宋娜娜 (長江大學地球化學系,湖北 荊州 434020)
帥燕華 (中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點實驗室,北京 100083)
劉 梅
不同成因水合物成藏條件與模式的對比研究
宋娜娜 (長江大學地球化學系,湖北 荊州 434020)
帥燕華 (中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點實驗室,北京 100083)
天然氣水合物是一類潛力巨大的資源,主要包括生物成因水合物和熱成因水合物2種類型。在對比分析2類水合物的分布規(guī)律、地質條件、成藏特征、成藏模式的基礎上,獲得以下認識:生物成因水合物占世界水合物分布點的90%以上,而熱成因水合物分布局限;水合物的生物成因往往與沉積速率、有機質含量相關,而其熱成因則由構造因素控制;生物成因分布不集中,不利于開采,而熱成因水合物分布集中,儲量密度大,具有實際開采價值;生物成因水合物受沉積因素控制,氣體來源既有原地細菌生成,也有經(jīng)過孔隙流體運移而來;熱成因水合物一般從較深部位沿斷裂、泥火山或其他構造通道快速運移至水合物穩(wěn)定域,水合物主要分布在構造活動帶周圍。
水合物;成因類型;成藏條件;成藏模式
天然氣水合物(簡稱水合物)是由烴類氣體與水分子組成的冰狀物質,俗稱可燃冰,其形成必須要有豐富的烴類氣體和低溫、高壓條件。自然界中水合物主要分布地區(qū)如下:①水深為300~4000m 的大陸架、洋中脊、海溝和海嶺等(占地球上儲量的90%)。②高緯度大陸地區(qū)永久凍土帶及水深100~250m以下的極地陸架海。據(jù)Kvenvolden統(tǒng)計[1],海域水合物資源量為1.1×105~2.7×108tcf(萬億立方英尺),大陸永凍帶的水合物資源量也在5.0×102~1.2×106tcf范圍之內。因此,研究水合物的成因及成藏模式具有重要意義。
水合物形成主要取決于氣源物資的供給與特定的控制天然氣水合物穩(wěn)定帶形成的低溫高壓環(huán)境,氣源成因類型及形成模式往往決定了天然氣水合物成因類型及其成礦特征。在水合物成藏特征方面,現(xiàn)有的研究主要著重于水合物形成的溫壓條件、地質構造條件、沉積特征等方面[2]。在成藏地質模式方面,有關學者[3-4]分別從成藏機理、成藏氣源和成藏動力學角度建立了相應模式:①基于氣體來源的模式,包括原地細菌生成模式和孔隙流體擴散模式;②基于膠結形式的低溫冷凍模式、海侵加壓模式和成巖作用模式;③基于流體驅動方式的常壓周期滲流模式和超壓周期流動模式。張光學等[5]將水合物成藏模式分為活動陸緣和被動陸緣2類成藏地質模式,而被動陸緣水合物成藏模式又分為成巖型、構造型和復合型3類[5]。這些研究成果為天然氣水合物在不同地質構造中的分布特征和演化提供了理論基礎。但是直至目前還沒有學者對不同成因水合物的成藏特征、成藏模式的異同進行綜合對比分析,筆者對此進行了研究,以期為我國天然氣水合物的勘探和遠景評估提供參考。
Milkov[6]統(tǒng)計了世界各地已發(fā)現(xiàn)的209個水合物樣品(截止2005年)的烴類氣體成分和甲烷同位素組成等地球化學參數(shù),并在此基礎上作者統(tǒng)計了土耳其北安娜托尼亞斷層、北卡斯卡地亞邊緣巴克利峽谷、印度尼西亞孟加錫峽谷以及我國南海神狐海域和青海木里凍土區(qū)5個地區(qū)的相關地球化學參數(shù)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,水合烴類氣的穩(wěn)定同位素組成變化幅度非常大,R值分布在2~132877之間(樣品數(shù)n=232),δ13C1分布在-74.7‰~-39.6‰(n=213),甲烷穩(wěn)定氫同位素分布在-268‰~-115‰ (n=121)。從地球化學特征和世界水合物主要取樣點和取樣位置天然氣特征分布圖看,除少數(shù)地區(qū)含有熱解和混合成因的烴類外,大部分為生物成因甲烷,其形成途徑為H2還原CO2成因[7]。
1.1生物成因水合物
生物成因水合物分布廣泛,印度尼西亞孟加錫海峽發(fā)現(xiàn)8處水合物分布,C1/C2+3位于568000~2230000之間,δ13C1值均小于-60‰,指示為生物成因水合物[8]。我國南海北部神狐海域,C1/C2+3位于575~2200之間,δ13C1值在-46.2‰~-74.3‰之間,其中8處為生物成因水合物[9]。
