海底調(diào)查論文

1、國內(nèi)外海洋天然氣水合物勘探與觀測(cè)技術(shù)方法研究摘 要自20世紀(jì)末海洋天然氣水合物發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)吸引了大量的科學(xué)觀察研究，在資源日益緊張的今天，海洋資源無疑成為首要探究對(duì)象。本文綜述了前人們對(duì)海洋天然氣水合物的形成原因和基本原理的分析，總結(jié)了國內(nèi)的研究現(xiàn)狀及對(duì)海洋天然氣水合物研究前景預(yù)測(cè)。重點(diǎn)探討海洋天然氣水合物的勘探方法，分別舉例介紹了地球物理方法外地球化學(xué)方法。地球物理方法如蘊(yùn)藏量估算技術(shù)和深水區(qū)高分辨率地震技術(shù)，地球化學(xué)方法如氣體異常檢測(cè)法和流體地球化學(xué)方法。 關(guān)鍵詞：海洋天然氣水合物，地球物理方法，地球化學(xué)方法 1 引言 1.1 海洋天然氣水合物的形成機(jī)理 天然氣水合物，又稱甲烷氣水包合物

2、、甲烷水合物、甲烷冰，是由天然氣中小分子氣體(如甲烷、乙烷等)在一定的溫度、壓力條件下和水作用生成的籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體。水合物為非化學(xué)計(jì)量型固態(tài)化合物，其分子式可表示為 M· nH2O(其中M是以甲烷氣體為主的氣體分子，n為水分子數(shù))。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氣體水合物結(jié)構(gòu)有4種：I型、型、H 型和一種新型的水合物(由生物分子和水分子生成)。I型結(jié)構(gòu)的天然氣水合物，其籠形構(gòu)架中只能容納一些分子較小的碳?xì)浠衔?如甲烷和乙烷)以及一些非烴氣體(如N2、CO2、和H2S氣體)。型結(jié)構(gòu)的天然氣水合物的籠狀格架較大，不但可以容納甲烷與乙烷，而且可以容納較大的丙烷和異丁烷分子。H 型結(jié)構(gòu)的天然氣

3、水合物具有最大的籠形格架，可以容納分子直徑大于異丁烷的有機(jī)氣體分子。型和H型結(jié)構(gòu)的天然氣水合物比I型的要穩(wěn)定得多。但自然界的天然氣水合物以I型為主。天然氣水合物廣泛分布于自然界中，海底以下01 500m深的大陸架或北極等地的多年凍土帶都有可能存在。 自然界的天然氣水合物只分布于兩類地區(qū)：多年凍土帶和海洋。而海洋沉積物中天然氣水合物的資源量占全球總量的99 以上。 天然氣水合物的形成需具備幾個(gè)基本條件：1、充足的天然氣和水，天然氣的來源包括無機(jī)成因和有機(jī)成因的氣體，如甲烷、乙烷、丙烷、CO2等；2、足夠低的溫度和較高的壓力，與海底深度和地?zé)崽荻汝P(guān)系也較大；3、可使氣和水充分聚集的有利的儲(chǔ)集空間。

4、 在水合物形成的地質(zhì)歷史過程中，海平面的高度、海底溫度以及全球性的氣候變化都會(huì)對(duì)水合物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。溫壓條件不僅影響水合物生成，也是導(dǎo)致沉積物中水合物分解的主要因素。海洋沉積物中天然氣水合物穩(wěn)定帶的厚度明顯受地溫梯度和穩(wěn)定帶水深的影響，隨地溫梯度的增高水合物穩(wěn)定帶相對(duì)變薄，而隨水深增大而增厚。當(dāng)沉積物不斷堆積移動(dòng)通過水合物帶時(shí)，隨著新的沉積物沉積于氣體水合物的頂部，由于側(cè)向擠壓作用，氣體水合物帶的底部有可能會(huì)發(fā)生分解，釋放出大量天然氣。在可滲透的沉積物中，這些天然氣會(huì)向上運(yùn)移并逸散，而水合物帶的存在猶如游離氣上方的密封蓋層，會(huì)將這些氣體圈閉于水合物層下，或者由于其它因素，這些氣體(以甲烷形

