南海北部海底滑坡與天然氣水合物形成與分解的時(shí)序性

張丙坤, 李三忠, 夏 真, 馬 云, 索艷慧,張光學(xué), 王霄飛, 余珊

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510075)

南海北部海底滑坡與天然氣水合物形成與分解的時(shí)序性

張丙坤1, 李三忠1, 夏 真2, 馬 云1, 索艷慧1,張光學(xué)2, 王霄飛1, 余珊1

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510075)

海底滑坡廣泛發(fā)育于海底陸坡, 是一種常見的沉積作用過程?；碌拇嬖谂c天然氣水合物的形成和賦存具有緊密的聯(lián)系。國內(nèi)外對海底滑坡及其與天然氣水合物關(guān)系的研究尚處于起步階段, 且主要集中在滑坡體的構(gòu)成、識別和觸發(fā)機(jī)制及與天然氣水合物的空間關(guān)系上, 但對于時(shí)序性的研究尚處于空白。根據(jù)現(xiàn)有研究的深度和有限的資料, 本文對此進(jìn)行了定性探討。研究 表 明 , 天 然 氣 水 合 物 與海底滑坡在時(shí)序性上可分為三 種 類 型 : 后水合物滑坡(post-gas hydrate landslide)、前水合物滑坡(pre-gas hydrate landslide)和同水合物滑坡(syn-gas hydrate landslide)。不同的類型對于天然氣水合物的賦存與開采會(huì)產(chǎn)生不同的影響。三種類型中以前水合物滑坡對于天然氣水合物的賦存和開采最為有利, 同水合物滑坡次之。

南海; 海底滑坡; 后水合物滑坡; 前水合物滑坡; 同水合物滑坡

海底滑坡是大陸坡一種常見的沉積作用過程,可導(dǎo)致淺地層結(jié)構(gòu)受到破壞, 給深水油氣和天然氣水 合 物鉆 井及深 海工程 帶來巨 大影響 (吳時(shí)國 等, 2008)。作為一種大陸邊緣特殊地質(zhì)構(gòu)造, 海底滑坡的存在與天然氣水合物的形成和賦存具有緊密的聯(lián)系(蔡峰等, 2011), 海底滑坡帶與已知天然氣水合物分布區(qū)空間上存在著一致性(宋海斌, 2003)。但是, 滑坡的機(jī)制及與天然氣水合物賦存的研究國內(nèi)外尚處于起步階段。目前, 國內(nèi)對于白云凹陷、神狐海域內(nèi)的海底滑坡進(jìn)行了幾何識別及機(jī)制探討(孫 運(yùn) 寶 等 , 2008; 陳 珊 珊 等 , 2012; 陳 泓 君 等 , 2012)。吳時(shí)國等(2008)認(rèn)為地震作用和天然氣水合物分解是觸發(fā)海底滑坡的重要因素, 大陸邊緣深水區(qū)的沉積物超壓異常也可能對海底滑坡具有重要的促進(jìn)作用。簡言之, 對于滑坡體的構(gòu)成、識別和觸發(fā)機(jī)制及與天然氣水合物的關(guān)系在空間上的特征研究居多, 但時(shí)序性的研究相對薄弱。本文試從時(shí)序性入手, 定性分析天然氣水合物形成和分解與滑坡的關(guān)系。而且考慮到研究區(qū)的地層確實(shí)被海底峽谷明顯改造(尤其是神狐海域), 所以本文選擇平行海底峽谷但又記錄了海底滑坡事件的地震剖面來解析海底滑坡。

1 海底滑坡與活動(dòng)構(gòu)造

海底滑坡必然產(chǎn)生相應(yīng)尺度的活動(dòng)構(gòu)造, 但活動(dòng)構(gòu)造不一定產(chǎn)生海底滑坡。海底滑坡多數(shù)應(yīng)具備一定的海底地貌條件, 如大陸坡折帶。海底滑坡可以通過許多標(biāo)志加以識別, 如淺層犁式斷裂、滑脫面等。研究較好的例子有國外的 Storegga 北部滑坡區(qū)和國內(nèi)白云凹陷。通過對 Storegga 北部滑坡區(qū)的流體結(jié)構(gòu)、地貌特征開展的研究, 對 Storegga 北部滑坡成因機(jī)制有了較深入的認(rèn)識(Lastras et al., 2002; Haflidason et al., 2004; Masson et al., 1993), 并將海底滑坡劃分為 6 個(gè)明顯的地貌單元: 滑坡陡壁、滑塌谷、滑移面、滑坡臺階、丘狀滑坡體和流舌狀沉積體。孫運(yùn)寶等(2008)則將白云凹陷海底滑坡分為 3個(gè)明顯的部分: 滑坡根部、滑坡主體和滑坡前緣。但實(shí)際上, 海底滑坡往往保存不完整, 不能完全照搬陸地滑坡概念或海底滑坡的理想模型。一般來說天然氣水合物相關(guān)的海底滑坡規(guī)模不大, 不完全具備滑坡體的完整結(jié)構(gòu)特征, 如不具備大型前緣逆沖構(gòu)造等, 所以, 本文的滑坡模型只注重滑坡根部與滑坡主體。

