楊金秀， Richard Davies，肖佃師，苗秀青， 張亞念

[1.中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島 266580；2.School of Civil Engineering and Geosciences,Newcastle University,NE1 7RU,UK ]

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BSR及其下伏游離氣區(qū)的分布特征與控制因素

楊金秀1， Richard Davies2，肖佃師1，苗秀青1， 張亞念1

[1.中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島 266580；2.School of Civil Engineering and Geosciences,Newcastle University,NE1 7RU,UK ]

擬海底反射層(Bottom Simulating Reflector，簡稱BSR)是水合物底界的地震反射標(biāo)志，其上部的振幅空白帶是含水合物地層的反射特征，下部的高振幅異常區(qū)代表了下伏的游離氣區(qū)(Free Gas Zones，簡稱FGZs)。利用高分辨率三維地震資料，精細(xì)描述了毛里塔尼亞濱海地區(qū)的BSR和FGZs的地震反射特征及其與周邊沉積構(gòu)造單元的關(guān)系。BSR在底辟構(gòu)造上部出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，在靠近峽谷兩壁時BSR位置快速變深。據(jù)分析，在底辟構(gòu)造帶，沿斷裂體系向上運(yùn)移的熱流體改變了此處的水合物穩(wěn)定條件，導(dǎo)致水合物穩(wěn)定底界向上變淺。而峽谷對周邊沉積物的冷卻作用使當(dāng)?shù)氐乃衔锓€(wěn)定條件發(fā)生與底辟構(gòu)造帶處相反的變化，導(dǎo)致水合物穩(wěn)定底界向下發(fā)生移動，在地震上表現(xiàn)為BSR深度的增加。另外，研究發(fā)現(xiàn)BSR和FGZs在流體運(yùn)移通道較發(fā)育的地區(qū)，如斷層、氣煙囪和底辟構(gòu)造帶地區(qū)更加發(fā)育，證明流體運(yùn)移體系在該地區(qū)對水合物和FGZs的形成具有十分重要的作用，提供了水合物體系的氣源供給。

擬海底反射層；流體運(yùn)移；三維地震；游離氣區(qū)；天然氣水合物；毛里塔尼亞

天然氣水合物俗稱“可燃冰”，存在于多年凍土帶、海洋沉積物和深湖相沉積物中[1,2]。目前，世界上許多海域直接或間接發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，其中包括中國的南海北部陸坡、南沙海槽和東海陸坡[3,4]。據(jù)保守估計，水合物的總資源量，相當(dāng)于世界已知煤、石油和天然氣總量的兩倍[5,6]。水合物的穩(wěn)定性對環(huán)境條件有很高要求，一般存在于高壓(>10 MPa)和低溫(0～10 ℃)條件下[7]。當(dāng)溫壓條件發(fā)生改變超出水合物的穩(wěn)定條件時，水合物會快速分解，釋放出大量氣體和水，甚至?xí)l(fā)地質(zhì)災(zāi)害，如海底滑坡，毀壞海上作業(yè)機(jī)器甚至引發(fā)海嘯[8,9]。水合物分解后釋放的甲烷等氣體如果逃逸到海水及大氣中，更可能會引起氣候變化[7,10]。

受水合物穩(wěn)定性控制，海洋環(huán)境中水合物穩(wěn)定區(qū)(Gas Hydrate Stability Zone：GHSZ)主要位于淺部地層，位于海底以下埋深幾百米的沉積物中，水深范圍為400～3 000 m[1,11,12]。GHSZ下部，水合物不能穩(wěn)定存在，游離氣和水存在于水合物層下部，一般被稱為游離氣區(qū)(Free Gas Zones：FGZs)。GHSZ與FGZs之間的界面為水合物底界(Base of the Gas Hydrate Stability Zone：BHSZ)，BHSZ是分隔水合物相與游離氣相的界面，在地震資料上通常表現(xiàn)為與海底平行、斜切等時地層、具有負(fù)極性和高振幅特征的擬海底反射層BSR(Bottom Simulating Reflector)[1,9]。

