泥火山與天然氣水合物

IssN1009-2722Marine Geology Letters海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2006,22(12):20-23文章編號:1009-2722(2006)12-0020-04泥火山與天然氣水合物梁杰,龔建明,陳建文(青島海洋地質(zhì)研究所,青島266071)摘要:系統地介紹了泥火山在全球的分布特征;闡述了水下泥火山形成的原因和機制;總結出4類(lèi)泥火山的形成原因和兩個(gè)泥火山形成機制;在此基礎上深入地分析了天然氣水合物與泥火山的關(guān)系及泥火山中天然氣水合物的資源量。關(guān)鍵詞:泥火山;天然氣水合物;形成機制中圖分類(lèi)號:P744.4文獻標識碼:A物);②局部特殊地形特征的出現。這些地貌1泥火山的研究意義在旁?huà)呗暭{圖上具有強烈的后反射,也可直接通過(guò)深潛器和水下攝像獲得。但在實(shí)際工作泥火山往往又被稱(chēng)作泥質(zhì)底辟泥丘等,但中,即使是有兩個(gè)判定標準,確認泥火山也是非實(shí)際上它們并不完全相同。常困難的。根據上述的兩個(gè)標準,我們可以對海底泥火山是一種海底地形建造,代表了已知的泥火山進(jìn)行分析、比對。已知的泥火山水、鹽水、氣體、石油或沉積物的流動(dòng)和噴發(fā)。大多分布在巴巴多斯島、墨西哥灣、尼日利亞泥火山與泥底辟有密切的聯(lián)系,可以說(shuō)所有的挪威、地中海、布萊克海、里海海域等海域,形成泥火山都與泥底辟相關(guān),反之卻不成立[1,2了9個(gè)主要的泥火山分布區,其中,地中海內的對泥火山的研究是非常必要的,其重要性泥質(zhì)底辟/火山機制區形成了連續的地中海海主要表現在以下幾個(gè)方面:①泥火山是甲烷從山泥質(zhì)底辟帶( Limonov,1996)。許多地區的巖石圈進(jìn)入水圈和大氣圈的途徑之一;②它們水下泥火山具有以下標志特征:①在海底附近為沉積物深處是否蘊藏油、氣提供了證據;③形成直徑可達數千米的次圓形結構,并可在測通過(guò)研究泥火山中的巖石碎屑可以了解深部的深圖或聲納圖上顯示出來(lái);②顯示在地震圖像信息:④水下泥火山可能影響鉆井、管線(xiàn)設計上的刺穿海底的泥質(zhì)底辟;⑧在聲學(xué)剖面上、和安裝;⑤與之密切相關(guān)的氣體水合物是一種深潛器實(shí)際觀(guān)察中無(wú)人深潛器、水下攝像觀(guān)察重要的、潛在的能源。中發(fā)現的海底構造之上的流體泄漏;④淺水區中非永久性的泥質(zhì)小島;⑤水體表面的氣泡,2泥火山的特征與分布它們可能是泥火山釋放的。截止到目前為止在全球海域中發(fā)現有27般認為確認海底泥火山有兩個(gè)關(guān)鍵標處分布有泥火山。在某些地區泥火山出現的幾準:①巖心中出現特殊的泥火山沉積(如泥質(zhì)率非常高。但在一些意想不到的海區也常有泥角礫包含一系列年齡組成構造不同的沉積火山出現例如波羅的海。那里的沉積物厚度大約僅有10m,但卻發(fā)現有微型的泥火山(直收稿日期:2006-10-20徑1.5m,高約30cm)作者簡(jiǎn)介:杰(1979-),男,碩士,從事石油地質(zhì)研究水下泥火山的規模一般要大于陸上的。由第22卷第12期梁杰,等:泥火山與天然氣水合物21會(huì )有大量的泥火山被發(fā)現。泥火山幾乎都出現的出現;③斷層的出現;④側向構造擠壓作于陸架、大陸或海底斜坡及陸內海深水區中,對用;⑤地震活動(dòng);⑥地殼均衡過(guò)程。這些地區的地質(zhì)和構造背景的研究對了解泥火(3)地球化學(xué)成因山活動(dòng)機制非常重要。①沉積物深部石油生成過(guò)程;②黏土脫在陸內海的深水區,如里海和布萊克海都水作用。發(fā)現有泥火山。這些地區的沉積物是陸源的,(4)流體地質(zhì)成因典型厚度為10~20km,形成于第三紀到現代,沿斷裂帶的流體遷移。具較高的沉降和堆積速率,泥質(zhì)底辟和斷層使可以看到,這些成因中有許多是相互連續許多沉積物層序發(fā)生形變?；ハ嘁蕾?lài)的。在不同海區,泥火山形成的成因在被動(dòng)大陸斜坡,水下泥火山主要分布在是不同的。這使泥火山的成因多種多樣,難以挪威、尼日利亞、墨西哥灣海域。