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琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征

江定川 刘睿 赵晓明 方小宇 葛家旺 陆江 姚哲 朱继田 宋鹏

江定川,刘睿,赵晓明,等. 琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征[J]. 海洋地质前沿,2021,37(7):43-51 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.094
引用本文: 江定川,刘睿,赵晓明,等. 琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征[J]. 海洋地质前沿,2021,37(7):43-51 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.094
JIANG Dingchuan, LIU Rui, ZHAO Xiaoming, FANG Xiaoyu, GE Jiawang, LU Jiang, YAO Zhe, ZHU Jitian, SONG Peng. DYNAMIC MIGRATION OF GAS HYDRATE STABILITY ZONE IN THE DEEP WATER AREAS OF THE QIONGDONGNAN BASIN SINCE PLIOCENE AND ITS DISTRIBUTION PATTERN[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(7): 43-51. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.094
Citation: JIANG Dingchuan, LIU Rui, ZHAO Xiaoming, FANG Xiaoyu, GE Jiawang, LU Jiang, YAO Zhe, ZHU Jitian, SONG Peng. DYNAMIC MIGRATION OF GAS HYDRATE STABILITY ZONE IN THE DEEP WATER AREAS OF THE QIONGDONGNAN BASIN SINCE PLIOCENE AND ITS DISTRIBUTION PATTERN[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(7): 43-51. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.094

琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征

doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.094
基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)“南海水合物富集规律及固态流化开采机理研究(一期)”(ZJW-2019-03);国家自然科学基金(42072184,41702157)
详细信息
    作者简介:

    江定川(1997—),男,在读硕士,矿产普查与勘探专业. E-mail:1924818601@qq.com

    通讯作者:

    刘睿(1988—),男,博士,副研究员,主要从事石油与天然气地质学教学与科研工作. E-mail:liurui@outlook.com

  • 中图分类号: P744.4;P618.13

DYNAMIC MIGRATION OF GAS HYDRATE STABILITY ZONE IN THE DEEP WATER AREAS OF THE QIONGDONGNAN BASIN SINCE PLIOCENE AND ITS DISTRIBUTION PATTERN

  • 摘要: 琼东南盆地深水区天然气水合物富集条件优越,具有巨大的勘探开发前景。基于近年来新获取的海洋地质地球物理关键参数,反演了琼东南盆地深水区上新世(约5 Ma)以来的天然气水合物稳定域迁移过程。研究表明:琼东南盆地现今天然气水合物稳定域主要存在于水深>600 m的海底,约在水深1 800~2 400 m处水合物稳定域厚度达到最大值,约190 m;冰期海平面下降导致水合物稳定域向深海平原迁移,而陆坡-深海平原转换带的水合物稳定域厚度则相对于现今减薄约80 m;岩浆热事件导致深海平原水合物稳定域厚度减薄约50 m,天然气水合物随之分解后释放大量气体导致多边形断层形成。
  • 图  1  琼东南盆地构造区划与典型凹陷结构地震剖面

    Figure  1.  Tectonic map of the Qiongdongnan Basin with a typical seismic profile

    图  2  南海西北部沉积浅层(<100 mbsf)实测地温梯度与浅层(<100 mbsf)、深层(>1 000 mbsf)地温梯度差异机制示意图

    Figure  2.  Geothermal gradient of shallow buried sediments(<100 mbsf) and schematic diagram of the variation in geothermal gradient between shallow(<100 mbsf)and deep buried(>1 000 mbsf)sediments in the northwestern South China Sea

    图  3  琼东南盆地水合物钻井样品天然气组分[13, 15]

    Figure  3.  Hydrocarbon concentration of hydrate core samples taken from the Qiongdongnan Basin[13, 15]

    图  4  琼东南盆地海底温压条件及天然气水合物相边界

    Figure  4.  Fig.4 Sea floor temperature and pressure conditions and gas hydrate phase boundaries in the Qiongdongnan Basin

