王 威，高金耀，沈中延，張 濤

(1.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

羅斯海天然氣水合物成藏條件及資源量評(píng)估

王 威1,2，高金耀1,2，沈中延1,2，張 濤1,2

(1.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

羅斯海位于南極洲太平洋側(cè)，通過對(duì)羅斯海氣源沉積條件、地質(zhì)構(gòu)造條件和溫、壓條件對(duì)羅斯海天然氣水合物成藏條件進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明羅斯海具備良好的天然氣水合物儲(chǔ)藏條件和勘探前景。本文在溫、壓條件的基礎(chǔ)上，利用熱流數(shù)據(jù)定量計(jì)算了天然氣水合物穩(wěn)定帶的厚度，并使用體積分方法初步估算了該區(qū)域的天然氣水合物的資源前景量。計(jì)算結(jié)果表明，羅斯海區(qū)域的天然氣資源量為3.6× 1011m3，具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

天然氣水合物；羅斯海；穩(wěn)定帶厚度；地溫梯度

0 引言

天然氣水合物主要是由甲烷等氣體分子和水分子在低溫、高壓下組合形成的籠狀、似冰狀的晶體。天然氣水合物在世界各地分布非常廣泛，在陸地上主要分布于寒冷的高緯度區(qū)域(特別是永凍層地區(qū)),在海洋中一般出現(xiàn)在500 m水深以下的大陸邊緣大陸架、大陸坡、水下高地和邊緣海底沉積物中，尤其是那些與泥火山、鹽(泥)底辟及大型斷裂有關(guān)的沉積盆地中[1-2]。據(jù)估算，全球天然氣水合物的資源總量為2×1016m3，相當(dāng)于已探明石油、天然氣和煤總碳量的2倍[3-4]。

天然氣水合物成藏條件除了與構(gòu)造條件有很大關(guān)系外，還取決于水合物氣體來源、氣體運(yùn)移條件等，天然氣水合物是一種并不穩(wěn)定的固體物質(zhì)[5]。在合適的熱力條件下，天然氣水合物自身也會(huì)不斷分解[6]。相對(duì)于常規(guī)的油氣資源，天然氣水合物成藏相對(duì)復(fù)雜。常規(guī)油氣能源生成時(shí)，熱流環(huán)境催熟有機(jī)物形成原始的油氣物質(zhì)，而其后的穩(wěn)定保存主要依靠圈閉維持。但是，由于埋藏深度較淺，通常情況下天然氣水合物上方一般少見那些滲透率低的蓋層予以圈閉，在地層中天然氣水合物富集成藏主要依靠溫度和壓力條件的約束[7]。因此，溫、壓條件對(duì)分析天然氣水合物的成藏非常重要。

本文根據(jù)羅斯海沉積條件，地質(zhì)構(gòu)造條件和溫、壓、熱條件對(duì)羅斯海天然氣水合物成藏條件進(jìn)行分析。然后使用國際地?zé)嵛瘑T會(huì)(International Heat Flow Commission，IHFC)數(shù)據(jù)庫資料和羅斯海區(qū)域相關(guān)資料，計(jì)算了天然氣水合物穩(wěn)定帶的厚度，并利用體積分方法初步估算該區(qū)域的天然氣水合物的資源前景量。

1 研究區(qū)域概況

羅斯海是位于南極洲西南極太平洋扇形區(qū)內(nèi)的一個(gè)大海灣，地理坐標(biāo)處于72°S～85°S，160°E～160°W之間，陸緣區(qū)寬度約850 km，長約1 500 km，且陸架約有一半寬度常年被冰川覆蓋，因此通常指羅斯海灣北端為羅斯海(圖1)。羅斯海覆蓋面積約75萬 km2，水深200～1 100 m，平均水深500 m，相比南極洲以外的其他陸地大陸架200 m左右的平均水深，羅斯海陸架要深得多。羅斯海西靠南極橫斷山脈、維多利亞地，東臨瑪麗伯德地，南部大陸滑流下來的冰體組成羅斯冰架。海底地形具有北高(淺)南低(深)的特點(diǎn)，亦即由外向內(nèi)朝著羅斯冰架加深[8]。1980年后在羅斯海的多道地震(MCS)調(diào)查清晰地反映了海底裂谷構(gòu)造的特征和范圍，MCS資料揭示羅斯海有3個(gè)主要沉積中心：維多利亞地盆地(Victoria Land Basin, VLB)，中央海槽和東部盆地。VLB內(nèi)的沉積地層厚達(dá)14 km[9]。除以上3個(gè)盆地之外，在羅斯冰架之下還有伯德盆地[10]。

