蘇正，曹運(yùn)誠，楊睿，吳能友，陳多福，楊勝雄，王宏斌

1中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640

2中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣州 510640

3廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075

1 引言

天然氣水合物是由小型氣體分子和水分子構(gòu)成的似冰狀固態(tài)化合物，自然界中分布最為廣泛的是甲烷水合物（Sloan，1998）.水合物的形成需要低溫高壓環(huán)境，并且當(dāng)孔隙水含甲烷濃度超過甲烷溶解度時(shí)才能形成水合物，因此，海洋水合物常分布于水深大于300m 的陸坡帶（Paull et al.，1996；Xu and Ruppel，1999；Dickens，2001；Bhatnagar et al.，2007）.天然氣水合物具有巨大的資源潛力（Milkov，2004），同時(shí)，是海洋油氣開發(fā)工程事故和海底滑坡的重要誘因（Borowski and Paull，1997；Sultan et al.，2004），也是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)（Kvenvolden，1988；Dickens，2003），但對(duì)這一系列問題的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)依賴于正確理解海底沉積中天然氣水合物的聚集演化過程.

特定位置水合物的產(chǎn)出特征可通過鉆井取芯、孔隙水地球化學(xué)、溫度異常、速度和電阻率測(cè)井以及地震屬性等手段量化描述，但卻無法透析沉積體中水合物的形成過程和水合物成藏的控制機(jī)理.事實(shí)上，水合物只是海底復(fù)雜系統(tǒng)中的一個(gè)重要構(gòu)成因素，其中包含了氣體的動(dòng)力學(xué)輸入和輸出過程（Dickens，2003），傳質(zhì)形式為擴(kuò)散和對(duì)流（Xu and Ruppel，1999）.世界上大多數(shù)水合物氣體為生物成因甲烷氣，或原位生成，或深部生物氣進(jìn)入上覆水合物穩(wěn)定帶（Milkov et al.，2005）.水合物層中原位生物成因氣往往難以滿足大量水合物形成的需要，如美國東海岸布萊克海臺(tái)的水合物成藏（Egeberg and Dickens，1999；Bhatnagar et al.，2007），而美國西部俄勒岡外海水合物脊的水合物形成主要受深源甲烷氣控制（Torres et al.，2004）.

南海北部陸坡同時(shí)具有被動(dòng)大陸邊緣和活動(dòng)大陸邊緣的特點(diǎn)，深部流體活動(dòng)異常活躍，局部地區(qū)熱流較高，沉積速率較大，形成了有別于世界典型構(gòu)造環(huán)境的天然氣水合物成藏系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)了一系列天然氣水合物存在的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和生物證據(jù)，表明具有良好的天然氣水合物資源遠(yuǎn)景（吳能友等，2009）.南海北部陸坡是目前我國海洋天然氣水合物調(diào)查研究的重點(diǎn)區(qū)域，而神狐海域被認(rèn)為是其中最有希望的區(qū)塊之一.基于天然氣水合物的產(chǎn)出標(biāo)志，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在神狐海域水深1108～1235m通過鉆探獲得了水合物巖芯樣品，證實(shí)了甲烷水合物的存在（吳能友等，2009；Wu et al.，2008，2010）.

早期關(guān)于神狐海域天然氣水合物成藏的數(shù)值模擬研究，主要聚焦于水合物穩(wěn)定帶分布和水合物的賦存狀態(tài)（Guan et al.，2009），模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在很大差異.最近，蘇正等以沉積速率和含甲烷流體的對(duì)流速率為主控參數(shù)，數(shù)值模擬分析了神狐海域SH2站位天然氣水合物可能的形成演化過程，推測(cè)神狐海域早期斷裂系統(tǒng)中形成了高飽和的度水合物，但在后期1.5Ma的快速泥質(zhì)沉積埋葬中，快速沉積作用和緩慢流體對(duì)流導(dǎo)致海底淺層水合物逐漸減少或消失，而在穩(wěn)定帶底部水合物略有增長(zhǎng)，最終形成了當(dāng)前觀測(cè)到的水合物分布特征（蘇正等，2012）.但其研究只是推測(cè)在早期的斷裂體系中形成了天然氣水合物，并沒有給出從斷裂體系中水合物的生長(zhǎng)過程、以及完整的水合物成藏演化過程.