1.2熱成因水合物
目前發(fā)現(xiàn)的熱解成因的區(qū)域包括墨西哥灣[10]、溫哥華島近海[11]等區(qū)域以及我國青海木里地區(qū)。青海木里地區(qū)水合物樣品中δ13C1值分別為-39.5‰、-47.4‰和-50.5‰(PDB標準),δDC1值分別為-266‰、-268‰和-262‰(VSMOW標準),并具有δ13C1lt;δ13C2lt;δ13C3lt;δ13i-C4lt;δ13n-C4特征,顯示出明顯的深部熱成因水合物特征[12]。墨西哥灣發(fā)現(xiàn)8個水合物分布區(qū),其中3處為熱成因水合物,另4處為生物成因水合物,以甲烷為主[10];土耳其北安娜托尼亞斷層發(fā)現(xiàn)4處水合物分布,其中3處為熱成因水合物,C1/C2+3位于3.3~16600之間,一處為生物成因水合物[13]。北卡斯卡地亞邊緣巴克利峽谷發(fā)現(xiàn)4處水合物分布,C1/C2+3位于2.92~7.94之間,δ13C1值均大于-50‰,均指示為熱成因水合物[14]。
2.1分布規(guī)律
水合物有2種氣體來源,自源氣體主要來源于分散在水合物穩(wěn)定帶的有機質,這些氣體主要由微生物作用并且短距離的運移至水合物穩(wěn)定帶,使得系統(tǒng)內部的烴類氣體和水達到水合物形成的溫度和壓力條件而形成水合物。水合物穩(wěn)定帶中釋放的自源氣體可能沿原路運移至天然氣水合物穩(wěn)定帶[14-15]。自源的水合物往往豐度低,一般為生物成因,主要分布于大陸坡腳和古河流堆積的水下錐形體,在水合物的底部常常出現(xiàn)垂向速度-振幅異常,這類水合物分布不集中,不能成藏,不利于開采。相反,異源氣體來源于水合物穩(wěn)定帶更深的地層,在適宜的氣體和含水滲流條件下,從深部石油富集區(qū)和成熟烴源巖中通過泥火山等斷裂構造單元沿著斷層長距離運移到水合物穩(wěn)定帶[16]。這些氣體有生物、熱解或者兩者混合成因,以熱解成因為主,其水合物分布集中,主要聚集在泥火山發(fā)育地區(qū)和背斜部位,儲量密度大,具有實際開采價值,主要原因在于熱成因水合物形成需要斷層溝通導通下部熱成因資源,進而有長期持續(xù)的氣源供給。如我國的南海水合物分布、墨西哥灣水合物分布規(guī)律均表明熱成因水合物受控于斷層性質的分布。
2.2地質條件
以自源為主的生物成因要求有快速的沉積條件,在沉積速率較高的地區(qū),地層的孔隙度較大,水合物的儲集空間也較大,大量的有機碎屑物快速沉積時在地層中被迅速埋藏,為甲烷的生物轉化提供了更多的母源物質,從而為水合物的形成提供了更充分的氣源條件[17]。另外,沉積速率高易形成欠壓實區(qū),可構成良好的輸導體系,利于甲烷氣體的富集,可為水合物的聚積與成藏提供豐富的氣源。位于東太平洋邊緣的中美洲海槽,賦存水合物的新生代沉積層的沉積速率高(1055m/Ma),為水合物形成提供了有利條件,其水合物類型以生物成因為主,而以熱解成因為主的墨西哥灣沉積速率較低(約43~66m/Ma)[18]。
有機質含量是生物成因水合物形成的必要條件[19-20]。從世界主要水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)域來看,水合物分布區(qū)的表層沉積物有機碳含量一般較高(TOC≥1%)[21],有機碳含量低于0.5%則難以形成水合物[17]。
以異源為主的熱解成因主要受控于沉積層較深部位斷層、泥火山等構造地質單元,為深部氣源向淺部運移提供了通道。目前發(fā)現(xiàn)的熱解成因的墨西哥灣[10]、里海[2]、溫哥華島近海[14]等區(qū)域均與泥火山、鹽構造、斷層相關。
3.1生物成因水合物的成藏模式
生物成因水合物的成藏模式主要為原地細菌生成模式和孔隙流體運移模式。
1)原地細菌生成模式 原地細菌生成模式主要發(fā)生在斜坡地帶。在海洋高生產率和高有機碳堆積的富碳沉積區(qū),在水合物穩(wěn)定域中有機質經(jīng)微生物作用生成甲烷氣,水合物形成與沉積作用同時發(fā)生,水合物可在垂向上的任何位置形成,當甲烷水合物帶變厚和變深時,其底界最終沉入造成水合物不穩(wěn)定的溫度區(qū)間,在該區(qū)間內可生成游離氣,如果有合適的運移通道,這些氣體會被運移到上覆水合物穩(wěn)定區(qū),如墨西哥灣的小型盆地、日本南海槽、布萊克海臺水合物成藏是典型的原地細菌生成模式。
