Mackenzie Deltabeaufort加拿大海域地区

最后更新2023年2月2日星期四|永冻层

正如Procter et al.(1984)所描述的，Mackenzie三角洲-波弗特海区域由部分现代三角洲沉积物和更古老的沉积物组成河流沉积物理查兹岛、图克托亚图克半岛以及延伸到大陆架的近海地区，水深约200米。将波弗特海陆架后古生代沉积岩划分为上白垩世前地层和上白垩世至第四纪地层两大板块。一个主要的区域不整合标志着上白垩世和更古老地层的分界线。在该区域不整合面之上，沉积以三角洲作用为主，形成了一系列厚的、通常向北推进的三角洲复合体(Dixon和Dietrich, 1990)。

: 图3。阿拉斯加北部甲烷水合物稳定带厚度(单位:米)的地图(根据Collett, 1993年修改)。

: 图4。显示加拿大北部麦肯齐三角洲-波弗特海区域甲烷水合物稳定带底部深度(米)的地图(根据Judge和Majorowicz, 1992年修改)。

3.1.天然气水合物稳定性条件

在Mackenzie三角洲地区，井下温度数据来自行业获得的生产钻柱测试、井底测井调查以及在大约50口仪器探井中进行的长期精确温度研究(Judge等人，1981年;Taylor et al.， 1982)。在麦肯齐三角洲，含冰多年冻土的厚度和相关的多年冻土温度在相对较短的距离内变化很大(Taylor et al.， 1996)。在多年冻土区间之下，麦肯齐三角洲-波弗特海地区的地温梯度相对均匀，范围约为3.0°C/100m至4.0°C/100m (Majorowicz et al.， 1990;Majorowicz等人，1995)。

来自麦肯齐三角洲地区永久冻土下的孔隙压力信息表明了一个可变的应力体系。来自大陆架海上钻探的四口井的数据表明，在含冰永久冻土底部的孔隙压力异常高，这可能是天然气水合物分解的结果(Weaver和Stewart, 1982)。来自陆上井的有限孔隙压力数据表明，其孔隙压力接近静水压力(9.795 kPa/m;0.433 psi/ft)紧挨着永久冻土底部(hawkins和Hatelid, 1975)。

对工业井的气体样品和泥浆测井气相色谱数据的分析表明，波弗特海地区2000米以上沉积物中的地层气体几乎全部由甲烷组成(99.5%)(Weaver和Stewart, 1982)。在Mackenzie三角洲理查兹岛钻探的两口井中进行了四次钻柱生产测试，发现天然气主要由甲烷组成(99.19至99.53%)(Bily和Dick, 1974年)。这些数据证实，结构i型甲烷水合物有望成为麦肯齐三角洲-波弗特海地区的主要天然气水合物形态。

麦肯齐三角洲-波弗特海地区地层水孔隙水盐度在200 - 2000米深度区间内较低，值在5 - 35 ppt之间(Weaver和Stewart, 1982;希顿等人，1990年;Dallimore和Matthews, 1997)，这对天然气水合物的稳定性几乎没有影响。

在对控制天然气水合物稳定性的地热条件的回顾中，Judge和Majorowicz(1992)绘制了Mackenzie三角洲-波弗特海地区甲烷水合物稳定带底部的深度。如图4所示，在Richards Island上，甲烷水合物可以出现的区域深度超过1200 m，并且在Mackenzie Delta-Beaufort Sea区域的大部分大陆架区域下方广泛存在。

3.2.天然气水合物事件

对Mackenzie三角洲-波弗特海地区天然气水合物分布的评估主要是根据过去30年碳氢化合物勘探过程中获得的数据进行的(由Judge等人审查，1994年)。此外，还有两个专门的科学钻井计划(Dallimore和Collett, 1995;Dallimore等，1999)已经包括了天然气水合物岩心样品的收集。Smith和Judge(1993)提供的数据库总结了一系列未发表的顾问研究，这些研究调查了Mackenzie三角洲地区146口勘探井的测井数据。总共有25口井(17%)被发现可能存在或可能存在天然气水合物(图4)。海上钻井中天然气水合物的出现频率更高，55口井中有36口井(65%)被发现可能存在或可能存在天然气水合物。

在最近完成的天然气水合物研究钻井项目之前，Mackenzie三角洲-波弗特海地区最广泛的天然气水合物分布研究是陆上Mallik L-38井和Ivik J-26井(Bily和Dick, 1974)和海上Nerlerk M-98井、Koakoak 0-22井、Ukalerk C-50井和Kopanoar M-13井(Weaver和Stewart, 1982)。在裸眼测井评价的基础上，估计Mallik L-38遇到了约100 m的含水合物砂岩，Ivik J-26穿透了约25 m的天然气水合物。Mallik L-38井的测井推断含天然气水合物砂岩单元分布在深度820 ~ 1103 m，而Ivik J-26井的天然气水合物分布在深度980 ~ 1020 m的一系列细粒砂岩和砾岩单元中。Weaver和Stewart, 1982年)对裸眼测井和泥气测井的分析表明，海上Nerlerk m -98井穿透了约170米的含水合物沉积物，而Koakoak 0-22井、Ukalerk C-50井和Kopanoar m -13井分别钻了约40米、100米和250米的天然气水合物。在所有四种情况下，测井推断的天然气水合物都存在于细粒砂岩单元中。

JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38天然气水合物研究井于1998年在Mallik L-38井附近钻探，包括广泛的科学研究，旨在调查Mallik油田地区的原位天然气水合物的存在情况(Dallimore et al.， 1999)。在Mallik 2L-38井的天然气水合物层段(878-944米)中回收了约37米的岩心。在与非含水合物粉砂互层的各种松散砂和砾石中，观察到孔隙空间天然气水合物和几种形式的可见天然气水合物。Mallik 2L-38井的取心和井下记录的天然气水合物均表现出高电阻率和快速声速。总的来说，在889 - 1101 m深度区间内，含水合物地层厚度约为150 m。

