泥火山——天然气水合物存在的活证据
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发布时间：2022-04-23 06:32
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时间：2023-09-20 16:27
沙志彬 张光学 梁金强 王宏斌
第一作者简介：沙志彬，男，1972年出生，高级工程师，主要从事石油地质和天然气水合物的研究。
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
摘要 海底天然气水合物大多与通过切穿沉积盖层的断裂的上升烃类流体相关，这些高渗透带包括泥火山和底辟等侵入构造，所以泥火山、底辟和海底断裂等构造周围可能赋存水合物；实际钻探结果也证实，泥火山和水合物的形成与聚集有较为密切的关系。泥火山，它是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果，也是气体向上运移的通道。文章初步总结了泥火山与水合物的成矿关系，认为泥火山是水合物赋存的标志之一，是水合物存在的活证据。本文对我国泥火山与水合物的发育和赋存进行了分析预测，并对泥火山构造中水合物的成矿模式进行了初步探讨。
关键词 泥火山 天然气水合物 成矿模式
1 前言
泥火山，是顶部带有漏斗状火山口并具有通向深部的管孔，可涌出混有泥质粘土质沉积物的水、气的大型圆锥形山丘，它的形成与烃类渗出物相关。泥火山跟泥底辟一样，都是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果，同时它也是气体向上运移的通道。
1984年Ginsburg 等地球物理学家第一次提到了水合物与海底泥火山的关系问题，此后陆续发现了里海、黑海、挪威海、地中海、巴巴多斯近海、尼日利亚近海和墨西哥湾的水合物普遍有存在于泥火山或泥底辟附近的现象，这些现象说明泥火山与水合物的赋存关系密切，可以认为泥火山是水合物赋存的标志之一，是水合物存在的活证据。
被动陆缘内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动及张裂作用，可形成大规模的泥火山或底辟构造，这些构造能使构造侧翼或顶部的沉积层倾斜，便于流体排放形成天然气水合物。Reed 等（1990）认为，沉积物负荷和甲烷的产生相互结合促进了泥火山的发育或有助于附近泥底辟的演化，随着甲烷的聚集浓度增加导致了水合物的形成，而且有利于水合物的发育。目前，世界海洋中成规模的水合物产地共有五处，综合分析结果表明，水合物主要聚集于活跃的流体逸出环境中，是由微生物成因的甲烷气沿断层、节理、底辟构造或通过泥火山作用向上运移形成的。
2 与天然气水合物有关的泥火山
里海：1979年，在南里海的海洋考察中偶然发现了水合物，目前里海发现了50多个泥火山水合物分布区（图1）。1986、1988年，苏联组织了调查，在南里海盆地的两座海底泥火山上取得27个样品，有24个见到水合物（Buzdag泥火山的20个的重力岩心中有19个观察到了水合物，Elm泥火山的7个重力岩心中有5个发现了水合物。），水合物含量为2%～25%，气体成分以烃类为主，甲烷、乙烷含量比较高。据推测，在深水区的泥火山有60座以上，存在水合物的区域面积可能不小于30000km2。
图1 南里海泥火山区天然气水合物的位置
（据Ginsburg 等，1992）
1—在泥火山处发现的天然气水合物（A—Buzdag，B—Eim）；2—未发现天然气水合物的泥底辟（C—A bikha Swell处于无名泥火山，D⁃Deverny）；3—海底泥火山；4—天然气水合物分布区边界
Fig.1 Locations of gas hydrates in mud volcano areas of the South Caspian Sea（after Ginsburg et al.，1992）
黑海：俄罗斯曾对黑海3个与水合物有关的流体逸出构造地区进行了调查，这些地区以含水合物泥火山和泥底辟为特征，在Sorokin海槽泥火山、Kovalevsky泥火山及Crimea半岛西坡的流体逸出构造的沉积物中都发现了水合物。在Sorokin海槽泥火山沉积物中，观测到气体水合物约2～3m 厚，呈块状和板状，直径达5cm，与海底沉积物地层亚平行；在中部Kovalevsky泥火山的沉积物中观测到了水合物的斑状构造，水合物基本上是等体积的捕虏体，长5cm，呈雪白色；在Crimea半岛的西部陆坡，TTR11（UN ESCO培训调研计划）航次调查用箱式取样器也采集到了水合物，这是首次在此发现水合物，其沉积物是被极细小的水合物胶结在一起的块状构造（Konyukhov等，1995；Ginsburg等，1990；Ginsburg和Soloviev，1994；Ivanov等，1998）。1996年“Gelendk”号的TTR⁃6航次在Sorokin海槽一典型的底辟构造进行采样，该底辟构造由从底辟脊顶和侧翼隆升至海底的泥火山和泥底辟组成（图2），结果在15个岩心样品中12个取样站位的岩心中发现有异常高的气体含量，且在5个含有泥质角砾岩的岩心中均观察到了水合物，一些岩心中还发现被碳酸盐物质轻微胶结的小贻贝壳和细菌族的存在。