水合物的形成和分布主要受溫度、壓力、氣體組分、飽和度、孔隙水組成(如鹽度)和沉積物的物理特性等因素控制[10]。溫度壓力等條件的微小變化可能導(dǎo)致水合物發(fā)育區(qū)的向上或者向下移動，而溫壓條件的變化可能受沉積作用或剝蝕作用所驅(qū)動[13-14]。當(dāng)水合物穩(wěn)定區(qū)上移時，水合物底界附近的水合物分解，釋放出大量游離氣和水，并保存在新的水合物底界下部的新FGZs中[8,15]。一般認(rèn)為，BSR的地震特征主要是由游離氣而非水合物造成，因為較低的游離氣飽和度(3%～5%)即可能導(dǎo)致縱波速度的快速下降[16]。BSR上部可見振幅空白帶反射異常，可能是由水合物對沉積物孔隙的充填膠結(jié)作用導(dǎo)致的，一般認(rèn)為空白帶是含水合物地層的地震識別方法之一[1,10,14]。BSR下部的強(qiáng)振幅異常反射區(qū)，通常代表了FGZs的分布。由于含水合物地層是較好的低滲透蓋層，因此游離氣容易保存在水合物底部，形成FGZs。

根據(jù)構(gòu)造發(fā)育特征，在研究區(qū)的不同區(qū)塊分別討論影響水合物和游離氣形成和分布的構(gòu)造因素，主要是指流體運(yùn)移通道對水合物成藏與游離氣聚集所起的作用。對毛里塔尼亞海域水合物分布特征的地球物理研究在最近幾年開始進(jìn)行[4,14,16]。該地區(qū)具有高分辨率的三維地震資料顯示出典型而連續(xù)的BSR分布，且BSR附近地震反射特征明顯、清晰，有利于對天然氣水合物體系進(jìn)行精細(xì)分析。目前，對該地區(qū)水合物體系的研究較為零散，發(fā)表的文獻(xiàn)也往往是針對小范圍區(qū)域內(nèi)的某一具體現(xiàn)象。因此，本文利用高分辨率三維地震資料，綜合分析整個研究區(qū)的水合物和游離氣分布特征，并根據(jù)BSR附近的流體運(yùn)移通道特征，結(jié)合地震振幅等地震屬性特征對控制水合物和游離氣分布的因素進(jìn)行討論，為今后該地區(qū)水合物進(jìn)一步勘探開發(fā)提供參考。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

毛里塔尼亞海域位于西非被動型大陸邊緣，具有相對較窄的大陸架和中等寬度的大陸隆起[17](圖1)。大陸斜坡較為平緩，傾角約為1°～3°[18]。中侏羅世時期，毛里塔尼亞盆地附近的海底擴(kuò)張導(dǎo)致了北大西洋的開啟。研究認(rèn)為，毛里塔尼亞大陸邊緣是一個潛在的石油成藏區(qū)帶，此處具有高孔隙度的中新世濁流河道可作為儲層，被上覆低滲透的廢棄河道相或半遠(yuǎn)洋沉積的頁巖層所覆蓋[17]。其他晚白堊世和古新世時期沉積的深海泥巖也可能是烴源巖。在過去的幾百萬年里，來自撒哈拉沙漠的大量風(fēng)成沉積物被運(yùn)送至該地區(qū)[19]。沉積作用主要受半深海環(huán)境中的碎屑流和濁流影響，沉積物主要為有孔蟲類和陸源的泥質(zhì)和硅質(zhì)碎屑濁積巖[18]。沉積速率受氣候、沉積物供給和構(gòu)造環(huán)境等因素控制，該地區(qū)位于大洋邊緣的上升流范圍內(nèi)，因此沉積速率比較高，約為80～160 mm/y[18,20]。

圖1　毛里塔尼亞海域的三維地震數(shù)據(jù)體位置(a)以及研究區(qū)海底的傾角屬性(b)

該區(qū)域的新近系中發(fā)育有許多塊狀搬運(yùn)復(fù)合體(Mass Transport Complexes：MTCs)，這可能與陸坡環(huán)境下高沉積速率的未固結(jié)沉積物的沉積作用有關(guān)[20]。毛里塔尼亞海底滑坡復(fù)合體是非洲西北部大陸邊緣中最大的一個塊狀搬運(yùn)復(fù)合體，約34 000 km2，其典型特征為垂向上向陸地倒退的滑坡。該研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的新近系塊狀搬運(yùn)復(fù)合體位于毛里塔尼亞海底滑坡復(fù)合體的北部，也具有向陸地倒退的垂向復(fù)合體。研究區(qū)的塊狀搬運(yùn)復(fù)合體下部還發(fā)育有新近系的多邊形斷層體系，關(guān)于其成因仍然存在分歧[21-24]。另外，研究區(qū)還發(fā)育有峽谷、底辟構(gòu)造和斷裂體系等構(gòu)造單元，對淺部的水合物體系具有一定影響。