5、式為主)向下部運(yùn)移，以游離態(tài)形式儲(chǔ)存于地殼深部。這可以解釋天然氣水合物和游離態(tài)天然氣往往共存這一現(xiàn)象。但在實(shí)際的自然狀況下，除前述兩種基本要素外，天然氣水合物的形成還必須有充足的流體載體的供應(yīng)以及流體載體的輸導(dǎo)系統(tǒng)。該輸導(dǎo)系統(tǒng)必須為流體載體提供一定的動(dòng)力來源、運(yùn)移通道空間等?？梢姷刭|(zhì)環(huán)境是氣體水合物形成的重要控制條件，也正是由于地質(zhì)條件的不同，導(dǎo)致天然氣水合物的形成模式和分布上的巨大差異。從天然氣水合物形成特征的角度將海洋天然氣水合物的形成模式分為強(qiáng)滲漏系統(tǒng)和弱滲透系統(tǒng)。 所謂強(qiáng)滲漏系統(tǒng)是指海洋底部由于地殼構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的擠壓或拉伸等變形作用或者由于海洋沉積物的側(cè)向擠壓變形作用而出現(xiàn)斷層，許多圈

6、閉的烴類氣體由此向上滲流并大量漏出，形成較穩(wěn)定的水合物形成所需的氣源。 以甲烷為主的烴類氣體(可以是生物成因，也可以是非生物成因)，與流體載體一起形成孔隙流體團(tuán)，無論其是否達(dá)到飽和狀態(tài)(相對(duì)于游離氣體)，在縱向和側(cè)向上的壓力梯度、溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，將會(huì)沿著斷層的孔、縫等多種通道系統(tǒng)運(yùn)移，最后聚集在主通道內(nèi)繼續(xù)向上運(yùn)移，基本上達(dá)到過飽和狀態(tài)。同時(shí)，在原地微生物烴類氣體的參與下，大量的烴類氣體難以繼續(xù)溶解在流體之中，于是它們?cè)诤线m的溫度、壓力下，即在天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)，與水分子相結(jié)合，成為固態(tài)結(jié)晶體的天然氣水合物。產(chǎn)狀上可認(rèn)為在BSR之上積聚形成富水合物區(qū)，大多數(shù)水合物聚集在BSR之上一個(gè)相對(duì)狹

7、窄空間帶。水合物穩(wěn)定帶的底界呈不連續(xù)狀，表現(xiàn)出穩(wěn)定帶形成之前具有突變過程。其上界則是擴(kuò)散和漸變的，反映出水合物在橫向和縱向上不斷生長(zhǎng)、并向外延伸和擴(kuò)張的狀態(tài)。強(qiáng)滲漏系統(tǒng)極具成藏的可能性。一是因?yàn)榈貧?gòu)造活動(dòng)的變形作用可形成許多流體運(yùn)移的通道，同時(shí)也可產(chǎn)生大量的向上運(yùn)移的孔隙流體。二是這種活動(dòng)可帶來有利的儲(chǔ)集空間，特別是快速巨厚沉積的裂陷區(qū)或擴(kuò)張區(qū)，是強(qiáng)滲漏系統(tǒng)易形成水合物的地方。強(qiáng)滲漏系統(tǒng)的水合物形成模式也適于海底之下陸坡和陸基地帶，所形成的天然氣水合物分布集中，儲(chǔ)量密度大，成藏物化條件優(yōu)越，具有實(shí)際開采價(jià)值，其資源意義十分重要。根據(jù)Kvenvolden等對(duì)世界各地的天然氣水合物樣品的調(diào)查資料

8、以及有關(guān)的地質(zhì)資料分析，認(rèn)為墨西哥灣、中國南海、挪威外海有此類水合物藏存在的條件。相對(duì)于強(qiáng)滲漏系統(tǒng)，弱滲透系統(tǒng)中天然氣水合物的形成過程則細(xì)微與緩慢，但其作用的范圍也更加廣泛。1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與中國尋找海洋天然氣水合物前景預(yù)測(cè) 盡管我國對(duì)天然氣資源的需求日益加大，但與國外相比，國內(nèi)對(duì)天然氣水合物的研究仍比較薄弱，積累的有用的分析資料也很少。國內(nèi)真正進(jìn)行天然氣水合物的研究是從1990年開始的，當(dāng)時(shí)中科院冰川凍土研究所的研究人員率先在國內(nèi)利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備人工合成了天然氣水合物。早期國內(nèi)對(duì)天然氣水合物成因機(jī)理的研究主要是借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，進(jìn)行資料收集和調(diào)查試點(diǎn)，以及對(duì)世界各地的天然氣水合物成因機(jī)理

9、的初步介紹。20世紀(jì)9O年代后期，楊廷槐等 對(duì)天然氣水合物在各大洋中的分布狀況、形成機(jī)理及找礦方法進(jìn)行了初步的評(píng)價(jià)。9O年代后期以來，地質(zhì)調(diào)查人員在中國的南海、東海陸坡、西沙海槽、臺(tái)西南盆地東緣等發(fā)現(xiàn)了大面積的天然氣水合物存在的BSR證據(jù)。國內(nèi)多位學(xué)者初步探討和研究了天然氣水合物的成因機(jī)理，分析了南海海域地質(zhì)條件下的天然氣水合物成因，取得了初步成果。 我國對(duì)天然氣水合物的研究基本處于調(diào)研起步階段.“九五”期間,中國大洋學(xué)會(huì)組織了“西太平洋氣體水合物找礦前景與方法的調(diào)研”、國土資源部組織了“中國海域氣體水合物找礦前景研究”,863 計(jì)劃820 主題也支持了“海底氣體水合物資源勘查的關(guān)鍵技術(shù)”前沿

