泥火山与天然气水合物

IssN1009-2722Marine Geology Letters海洋地质动态2006,22(12):20-23文章编号:1009-2722(2006)12-0020-04泥火山与天然气水合物梁杰,龚建明,陈建文(青岛海洋地质研究所,青岛266071)摘要:系统地介绍了泥火山在全球的分布特征;阐述了水下泥火山形成的原因和机制;总结出4类泥火山的形成原因和两个泥火山形成机制;在此基础上深入地分析了天然气水合物与泥火山的关系及泥火山中天然气水合物的资源量。关键词:泥火山;天然气水合物;形成机制中图分类号:P744.4文獻标识码:A物);②局部特殊地形特征的出现。这些地貌1泥火山的研究意义在旁扫声纳图上具有强烈的后反射,也可直接通过深潜器和水下摄像获得。但在实际工作泥火山往往又被称作泥质底辟泥丘等,但中,即使是有两个判定标准,确认泥火山也是非实际上它们并不完全相同。常困难的。根据上述的两个标准,我们可以对海底泥火山是一种海底地形建造,代表了已知的泥火山进行分析、比对。已知的泥火山水、盐水、气体、石油或沉积物的流动和喷发。大多分布在巴巴多斯岛、墨西哥湾、尼日利亚泥火山与泥底辟有密切的联系,可以说所有的挪威、地中海、布莱克海、里海海域等海域,形成泥火山都与泥底辟相关,反之却不成立[1,2了9个主要的泥火山分布区,其中,地中海内的对泥火山的研究是非常必要的,其重要性泥质底辟/火山机制区形成了连续的地中海海主要表现在以下几个方面:①泥火山是甲烷从山泥质底辟带( Limonov,1996)。许多地区的岩石圈进入水圈和大气圈的途径之一;②它们水下泥火山具有以下标志特征:①在海底附近为沉积物深处是否蕴藏油、气提供了证据;③形成直径可达数千米的次圆形结构,并可在测通过研究泥火山中的岩石碎屑可以了解深部的深图或声纳图上显示出来;②显示在地震图像信息:④水下泥火山可能影响钻井、管线设计上的刺穿海底的泥质底辟;⑧在声学剖面上、和安装;⑤与之密切相关的气体水合物是一种深潜器实际观察中无人深潜器、水下摄像观察重要的、潜在的能源。中发现的海底构造之上的流体泄漏;④浅水区中非永久性的泥质小岛;⑤水体表面的气泡,2泥火山的特征与分布它们可能是泥火山释放的。截止到目前为止在全球海域中发现有27般认为确认海底泥火山有两个关键标处分布有泥火山。在某些地区泥火山出现的几准:①岩心中出现特殊的泥火山沉积(如泥质率非常高。但在一些意想不到的海区也常有泥角砾包含一系列年龄组成构造不同的沉积火山出现例如波罗的海。那里的沉积物厚度大约仅有10m,但却发现有微型的泥火山(直收稿日期:2006-10-20径1.5m,高约30cm)作者简介:杰(1979-),男,硕士,从事石油地质研究水下泥火山的规模一般要大于陆上的。由第22卷第12期梁杰,等:泥火山与天然气水合物21会有大量的泥火山被发现。泥火山几乎都出现的出现;③断层的出现;④侧向构造挤压作于陆架、大陆或海底斜坡及陆内海深水区中,对用;⑤地震活动;⑥地壳均衡过程。这些地区的地质和构造背景的研究对了解泥火(3)地球化学成因山活动机制非常重要。①沉积物深部石油生成过程;②黏土脱在陆内海的深水区,如里海和布莱克海都水作用。发现有泥火山。这些地区的沉积物是陆源的,(4)流体地质成因典型厚度为10~20km,形成于第三纪到现代,沿断裂带的流体迁移。具较高的沉降和堆积速率,泥质底辟和断层使可以看到,这些成因中有许多是相互连续许多沉积物层序发生形变。互相依赖的。在不同海区,泥火山形成的成因在被动大陆斜坡,水下泥火山主要分布在是不同的。这使泥火山的成因多种多样,难以挪威、尼日利亚、墨西哥湾海域。在前两个地区归纳出一个由确定的几个因素构成的泥火山形中,泥火山被限制在水下扇上沉积物由第三纪成原因。一个权益之计是明确泥火山形成的关陆源沉积物构成沉积速率较高,并且在尼日尔键因素,以此预测泥火山的活动区域,根据已知三角洲,有许多底辟体和断层。墨西哥湾的大推测泥火山的分布规律。基于这种考虑,我们陆斜坡是非常复杂的深水区,该区地质条件表可以确定两个关键的泥火山成因条件:①在地现为快速沉积、断裂活动和底辟构造等作用相中海深水区和被动大陆边缘上的高沉积速率;结合的特点。②在活动大陆边缘上的侧向构造挤压作用。在活动大陆边缘上,泥火山在地中海和巴此外,在泥火山形成过程中必须有塑性黏土层巴多斯岛海域的存在已得到证实,但这些地区的出现,另外在许多地区,水下泥火山多形成于的地质和构造背景不同。在地中海海域,泥火那些具有高沉积速率和侧向挤压作用的区域。山仅分布在增生楞柱区内,区内以复杂的推覆泥火山的成因常与其形成机制有关。泥火构造为特征。巴巴多斯海域,泥火山除了分布山的形成作用一般被认为是深部积累的气体破在增生楞柱区外,在楞柱之前的海区中也有分坏、刺穿海底的底辟活动液化沉积物沿断层上布,而这些地区的沉积物厚度仅有2.3km。总升作用及水合物分解的产物。通过分析泥火山体来看大多数已经发现的泥火山主要分布在活的地震剖面和形态特征可以确定,所有的泥火动大陆边缘上。山具有两个形成机制( Milkov,2000)。