泥底辟输导流体机制及其与天然气水合物成藏的关系

摘要：详细阐述不同成因的泥底辟流体输导模式,探讨了泥底辟输导体系的演化与天然气水合物成藏之间的关系,并分析神狐海域泥底辟输导体系对天然气水合物成藏的影响。底辟核外部伴生断裂、底辟核内部流体压裂裂缝和边缘裂缝带均可作为输导流体的通道。根据运移通道和动力等差异性,提出泥底辟输导流体的2种端元模式：超压-流体压裂输导型和边缘构造裂缝输导型。在此基础上,讨论了泥底辟(泥火山)的不同演化阶段对水合物的形成、富集和分解的影响。早期阶段,泥底辟形成的运移通道可能未延伸到水合物稳定带,导致气源供给不够充分;中期阶段,水合物成藏条件匹配良好,利于天然气水合物生成;晚期阶段,泥火山喷发引起水合物稳定带的热异常,可能导致水合物分解,直至泥火山活动平静期,水合物再次成藏。神狐海域内泥底辟分为花冠状和穹顶状两类,花冠状泥底辟以超压-流体压裂输导型为主;穹顶状泥底辟以底辟边缘裂缝输导型为主。泥底辟输导体系的差异性可能是神狐海域天然气水合物非均质分布的影响因素之一。 关键词：泥底辟;输导体系;天然气水合物;成藏机制;神狐海域     

东海与泥底辟构造有关的天然气水合物初探

根据所获得的高分辨率地震资料分析,发现冲绳海槽南部西侧槽坡附近以及海槽内部发育有一系列泥火山（底辟）构造,在地形上表现为泥火山地貌,在穿过泥火山的地震剖面上,表现出典型的泥底辟构造。对穿过泥底辟构造的DMS01-5地震剖面进一步的处理和解释发现,泥底辟构造顶部存在明显的似海底反射（BSR）,其与海底反射波组极性相反,在BSR之上存在振幅空白带,在速度谱上出现速度异常,指示存在与泥火山有关的天然气水合物。从世界广泛发现的与泥底辟构造有关的天然气水合物来看,天然气水合物既可以在泥底辟构造的丘状外围成藏,也可以在其外围的海底沉积物中产出。在泥底辟构造的丘状外围附近,天然气水合物的形成机制类似于传统的矿物低温热液的形成;在泥底辟构造外围海底沉积物中,其形成过程类似于传统的矿物交代形成机制。冲绳海槽泥底辟构造的发育与很高的沉积速率和槽坡的活动断层有关。在冰期期间,长江携带大量的陆源物质直接输送到大陆坡地区,沉积速率达300 m/Ma,产生异常高压,同时张性断层极为发育,为流体的迁移提供了良好的通道,在异常压力以及上覆地层压力作用下大量流体向上运移,从而发育大量的泥底辟构造。富含甲烷的流体易在其外围及外围海底沉积物中形成天然气水合物藏。     

晚期泥底辟控制作用导致神狐海域SH5钻位未获水合物的分析

海底泥底辟构造与天然气水合物成藏关系密切,泥底辟既能为水合物提供充分的气源物质,同时又能促使地层温度场改变进而影响水合物成藏稳定性。南海北部神狐海域SH5站位虽然BSR明显,但钻探证实不存在天然气水合物。该钻位温度剖面异常高,温度场上移,同时在其下伏地层中发现泥底辟构造和裂隙通道。根据上述事实并结合泥底辟发育各个阶段中的特点,认为泥底辟构造对天然气水合物成藏具有控制作用。泥底辟发育早期和中期阶段,低热导率和低热量有机气体有利于天然气水合物生成;而在晚期阶段,高热量液体上侵稳定带底界,导致水合物分解迁移。SH5站位很可能由于受到处于晚期阶段的泥底辟上侵而未能获取天然气水合物。     

