天然气水合物的聚集和形成及南海地质条件分析

天然气水合物目前已经成为世界范围的一个研究热点，而我国的天然气水合物研究起步则相对较晚，通过阅读国内外有关文献，总结了天然气水合物在海底的分布特征，聚集和形成机制，产状及其形成机理，甲烷羽的形成过程，天然气水合物在沉积物中的聚集位置通常有两种情况：一是较浅的沉积物（海底以下几米）中，受控于泥底辟，泥火山，断层等；二是较深的沉积物（海底以下几十米，甚至更深）中，受控于流体，当断层延伸至海底时，通常在水合物聚集处的上部发现甲烷羽，天然气以溶解气，游离气或分子扩散的形式运移，在温，压适宜的沉积物中，即水合物稳定带内聚集并形成水合物，水合物的形成过程是：最初形成晶体，呈分散状分布于沉积物中，之后逐渐聚集，生长成结核状，层状，最后形成块状，在细粒的浅层沉积物中，通常以较慢的速度生长，形成分散状的水合物；而在粗粒沉积物中，水合物通常呈填隙状，并且这种产状可能位于较深层位中，我国南海在温度，压力，构造条件，天然气来源等方面都能满足天然气水合物的形成条件，并且在南海也发现了一些水合物存在的标志，如似海底反射层（BSR）以及孔隙水中氯离子浓度的降低。因此，天然气水合物在我国南海海域可能有很好的前景。     

双BSR之谜：水合物稳定域变化的指示标志

在挪威西部的滑坡区地震反射剖面上，可探测到经典的BSR及目前未知的双BSR。假定强BSR为水合物稳定带底界（CH4占99％）进行P－T模拟，上部的BSR可能代表气体水合物顶界，下部的BSR可能代表冰期与间冰期之间水合物稳定域的残留部分之底界，或作为含重烃成分的气体水合物之底界。     

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。     

白云凹陷陆坡峡谷沉积与迁移特征及其对天然气水合物成藏的影响

利用高分辨率地震资料,研究了南海北部白云凹陷中新世以来的陆坡峡谷沉积和迁移特征及其对动态似海底反射(BSR)的影响。白云凹陷陆坡区浊流和底流共同作用形成了大型单向迁移峡谷沉积体系。峡谷的沉积过程包括侵蚀为主阶段、侵蚀-沉积共同作用阶段及沉积为主阶段。峡谷沉积相主要包括峡谷侵蚀基底、谷底沉积、谷内滑塌块体搬运沉积及侧向倾斜沉积层等4个单元。峡谷的迁移造成含天然气水合物脊部两侧不同的侵蚀-沉积环境,因此,脊部两侧BSR反射特征也不同。随着峡谷迁移的进行,在峡谷侵蚀侧翼处,沉积物被侵蚀,天然气水合物稳定带底界将发生下移,BSR反射特征为多轴较连续反射;而峡谷沉积侧翼处,沉积物增厚,天然气水合物稳定带将发生上移,BSR反射特征为单轴连续反射。     

细粒沉积物中的天然气运移机制

甲烷通过水下沉积物柱第一公里的运动是一个“运移问题”子集,定义为：（１）甲烷在水中的低溶解度;（２）细粒沉积物的低单相渗透率;（３）低效率的化学分散作用;（４）天然气的高毛细管进入压力;（５）与渗透率相比,较低的二相渗透。提高甲烷的溶解度有助于溶于水中的甲烷的平流,而溶解度则增加分散通量。细粒沉积物中的小孔隙可以通过微小气泡的极高毛细管压力使水中的甲烷超饱和。笼形水合物作为稳定相的出现降低了溶解度,并使来自许多流体的甲烷减少。当饱含水和含气泡孔隙一起在同一孔洞基质（垂直扩散）中,扩散通量增加。核…     