圖1 羅斯海區(qū)域盆地、熱流點(diǎn)、泥火山以及鉆井位置

羅斯海是南極調(diào)查研究程度相對(duì)較高的陸緣區(qū)之一。在該區(qū)，國際上有計(jì)劃的地質(zhì)-地球物理調(diào)查始于20世紀(jì)60年代初；自70年代早期開始，在羅斯海開展了海洋地質(zhì)和地球物理調(diào)查研究，調(diào)查內(nèi)容包括磁法重力、單道地震、聲納浮標(biāo)及淺層地質(zhì)取樣等。通過調(diào)查，除了解了淺表層沉積物的特征以外，對(duì)羅斯海深部構(gòu)造也有了一定程度的認(rèn)識(shí)。深海鉆探第28航次在區(qū)內(nèi)完成了270～273號(hào)共4個(gè)鉆孔(270～273號(hào)鉆孔位置如圖1所示)，鉆孔結(jié)果揭示：(1)古生代基底之上覆蓋著早漸新世-晚中新世、上新世及更新世沉積；(2)羅斯海陸架區(qū)至少從早中新世至上新世早期一直是冰海環(huán)境，無任何大的變化，沉積了巨厚的冰磧礫石、粉砂質(zhì)泥等；(3)南極大陸大規(guī)模冰川作用至少開始于早中新世(20～25 Ma BP)；(4)271，272和273井在中新統(tǒng)和上新統(tǒng)的陸源碎屑沉積物中發(fā)現(xiàn)有以甲烷為主的天然氣以及少量含乙烷的重質(zhì)天然氣[11]。但羅斯海大規(guī)模以油氣為目的的調(diào)查主要集中于20世紀(jì)80年代。前西德、法國、前蘇聯(lián)和意大利分別在羅斯海進(jìn)行了多道地震調(diào)查[12]。1982年，據(jù)地震調(diào)查成果，DAVEY et al[13]首次圈定出羅斯海中新生代三大沉積盆地，為區(qū)內(nèi)油氣地質(zhì)調(diào)查研究奠定了重要基礎(chǔ)。

南極陸緣天然氣水合物調(diào)查和研究始于20世紀(jì)70年代，MCIVER[14]首次報(bào)道了南極陸緣存在天然氣水合物的消息。南極陸緣盆地存在有利于天然氣水合物聚集的地球化學(xué)條件，其中在羅斯海DSDP28航次271、272和273三個(gè)鉆孔巖心中獲得的中新世泥質(zhì)沉積物 (64～365 mbsf)中發(fā)現(xiàn)了達(dá)到179 000 uL/L的高含量總烴類氣體(主要是甲烷)[15]。在DSDP273井位附近采集的2個(gè)重力柱樣中，甲烷體積分?jǐn)?shù)為3～6.7 uL/L，但在DSPD273井位深部沉積物中甲烷的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到52 000～146 000 uL/L，表明高含量甲烷并沒有到達(dá)近表面沉積物[16]。MCIVER[14]和 RAPP et al[16]都推斷這種氣體可能像天然氣水合物那樣被固定。在這些鉆井中還發(fā)現(xiàn)了乙烷和高分子量氣體，盡管氣體的成因存在爭議，MCIVER[14]仍推測(cè)鉆孔下部沉積物中可能賦存有天然氣水合物。

2 羅斯海天然氣水合物成藏條件

天然氣水合物的早期勘探與石油、天然氣等能源一樣，行之有效的做法就是采用地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)有機(jī)結(jié)合的綜合研究思路和勘查技術(shù)，3種技術(shù)方法的綜合應(yīng)用可以最大限度地提高水合物勘查的可信度和準(zhǔn)確性[17]。天然氣水合物的形成，需要適合的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、有利的沉積作用和合適的溫度、壓力條件等[18]。

2.1 氣源沉積條件

海底天然氣水合物的形成和成藏與沉積物的屬性具有密切的關(guān)系。天然氣水合物形成的關(guān)鍵是要有充足的甲烷來源，這要求沉積物總量大，也要求沉積物中有機(jī)物的含量高。因此要形成水合物礦藏，需有較高的沉積速率并且有較高的有機(jī)物含量。

