天然氣水合物成藏體系研究進(jìn)展*

卜慶濤，胡高偉，業(yè)渝光，劉昌嶺，李承峰，王家生

（1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074； 2. 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；3. 海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

天然氣水合物成藏體系研究進(jìn)展*

卜慶濤1,2，胡高偉2,3?，業(yè)渝光2,3，劉昌嶺2,3，李承峰2,3，王家生1

（1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074； 2. 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；3. 海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

基于近年來(lái)國(guó)內(nèi)外凍土區(qū)和海域天然氣水合物勘探成果，從穩(wěn)定條件、氣源、氣體運(yùn)移、有利儲(chǔ)層這幾個(gè)方面概述了水合物成藏體系的新進(jìn)展。研究結(jié)果表明，地溫梯度、海底表層溫度、氣體組分、孔隙水鹽度等多種因素影響并控制了水合物的相平衡條件。全球已發(fā)現(xiàn)的水合物氣體來(lái)源以生物成因氣、生物成因?熱成因混合氣為主，熱成因氣體對(duì)水合物成藏的貢獻(xiàn)得到了越來(lái)越多的重視。烴類(lèi)氣體以擴(kuò)散、溶解于水和獨(dú)立氣泡的形式在沉積物中發(fā)生遷移，斷層、底辟、氣煙囪構(gòu)造等為含氣流體運(yùn)移提供了有效的通道。歸納出六種水合物的產(chǎn)出特征和四種水合物的儲(chǔ)層類(lèi)型。通過(guò)對(duì)水合物成藏模式的總結(jié)對(duì)比，認(rèn)為以地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境差異而進(jìn)行的成藏模式分類(lèi)具有更好的代表性。

天然氣水合物；氣源；氣體運(yùn)移；儲(chǔ)層；成藏模式

0 引 言

天然氣水合物（natural gas hydrate），俗稱“可燃冰”，是在低溫、高壓條件下，天然氣分子（主要為甲烷）和水分子通過(guò)范德華力結(jié)合形成的籠形非化學(xué)計(jì)量的冰狀結(jié)晶物質(zhì)，其在全球范圍內(nèi)廣泛分布，主要賦存于極地、大陸永凍土帶和水深大于 300 m的海洋沉積物中[1-2]。天然氣水合物的形成常常受到溫度、壓力、地溫梯度、氣體組分、孔隙水鹽度等條件的控制[3-4]。

目前，運(yùn)用系統(tǒng)論思想來(lái)探索天然氣水合物氣體來(lái)源、運(yùn)移與聚集成藏之間的內(nèi)在聯(lián)系（即天然氣水合物成藏系統(tǒng)研究）是揭示水合物成藏機(jī)制、探尋水合物富集規(guī)律的重要方法和手段。盧振權(quán)等[5]從地質(zhì)系統(tǒng)論角度出發(fā)，分別從烴類(lèi)生成體系、流體運(yùn)移體系、天然氣水合物成藏富集體系對(duì)天然氣水合物成藏過(guò)程進(jìn)行了探討；吳能友等[6]在系統(tǒng)總結(jié)海洋天然氣水合物形成的物質(zhì)來(lái)源、物理化學(xué)響應(yīng)、形成環(huán)境及成藏模式、分布規(guī)律和資源評(píng)價(jià)進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)開(kāi)展天然氣水合物成藏機(jī)理研究的方向。由于天然氣水合物的組成以烴類(lèi)氣體為主，與常規(guī)油氣的成藏過(guò)程在某些方面有一定的相似性，比如兩者均存在烴類(lèi)的（生成）供應(yīng)、烴類(lèi)的（長(zhǎng)或短距離）運(yùn)移等。因此，近年來(lái)逐漸有學(xué)者將水合物成藏系統(tǒng)同傳統(tǒng)油氣系統(tǒng)進(jìn)行比較，期望運(yùn)用成熟的油氣系統(tǒng)理論探討水合物系統(tǒng)問(wèn)題。例如，COLLETT[7]采用“Gas Hydrate Petroleum System”的概念，報(bào)道了水合物系統(tǒng)中包括天然氣水合物的壓力?溫度穩(wěn)定條件、氣源、氣體運(yùn)移和適合的沉積儲(chǔ)層等特征。在“水合物油氣系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上，喬少華等[8]也進(jìn)一步提出“水合物運(yùn)聚體系”概念進(jìn)行系統(tǒng)研究。

