世界热点地区高饱和度天然气水合物有利沉积储集条件

天然气水合物是全球未来能源的接替资源，高饱和度(S_h>50%)水合物储层是未来面向工业化开采的首要选择。截止到目前，高饱和度天然气水合物有利沉积相带与储层条件之间的关系仍缺乏系统研究。根据公开发表的文献资料，系统总结了墨西哥湾、日本南海海槽、韩国郁陵盆地、印度Krishna-Godavari盆地以及南海神狐海域等全球5个天然气水合物热点钻探区64口井取芯及井-震联合资料，对含水合物储层岩性、沉积环境、水合物饱和度等参数进行的详细总结分析表明：在必要的温压环境和气源条件下，深海平原区块体搬运沉积和浊流等高沉积速率的深水砂质沉积物赋存孔隙型水合物，水合物可分布在砂岩、极细砂岩、粉砂岩、粉砂质黏土和泥等粒级沉积物中，但高饱和度水合物主要赋存于粉砂-细砂岩中，储层孔隙度与饱和度具有一定的正相关性。中国南海神狐海域发现含有孔虫黏土质粉砂或粉砂质黏土这种特殊的细粒沉积物，其水合物饱和度可达到中高水平(20%～76%)。上述研究成果及认识奠定了下一步寻找优质天然气水合物储层的地质基础，也可为高饱和度水合物商业化勘探开发提供理论依据。     

黄河水下三角洲液化与未液化粉土的工程地质性质对比研究

以黄河水下三角洲埕岛海域海底粉土为研究对象,分析液化后重新固结粉土与未发生过液化粉土的工程地质性质差异,从浅地层剖面影像、土体的静力学参数、动力学参数、微结构特征等方面对比论述二者的不同,从而分析液化对粉土工程地质性质的改造作用。研究结果表明,粉土液化后层理结构消失,土体的主要静力学参数及动力学参数均增大,微结构特征表现为面孔隙比、圆形度及分形维数均减小,总体上土体液化固结后工程地质性质提高,若使液化过的粉土再次发生液化,需要更大的外动力条件才能实现。由于液化后粉土层理结构改变,细粒物质析出,颗粒重新排列,形成更加稳定的结构,从而强度随之增大。     

莱州湾海区沉积物的工程地质特征分析

根据莱州湾沉积物的实验室分析资料,从物理性质和力学性质特征对海底沉积物的工程地质特征进行了综合研究,结果显示:研究区沉积物主要为淤泥质黏土,其次为淤泥、黏土、粉土,另含有极少量的粉砂,整体呈现为含水量低、天然密度大、孔隙比小、可塑性低、压缩性低、剪切强度高、贯入阻力大。从海底地形、物质来源、水动力特征、物质组成等方面对沉积物的工程特性进行了成因分析。莱州湾地势平坦,水体与外海交换能力差,沉积物的分布受地形和水动力特征的影响显著,淤泥主要出现于黄河入海口南北侧海域,黏土、粉土主要出现于莱州浅滩附近海域,粉砂分布于刁龙咀北部近岸海域,其他区域以淤泥质黏土分布为主。莱州湾沉积物主要来源于黄河携带的黄土高原物质,碳酸盐含量高,黏粒和亲水性黏土矿物含量较低,沉积物主要以胶结物和粉粒级碎屑的形式存在,导致湾内沉积物含水量低、天然密度大、塑性低、强度高。     

利用落锥试验确定深水软黏土的不排水抗剪强度

不排水抗剪强度是黏性土的重要力学指标,在边坡稳定性分析、地基和桩基承载力的计算中都有广泛的应用。在国内海洋勘察工程中,通常软黏土不排水抗剪强度的确定方法有不固结不排水三轴压缩试验、手动十字板试验、电动十字板试验和无侧限压缩试验等。中国南海北部陆陂深水海域,海底浅层沉积物多为饱和软土,这种软土土质比较均一,具有高含水量、高液限和塑性指数、容重小、抗剪强度低等特点,从而使这种沉积物与常规意义上的饱和软土特性相比可能存在差异,利用落锥试验方法确定其黏性土不排水抗剪强度,具有很强的适用性。本文介绍了落锥试验的试验方法和试验关键技术点,通过该深水海域两个孔位的部分土质资料对比,说明落锥试验确定的黏性土不排水抗剪强度与海上工程设计、分析中使用的不排水抗剪强度具有很好的相关关系。     