滑坡根部是滑坡開始形成的部位, 多發(fā)育張性構(gòu)造, 為變形薄弱帶; 當(dāng)遭受外界因素(地震、火山噴發(fā)等)觸發(fā)時(shí), 地質(zhì)體便開始沿該帶發(fā)生破裂, 并沿滑移面向下滑移(孫運(yùn)寶等, 2008; 劉鋒, 2010)。滑移面是海底滑坡體向下運(yùn)動(dòng)的滑脫構(gòu)造面, 是判斷滑坡存在的重要依據(jù)?；泼嫦聜?cè)的地層一般不受影響, 但上部滑坡體則多發(fā)生嚴(yán)重變形。

滑坡沉積體中發(fā)育大量的層間滑塌斷層, 規(guī)模不一, 難于識別。這類層間斷裂因其上下地層強(qiáng)度不同, 使得其主要表現(xiàn)為總體上呈上陡下緩的犁式形態(tài), 為一種向下 斷 面 變緩, 以至傾角變小 的 斷 裂,多發(fā)育于滑坡帶的根部。犁式斷裂的存在表明滑坡產(chǎn)生時(shí)具有張性特征, 牽引著上部碎屑物或沉積層向下滑動(dòng)。在滑坡體的前部, 往往發(fā)育逆沖斷層, 具有擠壓推覆構(gòu)造特征(吳時(shí)國等, 2008)。事實(shí)上, 海底滑坡的樣式有多種, 有些滑坡前緣并不十分發(fā)育,也難見典型逆沖推覆(圖 1)。

前人研究表明, 水合物與擬海底反射(BSR)并非一一對應(yīng), 而且地震剖面存在著多解性, 但 BSR依然是目前天然氣水合物較為可靠、應(yīng)用也最為廣泛及最直觀的識別標(biāo)志(趙省民等, 2000)。所以, 本文以 BSR表示天然氣水合物穩(wěn)定帶的下界。

圖 1 神狐區(qū) A1 測線海底滑坡Fig.1 Submarine landslide along the Line A1 in the Shenhu Area

2 水合物相關(guān)滑坡的時(shí)序性劃分

本文在大量地震剖面分析的基礎(chǔ)上, 根據(jù)海底滑坡產(chǎn)生與水合物形成的時(shí)序關(guān)系, 將海底滑坡劃分為三種類型(圖 2): 后水合物滑坡(post-gas hydrate landslide)、前水合物滑坡(pre-gas hydrate landslide)和同水合物滑坡(syn-gas hydrate landslide)。也就是從天然氣水合物成藏時(shí)間與滑坡發(fā)生時(shí)間的關(guān)系上,后水合物滑坡是指天然氣水合物形成后因各種原因而產(chǎn)生的海底滑坡, 前水合物滑坡則指天然氣水合物成藏前就已經(jīng)存在的海底滑坡, 而同水合物滑坡是指天然氣水合物成藏過程中同時(shí)發(fā)生的海底滑坡。這種事件發(fā)生的時(shí)序性直接記錄在滑坡體的結(jié)構(gòu)、地層界面變動(dòng)以及現(xiàn)今天然氣水合物賦存狀態(tài)(或與天然氣水合物有關(guān)的 BSR)上, 因此可以從地震剖面解釋中獲得這些信息。迄今, 國際上天然氣水合物相關(guān)海底滑坡研究成果中還未見相似研究(Posamentier and Kolla, 2003; Locat and Lee, 2002; Hampton et al., 1996; Canals et al., 2004; Micallef et al., 2009; Martel, 2004; Martinez et al., 2005; Dasgupta, 2003; Sultan et al., 2004)。

圖 2 天然氣水合物與滑坡的時(shí)序性模式Fig.2 Time-sequence relations between the gas hydrate and the landslide