机制一:泥火山直接形成于底辟体之上,这3水下泥火山形成的原因和机制些底辟体可能到达海底表面。里海的一些泥火山可能就是这种机制的产物。该类泥火山通常科学工作者们对泥火山形成的原因和机制规模比较大,直径可达7km,高度可达200m,提出了不同的看法。归纳主要有4~7种泥火可由多个喷口形成。沉积层的密度倒转或是山的形成原因,它们可以分成4大类:沿断层的挤压作用造成了底辟体上升至海底表(1)地质原因面,这种与底辟有关的泥火山的形成常常依赖①巨厚的沉积盖层(8~22km),沉积物主于流体的迁移作用,也与沉积物粒度、底辟物质要为陆源碎屑;②沉积层的次表面有泥质塑性的固结程度相关。层存在;③具有岩石密度倒转现象;④在沉积机制二:液化的沉积物沿断层和断裂体系向物深部有气体积累出现;⑤有高压力异常。上迁移。在这种情况下,具高流体含量的沉积物(2)构造条件到达海底表面形成泥火山建造。这些泥火山可①由于高沉积速率或逆冲块体超覆而造能与由密度倒转形成的底辟相联系,而底辟很可22Marine Geology Letters海洋地质动态2006年12月和布莱克海区就有这种泥火山出现5,然而,在的赋存情况分析表明,天然气水合物普遍存在于很多情况下底辟位于泥火山之下,无法直接观泥火山或泥底辟顶部附近2。在泥火山的任何测泥火山通道直接穿入物源层。流体迁移在这部位水热和交代过程的混合都可能出现。种机制中也起着根本性的作用。由于压力差的存在,流体与泥土一起或单独活动。在后者的情况下,流体泄漏(盐水、水、气体)在泥火山形成之前就已经存在,。这样形式的泥火山以泥岩角流体砾中高流体含量为特征,形成较平坦的圆锥建◇气体造,高出海底数米,或是表现为从海底裂隙中喷水合物出的泥流。从已有的实例来看,以第2种机制形◇成的泥火山在海底比较常见。GHSz oGHSZ4天然气水合物与泥火山的关系天然气水合物与泥火山的关系首先是由a泥火山中心部分以水热过程为主的形成模式;b泥火山边缘以交代过程为主的形成模式burg发现的。此后,在里海、布莱克海、地中海、巴巴多斯海区、尼日利亚海域和墨西哥湾图1泥火山中天然气水合物形成模式(据Mkv,2000海域都发现了与泥火山有密切联系的水合Formation of gas hydrate in mud volcanoes物10。1996年“ Gelendzhik”号的TTR6航次对位于克里木大陆边缘(黑海北部)东南面的5泥火山中天然气水合物资源量Sorokin海槽采样,在5个含有泥质角砾岩的岩心中均观察到了气体水合物( Henrie,2000。进甲烷是与泥火山相关的水合物的主要气体步证实了底辟构造与水合物的密切关系。组分。为了估算世界上这种水合物中甲烷的含与泥火山有关的水合物具有许多共同的特量,我们必须首先要知道水合物聚集体中的甲点譬如沉积物中水合物的颜色常常表现为白色烷浓度,其次是泥火山中所含水合物的数量或灰白色,常以片状形式出现,在沉积物中很少对里海海域泥火山中所含水合物的数量估出现定向分布等等。沉积物中水合物含量变化算研究比较深入,取得了一些相关的经验。对巨大(体积百分比范围1%~35%,在泥火山的全球海洋中泥火山蕴含水合物数量的计算是在不同深度上水合物含量变化都比较大。甲烷是已知泥火山分布区内的,泥火山的分布密度的气体水合物的主要成分,在成因上可分为热成基础上获得的。 Brown和 Westbrook((1988)算因、生物成因和混合成因3种。对挪威海域泥火得巴巴多斯海域泥火山的密度约有450个每山的研究发现泥火山中的水合物集聚体具有同150000km2。在其他一些地区泥火山密度可心带状构造,受温暖的上涌流体的控制:2能要小些,例如,布莱克海域为大约30个、里海图1是建立在挪威海域数据基础上的泥火大约60个,而地中海东部则超过150个。也有山中水合物成矿过程的模型,这种模型,它以呈某些海域仅有唯一的泥火山,比如挪威海域。同心带状分布的水合物为特征。气体水合物即所有温度压力符合水合物形成的深水泥火可出现在泥火山建造内也可出现在它周围的沉山区都属于大陆和洋岛的斜坡部分,或是内陆积物内但两者间的水合物形成过程是不同的,海的深水区。这些形态单元的总面积大约为然而,从这些地区(墨西哥湾鄂霍次克海、里海、70×10km2(大约占世界海洋总面积的第22卷第12期梁杰,等;泥火山与天然气水合物23度代人所有可能出现泥火山的海域,那么就可量可以估算与全球深水泥火山相关的气体水合以得到世界深水泥火山总数的上限数值,大约物聚集中的甲烷量。为200000个。根据其他海区的泥火山密度可参考文獻:以算得相对低一些的估算值,分别为里海40000个、布莱克海5000个、地中海3000个,因[1] Plank S, Svensen H, Holand M,etal. Mud and fluid此,103~105是世界上深水泥火山总数的合理migration in active mud volcanoes in Azerbaijan [J].估算值。根据泥火山密度的实际观察结构来Geo-Marine Letters, 2003. 