海底流体排出及甲烷水合物BSR形成机理

在大陆边缘海底之下几百米深度处普遍观察到BSR,这些沉积物经历近的构造固红或快速堆积,相信BSR与稳定的甲烷水合物（笼形物）的最深部位对应,我们提出了下模式,BSR水合物的形成是在运移着的孔隙流体进水合物稳定域时,由向上运移的孔隙流体排出甲烷,在这个模式里,大多数甲烷产生于水合物稳定带之下,但此深度不足以充分生热,甲烷初始属生物成因,该模式要求从孔隙流体中排出已分解的甲烷,或随孔隙流体向上搬运已散布的游离气,模式解释证据,水合物在稳定域底界处浓聚,大量的甲烷源包含在水合物内,BSRs仅在特殊环境下出现,在深积物正常沉积体制下,不会向上强裂排出流体进入不合物稳定域,,所以BSRs不普遍,由于俯冲带增生楔处构造加厚,荷载增加,引致流体向上排出,该地区快速沉积未固结成岩,这些地区水合物BSRs常见,当孔隙流体进入水合物流体＋水合物与流体域之间的严格边界,然而,需要形成水合物的甲烷数量源自深海钻井有关孔隙流体中烷浓度的有限资料暗示,从上升流体中有效的排出甲烷,可以包含比所需产生游离气的数量少,在大多数流体排出体制,流体向上运移至海底的数量足够连续排出过剩的氯化物及水合物形成时同位素分离的残余物,因此,当观察钻孔资料,没有大量氯化物或同位素异常残留在孔隙流体内,甲烷浓度与稳定域上或下的孔隙流体内CO2量之差别,可以对早期沉积物成岩反应有明显的影响。     

海洋沉积物中天然气水合物的形成、分布与演化预测

我们运用一个新的分析公式，解出了动量，质量和能量联立方程。这个方程控制着海洋沉积物中天然气水合物的聚集和演化，而且可以推导出水合物稳定区的顶底位置，水合物实际产生区的顶底位置，沉积物中水合物聚集速率的时间，以及在扩散和平流两端元系统中聚集速度与深度的关系。得出的主要结论如下：（1）天然气水合物在海洋沉积物中实际出现的底界通常并不与天在气水合物稳定带底一致，比稳定带底要浅。同样，有确切的物理解释来说明天然气水合物稳定带底界一致，比稳定底界要浅。同样，有确切的物理解释来说明天然气水合物稳定带顶界（通常在海底）和天然气水合物生成带顶界的不一致。（2）如果似海底反射界面（BSR）标志着游离气带的顶界，那么在某些地背景下BSR实际上应当发生在比稳定带底更深的地方。（3）甲烷天然气水合物温压稳定域内存在的甲烷甲对于天然气水合物的生成是不够的。只有甲烷溶解在流体中的质量分数超过甲烷在海水中甲烷的溶解度，或者甲烷通量超过了对应于甲烷扩散运移率的临界值时天然气水合物才能生成。可以利用这些临界通量综合地球物理或地球化学资料限定生物成因和热成因的甲烷最小产生率。（4）对于大多数扩散－分散系数值，以扩散为主的天然气水合物体系是以在稳定带底界附近的天然气水合物薄层为特征的，以扩散为主的天然气水合物体系是以在稳定带底附近的天然气水合物薄层为特征的。以平流为主的系统有厚的天然气水合物层，而且对于高的流体通量，在层底比在沉积序列浅层有更大规模的聚集。基于以上结果以及在某些以扩散为主的体系中生成最小的天然气水合物区也需要很高的甲烷通量，我们推测所有的自然界的天然气水合物系统，甚至那么如被动边缘的相对低通量的环境都可能以平流占主导地位。     

巨型天然气水合物储层原始甲烷数量的直接测量

在高压和低温的稳定条件下 ,某些气体可以与水结合在一起形成固体———天然气水合物。在许多有甲烷供给的海洋沉积物中存在形成水合物的条件。大陆边缘的地震反射剖面表明在海底上部几百米的沉积物中通常存在天然气水合物 ,其下伏更深的地带则含游离气。若大量甲烷储集在这些储集层中 ,溢出的天然气可能在气候变化期间扮演重要角色。事实上海洋沉积物中的天然气水合物储层可能是地球上最大的化石燃料储集层。在此 ,我们报告了作为气水合物和游离气储集在大西洋西部布莱克海脊沉积层系内的原地甲烷丰度的直接测量。我们的结果表明作为固体气…     

