海域天然氣水合物鉆探研究進展及啟示（I）：站位選擇*

蘇　明，匡增桂，喬少華，沙志彬，4，魏　偉，張金華，蘇丕波，楊　睿，吳能友?，叢曉榮

（1.中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640；2.中國科學院廣州天然氣水合物研究中心，廣州 510640；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760；4.中國地質(zhì)大學（武漢）資源學院，武漢 430074；　　　　　5.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007）

海域天然氣水合物鉆探研究進展及啟示（I）：站位選擇*

蘇明1，2，匡增桂3，喬少華1，2，沙志彬3，4，魏偉5，張金華5，蘇丕波3，楊睿1，2，吳能友1，2?，叢曉榮1，2

（1.中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640；2.中國科學院廣州天然氣水合物研究中心，廣州 510640；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760；4.中國地質(zhì)大學（武漢）資源學院，武漢 430074；5.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007）

本文通過對國外海域天然氣水合物鉆探的調(diào)研，選取布萊克海臺、水合物脊、墨西哥灣、日本南海海槽、韓國郁龍盆地、印度大陸邊緣等區(qū)域，從水合物站位選擇目的和站位選擇依據(jù)這兩個方面進行歸納總結(jié)和系統(tǒng)對比。研究指出，根據(jù)水合物的實際產(chǎn)出和賦存，可將其劃分為兩大類型：賦存于海底淺表層的水合物（一般在海底之下100 m范圍內(nèi)）和賦存于海底之下中-深層的水合物（一般在海底之下100～400 m范圍內(nèi)）。前者的主要識別依據(jù)為海水異常、含氣流體運移通道和異常地形地貌特征，而后者的主要識別依據(jù)為地球物理異常反射特征、含氣流體運移通道和有利沉積體。因此，如果將水合物的形成、聚集和分布比喻為一個有機的整體，那么“運”和“聚”就構(gòu)成了這個系統(tǒng)的“骨骼”和“血液”，它們將控制遠景區(qū)內(nèi)的水合物分布。將“水合物識別標志”、“有利沉積體展布”和“流體運移通道”三者有機地結(jié)合在一起，可以達到更準確地預測和描述水合物礦體的目的，這是今后海域水合物鉆探站位選擇依據(jù)的主要發(fā)展方向。

天然氣水合物；含氣流體運移；有利沉積體；水合物鉆探站位選擇

0　引　言

天然氣水合物（以下簡稱“水合物”）是一種在高壓低溫條件下由烴類氣體分子和水分子構(gòu)成的籠型似冰狀晶體物質(zhì)［1］，俗稱“可燃冰”。作為一種非常規(guī)性的能源，水合物中蘊含著豐富的天然氣資源，據(jù)估計，其天然氣資源總量已經(jīng)超過了目前所發(fā)現(xiàn)的所有油氣藏的資源總和［2］。此外，海域水合物在海底地質(zhì)災害、氣候演變和環(huán)境效應(yīng)等方面也具有重要的研究意義［3-5］。

近年來，為了查明海域水合物的賦存位置、產(chǎn) 出特征及地質(zhì)控制因素，一系列鉆探計劃相繼實施（圖1），如大洋鉆探計劃（Ocean Drilling Program，ODP）164和204航次［6，7］、綜合大洋鉆探計劃（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）311航次［8］、墨西哥灣“聯(lián)合工業(yè)計劃”（Joint Industry Project，JIP）［9，10］、南海海槽“日本甲烷水合物開發(fā)計劃”（Japan's Methane Hydrate Exploitation Program，JMHEP）［11，12］、“郁龍盆地水合物勘探計劃”（Ulleung Basin Gas Hydrate Expedition，UBGHE）［13，14］、以及“印度國家水合物計劃”（India National Gas Hydrate Program，INGHP）［15，16］等。

圖1　永久凍土區(qū)和海洋沉積物中已知的和推測的天然氣水合物區(qū)域（修改自Kvenvolden，1993；Collett，2002［1，2］）Fig.1　Locations of known and inferred gas hydrate occurrences in permafrost regions and oceanic sediments（after Kvenvolden，1993；Collett，2002［1，2］）

上述海域水合物鉆探計劃的成功實施，不僅證明了水合物在這些區(qū)域的存在，還為研究水合物形成、產(chǎn)出和聚集提供了大量的第一手地質(zhì)資料，使得海域水合物的勘探技術(shù)和成藏理論得到了飛速的發(fā)展，從而能更好地回答“水合物如何分布”和“水合物分布的控制因素”這兩個關(guān)鍵科學問題。本文系統(tǒng)回顧了這些水合物鉆探研究的結(jié)果，總結(jié)了在不同地質(zhì)背景下水合物鉆探站位的布置和水合物的賦存特征，進而對影響海域水合物形成和聚集的主要控制因素進行歸納和對比，從產(chǎn)出分類的角度探討海域水合物遠景區(qū)內(nèi)鉆探站位的選擇依據(jù)，希望為我國海域水合物成藏理論和實際鉆探提供借鑒。