毫無疑問，海洋水合物形成演化受控于沉積作用和流體活動(dòng)，但要完整認(rèn)識(shí)神狐海域天然氣水合物的形成演化過程，須基于該區(qū)域地質(zhì)特征和構(gòu)造活動(dòng)歷史的分析.因此，本文將在神狐海域構(gòu)造地質(zhì)的研究基礎(chǔ)上，建立海洋天然氣水合物形成聚集過程的數(shù)學(xué)模型，研究早期斷裂活動(dòng)對(duì)水合物的聚集演化的影響，解釋神狐海域天然氣水合物賦存特征，認(rèn)識(shí)地質(zhì)活動(dòng)對(duì)水合物成藏發(fā)育的控制作用.

2 地質(zhì)背景分析

神狐海域構(gòu)造上處于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷（圖1），自中新世以來進(jìn)入構(gòu)造沉降期，沉積速率高，為天然氣水合物發(fā)育創(chuàng)造了良好地質(zhì)條件（吳能友等，2009）.在神狐海域巨厚（1000～7000m）沉積體中，有機(jī)質(zhì)含量為0.2%～1.9%（吳能友等，2009；McDonnell et al.，2000，Wang et al.，2000，Su et al.，2012），提供了水合物發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ).但淺層沉積中有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低，而深部沉積中有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高（Wang et al.，2000），反映了淺層原位生物成因甲烷對(duì)水合物形成的貢獻(xiàn)很小，氣體以深源甲烷為主.沉積取樣分析顯示沉積物以泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)泥為主，而且沉積物中未見冷泉碳酸鹽巖結(jié)核，說明在井孔穿越的地質(zhì)史上未發(fā)生過明顯的甲烷游離氣泄露，孔隙流體處于非飽和狀態(tài).

南海北部陸坡區(qū)域斷裂構(gòu)造主要為NEE（或NE）和NW向兩組，前者為張性斷層，后者為張剪性斷層，都具有良好的導(dǎo)水性.斷裂活動(dòng)主要有四期，分別為白堊紀(jì)末—古新世初、漸新世晚期—中新世早期、中新世晚期和上新世末—更新世早期.神狐海域晚期斷裂活動(dòng)極其豐富，新生代斷層從下到上越來越發(fā)育，古近紀(jì)底部斷裂是裂谷斷陷期沉積的主控因素，在熱沉降過程中基底斷裂作用不斷加強(qiáng)，上新世以來（2.0～1.5Ma）出現(xiàn)斷裂活動(dòng)高峰，斷層以NE向?yàn)橹?，活?dòng)強(qiáng)度小，但數(shù)量眾多，派生出許多羽狀排列的斷層，復(fù)雜的斷裂活動(dòng)使沉積體成為具有極高滲透性的裂隙介質(zhì)，有利于普遍性的深部流體流動(dòng)和水合物發(fā)育（吳能友等，2009）.新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，形成了大量的晚期構(gòu)造圈閉，同時(shí)形成了規(guī)模巨大的泥底辟活動(dòng)帶，也認(rèn)為與神狐海域天然氣水合物發(fā)育密切相關(guān)（吳能友等，2009；Su et al.，2012）.

在最近一期（2.0～1.5Ma）的斷層活動(dòng)之后，神狐海域海底表面接受了快速的泥沙沉積（10～20cm／ka），而且新的沉積體尚無完全固結(jié)成巖，沉積體中斷裂痕跡較少，這反映淺層泥沙沉積體的滲透性很差，深部流體難以向上快速流動(dòng)進(jìn)入淺層沉積體（蘇正等，2012）.斷層活動(dòng)前后神狐海域的沉積體滲透性存在很大差異，因此，流體傳輸速率和甲烷通量必然發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變.神狐海域當(dāng)前的水合物形成必然受到斷層活動(dòng)和后期泥沙沉積的影響.

3 數(shù)學(xué)模型

海洋天然氣水合物成藏演化主要決定于沉積速率和水流速率，要研究其天然氣水合物成藏演化過程，必須先確定該沉積盆地的沉積速率和其中的水流速率.因而，海洋天然氣水合物成藏的數(shù)學(xué)模型包含三個(gè)方面，一是沉積速率模型，二是沉積體中流體速率模型，三是沉積介質(zhì)中水合物形成模型.

3.1 沉積速率

地質(zhì)時(shí)間尺度上的沉積作用導(dǎo)致了沉積物的壓實(shí)，壓實(shí)理論把孔隙度與垂直有效應(yīng)力相聯(lián)系（Terzaghi，1943；Gibson，1958；Audet and Fowler，1992；Boudreau and Bennett，1999）.孔隙度可表示為深度的單一函數(shù)（Athy，1930；Jansen and Raymo，1996；Haacke et al.，2008），其形式為

其中，φ是孔隙度，z為深度，φ0為海底界面沉積物孔隙度，λ為壓實(shí)強(qiáng)度.壓實(shí)強(qiáng)度反映了海底沉積物的物理性質(zhì)，其值可利用實(shí)測(cè)孔隙度參考值擬合獲取.