硫酸盐-甲烷界面与甲烷通量及下伏天然气水合物赋存的关系

硫酸盐-甲烷界面在富甲烷和含天然气水合物的海洋沉积区已经成为一个重要的生物地球化学识别边界。在硫酸盐-甲烷界面之上,沉积物中的硫酸盐因参与分解有机质和甲烷厌氧氧化反应而被消耗,而其界面之下沉积物中的甲烷则不断生成,含量逐渐增加。根据该界面附近硫酸盐浓度和甲烷浓度的变化特征,可以判断该区甲烷流体通量的大小,从而指示下伏天然气水合物的可能赋存状况。南海北部陆坡的柱状沉积物孔隙水数据的分析显示,硫酸盐-甲烷界面埋深比较浅,表明该海域的甲烷通量较高。这种高甲烷通量很可能是由下伏的天然气水合物所引起的,并暗示着该区下伏海底可能有天然气水合物沉积层赋存。     

硫酸盐-甲烷界面与甲烷通量及下伏水合物赋存的关系

硫酸盐-甲烷界面在富甲烷和含天然气水合物的海洋沉积区已经成为一个重要的生物地球化学识别边界.在硫酸盐-甲烷界面之上,沉积物中的硫酸盐因参与分解有机质和甲烷厌氧氧化反应而被消耗,而界面之下沉积物中的甲烷则不断生成,含量逐渐增加.根据该界面附近硫酸盐浓度和甲烷浓度的变化特征,可以判断该区甲烷流体通量的大小,从而指示下伏天然气水合物的可能赋存状况.南海北部陆坡的柱状沉积物孔隙水数据的分析显示,其硫酸盐-甲烷界面埋深比较浅,表明该海域的甲烷通量较高.这种高甲烷通量很可能是由下伏的天然气水合物所引起的,并暗示着该区下伏海底可能有天然气水合物沉积层赋存.     

未来善于天然气水合物循环的研究

在２０世纪６０年代，已有大量证据表明，碳以游离气、溶解气和水合物的形式存在于海洋沉积物中 ,数量巨大。在典型的温度 (洋底温度为摄氏数度 )和约５０巴 (相当水深５００ｍ或更大 )的条件下 ,如有足够的甲烷气或其它形式的气存在 ,就可形成天然气水合物。科学家估算 ,天然气水合物中的碳相当于石油、天然气和煤中的碳之两倍。大洋钻探１４６和１６４航次在俄勒冈和新泽西州大陆边缘发现和回收了水合物、流体和气以及对下部界面环境影响之证据。这样 ,对未来大洋钻探计划提出了挑战 :需要在全球海洋中广泛布置井位 ,以采集水合物样品。这…     

未来关于天然气水合物循环的研究

在20世纪60年代,已有大量证据表明, 碳以游离气、溶解气和水合物的形式存在于 海洋沉积物中,数量巨大.在典型的温度(洋 底温度为摄氏数度)和约50巴(相当水深 500m或更大)的条件下,如有足够的甲烷气 或其它形式的气存在,就可形成天然气水合 物.科学家估算,天然气水合物中的碳相当 于石油、天然气和煤中的碳之两倍. 大洋钻探146和164航次在俄勒冈和新 泽西州大陆边缘发现和回收了水合物、流体 和气以及对下部界面环境影响之证据.这 样,对未来大洋钻探计划提出了挑战:需要 在全球海洋中广泛布置井位,以采集水合物 样品.这是我们弄清水合物形成和释放是怎 样影响全球生物地球化学循环,以及它们怎 样和构造过程有关的唯一途径.今天,水合 物存在于海洋沉积物中,但这仅是水合物生 成及消亡这一复杂过程之一部分.生成甲烷 细菌消化沉积中的有机质,以代谢作用产生 甲烷,当这些甲烷迁移至水合物稳定带后,它 们将形成另外的水合物.某些情况下,深部 热成气也可进入上部水合物稳定带并形成水 合物. 现在科学家认为,天然气水合物系统是 全球碳循环系统的重要组成部分,关于碳从 水合物系统中输入和输出,以及水合物储层 尺度之大小仍然是需要研究的.用先进的技 术进行大洋钻探,对于很好地了解水合物形 成和破坏(分解)以及它在全球循环中的作用 是非常重要的.用将来的科学钻探来研究水 合物之目的需回答下列问题:海洋天然气水 合物的形成机制是什么?碳循环的全球系统 之组成何在? 为什么要研究天然气水合物循环? 姚伯初摘译自 ,1999     

