小于30000km2。

图1 南里海泥火山区天然气水合物的位置

（据Ginsburg 等，1992）
1—在泥火山处发现的天然气水合物（A—Buzdag，B—Eim）；2—未发现天然气水合物的泥底辟（C—A bikha Swell处于无名泥火山，D⁃Deverny）；3—海底泥火山；4—天然气水合物分布区边界
Fig.1 Locations of gas hydrates in mud volcano areas of the South Caspian Sea（after Ginsburg et al.，1992）
黑海：俄罗斯曾对黑海3个与水合物有关的流体逸出构造地区进行了调查，这些地区以含水合物泥火山和泥底辟为特征，在Sorokin海槽泥火山、Kovalevsky泥火山及Crimea半岛西坡的流体逸出构造的沉积物中都发现了水合物。在Sorokin海槽泥火山沉积物中，观测到气体水合物约2～3m 厚，呈块状和板状，直径达5cm，与海底沉积物地层亚平行；在中部Kovalevsky泥火山的沉积物中观测到了水合物的斑状构造，水合物基本上是等体积的捕虏体，长5cm，呈雪白色；在Crimea半岛的西部陆坡，TTR11（UN ESCO培训调研计划）航次调查用箱式取样器也采集到了水合物，这是首次在此发现水合物，其沉积物是被极细小的水合物胶结在一起的块状构造（Konyukhov等，1995；Ginsburg等，1990；Ginsburg和Soloviev，1994；Ivanov等，1998）。1996年“Gelendzhik”号的TTR⁃6航次在Sorokin海槽一典型的底辟构造进行采样，该底辟构造由从底辟脊顶和侧翼隆升至海底的泥火山和泥底辟组成（图2），结果在15个岩心样品中12个取样站位的岩心中发现有异常高的气体含量，且在5个含有泥质角砾岩的岩心中均观察到了水合物，一些岩心中还发现被碳酸盐物质轻微胶结的小贻贝壳和细菌族的存在。

图2 Sorokin海槽内的PS⁃256底辟构造中的泥火山

（据M.K.Ivanov等，2000）
Fig.2 The mud volcano of the PS⁃256 diapir structure in the Sorokin trough（after M.K.Ivanov et al.，2000）