10、性課題,1999 年國家自然科學(xué)基金委批準(zhǔn)了3 項(xiàng)涉及天然氣水合物研究的基金. 1990 年,中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員曾與莫斯科大學(xué)凍土專業(yè)學(xué)者成功地進(jìn)行了天然天然氣水合物人工合成試驗(yàn),1991 年,該實(shí)驗(yàn)室又進(jìn)一步研究了合成的條件. 近年來,根據(jù)初步的BSR 識(shí)別,我國科研工作者認(rèn)為南海的西沙海槽北部陸坡、東沙島附近、筆架南盆地、南沙海槽、南海南部的沙巴岸外、沖繩海槽、臺(tái)灣東北及東南等海域是天然氣水合物的可能分布區(qū). 1999 年ODP184 航次的北部2 個(gè)鉆孔中發(fā)現(xiàn)了較高的甲烷含量和較低氯離子濃度的孔隙水等天然氣水合物異常. 初步認(rèn)為中國邊緣?？赡苡锌捎^

11、的天然氣水合物潛力. 由于尚無開展系統(tǒng)研究,也沒有建立高新的地球物理、地球化學(xué)探測(cè)技術(shù)體系,對(duì)BSR 識(shí)別的合理性、天然氣水合物在中國邊緣海的分布及蘊(yùn)藏量缺乏深入認(rèn)識(shí). 跟國外的天然氣水合物研究相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后,與我國作為一個(gè)擁有300 萬km2 海域面積的能源消耗大國的地位極不相稱. 1.3 海洋天然氣水合物發(fā)展戰(zhàn)略 為建立海洋天然氣水合物產(chǎn)業(yè),首先需宏觀了解我國海域天然氣水合物的分布及其資源量情況,進(jìn)而要圈定有利分布區(qū)開展深入的調(diào)查研究,并建立天然氣水合物勘探、開發(fā)的高新技術(shù)體系. 應(yīng)該指出,在天然氣水合物的勘探、開發(fā)過程中,地球物理將起重要的先導(dǎo)作用,無論是分布狀態(tài)的掌握還是資源量的估算,天

12、然氣水合物儲(chǔ)層的精細(xì)描述及勘探井位的設(shè)計(jì)等等,均需要發(fā)展相應(yīng)的地球物理探測(cè)技術(shù). 三十多年來,地礦、石油系統(tǒng)在東海、南海、渤海和黃海開展了大量的地質(zhì)、地球物理綜合調(diào)查工作,建立了海洋油氣工業(yè),積累了豐富的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和鉆探資料. 利用這些資料,研究針對(duì)天然氣水合物沉積的地球物理處理、解釋技術(shù),并進(jìn)行二次開發(fā),可以對(duì)中國海域特別是南海、東海的沖繩海槽的天然氣水合物資源遠(yuǎn)景進(jìn)行評(píng)價(jià)研究,初步確定有利分布區(qū). 進(jìn)而選擇最有希望的海域進(jìn)行高新技術(shù)航次調(diào)查,估算天然氣水合物的蘊(yùn)藏量,并對(duì)目標(biāo)區(qū)開展天然氣水合物儲(chǔ)層的精細(xì)描述,提供勘探井位. 然后,利用勘探井的數(shù)據(jù),探明目標(biāo)區(qū)天然氣水合物的地質(zhì)

13、儲(chǔ)量及產(chǎn)層的分布,進(jìn)行試開發(fā). 形成一套實(shí)用的勘探技術(shù)和調(diào)查方法. 2 地球物理探測(cè)高新技術(shù) 2.1 蘊(yùn)藏量估算技術(shù) 與大陸邊緣通常的沉積物相比,天然氣水合物沉積具有較高的縱波速度,因此地震得到的速度及其他彈性參數(shù)對(duì)研究天然氣水合物的分布非常有用. 此外,天然氣水合物穩(wěn)定帶下方可能存在的含游離氣體沉積物則具有較低的縱波速度與泊松比. 因此,可以利用得到的速度與彈性參數(shù)結(jié)構(gòu),通過巖石物理模型方法對(duì)比現(xiàn)有資料半定量地估計(jì)天然氣水合物的飽和度. 再根據(jù)厚度、面積等參數(shù)計(jì)算天然氣水合物蘊(yùn)藏量. 為了正確識(shí)別BSR ,準(zhǔn)確地了解BSR 上方孔隙中水合物的數(shù)量、BSR 下面游離氣體的分布,海洋天然氣水合物

