海洋地热流测量技术及其方法研究

随着我国海域天然气水合物调查工作的深入开展,海洋地热流测量成果对其他地质地球物理调查资料的解释和研究成果的提升至关重要。因此,海洋地热流测量以及相关的研究工作越来越被人们所关注。论文通过对目前我国海洋地热流测量工作开展的现状、测量地热流值中的地温梯度和沉积物热导率值的理论基础、测量技术和种类以及相应的技术特点进行了分析,结合海上调查中的实际工作情况,系统介绍测量技术方法,指出目前海洋地热流测量技术方法研究的方向。     

IODP349航次地热调查数据分析

海底热流是研究大洋地壳和上地幔岩石圈热状态的重要参数。为了解南海深水区地热特征,利用IODP349航次地热调查资料进行数据处理,得到了4个站位浅层热导率数据和3个钻孔的海底热流数据。结果表明,浅层沉积物样品热导率变化范围为0.8~2.2 W/(m·K),变化范围与沉积物成分有关,热导率随深度的增加有小幅增加的趋势与沉积物压实作用有关;U1431D、U1432C和U1433A三个钻孔热流值分别为24±8mW/m2、105±3mW/m2和89±2mW/m2,后两个钻孔通过与前人实测数据进行对比,与前人结果相当,表明了结果的可靠性;U1431D发生地温梯度倒转和低热流异常可能是与钻孔处于水热循环的下降流附近有关。     

探针偏角对海底热流测量结果的影响

南海和印度洋共87个海底热流测量站位的探针偏角分布表明:海底热流测量过程中,探针插入海底沉积物后通常都存在偏角,其偏角在0°~10°的占48.3%,10°~20°的占20.7%,20°~30°的占2.3%,30°~40°的占2.3%,超过40°的占26.3%。当用探针偏角较大时,必然会给地热参数计算带来不容忽视的相对误差。因此,文章建立探针偏角与地温梯度和热流相对误差之间的定量关系式,并据此计算得知:探针偏角10°时,对地热参数测量影响不大,其相对误差只在2.0%以内;而当探针偏角增大到15°~20°时,地热参数相对误差则增大到5.0%左右,且随着探针偏角逐渐增大,引起的相对误差呈非线性迅速增大。因此,建议今后进行海底热流测量过程中,尽可能获取探针插入海底沉积物时的偏角,进而可对地温梯度和热流进行偏角校正,获得更为准确的地热参数。     

南海北部陆坡区水合物发育的水深、热流特征及盖层控制作用模拟

南海北部陆坡区是中国最具潜力的天然气水合物聚集区。通过对研究区似海底反射层（BSR）、水深及热流值分布进行交会,得到了水深、热流双因素对天然气水合物形成的共同控制机理。研究认为,热流值中等（70～83mW／m^2）的地区最有利于天然气水合物的形成和聚集,热流值升高,天然气水合物形成的水深有总体增大的趋势。另外,天然气水合物的形成也需要良好的盖层条件。模拟了当上覆泥质沉积物盖层厚度不同时,天然气水合物形成所需的最低水深,并对不同泥质沉积物盖层厚度对天然气水合物稳定带底界面和厚度的影响做了研究和探讨。当泥质沉积物盖层的厚度越大时,天然气水合物形成的水深可以更浅;当泥质沉积物盖层厚度较小时,天然气水合物的形成则需要更大的水深。另外,当水深越大时,天然气水合物稳定带的底界面（BGHSZ）越深,天然气水合物稳定带的厚度越大。     

南海北部陆缘地热状态及其成因探讨

对收集、整理的462组大地热流和地温梯度数据进行统计分析,结果表明南海北部陆缘具有普遍偏高的大地热流和地温梯度,大地热流总体表现为由陆架向洋盆方向递增的趋势。海底热流资料经稳态温度场计算南海北部随深度变化的热流和温度分布,获取热居里面深度,与地磁资料反演的居里面深度进行对比,发现南海北部中、下陆坡磁居里面深度浅于热居里面深度,处于地热不平衡状态。通过对地壳结构、拉张因子、莫霍面埋深、断裂带及火山活动的综合分析,表明南海北部陆缘地热状态受控于地壳拉张减薄和莫霍面抬升的构造格局,裂后晚期局部岩浆活动对地热状态亦有影响。     