在前兩個(gè)地區歸納出一個(gè)由確定的幾個(gè)因素構成的泥火山形中,泥火山被限制在水下扇上沉積物由第三紀成原因。一個(gè)權益之計是明確泥火山形成的關(guān)陸源沉積物構成沉積速率較高,并且在尼日爾鍵因素,以此預測泥火山的活動(dòng)區域,根據已知三角洲,有許多底辟體和斷層。墨西哥灣的大推測泥火山的分布規律?；谶@種考慮,我們陸斜坡是非常復雜的深水區,該區地質(zhì)條件表可以確定兩個(gè)關(guān)鍵的泥火山成因條件:①在地現為快速沉積、斷裂活動(dòng)和底辟構造等作用相中海深水區和被動(dòng)大陸邊緣上的高沉積速率;結合的特點(diǎn)。②在活動(dòng)大陸邊緣上的側向構造擠壓作用。在活動(dòng)大陸邊緣上,泥火山在地中海和巴此外,在泥火山形成過(guò)程中必須有塑性黏土層巴多斯島海域的存在已得到證實(shí),但這些地區的出現,另外在許多地區,水下泥火山多形成于的地質(zhì)和構造背景不同。在地中海海域,泥火那些具有高沉積速率和側向擠壓作用的區域。山僅分布在增生楞柱區內,區內以復雜的推覆泥火山的成因常與其形成機制有關(guān)。泥火構造為特征。巴巴多斯海域,泥火山除了分布山的形成作用一般被認為是深部積累的氣體破在增生楞柱區外,在楞柱之前的海區中也有分壞、刺穿海底的底辟活動(dòng)液化沉積物沿斷層上布,而這些地區的沉積物厚度僅有2.3km?？偵饔眉八衔锓纸獾漠a(chǎn)物。通過(guò)分析泥火山體來(lái)看大多數已經(jīng)發(fā)現的泥火山主要分布在活的地震剖面和形態(tài)特征可以確定,所有的泥火動(dòng)大陸邊緣上。山具有兩個(gè)形成機制( Milkov,2000)。機制一:泥火山直接形成于底辟體之上,這3水下泥火山形成的原因和機制些底辟體可能到達海底表面。里海的一些泥火山可能就是這種機制的產(chǎn)物。該類(lèi)泥火山通?？茖W(xué)工作者們對泥火山形成的原因和機制規模比較大,直徑可達7km,高度可達200m,提出了不同的看法。歸納主要有4~7種泥火可由多個(gè)噴口形成。沉積層的密度倒轉或是山的形成原因,它們可以分成4大類(lèi):沿斷層的擠壓作用造成了底辟體上升至海底表(1)地質(zhì)原因面,這種與底辟有關(guān)的泥火山的形成常常依賴(lài)①巨厚的沉積蓋層(8~22km),沉積物主于流體的遷移作用,也與沉積物粒度、底辟物質(zhì)要為陸源碎屑;②沉積層的次表面有泥質(zhì)塑性的固結程度相關(guān)。層存在;③具有巖石密度倒轉現象;④在沉積機制二:液化的沉積物沿斷層和斷裂體系向物深部有氣體積累出現;⑤有高壓力異常。上遷移。在這種情況下,具高流體含量的沉積物(2)構造條件到達海底表面形成泥火山建造。這些泥火山可①由于高沉積速率或逆沖塊體超覆而造能與由密度倒轉形成的底辟相聯(lián)系,而底辟很可22Marine Geology Letters海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2006年12月和布萊克海區就有這種泥火山出現5,然而,在的賦存情況分析表明,天然氣水合物普遍存在于很多情況下底辟位于泥火山之下,無(wú)法直接觀(guān)泥火山或泥底辟頂部附近2。在泥火山的任何測泥火山通道直接穿入物源層。流體遷移在這部位水熱和交代過(guò)程的混合都可能出現。種機制中也起著(zhù)根本性的作用。由于壓力差的存在,流體與泥土一起或單獨活動(dòng)。在后者的情況下,流體泄漏(鹽水、水、氣體)在泥火山形成之前就已經(jīng)存在,。這樣形式的泥火山以泥巖角流體礫中高流體含量為特征,形成較平坦的圓錐建◇氣體造,高出海底數米,或是表現為從海底裂隙中噴水合物出的泥流。從已有的實(shí)例來(lái)看,以第2種機制形◇成的泥火山在海底比較常見(jiàn)。GHSz oGHSZ4天然氣水合物與泥火山的關(guān)系天然氣水合物與泥火山的關(guān)系首先是由a泥火山中心部分以水熱過(guò)程為主的形成模式;b泥火山邊緣以交代過(guò)程為主的形成模式burg發(fā)現的。此后,在里海、布萊克海、地中海、巴巴多斯海區、尼日利亞海域和墨西哥灣圖1泥火山中天然氣水合物形成模式(據Mkv,2000海域都發(fā)現了與泥火山有密切聯(lián)系的水合Formation of gas hydrate in mud volcanoes物10。