14、的地震速度、彈性參數(shù)結(jié)構(gòu)研究已成為必須要解決的關(guān)鍵問題,90 年代以來,開展了疊加速度分析、旅行時(shí)反演、疊后波阻抗反演,AVO 分析,一維疊前廣角反射波形單參數(shù)反演研究. 為此,要發(fā)展高精度速度分析技術(shù)、AVO 技術(shù)、地震波形反演技術(shù),建立適用于天然氣水合物的采集、處理與解釋技術(shù)和軟件系統(tǒng),進(jìn)而建立海洋天然氣水合物的蘊(yùn)藏量估算技術(shù). 2.2 深水區(qū)高分辨率地震技術(shù) 為研究海洋天然氣水合物,日本已于1996 年在南海海槽、日本與加拿大合作1999 年在Mackenzie 三角州進(jìn)行了高分辨率的地震調(diào)查. 應(yīng)該指出的是,高分辨率的成像技術(shù)目前還未解決. 就深水區(qū)高分辨率地震技術(shù)而言,特別要加強(qiáng)處理

15、與解釋系統(tǒng)研究. 利用深水區(qū)高分辨率的采集、處理與解釋技術(shù),可以揭示天然氣水合物沉積的精細(xì)結(jié)構(gòu),進(jìn)行天然氣水合物的儲(chǔ)層特征、儲(chǔ)藏結(jié)構(gòu)描述,尋找有利的鉆探目標(biāo),并結(jié)合井中的資料,確定天然氣水合物的地質(zhì)儲(chǔ)量,提出評(píng)價(jià)方案. 2.3 井中地球物理技術(shù) 美國東南大陸邊緣布萊克海臺(tái)、加拿大Mackenzie 三角州實(shí)施了縱波激發(fā)的零偏、非零偏的VSP、橫波激發(fā)的零偏VSP 工作,得到了縱波速度、橫波速度的垂向分布,標(biāo)定了地震層位. 實(shí)際上,深水區(qū)VSP 技術(shù)、常規(guī)測(cè)井技術(shù)、成像測(cè)井技術(shù)(微電阻掃描成像測(cè)井、偶極子橫波成像測(cè)井、核磁共振成像等井中地球物理技術(shù),是判別地層是否存在天然氣水合物及提供天然氣水合

16、物儲(chǔ)量參數(shù)的重要手段. 同時(shí),測(cè)井資料也是研究井點(diǎn)附近天然氣水合物的主地層的沉積環(huán)境及演化的有效手段. 2.4 海洋電磁法探測(cè)技術(shù) 天然氣水合物的底邊界在地震剖面上有明顯的反映,但是,它的上邊界則不易確定,由于天然氣水合物像冰一樣,在電性上是一個(gè)絕緣體,所以,可以利用電法資料輔助評(píng)價(jià)和計(jì)算資源量. 利用電磁法正、反演計(jì)算,研究游離氣帶模型、水合物楔模型、不同飽和度的天然氣水合物沉積在電磁場(chǎng)上的特征,可以確定合理的電磁法探測(cè)技術(shù). Edwards曾用海底人工源瞬變電偶極系統(tǒng)采集有關(guān)電法數(shù)據(jù),輔助地震對(duì)天然氣水合物作出資源評(píng)價(jià). 因此,發(fā)展海洋電磁法技術(shù),進(jìn)而開展電磁成像、電磁地震聯(lián)合反演及綜合解

17、釋技術(shù)研究,有助于天然氣水合物的評(píng)價(jià). 海洋天然氣水合物是21 世紀(jì)的新型能源. 在天然氣水合物的勘探、開發(fā)過程中,地球物理將起重要的先導(dǎo)作用,無論是分布狀態(tài)的掌握還是資源量的估算,天然氣水合物儲(chǔ)層的精細(xì)描述及勘探井位的設(shè)計(jì)等等,均需要發(fā)展相應(yīng)的地球物理探測(cè)技術(shù). 發(fā)展海洋天然氣水合物的地球物理探測(cè)高新技術(shù),包括數(shù)據(jù)采集、高分辨率成像為主的處理系統(tǒng)與地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)綜合解釋技術(shù)及其工作站系統(tǒng),是準(zhǔn)確了解天然氣水合物的分布與蘊(yùn)藏量的關(guān)鍵. 它對(duì)探討海洋天然氣水合物的形成機(jī)制及對(duì)海洋環(huán)境與全球氣候的影響,建立海洋天然氣水合物產(chǎn)業(yè)具有重要作用. 2.5 似海底反射層(BSR)海洋沉積物中存在