用~(129)I测定孔隙水体的年龄:与海洋气体水合物成因的关系

气体水合物是能源和温室气体潜在的巨大来源。最新调查表明，气体水合物在大陆坡普遍存在，而且水合物中甲烷的能源当量很可能超过所有已知原油和天然气储量的总和。海洋气体水合物通常由圈闭在水冰晶格中的甲烷组成，一般发现于海底以下（bsf）200～500 m之间海洋沉积物的特定深度范围内。在地震剖面上，气体水合物稳定带的底部由一强反射层――似海底反射层（BSR）指示。在BSR之下常见游离甲烷气体，但其浓度显著低于气体水合物中的甲烷。气体水合物的成因与形成已成为越来越多的研究中的焦点。尽管通常假定气体水合物与海洋沉积物中有…     

海底天然气水合物稳定带的特征分析

水合物稳定带（HSZ）控制着海底天然气水合物的成矿作用和分布规律，其厚度及分布范围决定了天然气水合物的蕴藏量，所以水合物稳定带的分析对天然气水合物的成矿与分布规律、成因与演化机制以及资源研究具有重要的指导意义。水合物稳定带本身受海底温度、压力和甲烷量等因素的影响，其变化会影响水合物稳定带的范围、稳定带底界的位置，并制约着天然气水合物的稳定性和甲烷气的释放。     

布莱克海脊底辟处与天然气水合物稳定带有关的甲烷圈闭与运移—来自地震资料的新发现

Bkake脊底辟位于Carolina海槽沿海线一系列盐底辟的最南面，底辟引发上覆沉积物断裂，使得流体和气体向海底运移。通过分析位于天然气水合物富集区的Blake脊底辟处的地震反射资料，得知底辟中心的天然气水合物稳定基底非常浅：底辟处海底向上挠曲了近100m，由2300m左右变为2200m左右。由BSR指示的天然气水合物稳定基底BGHS在底辟两侧约为4.5s，中心上升为4.15s。底辟上部BGHS至海底以下0.05s(40-50m)出现一系列垂向断裂，这一断裂系列分化成一些陡的小断裂，成为通向海底的裂口，它覆盖了大约700m的直径范围。另外还有一些由主断裂及位于底辟中心BGHS附近的分化的次生断裂。气体及其它流体可以沿这些断裂向上运移。本文做了复杂的示踪分析比较不同反射面的反射强度及瞬时频率。底辟中心的低频异常显示强烈的地震衰减，是由流体沿断裂通道（可能是甲烷）的运移引起的。气体（主要是甲烷）沿天然气水合物稳定带的运移目前还无法解释其原因。我们推断断裂中的孔隙流体温度及盐度太高以至不能形成天然水合物，即使在远离底辟的天然气水合物稳定深度。另外天然气水合物可能堵住断裂墙以至水的供给太少不能将所有的气体转化为天然气水合物。BSR变浅反映出底辟增加的热流要么由下伏盐的高热导率引起，要么是由流体的热对流引起。孔隙水的高盐度降低天然气水合物的稳定性，对BSR变浅也起到重要作用。通过调查发现BSR变浅理论上是由于底辟处盐度增加，虽然地质学上似乎难于理解。这一发现表明高盐度的孔隙水对盐结构以上BSR深度的侧向变化起到重要作用。     

天然气水合物物理化学状态平衡及其在冲绳海槽的应用

根据自由能优化算法计算了气、水、盐、水合物的平衡态（稳定态）条件，建立了天然气水合物的状态方程和（水合物、液态溶液和气体）相平衡模型，编制了计算天然气水合物稳定带厚度的计算机软件；并针对研究内容收集了冲绳海槽和东海陆坡的热流、地温梯度、地形（水深）、地貌等资料，根据这些资料模拟计算预测了该区天然气水合物稳定带厚度、分布有利区带和BSR底界深度，进而编绘了相关图件。     