图2 Sorokin海槽内的PS⁃256底辟构造中的泥火山
（据M.K.Ivanov等，2000）
Fig.2 The mud volcano of the PS⁃256 diapir structure in the Sorokin trough（after M.K.Ivanov et al.，2000）
图3 巴伦支海泥火山A的浅层剖面
（据D.Long等，1993）
Fig.3 Sub⁃bottom profile of mud volcano A in Barents Sea（after D.Long et al.，1993）
巴伦支海：德国科学家Solheim和ElverhØi（1993）发现巴伦支海74°55'N⁃27°36'E水深大约340m的海底存在着一大群泥火山。从泥火山口A的浅层剖面（图3）可以看到两个隆起的丘状体，其中一个从底部隆升了近20m，到达火山口附近。火山口周围海底平坦，靠近火山口具有一薄而不均匀的沉积盖层。从多波束调查结果发现，内部丘状体具有杂乱的反射特征，但声波无法穿透火山口底部，这些特征被认为主要是受包括位于水合物带之下气体的聚集所致（Dillon和Paull，1983）。对该区调查结果认为数个火山口内的地形高处（由棱角状的岩石组成，局部隆升于火山口壁围岩之上）是水合物丘状体，在火山口形成之后气体仍持续不断地流动，而储存于浅层附近的水合物储集层是影响底层水体温度变化及引起甲烷以季节性大量释放的原因。另据报道，南巴伦支海水合物分布范围超过55km2（Laberg和Andreassen，1996）。
3 与泥火山相关的水合物特征
与泥火山相关的水合物有许多共同特征，如水合物包裹体都呈白色或灰白色，具有片状晶形，在沉积物中无定向分布。沉积物中的水合物含量从1%～2%至35%不等，并且在整个泥火山地区以及在深度上都有变化。1998年，在地中海进行的MEDINAUT海底勘查中，深水潜艇发现海底多处富含CH4的泥火山口和冷喷溢口，它们周围有自生碳酸盐壳生长，它们在活动的泥火山口周围可形成碳酸盐台地、圆丘或放射状丘。1999年，Lein等通过对泥火山含甲烷沉积物中流体性质的研究，发现所有典型含水合物的泥火山沉积物的孔隙水特征都比周围沉积物氯含量要低。对挪威海Hakon Mosby 泥火山的研究表明，海底泥火山结构中地温梯度的变化规律十分明显：泥火山*为明显的地温梯度高值，地温梯度随着距泥火山中心距离的增大而减小，泥火山外达到一个常值。同时，水合物聚集具有同心带状结构，由热的上升流体流控制。从泥火山流体周围的新沉积物中流出的水参加了气体水合物的形成，而泥火山的大小和形状对水合物赋存形态也有较强的控制作用。
在泥火山构造中，BSR 同样可以指示水合物的存在，但BSR 与水合物并非一一对应的关系。例如，里海泥火山含有水合物的地层中均无BSR相对应；而巴拿马北部近海泥火山发育区，水合物与BSR则呈一一对应关系，并且泥火山与BSR都集中分布于受逆断层控制的斜脊中。研究结果表明，在泥火山喷发过程中，泥石流在几天或更短的时间内就会形成几十米的盖层，沉积物厚度的改变引起水合物平衡条件发生变化，水合物分解释放出甲烷气。在此情况下，通常可以观察到BSR。
4 赋存在泥火山水合物中的甲烷量
甲烷是与泥火山相关的水合物中的主要成分，为了估算全球泥火山中甲烷聚集量，首先要确定局部聚集的甲烷量，其次确定含水合物泥火山的数量。
Ginsburg、Soloviev等（1999）估算了里海Buzdag泥火山和挪威海Hakon Mosby泥火山水合物中的甲烷量。对Buzdag泥火山，用假设的泥火山面积、粘土角砾中的平均水合物含量和含水合物带的厚度的甲烷量为3×108m3。同样用体积方法对Haakon Mosby 甲烷量的估算值为（3～4）×108m3，但考虑了所观察的气体水合物呈带状分布的特征。对这两个泥火山的泥角砾和周围原沉积物中的水合物分布也作了很好的研究，其中20个岩心来自Buzdag（19个含水合物，平均气体水合物体积含量为15%），27个来自Haakonmosby（16个含水合物，体积含量为1.2%）。所以估算的局部泥火山的甲烷聚集量为n×108m3是现实的，两种估算结果都认为1m3的水合物含160m3的STP气体（Sloan，1990）。