图3 巴伦支海泥火山A的浅层剖面

（据D.Long等，1993）
Fig.3 Sub⁃bottom profile of mud volcano A in Barents Sea（after D.Long et al.，1993）
巴伦支海：德国科学家Solheim和ElverhØi（1993）发现巴伦支海74°55'N⁃27°36'E水深大约340m的海底存在着一大群泥火山。从泥火山口A的浅层剖面（图3）可以看到两个隆起的丘状体，其中一个从底部隆升了近20m，到达火山口附近。火山口周围海底平坦，靠近火山口具有一薄而不均匀的沉积盖层。从多波束调查结果发现，内部丘状体具有杂乱的反射特征，但声波无法穿透火山口底部，这些特征被认为主要是受包括位于水合物带之下气体的聚集所致（Dillon和Paull，1983）。对该区调查结果认为数个火山口内的地形高处（由棱角状的岩石组成，局部隆升于火山口壁围岩之上）是水合物丘状体，在火山口形成之后气体仍持续不断地流动，而储存于浅层附近的水合物储集层是影响底层水体温度变化及引起甲烷以季节性大量释放的原因。另据报道，南巴伦支海水合物分布范围超过55km2（Laberg和Andreassen，1996）。
3 与泥火山相关的水合物特征
与泥火山相关的水合物有许多共同特征，如水合物包裹体都呈白色或灰白色，具有片状晶形，在沉积物中无定向分布。沉积物中的水合物含量从1%～2%至35%不等，并且在整个泥火山地区以及在深度上都有变化。1998年，在地中海进行的MEDINAUT海底勘查中，深水潜艇发现海底多处富含CH4的泥火山口和冷喷溢口，它们周围有自生碳酸盐壳生长，它们在活动的泥火山口周围可形成碳酸盐台地、圆丘或放射状丘。1999年，Lein等通过对泥火山含甲烷沉积物中流体性质的研究，发现所有典型含水合物的泥火山沉积物的孔隙水特征都比周围沉积物氯含量要低。对挪威海Hakon Mosby 泥火山的研究表明，海底泥火山结构中地温梯度的变化规律十分明显：泥火山中央为明显的地温梯度高值，地温梯度随着距泥火山中心距离的增大而减小，泥火山外达到一个常值。同时，水合物聚集具有同心带状结构，由热的上升流体流控制。从泥火山流体周围的新沉积物中流出的水参加了气体水合物的形成，而泥火山的大小和形状对水合物赋存形态也有较强的控制作用。
在泥火山构造中，BSR 同样可以指示水合物的存在，但BSR 与水合物并非一一对应的关系。例如，里海泥火山含有水合物的地层中均无BSR相对应；而巴拿马北部近海泥火山发育区，水合物与BSR则呈一一对应关系，并且泥火山与BSR都集中分布于受逆断层控制的斜脊中。研究结果表明，在泥火山喷发过程中，泥石流在几天或更短的时间内就会形成几十米的盖层，沉积物厚度的改变引起水合物平衡条件发生变化，水合物分解释放出甲烷气。在此情况下，通常可以观察到BSR。
4 赋存在泥火山水合物中的甲烷量
甲烷是与泥火山相关的水合物中的主要成分，为了估算全球泥火山中甲烷聚集量，首先要确定局部聚集的甲烷量，其次确定含水合物泥火山的数量。
Ginsburg、Soloviev等（1999）估算了里海Buzdag泥火山和挪威海Hakon Mosby泥火山水合物中的甲烷量。对Buzdag泥火山，用假设的泥火山面积、粘土角砾中的平均水合物含量和含水合物带的厚度的甲烷量为3×108m3。同样用体积方法对Haakon Mosby 甲烷量的估算值为（3～4）×108m3，但考虑了所观察的气体水合物呈带状分布的特征。对这两个泥火山的泥角砾和周围原沉积物中的水合物分布也作了很好的研究，其中20个岩心来自Buzdag（19个含水合物，平均气体水合物体积含量为15%），27个来自Haakonmosby（16个含水合物，体积含量为1.2%）。所以估算的局部泥火山的甲烷聚集量为n×108m3是现实的，两种估算结果都认为1m3的水合物含160m3的STP气体（Sloan，1990）。
Weeks（1974）、Milkov（2000）根据已查明存在泥火山地区的泥火山密度的观察结果，估计了全球泥火山的数量为103～105个。然而，并不是所有的海底泥火山都含气体水合物，在巴巴多斯近海钻探了5个泥火山，但只有Atalante 含水合物（Lance 等，1998）；在黑海的深水区，对8个泥火山进行了采样，只有2个（MSU 和Tredmar）含水合物；在地中海的Olimpi 钻探了23个泥火山和底辟，虽然孔隙水指示这些泥火山中存在水合物，但没有发现水合物（De Lange，Brumsack，1999）；在地中海的Anaximander 钻探了6个泥火山，只在Kula发现了水合物。所以，全球含水合物泥火山的数量可能只占深水泥火山总量的10%左右（即102～104个）。
最后，把单个海底泥火山中聚集的甲烷气体水合物数量的估算与全球含水合物的泥火山数量结合起来，得到气体水合物中的总甲烷量为n×（1010～1012）m3。这是初步的估算结果，但不管如何，它们的储量都很可观。
5 泥火山与天然气水合物成矿地质模式

图4 Hakon Mosby泥火山的水合物与钻孔分布图

（据G.D.Ginsberg等，1999）
Fig.4 Distribution of gas hydrates and drilling holes in Hakon Mosby Mud Volcano（after Ginsburg et al.，1999）
G.D.Ginsburg等（1999）研究了挪威海Hakon Mosby泥火山与水合物的成矿关系，该泥火山直径约200m。从平面图（图4）可以看出（图中a 为无水合物区；b—d 为水合物发育区：b含量为0～10%，c含量为10%～20%，d，少量；虚线所示为水合物外围边界；空心圆表示未发现水合物站位；实心圆为发现水合物站位；实心正方形为海底即见到水合物的站位。），泥火山中心最热处不发育水合物，往外侧逐渐发育水合物；距离泥火山中心较远的地方，沉积物中水合物含量一般在0～10%之间（平均为5%），再往外就到了水合物含量的最高值区（平均为10%～20%）。37、38、40钻孔位于水合物沉积区内，28、45钻孔位于水合物高值区内；其中，45钻孔中还观察到块状水合物样品，长度从0～225cm不等。
A.V.Egorov等（1999）在对Hakon Mosby泥火山地区水合物研究后提出泥火山构造中水合物的成矿模式（图5）。该模式认为：海底存在的水合物能够在没有任何温热或上升海水的情况下产生甲烷气柱，气柱的上部边界由底部气流的速率和纵横方向上的扰动⁃扩散系数决定。统计结果显示：泥火山上的甲烷气柱一般不超过10m。泥火山上水柱样品表明火山表面上60m乃至80m处甲烷气的浓度均较高，并且在火山表面至少有50m的温度正异常。