沉積壓實(shí)過程中沉積物逐漸向下遷移，單位時(shí)間通過單位截面積的沉積物量稱為沉積物通量.單位體積內(nèi)的沉積物質(zhì)量為（1-φ）ρs，則垂向一維的海底沉積物質(zhì)量守恒方程可表示為

其中，ρs表示沉積物密度，vs為沉積速率，t為時(shí)間變量.方程中第一項(xiàng)為單位體積中沉積物質(zhì)量隨時(shí)間的變化，第二項(xiàng)為沉積物質(zhì)量通量的隨空間的變化項(xiàng).

沉積物密度可近似為常數(shù)，而孔隙度是深度的單一函數(shù)，則在給定深度上單位體積沉積物的質(zhì)量不隨時(shí)間變化，即因此，方程第二項(xiàng)說明沉積物質(zhì)量通量vsρs（1-φ）為常數(shù)，沉積物體積通量vs（1-φ）恒定.因此，海底之下任意深度的沉積速率與海底界面沉積速率S相關(guān)（蘇正等，2012）為

將方程（1）代入方程（3），即可求得海底之下任意深度的沉積速率.

3.2 水流速率

在海底淺層沉積物中，當(dāng)上升的甲烷氣體與向下擴(kuò)散的硫酸鹽相遇時(shí)便發(fā)生甲烷的缺氧氧化作用，導(dǎo)致硫酸鹽和甲烷含量急劇下降，甲烷缺氧氧化作用主要發(fā)生在硫酸鹽—甲烷界面（sulfate-methane interface，簡(jiǎn)化為SMI）上（Hinrichs and Boetius，2002；Joye et al.，2004；Treude et al.，2005）.

SMI處甲烷濃度接近零（Wu et al.，2010），說明在持續(xù)的硫酸鹽氧化作用下，向上運(yùn)移的甲烷幾乎被完全消耗，在SMI深度甲烷和硫酸鹽達(dá)到了反應(yīng)平衡.甲烷溶解氣以對(duì)流和擴(kuò)散形式向上運(yùn)移，而硫酸鹽主要以擴(kuò)散形式向下傳輸，反應(yīng)方程為

方程（4）說明由深部向上運(yùn)移的甲烷量等于從海水向下擴(kuò)散的硫酸根量，vw表示水流速率，ρf為孔隙流體密度，clm和cls表示液相中甲烷和硫酸鹽的濃度，Dm和Ds分別表示液相中甲烷和硫酸鹽的擴(kuò)散系數(shù).

在水合物區(qū)的甲烷濃度等于甲烷溶解度，因而甲烷濃度梯度很小，可以忽略甲烷的擴(kuò)散作用，則水流速率可以簡(jiǎn)化表示為

如果已知硫酸鹽濃度梯度和水合物區(qū)的甲烷溶解度，則可利用方程（5）計(jì)算水流速率.

3.3 水合物形成

天然氣水合物形成模型包括甲烷溶解度和甲烷質(zhì)量守恒方程.甲烷溶解度曲線界定了水合物穩(wěn)定帶厚度，并給出了水合物穩(wěn)定帶內(nèi)甲烷結(jié)晶成為水合物所需的最低濃度，控制著甲烷水合物的成藏聚集過程，而質(zhì)量和能量守恒原理解釋了甲烷在不同相態(tài)之間的轉(zhuǎn)化和溫度狀態(tài).甲烷飽和溶解度利用Duan等（1992）經(jīng)典模型計(jì)算（Duan et al.，1992），甲烷水合物溶解度可利用蘇正等模型計(jì)算（蘇正和陳多福，2007；蘇正等，2012），水合物和水的二相共存沉積體系中甲烷的質(zhì)量守恒方程參考已有模型（Davie et al.，2004；蘇正等，2012）.

4 計(jì)算和討論

神狐海域鉆探取芯證明了甲烷水合物的存在.其中，SH2站位水深1235m，海水鹽度為33.4‰，根據(jù)原位測(cè)試的溫度數(shù)據(jù)擬合而成的溫度-深度關(guān)系式為T=0.047×z+4.9302，鉆探顯示水合物集中分布于186～229mbsf，頂界出現(xiàn)在72mbsf，水合物最高飽和度為48%（吳能友等，2009；Wu et al.，2008，2010）.SMI深度是27mbsf，當(dāng)前的海底沉積速率為20cm／ka.鉆探揭示的溫度和鹽度分布，與背景值比較沒有明顯差異.本文的一維模擬域厚度為250m，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1.