Weeks（1974）、Milkov（2000）根据已查明存在泥火山地区的泥火山密度的观察结果，估计了全球泥火山的数量为103～105个。然而，并不是所有的海底泥火山都含气体水合物，在巴巴多斯近海钻探了5个泥火山，但只有Atalante 含水合物（Lance 等，1998）；在黑海的深水区，对8个泥火山进行了采样，只有2个（MSU 和Tredmar）含水合物；在地中海的Olimpi 钻探了23个泥火山和底辟，虽然孔隙水指示这些泥火山中存在水合物，但没有发现水合物（De Lange，Brumsack，1999）；在地中海的Anaximander 钻探了6个泥火山，只在Kula发现了水合物。所以，全球含水合物泥火山的数量可能只占深水泥火山总量的10%左右（即102～104个）。
最后，把单个海底泥火山中聚集的甲烷气体水合物数量的估算与全球含水合物的泥火山数量结合起来，得到气体水合物中的总甲烷量为n×（1010～1012）m3。这是初步的估算结果，但不管如何，它们的储量都很可观。
5 泥火山与天然气水合物成矿地质模式
图4 Hakon Mosby泥火山的水合物与钻孔分布图
（据G.D.Ginsberg等，1999）
Fig.4 Distribution of gas hydrates and drilling holes in Hakon Mosby Mud Volcano（after Ginsburg et al.，1999）
G.D.Ginsburg等（1999）研究了挪威海Hakon Mosby泥火山与水合物的成矿关系，该泥火山直径约200m。从平面图（图4）可以看出（图中a 为无水合物区；b—d 为水合物发育区：b含量为0～10%，c含量为10%～20%，d，少量；虚线所示为水合物外围边界；空心圆表示未发现水合物站位；实心圆为发现水合物站位；实心正方形为海底即见到水合物的站位。），泥火山中心最热处不发育水合物，往外侧逐渐发育水合物；距离泥火山中心较远的地方，沉积物中水合物含量一般在0～10%之间（平均为5%），再往外就到了水合物含量的最高值区（平均为10%～20%）。37、38、40钻孔位于水合物沉积区内，28、45钻孔位于水合物高值区内；其中，45钻孔中还观察到块状水合物样品，长度从0～225cm不等。
A.V.Egorov等（1999）在对Hakon Mosby泥火山地区水合物研究后提出泥火山构造中水合物的成矿模式（图5）。该模式认为：海底存在的水合物能够在没有任何温热或上升海水的情况下产生甲烷气柱，气柱的上部边界由底部气流的速率和纵横方向上的扰动⁃扩散系数决定。统计结果显示：泥火山上的甲烷气柱一般不超过10m。泥火山上水柱样品表明火山表面上60m乃至80m处甲烷气的浓度均较高，并且在火山表面至少有50m的温度正异常。
图5 Hakon Mosby泥火山水合物分布模式
（据A.V.Egorov等，1999）
Fig.5 The model of Hakon Mosby Mud Volcano and gas hydrates（after A.V.Egorov et al.，1999）
Milkov等（2002）则根据流体迁移模式和水合物在稳定带（GHSZ）内聚集的特征，讨论了水合物在泥火山地质构造条件下的水合物聚集与赋存状况，提出构造圈闭型水合物成矿模式（图6）。泥火山作用下的天然气水合物明显地赋存在经受过快速坳陷的含有巨厚年轻沉积层内，埋深不大，在黑海和墨西哥湾都发现了大量的此类水合物。该类型矿藏主要由热成因气、生物成因气或者混合气从较深部位的含油气系统沿断裂、泥火山或其它的构造通道快速运移至水合物稳定域中，同时还受流体通道的几何形态、流体的流速、天然气的组成和温压场等因素控制，造成水合物通常位于活动断裂附近和泥火山口，所以可能在海底或较浅的沉积物中获得样品。这类水合物矿藏沉积物中水合物的含量通常较高，因而具有较高的资源密度和开采价值，开发与生产的成本也较低。
6 我国的泥火山与水合物的关系远景前瞻
东海外陆架和冲绳海槽西坡上部高分辨率地震、多波束和声学资料都显示在海槽中段发育有海底泥火山，它们呈直径为数十到数百米、高度在数米到40m之间的沉积物隆起。泥火山的地震资料发现振幅异常和特殊地震相，说明泥火山的沉积物中含有气体，表明天然气或流体渗透与泥火山的形成有一定关系。这些泥火山还与出现在沿冲绳海槽西坡的正断层相关，这些正断层正是流体运移的通道。Yin P 等（2003）认为这些泥火山的泥和流体的来源比较深，年代也较早，但其渗透过程目前可能仍在进行，而且其活动很可能与水合物的形成与分解有关。
图6 构造圈闭型的泥火山水合物成矿地质模式
（据Milkov等，2002）
Fig.6 The model of Mud Volcano and gas hydrates in structural trap（after Milkov et al，2002）