羅斯海坳陷可劃分為3個(gè)近平行的沉積盆地(位置如圖1所示)。東部盆地和中央海槽沉積物厚5～6 km[19]；而位于橫斷山脈前緣的VLB，是一個(gè)充填有10～14 km厚沉積物的開闊半地塹盆地，沉積物可能主要屬于白堊紀(jì)至早新生代[20]。伯德冰下盆地的Bentley海槽底部低于海平面2 000 m，據(jù)其位置可視其為安第斯弧的弧后盆地[21]。20世紀(jì)80年代初，新西蘭維多利亞大學(xué)在羅斯海及其鄰區(qū)鉆探了數(shù)口淺井，包括：麥克默多灣的CIROS西羅斯海新生代調(diào)查計(jì)劃， MSSTS-1(MSSTS麥克默多灣沉積和構(gòu)造研究)以及南極橫斷山脈的DVDP (干谷深部計(jì)劃)(位置如圖1所示)，確認(rèn)了羅斯海西部的上部沉積層序?qū)俦３练e，早漸新世以來的冰海相沉積物主要出現(xiàn)在厚層近海沉積剖面上部。這為天然氣水合物評(píng)價(jià)提供了資料。

在羅斯海灣陸坡和陸隆區(qū)沉積了大量的冰海沉積物以及濁流造成的沉積，這些沉積物具有顆粒較粗、氣源充足和利于流體運(yùn)移等特點(diǎn)。羅斯海地區(qū)長期穩(wěn)定的海相沉積環(huán)境，形成了較厚的、具有較好連續(xù)性的沉積地層，這些地層往往具有豐富的地層水和較高孔隙度，有利于天然氣水合物的富集。DSDP和ODP鉆孔資料揭示南極陸緣新近系的沉積速率由淺到深呈增高趨勢(shì)，且沉積速率較高，為數(shù)十米到一百多米每百萬年，最高可達(dá)二百多米每百萬年[22-23]。這樣容易在沉積速率高的沉積區(qū)形成欠壓實(shí)區(qū), 從而構(gòu)成良好的流體輸導(dǎo)體系，將有利于天然氣的運(yùn)移并在合適的位置形成天然氣水合物[24]。

羅斯海沉積物不僅沉積速率和厚度總量比較大，沉積物的有機(jī)物含量也非常可觀。世界上發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的主要海域的海底沉積物分析研究表明，其表層沉積物的有機(jī)碳含量一般較高(TOC≥1%)，而有機(jī)碳含量低于0.5% 則難以形成天然氣水合物[25]。在羅斯海DSDP271、272和273鉆井發(fā)現(xiàn)了幾u(yù)L/L至179 000 uL/L含量的甲烷和少量乙烷及高碳分子量氣體(C2以上的較重?zé)N餾分)。而在CIROS-1井632～634 m漸新世冰川沉積物中發(fā)現(xiàn)瀝青質(zhì)油，其有機(jī)碳含量為60.3%[11]，這是羅斯海盆地含液態(tài)碳?xì)浠衔锏闹苯幼C據(jù)。

由于缺乏烴源巖的詳細(xì)資料，所以對(duì)羅斯海沉積盆地沉積物烴類成熟度模擬只能運(yùn)用Lopatin-Waples法。其主要目的是確定油氣生成與溫度、時(shí)間的關(guān)系。HINZ et al[26]、COOK et al[27]都曾運(yùn)用Lopatin-Waples法對(duì)羅斯海沉積物進(jìn)行過烴類成熟度模擬。結(jié)果表明東部盆地的溫度-時(shí)間指數(shù)為160，已達(dá)到生油高峰值，VLB為75，而中央海槽僅為12。所以HINZ et al[26]認(rèn)為，東部盆地和VLB的前冰川沉積可能具有良好的油氣潛力，而中央海槽則較差[8, 11]。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造條件