海底沉积物中天然气水合物形成过程数值模拟:以深部流体向上供给甲烷为背景

为深入了解深部上升流体供应甲烷的海底沉积环境中天然气水合物的形成和聚集过程,综合沉积作用、深部上升甲烷流体的对流和扩散作用、甲烷溶解度控制水合物形成等物理过程,建立了天然气水合物形成过程的数学模型,研究水合物在空间和时间尺度上的形成过程。模型通过3个无量纲参数(沉积压实引起的孔隙流体对流与扩散的比率Pe_1、深部流体向上对流传输与扩散的比率Pe_2、深部上升流体的甲烷含量C_(m,ext)~l),形象地描述了天然气水合物在海底沉积中的聚集过程。数值模拟研究表明,天然气水合物首先在稳定带内上部某一位置形成,随后由于沉积作用向下延伸而在稳定带底部形成水合物;水合物演化时间与Pe_1、Pe_2及C_(m,ext)~l呈负相关;水合物含量与Pe1、C_(m,ext)~l负相关,而与Pe_2正相关。甲烷溶解度曲线对水合物形成和分布有重要影响,但深部上升流体的甲烷含量、上升流体的通量决定了整个水合物系统甲烷量的输入和输出,是海底天然气水合物形成的主要控制因素。     

天然气水合物存在的流体特征——以印度西部大陆边缘为例

印度西部大陆边缘的多道地震反射资料揭示了流体排驱是否与天然气水合物相关。在地震剖面上没有典型的似海底反射存在,为了在确定天然气水合物的存在,我们在印度西部大陆边缘的一个小水道找到其它地震反射证据。我们研究了通过海底的排气通道、麻坑、海底滑坡以及反映流体运移通道的断层、清楚的含气沉积、弱振幅、底辟和泥火山等,地震剖面上所有这些流体逸散特征预示着在天然气水合物稳定域内天然气水合物的可能存在。     

印度专属经济区天然气水合物的主控因素

印度国家天然气水合物计划(NGHP-01)于2006年在克里希纳—戈达瓦里河(KG)盆地、曼哈纳迪盆地、安德曼海盆地、喀拉拉—康坎(KK)盆地实施,除KK盆地外均获得了水合物样品。为了探讨上述4个盆地天然气水合物的主控因素,较全面地收集、整理、比较了各个盆地的沉积背景、沉积速率、沉积物厚度、总有机碳(TOC)含量以及水合物钻探情况,发现KG盆地沉积物厚度最大,有机质含量最高,同时水合物饱和度较大,而KK盆地沉积物厚度最小、有机质含量最低,未钻获水合物样品,曼哈纳迪盆地和安德曼海盆地的沉积物厚度、有机质含量及水合物饱和度介于中间。结合我国南海水合物的钻探实际,可以认为沉积物厚度和有机质含量对印度专属经济区天然气水合物具有重要的控制作用。     

用地球化学方法勘查中国南海的天然气水合物

天然气水合物是一种未来新型能源,赋存于低温高压环境下的海洋沉积物中,但也可形成于大陆永久冻土带中。天然气水合物资源量巨大,具有经济和环境上的研究意义。近年来,国际上己对天然气水合物的产况、分布和形成机理开展了大量研究,但国内这方面的工作还刚刚开展。对中国南海的调查表明该区存在天然气水合物赋存的有利地质条件、温压条件和富含有机质的沉积条件。在南海的许多海区还发现了指示天然气水合物存在的地震标志(BSR)。介绍了在南海天然气水合物勘查中的地球化学异常标志。这些地球化学异常的产生可能与天然气水合物的形成或分解过程有关。研究内容包括沉积物中气体含量(主要为甲烷和乙烷),甲烷的碳同位素,孔隙水中阴离子(Cl^-、SO4^2-等)、阳离子(Ca^2 、Mg^2 、Ba^2 、Sr^2 ,B^3 和NH4^ 等)浓度和δ^18,δD,δ^11B,及^87Sr／^86Sr等同位素组成,此外还对海底沉积物的热释光特征和紫外、可见、近红外反射光谱特征开展了探索性研究。通过进一步加强理论和实验研究,结合地球物理和地球化学资料,在不远的将来将会在南海发现和圈定天然气水合物矿藏。     

甲烷厌氧氧化作用和白云石形成的关系

我们研究了有机质降解、甲烷厌氧氧化(AMO)与硫酸盐亏损之间的关系，并探讨了这些过程影响和控制白云石化作用的机理。利用ODP175航次在西非大陆边缘若干个富集有机质的站位中的研究数据，我们确定了AMO发生的深度和反应速率与白云石形成之间的联系。本研究根据CH4和SO4^2-的在沉积物中的扩散通量计算了AMO的反应速率以及根据Mg离子的扩散通量计算了白云石形成速率。研究表明，白云石的形成速率相对比较稳定，不随其形成的深度而变化，这显示了Mg、Ca离子扩散通量不会受到深度的限制。根据计算的logIAP值，我们得出白云石的logKsp值在-16．1～-16．4这样一个狭窄的范围。白云石的形成部分受甲烷厌氧氧化作用(AMO)和甲烷生成作用相互竞争的控制，这两个作用控制着流体中溶解a32的种类。通过硫酸盐的还原作用，沉积物中AMO过程增加了环境中CO3^2-的浓度，有利于白云石的形成，而甲烷生成作用增加沉积物中孔隙水的CO2的活度，抑制了白云石的沉淀。甲烷生成作用和AMO作用一起控制着沉积环境中CO2和碱度，从而决定了富含有机质的海洋沉积物中白云石的形成。此外，我们建立了在AMO作用和白云石形成机理之间存在的关系模式，运用这种模式，可以计算现代海洋沉积物中白云石的稳定常数，并且可以预计白云石形成区域和深度。     