在Mackenzie三角洲外Richards岛Taglu地区的一项永久冻土取心计划中，回收了含有可见天然气水合物和可能的孔隙空间天然气水合物的含冰岩心(Dallimore和Collett，

1995)。可见的天然气水合物出现在大约330 - 335米的深度，呈薄冰层状，在回收时释放甲烷。天然气产量计算表明，来自理查兹岛Niglintgak油田地区的其他含冰岩心也含有不可见的孔隙空间天然气水合物。

麦肯齐三角洲-波弗特海地区天然气水合物的天然气储量估计在9.3xl012至2.7xl013 m3之间(Smith and Judge, 1995;Majorowicz and Osadetz, 1999);然而，这些估计通常不受约束。Collett et al.(1999)在最近的一项研究中，利用工业界获得的反射地震数据和可用的裸眼测井数据，识别并绘制了理查兹岛四种不同天然气水合物的分布。理查兹岛的四个天然气水合物堆积中以水合物形式被捕获的气体总量估计为90xl09立方米(Collett et al.， 1999)。

4.加拿大Sverdrup盆地

Sverdrup盆地是靠近青藏高原北缘的构造坳陷北美克拉通(图2和图5)。它位于盆地中北部，长约1300公里，宽约400公里。Sverdrup盆地西北部与Sverdrup Rim接壤，南部和东部与Franklin褶皱带接壤;它包含长达13公里的下石炭统至上第三系海相和非海相陆源碎屑岩、碳酸盐岩、蒸发岩、玄武岩流以及辉长岩脉和岩脚。Sverdrup盆地的石油地质在许多出版物中都有描述(Smith and Wennekers, 1977;Balkwill, 1978;Nassichuk, 1983, 1987;普罗克特等人，1984;Haimila et al.， 1990)。

4.1.天然气水合物稳定性条件

对Sverdrup盆地及其周围的32口油井进行了精确的温度测量(Taylor, 1988)。温度记录埃利夫·林恩斯岛南部海岸244米深的埃利森角C-47井的数据表明，在岛间水道的较深处并没有厚的永久冻土。然而，在沿海地区存在永久冻土，在海洋界限以外的内陆地区，测量到的永久冻土深度可达700米(Taylor等人，1982年)。因此，天然气水合物可能存在于Sverdrup盆地的空气下裸露岛屿上或附近。

Ellef Ringnes岛上钻探的五口陆上井的温度数据显示，由于多年冻土动态、最近的海洋退化和可变的古气候历史的影响，温度发生了巨大变化。根据Cape Allsion C-47井的温度调查计算出的地温梯度在下白垩世Isachesen组平均约为1.3°C/100m，在中上侏罗世Deer Bay组平均约为2.5°C/100m (Taylor et al.， 1988)。根据Ellef Ringnes岛上钻探的五口陆上油井的温度剖面计算出的地温梯度大约为

在多年冻土层序内为4°C/100m至8°C/100m，在多年冻土层序以下为3°C/100m至6°C/100m (Taylor等，1988年)。

对所有已知技术来源的审查没有发现Sverdrup盆地地层孔隙压力异常的证据。由于资料的缺乏，一般认为Sverdrup盆地近地表沉积剖面以静水孔隙压力条件为特征。

Sverdrup盆地所有已知的常规气田都含有几乎完全由甲烷组成的干气(Smith和Wennekers, 1977)，这表明可能只存在结构i型甲烷水合物。

对现有数据来源的审查没有发现关于Sverdrup盆地内孔隙水盐度的信息。同样，由于缺乏数据，Sverdrup盆地的天然气水合物稳定性计算在过去是假设不受溶解孔隙水盐的影响。

Collett et al.(1993)中描述的计算机程序已被用于计算Sverdrup盆地30口陆上井的天然气水合物稳定带的界限(图5)。Collett et al.(1993)中描述的天然气水合物稳定程序需要以下输入:(1) Sverdrup盆地年平均地表温度，假定为-20°C (Taylor et al.， 1988);(2)含冰多年冻土深度至底部(修正自Taylor, 1988);(3)含冰多年冻土底部温度，假定为0°C;(4)含冰多年冻土底部上下地温梯度之比，本研究假定为1.0。Sverdrup盆地甲烷水合物稳定带的厚度(图5)由现有的多年冻土数据推断，约为36 - 1138米。由于评估井中天然气水合物稳定带的高度变化，因此没有尝试对图5中的稳定性数据进行等高线绘制。

4.2.天然气水合物事件

对Sverdrup盆地138口陆上探井的井下测井进行的研究表明，约71%的调查井可能遇到了天然气水合物，而30口海上探井中约有17口可能穿透了天然气水合物(Smith and Judge, 1993)。大多数关于Sverdrup盆地天然气水合物的研究都涉及天然气水合物引起的钻井危害(Franklin, 1980, 1981)。通过对Sverdrup盆地钻井报告中获得的有限信息的回顾，推断在King Christian、Ellef Ringnes和Mellville群岛上或附近可能存在天然气水合物。1971年，在King Christian Island N-06井的钻井过程中，气体泄漏到地面套管周围的钻机窖中，