表1 神狐海域SH2站位天然氣水合物物性和模擬計(jì)算參數(shù)表Table 1 Parameters of gas hydrate properties and modeling of site SH2in the Shenhu area

4.1 沉積速率

沉積速率是本文水合物成藏模擬的一個(gè)重要參量，沉積作用導(dǎo)致了沉積物的遷移和更新、孔隙度隨深度呈指數(shù)衰減.通過對(duì)神狐海域取芯樣品的孔隙度值的擬合，獲知SH2站位沉積體的孔隙度表達(dá)式為φ =0.55898e-0.0019·z（蘇正等，2012；Su et al.，2012），模擬域內(nèi)孔隙度介于0.35～0.56.SH2站位的海底沉積速率高達(dá)10～20cm／ka，其中在近1.2Ma的海底沉積速率為20cm／ka（蘇正等，2012），海底沉積速率的平均值為18cm／ka，模擬域內(nèi)各深度的沉積速率介于12～18cm／ka（蘇正等，2012；Su et al.，2012）.模擬域沉積體的沉積體的最大年齡為說明模擬域所含沉積體起始于最近的構(gòu)造活動(dòng)（2.0～1.5Ma）期間，而天然氣水合物層底界的沉積年齡為1.58Ma，說明神狐海域水合物形成基本上始于構(gòu)造活動(dòng)末期，這種時(shí)間界限與前期認(rèn)識(shí)是一致的（蘇正等，2012；Su et al.，2012）.

4.2 水流速率

水流速率是海洋天然氣水合物成藏演化模擬的另一重要參量，因?yàn)樵谏钤戳黧w中甲烷濃度一定的情況下，水合物穩(wěn)定帶中甲烷的供給速率取決于水流速率，水流速率越大，則在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入水合物穩(wěn)定帶的氣體越多，如果水流速率很低，則水合物形成速率緩慢，甚至不能形成水合物.沉積體水流速率決定于沉積體孔滲條件，快速流多見于斷層、裂隙等流體通道中，而在泥質(zhì)沉積中水流速率相對(duì)較低.

本文模擬計(jì)算采用的水流速率是通過海底甲烷缺氧氧化原理計(jì)算的.甲烷供給量等于向下的硫酸鹽擴(kuò)散量，SMI深度硫酸鹽濃度接近于零，水流速率是硫酸鹽濃度梯度的函數(shù).SH2站位SMI深度為27mbsf，海底界面的硫酸鹽濃度cls，0=0.028mol／L，水合物層頂界為72m（Wang et al.，2011），水合物層中的甲烷濃度取SH2站位186m深處的甲烷溶解度，clm，186=0.132mol／L.根據(jù)方程（5）計(jì)算的神狐海域當(dāng)前的水流速率為0.7m／ka（Su et al.，2012）.

4.3 水合物成藏演化分析

沉積速率和水流速率是天然氣水合物成藏演化的基本控制參量.以沉積速率18cm／ka和水流速率0.7m／ka模擬計(jì)算的水合物飽和度垂向分布如圖1所示，水合物穩(wěn)定帶厚度為229m，在演化到1.3Ma時(shí)，沉積作用產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)與水流速率產(chǎn)生正效應(yīng)相抵消，甲烷水合物形成演化達(dá)到平衡，水合物飽和度不再變化（蘇正等，2012）.但平衡水合物飽和度與孔隙水鹽度計(jì)算的水合物飽和度（稱之為水合物飽和度測(cè)試值）分布特征存在巨大差異.模擬計(jì)算的穩(wěn)定帶底部的最大水合物飽和度約為12%，但孔隙水鹽度所揭示的最高飽和度達(dá)48%.

圖1說明僅以沉積速率和水流速率作為參數(shù)，不能模擬神狐海域天然氣水合物的形成演化過程和產(chǎn)出特征.這是因?yàn)槟M所用的水流速率是以當(dāng)前的SMI深度等參數(shù)計(jì)算的，只代表當(dāng)前沉積體中的水流速率，而早期地質(zhì)歷史上的水流速率很可能與0.7m／ka存在巨大差異，或處于不斷變化中.因此，當(dāng)前水流速率不能代表神狐海域天然氣水合物形成演化史上的流體動(dòng)力學(xué)特征，也因此無法以之模擬水合物的動(dòng)力學(xué)演化過程.