盡管對(duì)于自然界天然氣水合物的研究已經(jīng)進(jìn)行了40多年，對(duì)海洋和永久凍土帶的水合物產(chǎn)出、分布和特征的理解已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但關(guān)于天然氣水合物成藏機(jī)理等方面的認(rèn)識(shí)還有待深入，需要更多的工作來(lái)整合天然氣水合物相關(guān)研究工作，從而進(jìn)一步推進(jìn)對(duì)天然氣水合物的認(rèn)識(shí)。本文擬從天然氣水合物的成藏體系角度，從天然氣水合物的溫 壓條件—?dú)庠础獨(dú)怏w運(yùn)移—有利儲(chǔ)層，以及天然氣水合物的成藏模式等方面介紹相關(guān)研究的新進(jìn)展，分析水合物成藏體系研究總體發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)天然氣水合物資源的勘探開(kāi)發(fā)和理論研究提供參考和借鑒。

1 天然氣水合物的穩(wěn)定條件

天然氣水合物的存在受一定的溫度和壓力條件控制。前人對(duì)天然氣水合物的相平衡已經(jīng)做過(guò)很多研究，包括相平衡條件與水合物穩(wěn)定帶的關(guān)系[9-10]、不同體系下水合物溫壓穩(wěn)定條件的研究[11-12]等。根據(jù)前人研究，除了氮?dú)鈺?huì)使水合物穩(wěn)定帶存在的區(qū)域變小外，其他氣體都會(huì)使水合物穩(wěn)定帶存在的區(qū)域變大[9-10,13]。隨著孔隙水鹽度的增加，天然氣水合物相平衡曲線向左偏移，導(dǎo)致水合物穩(wěn)定帶區(qū)域變小[9-10,13]。地溫梯度的升高會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度變薄[9,14]。在眾多因素中，地溫梯度和海底表層溫度比水深、氣體組成、孔隙水鹽度等對(duì)穩(wěn)定帶厚度的影響更大[9]。

圖1 甲烷水合物穩(wěn)定區(qū)域的深度?壓力曲線（A）永久凍土帶（B）大陸邊緣海洋環(huán)境（據(jù)[7]修編）Fig. 1 Arbitrary examples of different depth-temperature zones in which methane hydrates are stable: (A) a permafrost region, and (B) an outer continental margin marine setting

在埋深和溫度坐標(biāo)系中，水合物相平衡曲線和假定的水熱梯度曲線所包圍的區(qū)域就是溫度壓力條件適合于天然氣水合物形成的區(qū)域，如圖1所示。COLLETT[7]將極地永久凍土帶和大陸邊緣海洋環(huán)境的相平衡圖做了很好的說(shuō)明，相邊界的信息和地溫梯度（圖1）指示在大陸極地地區(qū)水合物存在的最上部深度是150 m左右，該處地下溫度低于0℃。在海洋沉積物中，水合物存在于底層水溫度接近0℃且水深超過(guò)300 m的區(qū)域。當(dāng)把其他烴類(lèi)氣體如乙烷和丙烷加入到純甲烷氣體體系中時(shí)，會(huì)使相邊界曲線向右移動(dòng)，從而使?jié)撛诘募淄樗衔锏姆€(wěn)定帶變深。但當(dāng)鹽類(lèi)例如氯化鈉存在于甲烷水合物體系中時(shí)，會(huì)降低甲烷水合物形成時(shí)的溫度，反而使?jié)撛诘募淄樗衔锏姆€(wěn)定帶變淺。因此，當(dāng)涉及到水合物相平衡曲線和穩(wěn)定帶范圍時(shí)，要考慮多種影響因素，不同的因素影響結(jié)果并不相同，更好地研究多因素的共同影響機(jī)制，為勘探開(kāi)發(fā)提供有力指導(dǎo)。