1　布萊克海臺

布萊克海臺位于北美東南部被動大陸邊緣，是一個大型的新近紀至第四紀沉積物牽引體，主要由粉砂及富泥的半遠洋/等深流沉積組成［17］。作為海域水合物的第一次實際鉆探，ODP164航次的主要科學目標在于評估水合物資源量、了解水合物和似海底反射（Bottom simulating reflectors，BSRs）之間的關(guān)系，以及水合物在富集區(qū)內(nèi)的空間分布變化。ODP164航次共設(shè)置了7個站位，其中991、992、993和996站位位于北部卡洛琳娜-布萊克海脊Cape Fear底辟和海底滑坡之上，994、995和997站位則位于南部布萊克外脊（圖2a）。在布萊克海臺區(qū)域，底辟構(gòu)造非常發(fā)育，造成了上覆地層的擾動并破壞了正常的沉積序列，因此，此處設(shè)置的淺鉆，如991、992、993和996站位（鉆探深度50～67 m），其目的是研究這些擾動地層的物理性質(zhì)和含氣流體運移的特征。此外，BSRs在這一區(qū)域分布廣泛，此處設(shè)置的深鉆994、995和997是為了研究水合物、含水合物沉積物及其與BSRs的關(guān)系［6］。下面將選擇位于底辟區(qū)的996站位和位于BSRs區(qū)的994和997站位進行回顧。

1.1996站位 996站位位于布萊克海脊底辟構(gòu)造的頂部，水深約為2 170 m（圖2b）。該站位的主要目的是調(diào)查麻坑構(gòu)造的斷裂帶中甲烷的運移及水合物的形成、分析海底滲漏的氣體來源、研究流體運移對沉積物結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響。從過該站位的地震剖面中可 以觀察到鹽底辟構(gòu)造是非常清晰的，主要表現(xiàn)為雜亂的地震反射特征，并導致上覆地層產(chǎn)生了上傾，甚至在海底也形成了輕微的隆起特征（圖2b）。鹽底辟構(gòu)造及其內(nèi)部的斷裂系統(tǒng)將為含氣流體的運移提供通道，導致甲烷在近海底處發(fā)生滲漏或噴溢，形成具有似火山口狀的海底凹陷，即麻坑構(gòu)造，并可見沿著噴溢口的斷裂（圖2b）。此外，鹽底辟構(gòu)造內(nèi)部上涌的鹽體將引起傳導熱場與對流熱場（熱液物質(zhì)流動與交換）的疊加，導致水合物穩(wěn)定帶的變化，如BSRs的向上遷移（圖2b），從底辟周緣的約400 mbsf（meters below the seafloor）減薄至底辟中心的約245 mbsf［18］。鹽底辟構(gòu)造的存在影響了996站位處的水合物形成和分布，熱量的增加可能會導致底辟構(gòu)造中心位置處水合物（圖2b中的空白反射帶）發(fā)生分解，含氣流體將會沿著斷裂體系向淺部的地層發(fā)生運移，在近海底處形成新的水合物層（圖2b）。因此，地震資料上含氣流體運移通道（如底辟構(gòu)造和斷裂體系）和明顯的地形異常（如地形的隆起和麻坑構(gòu)造）是確定996站位的主要依據(jù)。

圖2?。╝）ODP 164航次站位位置；（b）過996站位的地震剖面；（c）過994、995和997站位的地震剖面（修改自Paull等，1996［6］）Fig.2 （a） Locations of the sites in ODP Leg 164；（b） The seismic profile crossing Site 996；（c） The seismic profile crossing Sites 994，995 and 997（after Paull et al.，1996［6］）

水合物在996站位賦存在近海底的淺表層地層中，主要呈現(xiàn)為3種不同的產(chǎn)出形態(tài)［6］：①塊狀水合物碎片，呈柱狀至圓形，長5～8 cm，位于巖心最上部9 mbsf以內(nèi)；②板狀水合物脈，呈脈狀充填于近垂直的裂縫中，厚1～4 mm，位于大多數(shù)巖心30 mbsf之下；③桿狀水合物瘤，直徑約1 cm，長3～12 cm，向下逐漸變小，位于996站位巖心50 mbsf處。

1.2994和997站位

994和995站位位于布萊克海脊側(cè)部，997站位位于海脊脊部（圖2a），3個站位的水深在2 800 m左右。從過994、995、997站位的USGS95-1地震剖面中可以發(fā)現(xiàn)，自北向南，從布萊克海脊的翼部到脊部，BSRs從不發(fā)育到非常明顯（圖2c）。布置這一系列站位的重要目標是確定水合物、下伏游離氣與BSRs之間的關(guān)系，了解水合物的空間部分變化，并測試含水合物沉積物的物性參數(shù)。因此，水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs）是這一系列站位的主要選擇依據(jù)。

從地震反射特征來看，3個站位的剖面地層巖性變化不大，994站位處水合物的獲取既表明水合物可以在無明顯BSRs分布的地方產(chǎn)出，也說明水合物穩(wěn)定帶之下游離氣的富集可能是產(chǎn)生BSRs的主要原因。水合物的產(chǎn)出主要表現(xiàn)為3種形態(tài)［6］：①孔隙充填型，測井資料和孔隙水鹽度資料表明，從180 mbsf至水合物穩(wěn)定帶底界440～470 mbsf都可見這類水合物的存在，是布萊克海臺區(qū)域最為典型的水合物產(chǎn)出類型；②瘤狀結(jié)核結(jié)殼型，如164-994C-31X-7巖心段（259 mbsf）產(chǎn)出水合物呈白色瘤狀，體積為4～25 cm3；③塊狀晶體型，如164-994D-4X-1巖心段（261 mbsf）產(chǎn)出水合物呈微小塊狀，體積小于1 cm3。在997站位331 mbsf的地方發(fā)現(xiàn)了一大塊純的塊狀水合物，直徑約5 cm，長約14 cm。該區(qū)域發(fā)育的近垂直的小型斷層［19］可能是997站位處塊狀水合物賦存的主要因素。