东海西湖凹陷天外天二井热史恢复

应用结合法和流体包裹体显微测温法对东海西湖凹陷浙东中央背斜带南部天外天二井的地热演化史进行了模拟恢复。结果表明,自渐新世至今,总体表现为古地温梯度呈逐渐降低的趋势,高的古地温梯度有利于烃源岩的成熟演化与烃类生成;坳陷演化阶段的古热流高于区域沉降阶段,升温速率与古热流具有较为明显的“镜像”变化关系。利用结合法与流体包裹体测温法能有效地恢复含油气盆地的热演化历史。     

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。     

南海西沙海槽地区的海底热流测量

为了解南海西沙海槽区的地热特征,利用Ewing型地热探针在该区开展了地热测量,并利用TK04热导率仪测量了相关站位表层沉积物样品的热导率,获得了7个站位的热流数据。结果表明,研究区7个站位的热导率变化范围为0.88~1.06 W/m.K,平均为0.96 W/m.K,地温梯度变化范围为85~120℃/km,热流值变化范围为83~112 mW/m2,平均达到95 mW/m2。分析表明测量结果与20世纪80年代中美合作在西沙海槽的地热测量结果一致性较好,说明研究区仍具有高热流特征,推测高热流特征可能与本区高热背景、莫霍面埋深较浅、断裂发育、晚期岩浆活动和基底起伏等有关。     

室内海底沉积物热导率测量的原理与方法——以TK04热导率测量系统为例

沉积物热导率是计算海底热流的一个重要参数。文中以TK04热导率测量系统为例,详细介绍了实验室内热导率测量原理、样品热导率测量的各个环节,包括样品准备、测量流程、测量数据质量评估与校正等,以及沉积物原位热导率的计算,以为油气资源评价、天然气水合物评价及地球动力学研究提供高精度的海底热流数据。     

海底天然气水合物的地震资料处理与分析

介绍了利用多道反射地震资料，采用反射振幅随炮检距变化AVO（Ampltude versus Offset)技术和其他地震正、反演方法，通过研究地震剖面上的拟海底反射层（BSR）分布、地震弹性参数特征，来探讨BSR上、下方含天然气水合物沉积层和含游离气沉积层的内部结构和某些主要物理性质，如沉积物的空隙率、天然气水合物的饱和度等，由此来评估海底天然气水合物的资源前景并研究其成矿机制。     

基于高分辨率浅剖与钻孔信息对比的金州湾海底声速的统计特征

声波在海底沉积物中的传播速度是一个重要参数,弄清海底沉积物中声速的变化规律具有极其重要的意义。以渤海金州湾海域为例,在进行畸变校正的基础上,基于高分辨率浅地层剖面与钻孔数据的对比分析,实现了全新世沉积层和基岩界面以上沉积层声速的准确反演,并采用统计学方法分析讨论了研究区内的声速特征和变化规律,结果表明,全新世沉积层平均声速的95%置信区间为1 449.60～1 655.72 m/s,平均值为1 560.34 m/s;基岩界面以上沉积层平均声速的95%置信区间为1 657.96～1 970.80 m/s,平均值为1 765.63 m/s;研究区内海底地层的声速与埋藏深度之间呈现明显的正线性相关关系,声速梯度为4.18 s?1。     

岩石磁性记录的末次冰期以来气体水合物带底面的上升

气体水合物是甲烷和水混合的冰状笼形物,存在于大陆架和陆坡沉积物中。气体水合物在地温梯度与水合物相边界(气体水合物稳定带底界,BGHS)相交的深度范围内是稳定的。当底层水温度上升造成地温梯度升高时,或当相对海平面降低使围限压力降低时,BGHS就会向上迁移,并形成因水合物分     