2 氣 源

天然氣水合物的氣源成因主要有3種：生物成因、熱解成因和無(wú)機(jī)成因，其中以生物成因氣為主，熱解成因氣次之，無(wú)機(jī)成因氣最少[15]。在解釋形成天然氣水合物的氣體來(lái)源時(shí)，利用烴類(lèi)氣體成分中C1與（C2+ C3）比值R和甲烷碳同位素δ13C1值分析判別與確定甲烷成因類(lèi)型，如果R ＞ 1 000，且其δ13C1值在?90‰～?55‰之間，為典型的微生物化學(xué)作用成因；而當(dāng)R ＜ 100，其δ13C1＞ ?55‰，且一般均大于 ?48‰，則屬熱解成熟成因；R值和δ13C1值介于上述二者之間者，則為生物?熱解成熟混合成因[16-17]。雖然已經(jīng)在世界多個(gè)地區(qū)發(fā)現(xiàn)了無(wú)機(jī)成因的甲烷[18]，但是尚未找到無(wú)機(jī)成因的天然氣水合物礦點(diǎn)，因此該類(lèi)天然氣水合物并不普遍。目前對(duì)天然氣水合物成因的討論一般限于生物氣和熱解氣。

微生物氣是由微生物群降解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的。二氧化碳還原和發(fā)酵是兩個(gè)最主要的產(chǎn)生微生物氣的途徑，需要大量的有機(jī)質(zhì)來(lái)形成甲烷[7]。熱成因氣是在有機(jī)質(zhì)的熱化學(xué)變化過(guò)程中產(chǎn)生的。在早期的熱演化過(guò)程中，甲烷是同其他烴類(lèi)和非烴類(lèi)氣體一起產(chǎn)生的，并且通常伴隨原油的產(chǎn)生。氣體水合物的地球化學(xué)分析表明很多海洋水合物的氣體來(lái)自于微生物氣源，因此，大部分水合物的評(píng)估都只側(cè)重于微生物氣源。然而，熱成因氣源在墨西哥灣，加勒比海，黑海，還有陸上的馬更些三角洲和北阿拉斯加的一些水合物賦存帶中也有發(fā)現(xiàn)。最近在北阿拉斯加和加拿大的研究再次證明熱成因氣對(duì)于形成高濃度水合物藏的重要性[7]。

隨著研究的深入，人們對(duì)與熱解氣相關(guān)的水合物藏有了越來(lái)越多的發(fā)現(xiàn)，熱成因氣源逐漸受到人們的重視。祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的氣體為有機(jī)成因，且以熱解成因氣為主，夾少量微生物成因氣（醋酸根發(fā)酵）[19]。南海北部盆地淺層氣藏普遍具有混合成因的特征，而混合氣中的熱成因氣（生物降解氣）的氣源來(lái)自深部油氣藏，表明水合物的氣源與常規(guī)深部油氣藏有密切的關(guān)系[20]。臺(tái)灣西南部水合物主要是生物成因的氣源，然而，在活動(dòng)邊緣的氣體樣品顯示重的碳同位素組成，范圍為 ?40‰～?60‰，同臺(tái)灣內(nèi)陸泥火山氣體成分類(lèi)似，表明在這一區(qū)域同樣有熱成因氣源[21]。布萊克海臺(tái)鉆井樣品中，淺層氣源（水合物穩(wěn)定帶底界之上）具有微生物成因的特征，然而當(dāng)深度增加至750 m時(shí)，較高的δ13C-CH4負(fù)偏顯示出熱成因氣的特征。墨西哥灣水合物的氣源包括微生物成因甲烷和熱成因甲烷。其中，熱成因甲烷與深水油氣藏有著密切的關(guān)系，較淺的古近系烴源巖就可以為上覆地層提供可觀的熱解成因氣[8]。