    图  5  琼东南盆地深水区地层温度梯度与天然气水合物稳定域(GHSZ)厚度

    Figure  5.  Geothermal gradient and gas hydrate stability zone (GHSZ) thickness in the deepwater area of the Qiongdongnan Basin

    图  6  琼东南盆地地震剖面中天然气水合物稳定域(GHSZ)与似海底反射(BSR)分布

    图6a据文献[14]修改

    Figure  6.  Distribution of gas hydrate stability zone (GHSZ) and bottom simulating reflection (BSR) in a seismic profile in the Qiongdongnan Basin

    图  7  南海北部近500 ka以来的表层海水温度和海平面相对变化

    Figure  7.  Surface water temperature and sea level changes in the northern South China Sea during the last 500 ka

    图  8  冰期与热事件作用下的天然气水合物稳定域厚度变化

    Figure  8.  Thickness variation of gas hydrate stability zone caused by glaciation and thermal event

    图  9  约5 Ma时期陆坡上倾方向的陆架边缘三角洲前缘滑塌与深海平原区的多边形断层

    Figure  9.  Collapse of shelf edge delta front on the updip of the continental slope and polygonal fault in the abyssal plain about 5 Ma

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-11
  • 网络出版日期:  2021-06-23
  • 刊出日期:  2021-07-28

琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征

doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.094
    基金项目:  南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)“南海水合物富集规律及固态流化开采机理研究(一期)”(ZJW-2019-03);国家自然科学基金(42072184,41702157)
    作者简介:

    江定川(1997—),男,在读硕士,矿产普查与勘探专业. E-mail:1924818601@qq.com

    通讯作者: 刘睿(1988—),男,博士,副研究员,主要从事石油与天然气地质学教学与科研工作. E-mail:liurui@outlook.com
  • 中图分类号: P744.4;P618.13

摘要: 琼东南盆地深水区天然气水合物富集条件优越,具有巨大的勘探开发前景。基于近年来新获取的海洋地质地球物理关键参数,反演了琼东南盆地深水区上新世(约5 Ma)以来的天然气水合物稳定域迁移过程。研究表明:琼东南盆地现今天然气水合物稳定域主要存在于水深>600 m的海底,约在水深1 800~2 400 m处水合物稳定域厚度达到最大值,约190 m;冰期海平面下降导致水合物稳定域向深海平原迁移,而陆坡-深海平原转换带的水合物稳定域厚度则相对于现今减薄约80 m;岩浆热事件导致深海平原水合物稳定域厚度减薄约50 m,天然气水合物随之分解后释放大量气体导致多边形断层形成。