2.1 后水合物滑坡

天然氣水合物形成以后可能會(huì)因各種誘因分解,天然氣水合物的分解有可能導(dǎo)致滑坡的形成。因滑移面可產(chǎn)生于水合物穩(wěn)定帶的不同層位, 導(dǎo)致后水合物滑坡(圖 2a)會(huì)呈現(xiàn)不同的面貌。若滑移面產(chǎn)生于水合物穩(wěn)定底界之下, 淺層斷層(主要為正斷層)在天然氣水合物成藏之后形成, 會(huì)錯(cuò)斷先成 BSR (圖 3)。同時(shí), 天然氣水合物溫壓環(huán)境發(fā)生改變, 可發(fā)生分解逸散, 部分氣體可通過斷層再向上遷移進(jìn)入 水 體 形 成 “羽 狀 流 ”, 在 海 底 形 成 “梅 花 坑 ”地 貌,發(fā)育各種化能自養(yǎng)生物群落(張光學(xué)等, 2006)。

在有些地震剖面上滑坡根部或前緣具典型的遺留 BSR(圖 4a, b), 消失的 BSR 可能與滑移面大致重合。BSR 被認(rèn)為是一個(gè)很特殊的剪切應(yīng)力界面, 當(dāng)溫度、壓力變化造成穩(wěn)定帶中氣體逃逸, 其上覆的沉積物剪切應(yīng)力減弱, 形成一脆弱帶(Pierre et al., 2002)。在這樣的情況下, 天然氣水合物賦存于低溫高壓環(huán)境下的沉積物孔隙或裂縫中, 受溫度、壓力等因素影響, 其賦存狀態(tài)也將發(fā)生變化。當(dāng)溫度升高或者壓力減小, 天然氣水合物就分解為氣、水混合物,釋放出氣體在地層中形成超壓, 從而使得沉積物固結(jié)程度大大降低(顏文濤等, 2006), 導(dǎo)致沉積物液化。被液化的分解帶將形成一個(gè)向下的滑移面, 此時(shí)一旦受地震或者沉積載荷增大等因素觸發(fā), 甚至僅依靠沉積物自身的重量, 都可引起海底滑塌。

圖 3 臺西南盆地中的后水合物滑坡及 BSR 顯示(據(jù)楊木壯等, 2011 修改)Fig.3 Relation between the post-gas hydrate landslide and BSRs in the Taixinan Basin

2.2 前水合物滑坡

前水合物滑坡(圖 2b)實(shí)際是該區(qū)最新天然氣水合物成藏前就已經(jīng)死亡的滑坡, 但其滑坡體中先存斷層的存在既可以為 BSR 的產(chǎn)生或天然氣水合物成藏提供氣源或流體通道, 后期再活動(dòng)又可以產(chǎn)生破壞作用。特別是在有機(jī)質(zhì)豐富的三角洲前緣,氣源豐富, 在低溫高壓等合適的溫壓條件下, 易形成天然氣水合物, 同時(shí)在地震剖面上表現(xiàn)為 BSR。前水合物滑坡的觸發(fā)機(jī)制也可能是前期天然氣水合物成藏后分解產(chǎn)生的滑坡, 滑坡導(dǎo)致前期水合物相關(guān)的 BSR 多殘留于滑塌體內(nèi)或斷續(xù)沿滑移面分布。而該期滑坡后的新形成的天然氣水合物可能規(guī)模更大, 但因前期滑坡導(dǎo)致的淺地層復(fù)雜結(jié)構(gòu), 而呈不連續(xù)或突變狀, 且該期滑坡后的水合物主要聚集在滑坡后 BSR 之上的相對狹窄地帶(圖 5a, 龔躍華等, 2008)。特別 是 后期 BSR 具典型的穿時(shí) 性 , 有些可“穿過”該期水合物成藏前的滑坡構(gòu)造(圖 5b)。

2.3 同水合物滑坡

圖 4 神狐 A1 (a)、A2 (b) 測線上的 BSR 與后水合物滑坡Fig.4 Post-gas hydrate landslide and BSR along the Line A1 (a) and A2 (b) in the Shenhu Area

圖 5 神狐 A3 測線 BSR(a)、西沙 A4 測線 BSR(b)與前水合物滑坡Fig.5 Relation between the pre-gas hydrate landslides and BSRs along the Line A3 in the Shenhu Area (a) and along the Line A4 in the Xisha Area (b)