图5 Hakon Mosby泥火山水合物分布模式

（据A.V.Egorov等，1999）
Fig.5 The model of Hakon Mosby Mud Volcano and gas hydrates（after A.V.Egorov et al.，1999）
Milkov等（2002）则根据流体迁移模式和水合物在稳定带（GHSZ）内聚集的特征，讨论了水合物在泥火山地质构造条件下的水合物聚集与赋存状况，提出构造圈闭型水合物成矿模式（图6）。泥火山作用下的天然气水合物明显地赋存在经受过快速坳陷的含有巨厚年轻沉积层内，埋深不大，在黑海和墨西哥湾都发现了大量的此类水合物。该类型矿藏主要由热成因气、生物成因气或者混合气从较深部位的含油气系统沿断裂、泥火山或其它的构造通道快速运移至水合物稳定域中，同时还受流体通道的几何形态、流体的流速、天然气的组成和温压场等因素控制，造成水合物通常位于活动断裂附近和泥火山口，所以可能在海底或较浅的沉积物中获得样品。这类水合物矿藏沉积物中水合物的含量通常较高，因而具有较高的资源密度和开采价值，开发与生产的成本也较低。
6 我国的泥火山与水合物的关系远景前瞻
东海外陆架和冲绳海槽西坡上部高分辨率地震、多波束和声学资料都显示在海槽中段发育有海底泥火山，它们呈直径为数十到数百米、高度在数米到40m之间的沉积物隆起。泥火山的地震资料发现振幅异常和特殊地震相，说明泥火山的沉积物中含有气体，表明天然气或流体渗透与泥火山的形成有一定关系。这些泥火山还与出现在沿冲绳海槽西坡的正断层相关，这些正断层正是流体运移的通道。Yin P 等（2003）认为这些泥火山的泥和流体的来源比较深，年代也较早，但其渗透过程目前可能仍在进行，而且其活动很可能与水合物的形成与分解有关。

图6 构造圈闭型的泥火山水合物成矿地质模式

（据Milkov等，2002）
Fig.6 The model of Mud Volcano and gas hydrates in structural trap（after Milkov et al，2002）
近年来，广州海洋地质调查局在南海北部陆坡开展地质与地球物理调查，发现了与水合物有关的似海底反射波（BSR）、甲烷高含量异常、氯离子和硫酸根浓度异常、碳酸盐结壳和甲烷礁等重要的地球物理与地球化学证据，表明南海北部陆坡具有良好的水合物成矿远景。尽管没有找到与水合物有关的泥火山，但是发现同是在活跃流体逸出环境中形成的底辟构造在陆坡区内比较发育；其中，有35%左右的底辟构造与BSR相伴生，这些底辟构造中可能存在水合物；而这些底辟多数可能为泥底辟，如果温压条件有大的改变，造成水合物溢出的话，很可能会形成泥火山。因此，将来我们可以在发现底辟构造的区域除进行多道高分辨率地震勘探外，最好利用其它地球物理勘探方法（例如浅层剖面、单道地震测量、旁侧声纳、多波束和海底摄像）来进行综合调查，查找周围是否存在泥火山构造，进而确定是否存在水合物。随着勘探和研究的不断深入，相信不久的将来，在南海会发现水合物，并且能够找到与水合物相关的泥火山。
7 认识与讨论
泥火山构造是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果，又可以是深部气源向上运移提供良好的通道，使气体能够在合适的温压环境下聚集成矿，为水合物的形成创造良好的构造条件；另外，泥火山是海底流体逸出的表现，受到快速的过冷却作用往往在其周围可见到水合物的出现，故一定程度上它揭示了地层之下是否赋存水合物。
保守估计，全球含天然气水合物的泥火山数量可能只占泥火山总量的10 %左右（102～104个），但是它们所包含的总甲烷量却很可观，约为n×（1010～1012）m3。
尽管如此，泥火山构造与水合物的形成及分布密切关系是显而易见的。如果发现了泥火山构造，就很可能找到水合物的存在。因此，研究泥火山与水合物的成矿关系，对了解海底水合物的发展变化规律、成矿远景以及对水合物的地球物理勘查方向都具有重要的指导意义。
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Mud Volcano—One Live Evidence of The Existence of Gas Hydrates
Sha Zhibin Zhang Guangxue Liang Jinqiang Wang Hongbin
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：Marine gas hydrates are mostly related to the lifting hydrocarbon flow through the various fractures in the sediment.The intrusion—related structures such as the mud volcano and the diapir are also the high permeable zone of fluid flow.So there are potentially distributed marine gas hydrates around the mud volcano，the diapir and fault fracture.Results of drilling are proved that there are close relationships between the form and accumulation of gas hydrates and mud volcano.The mud volcano can be regarded as the result of the pressure of inner gases upthrusted from the lower strata，and the migration of gases from deeper strata.The mineralization relationships between the gas hydrates and the mud volcano are summarized in primary in this paper，which suggest that mud volcano is one of the signs and alive evidence of the existence of gas hydrates.The mud volcano and gas hydrates are predicted in China.In addition，the mineralization model of gas hydrates in the structure of mud volcano are construed in this paper.
Key words：Mud volcano Gas hydrates Mineralization model