2　數(shù)據(jù)與方法

研究區(qū)的高分辨率三維地震資料于1999年和2000年通過拖纜勘探采集，主要用于油氣勘探。該三維數(shù)據(jù)體覆蓋面積約4,000 km2，由3481條主測線和5521條聯(lián)絡(luò)測線構(gòu)成。Tullow Oil和Petronas公司已對該地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列處理，包括多次波壓制處理和疊后時間偏移處理，未進(jìn)行零相位處理，未使用自動增益控制方法(Automatic Gain Control：AGC)。該地震數(shù)據(jù)的主要頻率是50 Hz，因此其垂向分辨率約為8.5 m，相對于主頻波長的1/4。地震網(wǎng)格(主測線與聯(lián)絡(luò)測線)的間隔是25 m×25 m。在地震剖面上，垂向上的縱坐標(biāo)為雙程走時(Two Way Travel Time：TWT)，水平方向的橫坐標(biāo)為距離(m或者km)。在地震反射剖面上，海底為正極性，其表現(xiàn)為紅色反射層。因此，地震上的紅色反射和黑色反射分別代表了聲波時差的增加和降低。

通過作者對地震資料的精細(xì)解釋，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)發(fā)育有廣泛分布的水合物，具體表現(xiàn)為地震剖面上分布廣泛、連續(xù)并斜切等時地層的BSR。本文利用三維地震資料，追蹤、解釋BSR以及相關(guān)等時地層，并進(jìn)行振幅、傾角等各種面屬性提取，通過地震剖面和相關(guān)反射層的屬性平面圖對BSR和FGZs，以及周邊斷層、底辟構(gòu)造等特征進(jìn)行精細(xì)解釋，從而掌握水合物與下伏游離氣的分布特征，并討論其可能的控制因素。

3　結(jié)果

地震資料表明，研究區(qū)BSR分布廣泛、連續(xù)，具有強(qiáng)振幅、負(fù)極性以及與海底大致平行的特點(diǎn)(圖2-圖5)。在BSR上部，可見振幅空白帶(Blanking Zone：BZ)異常反射特征，這可能是由于水合物對沉積物孔隙的充填膠結(jié)作用，從而使地層均質(zhì)性增強(qiáng)，減少了波阻抗差，進(jìn)而導(dǎo)致了地震剖面上呈現(xiàn)振幅空白帶異常[25]。在BSR下部，可見具有高振幅異常的反射區(qū)，一般解釋為被水合物所覆蓋或封堵的FGZs(圖2-圖6)。研究區(qū)位于被動大陸邊緣，構(gòu)造活動相對比較簡單。本文根據(jù)構(gòu)造發(fā)育特征將研究區(qū)細(xì)分為四類區(qū)塊：斷層發(fā)育區(qū)、底辟構(gòu)造區(qū)、峽谷發(fā)育區(qū)和構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)。下面分別就這四類區(qū)塊內(nèi)的水合物及下部游離氣的分布進(jìn)行描述。

3.1斷層發(fā)育區(qū)

由于研究區(qū)構(gòu)造活動不劇烈，因此并不發(fā)育大規(guī)模斷裂體系。在某些地區(qū)發(fā)育有小尺度正斷層，位于該地區(qū)BSR底部約200 ms處(圖2)。Yang等對該類斷層做過精細(xì)描述，分析了斷層位置、沿斷層的高振幅異常和上部FGZs的空間位置關(guān)系及地震反射特征[16]。地震證據(jù)表明，此類小尺度正斷層在水合物底界上移過程中發(fā)揮過重要作用。具體過程如下：水合物發(fā)育在斷層所在地層中,當(dāng)水合物穩(wěn)定條件發(fā)生變化，水合物穩(wěn)定底界上移時，下部水合物分解，釋放出大量水和游離氣并產(chǎn)生高壓,在高壓驅(qū)動下，斷層重新活動，斷層下盤的流體沿該斷層上移至新的水合物底界。一般認(rèn)為，游離氣在該過程之后有兩種命運(yùn)：一是保存在新的FGZs中；二是進(jìn)入到水合物層與水作用形成水合物。研究區(qū)淺層存在許多此類小斷層，當(dāng)水合物底界位于其附近且溫壓條件發(fā)生變化時，這些小斷層可能會發(fā)揮類似的作用。