: 图5。加拿大Sverdrup盆地地图，显示30口陆上油井的位置。图中还显示了每口井甲烷水合物稳定带的厚度(单位为米)。

设定在160米。Ellef Ringnes Island的一口井在2560米钻井时，也经历了从套管后面(405米)流出的大量气体。类似的天然气泄漏在整个盆地都有报道，这可能是钻井活动热扰动旁路天然气水合物的结果。在梅尔维尔岛的钻探也发现了可能存在的天然气水合物。例如，在Hearne Point钻井时，遇到了几次重大的气体流动，一次在356米深，另一次在895米深。这两个区域的产烃测试都获得了经典的天然气水合物测试结果，在测试过程中，气体流速较低，关井压力缓慢上升，超过了静水压。在Ellef Ringnes岛西南海岸钻探Jackson G-16井(水深约60米)时，在453米深和567米深分别检测到天然气，这表明可能存在天然气水合物。根据钻井报告，Sverdrup盆地可能存在天然气水合物;然而，目前还没有获得天然气水合物的直接证据。

5.西西伯利亚盆地，俄罗斯

西西伯利亚盆地的地质和石油地球化学在许多英文出版物中都有相当详细的描述(Grace和Hart(1986)所评述)。西西伯利亚盆地北部的天然气产量主要来自Vartov和Megion“套间”的Neocomian储层(平均深度2800米)和Pokur“套间”的Cenomanian储层(平均深度1100米)。Pokur“套间”被Kuznetsov“套间”的页岩层序覆盖，这形成了大部分砂岩储层的区域封层。

5.1.天然气水合物稳定性条件

在西西伯利亚盆地，多年冻土厚度从南部的不连续区逐渐增加到盆地北部的580 m。盆地中部和西南部实测地温梯度范围为4.0°C/100m至5.0°C/100m，盆地北部的地温梯度则低至2.0°C/100m至3.0°C/100m (Cherskiy et al.， 1985)。

对现有数据的回顾发现，在西西伯利亚盆地近地表(0- 1500米)沉积段没有明显的孔隙压力异常。因此，静水孔隙压力梯度(9.795 kPa/m;在考虑西西伯利亚盆地的天然气水合物稳定性计算时，可以假设为0.433 psi/ft。

西西伯利亚北部Poker“套”的Cenomanian储层主要含有甲烷(92.5%至99.0%)(Grace和Hart, 1986)。由于甲烷似乎是该盆地Cenomanian储层中的主要烃类气体，a纯甲烷西西伯利亚盆地的天然气水合物稳定性计算可以采用气体化学方法。

在永久冻土层序以下的Cenomanian储层中，对油气形成测试期间收集的水样进行分析，结果表明，(大部分)孔隙水盐度较低(5 ~ 14 ppt)，对天然气水合物稳定性影响不大。

Cherskiy等人(1985)计算了西西伯利亚盆地230个地点的甲烷水合物稳定带顶部和底部的深度。他们确定了西西伯利亚盆地甲烷水合物稳定带底部的深度，沿欧巴河向南从零开始，沿盆地东北边缘达到最大深度约1000米(图6)。

5.2.天然气水合物事件

生产数据和其他相关地质信息已被用于记录位于西西伯利亚盆地东北角的Messoyakha油田中天然气水合物的存在(Makogon等人，1972年;马孔，1981,1988;Cherskiy et al.， 1985;Krason和Ciesnik, 1985)。Messoyakha天然气聚集局限于Pokur“套”的Dolgan组，生产深度在720 - 820 m之间。Messoyakha油田的上部(约40米)位于预测的甲烷水合物稳定区内;因此，将Messoyakha油田分离成上层天然气水合物

: 图6。显示俄罗斯西西伯利亚盆地甲烷水合物稳定带底部深度(米)的地图(根据Cherskiy等人，1985年修改)。

成藏和游离气成藏较低。在生产之前，Messoyakha堆积的天然气水合物和游离气部分的总天然气储量估计约为80 x 109立方米，其中约三分之一的天然气水合物储量(Krason和Ciesnik, 1985)。

许多俄罗斯研究人员认为Messoyakha油田的天然气水合物部分的长期生产是通过一个简单的减压方案实现的(Collett和Ginsburg, 1998)。1969年Messoyakha油田开始生产时，储层压力下降曲线符合预测路径;然而，1971年实测的储层压力开始偏离预测值。这种偏差归因于游离气体从游离的天然气水合物中解放出来。纵观Messoyakha油田的生产历史，据估计，从该油田提取的天然气中约有36%(约5.17 x 109 m3)来自天然气水合物(Makogon, 1988)。然而，最近的一些研究表明，天然气水合物可能对Messoyakha气田的天然气产量没有贡献，天然气水合物的潜在资源意义可能被高估了(Collett和Ginsburg, 1998)。

6.LENA-TUNGUSKA、俄罗斯

在本文中，Vilyuy和Anabar-哈坦加盆地位于西伯利亚克拉通东部的莱纳-通古斯省。的地质背景俄罗斯北部油气省的勘探结果表明，Vilyuy盆地是天然气水合物最有希望的赋存地区。Vilyuy盆地面积约25万平方公里，叠加在盆地边缘早古生代西伯利亚的平台。Vilyuy盆地向东延伸至Pre-Verkhoiansk边缘槽，与Vilyuy盆地共同形成Lena-Vilyuy盆地。

6.1.天然气水合物稳定性条件

莱纳-通古斯省的大部分地区都被连续多年冻土(Cherskiy et al.， 1985)。一般来说，永久冻土在该省的边缘变薄，在叶尼塞河的西南部没有。在Vilyuy盆地地区，永久冻土厚度约为300至750米，永久冻土以下的地温梯度平均约为2°C/100m。

在Lena-Tunguska省观察到地层欠压，计算出的孔隙压力比正常静水孔隙压力低1.5 ~ 3.0 MPa。异常低地层孔隙压力的成因尚不清楚。莱纳-通古斯省的天然气水合物稳定性计算必须考虑低孔隙压条件的明显影响。