全球各海域中已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要分布于活動(dòng)大陸邊緣增生楔、陸坡盆地、弧前盆地等地區(qū)[28]以及被動(dòng)大陸邊緣的陸坡、島坡、海山、內(nèi)陸海、邊緣海盆地和海底擴(kuò)張盆地等地區(qū)[29]。南極陸緣的發(fā)育受岡瓦納古陸的裂解所控制，現(xiàn)今的南極陸緣只有南極半島西部到瑪麗伯德地(Marie Byrd Land)之間的地段在岡瓦納古陸裂解前就已經(jīng)是陸緣，其他的陸緣都是在岡瓦納古陸裂解后形成的[30]。岡瓦納古陸的裂解始于約130～140 Ma前，首先是印度板塊和南非板塊從南極板塊中分裂出，并最終于約29 Ma前在南美洲與南極半島之間完全裂開形成一個(gè)海峽[31]。澳大利亞板塊從南極板塊裂開分為2個(gè)階段:在90～43 Ma BP之間，先低速擴(kuò)張(4～15 mm/a),然后快速裂開(22 mm/a)[32]。這就導(dǎo)致了南極陸緣除南極半島北端的少數(shù)地區(qū)為主動(dòng)陸緣外，其他地區(qū)均為被動(dòng)陸緣[33]。羅斯海沉積盆地處于南太平洋的南極被動(dòng)大陸邊緣，是在張性構(gòu)造背景中發(fā)育形成的。在世界范圍內(nèi)已確定許多此類的油氣盆地，如吉普斯蘭盆地、塔拉納基盆地及非洲近海等[11]。就構(gòu)造位置而言，羅斯海沉積盆地具有良好的天然氣水合物形成的地質(zhì)構(gòu)造條件。

由于受羅斯海張裂作用的影響,羅斯海陸緣新生代發(fā)生快速沉降，在張性應(yīng)力條件下形成一系列張性斷裂[34]。在羅斯海區(qū)域主要存在兩期斷裂構(gòu)造：一期是中生代末岡瓦納裂解過程中產(chǎn)生的早期斷裂構(gòu)造(早期裂谷作用)，呈SW—NE向展布，在整個(gè)區(qū)域有分布；另一期是早第三紀(jì)晚期至晚第三紀(jì)晚期產(chǎn)生的晚期斷裂構(gòu)造(晚期裂谷作用)，呈NW向展布，主要分布在盆地的西緣[8, 11]。此外,通過意大利OGS-Explora調(diào)查船于1990年獲取的多道地震剖面，不僅第一次由似海底反射(BSR)推斷出在羅斯海存在天然氣水合物，還發(fā)現(xiàn)羅斯海VLB海底泥火山和麻坑作用較為發(fā)育[15]。斷層的存在控制著上升氣體的遷移，氣體、流體和液化沉積物向上遷移，建造了海底泥火山(部分泥火山位置如圖1所示)。斷層也連接著水合物穩(wěn)定帶之下的游離氣和海底上的泥火山和麻坑，為天然氣水合物提供了有利橫向或者縱向運(yùn)移的通道。這些地質(zhì)構(gòu)造條件都有利于天然氣水合物的形成和賦存。

2.3 溫-壓條件

FARADAY[35]和VILLARD[36]較早地開展了水合物溫-壓曲線的實(shí)驗(yàn)室研究工作。他們發(fā)現(xiàn)，溫度和壓力是控制水合物形成的2個(gè)非常重要的因素。他們研究表明，多種氣體在合適的溫-壓條件下，都能夠形成水合物。KOBAYASHI et al[37]及KVENVOLDEN et al[38]對(duì)氣體水合物形成并穩(wěn)定賦存的條件作了更為詳細(xì)的研究，修正了此前FARADAY和VILLARD得出的溫度-壓力條件曲線。圖2是在KOBAYASHI et al[37]及KVENVOLDEN et al[38]溫-壓曲線基礎(chǔ)上加工的溫-壓條件分析圖。

圖2 天然氣水合物的溫-壓條件分析圖(改編自文獻(xiàn)[37-38])

如圖2所示，橫坐標(biāo)為甲烷相變所需溫度，縱坐標(biāo)為水深和深度所對(duì)應(yīng)的壓力。如甲烷相變實(shí)線所示，海底溫度越低，則產(chǎn)生水合物所需的壓力越小，水合物能夠穩(wěn)定保存所需的水深就越淺；水深越深，對(duì)應(yīng)水合物能夠穩(wěn)定存在的溫度就越高。在假設(shè)海底面溫度為2 ℃不變，地溫梯度不變的情況下，如果水深較深(如圖2下部藍(lán)線所指海底面比上部藍(lán)線所指海底面水深要深)，則對(duì)應(yīng)壓力較大。根據(jù)曲線所示，壓力的增加使氣體水合物能夠在更高的溫度下得以穩(wěn)定保存，則天然氣水合物埋深更深。如圖2中2條斜紅虛線所示：水深較淺的區(qū)域，天然氣水合物基底在地溫22 ℃處；而水深較深的區(qū)域，天然氣水合物基底在地溫25 ℃處。

