海洋天然气水合物形成机理探讨
自然界的天然气水合物只分布于两类地区:多年冻土带和海洋。而海洋沉积物中天然气水合物的资源量占全球总量的99% 以上, 因此, 海洋天然气水合物的成因机理是目前研究的重点和热。天然气水合物的形成需具备几个基本条件: ①充足的天然气和水, 天然气的来源包括无机成因和有机成因的气体, 如甲烷、乙烷、丙烷、CO2等; ②足够低的温度和较高的压力, 与海底深度和地热梯度关系也较大; ③可使气和水充分聚集的有利的储集空间。下面分别加以讨论。
围绕“水合物源控论”的思想, 水合物中气体的来源在很大程度上影响水合物的形成模式。理论研究认为海洋天然气水合物的气源具有4 种可能的来源: ①海水溶解的甲烷(来自海水溶解或悬浮有机质生成的甲烷以及由大气或海底进入海水的甲烷);②海底之下气水合物层有机质自生自储的甲烷; ③海底之下水合物层下伏的沉积物或沉积岩中有机质生成的甲烷; ④ 深部非生物成因(无机成因)的甲烷。在①的情形下比较难以生成水合物, 因为,海水溶解甲烷的浓度很低, 目前积累的资料表明海水溶解甲烷的浓一般在10-8 cm 3\g 数量级, 远不能从海水中析出[28]。在②和③的情况下, 甲烷具备原地生成水合物的可能性。这两种天然气极有可能因
为周围温度或孔隙压力的有利变化而转变为水合物, 尽管也会因上述条件的不利变化而不断分解,或者水合物分解后, 遇到有利的条件二次生成, 但孔隙流体的活动范围基本上不大。微生物成因的水合物气源多来自原地, 如布莱克海台是典型的微生物成因, 甲烷基本上由原地产生。但Egeberg等应用沉积物孔隙水化学组成对布莱克海台天然气水合物气体来源进行了研究, 依据测定结果, 推测布莱克海台有随其它地区流体运移而来的甲烷。这看起来有矛盾之处, 尚需进一步探究。在④的情况下, 甲烷更可能通过运移生成水合物。深部的无机成因甲烷, 还包
括部分来自深部的热成因甲烷气会从海底深部上移至稳定带而形成天然气水合物。墨西哥湾和里海的天然气水合物主要是热成因。笔者认为, 它们是由来自深部的热成因甲烷气运移到有利的环境生成的。尽管目前没有找到无机成因气的水合物矿点,但并不妨碍人们对无机成因气的水合物存在保持乐观的看法。笔者认为, 随着认识和调查的深入, 无机成因气的水合物将会被发现。
在水合物形成的地质历史过程中, 海平面的高度、海底温度以及全球性的气候变化都会对水合物的稳定性产生影响。温压条件不仅影响水合物生成,也是导致沉积物中水合物分解的主要因素。海洋沉积物中天然气水合物稳定带的厚度明显受地温梯度和稳定带水深的影响, 一般的趋势是: 随地温梯度的增高水合物稳定带相对变薄, 而随水深增大而增厚。当沉积物不断堆积移动通过水合物带时, 随着新的沉积物沉积于气体水合物的顶部,由于侧向挤压作用, 气体水合物带的底部有可能会发生分解,释放出大量天然气。在可渗透的沉积物中, 这些天然气会向
上运移并逸散, 而水合物带的存在犹如游离气上方的密封盖层, 会将这些气体圈闭于水合物层下,或者由于其它因素, 这些气体(以甲烷形式为主)向下部运移, 以游离态形式储存于地壳深部。这可以解释天然气水合物和游离态天然气往往共存这一现象。
假设具有充足的烃类气体和水分子供应,并且具备合适的温压条件, 那么天然气水合物是否一定就可以在海底之下沉积物中生成呢? 理论上看来可行。但在实际的自然状况下, 除前述两种基本要素外, 天然气水合物的形成还必须有充足的流体载体的供应以及流体载体的输导系统。该输导系统必须为流体载体提供一定的动力来源、运移通道空间等。可见地质环境是气体水合物形成的重要控制条件,也正是由于地质条件的不同, 导致天然气水合物的形成模式和分布上的巨大差异。笔者从天然气水合物形成特征的角度将海洋天然气水合物的形成模式
