唐瑞玲，孫忠軍，張富貴

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院；2.中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所）

天然氣水合物勘查技術(shù)及環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

唐瑞玲1，2，孫忠軍2，張富貴2

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院；2.中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所）

天然氣水合物是天然氣和水在特定條件下形成的一種透明的冰狀結(jié)晶體，是一種新型非常規(guī)能源，在我國具有廣闊的勘探領(lǐng)域和良好的勘探前景。文中對天然氣水合物勘探技術(shù)和環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了歸納總結(jié)，勘探技術(shù)包括地震方法、地球化學(xué)方法、地球物理測井方法和其它方法（直接鉆孔法、地形地貌識別標(biāo)志法），環(huán)境效應(yīng)包括引發(fā)海底滑塌、加劇溫室效應(yīng)及破壞海洋生態(tài)平衡等，并對天然氣水合物勘探及環(huán)境效應(yīng)的研究現(xiàn)狀作了綜合評述。

天然氣水合物；勘查技術(shù)；環(huán)境效應(yīng)；研究進(jìn)展

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，油氣資源的問題再次引起廣泛關(guān)注［1］。隨著能源需求的日益擴(kuò)大，作為新型非常規(guī)能源的天然氣水合物，以其能量高、分布廣、規(guī)模大等特點(diǎn)為解決能源問題提供了一把鑰匙［2］。

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate）因其外觀像冰且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”［3］。它是近幾十年來發(fā)現(xiàn)的一種新型的戰(zhàn)略資源，是由氣體分子（主要為甲烷）和水在低溫（0～10℃）高壓（＞1.01×107Pa）條件下形成的非化學(xué)計(jì)量的、籠形結(jié)晶化合物［3］。天然氣水合物具有能量密度高、分布廣、規(guī)模大、埋藏淺等特點(diǎn)，同時它的分解還會引起重大的環(huán)境災(zāi)害，對其開發(fā)利用有著重要的資源和環(huán)境意義。

1 天然氣水合物的勘查技術(shù)

我國東海和南海廣闊的海域有形成天然氣水合物的地質(zhì)、地理和地貌條件，具備良好的成礦環(huán)境［4］，同時我國還是世界上多年凍土分布面積第三大國，青藏高原多年凍土區(qū)活動帶具備形成天然氣水合物的特殊地質(zhì)條件［5］。我國已在南海和青藏高原等地發(fā)現(xiàn)了許多地球物理和地球化學(xué)異常標(biāo)志，并在南海和祁連山凍土區(qū)鉆出實(shí)物樣品［6］，因此加強(qiáng)天然氣水合物的勘探研究，對我國有重大的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義。

1.1 地震方法

海底天然氣水合物通常分布在水深200～800 m以下，主要賦存于陸坡、島坡和盆地的上表層沉積物或沉積巖中［7］。在海洋的不同地區(qū)均存在一種異常的地震反射層，呈現(xiàn)出高振幅、負(fù)極性、橫向連續(xù)、大致平行于海底或與海底沉積層小角度斜交的特征，被稱為似海底反射層（Bottom Simulating Reflectors，簡稱BSR），該反射層是下部的游離氣與上部水合物帶的地震反射界面（圖 1）［8］。

圖1 某典型的BSR反射地震剖面圖［8］Fig.1 BSR in a typical seismic reflection

地震勘探技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的天然氣水合物勘探研究方法，其實(shí)質(zhì)是發(fā)現(xiàn)BSR，通過該方法可確定大面積分布的天然氣水合物［2］。目前在秘魯海槽、中美洲海槽、北加利福尼亞海槽和南海海槽以及南極大陸等地發(fā)現(xiàn)了BSR的存在［9-10］，通過深海鉆探已經(jīng)證實(shí)這些BSR地層確實(shí)存在天然氣水合物［11］。但BSR代表的是天然氣水合物穩(wěn)定帶與其下出現(xiàn)的游離氣間的界面，倘若沉積物孔隙中充填少量氣體，也會產(chǎn)生強(qiáng)烈的地層反射，形成BSR，因此天然氣水合物與BSR并不存在一一對應(yīng)的關(guān)系［12］，BSR的出現(xiàn)只能證明有甲烷出現(xiàn)；此外BSR還受到構(gòu)造作用、沉積作用、沉積物的含碳量以及水合物含量等因素影響，巖石的物性和地震資料處理因素對地震屬性分析也有影響［13］，所以在天然氣水合物賦存區(qū)也未必一定會有BSR存在；而且BSR不適用于凍土區(qū)。因此，利用BSR作為天然氣水合物存在的唯一標(biāo)識有很大的局限性。