2　水合物脊

水合物脊位于卡斯卡迪亞增生楔北端向海外延處（圖3a），是增生變形前緣的第二個逆沖隆起，由濁積物和半遠洋沉積物覆蓋［20，21］。ODP204航次是首個研究增生復合體中水合物成藏的航次，也是首個采用包括數(shù)字紅外掃描（圖3）和隨鉆測井等技術(shù)的航次。該航次的主要科學目標是查明增生脊及周緣陸坡盆地中水合物的分布和含量、研究烴類氣體向穩(wěn)定帶內(nèi)的運移機制、確定含水合物沉積物原位物性參數(shù)［7］。ODP204航次在水合物脊共布置了9個站位，其中1244～1247站位位于脊頂北部，1248～1250站位為脊部，1251和1252站位則位于脊頂東部的陸坡盆地之上（圖3a）。這樣布置的站位有利于綜合對比研究復雜地質(zhì)構(gòu)造和沉積背景下流體運移特征和水合物分布特征［7］。下面分別選取脊頂北部的1245站位、脊部的1250站位以及陸坡盆地的1251站位進行回顧。

2.11245站位

1245站位位于水合物脊西翼870 m水深處，距南水合物脊峰約3 km。此處站位設(shè)計的目的是評估水合物脊脊部穩(wěn)定帶內(nèi)水合物的分布和含量、查明強反射層“A層”、“B層”和“Y層”對流體活動和水合物成藏的影響。從地震剖面中可以觀察到明顯的BSRs，分別切穿強反射層“A層”、“B層”和“Y層”（圖3b）。這些強反射層被視為水合物脊良好的流體運移通道，能夠?qū)N類氣體運移至水合物穩(wěn)定帶之內(nèi)［22］，而位于穩(wěn)定帶之內(nèi)的強反射層也可以作為潛在的儲層，位于強反射層之內(nèi)的水合物往往具有更高的飽和度［23］。因此，水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs）、良好的含氣流體運移通道（強反射層）和潛在的有利儲層（強反射層）是1244、1245、1246站位的重要選擇依據(jù)。

水合物在這3個站位中的分布和產(chǎn)出都很相似，以低飽和度（約2%～10%）、浸染狀形式賦存，同時也包含少量水合物結(jié)核結(jié)殼，以及裂縫充填型水合物［7］。

2.21250站位

1249和1250站位分別位于南水合物脊峰778 m和792 m水深處，鉆探取心中存在明顯的數(shù)字紅外低溫異常，可以用于指示含水合物層的深度和厚度等信息。這2個站位用于查明南水合物脊峰的水合物分布特征，并研究甲烷氣泡在水合物-水二相區(qū)的運移過程。在地震剖面中，能夠識別出2類異常反射：①位于近海底淺表層的強振幅反射，厚度約為30 m；②位于大約115 mbsf附近的BSRs。此外，深潛器及高頻回聲探測揭示的海底羽狀氣泡流［24］、具有上拉且雜亂反射特征的碳酸鹽巖丘（海底高地）（圖3c）也指示了水合物的存在。因此南水合物脊峰的站位選擇依據(jù)主要有水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs、異常地震反射）、水合物存在的溫度異常（數(shù)字紅外低溫異常）、特殊的海水異常（海底羽狀氣泡流）和異常海底地形地貌（碳酸鹽巖丘/海底高地）。

水合物主要以塊狀的形式賦存于海底淺表層，飽和度較高，如1250站位在海底至30 mbsf的深度段內(nèi)獲取了25%～40%的水合物［7］，對應(yīng)于地震剖面中海底之下的強振幅反射層（圖3c）。這類水合物的形成可能與較為集中的流體活動（focused fluids）相關(guān)，如含氣流體的向上輸送將為淺層提供豐富的甲烷，導致碳酸鹽巖丘的形成（圖3c），并在海底發(fā)生甲烷的逃逸，形成海底羽狀氣泡流［25］。

圖3　（a）ODP 204航次站位位置；（b）過1245、1246、1244和1252站位的地震剖面；（c）海底高地處的背散射圖及過1250和1249站位的地震剖面；（d）過1251站位的地震剖面（修改自Tréhu等，2003［7］）Fig.3 （a） Locations of the sites in Leg ODP 204；（b） The seismic profile crossing Sites 1245，1246，1244 and 1252；（c） Backscatter map in the pinnacle and the seismic profile crossing Sites 1250 and 1249；（d） The seismic profile crossing Sites 1251（after Tréhu et al.，2003［7］）

2.31251站位

1251站位位于水合物脊脊峰以東5.5 km的陸坡盆地處，水深為1 210 m。由于陸坡上沉積物將沿著坡降方向發(fā)生輸送和堆積，陸坡-盆地的地層厚度發(fā)生了明顯的增加，因此該站位的主要目的是研究高沉積速率背景下水合物的氣體來源、水合物在陸坡盆地中的分布。由于水深的增加，BSRs在1251站位的深度下移至200 mbsf附近（圖3d）。在地震剖面上還可以識別出2套雜亂的地震反射層，解釋為碎屑流沉積體（圖3d），并認為處于深水背景中的這2套沉積單元可能是水合物的良好儲層。因此，水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs）和有利的沉積體（碎屑流沉積體）是1251站位的主要選擇依據(jù)。

水合物在1251站位主要以浸染狀形態(tài)分布于BSRs之上的有利沉積單元（緊鄰BSRs以上的地層和90～110 mbsf兩個深度區(qū)間）之中，底部的飽和度較高，可達18%，上部的飽和度較低，平均為3%［7］。水合物的形成和產(chǎn)出的主要控制因素為巖性（沉積單元）。