近年来，广州海洋地质调查局在南海北部陆坡开展地质与地球物理调查，发现了与水合物有关的似海底反射波（BSR）、甲烷高含量异常、氯离子和硫酸根浓度异常、碳酸盐结壳和甲烷礁等重要的地球物理与地球化学证据，表明南海北部陆坡具有良好的水合物成矿远景。尽管没有找到与水合物有关的泥火山，但是发现同是在活跃流体逸出环境中形成的底辟构造在陆坡区内比较发育；其中，有35%左右的底辟构造与BSR相伴生，这些底辟构造中可能存在水合物；而这些底辟多数可能为泥底辟，如果温压条件有大的改变，造成水合物溢出的话，很可能会形成泥火山。因此，将来我们可以在发现底辟构造的区域除进行多道高分辨率地震勘探外，最好利用其它地球物理勘探方法（例如浅层剖面、单道地震测量、旁侧声纳、多波束和海底摄像）来进行综合调查，查找周围是否存在泥火山构造，进而确定是否存在水合物。随着勘探和研究的不断深入，相信不久的将来，在南海会发现水合物，并且能够找到与水合物相关的泥火山。
7 认识与讨论
泥火山构造是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果，又可以是深部气源向上运移提供良好的通道，使气体能够在合适的温压环境下聚集成矿，为水合物的形成创造良好的构造条件；另外，泥火山是海底流体逸出的表现，受到快速的过冷却作用往往在其周围可见到水合物的出现，故一定程度上它揭示了地层之下是否赋存水合物。
保守估计，全球含天然气水合物的泥火山数量可能只占泥火山总量的10 %左右（102～104个），但是它们所包含的总甲烷量却很可观，约为n×（1010～1012）m3。
尽管如此，泥火山构造与水合物的形成及分布密切关系是显而易见的。如果发现了泥火山构造，就很可能找到水合物的存在。因此，研究泥火山与水合物的成矿关系，对了解海底水合物的发展变化规律、成矿远景以及对水合物的地球物理勘查方向都具有重要的指导意义。
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Mud Volcano—One Live Evidence of The Existence of Gas Hydrates
Sha Zhibin Zhang Guangxue Liang Jinqiang Wang Hongbin
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：Marine gas hydrates are mostly related to the lifting hydrocarbon flow through the various fractures in the sediment.The intrusion—related structures such as the mud volcano and the diapir are also the high permeable zone of fluid flow.So there are potentially distributed marine gas hydrates around the mud volcano，the diapir and fault fracture.Results of drilling are proved that there are close relationships between the form and accumulation of gas hydrates and mud volcano.The mud volcano can be regarded as the result of the pressure of inner gases upthrusted from the lower strata，and the migration of gases from deeper strata.The mineralization relationships between the gas hydrates and the mud volcano are summarized in primary in this paper，which suggest that mud volcano is one of the signs and alive evidence of the existence of gas hydrates.The mud volcano and gas hydrates are predicted in China.In addition，the mineralization model of gas hydrates in the structure of mud volcano are construed in this paper.
Key words：Mud volcano Gas hydrates Mineralization model
