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布莱克海台水合物气资源评价
摘要:布莱克海台是全世界天然气水合物研究的热点之一。该区研究程度高、资料丰富,是进行对比研究的典型地区。论述了布莱克海台天然气水合物形成的地质条件和地球化学特征, 综述了该区水合物的研究历史和进展,介绍了对水合物气资源量的评价方法和评价结果。根据不同评价者和不同方法的评价, 布莱克海台区水合物气的资源量在(8～80)×1012m3[其中预测为(50～ 80)×1012m3 的资源量包含水合物层之下的游离气]之间。
关键词: 布莱克海台; 水合物; 资源评价

布莱克海台位于美国卡罗莱纳州南部查尔斯顿以东约400 km 的大西洋大陆性洋脊(图1) 是一个由等深流沉积物堆积形成的大陆隆, 其东南延伸方向与北美大陆边缘成正交[1,2 ]。深海钻探计划(DSPD) 早就预测到了该台区存在有天然气水合物藏[2]。大洋钻探计划(ODP) 164 和172 航次也对该区进行了专门考察。可以说, 在过去的30多年里, 布莱克海台一直是水合物调查研究的热点区。

图1　布莱克海台的地理位置
1 布莱克海台天然气水合物研究概况
布莱克海台和卡罗莱纳高地是世界最著名的海洋气体水合物的赋存地, 对水合物的研究有着重要的意义。
1.1 研究历史
早在1970 年,DSDP 就开始在布莱克海台进行考察, 由于在采集到的沉积物样品中发现了高浓度的甲烷, 考察人员便把这种甲烷同地震探测数据联系起来研究, 提出了布莱克海台存在甲烷水合物的假设。到了1980 年,DSDP 在该区采集到了水合物样品, 证实了这一假设。1995 年11 月和12 月,ODP第164 航次对布莱克海台区气体水合物藏和邻近的卡罗莱纳州高地进行了专项探查[2]。1997 年2 月,ODP 172 航次从南卡罗莱纳州的查尔斯顿出发, 对北大西洋布莱克—巴哈马外海台和卡罗莱纳州一线进行了更深入的调查, 主要目的是获取一个全新的晚第三纪的沉积物深度剖面, 以便认识北大西洋西部气候和洋流在上新世中期到更新世的变化情况[3]。另外, 在布莱克—巴哈马外部海台一线上的地震数据都显示了BSR 的存在, 而且孔隙水样品中氯化物的浓度变化也证明了气体水合物是存在的。
2001年9月, 科学家搭乘Alvin 潜水设备下潜2200 多米, 对布莱克海台进行了一次近距离的观察。除了收集到甲烷水合物的有关信息外, 还第一次观察到了冷泉化学合成生态系统。
1.2 天然气水合物形成机理研究
布莱克海台是由平行于海岸线的两股海底洋流在此的沉积作用而逐渐形成的。在古新世, 墨西哥湾暖流沿着大西洋海岸向北与向南的北冰洋寒流在此相汇, 导致两股洋流速度锐减而发生沉积作用。
较高的沉积速率有利于水合物的形成。已证实布莱克海台含水合物沉积物与海底等深流沉积有密切关系。等深流沉积是海洋沉积物沉积后又被活跃的深水流充分改造过的沉积, 它主要分布在沉积速率较高的地方, 它形成的首要条件是由于沉积物的压实固结作用不稳定而导致上升流的流动。布莱克海台晚中新世至全新世沉积速率为40～340 cm/Ma, 属于快速沉积区。由于等深流沉积具有颗粒较粗、储集物性好、气源充足和流体运移条件优越等特点, 对水合物的形成相当有利, 因此等深流沉积作用强烈的布莱克海台区有利于水合物的富集[4]。
在布莱克海台, 大量的甲烷被包含在水合物层和以游离气的形式聚集在水合物层之下。水合物形成和分解、甲烷的释放和重新聚集这一反复过程,是解释布莱克海台区游离气浓度与气体水合物之间相互关系的依据
关于布莱克海台主要拗陷过程与甲烷分解和释放之间的关系, 目前还没有完全弄清楚, 但存在两种解释。一种解释强调气体和沉积物的灾难性爆炸, 如在末次间冰期, 海平面下降导致海底地层压力降低,引起水合物分解和气体释放; 由于布莱克海台沉积物渗透率低和气体不能有效扩散, 致使压力增加、构造隆升、气体喷发。第二种解释认为, 由于沉积物的快速沉积, 使更多的甲烷通过高渗透性通道逐渐逸出, 其中一些高渗透性通道就连接着海底水合物的分解带[5]。
2 布莱克海台区域地质研究
2. 1钻孔站位分布
在卡罗莱纳高地布置了4 个观测孔(站位991、992、993 和996) , 孔深50～ 67 m , 用于观测沉积剖面的物理特性和气体的运移情况。站位991、992 和993 位于开普菲尔底辟构造的顶部和侧翼的更新世滑动带上[6], 站位996 位于布莱克海台底辟构造的断层面上[7]。
ODP第172航次在布莱克海台BSR 分布区内外都布置了站位, 这有利于评价气体水合物的横向分布和大陆隆的地球化学特征, 和判定由气体水合物直接或间接引起的成岩过程与各种地球化学模式的联系。