圖1 以沉積速率18cm／ka和水流速率0.7m／ka計(jì)算的神狐海域SH2站位天然氣水合物飽和度分布平衡水合物飽和度分布曲線與測(cè)試值有明顯差異，圓點(diǎn)是由孔隙水鹽度異常計(jì)算的水合物飽和度.Fig.1 Distribution of hydrate saturation modeled by using the seafloor depositional rate of 18cm／ka and the water flow rate of 0.7m／ka The hydrate saturations at the equilibrium are evidently different from the measured data.The dots are hydrate saturation calculated from salinity abnormities in the pore water.

事實(shí)上，由于受構(gòu)造活動(dòng)的影響，地質(zhì)歷史上沉積體的流體疏導(dǎo)系統(tǒng)可能發(fā)生改變，并導(dǎo)致水流速率的變化.構(gòu)造活動(dòng)形成的斷層等流體通道具有很高的滲透性，其水流速率可能是當(dāng)前水流速率的幾十倍、甚至幾百倍.神狐海域距今最近的大規(guī)模構(gòu)造活動(dòng)發(fā)生在上新世末一更新世早期（2.0～1.5Ma）（吳能友等，2009），在復(fù)雜斷裂體系中的水流速率必然遠(yuǎn)高于當(dāng)前的水流速率，如果孔隙水中含有足夠的甲烷，便可海底淺層斷裂體系中形成大量的天然氣水合物，而當(dāng)前的水合物恰是在此基礎(chǔ)上發(fā)展演化的.

4.4 早期水合物存在

神狐海域水合物成藏演化經(jīng)歷了劇烈的構(gòu)造活動(dòng)和快速泥砂沉積過程，而當(dāng)前泥砂沉積中的天然氣水合物可能是在構(gòu)造活動(dòng)末期形成的水合物基礎(chǔ)上發(fā)展而來的.構(gòu)造活動(dòng)期間沉積體中的水流速率必然經(jīng)歷了復(fù)雜的變化，無法直接取得具體的水流速率值，也難以通過調(diào)節(jié)水流速率模擬水合物藏的演化過程.但可以通過重復(fù)性計(jì)算試驗(yàn)，獲取構(gòu)造活動(dòng)末期高速滲流形成的水合物飽和度，具體方法是通過在模擬計(jì)算中給出不同的水合物飽和度初值，代表構(gòu)造活動(dòng)末期斷裂系統(tǒng)中水合物的飽和度，再利用當(dāng)前平均沉積速率（18cm／ka）和水流速率（0.7m／ka），模擬斷裂活動(dòng)之后的水合物的成藏演化過程，挑選模擬飽和度曲線對(duì)飽和度測(cè)試值的最佳包絡(luò)，并以1.5Ma（構(gòu)造活動(dòng)結(jié)束至今的快速泥砂沉積過程）的演化時(shí)間進(jìn)行限定，從而確定早期快速滲流階段沉積體系中形成的水合物飽和度（蘇正等，2012）.

圖2顯示了在不同水合物飽和度初值條件下模擬計(jì)算的水合物飽和度分布特征.水合物飽和度嘗試不同的初值，如SH=18%、20%、22%、24%，表征在快速滲流階段斷裂體系中形成的水合物量.模擬參數(shù)S=18cm／ka和vw=0.7m／ka，表示在構(gòu)造活動(dòng)之后緩慢滲流過程中水合物的繼承發(fā)展演化.模擬計(jì)算的沉積演化時(shí)間為1.5Ma，是指從構(gòu)造活動(dòng)結(jié)束至今的沉積地質(zhì)歷史，模擬計(jì)算的水合物飽和度與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在水合物飽和度初值為20%時(shí)，模擬計(jì)算的水合物飽和度曲線對(duì)測(cè)試值的匹配效果最好，這說明在構(gòu)造活動(dòng)末期形成了飽和度為20%的甲烷水合物，經(jīng)歷了1.5Ma的快速沉積演化，形成了當(dāng)前神狐海域天然氣水合物的產(chǎn)出特征.