河北南堡-曹妃甸海域工程地质条件及海底稳定性评价

本文通过土工实验分析,发现河北南堡-曹妃甸海域沉积物主要由淤泥、粉砂、黏土和粉土组成,约占总沉积物的85%,另含有少量的淤泥质黏土、粉质黏土、细砂和中砂。综合归纳南堡-曹妃甸海域的工程地质条件,根据影响研究区工程地质条件差异性最突出的因素即海底地形地貌、潜在地质灾害分布,结合海底土质类型及其物理力学性质等条件,将研究区划为4个工程地质区,分别为近岸水下岸坡混合土工程地质区（Ⅰ）、侵蚀平原、洼地砂质土工程地质区（Ⅱ）、侵蚀洼地混合土工程地质区（Ⅲ）、陆架堆积平原细粒土工程地质区（Ⅳ）。通过海洋环境因素、灾害地质条件、地震活动性、海底土体稳定性等方面对各工程地质区进行海底稳定性评价,4个工程地质区的稳定性分别为Ⅰ区:不稳定区;Ⅱ区:较稳定区;Ⅲ区:较不稳定区;Ⅳ区:稳定区。研究成果对该地区的海底工程建设和防灾减灾具有重要的指导意义。     

西沙海槽海域地形地貌特征及成因

应用多波束测量资料绘制了详细的西沙海槽海域地形图、地貌图,并把研究区划分为3个地貌单元。其中陆坡斜坡位于北部,呈北东向延伸,地形较为简单,斜坡面单一平整,地貌类型单一,主要为堆积型斜坡;西沙海槽位于中部,呈北东东向延伸,地形起伏较大,主要由槽底平原和槽坡组成,且在槽坡上发育陡坎、冲刷沟谷、阶地等次一级地貌类型;西沙海台位于南部,呈近东西向展布,地形变化复杂,地貌类型众多,表现为海山、海丘、小台地、洼地等相间排列的波状起伏的地貌特征。地貌形成与演化主要受南海新生代两次海底扩张控制。第1次海底扩张期间,西沙海槽可能已开始发生张裂。第2次海底扩张期间,西沙海槽分3个阶段发生张裂断陷,而且其强弱在东西方向上差别巨大,致使形成了现今东深西浅、东窄西宽、槽壁陡峭的近东西向延伸的海槽地貌,奠定了研究区内地貌的基本轮廓。而地质构造、火山活动、海平面变化等内外营力的共同作用则控制次级地貌类型的形成与演化。     

南海北部陆坡天然气水合物的沉积物孔隙水地球化学研究进展

孔隙水地球化学异常是天然气水合物勘探的重要工具之一,南海北部陆坡地区拥有良好的天然气水合物成藏潜力,孔隙水地球化学异常在南海的天然气水合物勘探中发挥了重要作用。其中与水合物直接相关的氯离子含量异常被用于识别神狐及东沙海域钻探区的水合物层和计算水合物饱和度。除直接指标外,浅表层沉积物中的硫酸盐含量及其他与早期成岩作用有关的地球化学异常作为间接指标可用于水合物的找矿预测,研究者们通过对硫酸盐还原过程的判别、硫酸盐甲烷接触界面的计算等方面对南海北部陆坡不同海域的沉积物甲烷通量进行了评估,预测出水合物可能的成藏区域。其他如碘含量、氧化还原敏感元素、氯同位素、地球化学模型等新的地球化学指标和计算机手段也被应用于南海北部陆坡区水合物成藏研究并取得了不错的成效。     