全球陸緣90%的地區(qū)滿足天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫-壓條件[39]。南極是地球上最冷的大陸，其夏季1月份平均溫度為零下幾攝氏度，冬季7月份平均溫度為零下20攝氏度[40]，而南極海底溫度相對(duì)其他區(qū)域海底溫度則更低。ODP178航次1095鉆孔[41]和ODP188航次1165鉆孔[22]的實(shí)測(cè)海底溫度均低于0 ℃。羅斯海緯度處于72°S ～85°S，比除威德爾海之外其它陸緣海緯度都要高。羅斯海陸架區(qū)由于受大陸冰蓋剝蝕影響，陸架深度以及陸架坡折帶水深遠(yuǎn)比南極大陸以外陸架水深要深，這導(dǎo)致羅斯海大陸架海底壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他邊緣海地區(qū)，對(duì)應(yīng)著遠(yuǎn)比其他海區(qū)低的海底溫度，羅斯海區(qū)域更容易滿足水合物的穩(wěn)定賦存條件，因此該區(qū)域不僅在陸坡、陸隆區(qū)滿足天然氣水合物形成和賦存的溫-壓條件，而且在陸架區(qū)也可能富集天然氣水合物。

除去溫度和壓力的原因，從溫-壓模型中可以看出地?zé)崽荻葲Q定著天然氣水合物的賦存。因此熱流值可作為確定天然氣水合物有利靶區(qū)的一項(xiàng)指標(biāo)。高熱流點(diǎn)或高的熱梯度帶一般不利于天然氣水合物的保存。通常天然氣水合物穩(wěn)定帶及其埋深與熱流值呈負(fù)相關(guān)，熱流值較高的區(qū)域天然氣水合物厚度小，埋深較淺；熱流值較低的區(qū)域水合物厚度大，埋深較深[42]。然而，在熱流值很高的地區(qū)，對(duì)天然氣水合物也不是完全不利的，日本海的ODP796站位，熱流高達(dá)156 mW·m-2，卻發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物[43]。因?yàn)樵跓崃髦岛芨叩牡貐^(qū)，通常是流體運(yùn)移非?；钴S的區(qū)域，如果流體中含有豐富的天然氣，在周圍溫度相對(duì)較低的地區(qū)更容易形成天然氣水合物。尤其是對(duì)于VLB這種具有明顯裂谷特征的盆地，與澳大利亞東南近海、新西蘭周緣各沉積盆地相似，都是在張性構(gòu)造環(huán)境下發(fā)育。這些盆地下伏的深大斷裂可以保證來自深部的熱能供給，加速有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄榈葻N類的過程。

羅斯海的熱條件反映了活躍的大陸張裂環(huán)境，具有高熱流值。例如在VLB中央上部4 m厚沉積物中測(cè)出相對(duì)地溫梯度為76～123 ℃/km[44]和 98～108 ℃/km[45]。在VLB中央淺層沉積物中測(cè)得的較高地溫梯度僅僅能夠適用于上部沉積物。事實(shí)上，VLB南部鉆井估算的地溫梯度具有較低的平均值，取值為24～40 ℃/km，而且通常具有輕微非線性平衡梯度：在海底以下625 m深的CRP-2井中為24 ℃/km[46]、在海底以下870 m深的CRP-3井中為28.5 ℃/km[47]，在海底以下227 m深的MSSTS-1井中為35 ℃/km[15]、在海底以下65 m深的DVDP井中為37 ℃/km[47]和在海底以下702 m深的CIROS-1井中為40 ℃/km[48]。因此單從表層熱流值來分析并不足以反映整個(gè)羅斯海熱環(huán)境，要對(duì)本地區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)存的產(chǎn)區(qū)形成初步認(rèn)識(shí)，必須從橫向和縱向兩個(gè)方面更深入地了解羅斯海的熱環(huán)境。