南极近海南设得兰陆缘天然气水合物成矿条件与机理

南设得兰陆缘属于典型的活动型大陆边缘,沟-增生楔-弧前盆地序列发育,具备天然气水合物发育的有利地质构造背景。该区已有的调查资料显示出天然气水合物存在的显著标志——BSR和极性反转特征(或者称为基底反射波,BGR)。研究结果表明,南设得兰陆缘具备形成水合物的充足的气源、适宜的稳定域条件、有利于天然气水合物形成与聚集的沉积体系和特殊地质构造环境,推断南设得兰陆缘以构造型水合物成矿地质模式为主,并以增生楔内甲烷随流体向上迁移形成水合物的模式最为重要。     

根据似海底反射计算地热流和地温梯度：实例研究

天然气水合物是由水和具有低质量分子的烃(主要为甲烷)构成的冰状结晶固体，形成于高压、低温环境中并主要发现于两类不同的区域：外部陆缘和永久冻土带。印度次大陆在东西部陆缘均拥有广阔的近岸带。由国家海洋研究所、Goa和国家地球物理研究所、Hyderabad及其它几个部门所开展的先期研究表明本区具有形成天然气水合物的有利环境。发现的天然气水合物位于海底沉积物中几百米的范围内，在大陆边缘及其邻近区的水深超过500m(以保持天然气水合物的温压条件)，在聚集陆缘带尤其如此。     

海洋天然气水合物的沉积学识别标志

海洋天然气水合物的沉积学识别标志是指在海洋天然气水合物沉积层形成过程中形成的与沉积作用密切相关的特征性标志,它是海洋天然气水合物基本的和重要的识别标志。这些标志包括沉积学背景、沉积物类型、沉积速率、有机质含量、沉积相类型、自生矿物、沉积热环境和特殊沉积地质体等。     

Cascadia水合物海岭上覆水样中甲烷水合物的甲烷氧化作用

Ｃａｓｃａｄｉａ大陆边缘的水合物海岭被大量甲烷水合物沉积物覆盖。这个水合物在海岭北端的分解作用产生了一个数百米高、数千米宽的甲烷柱,甲烷浓度高达５００００ｎｌ／ｌ。甲烷贯入的数量与大洋扩张中心的相当或超过之。甲烷剖面表明在大陆边缘较浅水深处存在着甲烷...     

海底水合物区甲烷的溶解度

海底水合物区有特定的温压条件限制,甲烷含量丰富超过局部的溶解度(Kvenvolden,1988)。即使全球的大部分海相环境具备水合物形成的温压条件,但是水合物主要存在于有机碳产出高或能为水合物的形成提供足够甲烷的承载流体存在的大陆边缘地区。甲烷溶解度     

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。     

加里福尼亚南部岸外泥火山的甲烷成因方解石、13C亏损的双壳类贝壳以及气水合物

沿大陆边缘的气体和流体通量与构造—沉积过程和(产生冷泉、温泉和甲烷水合物的)物化条件有关(如Obzhirov等,2004)。我们对水合物进行了深入研究,因为它对块体坡移、能源、全球气候突然变化以及全球的碳质量平衡具有潜在的贡献。其中冷泉尤其重要,因为其与大的气体和流体通量、     

东海天然气水合物的区域地质特征及可能的远景区

从水深、沉积物厚度、沉积速率、有机质含量、地形和地貌来看，冲绳海槽盆地具有天然气水合物形成的区域地质条件，水合物出现的水深在500m以上，冲绳海槽南段水合物潜力最大。与智利三联点相类比，该区水合物可能主要分布在陆坡中部浅地层中。从冲绳海槽盆地的海底温度、海底热流和折射地震层速度资料的分析来看，该区具有水合物稳定存在的温压条件，其中南段和北段的稳定带厚度比中段更大一些，从已解释的穿越冲绳海槽盆地的地震剖面来看，有BSR迹象的剖面段约有300km，主要分布在中段的南部，从底水甲烷和卫星热红外异常分析来看，冲绳海槽盆地南段海域因存在经常性的卫星热红外增温异常和高值底水甲烷异常，因而水合物成藏的条件可能最好。