3　墨西哥灣

墨西哥灣盆地以鹽底辟和新生代沉積充填為主要地質(zhì)背景，是美國重要的海上油氣資源區(qū)，也是世界上水合物研究程度最高的海域之一（圖4a）。JIP計劃于2000年啟動，開始對墨西哥灣水合物進行了詳盡的研究，其主要目的是研究與含水合物沉積鉆井相關(guān)的災害，開發(fā)和測試預測天然氣水合物勘探與開發(fā)的地質(zhì)與地球物理工具，以及鉆取含水合物沉積物樣品用以獲取海洋天然氣水合物資源開采問題所需的物理數(shù)據(jù)［9，10］。

3.1JIPI航次

JIPI航次將研究目標限定在Atwater Canyon 13/14區(qū)塊（AT13/14）和Keathley Canyon 151區(qū)塊（KC151）（圖4a）［9］。區(qū)域內(nèi)海底地形顯示存在大量輕微隆起的地形地貌及近圓形海底凹陷，被解釋 為水合物丘和麻坑（圖4b和4c）［26］，指示了水合物的存在。特別是水合物丘，在地震剖面上表現(xiàn)為近海底的異常反射，其下部有時并不能觀察到明顯的BSRs，但可見高阻抗同相軸（圖4d），可能指示了相對高熱流體向上的快速運移［26，27］。與墨西哥灣北部經(jīng)典的BSRs不同，JIPI航次識別出了同樣具有水合物存在指示意義的地震反射異常［28］，如流體噴口之下的負阻抗差異地震反射、阻抗差異較大的不連續(xù)層、反射同相軸在穩(wěn)定帶附近的定向終止（圖4e）［26］、穩(wěn)定帶內(nèi)正波阻抗差等。因此，JIPI航次中，海底淺表層的水合物丘和水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs、同相軸的定向終止、穩(wěn)定帶內(nèi)的強振幅反射同相軸）是鉆探站位的主要選擇依據(jù)。

圖4?。╝）墨西哥灣JIP計劃水合物鉆探站位位置；（b）AT14區(qū)塊海底地形圖揭示了水合物丘及斷層；（c）KC151區(qū)塊海底地形圖揭示了水合物丘和麻坑構(gòu)造；c）過AT13和AT14站位的NW-SE向地震剖面揭示了水合物丘D和F；（d）KC151地震屬性剖面顯示了砂層的定向終止，并依此來定義BSRs（修改自Dai等，2008［26］）Fig.4 （a） Locations of the gas hydrate drilling sites in JIP；（b） The seafloor of AT14 area showing the hydrate mounds and faults；（c） The seafloor of KC151 area revealing possible hydrate mound and pockmarks；（d） NW-SE trending seismic profile crossing Sites AT13 and AT14 showing Hydrate Mounds D and F；（e） KC151 amplitude profile revealing bright sand terminations defining the BSRs（after Dai et al.，2008［26］）

盡管JIPI航次并沒有獲取水合物實物樣品，但孔隙水鹽度、電阻率、地震波速度等資料均指示了水合物的存在。靠近水合物丘處，水合物多富集在近海底淺表層，如AT14站位65 mbsf至海底的深度段內(nèi)、ATM站位55 mbsf至海底的深度段內(nèi)［29］。而在KC151站位，水合物賦存深度可能較深，約在220～330 mbsf深度段內(nèi)，水合物飽和度為1%～12%［29，30］，隨著沉積物中微裂隙的增加，水合物飽和度可增至20%［31］。

3.2JIPII航次

為了證實墨西哥灣深海環(huán)境中富砂質(zhì)沉積體中水合物的形成，JIPII航次嘗試運用水合物含油氣系統(tǒng)（gas-hydrate petroleum system）的思想［32］，開始以砂質(zhì)儲層為主要鉆探目標［10］，自西向東在墨西哥灣Alaminos Canyon、Walker Ridge和Green Canyon分別設(shè)置了AC21、WR313和GC955站位（圖4a）。這些站位分別位于帶水道供給的海底扇、水道及天 然堤復合體、塊體流沉積體（Mass transport complex，MTC）等深水沉積背景（圖5a）［33，34］。

WR313站位的2口鉆井以砂體為鉆探目標，主要揭示藍色砂體單元和橙色砂體單元，與圖4e揭示的同相軸終止特征一致，含砂層將會依次發(fā)生地震反射同相軸的終止（圖5b）［33］，起到類似BSRs的指示作用，被解釋為下伏含游離氣層與上覆含水層或含水合物層的相邊界區(qū)［35］。水合物在2套砂層中的平均飽和度為50%～60%，最大值可達90%［36］。在WR313站位淺部地層中（200～400 mbsf）的含裂隙粘土質(zhì)沉積層也發(fā)現(xiàn)了水合物的存在，飽和度約為20%［36］。GC955站位位于一個斷層十分發(fā)育的地形突起之上，以水道-天然堤復合體中的砂體為鉆探目標（圖5c），并在GC955-H井和GC955-Q井水合物穩(wěn)定帶之上20 m附近鉆遇這一套砂體，水合物在砂體中的富集主要受到遷移的濁積水道及相伴的天然堤的控制［34］。水合物的形成將可能阻礙含甲烷流體的向上運移，因此，水合物并未在該地形突起的淺部發(fā)生富集［37］。AC21站位以強振幅反射的淺層砂體和緊鄰BSRs之上的MTC為鉆探目標（圖5d）［34］。AC21-A和AC21-B在120 mbsf附近鉆遇了粘土質(zhì)沉積物中的目標砂體，最大厚度超過40 m，但水合物飽和度不高，約8%～28%［33］。JIPII航次3個站位中砂質(zhì)儲層中的水合物資源量估算為WR313站位5.1×109m3（180bcf）、GC955站位5.5×108m3（20 bcf）、AC21站位3.5×1010m3（1 200 bcf）［34，38］。因此，有利沉積體的識別（砂體、濁積水道及天然堤、MTC）以及水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs、強振幅反射同相軸）是確定這些站位最為直接的依據(jù)。