18、天然氣水合物的最直接證據(jù)是具有異常地震反射層,其位于海底之下幾百米處與海底地形近于平行,人們通常稱這種異常地震反射層為似海底反射層(BSR)。在布萊克海嶺實(shí)施鉆探計(jì)劃(DSDP)時(shí),發(fā)現(xiàn)海底的BSR清晰可辨,且沉積物中含有豐富的甲烷。人們起初認(rèn)為BRS現(xiàn)象與水合物層和下部游離氣層間的界面有關(guān),但后來研究發(fā)現(xiàn)BRS不是由簡(jiǎn)單的某一界面引起,而是由整個(gè)游離氣體層造成。BRS的幅度與水合物層下的游離氣體的厚度相關(guān),隨氣體厚度的增大而增強(qiáng)。隨著多道反射地震技術(shù)的普遍采用,BSR現(xiàn)象在地震剖面上更為明顯。在地震剖面中,BRS一般呈現(xiàn)出高振幅、負(fù)極性、平行于海底和與活動(dòng)沉積構(gòu)造相交的特征,極易識(shí)別。BRS

19、隨水深的增加而增加,隨地?zé)崽荻鹊淖兓兓Ｈ藗冊(cè)趹?yīng)用BSR技術(shù)方面己積累了豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),可利用地震反射資料確定海底BSR層,進(jìn)而利用這種地震反射標(biāo)志,識(shí)別天然氣水合物形成、分布的地質(zhì)條件,區(qū)分礦層頂?shù)酌媛裆?確定礦層產(chǎn)狀和厚度,查明水合物飽和度,識(shí)別礦層下面的游離氣等。但是BRS并不能完全指示天然氣水合物的存在,只有在含量達(dá)20%的水合物地層下存在含量不小于10%的游離氣地層時(shí)才會(huì)出現(xiàn)BSR。還有其它一些因素可以形成假的BRS,例如巖性變化等。2.6 熱流測(cè)量技術(shù)溫度、壓力是天然氣水合物形成、穩(wěn)定與分解的重要因素，因此熱流測(cè)量技術(shù)也是研究天然氣水合物的重要手段。利用 BSR 資料估算地溫

20、梯度，進(jìn)而求得熱流值；或是利用探針或鉆探獲得海底熱流值（復(fù)雜昂貴）。根據(jù)所得熱流和海底溫度等資料，既可以估算出天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界，又可以從宏觀上確定大陸邊緣天然氣水合物大概的分布范圍。3 地球化學(xué)探測(cè)方法 除地球物理方法外地球化學(xué)方法在天然氣水合物的勘探和開發(fā)中也發(fā)揮著越來越重要的作用。綜合國內(nèi)外研究成果指出識(shí)別天然氣水合物的地球化學(xué)方法主要有氣體濃度異常檢測(cè)法、流體地球化學(xué)方法、穩(wěn)定同位素化學(xué)法和酸解烴方法等。 3.1 氣體異常檢測(cè)法 在海底已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物中, 氣體分子以甲烷為主(約占其總量的99% ) , 此外還有少量的乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、氮、二氧化碳和硫化氫等,因此在

21、存在天然氣水合物的地區(qū), 在海底沉積物、海水及海面大氣中甲烷等烴類氣體和H2S、CO 2 等非烴類氣體的含量必然會(huì)出現(xiàn)異常。常用甲烷異常頂空法探查海底天然氣水合物的分布。當(dāng)滲漏的甲烷氣體以游離態(tài)存在于沉積物顆粒之間時(shí), 即可采用頂空所法測(cè)定游離態(tài)甲烷氣體。在DSDP 和ODP 發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的航次中, 均存在頂空氣甲烷的高值異常。在海水中, 甲烷濃度通常只有幾ng/L 到幾萬ng/L , 然而天然氣水合物分解產(chǎn)生的甲烷微滲漏可使這一濃度增加幾千倍。在Hydrate Ridge 洋底噴溢的甲烷氣體羽中甲烷的含量可高達(dá)74 000 nL /L (用甲烷密度可換算成ng) , 然而正常底層海水的甲