目前，根據(jù)全球迄今勘查發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物地球化學(xué)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果及其形成的地質(zhì)條件綜合分析，雖然全球天然氣水合物成因類(lèi)型主要以生物成因、生物?熱解混合成因?yàn)橹?，熱解成熟成因次之，其成礦成藏氣體主要來(lái)自生物氣和生物?熱解成熟混合氣的供給，但是天然氣水合物形成富集的決定性因素取決于其是否具有充足的氣源供給與特定的高壓低溫環(huán)境[22]。早有科學(xué)家提出生物氣不足以提供充足的氣源，NAEHR[23]和LANOIL[24]等分別于2000年和2001年提出，細(xì)菌?微生物形成的生物氣量非常有限，只能在局部地區(qū)形成分散的水合物礦藏。因此，生物成因氣固然重要，但熱解氣作為氣源應(yīng)得到更多的關(guān)注。

3 氣體運(yùn)移

水合物的成藏需要大量的氣，一般來(lái)說(shuō)，水合物穩(wěn)定帶內(nèi)產(chǎn)生的生物成因甲烷不足以滿足水合物藏的形成，需要穩(wěn)定帶底部下面深部甲烷氣源的供給。因此，在天然氣水合物油氣系統(tǒng)中氣體運(yùn)移成為了一個(gè)很關(guān)鍵的組成部分[7]。

大量的鉆孔資料和地震剖面數(shù)據(jù)顯示，主動(dòng)大陸邊緣的增生楔和被動(dòng)大陸邊緣的俯沖?增生楔、斷裂?褶皺系、底辟構(gòu)造或泥火山、滑塌構(gòu)造和陸地多年凍土區(qū)等多種地質(zhì)構(gòu)造背景是形成天然氣水合物的有利場(chǎng)所，這些地質(zhì)構(gòu)造背景相互作用，大多成為深部熱成因氣、生物成因氣或混合成因氣體以及流體向上運(yùn)移到海底的通道[25]。不論活動(dòng)大陸邊緣還是被動(dòng)大陸邊緣，海底天然氣水合物的形成和聚集大多與斷層有著密切的關(guān)系[26-27]。馬尼拉俯沖帶俯沖前緣以及增生楔中的斷裂系統(tǒng)成為天然氣水合物成藏非常重要的運(yùn)移通道[28]。新西蘭Hikurangi俯沖邊緣的多道地震數(shù)據(jù)提供了許多氣體沿?cái)鄬舆w移到水合物穩(wěn)定帶的證據(jù)[29]。此外模擬水合物成藏研究也表明斷層在運(yùn)移氣體通過(guò)水合物穩(wěn)定帶時(shí)起到了重要的作用[30-31]。底辟構(gòu)造是地層內(nèi)部圈閉氣體壓力釋放上沖的結(jié)果，也可以為深部氣源向上運(yùn)移提供良好的通道[32]。氣煙囪在形成過(guò)程中也會(huì)攜帶大量富含甲烷氣的流體向上運(yùn)移到天然氣水合物穩(wěn)定帶，其形成之后仍可作為后期活動(dòng)中油氣向上運(yùn)移的特殊通道[33]。對(duì)木里地區(qū)構(gòu)造演化特征分析表明，斷裂的發(fā)育控制了木里地區(qū)天然氣水合物藏的形成，下部烴源巖生成的烴類(lèi)氣體在斷層的作用下再次運(yùn)移到水合物穩(wěn)定帶成藏，常規(guī)氣藏經(jīng)后期的構(gòu)造抬升到水合物穩(wěn)定帶也可形成天然氣水合物藏[34]。在南海神狐海域氣煙囪和斷層構(gòu)成了含氣流體運(yùn)移通道。其中與氣煙囪活動(dòng)伴生的斷層擴(kuò)大了氣煙囪對(duì)流體運(yùn)移的貢獻(xiàn)，而滑脫斷層可能是甲烷氣體向海底逸散的通道[8]。