含气流体运移与天然气水合物成藏

含气流体运移是影响天然气水合物成藏的重要因素,包括流体运移方式、运移通道类型、运移效能等。基于全球典型海域天然气水合物勘探研究结果,围绕含气流体运移这一重要因素,系统回顾和总结了底辟构造、断层及裂隙和渗透层对天然气水合物形成与分布的影响。研究结果表明,以对流形式的运移是流体有效的运移方式,有利于烃类气体聚集及水合物成藏。已知水合物富集区内含气流体运移通道都不以单一形式存在,而是多种运移通道共同作用,呈复合型运移通道形式。在通道类型上,底辟构造、断层及裂隙、渗透层等都属于聚集型高通量流体运移通道类型,但这种通道类型与高饱和度、富集型天然气水合物藏并不存在一一对应的关系,其还与运移效能密切相关。因此有必要开展重点区域的流体运移的分析,揭示流体运移通道的展布以及运移规模,以达到更为准确预测和描述水合物藏的目的,并为水合物钻探站位部署提供有力依据。     

天然气水合物系统特征及其对我国水合物勘查的启示

油气资源在能源结构中具有举足轻重的作用,其成因机制及勘探思路已发展出了完善的系统理论——含油气系统理论,而天然气水合物作为潜在替代清洁能源,其勘探理论尚处于探索阶段。借鉴含油气系统理论,注重与常规油气成藏的差异性分析,在系统分析全球已发现天然气水合物主要研究区的天然气水合物特征基础上,从气体来源、气体运移通道、有利储层等方面对天然气水合物成藏机理进行了系统梳理,以探究天然气水合物系统特征。提出天然气水合物系统应包括气源、储层和天然气水合物稳定带3个基本要素以及气体生成-运移过程和天然气水合物形成过程2个基本作用;冻土带内气体来源以热解气为主,海洋环境中则以生物气或热解气和生物气的混合气为主;气体运移通道主要为流体底辟、气烟囱、大尺度断层、裂缝、滑塌构造及高渗透性地层等;天然气水合物储层在冻土带以砂岩为主,在海域则以黏土质粉沙及粉沙质黏土为主;综合全球各区域天然气水合物成藏特征,提出了9种类型天然气水合物系统,同时以我国神狐海域天然气水合物系统为例总结出了天然气水合物系统成藏事件表。     

泥火山——天然气水合物存在的活证据

海底天然气水合物大多与通过切穿沉积盖层的断裂的上升烃类流体相关，这些高渗透带包括泥火山和底辟等侵入构造，所以泥火山、底辟和海底断裂等构造周围可能赋存水合物；实际钻探结果也证实，泥火山和水合物的形成与聚集有较为密切的关系。泥火山，它是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果，也是气体向上运移的通道。文章初步总结了泥火山与水合物的成矿关系，认为泥火山是水合物赋存的标志之一，是水合物存在的活证据。本文对我国泥火山与水合物的发育和赋存进行了分析预测，并对泥火山构造中水合物的成矿模式进行了初步探讨。     

南海北部神狐海域天然气水合物成藏特征

天然气水合物作为一种新型、洁净、潜在的新能源,越来越引起世界各国科学家的重视,对天然气水合物研究也进一步深入,但天然气水合物作为一种能源矿产,对其成藏机制的研究相对较少。针对我国天然气水合物调查研究相对较为详细的神狐海域,从其物质来源、气体运移通道、成藏条件等角度探讨神狐海域天然气水合物的成藏特征,指出白云凹陷古近纪埋藏的巨厚烃源岩是其成藏的主要物质基础;底辟构造发育区是形成水合物流体向上运移的主要通道;新近纪晚期大面积发育的滑塌体是水合物的主要赋存区。神狐海域具备天然气水合物成藏的优越条件,是进一步勘探水合物的远景区。     

南海北部边缘盆地泥底辟及泥火山特征及其与油气运聚关系

泥底辟与泥火山成因机制相同,发育演化特征相似,但最终地质形态及存在形式有所差异.通过深入分析南海西北部莺歌海盆地泥底辟与东北部台西南盆地泥火山发育展布特点及伴生天然气地球化学特征,指出莺歌海盆地泥底辟主要分布于盆地中部的莺歌海深大凹陷,且沿盆地NW方向呈五行雁行式排列,泥底辟发育演化具有明显的低密、低速和异常高温超压的特点;而台西南盆地泥火山主要展布于南部凹陷陆坡深水区和台湾陆上台南-高雄地区,陆上泥火山多沿深大断裂带分布,地面形态特征类似火山形态,多具有喷口,海域泥火山的海底形态亦与其相似,但研究程度较低.泥底辟及泥火山伴生烃类天然气成因类型较多,但以成熟-高熟煤型烃类气为主;伴生的非烃气CO₂和N₂丰富,但以无机壳源型CO₂为主.泥底辟及泥火山的泥源层均为中新世及上新世海相坳陷沉积的巨厚泥页岩,本身即具生烃潜力,其成熟生烃及其与泥底辟/泥火山运聚通道和底辟伴生构造的良好配置,则构成了其独特的泥底辟/泥火山油气运聚成藏系统,进而控制了这种“泥底辟/泥火山型油气藏”的分布.      