压缩加载条件下含水合物沉积物蠕变特性分析

水合物开采可能诱发海底滑坡或其他工程地质灾害。实现水合物商业化开采需要中长期稳定产气，长期荷载下储层的蠕变特性是地层稳定性评价的基础力学参数。利用南海水合物储层粉黏土为试验介质在压缩加载条件下的系列固结排水蠕变测量试验结果，对粉黏土的蠕变特性进行了分析。结果表明，加载过程中，含水合物沉积物经历瞬时变形、固结变形和蠕变变形3个阶段；随着加载应力和水合物饱和度的提高，蠕变应变不断增加；修正的Singh-Mitchell蠕变模型可以较好预测不同应力水平和水合物饱和度下粉黏土的蠕变特性。     

黄河水下三角洲扰动粉土微观结构特征分析

黄河水下三角洲分布着大量的扰动粉土层,其微观结构与未扰动粉土相比有显著差异。基于浅地层剖面探测、钻探取样等技术,利用电子扫描显微镜、图像处理等方法来研究扰动粉土的微观结构特征。结果表明,扰动粉土与未扰动粉土两者在结构类型、颗粒之间的接触方式、粒度组成、定量参数等方面均存在显著差异。扰动粉土与非扰动粉土的结构类型都属于骨架状结构,不同的是扰动粉土以直接接触为主,粒间无细粒及黏粒成分相隔。扰动粉土粒度组成偏向粗化,孔隙比降低、含水率升高、饱和度升高、比重增大、颗粒圆形度降低、颗粒分形维数降低。同时探讨了扰动粉土微观结构差异原因及其与工程地质性质之间的关系,认为在波浪作用下粉土中孔隙水的渗流带走细粒物质,颗粒发生重新排列从而导致微观结构变化,进而使其强度得以提高。     

天然气水合物和游离气饱和度评价方法及其在南海北部的应用

饱和度是评价天然气水合物资源量的重要参数之一,不同海域由于水合物微观赋存状态差异,评价方法不同。大量水合物钻探取心显示在珠江口盆地不同海域发现了不同类型的水合物,在东部海域发现了呈脉状、块状、结核状等裂隙内形成肉眼可视的水合物,而神狐海域发现了呈分散状充填在孔隙空间不同饱和度的水合物,两种不同类型水合物层的测井异常响应特征不同,评价饱和度方法不同。研究表明东部海域基于各向异性电阻率模型估算的水合物饱和度与压力取心吻合,近海底发育的水合物层饱和度相对较低,约为10%,而基于各向同性模型估算水合物饱和度高达60%,远大于压力取心饱和度。在碳酸盐岩层,基于未固结地层各向同性与各向异性估算水合物饱和度大于氯离子异常估算水合物饱和度,而利用胶结模式估算水合物饱和度与氯离子吻合。利用地震资料,以测井为约束利用稀疏脉冲反演地层的速度或波阻抗,结合不同岩石物理模型分析,再通过线性拟合或循环迭代方法可以估算水合物饱和度体,研究水合物的空间分布。通过沿稳定带底界提取水合物饱和度属性,发现神狐海域水合物呈不均匀分布,在局部峡谷脊部呈条带状特征。     

南海西部海盆深海沉积物物理性质初探

针对从中国南海西部某海域2 000多米水深水域采集的柱状样和表层样进行初步分析,探究该区域海底沉积物的基本物理性质,获得天然含水率、天然密度、比重、孔隙比、液塑限、粒度特征等指标。结果表明:南海西部深海沉积物类型均为黏土,相比于近海沉积物,具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液塑限和高黏粒含量等特点;不同站位沉积物物理性质略有差异,柱状样物理性质随沉积深度不同稍有波动;沉积物的天然含水率远大于液限,属于一种高敏感度黏性土,且其高塑性指数的特征与黏粒含量较高有关。该研究获得的南海深水域土样基本物理性质为今后对该海域沉积物研究及进行相关海洋工程建设提供重要的参考数据。     

饱和粉土在低围压下剪切特性的试验研究

通过室内静三轴试验,对黄河水下三角洲埕岛海域沉积物———粉土的剪切特性进行了研究。比较了粉土在低围压和高围压下的剪切变形特性和强度特性。试验结果表明,粉土在低围压(10,20,30,40 kPa)下的应力应变曲线和高围压下的应力应变曲线总体趋势基本一致,但在不同围压下其抗剪强度存在差别。     