3 羅斯海天然氣水合物儲(chǔ)量估算

3.1 熱流數(shù)據(jù)分析

目前全球的熱流站位數(shù)據(jù)已經(jīng)超過一萬多個(gè)[49]，但是分布極不均勻，大部分集中在北半球，并且以北美洲和歐洲最多。在整個(gè)南極洲大陸和海域的熱流數(shù)據(jù)極為有限。本文將利用國際地?zé)嵛瘑T會(huì)提供的熱流數(shù)據(jù)庫，初步分析羅斯海區(qū)域的熱流值，確定熱流和地溫梯度數(shù)據(jù)的有效性，大概估算天然氣水合物存在區(qū)域。該數(shù)據(jù)庫由包括美國、俄羅斯、英國以及中國在內(nèi)的國際學(xué)術(shù)組織維護(hù)，數(shù)據(jù)來自以學(xué)術(shù)研究為目的的科研院校，同時(shí)也包括一些工業(yè)性生產(chǎn)企業(yè)提供的公開數(shù)據(jù)。根據(jù)編號(hào)和注釋說明，本文通過收集羅斯海區(qū)域70°S以南共計(jì)48個(gè)熱流數(shù)據(jù)體對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(位置如圖1所示)，包括每個(gè)數(shù)據(jù)體的地溫梯度和熱導(dǎo)率值。由于數(shù)據(jù)來源不同，有很多數(shù)據(jù)信息并不完整，其中有13個(gè)數(shù)據(jù)沒有獲得熱流值，14個(gè)數(shù)據(jù)沒有地溫梯度值。各項(xiàng)數(shù)據(jù)都比較完整的站位有33個(gè)。因此用于計(jì)算熱流分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)為35個(gè)，用于計(jì)算穩(wěn)定帶厚度分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)為34個(gè)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的熱流數(shù)據(jù)表明，羅斯海海域熱流值介于51～164 mW·m-2之間，數(shù)據(jù)值跨度范圍較大，這反映了南極海域熱流以及地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性。VLB以及中央海槽的熱流值均較大，熱流變化特征更加復(fù)雜，這反映了兩個(gè)區(qū)域下部的構(gòu)造活動(dòng)更活躍，可能分布著更多的熱液上涌通道，甲烷等成分的有機(jī)質(zhì)容易隨著通道上升，在淺層形成天然氣水合物。而180°E以東的東部盆地區(qū)內(nèi)熱流變化特征小，說明這個(gè)地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)平穩(wěn)，如果有天然氣水合物的存在，則以大面積的深層賦存為主要特征[7]。

3.2 資源量計(jì)算

天然氣水合物由于受區(qū)域溫度、壓力條件的限制，處于一種熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。天然氣水合物熱力學(xué)穩(wěn)定帶是時(shí)空分布的重要參數(shù)之一，可對(duì)儲(chǔ)量計(jì)算提供基本參考[7]。要計(jì)算天然氣水合物賦存厚度，需要考慮包括溫-壓條件、地溫梯度、天然氣水合物中甲烷的濃度、孔隙水鹽度以及沉積物孔隙度等相關(guān)條件。從溫-壓曲線的分析可知，水深、海底溫度、地溫梯度和水合物相平衡曲線共同決定水合物穩(wěn)定帶的厚度。通過對(duì)天然氣水合物相平衡的研究，并結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定水合物形成的溫度、壓力條件，計(jì)算出在各種氣體成分和孔隙水鹽度情況下的天然氣水合物穩(wěn)定溫壓方程[49]。比較著名的計(jì)算天然氣水合物厚度的公式有MILKOV et al[49]等計(jì)算墨西哥灣大陸坡中部天然氣水合物穩(wěn)定帶的預(yù)測(cè)公式，以及MILES[50]計(jì)算歐洲大陸邊緣天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度方程。

筆者結(jié)合羅斯海的實(shí)際環(huán)境條件，并修改了MILKOV et al[49]的天然氣水合物穩(wěn)定壓力計(jì)算方程和相關(guān)假設(shè)，結(jié)合MILES[50]提出的海水中甲烷穩(wěn)定帶邊界曲線方程來計(jì)算羅斯海天然氣水合物厚度。雖然甲烷含量占總有機(jī)物含量不同百分比的天然氣水合物穩(wěn)定方程都已計(jì)算得出，但在南極水合物具體成因未知以及相關(guān)資料缺乏的情況下，在這里我們只計(jì)算純甲烷含量的情況。根據(jù)ODP調(diào)查，即使在海底以下1 000 m的深度，沉積物中孔隙水含量仍然會(huì)高達(dá)20%，所以水合物的形成不缺水[7]。根據(jù)以往資料和水合物厚度的計(jì)算假設(shè)，本文也采用孔隙水鹽度為3.5的海水環(huán)境來進(jìn)行天然氣水合物厚度估算。