用地震AVO方法研究含气体水合物沉积物的内部结构

采用岩石物理合成地震模型，我们解释了弗罗里达近海BSR振幅随炮检距变化，现场地震资料的AVO分析和以往得出的速度结果对比显示：BSR将含游离甲烷的沉积物与含水合物沉积物分隔开来，BSR振幅随偏移跨增大呈负增长，这种特性说明BSR之上的P波速度比BSR之下的P波速度要大，BSR之上的S波速比BSR之下的波速度小。由此可见，用AVO和速度结果可帮助推断水合物沉积物内部结构。为了达到这个目的，建立两种微力学模型，对应于孔隙空间内水合物沉积的两种特殊情况：（1）水合物胶结颗粒接触，并增强了沉积物强度；（2）水合物远离颗粒接触部位，并未影响沉积积物骨架的硬度。仅第二种模型能定量化形成所观察到AVO响应。因此，推断含水合物沉积物内部结构意味着：（1）BSR之上的沉积物未胶结，故机械强度关弱；（2）其渗透率低，因为水合物阻塞了孔隙空间孔道。后者解释了为什么游离气圈闭在BSR之下，地震资料也暗示水合物层顶部缺少强反射，这一事实建议恰恰在BSR之上的沉积物内水合物浓度高，随深度减少逐渐降低，这种影响与BSR之上的低渗透水合物沉积物阻止游离甲烷上运移一致。     

海洋甲烷水合物BSR的地震研究

根据多道地震反射资料分析，温哥华岛近海的北喀斯喀特俯冲带边缘有一清楚的BSR区。海底以下300m处的反射层代表笼形物或甲烷水合物层的底界。1300m水深和3600m长的地震检波器组合允许BSR振幅随炮检距变化，并进行高分辨速度分析和垂直入射资料模拟，所有三种类型分析结果能够较好地解释海底以下大约300m处BSR之上10－30m厚的高速层，并有一明显的底界和过渡顶界。在这层内，大约1／3的沉积物孔隙空间为冰状水合物充填。地震无法探测BSRs之下的游离气，这些结果对水合物BSR的形成与分布的模拟起到重要的控制作用。     

台湾近海碰撞带内水合物BSR分布

用偏移后的6道和120道反射剖面，在台湾近海增生柱内误别出似海底反射层（BSR），BSR具反极性，并随水深增加，BSR在海底浅层地层深度加大，说明BSR可作为甲烷水合物稳定域底界的标志。BSR位于台湾造山带及中国大陆边缘剥蚀沉积物区内，沉积物富含有机质，因此可提供甲 烷气体，在该区的北部陆地存在气苗也暗示这些地层内存在的甲烷。BSR具体发育在背斜脊部，泥火山，指示甲烷气迁移并圈闭。背斜内近期海底上隆可减少孔隙压力，因此水合物分解释放游离气，从而增强了BSR处的声波阻抗差。在海底峡谷区明显缺乏BSR，在背斜内的BSR之下发现“平点”，说明孔隙空间充填水合物后降低沉积物的渗透率，故增强了圈闭游离气。我们估算了台湾南部附近BSR深度和分布范围，面积超过77000km^2，特别是在潮海沟一侧增生柱斜坡之下大约30％－60％的地区有BSR，即使水深相近，增生柱海沟－侧（西边）的BSR深度比向弧一侧（东边）的浅，说明沿尼拉海沟沉积物加积并脱水，使流体从深部向浅部流动，地温梯度增高。     

印度西部大陆边缘天然气水合物和游离气的可能模型

我们通过印度西部大陆边缘(WCMI)的多道地震反射资料解释，以建立天然气水合物形成的可能模型。地震剖面上双程走时(TWT)为2950ms的反射界面被解释为甲烷水合物层底界，即似海底反射(BSR)，它出现于海底以下500ms处。相似成因的KSRs在世界范围内广泛存在，不管其下有否游离气，它们通常是含天然气水合物的碎屑沉积物的底界。本文建立了一个天然气水合物/游离气模型，运用不用物性以合成地震记录，并与多道地震反射资料上所观察到的BSR振幅和不同震源一检波器偏移距的波形进行对比。初步结果为研究水合物分布和形成的预测模型提供了重要证据。不同偏移距的振幅恢复也为水合物特性的响应研究提供了依据。     