English Abstract

江定川,刘睿,赵晓明,等. 琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征[J]. 海洋地质前沿,2021,37(7):43-51 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.094
引用本文: 江定川,刘睿,赵晓明,等. 琼东南盆地深水区上新世以来天然气水合物稳定域时空迁移及其分布特征[J]. 海洋地质前沿,2021,37(7):43-51 doi:  10.16028/j.1009-2722.2021.094
JIANG Dingchuan, LIU Rui, ZHAO Xiaoming, FANG Xiaoyu, GE Jiawang, LU Jiang, YAO Zhe, ZHU Jitian, SONG Peng. DYNAMIC MIGRATION OF GAS HYDRATE STABILITY ZONE IN THE DEEP WATER AREAS OF THE QIONGDONGNAN BASIN SINCE PLIOCENE AND ITS DISTRIBUTION PATTERN[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(7): 43-51. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.094
Citation: JIANG Dingchuan, LIU Rui, ZHAO Xiaoming, FANG Xiaoyu, GE Jiawang, LU Jiang, YAO Zhe, ZHU Jitian, SONG Peng. DYNAMIC MIGRATION OF GAS HYDRATE STABILITY ZONE IN THE DEEP WATER AREAS OF THE QIONGDONGNAN BASIN SINCE PLIOCENE AND ITS DISTRIBUTION PATTERN[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(7): 43-51. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.094
    • 天然气水合物是由水分子构成的“刚性笼格”捕获天然气分子而形成的天然固体冰状物质。常见2种水分子笼格:sⅠ型结构主要捕获纯CH4,通常发生在微生物来源的天然气水合物系统;sⅡ型结构则还会捕获C2H6、C3H8i-C4H10等,大多是深部油气藏储集层热成因天然气的泄漏。天然气水合物的赋存受控于温度-压力-流体组分间的热力学平衡条件。满足天然气水合物稳定赋存的实际地质空间,通常被称之为天然气水合物稳定域(Gas Hydrate Stability Zone,GHSZ)。深海环境中,海底的高压、低温条件即可形成GHSZ。据估算,全球海洋中GHSZ体积约(5~31.2)×106 km3,相应的碳储量高达100~74 400 GtC,大约是煤、石油和传统天然气储量的2倍,显示出巨大的能源前景[1-3]。由于GHSZ之下的游离气聚集往往引起地震波形成似海底反射(Bottom Simulating Reflection,BSR),因此,许多地区可利用地震反射剖面中的BSR直观约束GHSZ[4]。然而,在没有明显BSR特征的地区也可以赋存天然气水合物,而且BSR也并不总是表征天然气水合物的存在[5-8]。此外,海底温度、压力时空扰动极易诱发GHSZ动态迁移,而在GHSZ迁移过程中,天然气水合物可分解、释放大量甲烷。受压甲烷气体的突然释放可能导致海底滑坡,进而引发海啸,亦可增大温室气体排放,影响全球气候[9];因此,精准刻画GHSZ的时空分布是实现天然气水合物资源勘探开发、地质灾害预警以及环境气候预测等共同关注的焦点。

      琼东南盆地天然气水合物勘查持续了约20年,期间进行了多轮GHSZ评价。考虑到天然气组分差异,陈多福等[10]预测琼东南盆地的sⅠ、sⅡ型水合物GHSZ存在的临界水深分别约为600、450 m,而在1 000~2 000 m深水区,sⅠ、sⅡ型水合物GHSZ厚度分别为248~410 、228~314 m。刘杰等[11]认为琼东南盆地华光凹陷现今存在GHSZ的临界水深约600 m,现今GHSZ厚度可>300 m,并反演出GHSZ自1.05 Ma以来的动态变化。朱继田等[12]预测琼东南盆地北礁凹陷-松南低凸起一带深水区(水深1 480~1 805 m)的GHSZ厚度总体约300 m,但在气烟囱或岩浆活跃区的热异常(地温梯度>10 ℃/100 m)导致GHSZ减薄至约200 m。近年来(2016—2019年),琼东南盆地松南-宝岛凹陷(水深1 722~1 737 m处)多口钻井在海底以下7~174 m成功钻取天然气水合物样品,并揭示了sⅠ、sⅡ型水合物GHSZ厚度分别约为130、160~190 m[13-15]。由此可见,多轮GHSZ评价结果仍与实际钻井情况存在差异。本文将利用最新获取的地质地球物理关键参数,再次开展琼东南盆地深水区GHSZ评价,在提高GHSZ评价结果精准度的同时,探究其时空迁移规律,以期为天然气水合物勘探开发提供指导或参考借鉴。

    • 琼东南盆地位于南海北部大陆边缘西区,北邻海南岛,南接西沙群岛,覆盖面积约6×104 km2,现今海水深度约100~2 800 m(图1a)。琼东南盆地是一个NE—SW向的新生代沉积盆地,形成于南海北部断陷大陆边缘的西端,主要经历了3幕构造演化:早始新世—渐新世断陷、早—中中新世裂后热沉降和晚中新世以来加速热沉降[16-17]。盆地内NE—SW向、近EW向断裂活动形成了隆坳相间的构造格局。其中,深水区主要为中央坳陷带及南部隆起区,中央坳陷带自西向东可细分为乐东、陵水、松南、宝岛和长昌凹陷。中央坳陷带莫霍面深度与海水深度呈镜像对称[18]图1b)。琼东南盆地沉积盖层平均厚达12 km,主要包括始新统湖相沉积,下渐新统河流相、滨海沼泽相沉积,上渐新统浅海相沉积,中新统—第四系深海沉积。其中,湖相泥岩有机质丰度高、成熟度高,是热成因油气的主力烃源岩;海相泥岩有机质丰度低、成熟度低,亦具备形成一定的生烃潜力。