图2　布莱克海台地区研究站位分布[3]
图中:DSDP 第11 航次102、103 和104 站位和第76 航次533 站位用三角形标识; ODP 第164 航次994、995 和997 站位用圆形标识;ODP 第172 航次包括卡罗莱纳高地(站位1 054～ 1 057)、布莱克海台(站位1 058～ 1 061) 和巴哈马海台(站位1062) 各站位用菱形标识。阴影部分为BSR 分布区。
2. 2 沉积物特征
2. 2. 1岩性特征
布莱克海台是由上新世和中新世的沉积物堆积而成, 它的沉积速率超过350 mˆM a, 沉积物主要来源于大西洋西部的边缘潜流[8,9]。地层岩性序列相当均匀, 富含微型浮游生物化石的粘土和泥岩以及不同数量的蛋白石。该层段岩性序列从上到下依次为粘土、泥质粘土、泥岩。最古老的沉积物是中新世的, 它是一种灰绿色的硅酸质泥浆,其中部大多是含碳的灰绿色泥浆, 并掺杂有不同数量的煤粉和砂砾粒。再向深钻进所获得沉积物的物性和岩性差别非常小。
2.2.2 有机碳含量
对世界上已发现天然气水合物海域的沉积物有机碳分布研究表明, 含水合物区表层沉积物的有机碳含量一般大于或等于1% , 如果有机碳含量低于015% 就难以形成水合物[10]。布莱克海台区沉积物中有机碳含量平均值是015%～ 115% (表1),属于含量较高的区域。
2.2.3 气体组成
沉积物取样分析发现, 深度大约为海底之下190～ 480 m 之间的沉积物样品中含有大量的气体,其中甲烷最多, 约占99% , 二氧化碳含量次之,另外还含有微量的乙烷和其它烃类气体。
表1　布莱克地区沉积物有机碳含量[4,11,12]
航次/站位
样品数量
有机碳含量(% )
最小值
最大值
平均值
DSDP 76/553
31
0.2
0.9
0.5
45
0.4
1.4
1.1
ODP 164/994
18
13
0.3
0.9
1.5
1.8
0.8
1.4
ODP 164/997
17
0.4
1.5
1.0
2.2.4 气体水合物样品
994站位获得的粉砂质粘土中含有水合物残留物。996 站位所得样品刚取出时表层有约1 mm 的纹理, 水合物呈白色。所采集的水合物样品分解后,放出的气体中甲烷约占99% 和二氧化碳约占1%的。经测定,气水合物中气体与水的体积比率在130～160之间, 说明至少有70% 的孔隙为I 型结构甲烷水合物占据[13]。997站位所采样品最大, 大小约5cm ×14cm ,呈白色,外部有绿色泥浆包裹, 且可以看到其中含有气泡, 说明水合物正在分解。
3 布莱克海台天然气水合物的资源量
气体水合物的探测方法通常是地震方法, 其主要通过是否存在似海底反射层来推断气体水合物的存在[14]。然而, 氯化物的浓度和同位素剖面可能是气体水合物存在的灵敏指标。该方法要比地震方法具有更大的发展潜力[15]。例如, 994 站位没有BSR显示, 但是孔隙水异常明显地指示有气体水合物存在, 因为: ①氯化物浓度随深度减小, 可能反映了水合物稳定带底部水合物的分解和下部流体的上移;②硫酸盐浓度直线下降, 表明气体水合物底层有甲烷气体在向上迁移; ③钻孔发现, 浅部孔隙中甲烷和二氧化碳的13C 有明显的减少。
3.1 依据饱和气浓度评价水合物资源量
在995 和997 站位由压力岩芯取样器获得的岩心中, 每1 m3 孔隙体积可以产出0.8～46 m3 的甲烷[16]。由压力岩芯取样器采集的气体体积通常大大超过(10 倍以上) 地面条件下的饱和气体浓度。在气体水和物稳定面之上, 过剩的气体可能来源于占沉积物体积8% 的气体水合物的分解。气体水合物稳定面及其以下的过量气体表明游离气与BSR 有关(图3)。事实上, 在气体水合物稳定面之下由沉积物生成的游离气的数量与包含在气体水合物中气体的数量相当[16] 。根据气体数量观测值和BSR 的分布面积估算: 布莱克海台甲烷碳的储量达35 Gt (15 Gt分布于水合物中,5Gt 溶解于孔隙水中, 15Gt 在游离气中)。