雖然MILKOV et al[49]給出了墨西哥灣海底溫度和水深的關(guān)系函數(shù)，但這在羅斯海并不適用。由于長期受低溫影響，南極大陸邊緣海的底層水溫度非常低。因此在計(jì)算時(shí)假設(shè)底層海水溫度為0 ℃。采用MILES[50]提出的海水中甲烷穩(wěn)定帶邊界曲線方程：

P=2.807 402 3+aT+bT2+cT3+dT4

(1)

式中：a=1.559 474×10-1，b=4.827 5×10-2，c=-2.780 83×10-3，d=1.592 2×10-4；P為壓力值，單位為MPa；T為溫度，單位為℃。這個(gè)靜壓力的假設(shè)在淺的海底地層深度上是有效的，因此計(jì)算壓力與水深之間的關(guān)系時(shí)，采用靜水壓力來近似實(shí)際的海底壓力：

P=ρ1gh+ρ2gz

(2)

式中：ρ1為海水密度，為1 035 kg·m-3；g表示重力加速度，為9.81 m·s-2；h表示水深，單位為m；ρ2為海底表層沉積物密度，假設(shè)為2 000 kg·m-3；z為水合物賦存厚度，單位為km。水合物所在的穩(wěn)定帶底界溫度與地溫梯度之間的關(guān)系可通過以下公式表示：

(3)

聯(lián)立公式(1)、(2)和(3)方程組以及收集的淺層地溫梯度和水深數(shù)據(jù)，計(jì)算得出正數(shù)解作為天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度解。而且根據(jù)以上條件和公式可以計(jì)算得出，在水深小于276.5 m區(qū)域不能夠形成天然氣水合物。

根據(jù)對(duì)羅斯海地區(qū)氣源條件、構(gòu)造條件、溫-壓和熱條件的分析，羅斯海三大盆地區(qū)域及盆地周邊最有可能存在天然氣水合物賦存。對(duì)于冰架下的伯德盆地，因?yàn)楸w會(huì)使壓力增加，從而使得穩(wěn)定帶厚度增加。因此如果存在天然氣水合物，則資源量會(huì)更加龐大。圖3為計(jì)算得出的羅斯海區(qū)域天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度圖。根據(jù)計(jì)算出的賦存穩(wěn)定帶厚度，可以初步估算羅斯海天然氣水合物的資源儲(chǔ)量。

圖3 羅斯海區(qū)域天然氣水合物穩(wěn)定厚度分布圖

如圖3所示，天然氣水合物穩(wěn)定帶厚度呈條帶狀分布，與羅斯海地區(qū)盆地走向有很大的相關(guān)性。GELETTI et al[15]根據(jù)VLB西部的地震剖面資料，最深在海面以下雙程反射時(shí)間為700 ms處識(shí)別出天然氣水合物BSR，并結(jié)合速度分析剖面，算出最深的BSR出現(xiàn)在海底以下400～500 m。本文所計(jì)算出的天然氣水合物穩(wěn)定帶最厚為300 m，且位置也與GELETTI et al[15]分析的地震剖面所在地吻合，深度變化走向基本一致。最深穩(wěn)定帶厚度點(diǎn)出現(xiàn)在西羅斯海VLB西部邊緣，形成原因是對(duì)應(yīng)水深較深，為1 060 m，地溫梯度偏低，為57 ℃/km。雖然整體變化趨勢(shì)和極值與地震剖面吻合，但數(shù)據(jù)結(jié)果相差100 m左右。出現(xiàn)這一情況的可能原因?yàn)楸韺映练e物的地溫梯度偏高。這一點(diǎn)也通過VLB南部鉆井所測(cè)地溫梯度得到證實(shí)。

在南極周邊海域，對(duì)天然氣水合物的研究相對(duì)較少，主要集中在南設(shè)得蘭群島區(qū)域，而且主要計(jì)算了大陸坡或者邊緣區(qū)域的天然氣水合物賦存。LODOLO et al[51]應(yīng)用DOMENICO[52]方程對(duì)南極陸緣賦存于沉積物中的天然氣儲(chǔ)量(該儲(chǔ)量為由天然氣水合物轉(zhuǎn)換而得的儲(chǔ)量和游離氣儲(chǔ)量的總和)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：在高振幅BSR地區(qū)，由天然氣水合物轉(zhuǎn)換而得的儲(chǔ)量為1.2×1012m3，游離氣儲(chǔ)量為4.8×1010m3；在低振幅BSR地區(qū)，由天然氣水合物轉(zhuǎn)換而得的儲(chǔ)量為1.1×1012m3，游離氣儲(chǔ)量為1.1×1010m3；整個(gè)陸緣106km2面積的天然氣潛在儲(chǔ)量約為2.6×1012m3。