南海北部浅表层沉积底栖有孔虫碳同位素及其对富甲烷环境的指示

对南海北部陆坡东沙海域、神狐海域及西沙海槽甲烷渗漏环境和无甲烷渗漏环境87个浅表层沉积物中的底栖有孔虫Uvigerinaspp.进行碳同位素分析研究,结果表明,东沙海域δ13C值为-0.52‰~-5.68‰,平均值为-1.41‰,出现明显的负偏移;神狐海域δ13C值介于-0.36‰~-1.10‰,平均值为-0.75‰,未见明显的δ13C值负偏移;西沙海槽δ13C值介于-0.01%~-0.89‰,平均值为-0.45‰;对Uvigerinaspp.碳同位素组成与沉积物有机碳(TOC)、甲烷(CH4)间的关系进行探讨,发现δ13C负偏移主要出现在甲烷渗漏环境,发生在末次盛冰期,与溶解无机碳负偏移以及沉积物全样的δ13C值负偏移层位相吻合,有可能作为富甲烷环境的替代指标。     

冲绳海槽西侧陆坡及其邻区天然气水合物成藏构造特征

为了解特殊地质体与天然气水合物成藏构造特征之间的关系,作者以冲绳海槽西侧陆坡和槽底为例,利用地震资料和地球化学方法对该地区上新世和第四纪沉积物厚度、有机碳含量和断裂系统进行了分析。研究表明,在冲绳海槽西侧及槽底都发育了较厚的上新统和第四系沉积层,上新统厚度约为1000—1500m,第四系厚约为1000—3500m,其中海槽南段存在巨厚的第四系,而且冲绳海槽西侧陆坡沉积物中有机质含量高达0.75%—1.25%,并且沉积速率高达10—40cm/ka,有利于有机质的保存和转化。陆坡发育有与海槽走向一致的NE-SW向断裂系统,以及横切海槽的一系列NW-SE向水平错动扭性断裂系统,其中NE-SW向断层在海槽南段方向变为NEE-SWW,这些断裂系统为烃类气(流)体的运移创造了有利条件。因此,在冲绳海槽西侧陆坡发育的海底峡谷、滑塌体、断块隆脊、泥底辟等特殊地质体与天然气水合物的形成密切相关。     

南海西沙海槽XH-CL16柱状沉积物稀土元素特征及其物源

西沙海槽是我国南海北部重要的天然气水合物勘探远景区。然而,目前对西沙海槽区沉积物的物源分析仍然存在众多争议。对西沙海槽XH-CL16柱状沉积物的稀土元素地球化学分析,显示该柱状沉积物的ΣREE介于131~171×10-6之间,表现为轻稀土相对富集,(La/Yb)N为9.5,具有明显的Eu负异常,δEu值在0.66~0.79之间。其稀土元素配分模式显著区别于大洋玄武岩,具有明显的陆壳特征,并且该沉积物具有相似于珠江口沉积物、红河沉积物以及黄土的稀土元素配分形态,暗示西沙海槽区沉积物主要为陆源沉积,而且可能是多物源多方式传输的结果。此外,通过该柱状沉积物中CaCO3含量变化特征与同海域标准碳酸盐地层学时标的对比,显示该柱状沉积物主要为MIS3期以来的沉积。而其中MIS2期沉积物表现为较MIS1和MIS3期沉积物更高的ΣREE和Ti含量,暗示西沙海槽在MIS2期时有更多陆源组分的输入。     

西沙海槽表层沉积物地球化学特征及其地质意义

对西沙海槽区50个表层沉积物的常微量元素进行了地球化学及沉积环境特征研究。西沙海槽区表层沉积物具有SiO2、TiO2含量低和CaO含量高的特征；除了MnO外，各组分的变异系数均较小，元素的分布差异较小，元素分异不明显。常量组分对比表明研究区兼具浅海及深海沉积的特点，为由浅海向深海过渡的半深海沉积环境。富集因子分析表明，从槽坡至槽底富集因子变化不大，略呈增加趋势，Cu、Co、Ni、Pb、Zn、Ba、Mn的富集因子都大于1，表明这些元素除了陆源之外还有其他的来源。海槽区沉积物的化学组分及其来源是复杂多样的，其中包括陆源组分、生物源、火山碎屑等，但陆源碎屑和黏土组分以及碳酸盐型的生物碎屑组分是控制研究区沉积物化学成分的最主要因素。     