由于缺乏钻探，在莱纳-通古斯省采集到的气体样本相对较少。对下侏罗统Suntar页岩封层上砂岩单元钻井泥浆测井数据的分析表明，在莱纳-通古斯省近地表(0- 1000米)沉积岩中，甲烷是主要的烃类气体。

莱纳-通古斯省中侏罗统-白垩统沉积段地层孔隙水溶解盐含量低;范围从1到10个ppt。因此，在莱纳-通古斯省，天然气水合物的稳定性不太可能受到孔隙水盐的影响。

假设孔隙压力梯度低，甲烷气体化学，没有溶解的孔隙水盐;Cherskiy et al.(1985)确定，在莱纳-通古斯省中西部地区，甲烷水合物稳定的基础大约在2000米深，在Vilyuy盆地大约800 - 1000米深(图7)。

: 图7。显示俄罗斯莱纳-通古斯省甲烷水合物稳定带底部深度(米)的地图(根据Cherskiy等人，1985年修改)。

6.2.天然气水合物事件

Vilyuy盆地前1000米至1200米的井数据经常表明，在预测的天然气水合物稳定区存在大量天然气流动。例如，在Badaran油田(Badaran 7号井)大约700米深的钻井中，每天遇到120,000 m3的天然气流量。在Bogoronts地区500米深处也遇到了类似的气体(每天2 000至3 000立方米)和水的流动。近地表(0- 1000米)天然气聚集也在Mastakh地区被报道。Vilyuy盆地的近地表沉积层序几乎没有常规的储层密封;然而，多年冻土可能是一种有效的密封，可能有助于形成原位天然气水合物聚集。根据Vilyuy盆地近地表天然气聚集的发生情况，天然气水合物可能存在，但尚未获得天然气水合物存在的直接证据。

7.俄罗斯Timan-pechora盆地

Timan-Pechora盆地位于俄罗斯西北部，面积约为32.2万平方公里(图2和图8)乌拉尔山脉东边是佩科伊岭，东北是提曼岭，西北是提曼岭。在北部，Timan-Pechora盆地通向巴伦支海。在Timan-Pechora盆地，上元古界基底上覆盖着厚厚的奥陶系-下泥盆系沉积层序(3 ~ 4 km)。下一个沉积旋回，晚泥盆世至三叠纪，以深水富有机质页岩、灰岩和燧石沉积为特征。Timan-Pechora盆地经过长时间的沉积中断后，碎屑沉积在中部重新开始侏罗纪时代一直到厄尔利结束白垩纪的时间．盆地中较年轻的沉积物以上新世晚期和第四纪海相碎屑岩冰川沉积物．

7.1.天然气水合物稳定性条件

Timan-Pechora盆地约40%的地区被永久冻土覆盖，盆地东北边缘的厚度超过600米。在大多数情况下，永久冻土层并没有延伸到伯彻拉河以南。Timan-Pechora盆地近地表(0- 1000m)地层剖面的地温梯度范围为1.0°C/100m ~ 3.0°C/100m。

在Timan-Pechora盆地观察到了地层欠压现象(Sergiyenko和Maydak, 1982)。水动力研究表明，计算得到的孔隙压力比正常的静水压力低1.8 MPa，这可能会对水合物的稳定性产生显著影响。

Timan-Pechora盆地近地表地层剖面内的大部分天然气都与煤有关，主要产生甲烷。因此，在考虑Timan-Pechora盆地的天然气水合物稳定性条件时，可以假设是纯甲烷气体化学。

在伯彻拉河下面似乎没有永久冻土层，这使得低盐度水的大气补给进入蒂曼-伯彻拉盆地。因此，盆地近地表地层剖面的地层孔隙水溶解盐含量较低，对天然气水合物稳定性没有影响。

Chersky et al.(1985)计算了Timan-Pechora盆地114个地点的甲烷水合物稳定带顶部和底部的深度。

: 图8。显示俄罗斯Timan-Pechora盆地甲烷水合物稳定带底部深度的地图(以米为单位)(根据Cherskiy等人，1985年修改)。

: 图9。显示西伯利亚东北部和俄罗斯堪察加地区沉积盆地位置的地图，这些盆地可能包含有利于天然气水合物发生的条件(根据Cherskiy等人，1985年修改)。

他们的稳定性计算假设了低孔隙压力梯度，甲烷气体化学，并且不受孔隙水盐的影响。图8显示了Timan-Pechora盆地甲烷水合物稳定带，揭示了甲烷水合物可能出现的两个区域。在伯彻拉河以东地区，甲烷水合物稳定带的最大深度约为800米，而在伯彻拉河西北部，甲烷水合物稳定带的最大深度为600米。

7.2.天然气水合物事件

在Timan-Pechora盆地的后二叠纪地层剖面内，几乎没有发现任何油气。在近地表白垩纪剖面的煤中发现了少量的天然气，这可能预示着天然气水合物的存在。然而，在Timan-Pechora盆地没有其他天然气水合物的证据。

8.俄罗斯西伯利亚东北部和堪察加半岛

这一地区位于俄罗斯东北部(图9)，西起勒拿河和阿尔丹河，东至太平洋。在俄罗斯东部已经测绘了70多个大大小小的山间盆地。这些盆地大多被厚(5 - 10公里)的上部充填中生代和新生代碎屑沉积物。一般来说，这些盆地的地质和油气潜力(图9)知之甚少。

文献综述几乎没有关于俄罗斯东部未开发沉积盆地内控制天然气水合物稳定性的地质参数的信息。Cherskiy等人(1985)报告说，温度和压力条件有利于天然气水合物的形成只存在于研究区域的西北部(图9);在其他地方地下温度看起来很高。Cherskiy et al.(1985)指出，在拥有地下数据的盆地内，预测的天然气水合物稳定带的底部深度约为500 - 1000m。然而，在这些前沿盆地中，没有可用的数据来评估天然气水合物的实际发生情况。