22、烷含量小于20 nL/L。同時(shí), 在底層海水柱狀剖面中, 甲烷的濃度普遍有向海底增高的趨勢(shì)。通常用動(dòng)態(tài)式抽取、真空脫氣收集和甲烷傳感器探頭等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法來測(cè)量底層海水中甲烷的含量異常。前2種方法具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),但操作過程復(fù)雜,結(jié)果易產(chǎn)生偏差。甲烷傳感器探頭因可以實(shí)時(shí)探測(cè), 具有廣闊的發(fā)展前景, 但是在現(xiàn)階段還受到靈敏度低的限制。 3.2 流體地球化學(xué)方法 主要用于研究海底底層水和沉積物孔隙水中的分子及離子濃度異常, 因?yàn)樘烊粴馑衔锏幕\狀結(jié)構(gòu)不允許離子進(jìn)入, 它的形成將使周圍的海水鹽度增高, 反之其分解將會(huì)使周圍的孔隙水變淡, 氯度(鹽度) 降低, 這2 種情況都可形成水化學(xué)異常, 因此可

23、以通過其異常值的變化來判定天然氣水合物的存在與否。 孔隙水中Cl- 濃度異常: 通常在水合物分布地區(qū)孔隙水Cl- 離子濃度隨深度急劇減小。天然氣水合物在形成過程中產(chǎn)生排鹽作用, 使得周圍孔隙水中Cl- 濃度增高; 隨著沉積物被壓實(shí), 固體和液體發(fā)生分離, 流體向上排升, 使得原來的高氯度流體運(yùn)移到沉積物頂部, 從而造成淺層沉積物中孔隙水Cl-濃度增高, 水合物附近孔隙水Cl- 濃度反而降低。ODP164 航次在B lake 海脊就發(fā)現(xiàn)Cl- 濃度從表層到水合物穩(wěn)定帶隨深度的增加而急劇減少的現(xiàn)象。在世界各地許多含水合物鉆孔中測(cè)得的孔隙水氯度(0. 51 8. 2) 都遠(yuǎn)低于海水(約19. 8)。

24、因此, 孔隙水Cl- 濃度可以作為指示天然氣水合物的一個(gè)重要指標(biāo)。 33 穩(wěn)定同位素化學(xué)方法 穩(wěn)定同位素化學(xué)是研究天然氣水合物成礦氣體來源的最有效手段。通常是運(yùn)用天然氣水合物中甲烷氣體的13C、D 值和硫化氫的34S 值來判定其成礦原因。Kastner 等又提出用天然氣水合物樣品孔隙水中溶解Sr的濃度和87Srö86Sr的比值確定成礦流體的來源, 以沉積物控制水中溶解非有機(jī)碳酸鹽的C 值作為甲烷氣體運(yùn)移至海底硫酸鹽還原帶的證據(jù)。而且在天然氣水合物形成時(shí),H218O 和H216O發(fā)生分餾, 使18Oö16O 值增高至與冰相同, 形成水的同位素異常。目前隨著研究的深入, 不斷發(fā)

25、現(xiàn)天然氣水合物新的地球化學(xué)標(biāo)志, 如水中氘的富集, 天然氣中He 的增高等, 這些都可能在天然氣水合物的地球化學(xué)勘查應(yīng)用中具有良好的前景。 在天然氣水合物形成過程中, 天然氣水合物的結(jié)晶會(huì)引起同位素的分餾。在2 相分餾過程中, 重同位素(D , 18O , 13C) 濃集于固相, 導(dǎo)致孔隙水中D18O 值、DD 值和D13C 值降低, 隨著孔隙水的上滲, 孔隙水中的D18O 值、DD 值和D13C 值會(huì)隨著深度的增大而增大。其中O 同位素分餾系數(shù)A 為1. 002 68。而天然氣水合物的分解會(huì)釋放出富18O、13C 和D 的流體。據(jù)王家生等在東北太平洋O regon 州海岸的研究 , 由于甲烷

26、的缺氧氧化程度隨深度的增加增強(qiáng), 造成沉積物的全巖D13C 隨深度的增加而增加, 而逐漸靠近下伏甲烷水合物層引起氧同位素分餾作用增強(qiáng), 造成全巖D18O 隨深度增加而減少。對(duì)孔隙水中B 同位素的研究表明, 海水的B 含量為4. 2 m g/L , D11B 為41. 5×10- 3, pH 值為7. 82;而天然氣水合物分解產(chǎn)生的水的B 含量為0. 38 m g/L , D11B 為30. 6×10- 3: B 同位素異常也反映了水合物的存在。以上各種同位素的異常都可作為用來識(shí)別天然氣水合物的標(biāo)志。 3.4 酸解烴方法 盧振權(quán)等選擇西沙海槽天然氣水合物潛在富集區(qū)作為已知區(qū),