23: 258-268[2] Brown K M, Westbrook G K Mud diapirism and sucre-看,这些估算值是比较合适的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个取样的泥火山中仅有1988,7;613-640.1个证实含有水合物;在布莱克海的深水区,8[3] Ginsburg G D, Soloviev V A Mud volcano gas hydrates个采样的泥火山中仅发现两个含有水合物;在in the Gaspian Sea []. Bulletin of the Geological Societyof denmark,1994,41:95-100.地中海 Olimpi k,采得23个泥火山和底辟体[ Brown K M. The nature and hydrogeologic significance的样品,未发现水合物,但 Brumback(199)报of mud diapirism and diatremes for accretionary systems道,通过孔隙水标志,表明这些泥火山中存在水[]. Geophysical Research, 1990, 9518969-8 982合物;在地中海 Anaximander区,采得6个泥[5] Asses, Sweet S T, Milkov A v,etl. Geology and ge火山的样品,仅发现1个含有水合物,因此,含ochemistry of gas hydrated central Gulf of Mexico conti-水合物的泥火山量可能仅占泥火山总量的nental slopeD]. Gulf Coast Association of Geological So-cieties Transactions, 1999, 49: 462-46810%。根据单个泥火山的水合物含量、世界含[6 Hernry P, Le pichon x, Lallemant S,etal. Fluid flow in水合物的泥火山数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总量accretionary wedge: results from Manon cruise[J]Re-为1010~1012m3。但这只是一个初步的估算search,1996,101:20297-20323值,要精确的了解世界泥火山所蕴藏的甲烷总7] Ginsburg G D, Ivanov V L, Soloviev V A Natuhydrates of the worlds oceans[C]//. Oil and Gas Con-量还需进一步的工作。tent of the Worlds Oceans, PGO Sevmorgeologia, 1984.141-1586结论[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)己发现或推测存在海底泥火山的所有[9] Ginsburg G D, Kremlev A N, Grigor'ey M N,et al. Fil-地区都局限于陆坡、岛坡和内陆海的深水区。trogenie gas hydrates in the black Sea( twenty-first voy-这些地区的地质和构造特征表明海底泥火山的age of the research vessel Evpatoria)[J]. Sov. Geol.形成有两种主要原因:高沉积速率,横向构造挤Geophys.,1990,31;8-16压,但也需要存在塑性黏土层,并且泥火山形成[10] Corthay I,J E. Delineation of a massive seafloor hydroand s需要的其他条件也都源自这两个主要原因。gas reservoir, Louisiana continental slope [C]//Of(2)泥火山中气体水合物形成的通用模型shore Technology Conference, Houston, Texas, 1998,是:泥火山中心的气体水合物形成是水和甲烷37-56渗滤驱动的低温热液过程,而在泥火山的边缘[1] Kvenvolden K a. Methane hydrate-a major reservoir of气体水合物由甲烷扩散和与地层水的混合所驱carbon in the shallow geosphere? [J] Chemical Geol动的交代作用所形成gy,1988,71:41-51[12] Kvenvolden K A, Ginsburg G D, Soloviev V A. World-(3)通过计算深水泥火山的总数量、含水wide distribution of subaquatic gas hydrate [J].Geo-