圖5?。╝）墨西哥灣JIPⅡ航次站位位置及沉積環(huán)境背景；（b）過WR313站位的地震剖面顯示了強反射砂層的定向終止；（c）過GC955站位的地震剖面顯示出遷移水道-天然堤對砂體的控制；（d）過AC21站位的地震剖面顯示MTC和目標砂體的特征（修改自Boswell等，2012a；2012b［33，34］）Fig.5 （a） The locations of the JIP Leg II in Gulf of Mexico and the generalized depositional setting；（b） The seismic profile crossing Sites WR313 showing the sand terminations with high-amplitude reflectors；（c） The seismic profile crossing Site GC955 revealing migrating channels-levee system controlling the distribution of sands；（d） The seismic profile crossing Site AC21 showing the characters of MTC and target sands（after Boswell et al.，2012a；2012b［33，34］）

4　日本南海海槽

南海海槽位于日本島西南方向，沿著菲律賓海板塊和日本島弧系的俯沖帶從西南至東北延伸超過900 km。南海海槽已經(jīng)開展的水合物勘探計劃包括1999-2000年的“日本南海海槽計劃”、2004年的“日本Tokai-oki至Kumano-nada計劃”以及2012-2013年的“21世紀南海海槽水合物開采計劃”（圖6a）［39］。前兩期研究計劃的主要目標是了解南海海槽水合物的分布特征并估計其資源量。在此基礎(chǔ)之上，第三期研究計劃的主要目標在于水合物的勘探開發(fā)，在南海海槽中部海域設(shè)置了AT1站位，是世界上首個海域水合物開采測試井。

4.1南海海槽計劃（1999～2000年）

以南海海槽廣泛發(fā)育的BSRs為主要依據(jù)，1999年在南海海槽北部945 m水深處實施了鉆井（稱南海海槽鉆井），其中包括1個主鉆孔（Main hole，MH）、2個定位孔（Pilot hole，PH）和3個后期井（Post survey well，PSW）。這些鉆井都設(shè)置在Ryuyo峽谷西側(cè)的一個背斜構(gòu)造之上（圖6b），相距不超過100 m［12］。因此，在南海海槽第一階段的研究中，水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs）是確定站位最重要的依據(jù)。

從PSW-1和PSW-3的取心結(jié)果來看，水合物實際產(chǎn)出帶厚度達100 m，頂界則受到砂巖夾層的控制，顯示出濁積砂體對水合物成藏和分布的控制作用［12］。淺部地層中，水合物仍分布在3套薄砂層中，總厚度為12～14 m，水合物飽和度約80%［40］。

圖6?。╝）日本南海海槽水合物鉆探站位位置；（b）過MITI南海海槽井的地震剖面（修改自Tsuji等，2004；Noguchi等，2011［12，39］）Fig.6 （a） Locations of the gas hydrate drilling sites in the Naikai Trough，Japan；（b） The seismic profile crossing Sites MITI Nankai Trough Well（after Tsuji et al.，2004；Noguchi et al.，2011［12，39］）

4.2Tokai-oki至Kumano-nada計劃（2004年）

南海海槽計劃指示證實了水合物在濁積砂體中的存在，在此基礎(chǔ)之上，研究人員重新審視了BSRs的分布特征，選取了Tokai-oki、Daini-Astumi knoll和Kumano-nada三個區(qū)域作為重點靶區(qū)。2004年，沿著南海海槽從南至北共設(shè)置了16個站位，其中4個站位進行了取心并鉆獲水合物［41］。在3個靶區(qū)中，具有良好橫向連續(xù)性的BSRs是確定遠景區(qū)的首要依據(jù)［42］，過β1井的地震剖面也顯示出明顯的BSRs特征（圖7a）［39］。有些站位中盡管沒有明顯的BSRs，但水合物穩(wěn)定帶內(nèi)存在的地震反射高速異常體也被當作站位選擇的重要依據(jù)之一［42］?；趯^(qū)域地質(zhì)背景和深水沉積過程的分析，這些高速異常體被解釋為一系列的濁積水道砂體（圖7b）［39］。因此，水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs、高速異常體）和有利沉積體的解釋（濁積水道砂體）是這一階段水合物鉆探站位的主要選擇依據(jù)。

鉆探結(jié)果顯示，水合物主要賦存于濁積水道砂體中，總厚度接近80 m，水合物飽和度超過55%。有部分水合物賦存于粉砂質(zhì)沉積物之中，或以結(jié)核結(jié)殼-裂縫充填的形式賦存于粘土質(zhì)沉積物之中。水合物垂向分布與BSRs沒有必然的聯(lián)系，一些有明顯BSRs特征的站位未能鉆獲水合物。但水合物的聚集和分布與濁積水道砂體具有良好的空間匹配關(guān)系，這些濁積砂體也被稱為“水合物富集帶”，其地質(zhì)儲量占了整個南海海槽的一半［43］。