水合物成藏氣體的運(yùn)移不僅需要良好的運(yùn)移通道，氣體自身的遷移過(guò)程也是非常重要的。由于砂中含有很少或者幾乎沒(méi)有有機(jī)質(zhì)，所以甲烷氣是運(yùn)移來(lái)的。目前，主要提出了兩種氣體遷移方案[35]。對(duì)于“長(zhǎng)路徑”的遷移，流體流經(jīng)運(yùn)移通道將甲烷氣從深部源運(yùn)移到水合物穩(wěn)定帶（GHSZ），形成固態(tài)甲烷水合物。對(duì)于“短路徑”的遷移，微生物甲烷在細(xì)粒的泥質(zhì)水合物穩(wěn)定帶內(nèi)產(chǎn)生，其中的小孔徑抑制水合物的形成，但溶解的甲烷可以擴(kuò)散到相鄰的砂質(zhì)層中，在粗孔徑中形成、生長(zhǎng)并富集水合物。東北太平洋（Cascadia大陸邊緣）薄層砂層（＜5 cm）中觀察到的水合物和墨西哥灣（Walker脊）中2.5 m厚的砂巖層中水合物的聚集已經(jīng)用短路徑的遷移機(jī)制進(jìn)行了解釋。

無(wú)論是“長(zhǎng)路徑”還是“短路徑”遷移，其氣體遷移方式主要有三種：（1）擴(kuò)散；（2）氣體溶解在遷移水中；（3）以氣泡或分散的連續(xù)的氣相的形式遷移[7]。

通過(guò)擴(kuò)散方式遷移氣體是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，一般較難形成高飽和度水合物藏[36]。然而，在特定環(huán)境下，擴(kuò)散方式也有形成高飽和度水合物的可能，例如，MALINVERNO[37]為水合物形成提出了一種質(zhì)量平衡模型，甲烷在相對(duì)較低的有機(jī)碳濃度（＜0.5%的干重量分?jǐn)?shù)）的細(xì)粒沉積物中形成低飽和度水合物，然后通過(guò)擴(kuò)散方式繼續(xù)遷移到附近較粗粒的層中形成高飽和度的水合物沉積層。這種機(jī)制可以為水合物交替出現(xiàn)在粗粒層和細(xì)粒層提供很好的解釋。

水中溶解氣體組分或是分散的氣相通過(guò)水平對(duì)流方式的氣體遷移，是一個(gè)非常高效的過(guò)程。HYNDMAN等[38]提出了兩個(gè)模型用以描述平流氣體遷移與水合物形成間的相互關(guān)系：在液相遷移模型中，水（有溶解的甲烷和其他潛在水合物形成者的液相）向上運(yùn)移到水合物帶，由于甲烷的溶解度降低，導(dǎo)致甲烷的出溶和水合物的形成；在氣相遷移模型中，甲烷作為氣泡（分散氣相）向上遷移進(jìn)入到水合物穩(wěn)定帶，水合物在氣泡和孔隙水界面成核。上述兩模型均需要透水的路徑使水或氣相運(yùn)移，而且氣相遷移模型同液相遷移模型相比需要更強(qiáng)的流體流動(dòng)。由此推斷，孔隙流體和沉積物中的氣相遷移都需要透水路徑，比如斷層體系或是多孔透水的沉積物層。因此，如果沒(méi)有有效的遷移路徑，大的甲烷水合物藏難以形成。