含有结晶水的化合物叫做结晶水合物。结晶水合物属于化合物，当然也属于纯净物。结晶水合物与相应的无水物在一定条件下可以相互转化，它们是两种不同的物质。结晶水合物在一定条件下失去部分或全部结晶水时，发生的是分解反应，如 CuSO4·5H2OCuSO4＋5H2O；无水物与水结合成相应的结晶水合物时，发生的是化合反应，如 CuSO4＋5H2O=CuSO4·5H2O，实验室常用这个反应鉴别无水酒精是否真的“无水”。结晶水合物化学式中的“·”，在计算相对分子质量时是“加”的意思，不是“乘”，这与数学代数式是不同的。

结晶水合物在常温及干燥的空气中，失去一部分或全部结晶水的现象叫做风化。风化属于化学变化。如：Na2CO3·10H2O易风化。

固体物质在常温下吸收空气中的水分而变潮的现象叫做潮解。潮解属物理变化。如 NaOH固体、粗盐均易潮解。
在过去的十年间，南方海洋地质机构应用地球物理方法对黑海盆地进行了详细研究。在整个盆地布设25×25km的勘探网络，通过共深度点地震测量测得西黑海盆地沉积层厚度为15km，东黑海盆地为10km，对盆地底部的主要结构和构造进行了填图，进一步确定了不同相组成的烃类在局部油气构造中的聚集、运移及形成规律。

分析了3000km共深度点地震剖面、12000km的高频地震剖面以及500km海底声波剖面，对20％以上的地震和地震声波数据进行了计算机处理并合成地质剖面。在东黑海盆地、图阿普谢、索罗基凹陷及外克里米亚西黑海盆地部分获得了重要的结果。用“亮点”、“暗点”、“假构造”这些典型异常及其它有关的类型示出了200多个局部构造。地震地层分析指明了可能的非背斜圈闭区域(冲积扇、古河道、斜坡沉积等等)。进一步证实了天然气沿局部通道(断层、低密度带)的垂直运移及油气藏顶部的扩散作用(扩散晕)。

了解盆地不同区域的速度振幅特征类型、海底模拟反射层(BSR)类型及特殊的反射异常很有必要，通常它们与气水合物层的基底有关。

根据理论数据及戈洛马尔挑战者号钻探船的钻井结果，对黑海盆地深部的合适的温压 环境分析表明，有利于气水合物形成的温压条件为纯甲烷：水深700～750m；密度为0．6 的天然气：水深300～500m。该深度至气水合物形成带的下界由地热梯度决定，平均在海底以下400～500m的深处(最大值为800～1000m)。例如，气水合物形成带分布于深海盆地的整个深部范围及大部分大陆斜坡。结晶质的气水合物主要形成于盆地中1～3km厚的第四系沉积物中。图阿普谢及索罗基凹陷的东坡晚第三系沉积物也落在气水合物带中，它们构成了底辟构造的顶部。根据深海钻井资料，第四系沉积物由高孔隙度的粉砂—砂质层及对气体渗透率不太高的粘土层组成，通过勘探及钻井中气量调查确定了晚第三系—第四系的天然气远景。