圖2 神狐海域SH2站位的水合物飽和度模擬曲線與測(cè)試值對(duì)比Fig.2 Comparison of modeled hydrate saturation curves with the measured data at site SH2in the Shenhu area

圖3 模擬的SH2站位水合物飽和度分布和變化及與當(dāng)前水合物產(chǎn)出特征的對(duì)比Fig.3 Changes of the modeled hydrate saturation with time and comparison with the current hydrate occurrence at site SH2

圖3顯示了在初始水合物飽和度為20%，天然氣水合物的后期演化過程及與當(dāng)前水合物飽和度分布的對(duì)比.從時(shí)間變化來看，天然氣水合物集中分布層的厚度逐漸減小，在1.5Ma時(shí)模擬的水合物飽和度與測(cè)試值相當(dāng)，在1.6Ma時(shí)模擬的水合物集中分布厚度明顯有別于當(dāng)前的水合物產(chǎn)出特征，即在穩(wěn)定帶底部位置上出現(xiàn)了模擬計(jì)算的水合物飽和度明顯低于測(cè)試值.在1.6Ma之后，最高水合物飽和度開始下降，水合物量明顯減小，到2.0Ma時(shí)飽和度基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水合物飽和度初值為20%、t=1.5Ma時(shí)的水合物飽和度曲線對(duì)測(cè)試值的覆蓋效果最好.據(jù)此推斷，在最近一次構(gòu)造活動(dòng)末期，神狐海域的斷裂沉積體中形成了飽和度為20%的天然氣水合物，并在鍛煉活動(dòng)之后的沉積作用和流體動(dòng)力學(xué)條件下，經(jīng)歷了1.5Ma發(fā)展演化，形成了當(dāng)前的天然氣水合物產(chǎn)出特征.

4.5 水合物成藏演化過程

神狐海域天然氣水合物經(jīng)歷了至少1.5Ma的沉積演化歷史，在過去1.5Ma發(fā)展過程中，海底沉積速率為18cm／ka，水流速率為0.7m／ka.在距今1.5Ma之前構(gòu)造活動(dòng)中經(jīng)歷了一個(gè)裂隙系統(tǒng)中的水合物生成過程，形成了飽和度為20%的天然氣水合物.水合物藏繼承演化，但后期受快速沉積和緩慢流體對(duì)流的控制，甲烷供給速率降低，海底淺層的水合物逐漸減少或消失，但整體的水合物資源量正在減少.然而，明晰神狐海域天然氣水合物的成藏演化過程，需要清楚斷裂活動(dòng)中20%水合物飽和度的形成過程，即高滲透性斷裂系統(tǒng)中水合物形成的水流速率和形成演化時(shí)間？

完整的模擬水合物系統(tǒng)演化是指水合物飽和度從零開始的聚集過程.此節(jié)模擬中將通過反復(fù)調(diào)整早期的水流速率，并在水合物飽和度達(dá)到20%時(shí)，流體快速滲流結(jié)束，水合物形成演化進(jìn)入第二階段.圖4對(duì)比了早期水流速率對(duì)當(dāng)前水合物產(chǎn)出特征的影響，并對(duì)比水合物飽和度的計(jì)算值與測(cè)試值，由于水合物形成演化時(shí)間與最后一次斷層活動(dòng)結(jié)束年齡相當(dāng)，因此，選取對(duì)比的時(shí)間點(diǎn)為1.5Ma.早期水流速率v0w分別取值10、30、50、70m／ka，當(dāng)水合物飽和度平均值達(dá)到20%時(shí)，后期水流速率調(diào)整為v1w（0.7m／ka），并在18cm／ka的海底沉積速率條件下繼承演化.當(dāng)v0w=10m／ka時(shí)，模擬的最大水合物飽和度明顯低于測(cè)試值；當(dāng)v0w=30m／ka時(shí)，模擬的當(dāng)前水合物飽和度略低于測(cè)試值；當(dāng)v0w=50m／ka時(shí)，水合物飽和度曲線對(duì)測(cè)試值具有較好的包絡(luò)效果；當(dāng)v0w=70m／ka時(shí)，穩(wěn)定帶地步的水合物飽和度高于測(cè)試值.因此推斷，在構(gòu)造活動(dòng)晚期，斷裂體系中水流速率約為50m／ka時(shí)，快速流體運(yùn)移形成了飽和度為20%的甲烷水合物.