4 有利儲(chǔ)層

水合物野外航次表明，高濃度水合物的產(chǎn)出主要受裂隙和粗粒沉積物控制，水合物充填在裂隙中或是散布在富砂的儲(chǔ)集層孔隙中。目前，觀測(cè)到的水合物產(chǎn)出特征包括：（1）充填粗顆粒沉積物的孔隙；（2）在細(xì)顆粒沉積物內(nèi)呈瘤狀分布；（3）作為固態(tài)物質(zhì)充填在裂隙中；（4）固態(tài)水合物作為主要成分伴隨少量沉積物[7]。TORRES等[39]推斷水合物主要生長(zhǎng)于粗粒沉積物中，其原因在于，與細(xì)粒沉積物相比，粗粒沉積物中低的毛細(xì)壓力更有助于氣體的運(yùn)移和水合物的成核。

多項(xiàng)研究成果也為天然氣水合物優(yōu)先生長(zhǎng)于粗粒沉積物提供了證據(jù)[40]。例如，ODP164 航次在布萊克海臺(tái)氣體水合物鉆探獲得的沉積物粒度研究顯示，在氣體水合物穩(wěn)定帶內(nèi)沉積物粒度比穩(wěn)定域外的沉積物要稍粗一些[41-42]。蘇新等[43]通過(guò)對(duì)ODP204航次8個(gè)鉆孔BSR界面以上沉積物粒度分布與各站位水合物產(chǎn)出層位的統(tǒng)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水合物主要聚集在粒度為50 μm以上的粗粉砂沉積物中。王家生等[44]通過(guò)對(duì)IODP311航次5個(gè)站位BSR界面以上沉積物粒度分布與各站位水合物產(chǎn)出層位的統(tǒng)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，天然氣水合物可能偏向形成于粒度大于31 μm的粗粒沉積物中，沉積物粒度分別為31～63 μm和63～125 μm的2組較粗粒徑的沉積物數(shù)量增多位置與水合物賦存帶之間存在較好的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。

神狐地區(qū)含水合物沉積物的粒度研究結(jié)果表明粉砂粒級(jí)是研究鉆孔含水合物沉積物的主導(dǎo)組分，粗粉砂（0.063～0.032 mm）和細(xì)砂（0.063～0.5 mm）在水合物飽和度層通常是高含量的，暗示粗粒沉積物更有利于水合物的形成。并由此推斷，豐富的鈣質(zhì)化石（主要是有孔蟲(chóng)殼體及其碎片）顆粒大小要比粗粉砂和細(xì)砂大，可能會(huì)為容納豐富的水合物提供更大的空間[45]。墨西哥灣富砂質(zhì)的濁流沉積體，代表了非常復(fù)雜的深水沉積過(guò)程。盆地的軸部形成的水道和鄰近部位形成了粗粒的水道滯留沉積和富砂質(zhì)的天然堤沉積體。Diana盆地淺部區(qū)域富泥質(zhì)的塊體流沉積復(fù)合體（Mass Transport Complex, MTC）分布在水合物穩(wěn)定帶之上，含氣流體可能會(huì)沿著普遍存在的網(wǎng)狀垂向斷裂進(jìn)入較為新的地層之中，從而形成水合物[46]。在日本南海海槽的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)水道充填濁流和片狀濁流是最好的水合物儲(chǔ)層[47]。

上述研究顯示水合物主要在粗粒沉積物中成藏，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在細(xì)粒沉積物中同樣也發(fā)現(xiàn)了水合物分布，說(shuō)明沉積物粒度與水合物聚集并非呈簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如在ODP204航次個(gè)別站位（1251B、1252A），或同一站位不同層段（1245B）水合物聚集在極細(xì)粒的沉積物中[43]。布萊克海臺(tái)具有典型的細(xì)粒沉積物儲(chǔ)層，沉積物主要為富超微化石的黏土，水合物以低飽和度（＜10%）浸染狀產(chǎn)出[41-42]。