本文采用了相同的參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。天然氣水合物中沉積物的平均孔隙度為15%，水合物的飽和度取0.4，產(chǎn)氣因子為150，水合物聚集率為0.005。而VLB面積為8萬 km2，中央海槽盆地面積為5萬 km2，東部盆地面積為10萬 km2，由于伯德盆地位于冰架之下，在此不予討論。按照盆地天然氣水合物賦存率為10%來計(jì)算，并對(duì)地溫梯度偏小進(jìn)行修正之后，可得到天然氣資源量為3.6×1011m3。

羅斯海用于計(jì)算天然氣水合物資源量的面積為23萬 km2，整個(gè)南極陸緣面積為100萬 km2，兩者之比為0.23，乘以LODOLO et al[51]計(jì)算得到的整個(gè)南極陸緣天然氣資源量2.6×1012m3，計(jì)算得到羅斯海天然氣資源量為3.98×1011m3，與本文計(jì)算的羅斯海天然氣資源量3.6×1011m3偏差為3.8×1010m3，偏差率為9.54%。

4 結(jié)論

(1)通過已有的地球物理資料和地球化學(xué)資料的分析可知羅斯海的氣源沉積條件，溫、壓條件以及地質(zhì)構(gòu)造條件，均有利于天然氣水合物形成和賦存。在羅斯海特殊的地理?xiàng)l件下，天然氣水合物還可能在羅斯海冰架下得到發(fā)育，因此本文認(rèn)為羅斯海地區(qū)為天然氣水合物儲(chǔ)藏潛在區(qū)域。

(2)根據(jù)統(tǒng)計(jì)的熱流數(shù)據(jù)表明羅斯海區(qū)域的熱流平均值偏高，但熱流值偏高是因?yàn)楸韺拥販靥荻绕咚鶎?dǎo)致，根據(jù)VLB南部鉆井估算的地溫梯度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表層所測(cè)地溫梯度值。

(3)利用體積分計(jì)算羅斯海陸緣水深在300～1 000 m范圍內(nèi)的天然氣的資源量為3.6 ×1011m3。本文計(jì)算的天然氣資源量與LODOLO et al[51]計(jì)算的南極陸緣總儲(chǔ)量中羅斯海的占比相差3.8×1010m3，偏差率為9.54%。

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Formation and storage conditions of gas hydrate and resource assessment of the Ross Sea

WANG Wei1,2, GAO Jin-yao1,2, SHEN Zhong-yan1,2, ZHANG Tao1,2

(1.TheSecondInstituteofOceanograph,SOA,Hangzhou310012,China; 2.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciences,SOA,Hangzhou310012,China)

The Ross Sea is located on the Pacific side of the Antarctica. Based on the analysis of sedimentary, structural and temperature-pressure conditions，it is proved that the Rose Sea has good conditions for the reservation and exploration prospects of gas hydrates.The heat flow data were used to calculate the thickness of the gas hydrate stability zone in this study. An integral method was conducted to estimate the amount of gas hydrate resources in this region. The results show that the amount of gas resources of the Ross Sea region is 3.6×1011m3, which means considerable economic value.

gas hydrates; the Ross Sea; thickness of stability zone; geothermal gradient

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.003.

2014-03-05

2014-06-19

南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估項(xiàng)目資助(Chinare 01-03，Chinare 04-01-04)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41306201)

王威(1989- )，男，湖南岳陽市人，主要從事海洋地球物理方面的研究。E-mail：wangwei890901@gmail.com

P618.13

A

1001-909X(2015)01-0016-09

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.003

王威，高金耀，沈中延，等.羅斯海天然氣水合物成藏條件及資源量評(píng)估[J].海洋學(xué)研究,2015,33(1):16-24,

WANG Wei, GAO Jin-yao, SHEN Zhong-yan, et al. Formation and storage conditions of gas hydrate and resource assessment of the Ross Sea[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):16-24, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.003.