南海北部海域DH-CL2站位地球化學特征

趙蓓蕾，蔣雪筱，趙 恒

(1.云南省科普資源信息中心，云南，昆明，650217 2.天然氣水合物勘查開發(fā)國家工程研究中心，廣東，廣州，511458 3云南地質(zhì)工程勘察設計研究院有限公司，云南，昆明，650200)

近年來，我國在天然氣水合物研究中取得了重大進展。1999年以來，在南海北部陸坡開展了天然氣水合物資源調(diào)查和評價，獲得了包括地質(zhì)、地球物理、地球化學、海底攝像等多信息證據(jù)，表明南海北部陸坡賦存有天然氣水合物。2004年利用德國“太陽號”科考船，中德科學家在東沙海域執(zhí)行了SO-177航次，對南海北部陸坡甲烷和天然氣水合物分布、形成及其對環(huán)境的影響進行系統(tǒng)研究，在碳酸鹽結殼裂隙中發(fā)現(xiàn)了嗜甲烷和硫化氫氣體的菌席和雙殼類等冷泉生物，顯示我國南海北部具有天然氣水合物存在的地質(zhì)、地球化學和海底表層微地貌等證據(jù)[1]。2007年，我國在南海北部神狐海域?qū)嵤┿@探，首次獲取天然氣水合物實物樣品[2]。2013年我國在珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度天然氣水合物樣品。樣品具有埋藏淺、厚度大、類型多、純度高等四個主要特點，自然產(chǎn)狀呈層狀、塊狀、結核狀、脈狀等多種類型，肉眼可辨，控制儲量1000×109～1500×109m3，相當于特大型常規(guī)天然氣規(guī)模。

海底天然氣水合物分解釋放的甲烷等烴類氣體在向上運移的過程中，可以穿透海底沉積物，以冷泉的形式出現(xiàn)在海底。這些烴類氣體以及沉積物中有機質(zhì)在微生物的作用下會發(fā)生一系列的地球化學作用，導致本區(qū)沉積物及其孔隙水化學組分異常。本文對南海北部東沙海域DH-CL2站位沉積物及其孔隙水地球化學特征進行綜合分析，并結合區(qū)域地質(zhì)概況，討論這些地球化學特征形成的機理，探討其對天然氣水合物存在的指示意義。

1 地質(zhì)背景

2 樣品采集和分析

DH-CL2站位位于東沙群島靠近臺西南盆地的大陸斜坡上(圖1)，水深1150m。樣品采用大型重力活塞柱狀取樣器取得，巖心總長747 cm，表層0cm～5cm為黃褐色，5cm以下為青灰色，主要由粘土和粉砂組成，粘土占35%，粉砂占65%，6m以下有濃烈的H2S氣味。

圖1 南海北部東沙海域DH-CL2站位位置圖

3 測試結果與討論

表1 DH-CL2站位孔隙水離子和沉積物甲烷含量

表2 DH-CL2站位沉積物CaCO3和Org.C含量

3.1 孔隙水和含量異常特征

圖2 DH-CL2站位孔隙水含量隨深度變化趨勢

圓環(huán)形連接通道的寬度為DR，DR/D的比例為1/3。熱沉的微通道體積與熱沉總體積的比例被定義為體積占比φ。

表3 孔隙水中結果平均值(8m以內(nèi))

3.2 孔隙水TA和含量異常特征

海水中總堿度定義：每升海水中，氫離子接受體(當溫度為25℃時，離子強度為0，解離常數(shù)K≤10～4.5的弱酸解離形成的堿)超過氫離子給予體(K≥10～4.5的酸)的氫離子摩爾當量中和酸的能力[14]，單位mol/L，可表示為：

其中，方括號代表離子濃度，[H+]F代表自由氫離子濃度，省略號代表其他種類的酸和堿，因含量很少，可以忽略。

而在沉積物孔隙水中，根據(jù)各離子含量，總堿度公式可以簡化為：

圖3 DH-CL2站位孔隙水總堿度-含量隨深度變化趨勢Fig 3.Site DH-CL，2 Pore Water TA Change Along with Depth

孔隙水中HCO3-和HS-是導致TA含量異常的主要因素，其來源是沉積物中甲烷厭氧氧化反應(AMO：anaerobic methane oxidation)。在天然氣水合物賦存區(qū)，AMO主要發(fā)生在硫酸鹽還原帶底部，即硫酸鹽-甲烷界面(SMI)處，反應由甲烷作為還原劑與硫酸鹽發(fā)生反應[17]：

3.3 沉積物中CaCO3和Org.C含量異常特征

對布萊克海臺有水合物賦存的994、995和997鉆孔進行Org.C測試，發(fā)現(xiàn)三個鉆孔的Org.C含量從最表層0.3%～0.5%逐漸升高至含水合物處的1.5%左右[20]；世界主要天然氣水合物發(fā)現(xiàn)海域海底沉積物的Org.C分析研究表明，天然氣水合物發(fā)現(xiàn)地表層沉積物的Org.C含量一般較高，Org.C含量低于0.5%則難以形成天然氣水合物，有機碳含量是生物成因天然氣水合物形成的重要控制因素[21]。

圖4 DH-CL2站位沉積物中CaCO3和Org.C含量隨深度變化趨勢Fig 4.Site DH-CL，2 CaCO3 in Sediment andOrg.C Change Along with Depth

圖4是DH-CL2站位沉積物中CaCO3和Org.C含量隨深度變化趨勢圖。在0cm～40cm之間，沉積物中Org.C含量呈下降趨勢，說明此層位間Org.C來源為海水沉積的有機顆粒。從40cm向下，Org.C含量范圍大約為0.5%～1.01%之間，并呈緩慢增加的趨勢。DH-CL2站位表層沉積物中Org.C含量高于布萊克海臺994、995和997鉆孔，說明本區(qū)有利于形成天然氣水合物，并且埋藏深度可能更淺。

沉積物中CaCO3含量也和天然氣水合物有關。天然氣水合物分解釋放的甲烷等在向上運移過程中，在細菌作用下被硫酸鹽氧化，形成的二氧化碳會與沉積物孔隙水中Ca2+發(fā)生反應，形成CaCO3沉淀，這樣會造成孔隙水中Ca2+濃度降低。，孔隙水中Ca2+補充主要是靠海水中Ca2+擴散作用，因此在天然氣水合物賦存區(qū)，沉積物中CaCO3含量和孔隙水中Ca2+含量的變化趨勢是一致的，即隨深度增加而迅速減少。DH-CL2站位沉積物中CaCO3含量減少趨勢比較明顯，這也是本區(qū)存在天然氣水合物的有力證據(jù)之一。

4 結 論

(3)沉積物頂空氣中CH4含量存在突變，在SMI以上含量變化不大，從SMI開始則迅速增加。

(4)上述沉積物及其孔隙水的地球化學異常特征與國外發(fā)現(xiàn)天然氣水合物區(qū)淺表層地球化學特征高度吻合，因此可以判斷該站位深部沉積物中賦存有天然氣水合物礦藏。