圖1 生物成因水合物成藏模式圖
2)孔隙流體運移模式 主要發(fā)生在滑塌體附近,滑塌體中的沉積物由于受到側向壓實作用導致大量流體排放,在成巖作用過程中,烴類氣體向淺部分地層擴散、滲濾,由于水合物的形成速度慢于甲烷的生成速度,所形成的天然氣水合物大多數(shù)聚集一個相對狹窄的地帶,天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界呈不連續(xù)或突變體,而頂界則是擴散和漸變的(見圖1)。挪威海Storegga滑塌區(qū)即為典型的滑塌構造水合物。
圖2 熱解成因水合物成藏模式圖
3.2熱解成因水合物的成藏模式
以熱解成因為主的天然氣水合物一般發(fā)生泥火山發(fā)育地區(qū)和背斜部位的斷裂褶皺帶,流體以垂向運移方式為主。斷層為深部氣源向淺部運移提供通道。氣體沿著斷層由下部氣源高壓區(qū)向上部低壓區(qū)側向運移或垂向與側向聯(lián)合運移而形成上升流,當富含烴類的氣體上升流進入水合物穩(wěn)定域,即可形成水合物(見圖2)。目前,已發(fā)現(xiàn)水合物的被動大陸邊緣斷裂-褶皺構造區(qū)有布萊克海臺、北卡羅萊納洋脊、墨西哥灣路易斯安那陸坡、加勒比海南部陸坡、南美東部海域亞馬遜海扇、阿根廷盆地和印度西部被動大陸邊緣下斜坡,其中布萊克海臺發(fā)育于早中新世,上覆上新世、更新世和全新世沉積物[22],自漸新世以來不斷積累的,從而形成一個位于陸坡前緣深水區(qū)的臺地,其地震剖面顯示為典型的斷層褶皺構造。上述區(qū)域的水合物主要為熱解成因。
底辟構造或泥火山形成的水合物往往呈帶狀分布在底辟構造或海底泥火山的周圍,有的直接露于海底。在泥火山口周圍發(fā)育著大量的局限化能自養(yǎng)生物群落,海底泥火山和泥底辟是海底流體溢出的表現(xiàn),當含有過飽和氣體的流體從深部向上運移到海底淺部時,由于受到快速的過冷卻作用而在泥火山周圍形成了水合物。因此,深水海底流體逸出處往往是氣體(溶解氣或游離氣)作為現(xiàn)代水合物聚集穩(wěn)定存在的特殊自然反應。全球海洋中具有這種流體逸出跡象的海底不少于70處,它們都是水合物存在的有利遠景區(qū)。在黑海、里海、鄂霍次克海、挪威海、格陵蘭南部海域和貝加爾湖等地,都已發(fā)現(xiàn)存在水合物的海底泥火山。以熱解成因為主的墨西哥灣的鹽丘區(qū)也是一個與鹽底辟構造伴生的水合物的經(jīng)典地區(qū)。其中里海已發(fā)現(xiàn)50多個泥火山,其中Buzday泥火山高出海底170~180m(水深約480m),泥火山頂部水合物所含的天然氣中C2~C6的含量最大可達40%,δ13C達-38‰,為熱解成因氣。
1)從全球水合物地球化學特征參數(shù)來看,水合物成因主要以生物成因為主,少數(shù)為熱解成因及混合成因。
2)一般以生物成因為主的自源氣體在水合物穩(wěn)定帶的周緣,來自原地細菌生成和孔隙流體的運移,主要分布于大陸坡腳和古河流堆積的水下錐形體,這類水合物分布分散不能成藏,不易開采;而異源氣體則來自下部相對較深的層位,來源既有生物成因也有熱解成因,異源有持續(xù)不斷的氣源供給,順斷層分布局限,水合物豐度高,易成藏,易于開采。
3)生物成因氣可分為原地細菌生成模式和孔隙流體運移2種模式,原地細菌生成模式主要發(fā)生在斜坡地帶,孔隙流體運移模式主要發(fā)生在滑塌體附近。熱解氣主要發(fā)生在泥火山、活動斷裂、底辟構造、滑塌堆積、斷裂坡折帶等構造控制單元。
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[編輯] 李啟棟
10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.011
TE122.11
A
1673-1409(2012)02-N034-04
2011-11-12
宋娜娜(1983-),女, 2005年大學畢業(yè),碩士生,現(xiàn)主要從事生物氣勘探與開發(fā)方面的研究工作。