圖2　地震剖面(a)和三維地震數(shù)據(jù)體(顯示b剖面) 顯示斷層與水合物體系和底部FGZs的空間匹配關(guān)系 (據(jù)文獻(xiàn)[16]修改，剖面位置見圖1)

圖3　地震剖面顯示斷層作為運(yùn)移通道溝通 深部地層與淺部水合物體系(剖面位置見圖1)

另外，在某些地區(qū)發(fā)育有貫穿深度相對較大的斷層，與深部底辟構(gòu)造有一定關(guān)系。此類斷層兩盤均發(fā)現(xiàn)高振幅異常，且具有與海底相反的極性，解釋為氣藏(圖3)。該斷層頂部為FGZs，地震剖面上顯示其被BSR所覆蓋。此類斷層為溝通淺部水合物與地層較深部氣源的通道，為水合物和FGZs的形成提供了氣源。地震數(shù)據(jù)顯示，在斷層周邊沒有流體運(yùn)移通道發(fā)育的地區(qū)，BSR的振幅強(qiáng)度較弱，也沒有發(fā)現(xiàn)FGZs。

3.2底辟構(gòu)造發(fā)育區(qū)

研究區(qū)的東南部發(fā)育有底辟構(gòu)造。通常情況下，底辟構(gòu)造發(fā)育于超強(qiáng)壓發(fā)育區(qū)，易形成垂向上的熱流輸導(dǎo)體系，影響淺部水合物體系的穩(wěn)定性，使水合物底界上移[26,27]。如果是鹽底辟構(gòu)造，孔隙水鹽度的增加則能夠抑制水合物的形成，使水合物的穩(wěn)定底界向具有更低溫度的區(qū)域(淺部地層)遷移[28]。該地區(qū)地震剖面顯示，在底辟構(gòu)造發(fā)育帶，BSR在底辟構(gòu)造上部具有上拱的反射特點(diǎn)，形態(tài)與底辟構(gòu)造帶的背斜地層類似，分析認(rèn)為該特征主要是受溫壓條件控制(圖4a)。該底辟構(gòu)造與周邊地層的界限并不十分明顯，雖然該底辟構(gòu)造位置較淺，但在平面上表現(xiàn)為長形而非圓形(圖4b)。綜合分析認(rèn)為，它屬于泥底辟構(gòu)造。本地區(qū)與此泥底辟構(gòu)造伴生的斷層十分發(fā)育，這些伴生斷層大多位于底辟構(gòu)造的內(nèi)部，將深部熱流體向上運(yùn)移至淺部，從而影響水合物體系的分布，使地震上的BSR出現(xiàn)上拱的特征。上拱型BSR代表了實際的水合物底界，是理想的構(gòu)造圈閉。因此，通過伴生斷層運(yùn)移到淺部的游離氣也易于保存在水合物底部，形成FGZs(圖4a)。

圖4　地震剖面(a)和BSR傾角平面圖(b)顯示底辟構(gòu)造特征(剖面位置見圖1)

圖5　地震剖面顯示峽谷地區(qū)的BSR和FGZs地震反射特征 (據(jù)文獻(xiàn)[4]修改，剖面位置見圖1)

3.3峽谷發(fā)育區(qū)

研究區(qū)的峽谷主要分布在北部和南部地區(qū)，其平面延伸方向與斜坡方向一致(圖1)。地震資料顯示，在靠近峽谷的兩壁時，BSR的深度快速增加，且在峽谷底部位置BSR特征不明顯，BSR在該處的分布出現(xiàn)中斷(圖5)。在其中一個峽谷發(fā)育區(qū)，發(fā)現(xiàn)有FGZs發(fā)育，該FGZs在垂向上和側(cè)向上受BSR限制，反映出該FGZs在垂向上和側(cè)向上有水合物封堵(圖5b)。前人研究認(rèn)為，峽谷兩壁處的BSR深度增加是由峽谷的冷卻作用導(dǎo)致的[4,29]。峽谷的下切作用通過冷卻峽谷兩壁附近的沉積物來改變當(dāng)?shù)氐牡責(zé)釥顩r，使水合物的穩(wěn)定底界下移。對比橫切兩個峽谷的地震剖面，發(fā)現(xiàn)在FGZs發(fā)育的地區(qū)，其下部存在許多斷層；而無FGZs發(fā)育的地區(qū)下部幾乎沒有流體運(yùn)移通道。由此推斷，在研究區(qū)的峽谷地區(qū)，流體運(yùn)移通道對FGZs的形成具有十分重要的作用，它為FGZs的形成提供了氣源。