9.挪威斯瓦尔巴特群岛

斯瓦尔巴特群岛位于挪威的北极，位于寒冷的巴伦支海和相对温暖的大西洋之间(图1和图2)。斯瓦尔巴特群岛的地质主要由斯次卑尔根盆地主导，这是一个非常明显的向斜特征，覆盖了斯瓦尔巴特群岛中部的大部分地区。一个5-km-thick晚古生代在斯匹次卑尔根盆地的第三纪沉积剖面中已被保存下来(Nottvedt et al.， 1992)。

斯瓦尔巴群岛大约60%的土地被冰川覆盖。来自科学和工业勘探钻孔的信息表明，永久冻土可能覆盖整个斯瓦尔巴群岛，已知深度在100米至460米之间(Landvik等人，1988年)。从阿拉斯加和Sverdrup盆地的研究可知，在冻土深度大于200 m的地区，原位热条件可能有利于天然气水合物的赋存。因此，至少在斯瓦尔巴群岛的部分地区确实存在有利于形成天然气水合物的压力和温度条件。

斯瓦尔巴群岛存在天然气水合物的唯一直接证据也来自科学和工业钻探项目。政府和行业运营商报告称，在多年冻土和次冻土层钻探时，有大量浅层天然气流动永冻层部分在斯瓦尔巴特群岛上。在许多前沿地区，钻井过程中的天然气显示往往是天然气水合物存在的第一个也是唯一的证据。然而，目前还没有数据证实斯瓦尔巴群岛上存在天然气水合物。

10.丹麦格陵兰岛

巨大的冰盖覆盖了格陵兰岛的大部分地区，大约三分之一的地区被沉积盆地所覆盖。来自气候研究核心洞的raybet雷竞技最新数据表明，格陵兰冰盖底部附近的温度非常低，这些低原位温度可能延伸到可能存在天然气水合物的沉积盆地。对更新世时期被冰川覆盖地区的地质研究，如麦肯齐三角洲地区(Dallimore和Matthews, 1997)，表明厚厚的冰块提高了沉积盆地内的孔隙压力。因此，有利于形成天然气水合物的压力和温度条件很可能在格陵兰岛的大部分地下普遍存在。然而，并没有证据表明地下有天然气水合物格陵兰冰盖．

11.结论

本文的主要目的是记录北半球北极圈内与永久冻土相关的天然气水合物的潜在分布，并评估控制原位天然气水合物聚集稳定性的地质参数。影响天然气水合物稳定带分布的两个主要因素是地温梯度和气体成分。其他难以量化且通常影响不大的因素包括孔隙流体矿化度和地层孔隙压力。地质研究和热模拟表明，永久冻土和天然气水合物可能存在于本研究调查的所有沉积盆地中。然而，天然气水合物只在麦肯齐三角洲-波弗特海地区和阿拉斯加北坡被最终确定。

第六章

海洋天然气水合物

威廉·p·狄龙

美国地质调查局伍兹霍尔，MA, 02543，美国

迈克尔·d·马克斯

海洋海水淡化系统，有限责任公司套房461，康涅狄格大道西北1120号。美国华盛顿特区

1.介绍

许多气体水合物在深海条件下是稳定的，但甲烷水合物是目前为止的主要类型，占海底水合物的99%(第二章)。甲烷几乎完全来自细菌产甲烷，主要是通过二氧化碳的还原过程。在一些地区，如墨西哥湾，天然气水合物是由热生烃气体和其他包合物气体(如硫化氢和二氧化碳)形成的。这些气体从深层沉积物中逸出，沿断层上升，在海底或海底下方形成天然气水合物，但从全球范围来看，与微生物甲烷和产热甲烷相比，这些气体的体积重要性较小。甲烷水合物在海洋沉积物中以多种形式存在。在粗粒沉积物中，它通常以浸染状颗粒和孔隙填充物的形式形成，而在较细的粉砂/粘土沉积物中，它通常以结节和脉状形式出现。在海底还观察到天然气水合物作为表面结壳。通过钻井获得了甲烷水合物样品(图1)。

2.海洋沉积物中的天然气水合物稳定带

只要有适当的物理条件——中等低温和中等高压——就会形成天然气水合物，而且物质存在——接近饱和的气体和水。这些情况通常出现在深度超过500米的深海(北极较浅，水温较低)。控制甲烷水合物存在的物理条件通常用温度/深度场来表示(图2)。相边界(重线)将甲烷水合物稳定在曲线左侧的较冷、较高压力条件与较冷、较高压力条件分开

右边的条件不是。虚线显示了温度条件通常如何随着深海深度和下面沉积物的变化而变化。

图1:在大西洋上钻探的天然气水合物样本的照片布莱克脊，位于佐治亚州萨凡纳以东500公里处(海洋钻井164工程腿，997A孔，水深2770 m，岩心深327-337 m)。照片由美国地质调查局威廉·温特斯提供。

我们选择了典型的北大西洋西部热条件，并想象海底水深2公里(图2)。在靠近海洋表面的地方，温度过高，压力过低，甲烷水合物无法稳定。沿着水柱向下移动，温度下降，温度曲线出现拐点，即所谓的主要温跃层，它将温暖的表层海水(由风驱动的“地转”流)与较深的冷水区(由温度和盐度差异引起的密度变化驱动的“温盐”流)分开。在500 m左右，温度和相边界曲线相交;从那里向下，温度足够低，压力足够高，使甲烷水合物在海洋中保持稳定。