到日前为止，初步确认黑海盆地沉积物中存在结晶质气水合物。例如，Yefremova和Zhizhchenk(1974)描述了深1950m泥岩微孔隙中的似冰状甲烷水合物晶体。1988年，苏联科学院西伯利亚分院的一支考察队在东黑海盆地费奥多西亚段近海底沉积物中取样期间。发现了几毫米至几厘米大小的气水合物晶体。1988年，对东黑海盆地进行凋查确认在该剖面的上部(主要是3～5m)存在含天然气的软泥，这种天然气含有饱和烃类及碳数达5的不饱和烃类。

根据以上直接和间接的资料，可以推测深海盆地中以固态(气水合物)和游离态(气态)形式存在的烃类聚集需具备的条件：近海底海水温度足够低及高压、地层为多孔隙交替的粘土岩，盆地具有大的油气远景。

要了解沉积物中气水合物的形成，必须搞清楚气源及它们到达气水合物带的运移通道。一种气源可能是有机质生化转换的产物(甲烷、硫化氢、二氧化碳等)。一些科学家认为在气流饱和及层间水充足的情况下，就会形成结晶质气水合物。在饱含天然气的沉积物被埋藏时，在气水合物形成带生成填充孔隙空间的初始结晶质气水合物。

Tronmuk等人认为：在适当的温压条件下，气水合物可以聚集在不饱含天然气的地层水中。当孔隙的65%～70％被气水合物填充后，含结晶质气水合物的地层实际上成为天然气的不渗透层，因此，油气藏的形成就不再需要盖层岩石。例如，在近海底沉积岩层中的有机质蚀变的初期阶段，也能够形成区域盖层。其可靠性依赖于多种因素：岩石的温度、水的盐度、气体组分，地层压力等等。

这个结论对黑海盆地中气水合物的勘探评价是非常有意义的。因为，根据戈洛马尔挑战者号船的钻井资料，在该盆地深海区推测的气水合物带几乎不存在一区域永久岩性盖层，在近海底沉积物中可能有一非渗透天然气层。这对确定勘探靶区及加强该区域勘察是非常重要的。

另一种气源属深成热解天然气，它是从主要的含油气带沿构造(断层、压碎带)和岩性通道到达气水合物带。造成运移的一个重要原因是黑海地区地壳特殊的新构造运动。

根据共深度点及高频地震剖面资料，黑海盆地中的分支背斜褶皱、泥火山及断层已作的填图与该地震剖面中的动力异常相符合。地震资料数字处理使剖面中的波图异常部分突出，与存在天然气扩散晕岩石的声波和次生变换区相符，这在油气勘探实践中都可以了解 到。另外，通过分析戈洛马尔挑战者号船的379号位的钻井资料，天然气水合物的深成热解成因模式得到进一步确认。

沉积物中存在结晶质气水合物最明显的标志是海底地形主要特征的一种反射叠加，但不是多重反射，在其它国家的文献中称作海底模拟反射层(BSR)。海底反射层至海底模拟反射层之间的波形图通常由得出的相干性及振幅的衰减程度来辨别(图1，图2）在解释某一海底模拟反射层的过程中，海底以下地层的异常深度与水深之间存在的关系是很重要的。根据大多数地震勘探的气水合物矿床证实，一般情况下，气水合物层的基底(BSR)深度随水深的增加而增加。随着反射极性的倒转及地层速度的异常增加，它能够将沉积物中存在气水合物产生的影响与其它因素(诸如象岩性或成岩交替)引起的异常区别开来。



图1 图阿普谢凹陷76号位共深度点剖面异常BSR类反射

a)共深度点时间剖面 b)判释 1）正常反射 2）衍反射 3）海底模拟反射层 4）“平坦区”反射



图2 图阿普谢凹陷东北坡34号位共深度点剖面的时间剖面

(箭头表示BSR类反射极性的转换：a)异常 b)反极性)

海底以下BSR深度的增加取决于气水合物稳定时的温压条件：较高的静水压力及近海底水温降低可使气水合物稳定在较大深度的沉积物中。这种情况在大陆架与大陆坡的邻接处最为明显，一般可观测到最大的底深梯度、热流值及气水合物形成带厚度的增加(见图1)。