1996年“ Gelendzhik”號的TTR6航次對位于克里木大陸邊緣(黑海北部)東南面的5泥火山中天然氣水合物資源量Sorokin海槽采樣,在5個(gè)含有泥質(zhì)角礫巖的巖心中均觀(guān)察到了氣體水合物( Henrie,2000。進(jìn)甲烷是與泥火山相關(guān)的水合物的主要氣體步證實(shí)了底辟構造與水合物的密切關(guān)系。組分。為了估算世界上這種水合物中甲烷的含與泥火山有關(guān)的水合物具有許多共同的特量,我們必須首先要知道水合物聚集體中的甲點(diǎn)譬如沉積物中水合物的顏色常常表現為白色烷濃度,其次是泥火山中所含水合物的數量或灰白色,常以片狀形式出現,在沉積物中很少對里海海域泥火山中所含水合物的數量估出現定向分布等等。沉積物中水合物含量變化算研究比較深入,取得了一些相關(guān)的經(jīng)驗。對巨大(體積百分比范圍1%~35%,在泥火山的全球海洋中泥火山蘊含水合物數量的計算是在不同深度上水合物含量變化都比較大。甲烷是已知泥火山分布區內的,泥火山的分布密度的氣體水合物的主要成分,在成因上可分為熱成基礎上獲得的。 Brown和 Westbrook((1988)算因、生物成因和混合成因3種。對挪威海域泥火得巴巴多斯海域泥火山的密度約有450個(gè)每山的研究發(fā)現泥火山中的水合物集聚體具有同150000km2。在其他一些地區泥火山密度可心帶狀構造,受溫暖的上涌流體的控制:2能要小些,例如,布萊克海域為大約30個(gè)、里海圖1是建立在挪威海域數據基礎上的泥火大約60個(gè),而地中海東部則超過(guò)150個(gè)。也有山中水合物成礦過(guò)程的模型,這種模型,它以呈某些海域僅有唯一的泥火山,比如挪威海域。同心帶狀分布的水合物為特征。氣體水合物即所有溫度壓力符合水合物形成的深水泥火可出現在泥火山建造內也可出現在它周?chē)某辽絽^都屬于大陸和洋島的斜坡部分,或是內陸積物內但兩者間的水合物形成過(guò)程是不同的,海的深水區。這些形態(tài)單元的總面積大約為然而,從這些地區(墨西哥灣鄂霍次克海、里海、70×10km2(大約占世界海洋總面積的第22卷第12期梁杰,等;泥火山與天然氣水合物23度代人所有可能出現泥火山的海域,那么就可量可以估算與全球深水泥火山相關(guān)的氣體水合以得到世界深水泥火山總數的上限數值,大約物聚集中的甲烷量。為200000個(gè)。根據其他海區的泥火山密度可參考文獻:以算得相對低一些的估算值,分別為里海40000個(gè)、布萊克海5000個(gè)、地中海3000個(gè),因[1] Plank S, Svensen H, Holand M,etal. Mud and fluid此,103~105是世界上深水泥火山總數的合理migration in active mud volcanoes in Azerbaijan [J].估算值。根據泥火山密度的實(shí)際觀(guān)察結構來(lái)Geo-Marine Letters, 2003. 23: 258-268[2] Brown K M, Westbrook G K Mud diapirism and sucre-看,這些估算值是比較合適的tion in the barbadosaccretionary complex The to然而,不是所有的泥火山都含有水合物role of fluids in accretionary processes [J]. Tectonics在巴巴多斯海域,在5個(gè)取樣的泥火山中僅有1988,7;613-640.1個(gè)證實(shí)含有水合物;在布萊克海的深水區,8[3] Ginsburg G D, Soloviev V A Mud volcano gas hydrates個(gè)采樣的泥火山中僅發(fā)現兩個(gè)含有水合物;在in the Gaspian Sea []. Bulletin of the Geological Societyof denmark,1994,41:95-100.