澳大利亞西北陸架盆地天然氣水合物成礦地質(zhì)條件及資源潛力

趙汗青,李春雷,吳時國,王 征

(1.中海油服物探事業(yè)部數(shù)據(jù)處理解釋中心,天津 300451;2.中國科學院海洋研究所,山東 青島 266071)

天然氣水合物是由天然氣分子與水分子構成的籠型化合物,外觀似冰,能燃燒,又叫“可燃冰”。它在能源、環(huán)境和災害方面都具有十分重要的意義。天然氣水合物主要賦存于水深300 m以下的海底和永久凍土帶[1]。它的大量形成需具備如下幾個條件:合適的溫度和壓力、充足的天然氣源以及溝通天然氣源和水合物賦存帶的地質(zhì)構造。截至2005年,全球已有30多個國家和地區(qū)開展了天然氣水合物調(diào)查工作,發(fā)現(xiàn)天然氣水合物存在標志或?qū)嵨飿悠返膮^(qū)域總計116個。其中,陸地38處(永久凍土帶),海洋78處[2]。2007年,中國在南海北部陸坡區(qū)神狐海域?qū)嵤┑目蒲秀@探工作中,取得了天然氣水合物實物樣品,成為繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發(fā)計劃取得這一突破的國家[3]。

澳大利亞西北陸架盆地現(xiàn)位于歐亞板塊、太平洋板塊和印澳板塊結合部位,是在古生代—中生代岡瓦納大陸破裂的基礎上,最終形成的被動大陸邊緣盆地。從西南到東北主要分布著北卡那封、柔布克、布勞斯和波拿巴盆地(圖1)。產(chǎn)自北卡那封盆地的液化天然氣(LNG)已出口到中國,中海石油有限公司也參與了西北陸架主要含油氣盆地的油氣勘探開發(fā)[4]。依據(jù)最新的區(qū)域地震資料解釋成果,中生代以來盆地的構造演化主要經(jīng)歷了裂前坳陷、裂谷、過渡和裂后被動大陸邊緣四個階段[5-7]。在區(qū)域構造演化的控制作用下,發(fā)育了多套沉積層序建造,為烴類化合物的生成與賦存奠定了堅實的物質(zhì)基礎。澳大利亞西北陸架盆地水深大于300 m的海域超過其總面積的 1/3,且為十分富氣而相對貧油的油氣區(qū)[8-9]。雖然本區(qū)域是目前全球深水油氣勘探開發(fā)的熱點地區(qū)之一,但整體的勘探程度較低,本區(qū)域是否發(fā)育天然氣水合物尚無相關報道,本文根據(jù)天然氣水合物地震識別技術,同時結合澳大利亞西北陸架天然氣水合物成礦的地質(zhì)構造環(huán)境分析,認為本區(qū)域也是天然氣水合物賦存有利地區(qū)之一,此項研究工作的意義在于填補了澳大利亞西北陸架盆地天然氣水合物研究工作的空白。

1 天然氣水合物存在的地震異常

在各種海域天然氣水合物勘探技術中,地震勘探方法是最快速有效的方法之一,其主要識別標志包括: 似海底反射波(BSR)、振幅空白、極性反轉(zhuǎn)和速度倒置等。其中,海底沉積物中存在天然氣水合物最重要且最實用的標志是BSR的存在。在鉆井之前,BSR是公認的識別天然氣水合物賦存的地球物理標志,這已經(jīng)為許多實際資料,如鉆井資料所證實[1]。

地震剖面上的BSR通常指示了含天然氣水合物沉積層與含游離氣沉積層或含水沉積層的相邊界。因此,天然氣水合物穩(wěn)定帶底界的確定就可以歸結為BSR的確定。BSR在地震疊加剖面上一般表現(xiàn)為以下特征: (1)與海底反射幾乎平行;(2)與海底反射波的極性相反;(3)通常為強的反射振幅;(4)可以與沉積層界面反射波斜交;(5)BSR之上通常表現(xiàn)為反射能量很弱的“振幅空白帶”[1]。

圖1 澳大利亞西北陸架主要含油氣盆地分布與水深(m)圖Fig.1 The bathymetric chart and distribution of main petroliferous basins in North-West Shelf basins,Australia