27、 利用陸上油氣地球化學(xué)勘查方法(酸解烴、熱釋烴、蝕變碳酸鹽方法) 開展了試驗(yàn)性研究, 通過對(duì)海底淺層沉積物各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的分析,發(fā)現(xiàn)酸解烴方法效果比較好。同時(shí)還對(duì)海底淺表層沉積物酸解烴重新進(jìn)行了釋義, 并認(rèn)為酸解烴方法適合于海底水合物的勘查。 牛濱華等在ODP204 航次1250 站位鉆井中, 利用44 個(gè)巖心樣品經(jīng)酸解烴方法脫氣后, 用氣相色譜儀測(cè)試酸解烴的體積含量, 樣品的酸解烴組分和204 航次1250 站位的頂空氣的組分完全一致,測(cè)量結(jié)果參見圖5。測(cè)量曲線上所顯示的指標(biāo)含量為甲烷體積含量的實(shí)測(cè)結(jié)果和乙烷、乙烯、丙烷的體積含量的實(shí)測(cè)值擴(kuò)大20 倍后的結(jié)果, 這是一個(gè)在11H21 和11H2

28、3 井段實(shí)際見到水合物、在海底和1H21 井(1. 2 m 處, 甲烷濃度= 12 019×10- 6) 見到穩(wěn)定的頂空氣甲烷高值分布的實(shí)測(cè)結(jié)果。酸解烴指標(biāo)含量曲線的起始點(diǎn)3H21 (15 m ) 的曲線特征如下: 酸解烴甲烷體積含量的均值為577. 5 LL/kg, 乙烷體積含量的均值為6. 1 LL/k g, 丙烷體積含量的均值為2. 6LL/k g; 酸解烴甲烷體積含量的均值是乙烷的94. 7倍和丙烷的222. 1 倍; 酸解烴甲烷體積含量由深處至近地表都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乙烷和丙烷之含量; 酸解烴甲烷體積含量的指標(biāo)峰為1 019. 7 LL/k g (13H24) , 對(duì)應(yīng)著甲烷濃度最

29、高區(qū)段, 其最小值為233. 4 LL /k g(6H24) ; 雖然酸解烴甲烷、乙烷、丙烷的體積含量相差極大, 但各自的襯度和變化趨勢(shì)基本相同。 1250 站位酸解烴和頂空氣甲烷的體積含量的特征說明: 水合物礦藏中高濃度的甲烷物質(zhì)能夠通過微滲漏在上覆地表沉積物中形成高濃度甲烷指標(biāo)的地球化學(xué)異常, 從另一個(gè)角度講就是地表沉積物的這種高濃度甲烷指標(biāo)異?？梢灾甘酒湎路酱嬖谒衔锏V藏; 從水合物的穩(wěn)定成藏聚集帶的地下深處至近地表, 這種濃度異常呈階梯狀遞減, 通過地球化學(xué)氣態(tài)烴測(cè)量能夠發(fā)現(xiàn)這種烴類異常。 對(duì)于地球化學(xué)勘探而言, 垂直鉆井巖心和表層海底沉積物樣品中氣態(tài)烴的量級(jí)存在較大差異應(yīng)屬異常, 而

30、這種異?？梢源_切地認(rèn)定是烴類微滲漏的反映, 故酸解烴方法是適合于海底水合物的勘查的一種有效手段。4 其他方法4.1 地質(zhì)微生物技術(shù)近30年來,微生物學(xué)在基礎(chǔ)理論和科技手段上的快速發(fā)展,為微生物技術(shù)探測(cè)水合物提供了良好的生物技術(shù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的地質(zhì)微生物油氣探測(cè)技術(shù)(如MPOG,MOST),建立在烴類微滲漏理論基礎(chǔ)上,利用檢測(cè)土壤或沉積物中氧化烴類氣體細(xì)菌(HCO)方法識(shí)別微滲漏區(qū)。通過60多年的發(fā)展,有了成熟的理論和方法,如MPOG法有區(qū)分油滲漏或天然氣滲漏的不同定量替代指標(biāo)。其實(shí)質(zhì)是對(duì)沉積物中氧化甲烷和氧化二碳以上烴類微生物培養(yǎng)計(jì)數(shù)結(jié)果。有報(bào)道指出,這個(gè)方法即將用在我國水合物的勘探中。沉積物中微

31、生物細(xì)胞豐度與甲烷濃度變化的關(guān)系密切。微生物計(jì)數(shù)法簡(jiǎn)易快速,在稍有條件的船只上就可進(jìn)行,可以作為區(qū)域勘探的一個(gè)有效手段。國內(nèi)外利用微生物群落結(jié)構(gòu)和標(biāo)志類群識(shí)別沉積物中水合物的研究,雖然短短幾年,已經(jīng)顯示良好的前景;其最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可區(qū)分含水合物或不含水合物區(qū),以及在巖心中區(qū)別含水合物或不含水合物層。但還有很多需要在實(shí)踐中提高和加強(qiáng)的方面,包括研究和探討依賴甲烷和依賴水合物的不同微生物類別的生態(tài)條件等,也包括嘗試微生物檢測(cè)指標(biāo)的量化;要達(dá)到這一步,則需要未來有海底實(shí)時(shí)測(cè)試或?qū)嶒?yàn)室培養(yǎng)的突破,并要求結(jié)合其生物標(biāo)志物的分析以及功能基因等新手段的加入和提高。概括起來,這方面的探測(cè)技術(shù)前景很好,但要積極