圖7　（a）過β1井的地震剖面揭示了BSRs之上的高速異常體；（b）β1井附近濁積水道特征（修改自Noguchi等，2011［39］）Fig.7 （a） The seismic profile crossing Well β1 showing the high velocity anomaly body above BSRs；（b） The seismic reflectors of the gas hydrate-bearing turbidites channels near Well β1 in Naikai Trough（after Noguchi et al.，2011［39］）

5　韓國郁龍盆地

郁龍盆地是一個晚漸新世深水弧后盆地，北部以南韓海臺為界，西部以朝鮮半島為界，盆地內(nèi)更新世以來的沉積充填由半遠洋沉積和塊體流沉積體所構(gòu)成［44，45］。2007年和2010年在郁龍盆地開展了UBGH1和UBGH2兩期水合物鉆探計劃（圖8a）［13，14］，前者在于證實水合物在郁龍盆地的存在并初步探討水合物和空白反射帶的關(guān)系，后者的研究目標在于評價郁龍盆地的水合物資源潛力，并為水合物的開采測試選擇站位［46］。

5.1UBGH1

多道地震剖面揭示的BSRs被認為是郁龍盆地可能存在水合物的重要證據(jù)之一，后來的重力活塞取樣和鉆探航次證實了這一推斷［13］。UBGH1航次的鉆探重點目標是海底柱狀地震空白構(gòu)造（columnar seismic blanking zone，又稱“氣煙囪”），通常具有明顯的高速異常（圖8b）［13，47］。這些氣煙囪大部分終止于海底以下的沉積物中，少量刺穿海底形成冷泉并造成了沉積層變形或海底地形變化［48］，包括水合物帽（hydrate cap）、水合物丘（hydrate mound）等（圖8c和圖8d）［49］。因此，水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs、柱狀地震空白構(gòu)造）和含氣流體運移的解釋（氣煙囪）是這一階段水合物鉆探站位的主要選擇依據(jù)。

UBGH1選擇了3個站位進行鉆探取心，結(jié)果表明這3個站位中都有厚度不等的含水合物層，最厚可達130 m，是一套砂質(zhì)和粘土沉積物的互層。水合物通常以2種形式產(chǎn)出：①裂縫充填或?qū)訝钯x存于粘土骨架中，如UBGH1-09和UBGH1-10站位［50］；②以孔隙充填形式賦存于粉砂/砂質(zhì)沉積物之中，如UBGH1-04［51］。

5.2UBGH2

在UBGH1的基礎(chǔ)上，為了圈定水合物在郁龍盆地的詳細分布范圍、準確評估水合物資源量，韓國在2010年開展了第二階段的水合物鉆探，希望在郁龍盆地識別出適合試開采的含水合物砂質(zhì)儲集體［14］。因此UBGH2更加注重水合物油氣系統(tǒng)思想在水合物站位選擇中的運用，加強了對地震相的識別和沉積環(huán)境的解釋［52］，特別是MTC分布范圍的圈定［53，54］。站位主要布置在氣煙囪和MTC發(fā)育的區(qū)域（圖8e）［54］，其選擇的依據(jù)包括：①水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs）；②含氣流體運移的解釋（氣煙囪）；③有利沉積體的解釋（MTC）［14］。

UBGH2共設(shè)置了13個站位，其中11個站位獲取了直接或間接指示水合物存在的證據(jù)。水合物主要有以下3種賦存方式：①賦存于砂質(zhì)沉積物中的孔隙充填型；②裂縫充填和結(jié)核結(jié)殼型，常位于近海底淺表層；③泥質(zhì)沉積物中的浸染狀充填型［46］。

圖8　（a）韓國郁龍盆地水合物鉆探站位位置；（b）柱狀地震空白構(gòu)造的地震反射及速度特征；（c）水合物帽及水合物丘的地震反射特征；（d）氣煙囪-水合物帽-水合物丘的地質(zhì)模式圖；（e）地震剖面揭示了氣煙囪和MTC的特征（修改自Ryu等，2009；2013；Kim等，2011；Chun等，2011；Riedel等，2013［13，14，47，49，54］）Fig.8 （a） Locations of the drilling sites of gas hydrate in Ulleung Basin；（b） The seismic features and velocity characters of columnar seismic blanking zone；（c） The seismic characteristics of hydrate cap and mound；（d） The generational geological model of gas chimney-hydrate cap-mound；（e） The seismic profile showing gas chimneys and MTC.（after Ryu et al.，2009；2013；Kim et al.，2011；Chun et al.，2011；Riedel et al.，2013［13，14，47，49，54］）

6　印度大陸邊緣

印度的水合物研究先后經(jīng)歷了2006年的NGHP01航次和2013年的NGHP02航次，自西向東橫跨印度半島被動大陸邊緣和安達曼匯聚大陸邊緣。NGHP01航次共設(shè)置了21個站位（圖9a），其中1個位于印度半島西岸的Kerala-Konkan盆地，4個位于東岸的Mahanadi盆地，15個位于東岸的Krishna-Godavari（KG）盆地，還有一個位于安達曼 大陸邊緣西側(cè)的安達曼深海區(qū)域［55］。