圖4 在不同的早期水流速率條件下模擬的天然氣水合物飽和度Fig.4 Modeled gas hydrate saturation with different early water flow rates

圖5給出了神狐海域天然氣水合物的形成演化過程.可以明顯看出神狐海域天然氣水合物形成演化經(jīng)歷了兩個(gè)階段.早期階段，高滲透斷裂體系中的水流速率為50m／ka，并攜帶深部熱量到淺部，致使水合物穩(wěn)定帶厚度相對(duì)較薄，但在整個(gè)穩(wěn)定帶中均有水合物生成，水合物飽和度快速增長(zhǎng)，且不同深度的增長(zhǎng)幅度相當(dāng)，在經(jīng)歷40ka時(shí)，平均水合物飽和度達(dá)到20%.此后，快速滲流結(jié)束，水合物演化進(jìn)入第二階段，水流速率掉落為0.7m／ka，水合物穩(wěn)定帶中的甲烷供給速率銳減，而海底沉積速率仍保持18cm／ka不變，致使穩(wěn)定帶底部水合物飽和度較高，而海底淺層沉積中水合物難以生成，出現(xiàn)水合物飽和度平衡狀態(tài)，而這種平衡區(qū)向下延伸，使得穩(wěn)定帶底部的高飽和度沉積層厚度減薄，在共經(jīng)歷1.54Ma時(shí)模擬的水合物飽和度曲線與測(cè)試值分布匹配最好，此后的水合物含量逐漸減小，在1.8Ma時(shí)飽和度模擬曲線與測(cè)試值分布出現(xiàn)明顯差異，到2.0Ma時(shí)基本達(dá)到平衡.

圖5 神狐海域天然氣水合物動(dòng)力學(xué)演化過程Fig.5 Dynamic evolution of gas hydrates in the Shenhu area

因此推斷，在最后一次的構(gòu)造活動(dòng)晚期，水流速率高達(dá)50m／ka，水合物穩(wěn)定帶內(nèi)甲烷供給十分充足，斷裂體系中水合物快速生成，在持續(xù)約4萬年時(shí)間內(nèi)形成了飽和度為20%的甲烷水合物；斷裂活動(dòng)結(jié)束后，水流速率降為0.7m／ka，穩(wěn)定帶內(nèi)甲烷供給速率緩慢，但海底沉積速率仍高達(dá)18cm／ka，除穩(wěn)定帶底部保持了水合物增長(zhǎng)外，海底淺層難以生成水合物，水合物飽和度逐漸下降，并逐漸趨向平衡，最終，在經(jīng)歷了1.5Ma的繼承演化后，形成了當(dāng)前的神狐海域天然氣水合物.因此，可以認(rèn)為，當(dāng)前神狐海域天然氣水合物的形成演化起始于新近紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)末期，共經(jīng)歷了約1.54Ma的演化發(fā)育.水合物形成演化與地質(zhì)構(gòu)造和流體活動(dòng)密切相關(guān)，具有明顯的二元結(jié)構(gòu)成藏演化特征.

5 水合物成藏演化模式

神狐海域沉積體在地質(zhì)歷史上發(fā)生了多次不同規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中最近的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生在距今2.0～1.5Ma（吳能友等，2009）.構(gòu)造活動(dòng)使整個(gè)沉積體產(chǎn)生復(fù)雜的斷裂體系，促使深部流體沿?cái)嗔严到y(tǒng)向上快速流動(dòng).水合物應(yīng)該起始于大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚期，在深部流體上升速率減小和系統(tǒng)溫度降低的時(shí)候，這說明水合物形成應(yīng)該開始于距今1.5Ma之前，構(gòu)造活動(dòng)已經(jīng)基本結(jié)束.此時(shí)斷裂系統(tǒng)中的水流速率仍非常高，在快速的甲烷供給下穩(wěn)定帶中的水合物增長(zhǎng)必然非常迅速，直到新沉積層的覆蓋，降低了沉積體的導(dǎo)水性，水流速率和甲烷通量減小，快速沉積和低速流體活動(dòng)，使海底淺層的甲烷濃度供給不足，水合物生成緩慢.

甲烷供給速率和沉積速率，是海洋天然氣水合物形成最關(guān)鍵的控制參數(shù).甲烷供給速率決定了水合物的生成速率，而沉積速率決定了沉積體的演化.在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)，當(dāng)中的甲烷濃度超過甲烷水合物溶解度時(shí)，才能有水合物生成，而在水合物穩(wěn)定帶之下，當(dāng)甲烷濃度超過甲烷-水二相飽和溶解度時(shí)，會(huì)有游離氣產(chǎn)生.然而，在神狐海域沉積體中并未探測(cè)到明顯的游離氣，鉆井取芯證明在水合物帶之下的氣體含量很小，而且沉積體中未見游離氣滲流產(chǎn)生的碳酸鹽巖結(jié)核.因此，斷定神狐海域沉積體中的甲烷氣體以溶解氣方式運(yùn)移.由于神狐海域淺層沉積中有機(jī)質(zhì)含量偏低，因而不考慮原位甲烷生成，如果深源流體中甲烷濃度固定，則甲烷的供給速率決定于水流速率，在沉積埋藏速率一定的情況下，流體速率決定水合物的生長(zhǎng)發(fā)育，而流體速率依賴于巖性特征和構(gòu)造發(fā)育.