如果甲烷浓度足够高(接近饱和)，就会形成天然气水合物。然而，像冰一样，结晶甲烷水合物的密度小于水的密度(约为0.9)，所以如果这种水合物在水中形成(例如在甲烷渗漏处)，它会向上漂浮，并在越过曲线相交的深度时解离。然而，如果天然气水合物在沉积物中形成，它就会被束缚在原地。最低温度出现在海底(图2)。

■海面

温度

相界面

海底

i i i i i i i i i i i i i 4 O 10 20 30 40温度(°C)

□沉积物中存在天然气水合物

图2:以温度(T)和压力(P，表示水深)定义的甲烷水合物在海水中的稳定区域。重线定义了天然气水合物稳定场P/T的极限，称为“相界”。我们指出了在一个具有典型温度分布的地区，在水深2公里处有海底的影响。T随深度的变化用虚线表示。P/T条件在相界左侧可存在天然气水合物，浅水不能存在，2.5 Km以下沉积物深度也不能存在。在这个例子中，沉积物中的天然气水合物稳定区将从海底延伸到海底以下约0.5公里。

向下穿过沉积物，温度沿着地温梯度上升，直至地球的热中心。当沉积物中的条件曲线(虚线)穿过相界时，我们就到达了甲烷水合物稳定区域的底部。

在已知压力/温度条件下，天然气水合物稳定带(GHSZ)底部的精确位置取决于几个因素，其中最重要的是气体化学。在气体不是纯甲烷的地方，例如墨西哥湾，在相当于2.5公里的压力下，对于纯甲烷，GHSZ的底部将在约21°C时出现，而对于典型的约93%甲烷、4%乙烷、1%丙烷和少量高级碳氢化合物的混合物，GHSZ的底部将在23°C时出现。在相同的压力下(水深2.5公里)，但可能含有约62%的甲烷、9%的乙烷、23%的丙烷和一些更高的碳氢化合物的混合物，相限制将为28°C。如图2所示，这些差异将导致GHSZ底部深度的重大变化。在GHSZ底部以下(图2中的示例为500米)，甲烷和水将是稳定的，不会发现甲烷水合物。

在沉积物没有变化的广阔地区，热梯度往往相当均匀，因此，对于给定的水深，到GHSZ底部的次底深度将相当恒定。然而，由于水深的变化导致压力的变化，我们预计随着水深的增加，GHSZ的底部将进一步延伸到海底以下(图3)。

海平面500 1000克1500

UJ O

3000 3500 4000 4500

图3:假定典型地温梯度的大陆边缘沉积物中GHSZ的推断厚度(点状图)(来自Kvenvolden和Barnard, 1982)

幸运的是，GHSZ的基地通常很容易被遥感声学方法探测到。Peter Miles将在第21章中进一步讨论，但简单地说，自由气泡通常积聚在GHSZ的底部，在那里自由气体是稳定的，不存在天然气水合物。颗粒间气泡的存在显著降低了沉积物的声速。相反，在GHSZ中，由于天然气水合物的存在，速度略有增加，其纯状态下的速度是典型深海沉积物的两倍。当声波脉冲撞击大速度对比时，会产生强烈的回声。因此，我们可以通过测量回波沿剖面的返回时间来创建GHSZ底部的图像。这种利用地震反射剖面的方法表明，GHSZ的底部大致与预测一致，与海底大致平行;因此，地震剖面中的反射被称为“底部模拟反射”(BSR)。BSR是GHSZ底部存在天然气的明确迹象，并强烈暗示天然气水合物的存在，因为有上升趋势的自由气体存在于天然气转化为天然气水合物的区域下方并与之接触。

迄今为止的讨论表明，天然气水合物存在的区域在海底以下形成了一个或多或少均匀的层，并向更深的地方增厚。这通常是正确的，但也存在例外，通常是因为

Contlnental上升

图3:假定典型地温梯度的大陆边缘沉积物中GHSZ的推断厚度(点状图)(来自Kvenvolden和Barnard, 1982)

假定地温梯度= 27.3°C/ 10001m

海底的水合物带

假定地温梯度= 27.3°C/ 10001m

海洋下水合物带沉积物的热结构受到扰动，不均匀。热结构可以通过几种方式被破坏。海底滑坡带走了较冷的近地表沉积物，在海底附近留下了比正常情况下更温暖的物质;导致GHSZ底部局部变浅。热破坏的第二个常见原因是盐底辟的存在，它产生了温暖的斑点，因为盐比其他沉积物具有更大的导热性;这迫使GHSZ的底部更浅。与盐底辟相关的第二个影响是，从盐中溶解出来的离子对天然气水合物的形成起到了抑制(防冻)作用，就像盐对冰的作用一样。热结构被破坏的第三种方式是，以断层为通道，温暖的流体向浅层次底区域循环。断层周围的区域可以被加热到足够的温度，从而形成一个管道，在这个管道中，温度高到无法形成天然气水合物。因此，甲烷和其他气体随着流体流动可以到达海底，通常浓度很高。 Of course, on reaching the ocean water the fluids are abruptly chilled, and gas hydrate is commonly formed directly on the ocean floor. Such seafloor deposits of gas hydrate often co-exist with the escape of free methane and form distinctive biological environments that are characterized by unique organisms

3.海洋天然气水合物在哪里发现?

世界海洋沉积物中天然气水合物的含量显然是巨大的，如第二章所述。只要仔细观察过大陆边缘，几乎在任何地方都能发现这种现象。甲烷在大陆边缘沉积物中积聚可能有两个原因。1.海洋边缘是有机碳流向海底通量最大的地方。这是因为那里的海洋生物生产力最高，来自大陆的有机碎屑也在一定程度上聚集在一起。2.大陆边缘是沉积速度最快的地方。沉积物的迅速积累覆盖并密封了有机物质，在其被氧化之前，使沉积物中的细菌将其作为食物，并形成甲烷，并被纳入天然气水合物。

4.海洋天然气水合物集中在哪里?