BSRs是NGHP01航次中站位選擇的最重要的依據(jù)（圖9b和圖9c）［16］，但BSRs的存在并不意味著水合物一定存在，如NGHP-01-02和03站位。作為流體通道的活動斷層可能也是站位選擇的依據(jù)之一［56］，不同延伸方向的斷層在NGHP-01-10站位處形成一個“三角形”（圖9d）［57］，含氣流體的運移被認為是此處水合物聚集的關(guān)鍵因素。水合物主要以大小不一的結(jié)核結(jié)殼或透鏡狀產(chǎn)出，少量水合物顆粒直徑小于1 cm，膠結(jié)于沉積物的裂縫中［57］。這一特征被用于預測新的水合物遠景區(qū)（圖9d和圖9e）［57］，并推測水合物主要以裂縫充填型為主?；诘卣饠?shù)據(jù)的地震相識別和沉積環(huán)境的分析也是站位布置中考慮的重要因素之一，如NGHP-01-15站位被布置在水道東側(cè)的天然堤之上［58］。鉆探結(jié)果表明水道-天然堤復合體系中砂質(zhì)沉積物的分布直接控制了水合物的產(chǎn)出，即水合物更趨于在泥質(zhì)沉積物中的砂層中富集（圖9f和圖9g）。這個站位的設(shè)計不僅考慮了水合物穩(wěn)定條件、氣體來源和運移通道等因素，更重點分析了圈閉（砂層）和蓋層（上覆泥質(zhì)沉積物），是水合物油氣系統(tǒng)在KG盆地的首次運用［58］。因此，在NGHP01航次中，水合物存在的地球物理證據(jù)（BSRs）、含氣流體運移的解釋（斷層）、有利沉積體的解釋（水道-天然堤系統(tǒng)）是站位選擇的主要依據(jù)。

圖9　（a）印度NGHP 01水合物鉆探站位位置；（b）Mahanadi盆地BSRs特征；（c）Krishna-Godavari盆地BSRs特征；（d）海底地形特征展示了2組正斷層的平面展布特征；e）NGHP-01-10站位處剖面及平面特征揭示了2組正斷層對水合物聚集的影響；（f）地震剖面展示了水合物穩(wěn)定帶之內(nèi)發(fā)育的濁積水道；（g）濁積水道與水合物演化的地質(zhì)模式（修改自Collett等，2008；Sain and Gupta，2012；Riedel等，2010，2011［16，55，57，58］）Fig.9 （a） Locations of the drilling sites of gas hydrate in NGHP 01，India；（b） BSRs in Mahanadi Basin；c） BSRs in KG Basin；d） The seafloor topography showing the distributions of two sets of normal faults；（e） The cross-section view and planar view near the Site NGHP-01-10 revealing two sets of normal faults controlling the accumulation of gas hydrates；（f） The seismic profile showing the turbidite channels developing in the gas hydrate stability zone；（g） The geological models revealing the relations between turbidite channels and gas hydrate（after Collett et al.，2008；Sain and Gupta，2012；Riedel et al.，2010，2011［16，55，57，58］）

7　海域水合物鉆探站位選擇依據(jù)小結(jié)

通過對近年來國際海域水合物實際鉆探結(jié)果的系統(tǒng)總結(jié)和分析（表1），可以發(fā)現(xiàn)存在以下特征：（1）BSRs是站位選擇的重要依據(jù)之一，這個界面代表了含水合物層和下伏不含水合物層之間的聲波反射界面，其存在將受到下伏游離氣、鹵水飽和的沉積物以及水合物沉積層的彈性模量等的影響。在一些國家層面的水合物研究計劃中，BSRs的確定往往應(yīng)用于水合物遠景區(qū)域的確定，如1999-2000年的日本南海海槽計劃、韓國郁龍盆地UBGH1水合物鉆探計劃中都是確定了BSRs的分布，并分別為下一階段的水合物鉆探計劃提供了基礎(chǔ)；（2）實際鉆探的結(jié)果表明，僅僅依靠BSRs來進行站位選擇不一定可靠，水合物的賦存與BSRs之間并非一一對應(yīng)，如NGHP-01-02站位、UBGH2-08等站位，鉆前預測均在地震剖面中可見BSRs，但實際鉆探并未獲取水合物的實物樣品，而ODP164航次994站位處BSRs并不明顯，卻獲取了水合物；（3）隨著研究程度的不斷細化，一些地震異常反射的精細刻畫成為了水合物鉆探站位選擇的重要依據(jù)，它們在某種程度上具有和BSRs相同的水合物存在指示意義。如墨西哥灣KC151站位和WR313站位處地震反射強振幅的定向終止、墨西哥灣GC955站位處的地震反射強振幅、日本南海海槽β1井處水合物穩(wěn)定帶內(nèi)存在的地震反射高速異常體等；（4）從墨西哥灣水合物聯(lián)合工業(yè)計劃開始，水合物油氣系統(tǒng)的思想開始廣泛應(yīng)用，它既考慮了物理化學條件對水合物形成的影響，又考慮了實際的地質(zhì)條件，通過單獨評估每一個成藏的關(guān)鍵要素和因素的綜合分析來降低地質(zhì)勘探的不確定性和站位選擇的準確性。