为了检验这个标准，详细分析了黑海盆地显示BSR的波场异常。测出了海底至BSR剖面区间内每1～2km的反射时间。利用共深度点数据中得出的平均速度和相对深度范围对其进行了重新计算，表示深度的厚度仪记录了海底以下反射层深度。计算的数据与Makogon列出的密度为0．6的天然气甲烷水合物理论平衡曲线进行了比较，修正了在戈尔马挑战者号船的379、380及381号位测出的黑海盆地实际地温梯度。结果表明，BSR深度与水深之间关系明显。

该共深度点地震剖面处理成计算机地质剖面后，具有典型的速度振幅特征及BSR波场异常。对推测的气水合物形成带基底反射层动力特征及有关的气水合物矿床、其下的游离气藏的动力异常进行了研究得出动力影响较为持续、速度影响不大。无论怎样，根据理论和实验数据，能够标明BSR和VAMPS上方速度的异常增加及下伏层速度的降低。

例如，对图阿普谢凹陷东侧地震剖面中速度分析得出了根据共深度点的BSR的最佳层速度为155m／s，背景值为1490～1500m／s。BSR上方层速度可能增加到2800m／s。对于单个的共深度点地震剖面，经特殊处理后，测出了BSR附近的相转换效应、其下的“平坦区”类反射(图2)，可能的气水界面(图1）。

在东黑海盆地，戈尔马挑战者号船的379号位附近海底以下380～390m深度范围内，速度增大到2400m／s，下伏层(450～550m)速度降低到1400m／s(背景值为1600～1900m／s，相对于300～500m的地层段)。根据钻井资料，在海底以下380～430m深处，钻速突然降低2.5倍，但该层段的岩石密度为0.25g／cm3，小于邻近的层段。所以，在开发气水合物矿床时应综合考虑岩石、钻速及弹性波速等多方面因素(也就是说这些因素是气水合物矿床存在的标志)。



图3 黑海盆地中气水合物形成带的含天然气远景区

1)很有远景 2)有远景 3)远景不大 4)无远景

气水合物形成带中烃类的构造圈闭，有利于确定气水合物矿床及其下油气藏的位置，它们是主要的但不是唯一的气水合物聚集处。因为气水合物矿床及其下相伴生的油气藏可能不受岩性和构造控制。大陆斜坡700～800m深处至坡脚带看起来最有远景，这里的温压条件最合适且含有较丰富的有机质组分、生物成因甲烷。

分布广泛的滑动层及不等粒悬浮流也是非常重要的。Ginberg等人指出这些矿体具良好的含结晶质天然气水合物远景。认为当流体沿斜坡向下移动时，饱含水的沉积物中发生强大的湍流混合是结晶质气水合物形成的理想条件(类似于套管和输气管线中的人为条件)。气水合物的富集度以及总的储藏量取决于气态烃初始聚集的量以及沉积物迁移、再沉积过程中岩块的大小。在大陆斜坡，气水合物矿床的基底可能沿沉积物滑动面分布。

由于深部的构造运动，岩石平衡遭到破坏，可以使气水合物矿床快速形成。从而释放的大量天然气加快沉积物沿斜坡向下重力滑动，随后，在气水合物形成带的天然气沿斜坡向上运移，再次参与气水合物矿床的形成。这种现象在西里海盆地的西及西北坡最为常见，那里的滑动作用常与气水合物形成带的基底有关。这些现象在大陆斜坡保加林段获得的高分辨地震资料中很容易观察到。此外，在该地区背斜顶部附近，已发现了与次生天然气水合物有关的速度振幅特征类异常(VAMP)。

这些资料表明天然气水合物矿床和其下不同成因和构造类型油气藏位于黑海盆地水下沉积层的上部。根据所了解的盆地中地貌、构造、地热及温压条件的多样性及地球物理异常的分布，认为各区的含油气性不同(图3)。

气水合物形成带含气性的主要区域评价标准是：沉积层含油气岩性预测、有利的温压环境、游离气区构造和岩性条件、气水合物形成带区间内可见波场的特征异常。这些标准可确定某一区域的含气远景。由于前两个标准在盆地深海部变化不大，区域评价中主要还是参照后两个标准。