神狐海域天然氣水合物成藏演化具有典型的二元結(jié)構(gòu)模式，如圖6所示.第一階段發(fā)生在構(gòu)造活動(dòng)末期的斷裂體系中，構(gòu)造活動(dòng)使沉積體成為一個(gè)復(fù)雜的斷裂體系，既有深部大的斷裂通道，也有淺部小而密的斷層排列，深部非飽和流體沿高滲透的斷裂通道向上快速流動(dòng)，在穩(wěn)定帶內(nèi)形成了高飽和度的天然氣水合物（圖6a）.熱力學(xué)上，由于深源流體攜帶較高熱量通過淺層沉積，使淺層沉積體溫度上升，因而水合物穩(wěn)定帶厚度較薄，此外，由于深源流體中的不飽和特征，甚至在水合物穩(wěn)定帶底部甲烷濃度仍低于甲烷溶解度，不能生成水合物，因此，水合物帶厚度小于水合物穩(wěn)定帶厚度（圖6c）.

第二階段是指構(gòu)造活動(dòng)之后，隨著快速沉積作用的進(jìn)行，海底接受新沉積物覆蓋，但水合物穩(wěn)定帶厚度維持相對(duì)穩(wěn)定，在海底表面接受新沉積同時(shí)，穩(wěn)定帶底部的沉積體攜帶水合物向下退出，因而，使水合物穩(wěn)定帶中的沉積體得到不斷更新.新沉積的細(xì)粒泥砂覆蓋于構(gòu)造活動(dòng)所造成的復(fù)雜斷裂之上，使整個(gè)沉積體的導(dǎo)水能量顯著降低，深部流體上升速率減緩，水合物穩(wěn)定帶內(nèi)甲烷的供給量減小，并導(dǎo)致新沉積體中水合物形成緩慢，甚至在海底淺層沉積中出現(xiàn)非飽和流體，不能生成水合物.而早期斷裂體系中形成的水合物隨沉積體向下遷移逐漸退出了水合物穩(wěn)定帶，穩(wěn)定帶完全是后期的泥沙沉積，穩(wěn)定帶底部的薄層中水合物集中發(fā)育，形成了當(dāng)前的神狐海域水合物產(chǎn)出特征（圖6b）.熱力學(xué)上，由于深部流體向上滲流速率減小，致使沉積體溫度下降，水合物穩(wěn)定帶厚度略有增加.同時(shí)，由于流體速率降低，進(jìn)入上覆沉積體的甲烷量減小，導(dǎo)致淺層孔隙水中的甲烷濃度低于甲烷溶解度，在海底淺層沉積中不能生成水合物.但水合物穩(wěn)定帶中的沉積體處于動(dòng)態(tài)遷移中，退出穩(wěn)定帶的水合物發(fā)生分解，分解氣體使孔隙流體中的甲烷濃度增大，甚至出現(xiàn)少量的游離氣，這保證了在水合物穩(wěn)定帶底部的甲烷濃度到達(dá)甲烷溶解度（圖6d）.

圖6 神狐海域天然氣水合物成藏模式概念模型Fig.6 Conceptual model of gas hydrate accumulation in the Shenhu area

6 結(jié)論

本文構(gòu)建了海洋天然氣水合物形成演化過程的動(dòng)力學(xué)模型，模型的主控參量為海底沉積速率和水流速率，并以此計(jì)算了神狐海域天然氣水合物的聚集演化過程，認(rèn)為當(dāng)前的神狐海域天然氣水合物是在斷裂體系水合物基礎(chǔ)上繼承演化而來的.最后，在研究地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和天然氣水合物成藏動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上建立了神狐海域天然氣水合物的成藏演化模式.研究發(fā)現(xiàn)，神狐天然氣水合物形成演化具有典型的二元結(jié)構(gòu)模式.第一階段發(fā)生在距今1.5Ma之前的斷裂體系中，沉積體中的快速水流和甲烷供給，促成了水合物的快速生成，在4萬年內(nèi)形成了飽和度為20%的甲烷水合物；第二階段發(fā)生近在1.5Ma以來，泥砂沉積使沉積體滲透性驟減，引起水流速率降低和甲烷供給不足，海底淺層水合物難以生成，而穩(wěn)定帶底部有緩慢的水合物增長(zhǎng)，并因此形成了當(dāng)前觀測(cè)到的神狐海域水合物產(chǎn)出特征.

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