大多数关于海洋沉积物中存在天然气水合物的报道，如Kvenvolden绘制的图(第2章，图1)，仅仅表明了在某些地方存在天然气水合物。几乎我们为人类开采的每一种自然资源，包括石油，都是从自然资源高度集中的不寻常地点开采出来的。大量的天然气水合物可能是分散物质，因此从水合物中提取甲烷作为能源的意义不大。然而，即使只有一小部分估计的天然气水合物存在于可提取浓度，该资源也可能是极其重要的。在世界范围内，关于天然气水合物浓度变化的地图绘制很少(见Dillon，美国大西洋大陆边缘第13章)。未来使用甲烷水合物作为能源的重要目标是能够预测甲烷水合物的浓度存在的位置。

研究仍处于早期阶段，但在海洋环境中的现场研究(地震剖面、速度研究和钻井)表明，水合物浓度最高的地方通常存在于GHSZ的底部附近。这表明甲烷是通过某种过程被引入到GHSZ底部以下的，而且在进入GHSZ下部之前，甲烷很可能被困在那里。当然，在GHSZ底部存在被困气体是由经常发生的BSR所证明的。一些甲烷可能来自GHSZ底部相当深处的细菌活动，但大多数可能是从上面回收的。许多大陆边缘地区都有持续的沉积物沉积。随着海底的增加，温度梯度趋于恒定，因此等温表面必须随着海底的上升而上升。浅层沉积物中的一粒沉积物或一点天然气水合物可以有效地看到GHSZ随着海床的堆积向上迁移。最终，它深入到海床以下足够远的地方，位于GHSZ的底部之下，超出了天然气水合物的稳定范围。然后水合物分解(解离)并释放甲烷，由于气体密度低，甲烷倾向于通过沉积物上升，最终积聚在GHSZ的底部(图4)。

图4:显示海底沉积积积效应的图表，它导致天然气水合物的底部随着时间向上迁移，以保持GHSZ的恒定厚度。这导致天然气水合物继续分解，并在水合物底部释放气体。这些气体可以被回收到天然气水合物区。

GHSZ底部天然气水合物解离的另一个原因是存在于活动大陆边缘，在那里沉积物被推入一个俯冲带．在这种情况下构造加积楔形是这样建造的，带入楔形的新沉积物沿着底部的断层被推入。这具有折叠和提升先前积积的效果

的基础,

l区水合物分解

L气体迁移

的基础,

l区水合物分解

L气体迁移

N时间沿轨道(小时!年代

2200 2000 1800 1600 1400

剖面0bc 5a

20公里

浊积岩盆地

板块运动

构造增生楔

逆冲导致抬升和静水压力降低

N时间沿轨道(小时!年代

2200 2000 1800 1600 1400

剖面0bc 5a

图5:海地北部边缘的地震反射剖面(5A)和解释(5B)，板块运动导致沉积物下冲，导致褶皱和隆起。的提升降低压力，导致GHSZ底部的天然气水合物解离并释放气体。释放的气体上升，回到GHSZ并形成天然气水合物(来自Dillon et al.， 1992)。

沉积物。向上运动将沉积物输送到较浅的水域，从而降低压力，导致天然气水合物在GHSZ的底部解离，在那里它处于相极限。地震剖面(图5)显示了这种机制的结果，并显示了从地层横切反射器的BSR。

当然，释放出来的气体可以横向迁移。当它这样做时，气体通常会到达一个地方，在那里它被困在顶点

(浅点)在密封表面由GHSZ的基础形成。被困在一个地方的气体会不断滋养该地方上方的天然气水合物，并产生高浓度的气体水合物。气体GHSZ底部的圈闭可以有几种形式。最简单的是在海底的一座小山上形成的，在那里，GHSZ的底部与海底平行，形成一个宽阔的拱形或圆顶，作为一个密封，形成一个气体陷阱(图6)

: 图6:以天然气水合物层为密封层，可作为气体陷阱的情况图。

沉积堆积，如在南卡罗来纳的布莱克岭，一个众所周知的天然气水合物集中地点，或者它可以是一个褶皱构造背景．

在某些情况下，在GHSZ的底部可以形成一个封闭气体的顶点，而不受海底形态的影响。这就发生了盐穹顶由于由两个参数控制。首先，盐比沉积物具有更高的导热性，因此在盐丘上方会存在一个温暖的地方。其次，从盐中溶解出来的离子可以作为天然气水合物的抑制剂(防冻剂)，就像盐降低水冰的冻结温度一样。这种化学抑制和热结构扰动的双重作用导致GHSZ的底部在盐丘之上向上弯曲，形成一个气体陷阱(图6中的第二部分)。

东南线usgs 95-18-20西北

SP 200 too 600

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东南线usgs 95-18-20西北

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: 图7:穿越卡罗莱纳大陆边缘盐丘的地震剖面。

图7是南卡罗来纳州(美国东南部)附近一个地点的地震反射剖面，那里的天然气水合物层受到上升的盐丘(底辟)的强烈影响。在某种意义上，任何地震剖面都代表海底的横截面，但要记住，图像是由沉积层和天然气水合物现象固有的密度和声速变化形成的反射器反射声音形成的。纵轴以声音的传播时间成像。这幅图像经过计算机处理，因此它本质上是拉伸的，垂直距离大约是水平距离的10倍(在真实的切片中，特征会显得更平坦)。水深约2200米。请注意，深层地层似乎因盐的上升而急剧弯曲。正如BSR所示，GHSZ的底部也从穹顶上升起，BSR穿过代表沉积层的反射。这实际上并不代表GHSZ底部的物理弯曲，而是一种热/化学抑制作用，它阻止了天然气水合物的形成，就像盐丘不存在时那样。底辟左侧BSR下方极强的反射表明GHSZ下方蕴藏着大量气体。请注意，在GHSZ中，被困气体上方的反射是微弱的。 We infer that the weakening of reflections, known as "blanking", may be caused by the preferential accumulation of (fast) gas hydrate in the more porous (slower) strata, thus reducing velocity contrasts that are required to create strong reflections. The blanking suggests that gas hydrate is concentrated there.