      图  1  琼东南盆地构造区划与典型凹陷结构地震剖面

      Figure 1.  Tectonic map of the Qiongdongnan Basin with a typical seismic profile

    • 天然气水合物形成的平衡条件主要取决于地层温度、地层孔隙流体压力、孔隙流体组分(气源及水成分)。其中,孔隙流体组分包括天然气组分和孔隙水阴、阳离子组分[19]。尽管不同学者建立了特定流体组分体系中天然气水合物相边界P-T平衡方程,但SLOAN和KOH[20]的理论计算模型普适性最强。

    • YANG等[21]基于2001—2016年间在南海获取的158组数据,拟合出了海水深度(Z,m)与海底温度(Tseafloor,℃)的函数关系,其中,

      Z≤1 500 m时,

      $$ \begin{split} {T_{{\rm{seafloor}}}} =& 3.277 \times {10^{ - 15}}{Z^5} - 5.780 \times {10^{ - 12}}{Z^4} - \\ &1.578 \times {10^{ - 8}}{Z^3} + 5.112 \times {10^{ - 5}}{Z^2} - \\ &5.240 \times {10^{ - 2}}Z + 24.010 \end{split}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! $$ (1)

      当1 500 m<Z≤4 500 m时,

      $$ \begin{split} {T_{{\rm{seafloor}}}} =& - 5.143 \times {10^{ - 17}}{Z^5} + 7.860 \times {10^{ - 13}}{Z^4} - \\ &4.686 \times {10^{ - 9}}{Z^3} + 1.367 \times {10^{ - 5}}{Z^2} - \\ &1.968 \times {10^{ - 2}}Z + 13.780 \end{split}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! $$ (2)
    • 基于浅层(<100 mbsf)海底温度探针、深层(>1 000 mbsf)油气钻井2种方式在南海北部勘查中获取了大量地层温度(梯度)数据[13,15,22-30]。尽管地层温度随埋深增大而增大,但地层温度梯度却随埋深增大而逐渐减小。深层地层温度梯度总体较为稳定,介于30~45 ℃/km。深层、浅层地温梯度可基于傅里叶定律(热流密度等于热导率与地温梯度的乘积;忽略沉积岩放射性衰变生热贡献,深、浅层热流密度大致相同),结合地层热导率进行换算。其中,深层地层热导率总体介于1~3 W/mK,平均约2 W/mK[22,30];浅层地层热导率总体<1 W/mK,平均约0.85 W/mK[24-27]。浅层地层温度梯度变化范围较大,总体介于40~160 ℃/km,但与海水深度表现出较好的相关性(图2a)。浅层地层温度梯度与海水深度的相关性,主要取决于2个方面:①海水深度增大直接降低了海底温度;②海水深度增大与莫霍面深度减小大致耦合(图1b),深部热源自莫霍面向浅层高效传导后,扩大了沉积浅层与海底间的温度差异,最终表现为温度梯度增大(图2b)。

      图  2  南海西北部沉积浅层(<100 mbsf)实测地温梯度与浅层(<100 mbsf)、深层(>1 000 mbsf)地温梯度差异机制示意图

      Figure 2.  Geothermal gradient of shallow buried sediments(<100 mbsf) and schematic diagram of the variation in geothermal gradient between shallow(<100 mbsf)and deep buried(>1 000 mbsf)sediments in the northwestern South China Sea