地中海 Olimpi k,采得23個(gè)泥火山和底辟體[ Brown K M. The nature and hydrogeologic significance的樣品,未發(fā)現水合物,但 Brumback(199)報of mud diapirism and diatremes for accretionary systems道,通過(guò)孔隙水標志,表明這些泥火山中存在水[]. Geophysical Research, 1990, 9518969-8 982合物;在地中海 Anaximander區,采得6個(gè)泥[5] Asses, Sweet S T, Milkov A v,etl. Geology and ge火山的樣品,僅發(fā)現1個(gè)含有水合物,因此,含ochemistry of gas hydrated central Gulf of Mexico conti-水合物的泥火山量可能僅占泥火山總量的nental slopeD]. Gulf Coast Association of Geological So-cieties Transactions, 1999, 49: 462-46810%。根據單個(gè)泥火山的水合物含量、世界含[6 Hernry P, Le pichon x, Lallemant S,etal. Fluid flow in水合物的泥火山數量以及水合物中甲烷的含and around a mud volcano field seaward of the Barbados量,可以算得世界泥火山中水合物的甲烷總量accretionary wedge: results from Manon cruise[J]Re-為1010~1012m3。但這只是一個(gè)初步的估算search,1996,101:20297-20323值,要精確的了解世界泥火山所蘊藏的甲烷總7] Ginsburg G D, Ivanov V L, Soloviev V A Natuhydrates of the worlds oceans[C]//. Oil and Gas Con-量還需進(jìn)一步的工作。tent of the Worlds Oceans, PGO Sevmorgeologia, 1984.141-1586結論[8] Ginsburg G D, Milkov A V, Soloviev V A, et al. Gas hydrate accumulation at the Haakon Mosby mud volcano[]. Geo- Marine Letters,1999,19,57-67.(1)己發(fā)現或推測存在海底泥火山的所有[9] Ginsburg G D, Kremlev A N, Grigor'ey M N,et al. Fil-地區都局限于陸坡、島坡和內陸海的深水區。trogenie gas hydrates in the black Sea( twenty-first voy-這些地區的地質(zhì)和構造特征表明海底泥火山的age of the research vessel Evpatoria)[J]. Sov. Geol.形成有兩種主要原因:高沉積速率,橫向構造擠Geophys.,1990,31;8-16壓,但也需要存在塑性黏土層,并且泥火山形成[10] Corthay I,J E. Delineation of a massive seafloor hydroand s需要的其他條件也都源自這兩個(gè)主要原因。gas reservoir, Louisiana continental slope [C]//Of(2)泥火山中氣體水合物形成的通用模型shore Technology Conference, Houston, Texas, 1998,是:泥火山中心的氣體水合物形成是水和甲烷37-56滲濾驅動(dòng)的低溫熱液過(guò)程,而在泥火山的邊緣[1] Kvenvolden K a. Methane hydrate-a major reservoir of氣體水合物由甲烷擴散和與地層水的混合所驅carbon in the shallow geosphere? [J] Chemical Geol動(dòng)的交代作用所形成gy,1988,71:41-51[12] Kvenvolden K A, Ginsburg G D, Soloviev V A. World-(3)通過(guò)計算深水泥火山的總數量、含水wide distribution of subaquatic gas hydrate [J].Geo-