1.2 地球化學(xué)方法

利用地球化學(xué)方法勘探天然氣水合物在國內(nèi)外尚屬空白。根據(jù)氣體烴類微滲漏理論，水合物分解后必然會像常規(guī)油氣一樣向上垂直運(yùn)移到上方的沉積物中，因此可以通過測定沉積物中烴類氣體含量來確定水合物賦存的區(qū)域。

1.2.1 孔隙水離子濃度異常

孔隙水中Cl-含量的異常是天然氣水合物存在的重要標(biāo)志［14］。由于天然氣水合物的籠狀結(jié)構(gòu)不允許離子進(jìn)入，造成水合物賦存層段含鹽度降低，而周圍的海水鹽度升高。Cl-濃度高的流體向上運(yùn)移到沉積物頂部，從而形成淺層沉積物中Cl-含量高而水合物附近Cl-含量低的現(xiàn)象。大洋鉆探計(jì)劃（Open Directory Project，即 ODP）164 航次在 Blake 海脊發(fā)現(xiàn)從淺層沉積物到水合物穩(wěn)定帶Cl-含量急劇減小的現(xiàn)象［13］。Cl-濃度可以作為勘查水合物賦存的一個重要指標(biāo)。值得注意的是，單純的沉積物孔隙水的Cl-濃度在垂向上的降低并不能完全指示水合物的存在。如果沉積物形成于淡水向海水依次變遷的環(huán)境，同樣可以引起孔隙水氯度（鹽度）在垂向上的降低，這是識別水合物存在的關(guān)鍵。

海洋沉積物中含有大量溶解性硫酸鹽，在微生物作用條件下沉積物中硫酸鹽與甲烷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成沉積物孔隙水中硫酸鹽含量下降。其反應(yīng)式如下

對全球孔隙硫酸鹽梯度的研究顯示，陡峭的硫酸鹽梯度和相應(yīng)淺的硫酸鹽-甲烷界面（Sulfate-Methane Interface，即SMI）與世界范圍內(nèi)的水合物產(chǎn)地有著密切的關(guān)系［15］。所以，SMI淺和硫酸鹽梯度大，可以作為指示天然氣水合物可能存在的標(biāo)志。

1.2.2 甲烷異常

由于天然氣水合物極易隨溫壓條件的改變而分解，因此在淺層沉積物中常常形成天然氣水合物的地球化學(xué)異常，這些異常可以指示天然氣水合物可能存在的位置［16］。近年來，利用油氣化探方法進(jìn)行天然氣水合物的勘探取得了諸多進(jìn)展，成為一種有效預(yù)測水合物賦存的手段［17］。在深海鉆探計(jì)劃（Deep Sea Drilling Project，即 DSDP）和大洋鉆探計(jì)劃發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的航次中，均存在甲烷的異常高值［18］。

1.2.3 海面增溫異常

甲烷等烴類氣體經(jīng)微滲漏擴(kuò)散到海面，在瞬變大地電場或太陽輻射作用下產(chǎn)生激發(fā)增溫［19］，這些溫度異常可以被衛(wèi)星熱紅外傳感器所接收并記錄下來。因此可以利用衛(wèi)星熱紅外掃描技術(shù)，對海面低空大氣的溫度進(jìn)行大面積、長時間的觀測，圈定甲烷濃度異常區(qū)，從宏觀上研究其與水合物或油氣藏分布的關(guān)系。Brooks等［20］通過對南海衛(wèi)星圖像的長期觀測，發(fā)現(xiàn)海面增溫異常與地震有著密切的關(guān)系，通常在臨震前震區(qū)海面溫度比周圍海域高5～6℃，由此可以推測地震是水合物分解的誘發(fā)因素之一。