马尼拉海沟俯冲带增生楔中天然气水合物的流体运移通道

南海东北部海域水深、沉积厚度大、沉积速率高和有机质含量丰富,为马尼拉增生楔中天然气水合物成藏提供了必要的气源,且相应适宜的温压条件以及构造背景也有利于天然气水合物的形成与赋存,其中马尼拉俯冲带俯冲前缘以及增生楔中的断裂系统成为天然气水合物成藏的非常重要的运移通道。通过对地震剖面中断裂系统和三维地貌图的精细解释,分析了马尼拉海沟俯冲带存在的海沟前缘正断层、海沟轴部的盲断层以及增生楔中的盲冲断层或逆冲断层,直到最后发育成隔断叠瓦状岩片的逆冲断层组,这些断裂系统反映出增生楔上天然气水合物的含气流体的形成、运移及聚集过程,成为天然气水合物成藏的运移通道。     

莺歌海盆地泥-流体底辟树型输导系统及运移模式

莺歌海盆地发育多期泥.流体底辟.底辟活动的多期性造成底辟区断裂和裂隙不断开启,输导天然气从深部向浅部垂向运移,充注底辟两侧及周缘的砂体,在剖面上构成树形样式,称之为底辟树型输导系统.底辟树型输导系统连通了浅层和中一深层的构造和岩性圈闭,是莺歌海盆地中央凹陷带构造及岩性天然气藏成藏的主要输导通道和样式,其相应运移方式分为能量保持型和能量释放型两种.本文提出了莺歌海盆地中央凹陷带发育底辟树型输导系统及其运移的地质模型,泥-流体底辟活动控制下的底辟树型输导系统及其运移模型是对伸展-转换盆地油气成藏理论的发展和补充.     

南海北部陆坡高饱和度天然气水合物气源运聚通道控藏作用

气源运聚通道与天然气水合物富集成藏关系密切。利用准三维地震资料并结合钻探成果,深入研究了神狐海域GMGS3钻探区高饱和度水合物站位气源运移疏导通道地质地球物理特征及其控藏作用。结果表明:高饱和度水合物产出站位发育多种类型运移疏导通道,且与BSR空间耦合关系较好;紧邻BSR之下为强振幅反射,强振幅下部游离气体充注现象明显,表明水合物稳定域下部存在气体运移的通道,且深部气体向浅层发生了运移。深大断裂、底辟及气烟囱构成了沟通深部热解气及浅层生物气与浅层温压稳定域的垂向通道,在这些通道上方可以直接形成水合物;浅部滑塌面、水道砂及海底扇构成的高孔渗连续性砂体为浅层生物气及深部运移而来的部分热成因气横向运移通道,气体的侧向运移扩大了气体供给范围,增加了矿体横向展布规模。文章认为,天然气运移疏导系统与其他成藏要素匹配良好的构造和区域是勘探高饱和度水合物的有利目标。     

火山、泥火山/泥底辟及含气陷阱与油气运聚关系

火山、泥火山/泥底辟及含气陷阱这些特殊的地质体,不仅是揭示地球深部构造运动的窗口和地球深部流体活动特点的表征,而且其与油气运聚关系密切,具有非常重要的油气地质意义。火山与泥火山/泥底辟的主要差异及区别是所形成的物质基础及源动力不同,前者主要反映地壳深部地球动力学过程,其物资基础来源于火山幔源活动上侵和喷发的岩浆物资;后者则是在结晶基底以上的沉积盆地中,由快速沉积充填的欠压实泥页岩发生塑性流动而产生底辟上拱所形成的产物,其物质基础为巨厚欠压实泥页岩。含气陷阱则为气侵或富含气地层所形成的地震反射畸变之痕迹。火山、泥火山/泥底辟发育演化及展布与油气运聚成藏存在明显的成因联系和耦合关系,且控制和制约了沉积盆地中油气分布与聚集。     