流体剖面上溶解硫酸盐的含量能否反映原地甲烷通量

在天然气水合物稳定带中,受生物地球化学因素制约的甲烷通量是控制天然气水合物分布和含量的关键。我们将通过非保压岩心和保压岩心数据进行说明,这些数据分别来自孟加拉海两个海盆：克里希纳河－哥达瓦里河盆地（K—G）和印度东南部近海的Mahanadi盆地（水深9001170m）,以及位于安达曼海（水深1600m）的1个站位和卡斯卡底古陆（水深890m）的水合物脊上的2个站位。以上所有站位都发现了天然气水合物存在的证据,但每个站位水合物的含量、分布和含水合物沉积物的结构各不相同。     

西伯利亚贝加尔湖中含气体水合物沉积物的多频地震研究

本文讨论了西伯利亚贝加尔湖中含甲烷水合物之沉积物所表现的声学特性与频率关系。所用的五种不同类型的震源（枪阵，二种单气枪，水枪和电火花）的频带宽度10－1000Hz。对于低频枪阵数据，我们所观察到的水合物稳定带（HSZ）底是一个反极性强振幅的似海底反射（BSR）。对于中一高频率数据，BSR的振幅和连续性降低，甚至消失，垂向和水平方向的分辨率解释了这一特征。BSR反射振幅随着偏移距的增加而增强，BSR反射系数以及其下反射增强表明HSZ之下存在游离气。在BSR之上观察到一些延伸的强反射，推断为在HSZ内游离气与水合物共存的标志。BSR之上的空白带厚度变化不定，而对于中一高频的数据，BSR本身起一个低通滤波器的作用。提供初始地震信息的新单道剖面穿过了贝加尔钻井工程（BDP－97）的钻孔位置，在此处HSZ底部之上约200m的深度取到含水合物的沉积物。将钻井和地震信息结合，我们可以粗略估算储存于贝加尔湖中水合物和碳量，也让我们得出一个结论：贝加尔湖中气体水合物的储量没有形成一个有希望的能量远景。     

波弗特海大陆边缘之下与气体水合物相关的BSR地震研究

位于阿拉斯加北部波弗特海上陆坡海底之下300－700m处有一强的似海底反射层（BSR），与上覆的气体水合物和下覆的天然气及孔隙水之间的相界面对应。世界各地BSRs具有类似的成因，这里通常解释为含本水合物碎屑沉积物之底界，下覆沉积物内可能有或没有游离气。令人惊奇的是，对这些强反向起因知之甚少。在这篇论文里，通过对合成的BSR振幅和波形（随震源－检波器偏移距变化）与穿越波弗特海发育较好的BSR多道地震反射资料比较，分析产生BSRs的物性差异。为了区分BSR之下是否有游离气，需要补充近垂直入射资料和叠前偏移资料。对振幅随偏移距变化（AVO）的分析暗示出：BSR的产生主要是由于BSR之下碎屑沉积物内存在游离气。据垂直入射合成地震记录，估计游离气带厚度薄于11－16m。若气体浓度深度而减少，则游离气带厚度可能大于16m。据AVO模拟，初估BSR之上沉积物内气体水合物饱和度不足孔隙体积的10％。     