通過對西北陸架盆地地震資料的綜合解釋發(fā)現(xiàn)(中海石油有限公司在參與澳大利亞西北陸架盆地的油氣勘探開發(fā)工作中,獲得了公開的基礎地質(zhì)與地球物理資料): 在北卡那封和柔布克盆地多條地震剖面(以圖 1中 Line A為例,沒有特殊說明前提下,地震資料道間距均為25 m×25 m)均出現(xiàn)了特征較為明顯的BSR和振幅空白帶(圖2)。通過對研究區(qū)水深超過300 m(海域天然氣水合物存在的最小水深)海域地震資料的分析,發(fā)現(xiàn)了與天然氣水合物有關的較為明顯的地震異常主要有 3個區(qū)域,其中兩個位于北卡那封盆地,另一個位于柔布克盆地。通過全盆地的地震精細解釋,總計面積約70 000 km2(圖3)。

2 天然氣水合物成礦地質(zhì)條件

2.1 構造演化與氣源

澳大利亞西北陸棚古生代之后的構造演化,主要以印度洋形成和大陸解體過程為主要特征。對于中生代裂谷主要發(fā)育時期來說,三疊紀的構造演化屬于裂前坳陷階段。三疊紀晚期的Fitzroy構造運動形成了一系列沉積坳陷的雛形。三疊紀時期主要為克拉通內(nèi)坳陷沉積,斷層發(fā)育較少,且對沉積的控制作用不明顯。區(qū)域上三疊系以西南傾為主,主要沉降中心位于北卡那封盆地 Exmouth高地,主要烴源巖來自河流、三角洲相的下—中三疊統(tǒng)Locker頁巖組、河流相的中—上三疊統(tǒng)Mungaroo組及其與它們時代相當?shù)牡貙?為成熟—過成熟,以生氣為主[7]。

圖2 北卡那封盆地測線Line A中BSR和振幅空白Fig.2 Amplitude blanking zone and BSR of Line A in North Carnarvon basin

圖3 澳大利亞西北陸架盆地天然氣水合物BSR分布圖Fig.3 The BSR distribution of gas hydrate in North-West Shelf basins,Australia

裂谷階段主要從早侏羅世延續(xù)到中侏羅世末。北東向的正斷層活動加劇,這一時期發(fā)育廣泛的裂谷斷層和形變,致使三疊紀晚期 Fitzroy構造運動形成的沉積坳陷雛形進一步發(fā)育,形成了一系列北東向展布的掀斜斷塊、地壘和地塹。主要斷層控制不同構造單元的地層沉積。裂谷期的沉降中心位于西北陸架各盆地的主要沉積坳陷帶,發(fā)育巨厚,各盆地坳陷帶中—下侏羅統(tǒng)烴源巖均達到成熟和過成熟,是 3個盆地中都發(fā)育的重要烴源巖,西北陸架的油氣田大部分都源自這種類型烴源巖,油氣兼生,以氣為主[7]。

過渡階段主要從晚侏羅世持續(xù)到早白堊世的阿普特期。這一階段斷裂活動相對趨緩,除部分控凹斷層外,較少有斷層斷穿上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)地層,主要以坳陷沉積演化為主。沉降中心有繼承、有偏移,西北陸架西南部沉積較厚,中北部變薄。下白堊統(tǒng)下部烴源巖部分成熟,僅在布勞斯和波拿巴盆地為中到較好烴源巖,其他區(qū)域均為成熟[7]。

早白堊世阿普特期以后,盆地開始了被動大陸邊緣的演化進程,以坳陷沉積為主,部分地區(qū)斷層發(fā)育。其中最重要的一次構造事件為: 漸—中新世時期,澳大利亞板塊和歐亞板塊碰撞,發(fā)生構造擠壓及大規(guī)模的左旋剪切作用,造成部分早期斷裂活化,同時又產(chǎn)生了一系列的淺層斷裂[7]。