莺歌海盆地天然气成藏动力学

采用地质与地球化学、宏观与微观相结合的研究方法, 探讨莺歌海盆地的成藏动力学过程, 具体表现在: 通过成藏流体非均质性剖析揭示了底辟浅层气田多源混合-幕式充注的成藏特点, 流体活动的地球物理特征和地球化学资料显示底辟断裂为深成天然气向上运移提供了良好的通道, 而异常高压是流体压裂运移的关键动力, 并驱使梅山-三亚组烃源岩生成的天然气向上运移、聚集和散失.由于中央坳陷带气源丰富, 存在供大于散的物质基础, 尤其是“幕式”集中运移具有高的排烃效率, 因此, 莺歌海盆地底辟带浅层构造在距今1.2~ 0.1Ma如此短暂的时间里天然气依然能够聚集成藏.      

底辟构造与天然气水合物的成矿关系

世界上天然气水合物发现地区的地质构造特征研究表明,底辟构造和水合物的形成与聚集有较为密切的关系。底辟构造可能是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果,也可能是气体向上运移的通道。初步总结了被动大陆边缘中典型底辟构造与天然气水合物的成矿关系,认为被动陆缘内巨厚沉积层、塑性物质与高压流体、陆缘外侧的火山活动及张裂作用,为底辟构造发育提供了条件,形成了水合物成矿的有利空间。文中对南海底辟构造发育的地质背景进行了分析,并对南海天然气水合物的发育和赋存进行了预测。笔者在进行综合分析的基础上,对底辟构造中天然气水合物的成矿模式进行了进一步的分析和探讨。     

构造控制型天然气水合物矿藏及其特征

构造环境是天然气水合物富集成藏的重要控制因素,增生楔、断裂体系、褶皱、(泥)底辟、滑塌等特殊构造体是影响天然气水合物成藏的主要地质载体。通过对这些特殊构造体与天然气水合物成藏关系的研究,结合流体活动对水合物形成的影响,总结出陆缘地区有增生楔型、盆缘斜坡型、埋藏背斜型、断褶型、滑塌型及底辟型等六类构造控制型水合物矿藏。南海位于欧亚板块、太平洋板块及印澳板块的交汇处,早期为活动陆缘,晚期演化为被动陆缘,其构造活动具有早期张裂、后期挤压的特点,这既不同于被动陆缘,也有别于活动陆缘,可视为“复合型”大陆边缘,兼具了“被动陆缘沉积速率高、活动陆缘构造活跃”的优点,从而形成了“增生楔型、断褶型、底辟型、滑塌型、盆缘斜坡型”等多种构造控制型水合物矿藏,是“复合型”大陆边缘水合物成藏地质模式的典型代表。     

南海北部陆坡区神狐海域构造特征及对水合物的控制

通过对南海北部陆坡区神狐海域高精度2D和3D地震资料的精细解释,在研究区共识别出4种构造类型,分别为气烟囱(流体底辟)、区域大尺度断层、深水扇中的正断层和滑移体中的滑脱断层。气烟囱具有直立的通道形态,其内部结构可划分为杂乱反射带、模糊反射带和顶部强振幅区域。大尺度断层位于水合物钻探区的西北部和东北部,断层规模大,对深部地层表现出明显的控制作用。深水扇中的正断层广泛发育于上新世的深水扇中,特别是在水合物钻探区西部进积特征明显的深水扇中,正断层的数量更多。滑移体中的滑脱断层在神狐海域的第四纪地层中非常常见,在剖面上呈雁列式分布。研究结果表明,大尺度断层由于和水合物钻探区的距离较远,对于水合物的成藏可能不起控制作用。气烟囱和规模小数量多的断裂体系为含气流体的运移提供了垂向和侧向的输送通道,构成了水合物的流体运移体系。当富含甲烷气体的流体通过这些垂向-侧向的运移通道时,在合适的温压条件下,被适于水合物聚集的沉积体所捕获,就有可能形成水合物。水合物钻探区内东西部构造特征的差异,使得研究区内形成了不同的流体运移体系,这可能是控制钻探区水合物不均匀性分布的一个关键因素。     