COLLETT對(duì)典型的天然氣水合物產(chǎn)出特征進(jìn)行了概括并對(duì)不同的水合物運(yùn)聚成藏進(jìn)行了描述（圖2）[7]。由水合物成藏體系圖和實(shí)地產(chǎn)出水合物樣品圖可見(jiàn)，有A～F六類(lèi)典型的水合物產(chǎn)出特征，分別為水合物充填的脈狀網(wǎng)，大的水合物透鏡體，在海洋砂中顆粒充填的天然氣水合物，大的海底丘，在海洋粘土中孔隙充填的天然氣水合物，和陸上在北極地區(qū)砂或礫巖中孔隙充填的天然氣水合物。在圖中圈定的藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗衔镔Y源潛在的儲(chǔ)層，圈定的綠色區(qū)域由于所處位置的特殊加上甲烷的釋放，可能與氣候的變化息息相關(guān)。

圖2 不同的天然氣水合物系統(tǒng)的組成原理圖解Fig. 2 A schematic depiction of the components of various gas hydrate systems

圖3 天然氣水合物資源金字塔描述了預(yù)計(jì)的天然氣水合物產(chǎn)出類(lèi)型（據(jù)[7]修編）Fig. 3 Gas hydrate resource pyramid depicting the types of expected gas hydrate occurrences

BOSWELL等[48]確定了四種不同儲(chǔ)層類(lèi)型的天然氣水合物并在“天然氣水合物資源金字塔”中比較（圖3），最有希望并且最易獲取的類(lèi)型在頂部，最有技術(shù)挑戰(zhàn)難度的在底部。四種不同類(lèi)型的天然氣水合物類(lèi)型分別是：（1）砂為主的儲(chǔ)集層，在極地地區(qū)和海洋環(huán)境中砂巖儲(chǔ)層中的水合物資源是最具有前景的；（2）粘土為主的斷裂儲(chǔ)集層，在砂為主的儲(chǔ)層之下；（3）在海底的大量水合物沉積層，這種類(lèi)型的水合物沉積一般與暴露在海底表面的小丘相關(guān)，這些小丘可能是動(dòng)態(tài)的連接到深部的斷裂 充填的水合物體系，這個(gè)體系同時(shí)也作為氣體從水合物穩(wěn)定帶下部向上運(yùn)移的通道；（4）低濃度的在大量不透水粘土層外的分散沉積層。廣泛分布的大量水合物，其飽和度很低，全球大部分的原地水合物資源可能都?xì)w于這一類(lèi)。

5 水合物成藏模式

天然氣水合物的成藏是有規(guī)律性的，不同的控制因素會(huì)導(dǎo)致不同的成藏地質(zhì)模式。對(duì)水合物成藏模式的研究能為天然氣水合物的調(diào)查與研究提供一定的地質(zhì)模式參考。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都對(duì)天然氣水合物的成藏地質(zhì)模式進(jìn)行過(guò)探討，根據(jù)不同的因素可以將水合物的成藏模式分為幾類(lèi)（表1）。由表中的數(shù)據(jù)可以看到所劃分的成藏模式有的具有地域特色，如木里地區(qū)的動(dòng)態(tài)的熱解氣?低溫冷凍?地層型成藏模式[49]；有的根據(jù)局部特性劃分，如依據(jù)氣源或者物質(zhì)的供給進(jìn)行區(qū)分，所代表的成藏模式具有局限性[50-51]。這些模式都是強(qiáng)調(diào)了某一方面因素對(duì)水合物成藏的影響，我國(guó)學(xué)者也曾提出過(guò)擴(kuò)散型和滲漏型水合物成藏模式[52-53]。對(duì)比各類(lèi)成藏模式，以地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境為依據(jù)所劃分的成巖型、構(gòu)造型和復(fù)合型水合物成藏模式更具代表性。

表1 天然氣水合物成藏模式分類(lèi)表（據(jù)文獻(xiàn)[6,43,50-52]修編）Table 1 Classification of gas hydrate accumulation model

