天然气水合物成藏机理新认识

摘要：采用实验模拟-数值模拟-野外实例相结合的研究手段，剖析东太平洋Cascadia边缘天然气水合物成藏过程。运用相关资料提出了南海天然气水合物成藏的概念模式，建立了南海天然气水合物饱和度估算模型，为我国天然气水合物勘探开发提供了理论基础。

1.项目概况

2011年至今，中国地质调查局青岛海洋地质研究所开展了天然气水合物成藏机理研究工作，充分利用国际典型水合物成藏区卡斯凯迪亚(Cascadia)边缘等地区资料和研究成果，对天然气水合物的成藏系统模式进行了总结和修正，结合我国南海天然气水合物实际调查情况，分析了南海天然气水合物成藏机理，为我国水合物勘探开发提供了依据。

2.  成果简介

(1)实验模拟获取了天然气水合物形成的微观细节与机理，夯实了成藏理论基础。对南海神狐钻探区含有孔虫沉积物进行了天然气水合物形成模拟实验，获取了关键细节过程和机理特征。结果表明，粘土对甲烷水合物的相平衡条件影响不大，大量水合物在有孔虫壳体内先形成微粒子，水合物难以胶结沉积物颗粒，致使饱和度为0~14%期间声波速度增长缓慢，声波信号呈减弱趋势；随水合物体量增大，胶结型水合物增多，纵横波增长速度加快，声波信号衰减减弱。验证已有速度模型表明，联合权重方程和BGTL理论(李改进的比奥特哥斯曼理论)可准确地估算南海水合物饱和度，2个模型中参数取值分别为W=3.5、N=2和 G=0.6、N=1。

(2)数值模拟推动了水合物宏观成藏过程，揭示了成藏控制因素和相关机制。提出基于自由能来分析水合物成藏条件和成藏过程的思路，研制了“天然 气水合物成藏机理数值模拟分析系统”软件。对布莱克海台和南海神狐海域水合物成藏进行数值分析，揭示了被动大陆边缘扩散型水合物聚集速率主要取决于甲烷供给速度，阐明了不同有机质含量、不同产气速率、不同地温梯度及沉积速率条件下天然气水合物含量空间分布的差异性。以布莱克海台等典型赋存区为例，获得了应力场等因素对天然气水合物成藏控制作用的机理。

(3)剖析Cascadia水合物成藏过程，实例解剖南海水合物成藏模式。完善了Cascadia边缘水合物成藏模式（图1)，天 然气水合物的大致成藏过程为：有机质通过远洋沉积输人或浊流沉积输人，之后被沉积和埋藏，产生一部分原位甲烷，另一部分甲烷通过通道由深部运移上来。 富甲烷的孔隙流体和游离甲烷气沿着一系列丝状断裂上移，进人海底附近水合物稳定域内，大量甲烷生成天然气水合 物，过量的甲烷继续运移至海底，从而导致大量海底碳酸盐的形成。

神狐海域水合物钻探区的高分辨率地震数据解释结果显示，该区存在3条主控断层、众多滑塌断层及气烟囱。结合天然气水合物地震相特征分析，认为神狐海域天然气水合物可能呈多层分布，稳定带底部天然气水合物层厚度较大，连续性较好。通过与邻区LW3-1-1大气田对比认为，除神狐海域除生物成因气以外，可能存在热解成因气形成天然气水合物。神狐海域天然气水合物成藏的主控制因素可能是气源和断层，其成藏模式主要有2种类型（图2):在断裂或滑塌构造发育区，天然气水合物的气源以热解成因气为主，天然气水合物呈多层分布；在构造平缓地区，天然气水合物的气源以生物成因气为主，如气烟囱等特殊地震相，天然气水合物呈单层分布，且主要分布在BSR之上一个狭窄的范围内。目前神狐海域钻遇的天然气水合物主要是以单层分布的生物成因的I型天然气水合物。

3.成果意义

通过实验模拟和数值模拟，在Cas-cadia边缘、南海神狐等海域取得了天然气水合物成藏模式的新认识，获得了含有孔虫沉积物中天然气水合物形成过程 及与饱和度的关系结果，分析了主要成藏要素对天然气水合物形成的控制机理，对我国天然气水合物成藏规律研究和资 源评价具有较好的理论和实用价值。(中国地质调查局青岛海洋地质研究所 胡高伟 袭建明 供稿）