    • 琼东南盆地实测地层孔隙流体压力数据较少涉及沉积浅层(<1 000 mbsf)。然而,沉积浅层缺乏超压发育有利条件,可假设为静水压力状态。尼泊尔深水三角洲在沉积速率高达800 m/Ma的情况下,欠压实超压顶界面约在1 000 mbsf[31]。琼东南盆地深水区沉积速率最高约500 m/Ma,沉积浅层难以形成欠压实超压。另外,热化学成因超压机制中:黏土矿物转化、有机质热解通常所需地层温度>60~80 ℃[32];生物蛋白石转化在非常年轻的沉积物中需要40~55 ℃(在>50 Ma古老沉积物中也需要10~20 ℃)[33]。因此,这种热化学超压在该区浅层亦不能形成。主要是由于琼东南盆地的温度窗口主要出现于>1 000 mbsf[28],另一方面,有机质丰度低、蛋白石含量低[34],二者均不足以形成热化学成因超压。

    • 琼东南盆地天然气水合物钻井揭示,天然气组分中CH4含量总体介于70%~98%,随埋深增大而逐渐减小;C2H6、C3H8含量分别介于0~17%、0~7%,且均随埋深增加而逐渐升高;i-C4H10n-C4H10、CO2含量较低(图3[13,15]。复杂的天然气组分为sⅠ、sⅡ型水合物GHSZ共存创造了条件。

      图  3  琼东南盆地水合物钻井样品天然气组分[13, 15]

      Figure 3.  Hydrocarbon concentration of hydrate core samples taken from the Qiongdongnan Basin[13, 15]

    • 琼东南盆地GHSZ存在的临界水深约600 m,陆坡-海盆转换带(水深约1 800~2 400 m)是水合物勘探开发最有利的目标区(图45)。水深约600~2 400 m的陆架斜坡-深海平原过渡区,GHSZ厚度总体随海水深度增加而增大,其中在水深1 800~2 400 m处达到最大值,约190 m;在水深>2 400 m的深海平原,GHSZ厚度随海水深度略有降低(图5)。深海平原区莫霍面埋深浅、地温梯度大,可能是导致GHSZ厚度减薄的主要原因。

      图  4  琼东南盆地海底温压条件及天然气水合物相边界

      Figure 4.  Fig.4 Sea floor temperature and pressure conditions and gas hydrate phase boundaries in the Qiongdongnan Basin

      图  5  琼东南盆地深水区地层温度梯度与天然气水合物稳定域(GHSZ)厚度

      Figure 5.  Geothermal gradient and gas hydrate stability zone (GHSZ) thickness in the deepwater area of the Qiongdongnan Basin

      与琼东南盆地前几轮评价结果相比[10-12,35],本次评价结果中现今GHSZ厚度显著减薄。本文仅考虑了沉积浅层实测热导率(平均约0.85 W/mK),未采用浅层、深层综合平均热导率(约1.6 W/mK或1.16 W/mK[11,35]),从而增大了沉积浅层地温梯度。采取这一思路的原因在于,琼东南盆地天然气水合物钻井实测所获得的地层温度梯度高达6.5~11.3 ℃/100 m[13,15],远高于前几轮评价预期。本次评价显著降低了与钻井实测数据间的误差,且与前人在此识别的BSR空间分布吻合[13-15,36-37]图6)。

      图  6  琼东南盆地地震剖面中天然气水合物稳定域(GHSZ)与似海底反射(BSR)分布

      Figure 6.  Distribution of gas hydrate stability zone (GHSZ) and bottom simulating reflection (BSR) in a seismic profile in the Qiongdongnan Basin

    • 南海北部深水沉积物记录了约4~5 Ma以来的多个冰期-间冰期气候旋回[38-42]。全球冰期气候背景下,南海北部表层海水温度相对于现今可降低约3~4 ℃;与此同时,全球海水在两极地区形成巨大冰盖直接导致海平面下降,仅南海北部海平面可相对下降约120 m(图7)。全球间冰期气候背景下,海水表层温度回升,两极冰盖消融、全球海平面回升。