1.2.4 同位素地球化學(xué)異常

在天然氣水合物的研究中，同位素地球化學(xué)方法發(fā)揮了十分重要的作用，并已成功地應(yīng)用于示蹤天然氣水合物的形成或分解，它對于天然氣水合物產(chǎn)出的地質(zhì)構(gòu)造條件、形成環(huán)境和成礦（成藏）機(jī)理等方面的研究也是必不可少的手段之一［21］。目前，研究的內(nèi)容多集中在 δ13C，δD，δ18O，δ34S 和87Si/86Si等常規(guī)同位素地球化學(xué)方法。

1.3 地球物理測井方法

測井技術(shù)是油氣勘探和開發(fā)的重要手段，在劃分巖性和油氣生、儲、蓋組合，確定巖層厚度和評價油氣層性能方面應(yīng)用廣泛［22-23］。由于天然氣水合物儲存于泥質(zhì)砂巖或孔隙型的風(fēng)化殼中，一些在陸上和海上油井中行之有效的測井方法和系列被部分移植到了天然氣水合物測井中［24］。研究發(fā)現(xiàn)，測井標(biāo)志是凍土區(qū)天然氣水合物的重要特征之一［25］。一般來說，天然氣水合物層的密度均小于不含水合物沉積層，其電阻率普遍大于不含水合物沉積層，縱波速度與橫波速度增加，且自然伽馬、中子孔隙度也有小幅度降低。因此，可利用這些特征來推斷是否存在天然氣水合物，其中高電阻率與高聲波是判斷天然氣水合物的最重要方法。祝有海等［25］用測井方法對祁連山木里地區(qū)的4個鉆孔進(jìn)行了常規(guī)煤田測井，并對DK-4孔探索性地開展了地質(zhì)雷達(dá)測井，井參數(shù)包括自然電位、電阻率、三側(cè)向電阻率、聲速、自然伽馬、密度、井徑和井溫等，指出含天然氣水合物層段均呈現(xiàn)出較明顯的高電阻率和高聲波特征，部分層段的密度及自然伽馬值也有小幅度降低，這充分說明了地球物理測井是一種有效的天然氣水合物勘探方法。

1.4 其它方法

直接鉆孔法是證明地下天然氣水合物存在的最直觀和最直接的方法。在一定溫壓條件下取出含水合物的巖心，測定其所含的氣體量及氣體濃度，并計(jì)算水合物含量；利用水合物分解所引起的取心段溫度異常，確定水合物的分布及含量特征。

地形地貌識別標(biāo)志法也是識別天然氣水合物存在的常用方法。天然氣水合物不僅分布于極地和大陸永久凍土層，而且更多地分布于海洋中［10］。研究表明，天然氣水合物主要分布在主動和被動大陸邊緣的陸坡、島坡、海山、邊緣海深水盆地，乃至內(nèi)陸?；蚝^(qū)［26］。天然氣水合物的賦存與板塊俯沖帶、滑塌體、增生楔等特定類型的構(gòu)造地質(zhì)體有密切的關(guān)系［10］。

2 天然氣水合物的環(huán)境效應(yīng)

天然氣水合物在解決能源問題的同時也會因環(huán)境條件變化而導(dǎo)致失穩(wěn)，從而引發(fā)各種強(qiáng)烈的環(huán)境效應(yīng)。氣體水合物是一個不穩(wěn)定的碳庫，它作為一種特殊的蓋層有利于烴類化合物的聚集，然而鉆井時若鉆到在氣體水合物旁形成的這種氣體儲集庫，有可能出現(xiàn)爆炸式的壓力釋放，即所謂的“blow outs”［27］。