32、推進(jìn)和加強(qiáng)研究。4.2 數(shù)字模擬數(shù)字模擬功能強(qiáng)大，方法靈活，與實(shí)地開采試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室研究相比，成本也較低，因此，在評(píng)估水合物開采的潛力和制定開采設(shè)計(jì)方面起著重要的作用。這不僅能夠提供礦區(qū)和實(shí)驗(yàn)室勘測(cè)工作的設(shè)計(jì)，還能提供無法觀測(cè)的物理化學(xué)參數(shù)，回答諸多開采過程中各種參數(shù)的演變趨勢(shì)等疑難問題。更為重要的是，可以幫助鑒定和選擇水合物開采的靶區(qū)和“富礦帶”。數(shù)字模擬已經(jīng)在加拿大凍土帶Mallik水合物的試驗(yàn)開采中證明了其有效和實(shí)用性。近年來科技界已經(jīng)提出并制訂了若干用于模擬水合物體系和水合物開采方面的數(shù)字模型。Moridis等最近推薦了下列幾種模型21。模擬水合物體系的數(shù)字模型： TOUGH+HYDRA

33、TE code The MH21 code The STOMP-HYD code 21 CMG-STARS (Computer Modelling Grup)22 The Hydrsim simulator234.3 鉆孔取芯資料鉆孔取芯資料可以最直觀和最直接地證明天然氣水合物的存在。對(duì)鉆孔取樣,則還可以用測(cè)井方法識(shí)別和鉆獲巖心后使用多學(xué)科和多手段的測(cè)試分析并給予鉆后識(shí)別評(píng)價(jià)33。在布萊克海嶺和墨西哥灣等地，勘探人員已經(jīng)取到了含氣體水合物巖心的礦物質(zhì)。34 隨著鉆探技術(shù)和海洋深水取樣技術(shù)的提高,給人們提供了直接對(duì)自然界中天然形成的水合物進(jìn)行研究的機(jī)會(huì)。通常采用鉆桿巖芯或用活塞式取樣器、恒壓取樣

34、器采集海底含天然氣水合物的樣品。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),一般取一定量的樣品(100一20鮑)放入無污染的密封金屬罐中,再在罐中注入足夠的水,并保留一定的空間(IO0cm3)存放罐頂氣。通過對(duì)罐頂氣、樣品經(jīng)機(jī)械混和后釋出的氣及樣品經(jīng)酸抽提后釋出氣的甲烷至正丁烷的組分進(jìn)行氣相色譜分析,以及對(duì)罐頂氣進(jìn)行甲烷6飛和6D分析,不但可以推測(cè)天然氣水合物的類型,還可以確定其氣體成因。4.4 深海海底天然氣水合物成藏環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)深海海底天然氣水合物成藏環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由甲板控制單元、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理單元水聲通信單元和錨泊系統(tǒng)單元等四個(gè)主要部分組成。深海海底監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理單元由低功耗CPU 主板、模擬數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)字?jǐn)U展接口和相

35、關(guān)的軟件控制程序等組成；水聲通信單元是基于水聲調(diào)制解調(diào)器的無線遙控技術(shù)，研制全自動(dòng)無線數(shù)據(jù)采集控制子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水面遙控水下中央數(shù)據(jù)處理單元，并實(shí)現(xiàn)海底天然氣水合物成藏環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和自動(dòng)上傳；錨泊系統(tǒng)單元的可靠性和穩(wěn)定性依賴聲學(xué)釋放器的性能，選用性能良好的聲學(xué)釋放器用以研制高可靠性的錨泊子系統(tǒng)，從而保證監(jiān)測(cè)儀器和傳感器的可靠回收。5 總結(jié)與展望 天然氣水合物在給人類帶來新的能源前景的同時(shí)，對(duì)人類生存環(huán)境也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。天然氣水合物中的甲烷，其溫室效應(yīng)為CO2的20倍，溫室效應(yīng)造成的異常氣候和海面上升正威脅著人類的生存。全球海底天然氣水合物中的甲烷總量約為地球大氣中甲烷總量的3000倍，若有不慎，讓海底天然氣水合物中的甲烷氣逃逸到大氣中去