气水合物的地震增益在整个盆地呈不规则分布。大部分BSR类异常集中在图阿普谢盆地沉积层的上部，Shatskiy和Andrusov隆起顶部及Anapa至Sochi的大陆斜坡。在西黑海盆地，受分支背斜褶皱及可能的泥火山限制，主要是VAMP类异常。大多数BSR及VAMP类异常的一个主要特征是直接分布在早第三纪沉积的构造断裂附近。它们是气态烃的补给通道，断裂附近的强烈的动力异常沿倾斜地层向上延伸好几公里同样也表明了这一特征。根据定量计算异常BSR及AVMP反射波的声阻抗以及岩石的物理特性认为气水合物层是导致这些异常产生的主要原因。

从综合地质学观点出发，无疑古代和现代河流中富含有机质的冲积扇砂质层以及古水流沉积层是远景区。显然，共深度点(CDP)法分辨力不高而妨碍对地震剖面中气水合物层的直接测定。温压条件不利的地区认为是非远景区，不可能存在气水合物层，但有游离气藏的可能。

气水合物储量的初步评价是根据Trofimuk等人提出的方法来计算的。平均厚度为300m的近海底沉积物中埋藏的甲烷储量密度为(1170～1384) ×106m3／km2，水合物层的天然气回采率为0．7。麦索亚哈黑海盆地最有远景的地区水合物形成带中天然气可采储量估计为：(60～75) ×1012m3。

有关研究气水合物形成过程及野外实验结果的大量新出版物对评价气水合物储量的原 始资料数据进行了加工提炼。麦索亚哈油田的试采表明，气水合物矿床的天然气采收率小于0．5。Yefremova及Gritchina认为考虑可能含气水合物沉积的区域分布及气水合物矿床的层状垂直构造的“修补”很有必要。Troiimuk等人指出在预测气水合物形成带天然气储量时应考虑岩石温度、有机质丰度、沉积物的厚度变化等其它几个因素。由于对盆地深部的了解还很不够，所以，还谈不上具体考虑这些甲素。因此，改用较低的区域含气系数(0．3)来计算，预测的天然气储量(20～25)×1012m3。

在图阿普谢凹陷对预测的气水合物矿床利用高频地震测量进行了深入的研究。考虑了大陆斜坡的热流变化及海底至BSR带内沉积物的声波特征、层理及可能含气水合物岩石的大致体积，利用储量密度上限、采收率(0．5)、低区域含气系数(0．3)，估计矿床中天然气的储量范围属苏联大型气田。

因而，地质和地球物理调查资料为我们评价黑海盆地沉积物上部气水合物形成带中天然气的远景提供了可能性。近海底沉积层中存在气水合物使我们对盆地天然气的储量有了新的认识。外克里米亚和高加索盆地深海部是值得进一步调查的最具远景的靶区。索罗基凹陷和盆地中部的泥火山、似底辟构造以及构造断裂带可能会出现大型的矿床，盆地大陆坡的保加林和罗马尼亚层段无疑也是有远景的。

来源：史斗，孙成权，朱岳年编.国外天然气水合物研究进展.兰州：兰州大学出版社，1992.45～50

自20世纪80年代早期发现现代的天然气渗漏(即冷泉)以来，迄今已在全球多种沉积环境中发现了活跃的甲烷渗漏^［1，12］(见图1－1)。在天然气渗漏区，天然气上升形成的气泡使孔隙发生移位，产生直径＜1mm～2cm不等的孔洞^{［37～39］}。流体垂向运动常被不透水沉积层或沉淀的碳酸盐结壳所阻断，气压产生的浮力迫使其侧向运动，形成平行层面的通道和裂隙^{［91～92］}。由于不透水层的圈闭作用，孔洞和顺层通道中饱含天然气。在过饱和状态下，天然气可以重结晶，从而在海水/沉积界面附近形成顺层分布的透镜状和层状水合物^［37］。现代大洋调查所采集的样品大都是这种沉积表层附近重结晶的水合物。在渗漏活跃的地区，局部的气体和流体积累使压力上升，导致穿层裂隙及角砾化^{［37，92，18，］}。