      图  7  南海北部近500 ka以来的表层海水温度和海平面相对变化

      Figure 7.  Surface water temperature and sea level changes in the northern South China Sea during the last 500 ka

      假设地质历史时期海水中的温度梯度与现今相似,基于不同时期海水表层温度、海水深度即可恢复海底温度演化。现今海水深度越大,冰期海底温度变化越弱(图5)。其中,在现今海水深度<1 500 m的陆坡-海盆转换带,尽管冰期海底温度存在降低,但孔隙流体压力(静水压力)的显著降低仍会导致GHSZ厚度减薄约10~80 m(图8a)。因此,冰期气候背景下,海平面下降相对海底降温更容易导致GHSZ向深水区迁移。

      图  8  冰期与热事件作用下的天然气水合物稳定域厚度变化

      Figure 8.  Thickness variation of gas hydrate stability zone caused by glaciation and thermal event

      冰期海平面快速下降后,陆坡区天然气水合物迅速分解为天然气,可在斜坡上倾方向大规模、快速聚集,进而诱发规模性海底滑坡。在地震剖面上,琼东南盆地陆坡上倾方向存在大量约5 Ma以来的陆架边缘三角洲前缘滑塌痕迹(图9a)。

      图  9  约5 Ma时期陆坡上倾方向的陆架边缘三角洲前缘滑塌与深海平原区的多边形断层

      Figure 9.  Collapse of shelf edge delta front on the updip of the continental slope and polygonal fault in the abyssal plain about 5 Ma

    • 地球物理反演显示,琼东南盆地经历了多幕构造热事件[43]。其中,最近一次热事件发生在约5 Ma,是岩浆热事件、岩石圈裂后冷却及岩石生热贡献的叠加效应。WANG等[43]反演出的琼东南盆地热流历史显示,约5 Ma时期的热事件主要增大了琼东南盆地中央坳陷带热流值。假设约5 Ma时期深水浅层沉积物的热导率与现今相当(平均约0.85 W/mK),则可根据傅里叶定律确定古地层温度梯度(图8b)。类比现今间冰期气候下的海水深度和海底温度,预测出约5 Ma时期的GHSZ厚度最大约130 m。不同于冰期海平面下降导致陆坡-海盆转换带GHSZ减薄,热事件则主要导致海盆区GHSZ厚度相对于现今减薄约50 m(图8b)。海盆区GHSZ减薄后,分解出的大量天然气缺乏向上倾高部位侧向运移的动力,而急剧增大的流体压力则能够直接导致上覆地层发生高角度水力破裂。琼东南盆地中央坳陷带在约5 Ma发育的大量多边形断层(polygonal faults)可能是GHSZ迁移痕迹(图9b)。

    • (1)琼东南盆地南部深水区现今天然气水合物稳定域主要存在于水深超过600 m的海底。水深约600~2 400 m的陆坡-深海平原过渡区,水合物稳定域厚度总体随海水深度增加而增大,其在水深约1 800~2 400 m达到最大值(约190 m);水深>2 400 m深海平原存在较高基底热流,导致水合物稳定域厚度随海水深度略有降低。

      (2)琼东南盆地近5 Ma以来的岩浆热事件、冰期海平面下降曾导致水合物稳定域显著减薄。冰期海平面下降导致水合物稳定域向深海平原区迁移,而陆坡-深海平原转换带的水合物稳定域相对于现今减薄约80 m。陆坡-深海平原转换带地史时期大量水合物分解,可能是陆架边缘三角洲前缘滑塌重要诱发机制。研究区约5 Ma的岩浆热事件导致深海平原区水合物稳定域厚度减薄约50 m,大量水合物随之分解而释放气体导致多边形断裂形成。

参考文献 (43)

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