南海南部陆缘地质流体类型及其油气成藏意义

南海南部陆缘蕴藏着非常丰富的油气资源。为了解南海南部陆缘流体活动系统以及与油气藏之间的关系,以高精度2D地震资料为基础,对南海南部陆缘流体活动系统的类型、地震反射特征、以及对油气成藏的意义开展了研究。在南海南部陆缘发现了多种流体活动系统,包括:泥底辟/泥火山、气烟囱、管状通道、与构造断层相关的流体活动系统。这些流体活动系统具有不同的地震反射特征,常常出现含气强振幅异常带、弱振幅杂乱反射带以及"下拉"或者"上拱"地震反射形态等流体活动系统的标志特征。流体活动系统受到构造运动和沉积因素的影响,并且与深部高温高压塑性流体密切相关,流体活动系统优先发育在地层薄弱部位。流体活动系统及所伴生的断裂和裂隙常常作为油气富集区的运输通道;并且流体活动系统所运移的强溶蚀性流体和深部热液流体有利于油气储层的形成,特别是对于碳酸盐岩储层的改造尤为明显。因此,流体活动系统不仅能作为油气运移通道,也可以改善储层,对油气成藏具有重要意义。     

天然气水合物发育的构造背景分析

大量的钻孔资料和地震剖面显示主动大陆边缘的增生楔和被动大陆边缘的俯冲-增生楔、断裂-褶皱系、底辟构造或泥火山、滑塌构造、海底扇、"麻坑"构造和陆地多年冻土区等多种地质构造背景是形成天然气水合物的有利场所,可形成构造圈闭型天然气水合物矿藏。这些地质构造背景一方面大多是深部热成因气、生物成因气或混合成因气体或流体向上运移到海底的通道,形成天然气水合物矿藏;另一方面也可能造成天然气水合物的温压环境改变,致使天然气水合物分解。海底滑塌亦可能是天然气水合物分解所致,是潜在的地质灾害。     

珠江口盆地白云凹陷及其周缘CO_2分布与控制因素分析与启示

南海北部各盆地普遍存在含CO_2气藏。莺歌海盆地CO_2主要受泥底辟带热流体上侵作用的控制,异常高CO_2仅在泥底辟带发现。然而珠江口盆地白云凹陷的泥底辟带与CO_2的关系暂不明确。通过收集分析珠江口盆地的60组(含/高含)CO_2气藏的气体组分和气体同位素地球化学数据,其R/Ra比值(样品的3 He/4 He与空气的3 He/4 He比值)均2,CO_2成因主要为火山幔源型,不同于以壳源型为主的莺歌海盆地。位于白云凹陷中央泥底辟带的B1井,其CO_2碳同位素δ13 C值约-10.9‰~-10.5‰,根据自生片钠铝石的出现认为曾有CO_2大量聚集,而且CO_2分压高,推测为有机、无机成因混合气,不同于非泥底辟带的幔源无机成因。通过不同构造位置上的3口典型单井的对比分析及其与莺歌海盆地,以及泥底辟带和非泥底辟带的对比研究,认为凹陷周缘凸起上的断裂带和凹陷内的泥底辟带是高含CO_2气藏的主要分布区,认为白云凹陷泥底辟构造对于CO_2分布具有一定的控制作用。     

天然气水合物油气系统概念内涵及实例分析

针对天然气水合物的形成条件、分布规律、成藏过程与成藏模式等热点问题,介绍了"天然气水合物油气系统"概念,综述分析其主要构成要素——气源、水合物稳定带、储集层、水源、运聚通道、时间等的内涵,总结归纳了地质构造条件、沉积条件和地理气候环境变化等三大影响水合物富集成藏的控制因素,在此基础上,结合昆仑山垭口盆地多年冻土区天然气水合物成藏实例分析探讨了"天然气水合物油气系统"的研究方法,认为基于地质背景研究分析诸多静态成藏要素,如何在时间与空间上耦合匹配是解剖天然气水合物成藏过程和评价天然气水合物成藏潜力的关键。