從水合物的實際產(chǎn)出和賦存來看，主要存在兩大類型：賦存于海底淺表層的水合物（一般在海底之下100 m的范圍之內(nèi)）和賦存于海底之下中-深層的水合物（一般在海底之下100～400 m的范圍之內(nèi)）（表1）。鉆后的分析顯示，這兩類水合物的形成、賦存和分布受不同因素的影響和控制：（1）海底淺表層的水合物往往與匯聚型流體的運移有直接的關(guān)聯(lián)，流體的運移將在地震剖面和海底地形上形成典型的特征，如ODP164航次996站位處的底辟構(gòu)造和海底麻坑、ODP204航次1250站位處的碳酸鹽巖丘、墨西哥灣AT14區(qū)塊的水合物丘、韓國郁龍盆地的氣煙囪、水合物帽、水合物丘等；（2）海底之下中-深層的水合物，其形成與溫壓條件和氣體來源有關(guān)，而其分布則主要受到含氣流體運移和有利沉積體的控制，如ODP164航次997站位處近垂直的小型斷層、ODP204航次1245站位處的強反射層、ODP204航次1251站位處的碎屑流沉積體、墨西哥灣KC151站位的斷層和砂層、墨西哥灣WR313站位的砂層、墨西哥灣GC955站位的水道-天然堤、墨西哥灣AC21站位的富砂質(zhì)MTC、日本南海海槽的濁積水道、韓國郁龍盆地的MTC、印度大陸邊緣的斷層和水道。對應(yīng)于上述兩種類型水合物的劃分，不難發(fā)現(xiàn)，在實際的水合物站位選擇中，應(yīng)該將二者區(qū)分對待，不同類型水合物的站位選擇主要依據(jù)也存在不同：海底淺表層水合物的主要依據(jù)為海水異常、含氣流體運移通道、異常地形地貌、特殊生物記錄等特征，其勘探可以依賴高分辨地震/淺剖地震、多波束、數(shù)字紅外、海底攝像等資料；海底之下中-深層水合物的主要依據(jù)為地球物理異常反射特征、含氣流體運移通道和有利沉積體，其勘探主要依賴高分辨地震資料，包括地球物理處理、運移通道解釋、有利沉積體成因分析等。

表1　典型區(qū)域海域水合物鉆探站位選擇依據(jù)及水合物產(chǎn)出特征Table 1　The evidences for drill sites selection and occurrences of marine gas hydrates

UBGH2-01、06、09、10 BSRs、MTC 主要以高飽和度的裂隙充填型賦存于砂層中 UBGH2-04、08 BSRs、異常地震反射 未鉆遇水合物 印度大陸邊緣 NGHP-01-02、03 BSRs 未鉆遇水合物 NGHP-01-10 BSRs、斷層 主要以結(jié)核結(jié)殼或透鏡狀膠結(jié)于裂縫中 NGHP-01-15 BSRs、水道-天然堤沉積體 水合物更趨于在泥質(zhì)沉積物中的砂層中富集

因此，認為對于已知的水合物潛力區(qū)，特別是范圍有限的水合物靶區(qū)而言，水深、溫度、氣體來源等可能變化不會太大，表現(xiàn)出較為均一的特征；而深水沉積體的類型、成因機制、分布和演化，以及含氣流體運移通道，則會表現(xiàn)出差異性，“天然氣水合物運聚體系”這一概念就顯得非常重要了［59，60］。也就是說，如果將水合物的形成、聚集和分布比喻為一個有機的整體，那么“運”和“聚”就構(gòu)成了這個系統(tǒng)的“骨骼”和“血液”，它們將控制遠景區(qū)內(nèi)的水合物分布。將“水合物識別標志”、“有利沉積體展布”和“流體運移通道”三者有機地結(jié)合在一起，可以達到更準確預測和描述水合物礦體的目的，這是今后海域水合物鉆探站位選擇依據(jù)的主要發(fā)展方向。

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The Progresses and Revelations of Marine Gas Hydrate Explorations (I): Purposes and Selection Evidences of the Hydrate Drilling Sites

SU Ming1，2，KUANG Zeng-gui3，QIAO Shao-hua1，2，SHA Zhi-bin3，4，WEI Wei5，ZHANG Jin-hua5，SU Pi-bo3，YANG Rui1，2，WU Neng-you1，2，CONG Xiao-rong1，2
（1.Key Laboratory of Gas Hydrate，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China 2.Guangzhou Center for Gas Hydrate Research，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou 510760，China；4.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；5.Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Langfang，Hebei Langfang 065007，China）

In order to better understanding the progresses of marine gas hydrate explorations，this study summarized the hydrate drill site objectives and drill site selections through some analyses on Blake Ridge，Hydrate Ridge，Gulf of Mexico，Nankai Trough，Ulleung Basin，and Indian continental margin.According to the actual occurrences，marine gas hydrates might be classified as two types，hydrates in the shallow layers near seafloor（generally within the range of 100 m below the seafloor），and hydrates in the relatively deep sediments（generally within the range of 100～400 m below the seafloor）.The main indicators for site selection of hydrates in the shallow layers are anomalies in seawater，migrations of gas-bearing fluids and specific seafloor topographic features.On the contrast，the main indicators for site selection of hydrates in the deep layers are geophysical anomalies，migrations of gas-bearing fluids and distributions of favorable sediments.Therefore，for the marine gas hydrates system，fluids migrations and potential reservoirs could be referred to as bones and bloods，which might control the distribution of marine gas hydrates in the promising prospecting areas.In combination of anomalies related to hydrates，migrations of gas/fluids and favorable deep-water sediments，the predictions would be more accurate，which could be suggested as the developing trend of site selections for marine gas hydrates.

gas hydrate；gas-bearing fluids migration；favorable deep-water sediments；site selections for marine gas hydrates

TK01；TE1；P736

A doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2015.02.007

2095-560X（2015）02-0116-15

蘇明（1983-），男，博士，副研究員，目前主要從事深水沉積體系及資源效應(yīng)、海域天然氣水合物成藏地質(zhì)條件分析等方面的科研工作。

2015-01-14

2015-02-11

國家自然科學基金（41202080）；中國石油科技創(chuàng)新基金（2013D-5006-0105）；中國科學院重點部署項目（KGZD-EW-301）

吳能友，E-mail：wuny@ms.giec.ac.cn

吳能友（1965-），男，博士，研究員，目前主要從事海洋天然氣水合物成藏機制和資源評價、海洋石油天然氣資源評價等方面的科研工作。