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。     

天然气水合物超声和时域反射联合探测技术

首次将超声探测技术和时域反射技术集成于一个系统中,可实时探测沉积物中水合物饱和度和声学参数。进行了58个轮次的水合物生成与分解实验,超声、时域反射和温压异常3种方法所探测到的生成点、分解点吻合,这说明利用超声技术和时域反射技术联合探测沉积物中水合物的饱和度与声速是十分有效的,将有助于更好地了解含水合物沉积层的物理性质,为海洋天然气水合物的地球物理勘探和资源评价提供基础性参数。     

热毯式海底热流原位探测系统设计

针对海底热流探针无法对基岩海底或其他硬质海底进行热流探测的难题,基于傅里叶热力学第一定律提出了非插入式海底热毯原位探测方法,介绍了热毯式热流原位探测系统的设计。通过试验选择了合适的热毯盖层材料、对热毯的形状和设计尺寸等参数进行了设计优化,分析了热毯的工作方式并对布放技术进行了评价。热毯式海底热流探测系统为大洋中脊区域海底的热流探测提供了有效的方法,对于研究板块的热状态及板块的构造活动提供了广阔的应用前景。     

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.     

AVO技术在水合物勘探中的应用

AVO技术正被应用到海域天然气水合物的真假BSR识别和水合物沉积层的储藏参数预测。在研究了水合物沉积层与其上下围岩(层)之间不同的地球物理特征(尤其是纵、横波速度)差异以及不同的岩性组合带来的AVO效应的差异的基础上,根据AVO技术的特点,制定了利用AVO技术进行海域天然气水合物的真假BSR识别和水合物沉积层的储藏参数预测的方法技术路线和流程。     

北康盆地古地热场与油气远景

采用现今盆地地壳厚度作为约束务件,应用Mckenzie模式与构造沉降曲线拟合计算古地幔热流值,并考虑地壳和沉积层放射性衰变所释放的热流,研究盆地古地温场及其演化史,然后据此研究烃源岩的热成熟度史,结合盆地油气地质条件,评价油气资源潜力。结果表明,中始新世末盆地基底热流为45～66mW／m^2,随后盆地基底热流略有上升,至早渐新世末为51～66mW／m^2,现今盆地基底热流为51～61mW／m^2,并且坳陷的基底热流比隆起的基底热流高。所计算的现今表面热流与实测的表面热流一致。中始新统烃源岩在早中新世末处于成熟阶段,现今处于高成熟一过成熟阶段;上始新统一下渐新统烃源岩在晚中新世末处于成熟阶段,现今处于高成熟阶段;上渐新统一下中新统烃源岩现今处于成熟阶段,局部达到生烃高峰。油气资源评价认为北康盆地具有良好的油气资源潜力。     

海域天然气水合物的岩石物性研究

海域天然气水合物的岩石物性分析研究是水合物地震识别研究的基础和主要组成部分。分别采用弹性模量模型和修改的威利方程对水舍物沉积层和下伏含游离气层的岩石物性关系进行了讨论,重点研究了沉积层孔隙度、天然气水合物饱和度、含游离气层饱和度与纵、横波速度、泊淞比的关系。研究的结果表明,水合物沉积层的纵、横波速度和泊凇比随水合物饱和度的增加而增加,密度随饱和度的增加而降低。     

海底高频地震仪在南海北部天然气水合物探测中的应用

天然气水合物是石油天然气的理想替代能源,是当前能源、环境领域的研究热点。我国2007年神狐海域水合物钻探表明,天然气水合物的空间分布不均,水合物矿体内部物性差异较大。为了研究海域水合物及游离气的矿层结构,准确评估研究区天然气水合物资源量,采用三维地震与海底高频地震(HF-OBS)联合采集技术,获取水合物矿区的多波地震反射数据。充分利用纵横波速度信息,刻画研究区天然气水合物矿体的外形与内部结构,分析含天然气水合物沉积层的沉积环境与沉积物类型关系,进而获得这一海域天然气水合物分布规律的综合地质认识。