同水合物滑坡(圖 2c)是指在水合物成藏過程的同時(shí)產(chǎn)生的海底滑坡, 理論上是存在的, 但沒有較好確證的實(shí)例, 有待今后進(jìn)一步論證。由于這兩個(gè)過程的同時(shí)性, 所以部分會(huì)成藏, 部分會(huì)逸散, 伴隨的是海底發(fā)生緩慢滑坡, 但是實(shí)際應(yīng)用中卻較難辨識, 唯一辦法就是實(shí)施近海底邊界層的實(shí)時(shí)位移和水合物泄漏監(jiān)測。海底滑坡按照速度劃分, 可分為緩慢海底滑坡和突發(fā)快速海底滑坡。第一, 海底滑坡一般情況下是一個(gè)漸變的過程, 是沉積物在壓力失衡的狀態(tài)下發(fā)生的。南海北部在上新世-更新世-全新世以來具有較高的沉積速率(柳保軍等, 2006;邵磊 等 , 2007), 由 于 海底 連 續(xù)沉 積 , 隨 著 沉積荷 載的增加就會(huì)形成超壓高孔隙沉積, 這種超壓異常就會(huì)導(dǎo)致緩慢漸變的海底滑坡的形成, 導(dǎo)致天然氣藏極易通過張性斷裂或裂隙不斷溢出, 故極難保存(陳珊珊等, 2012)。第二, 如果海底滑坡處于構(gòu)造活躍期,則通常是一個(gè)突變的過程, 滑塌作用可以導(dǎo)致局部區(qū)域的沉積物的快速堆積, 從而產(chǎn)生局部的壓力屏蔽作用, 此時(shí)如果屏蔽內(nèi)部存在較為充足的水合物氣體時(shí), 天然氣水合物較容易形成(王宏斌等, 2003),且由于滑移面上下差異極大的儲(chǔ)層物性, BSR 常與滑移面重合。

3 水合物相關(guān)滑坡與水合物成藏的關(guān)系

后水合物滑坡: 水合物或 BSR 產(chǎn)生之后, 后期可能由于重力失穩(wěn)等原因發(fā)生分解, 水合物分解又可能會(huì)促進(jìn)滑坡體進(jìn)一步發(fā)展。由于水合物穩(wěn)定帶底部比海底斜坡底面傾角更大(Bryant et al., 1975),滑坡通常沿水合物穩(wěn)定帶底部發(fā)生, 滑移面就與BSR 相重合。有些剖面顯示有古 BSR 殘存, 這種前期天然氣水合物受后期斷裂的影響破壞極為嚴(yán)重,不具開采價(jià)值或價(jià)值很小。且滑坡帶產(chǎn)生較新, 根部張性斷裂極其發(fā)育, 海底不穩(wěn)定, 可引起海面開發(fā)平臺的下沉、滑移和傾倒, 受其他因素(地震、火山噴發(fā)、風(fēng)暴波和沉積物快速堆積等)影響, 可能會(huì)重新發(fā)生滑坡。另一種可能的機(jī)制為 BSR 處于滑移面之上, 受張性層間斷裂影響, 發(fā)生錯(cuò)動(dòng), 斷裂處破碎變形, 原來低溫高壓環(huán)境可能會(huì)發(fā)生升溫或降壓的改變而導(dǎo)致水合物分解, 特別是地層壓力驟然下降, 水合物將分解成氣體并沿裂隙向上運(yùn)移, 因而僅斷層之間擾動(dòng)較弱的塊體內(nèi)天然氣水合物有殘存, 殘存范圍取決于滑坡塊體內(nèi)部相對穩(wěn)定區(qū)域的大小, 如在某些大型滑坡剖面上顯示有較大規(guī)模BSR(圖 6), 亦具較大開采價(jià)值。

前水合物滑坡: 盡管有大量基底先存斷裂的存在, 但不會(huì)對隨后的天然氣水合物穩(wěn)定賦存的低溫高壓環(huán)境造成大的破壞, 基底先存斷裂的存在反而可能是一種有效的氣源運(yùn)移通道。而水合物成藏前的滑坡引起的先存表層斷層, 則可能因斷層活動(dòng)停止而處于封堵狀態(tài), 反而成為有利成藏條件。因此,許多剖面顯示, BSR 往往形成于多條先存表層斷裂與先存基底斷裂的結(jié)合部位(圖 7), 特別是“基底褶皺-斷層、表層滑坡”的構(gòu)造組合類型, 往往對天然氣水合物賦存極為有利, 可稱為“下部向上運(yùn)聚、上部儲(chǔ)集成藏”的水合物成藏模式(楊木壯等, 2010)。