表1 （續(xù)）Table 1 (continued)

6 結(jié)束語(yǔ)

天然氣水合物成藏體系是一種復(fù)雜的系統(tǒng)，水合物形成的溫壓條件、氣源、氣體運(yùn)移、有利儲(chǔ)層是天然氣水合物成藏體系的主要要素，它們彼此之間在時(shí)空上的有效匹配將共同決定著天然氣水合物的成藏特征。本文通過(guò)對(duì)各成藏要素和成藏模式研究進(jìn)展進(jìn)行分析，總結(jié)如下：

（1）在考慮水合物形成的溫壓條件時(shí)建議考慮多種因素的共同影響機(jī)制，從而更準(zhǔn)確地確定水合物的穩(wěn)定條件和水合物穩(wěn)定帶范圍。

（2）目前了解的全球天然氣水合物成因類(lèi)型主要以生物成因、生物?熱解混合成因?yàn)橹?，隨著對(duì)水合物成藏氣源條件的關(guān)注，熱解氣應(yīng)給予更多的關(guān)注。

（3）適合的運(yùn)移通道是氣體運(yùn)移至穩(wěn)定帶中形成水合物的關(guān)鍵因素，建議繼續(xù)加強(qiáng)相關(guān)方面的研究。在關(guān)注氣體運(yùn)移通道的基礎(chǔ)上，氣體或流體的運(yùn)移機(jī)制也應(yīng)被重視，建議對(duì)氣體的遷移過(guò)程和方式進(jìn)行更為深入的研究。

（4）我國(guó)南海和凍土區(qū)水合物藏已取得較好的調(diào)查研究進(jìn)展，研究表明南海主要為生物成因、生物?熱解混合成因氣源，凍土區(qū)主要為熱解成因氣源，水合物的氣源與常規(guī)油氣藏有密切的關(guān)系。斷裂構(gòu)造的發(fā)育控制了凍土區(qū)水合物藏的形成，海域水合物藏的形成也需要良好的流體運(yùn)移通道提供充足的氣體。

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Research Progress in Natural Gas Hydrate Accumulation System

BU Qing-tao1,2, HU Gao-wei2,3, YE Yu-guang2,3, LIU Chang-ling2,3, LI Cheng-feng2,3, WANG Jia-sheng1
(1. School of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China；2. Key Laboratory of Gas Hydrate, Ministry of Land and Resources, Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, Shandong, China； 3. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, Shandong, China)

On the basis of gas hydrate exploration achievements in permafrost regions and marine environment in recent years, new progress of gas hydrate accumulation system is summarized in aspects of gas hydrate stability conditions, gas source, gas migration and reservoir rocks. The results show that the geothermal gradient, seabed surface temperature, gas composition, pore water salinity and other factors affect and control hydrate equilibrium conditions. Biological and biological-thermogenic gas are the main sources in the global hydrate reservoir. Thermogenic gas becomes an important role in gas hydrate accumulation system. The hydrocarbon gas migrates in the sediments by diffusion, gas dissolved within migrating water, and as a separate bubble. Faults, diapirs, gas chimney and other similar structures provide effective channels for gas fluid migration. Six different types of hydrates and four hydrate reservoir rocks are introduced based on hydrate features occurrence around the world. According to analysis on different gas hydrate accumulation models, the classification of the accumulation model on the basis of different tectonic environments is a better representative.

natural gas hydrate； gas source； gas migration； reservoir rocks； accumulation model

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.06.005

2095-560X（2015）06-0435-09

卜慶濤（1988-），男，博士研究生，主要從事海洋地質(zhì)學(xué)、天然氣水合物方面的研究。

2015-09-11

2015-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（41104086，41474119）

? 通信作者：胡高偉，E-mail：hgw-623@163.com

胡高偉（1982-），男，博士，副研究員，主要從事海洋地質(zhì)學(xué)、天然氣水合物方面的研究。