分为强渗漏系统和弱渗透系统。
2.1强渗漏系统
所谓强渗漏系统是指海洋底部由于地壳构造活动产生的挤压或拉伸等变形作用或者由于海洋沉积物的侧向挤压变形作用而出现断层, 许多圈闭的烃类气体由此向上渗流并大量漏出, 形成较稳定的水合物形成所需的气源。以甲烷为主的烃类气体(可以是生物成因, 也可以是非生物成因) , 与流体载体一起形成孔隙流体团, 无论其是否达到饱和状态(相对于游离气体),在纵向和侧向上的压力梯度、温度梯度的驱动下,将会沿着断层的孔、缝等多种通道系统运移, 最后聚集在主通道内继续向上运移, 基本上达到过饱和状态。同时, 在原地微生物烃类气体的参与下, 大量的烃类气体难以继续溶解在流体之中, 于是它们在合适的温度、压力下, 即在天然气水合物稳定带内,与水分子相结合, 成为固态结晶体的天然气水合物。产状上可认为在BSR 之上积聚形成富水合物区, 大多数水合
物聚集在BSR 之上一个相对狭窄空间带。水合物稳定带的底界呈不连续状, 表现出稳定带形成之前具有突变过程。其上界则是扩散和渐变的, 反映出水合物在横向和纵向上不断生长、并向外延伸和扩张的状态。强渗漏系统极具成藏的可能性。一是因为地壳构造活动的变形作用可形成许多流体运移的通道, 同时也可产生大量的向上运移的孔隙流体。二是这种活动可带来有利的储集空间, 特别是快速巨厚沉积的裂陷区或扩张区, 是强渗漏系统易形成水合物的地方。强渗漏系统的水合物形成模式也适于海底之下陆坡和陆基地带, 所形成的天然气水合物分布集中, 储量密度大, 成藏物化条件优越,具有实际开采价值, 其资源意义十分重要。根据Kvenvo lden
等对世界各地的天然气水合物样品的调查资料以及有关的地质资料分析, 笔者认为墨西哥湾、中国南海、挪威外海有此类水合物藏存在的条件。
2.2 弱渗透系统
相对于强渗漏系统, 弱渗透系统中天然气水合物的形成过程则细微与缓慢, 但其作用的范围也更加广泛。以甲烷为主的烃类气体由微生物或热作用生成后,散布于海底之下较为松散的多孔沉积物层中,这些孔隙被气体充满的沉积物层,或者因为温度下降,或者通过挤压作用使孔隙压力增大而向有利于天然气水合物形成的状态变化,气体在原地合适的温压条件下从沉积物中原地淬取水, 在沉积物孔隙内形成天然气水合物。另外,由于在地下成岩和微生物降解这类作用的缓慢过程中, 气体量相对会越来越大,所以在允许水合物稳定存在的海底之下温压条件下,溶于孔隙水中的自生生物烃类气体的数量可增加到保持水合物形成的平衡压力的程度, 使部分富含孔隙水的流体转化成水合物。这一作用过程相对缓慢,天然气水合物形成的动力特性、成量大小也要受海洋沉积物中所能获得的有机碳量、海底沉积物中有机碳的保存能力、沉积速率等因素控制。水合物理论上可在其稳定带内的任何位置形成,可贯穿整个水合物稳定带, 但形成的此类水合物通常空间分布相对分散,不利于经济性开采。但是,由弱渗透系统形成的水合物也并非不能聚集,当具备合适的条件时,也可以成藏。
如果由于周围地质环境的变化, 例如海底沉积物的挤压变形作用可形成许多供气体运移的断裂通道以及聚集的空间, 这些空间可以产生抽吸作用,在一定条件下表现出吸引气体聚集的趋势, 使得气体通过各种细微的断裂通道运移到这些有利的储集空间聚集。这些空间的气体会以扩散、渗透等方式运移到水合物层上方与水充分化合,在温压条件均比较有利的地带形成水合物藏。这样的变化过程也同样相当缓慢, 但笔者认为, 这是由弱渗透系统形成的水合物成藏的最广泛的途径。
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