巴基斯坦近海大陆斜坡的天然气水合物：利用地震技术约束反演

1997年10月，在巴基斯坦外海的聚合大陆边缘得到了新的垂直入射、广角反射和折射数据。似海底反射（BSR）是横穿整个大陆边缘至阿曼海湾的最突出的反射特征。一般这一反射同气体水合物稳定带底的期望深度相一致。增生棱柱体上的BSR是一个清晰的反极性反射，且BSR之下的地层表现出反射率增强，这表明地层间存在被捕获的气体。广角反射和折射数据的联合反演在BSR深度处产生约200m厚的低速带。利用Born展开式，可根据反褶积和平衡处理后的单道数据来计算带限阻抗记录，结果表明BSR处的速度下降约200ms^-1。在朝海岸方向的CDP4400处，Minshull和White(1989)等人得到一个约600ms^-1的速度倒置，此结果表明BSR的特征在越过巴基斯坦外海大陆边缘时显著变化。海湾下的BSR出现在相似的海底地层深度，此处的地震反射出现亮点。然而，其反振幅异常小，且BSR下方的反射地层没有表现出反射率增强。广角反射和折射数据的联合走时反演表明：持续上升的速度暗示了有充足的甲烷以形成游离气和气体水合物，且主要受沉积物同化为增生棱柱体的限制。我们认为当沉积物同化为增生棱柱体时，这些变异与构造抬升和正在进行的沉积引起的一个渐进过程有关。沉积和抬升造成等温线向上偏移，并因此导致气体水合物的分解，释放出的甲烷气体造成BSR增强。我们的地质调查反映了深海平原以及第一个倾斜盆地内水深分别为3300m和2490m处的BSR属性。CDP4400位于近岸的一个隐伏、隆起演化的盆地内，水深为1730m。因此我们提出，在加积楔内，区域构造抬升与正进行的沉积引致稳定区域的向上偏移造成水合物循环。此外，通过甲烷的深度平流，构造脱水作用可以在稳定区域底部积聚水合物。     

美国东南部大陆边缘的天然气水合物利用宽角地震资料进行全波形约束和走时反演

利用BSR已完成美国东南边缘大约50000km2的地区编图，并已证实可能与大量天然气水合物有关。1992年6月，同时获得该地区的单道地震和宽角海底地震资料，主要集中在布莱克洋脊和卡罗来纳海隆，能清楚地观察到来自BSR的宽角反射偏移距（达6km）。为了了解区域性的变化和生成卡罗纳海隆高背景速度的二维平均速度模型，用宽角和垂直入射资料进行走时反演，然后做全波形反演业确定BSR的地震成因。最合适的模型显示了两处的BSR之下具相似的低速（1.4km/s），暗示圈闭了低饱和度（10％）的游离气，反演结果也显示有一薄层高速楱状体，最大速度为2.3km/s，刚好位于布莱克洋脊的BSR上方；计算了沉积物反射率，观察到卡罗来纳海隆具有较高的反射率，BSR之下的反射率增加几乎与两个站位的含气带对应。根据速度模型估算了水合物的浓度。另一方面，占沉积物总体积3%的水合物之平均浓度暗示布莱克洋脊地区水合物稳定带厚度少一半。卡罗来纳海隆水合物平均 浓度最大为20%，卡罗来纳海隆7%。这两处水合物浓度高，无法仅用原地生物活动来解释，可能与次生的聚集机制不关，因稳定域迁移引起水合物循环，可能影响两地的水合物凝聚。另外，流体向上排出的增加，也可以使 布莱克洋脊生存下去。     

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。     

西沙海槽潜在天然气水合物成因及形成地质模式

西沙海槽具备良好的热解成因气及断层通道、深部异常压力等运移条件,分析海底表层沉积物所含甲烷气来源可以很好地指示潜在天然气水合物成因.西沙海槽海底表层沉积物所含甲烷气以热解成因气为主,可能混有少量生物成因气.表层沉积物所含甲烷气为断层渗逸-自由扩散作用双重运移结果,主要有3种来源：（1）直接来自于下部断层通道中气态烃的释放;（2）来自于动态变化的水合物分解,再由渗滤作用或沿浅部微小断层向上运移;（3）来自于原地少量的生物气.不同地区有不同的气体来源,这是海底表层沉积物甲烷高值区与下部断层相关性较大而与BSR区域并非完全一致的原因.甲烷气来源及运聚条件综合分析表明,潜在天然气水合物以热解成因为主,为断层-渗滤综合地质模式.