根據(jù)前人研究成果顯示,基于近30 000個烴源巖樣品(包括巖心、井壁取心和鉆屑)實物及多個相關數(shù)據(jù)庫資料,對澳大利亞西北陸架的烴源條件進行了全面分析,結果表明: 澳大利亞西北陸架從二疊紀到早白堊世發(fā)育了多套優(yōu)質(zhì)烴源巖,全部形成于裂谷原型盆地之中。以海相泥頁巖為主,有機碳質(zhì)量分數(shù)一般為 1%～5%,最高達 13.9%;干酪根主要是Ⅱ、Ⅲ型,以生氣為主[8-14]?？碧浇Y果表明: 澳大利亞西北陸架盆地油氣資源主要以天然氣為主,天然氣可采儲量大于 820億 m3的大型及準大型氣田21個,大多數(shù)分布于300 m水深以下及附近,這也跟澳大利亞西北陸架現(xiàn)今“富氣貧油,內(nèi)油外氣,大型氣田位于遠岸帶深水區(qū)”的狀況相吻合[11]。因此,該區(qū)具有天然氣水合物形成的充足氣源。

2.2 與天然氣水合物富集有關的地質(zhì)構造條件

澳大利亞西北陸架位于三大板塊的交匯部位,各個時期均發(fā)生了多次構造運動和普遍的沉積事件,廣泛發(fā)育了淺層活動斷裂、鹽泥底辟、海底滑塌體和海底扇等與天然氣水合物密切聯(lián)系的構造沉積體(圖 4),這些構造沉積體的發(fā)育已被證實對天然氣水合物的形成起著重要的作用[15-16]。

裂谷階段中深層斷裂和裂后被動大陸邊緣階段板塊碰撞發(fā)育的淺層斷裂的梯級組合,使天然氣可以運移到海底淺部的天然氣水合物賦存帶成礦,起到了溝通運移的作用[1,17-18]。

圖4 澳大利亞西北陸架天然氣水合物有利成礦構造分布圖Fig.4 The distribution of favorable structure related to gas hydrate in North-West Shelf basins,Australia

除斷裂構造外,鹽、泥底辟構造是天然氣向上運移至水合物穩(wěn)定帶形成天然氣水合物的另外一個重要通道,其在澳大利亞西北陸架被動大陸邊緣各盆地也較為發(fā)育(圖5),其與淺部斷裂的梯級組合使天然氣向海底淺部運移溝通的作用更為顯著[19-20]。

圖5 北卡那封盆地測線Line B中鹽、泥底辟構造Fig.5 Salt and mud diapiric structure of Line B in North Carnarvon basin

滑塌體等特殊構造也是天然氣水合物成礦的主要地質(zhì)載體,它的存在通常與水合物的分解有關,因此它也是天然氣水合物存在的標志構造體之一[1,15-18],其在澳大利亞西北被動大陸邊緣大陸坡上發(fā)育廣泛(圖 6)。

2.3 天然氣水合物成礦溫壓條件

圖6 北卡那封盆地測線Line C中滑塌體構造Fig.6 The slumps structure of Line C in North Carnarvon basin

澳大利亞西北陸架屬于被動大陸邊緣,具備天然氣水合物形成的有利溫度和壓力條件。水深大于300 m的海域超過澳大利亞西北陸架總面積的 1/3,已有大量文獻報道由于溫度、壓力條件適合,在全球范圍內(nèi),超過這一深度的海域是天然氣水合物發(fā)育的有利地區(qū)[1,21-24]。

在沒有特殊熱事件存在的情況下,300 m水深以下的海底溫度主要穩(wěn)定在 2～4℃左右,天然氣水合物存在的極限溫度為 25℃,因此只要在這一深度以下的海底淺層沉積物中不存在過高的地溫梯度,就有可能賦存較厚的天然氣水合物成礦層,而尚無文獻報道澳大利亞西北陸架深水區(qū)域海底淺層具有異常高的地溫梯度,導致海底及其淺層沉積物溫度過高,進而限制天然氣水合物發(fā)育的情況存在。

天然氣水合物存在的壓力條件并不苛刻,在溫度條件滿足的前提下,只需30個左右的大氣壓即可生成,而超過 300 m的水深再加上海底淺層沉積物的載荷很容易滿足這一條件。另有證據(jù)表明,澳大利亞西北陸架盆地中的北卡那封盆地,深部烴源巖發(fā)育有超壓,而淺層則處于常壓或過渡壓力區(qū)[8,25-26],研究區(qū)天然氣具備由深部的高勢能區(qū)向淺部的低勢能區(qū)流動的總體趨勢,因而進一步有利于深部天然氣運移至天然氣水合物穩(wěn)定帶賦存成礦[1]。