同水合物滑坡: 突發(fā)性快速沉積事件易于導(dǎo)致水合物成藏, 但也易于形成同水合物滑坡, 反之, 突發(fā)性的同水合物滑坡本身也可能是水合物成藏的機(jī)制。其 BSR 多與滑移面重合, 天然氣水合物穩(wěn)定性底界以上, 沉積物受側(cè)向壓實(shí)作用導(dǎo)致流體大量釋放,受溫壓環(huán)境影響, 又易形成較大規(guī)模水合物礦藏。

4 結(jié) 論

圖 6 東沙 A6 測線后水合物滑坡與 BSR(紅色為斷裂, 綠色為 BSR)Fig.6 Post-gas hydrate landslide and BSR along the Line A6 in the Dongsha Area(the red lines represent faults, the green lines represent BSRs)

圖 7 東沙 A5 測線 BSR、斷裂與前水合物關(guān)系(紅色為斷裂, 綠色為 BSR)Fig.7 Relations among the pre-gas hydrate, faults and BSR along the Line A5 in the Dongsha Area(the red lines represent faults, the green lines represent BSRs)

本文根據(jù)天然氣水合物與海底滑坡的時(shí)序關(guān)系,將海底滑坡分為后水合物滑坡、前水合物滑坡和同水合物滑坡三種類型。后水合物滑坡受后期斷裂改造作用及水合物分解影響, 天然氣水合物的賦存較差, 不具開采價(jià)值或價(jià)值很小。前水合物滑坡受前期斷裂破碎而成為流體運(yùn)移優(yōu)勢通道的影響, 水合物成藏規(guī)模往往較大, 頗具開采價(jià)值。同天然氣水合物受快速堆積產(chǎn)生的壓力屏蔽及滑移面上下物性差異影響, 水合物底界常處于滑移面上, 水合物賦存較好, 但對其進(jìn)行開采可能因滑移面的非穩(wěn)定性而受到影響, 特別是可能產(chǎn)生新的滑坡, 而不利于后期開采。

限于資料精度與現(xiàn)有的方法手段, 本文僅從定性角度對天然氣水合物與海底滑坡的時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了初步探索。鑒于迄今尚沒有鉆井?dāng)?shù)據(jù)、現(xiàn)場近海底邊界層監(jiān)測結(jié)果予以證實(shí)和參考, 有待于研究手段的更新后做更多的研究。

致謝: 作者非常感謝匿名審稿人提出的寶貴修改意見, 這些意見使本文思路更加清晰, 特此致謝。

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Time Sequence of Submarine Landslides and Gas Hydrates in the Northern South China Sea

ZHANG Bingkun1, LI Sanzhong1, XIA Zhen2, MA Yun1, SUO Yanhui1, ZHANG Guangxue2, WANG Xiaofei1and YU Shan1
(1. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE; College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China; 2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, Guangdong, China)

As a common depositional process, the submarine landslides widely developed in the continental slopes. Although the co-existence of submarine landslides gas-hydate is common, very little is known about the relationship between the submarine landslides and the formation of gas-hydrates. The previous study on submarine landslides and gas-hydrates mainly focused on composition, nature, identification, and the triggering mechanism of the submarine landslides, and the spatial relationship between the gas-hydrate and submarine landslides. However, the study of time sequence and the relation between gas hydrate and submarine landslide is still less known. Due to the limitation of available data, this paper gives a preliminary qualitative study. The results show that submarine landslides can be divided into three types: post-gas hydrate landslide, pre-gas hydrate landslide, and syn-gas hydrate landslide according to time sequence. The different types of landslides have different effects on the preservation and exploitation of the gas-hydrates. The pre-gas hydrate landslides are most favorable for the preservation and exploitation of the gas-hydrate, while the syn-gas hydrate landslides are the secondary favorable sites.

South China Sea; submarine slide; post-gas hydrate landslide; pre-gas hydrate landslide; syn-gas hydrate landslide

P67; TE1

A

1001-1552(2014)02-0434-007

2013-05-09; 改回日期: 2013-09-12

項(xiàng)目資助: 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)中國海洋大學(xué)專項(xiàng)基金項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 41325009, 41190072)和國土資源部專項(xiàng)項(xiàng)目(編號: GZH201100311-03-06)聯(lián)合資助。

張丙坤(1986-), 男, 博士研究生, 海洋地質(zhì)專業(yè)。Email: zbk108@126.com

李三忠, 教授, 博士生導(dǎo)師。Email: sanzhong@ouc.edu.cn