回顾一下，我们考虑了在GHSZ底部形成圆顶状陷阱的三种情况。在前两个(形成于海底的山丘或褶皱)中，圈闭的形成是因为GHSZ的底部与海底平行。在第三种情况下(在盐底挖)，GHSZ的底部并没有沿着海底，而是通过对天然气水合物相稳定性的热和化学控制形成了捕获气体的形状。这三个例子也说明了导致水合物解离和甲烷释放到圈闭的三个影响因素。在第一种情况下，沉积物积聚，控制因素是热，在第二种情况下，圈闭被提升到较浅的水深构造力量在第三种情况下，在盐丘，控制因素是热和化学。

当然，有无数种方法可以将天然气困在含天然气水合物的地层之下，地质学家在寻找这种情况时需要富有想象力。一个简单的圈闭(图6)，其中交替渗透的倾斜地层可以被含水合物层密封在其上倾端，在更渗透的层中形成圈闭。例如，这种系统可能在浊积扇中形成。

天然气水合物浓度作为能源资源的分析可以采用与地层结合的矿床类似的方法，如密西西比河谷上游的铅锌矿床。天然气水合物沉积在许多重要方面与天然气水合物相似。

1.海洋水合物经常与地层结合，因为GHSZ不仅与海底平行，而且通常与近期海洋沉积物的层理平行。当古老的沉积物受到天然气水合物形成的影响或构造扰动时，GHSZ的海底跟随基底可能穿过地层。天然气水合物的形成带是一个重要的特征，即使它是由成岩作用形成的，或者次于它所处的沉积物。

2.海洋水合物一般在水平方向上分布，而不是沿断层壁或断裂带垂直分布。尽管如此，小规模的断层活动对于GHSZ内精细尺度的天然气水合物分布可能是重要的。

3.海洋水合物似乎从低温地下流体缓慢沉积，携带少量经济物质到水合物形成的GHSZ。

按照这一模式，从天然气水合物中提取甲烷过程的第一部分可以利用旨在保持矿山完整性的采矿方法的适应性类似技术。

5.甲烷从天然气水合物储层转移到大气中;raybet雷竞技最新气候的影响

海洋沉积物中的天然气水合物储层对气候有着重要的影响，因为那里有大量的甲烷raybet雷竞技最新温室效应潜势大气中的甲烷含量。甲烷吸收能量的波长与其他温室气体不同，因此少量甲烷的加入会产生重要影响。Haq将raybet雷竞技最新更广泛地考虑气候问题(第11章)，但简单地说，如果大量甲烷被释放到大气中，它将立即产生温室效应，随着甲烷在空气中被氧化为二氧化碳，温室效应将慢慢减弱。全球变暖潜势(甲烷的GWP)按重量计算，在20年的时间里是二氧化碳的56倍。也就是说，在这段时间内，单位质量的甲烷被引入大气，其变暖效应是相同质量的二氧化碳的56倍。由于大气中的化学反应，这一因素随着时间的推移而减少;例如，100年期间的全球变暖潜能值因子为21 (Houghton等人，1995年，第22页)。相当保守的估计(Kvenvolden,1988)表明，天然气水合物储层中的甲烷含量大约是目前大气中的甲烷含量的3000倍。

进入大气的甲烷可以是天然气水合物解离释放的气体，也可以是从天然气水合物密封下面的陷阱中逸出的气体，但即使是后者，当密封被水合物解离破坏时，甲烷也最容易逸出。升温或减压均可完成解离。

显然，如果海底海水变暖，就会发生变暖。然而，天然气水合物只会在其相边界处解离。例如，在图2中，海底的天然气水合物很好地存在于它的稳定区域内，几度的升温不会导致它离解。在图2中，相界位于海底以下约500米处。如果底部水突然变暖，暖锋将不得不通过沉积物向下传播，直到天然气水合物处于相限的深度，这可能需要数百年或数千年的时间。这种变化必须以传导性热流的形式发生，因为向下流动的水可以传递(平流)热量，在海洋沉积物中是极其有限的。显然，底水变暖将迅速产生影响的地方是GHSZ底部非常接近海底的地方(见图3)。目前正在发生大气变暖。在上个世纪，全球地表气温可能上升了约0.8摄氏度。这种变暖可能正以一种与已观察到的化学示踪剂类似的方式转移到海洋中，这意味着在几十年内，变暖的地表水有望循环到较浅的天然气水合物深处。特别是在墨西哥湾，那里温暖底流有时会席卷该地区，在加利福尼亚北部海域，已经观察到海底天然气水合物的活跃分解(证据是以前观察到的天然气水合物和甲烷气泡的释放)。其中一些活动与可识别的水温变化有关，目前的大气变暖可能导致水合物解离，从而加强变暖趋势。

在北极地区，另一个天然气水合物变暖的过程被提出，那里持续的海平面上升正在导致海水扩散到沿海平原。在北极，地面温度低到足以使天然气水合物与永久冻土相结合(见第五章)。与北极地面温度相比，海水温度较高，因此热转移预计会导致天然气水合物的分离(图8)。到目前为止，在现场验证这一过程的尝试还没有成功，但甲烷的转移似乎是通过这一过程进行的。

继续阅读:海平面上升

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