所以,通過與全球其他相似海域類比,并綜合現(xiàn)有資料判斷,研究區(qū)具備天然氣水合物發(fā)育的溫度及壓力條件,較為穩(wěn)定的被動大陸邊緣環(huán)境為天然氣水合物的形成與賦存提供了廣闊的空間。

3 天然氣水合物資源潛力估算

通過對研究區(qū)與天然氣水合物有關的地震異常的識別,結合研究區(qū)天然氣水合物成礦地質(zhì)條件的分析,初步圈定了澳大利亞西北陸架天然氣水合物成礦遠景區(qū)主要位于北卡那封、柔布克和布勞斯盆地外側的西部隆起帶。其中對各個盆地的天然氣水合物成礦遠景分析如下。

北卡那封和柔布克盆地是天然氣水合物最有利發(fā)育區(qū)。水深超過300 m海域面積較大,超過盆地面積的 50%,烴氣來源充足;不利條件是溝通氣源與天然氣水合物成礦帶斷裂較少,鹽泥底辟也較少發(fā)育。

布勞斯盆地是研究區(qū)天然氣水合物次有利發(fā)育區(qū)。水深超過300 m海域占盆地面積的1/3,烴氣來源也很豐富,迄今已發(fā)現(xiàn)4個大型氣田,與北卡那封和柔布克盆地類似,斷至天然氣水合物賦存層位的淺層斷裂不甚發(fā)育,鹽泥底辟也不太發(fā)育,另外本盆地裂陷期的局部變熱和強烈的火山作用也有可能導致地溫梯度過大,最終限制了天然氣水合物的成藏的厚度和范圍。

波拿巴盆地是研究區(qū)天然氣水合物不利發(fā)育區(qū)。雖然本盆地漸—中新世澳大利亞板塊與歐亞板塊的碰撞導致后期的斷裂活化作用非常明顯,發(fā)育了大量溝通氣源與天然氣水合物聚集層位的淺層斷裂,同時大量的鹽泥底辟發(fā)育也為烴氣向上運移提供了通道,但是本盆地水深普遍不超過 300 m,所以,比較而言波拿巴盆地是澳大利亞西北陸架天然氣水合物最不發(fā)育的盆地,其最可能賦存區(qū)域為盆地西北緊鄰帝汶海槽一側的狹長條帶,分布范圍非常局限。

最后筆者利用體積估算法對研究區(qū)天然氣水合物總資源量進行了初步的估算。

其中: V為水合物總資源量;A為水合物分布面積(合計70 000 km2,主要參考研究區(qū)與天然氣水合物有關的地震異常區(qū)面積);Z為水合物穩(wěn)定帶平均厚度(40 m,主要參考2007年我國南海北部陸坡神狐海域鉆遇含天然氣水合物沉積層最大厚度);Φ 為沉積物有效孔隙度(40%);H為孔隙中水合物飽和度(10%);E為水合物中天然氣容積倍率(160,假定天然氣均為甲烷)。

研究區(qū)天然氣水合物成礦遠景區(qū)大約蘊含甲烷量為18萬億m3,約合180億t油當量。

4 結論

1)澳大利亞西北陸架盆地發(fā)現(xiàn)廣泛分布的BSR,推斷該海域蘊藏著豐富的天然氣水合物,其天然氣水合物儲量巨大,初步估計天然氣水合物分布區(qū)蘊含甲烷量達18萬億m3。其中北卡那封和柔布克盆地是天然氣水合物最為發(fā)育的區(qū)域,布勞斯盆地次之,波拿巴盆地最不發(fā)育。

2)澳大利亞西北陸架盆地位于穩(wěn)定的被動大陸邊緣,水深超過300 m的海域“富氣貧油”,氣源充足,同時具備適于天然氣水合物賦存的良好溫壓條件,以及溝通天然氣源和水合物賦存帶的地質(zhì)構造。構造演化是天然氣水合物成藏所具備的 3個條件的基礎,因此是天然氣水合物成礦的重要影響因素之一。

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