现代黄河水下三角洲粉土的临界水力坡降探讨

通过室内试验，测定不同密实度粉土的临界水力坡降。由试验结果可以看出，粉土的临界水力坡降与一般砂土有着较大差异，一般耗生土临界水力坡降icr＝（ρ-ρw）/ρw，变化范围在0.8-1.5之产，而现代黄河水下三角洲粉土的临界水力坡降为9.5-16.5。同时对土体进行受力分析，考虑颗粒间的凝聚力，对以上结果产生的机理,工找出临界水力坡降与其物理性质指标之间的关系。     

南海北部陆坡神狐海域GMGS01区块细粒浊积体的识别特征及意义

利用广州海洋地质调查局在神狐海域采集的高分辨率地震数据,结合2007年第一次水合物钻探航次(GMGS01)获取的岩心资料,从地震反射结构和岩心粒度特征两个方面对GMGS01区块内残留在峡谷群脊部的细粒浊积体进行了识别和特征刻画。过水合物钻探站位的准3D地震剖面显示,GMGS01区块似海底反射(bottom simulating reflectors,BSR)之上的沉积体表现为2套特征迥异的反射单元:位于下部的薄层透镜状的杂乱反射单元,位于上部的厚层波状起伏形态的连续性中—强振幅反射单元。实际钻获岩心的粒度分析结果表明,沉积物的粒度为4~63μm,为细粒的粉砂或粉砂质泥。自下而上,沉积物的岩性和粒度特征没有发生大的变化,较为相似。但通过粒度CM图,可以发现,含水合物层段与不含水合物层段的沉积物表现为不同的特征,含水合物层段沉积物的结果近似与C=M基线平行,暗示了细粒浊积体的存在。结合神狐海域区域性覆盖的2D地震资料,研究认为发育在神狐海域北部的一系列小型水道,将会侵蚀下部地层的沉积物,使其沿着陆坡坡降的方向发生自北向南的再次搬运,在中—下陆坡的位置以细粒浊积体的形式再次沉积下来。神狐海域细粒浊积体的识别,将为从深水沉积的角度探讨GMGS01区块内水合物的不均匀性分布提供依据,从而有助于进一步揭示该区域水合物的成藏机制和富集规律。     

南海中沙天然气水合物资源远景区海底沉积物的物理力学性质研究

根据南海中沙天然气水合物远景区沉积物样品的分析资料,从物理力学特征各方面对本区海底沉积物进行了综合工程地质特征研究。结果表明,本区海底沉积物类型全部为淤泥,工程地质性质相近,以高含水率、高孔隙比、低密度及高塑性为主要特征,抗剪强度很小,压缩系数均大于0.5。土体沉积环境为水动力强度较弱的深海半深海环境。     

浅剖资料在南海北部东沙西南海域水合物调查中的应用

南海北部东沙海域陆坡已经被证实为天然气水合物前景分布区,浅地层剖面数据以其高效率采集过程和浅表层高分辨率的特点被国内外学者应用到天然气水合物调查中并取得了很多成果。以南海北部东沙西南海域的两条浅剖测线为例,分析了该区浅表层沉积物的声学特征,并在浅剖剖面上发现了浅层含气带以及气体泄露现象,初步推测为深部的天然气水合物分解后通过断层运移到浅层中形成了浅层含气带,部分浅层气体还通过泄露点喷射到海水中从而形成了剖面中的气体泄露现象。最后,进一步通过对研究区域的沉积及气源条件、温压条件、地质及生物证据的讨论,证实该区具有天然气水合物发育的基本条件,因此,可以证实上述浅剖资料解释中关于天然气水合物的推测。