图3 994、995、997 站位钻孔与BSR 关系剖面
如图4 所示, 圆形图例表示995 站位的数据, 方形图例表示997站位的数据, 粗虚线为实测甲烷浓度随深度变化的情况, 细虚线为饱和状态下甲烷浓度随深度变化的情况。由图4可知甲烷水合物存在于海地之下190～450m的沉积层, 游离甲烷位于海地之下450m以下的沉积层中,甲烷气量就是压力取样器所采集到的气体体积[16]。

图4 样品孔隙中甲烷浓度与海水深度以及沉积物深度的关系
3.2 依据氯化物浓度测算水合物资源量
传统的岩心描述方法不能评价气体水合物的含量,通过测定孔隙水中的氯化物浓度, 可以定量地估算个别水合物样品中水合物含量的最小值。因为随着孔隙中的水和甲烷合成了甲烷水合物, 使得剩余孔隙水的盐度增加, 同时提高了其中氯化物的浓度,所以说氯化物浓度与水合物的生成有紧密的联系。
当钻孔取样时,由于水合物分解释放出的水和甲烷重新进入孔隙水中, 使得其盐度逐渐降低。从图5 可知, 氯化物浓度在海底之下约200 m 深度以上和约450 m 深度以下都趋于恒定, 而在200 m 以下至BSR (约450 m ) , 其浓度出现很大的波动。

图5 994,995和997 站位孔隙水中氯化物浓度变化剖面(阴影部分为水合物带)
这种方法是通过测定样品中已分解的水合物来估算水合物的总含量。虽然对于不同沉积物样品的测定结果变化很大, 但是大多数测定结果为已分解水合物占样品总体积的1%～ 2% , 而在水合物带的测定结果则上升到了14%。而且发现, 没有BSR 的995 号站位与存在BSR 的995 和997 号站位几乎有着相同数量的水合物。
3.3 水合物气资源量估算值
由于评价方法不同, 不同评价者对布莱克海台的水合物气和游离气的资源量做出了不同的评价结果(表2)。
表2天然气资源量估算值[5, 17～22]
天然气资源量
(×1012m3)
气藏面积
(km2)
生气强度
(×108m3/km2)
文献

18
3000
6
[5]
80﹡
100000
0.8
[19]
70﹡
26000
2.7
[17]
37.7
26000
1.5
[22]
57﹡
26000
2.2
[22]
﹡包括水合物带底板下部的气体
4 小结
经过30多年的科学考察, 在布莱克海台获得了大量的地震测量、钻孔、采集岩芯和潜水研究资料。通过对地质条件和地球化学特征的全面分析可知:
(1)布莱克海台是一个由两股等深流交汇发生高速沉积形成的大陆隆, 该区的水合物气属于生物成因, 气水合物的形成与沉积物中较高含量的有机碳、等深流沉积及高速沉积速率有着密切关系。
(2)氯化物地球化学浓度和同位素剖面可能是气体水合物存在的灵敏指标。
(3)依据饱和气浓度估算水合物资源量和测定孔隙水中的氯化物浓度可以定量地估算水合物资源量, 为水合物资源评估提供了新方法。
上述研究成果可以成为其他相似海域水合物勘查和资源评价的借鉴。随着水合物研究的不断深入,布莱克海台必将继续成为研究天然气水合物和研究全球天然气水合物与全球大洋、大气的之间相互作用的窗口[23～25]。