3.4氣煙囪發(fā)育區(qū)

研究區(qū)屬于被動大陸邊緣，構(gòu)造相對穩(wěn)定，沉積物主要為深海、半深海的細(xì)粒沉積物[17]。地震資料顯示，BSR在研究區(qū)分布連續(xù)，主要是利用其“斜切等時地層”的反射特點(diǎn)進(jìn)行追蹤、解釋。通過對比大量不同的地震剖面，發(fā)現(xiàn)BSR振幅較強(qiáng)、水合物底部發(fā)育FGZs的地區(qū)大多都有氣煙囪發(fā)育。在無氣煙囪發(fā)育地區(qū)，BSR振幅不強(qiáng)，也沒有明顯FGZs發(fā)育(圖6)。一般認(rèn)為，氣煙囪是具有高滲透性的良好流體運(yùn)移通道，主要形成于細(xì)粒沉積物中，對地層中的油氣運(yùn)移與聚集具有重要作用[30]。研究區(qū)構(gòu)造相對穩(wěn)定，強(qiáng)振幅BSR和FGZs的形成與氣煙囪的共生關(guān)系，說明了流體運(yùn)移通道對水合物體系形成(BSR和FGZs)的重要作用。

4　結(jié)論

1) BSR在研究區(qū)內(nèi)分布較為連續(xù)，具有與海底大致平行、強(qiáng)振幅和負(fù)極性等典型水合物特征。在底辟構(gòu)造發(fā)育區(qū)BSR出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，可能是由于深部熱流體沿與底辟構(gòu)造相伴生的斷裂體系上移，造成水合物體系溫壓條件變化，進(jìn)而導(dǎo)致水合物底界上移；在峽谷地區(qū)，由于峽谷對周邊沉積物的冷卻作用使水合物穩(wěn)定底界向下移動，造成了BSR在峽谷兩壁處的快速加深。

2) 通過對比分析大量地震剖面，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)具有較強(qiáng)振幅的BSR和底部FGZs更傾向于形成在流體運(yùn)移通道發(fā)育的地區(qū)，如斷層、底辟構(gòu)造和氣煙囪存在的地區(qū)，反映出流體運(yùn)移體系對該地區(qū)的水合物體系(包括BSR和FGZs的形成)具有十分重要的作用。

圖6　地震剖面顯示構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)的BSR,FGZs和 氣煙囪的分布特征(據(jù)文獻(xiàn)[4]修改，剖面位置見圖1)

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(編輯董立)

Distributions of BSR and underlying free gas zones and related controlling factors

Yang Jinxiu1，Richard Davies2，Xiao Dianshi1，Miao Xiuqing1，Zhang Yanian1

(1.ResearchInstituteofUnconventionalPetroleumandNewEnergy,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandGeosciences,NewcastleUniversity,NE1 7RU,UK)

Bottom Simulating Reflector (BSR) is the seismic reflection marker of the base of gas hydrates.The blanking zones above represent hydrate-bearing sediments and the abnormally high amplitude zones below represent free gas zones (FGZs) sealed by hydrates.In this paper,high resolution 3D seismic data from offshore Mauritania are used to characte-rize in detail the seismic reflection characters of BSR and underlying FGZs,as well as their relations with nearby structural units.The BSR upwarps in the upper part of the diapir and deepens rapidly near canyon walls.In the diapir zone,the thermal flow migrating along the fault system during dipirism changed the hydrate stability conditions,causing the shallowing of the stable bottom boundary of BSR.The cooling of the surrounding deposits by the canyon,on the contrary,caused the deepening of the stable bottom boundary of BSR.Additionally,research shows that the BSR and FGZs are prone to form in areas with well-developed fluid migration conduits such as faults and chimneys,indicating that the fluid migration system is critical for the formation of gas hydrate and FGZs and may provide gas source for the hydratesystem.

Bottom Simulating Reflector (BSR),fluid migration,3D seismic,free gas zone,gas hydrate,Mauritania

2015-01-06;

2015-12-03。

楊金秀(1984—)，女，博士、講師，天然氣水合物、海洋地質(zhì)學(xué)和油氣地球物理勘探。E-mail:yangjinxiu@upc.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金項目(41406050)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目(2014010212)；中國石油大學(xué)科研啟動基金項目(2014010570)。

0253-9985(2016)01-0087-06

10.11743/ogg20160112

TE132.2

A