近年的研究认为现代天然气渗漏构造主要有:泥火山、泥底辟、微生物丘和微生物礁、黑烟筒及袋形洼地等天然气渗漏构造。海底天然气水合物大多与通过切穿沉积盖层的断裂、节理上升烃类流体相关，这些高渗透带主要是泥火山和泥底辟等渗漏构造。泥火山是顶部带有漏斗状火山口并具有通向深部的管孔，可涌出混有泥质粘土质沉积物的水、气的圆锥形山丘，它的形成与天然气渗漏相关。泥火山与泥底辟一样，都是地层内部圈闭的气体由于压力释放上冲的结果，底辟构造则是流体物质尚未刺穿海底沉积盖层，刺穿后则是泥火山，二者都是气体向上运移的通道。被动陆缘内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动及张裂作用，可形成大规模的泥火山和底辟构造。这些构造能使构造侧翼或顶部的沉积层倾斜，便于流动。沉积物的负荷和甲烷的产生相互结合促进了泥火山的发育或有助于附近泥底辟的演化^{［146，147］}。

广州海洋地质调查局在南海北部陆坡开展地质与地球物理调查，发现了似海底反射波(BSR)、甲烷高含量异常、氯离子和硫酸根浓度异常、碳酸盐结壳和甲烷礁等重要的地球物理与地球化学证据，这些证据表明南海北部陆坡具有良好的水合物成矿远景。底辟构造在陆坡区内比较发育(图7－1)，并且有35%左右的底辟构造与BSR相伴生，说明底辟构造和水合物具有一定的相关关系。台湾成功大学地球科学系则利用EK－500海洋地质调查仪器在台西南海域发现了海底泥火山及活跃天然气气体溢出，而对喷发的气体及水样进行初步化学分析，结果表明其90%以上为甲烷气体^［148］。

图7-1 南海北部陆坡区底辟构造分布与BSR关系示意图^［148］

1984年，Ginsburg等地球物理学家第一次提到天然气水合物与海底泥火山的关系问题，此后，陆续发现了里海、黑海、挪威海、地中海、巴巴多斯近海和墨西哥湾的水合物普遍存在于泥火山或泥底辟附近的现象，这些现象说明泥火山、泥底辟等构造是天然气渗漏和存在的典型构造。图7－2是位于挪威—巴伦支海—斯瓦尔巴特群岛西缘的Hakon Mosby泥火山(Hakon Mos-by Mud Volcano，缩写HMMV)直径约为200m左右泥火山与水合物的成矿关系模式图^［149］。从平面图(图7－2A)可以看出，HMMV中心最热的地带不发育水合物，往外侧逐渐发育水合物;距离泥火山中心较远的地方，沉积物中水合物含量一般在0%～10%(平均为5%)，再往外就到了水合物含量的水合物最高值区(平均为10%～20%)。37、38、40钻孔位于水合物沉积区内，28、45钻孔位于水合物高值区内。图7－2B为HMMV区域稳定状态温度场模型^{［148，149］}。

图7-2 HMMV地区泥火山与水合物的成矿关系模式图(据GinsburgGDetal.，1999，修改)

Egorov A V et al.(1999)在对HMMV泥火山地区水合物研究后提出泥火山构造中水合物的成矿模式^［150］(图7－3)。该模式认为:海底存在的水合物能够在没有任何温热或上升海水的情况下产生甲烷气柱，其中的上部边界由底部气流的速率和纵横方向上的扰动－扩散系数决定。统计结果显示:泥火山上的甲烷气柱一般不超过10m，泥火山上水柱样品表明火山表面上60m乃至80m处的甲烷气的浓度均较高，并且在泥火山表面至少有50m的温度正异常。

Milkov et al.(2002)则根据流体迁移模式和水合物在稳定带(GHSZ)内聚集的特征，讨论了水合物在泥火山地质构造条件下的水合物聚集与赋存状况，提出构造圈闭型水合物成矿模式^［151］(图7－4)。泥火山作用下的天然气水合物明显地赋存在经受过快速坳陷的含有巨厚年轻沉积层内，埋深不大，在黑海和墨西哥湾都发现了大量的此类水合物。该类型矿藏主要由热成因气、生物成因气或者混合气从较深部位的含油气系统沿断裂、泥火山或者其他的构造通道快速运移至水合物稳定域中，同时还受流体通道的几何形态、流体的流速、天然气的组成和温压场等因素控制，造成水合物通常位于活动断裂附近和泥火山口。

图7-3 Hakon Mosby泥火山水合物分布模式^［150］

图7-4 构造圈闭型的泥火山水合物成矿地质模型^［151］

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泥火山、底辟构造与天然气水合物视频