2.1 引發(fā)海底滑塌

天然氣水合物在低溫、高壓環(huán)境下是穩(wěn)定的，而溫壓的變化會導(dǎo)致大量氣體的釋放，從而引起滑坡等海底重大災(zāi)害。大陸邊緣含天然氣水合物沉積物的持續(xù)沉降、海平面變化和海底水溫的增加均可能使海底沉積物不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致海底斜坡帶的滑塌（圖2）。在開采過程中一旦脫離地下低溫、高壓環(huán)境會突然釋放氣體而引發(fā)氣爆或燃燒；而融化出來的水又會使沉積物突然“液化”變成泥漿，從而引發(fā)海底開采區(qū)的崩塌或滑坡事件。氣體水合物處于失穩(wěn)狀態(tài)當(dāng)然也會對海底的管道、電纜等工程設(shè)施及施工造成威脅，甚至造成可怕后果［28］。

圖2 海平面下降前（左）及下降后引起天然氣水合物分解并形成海底滑塌構(gòu)造（右）［28］Fig.2 Before sea level fall（left） and the gas hydrate decomposition and submarine slump structure after sea level fall（right）

2.2 加劇溫室效應(yīng)

由于天然氣水合物的穩(wěn)定存在需要特殊的壓力和溫度條件，所以它們只能在大陸淺層（130～2000 m）和水深超過300～500 m的海底以及海底之下至少1100 m的沉積物內(nèi)存在。如果溫度升高或者壓力降低，天然氣水合物就會變得不穩(wěn)定，分解、釋放出甲烷并進(jìn)入到大氣。由于甲烷像二氧化碳一樣，具有溫室氣體特性，因而會促進(jìn)全球氣候變暖。

Nisbet［29］將現(xiàn)今的全球氣候變暖與1.35萬a前最近的一個重要冰期結(jié)束時大陸天然氣水合物中甲烷的釋放相聯(lián)系，認(rèn)為在全球溫暖期，極地區(qū)天然氣水合物分解并釋放出甲烷進(jìn)入大氣圈，導(dǎo)致全球環(huán)境進(jìn)一步變暖，圖3左反映了這種正反饋循環(huán)的基本觀點(diǎn)。而在冰期，一方面全球氣候寒冷，另一方面，海洋區(qū)天然氣水合物甲烷排放時氣候變暖，這是一種對環(huán)境的負(fù)反饋循環(huán)（圖3右）。

圖3 天然氣水合物的分解對氣候的影響Fig.3 Climate changes caused by gas hydrate decomposition

極地多年凍土區(qū)甲烷水合物對氣候變暖更為敏感。存在于大陸架沉積物和永久凍土帶中的甲烷水合物因儲量大，氣候的擾動可能使其成為一個較大的甲烷潛在來源，從而形成惡性循環(huán)。近10 a來海洋和陸地碳同位素記錄研究表明，甲烷水合物可能是影響全球氣候變化的一個重要因素［30］。

2.3 破壞海洋生態(tài)平衡

天然氣水合物與海底生物滅絕有著直接的關(guān)系。 Dickens和 Bains等［31-32］分別根據(jù) ODP690 孔和ODP865孔的高分辨率碳同位素和氧同位素記錄，提出水合物甲烷釋放是引發(fā)古新世—始新世之交極熱事件的首要因素。通過對地質(zhì)轉(zhuǎn)折期界線層附近的特殊環(huán)境事件標(biāo)志的研究，有證據(jù)顯示始新世末、早白堊世、晚侏羅世、早侏羅世等時段大量甲烷氣水合物分解并釋放甲烷，導(dǎo)致了全球升溫和生物滅絕［33-36］。海底沉積物中的天然氣水合物分解釋放出游離的甲烷氣導(dǎo)致氧濃度降低、水體溫度增高，許多深海物種死亡。Matsumoto和 Dickens等［37-38］根據(jù)海洋碳酸鹽中δ13C強(qiáng)烈的負(fù)偏移指出，天然氣水合物的大量分解已經(jīng)引起了古新世末期的全球變暖、海洋缺氧及生物滅絕。天然氣水合物整體環(huán)境效應(yīng)見圖4。

圖4 天然氣水合物環(huán)境效應(yīng)示意圖［34］Fig.4 Diagram showing the environmental effects of gas hydrate

3 結(jié)束語

（1）在天然氣水合物的找礦標(biāo)志方面，海洋天然氣水合物已經(jīng)基本形成一系列像BSR這樣的水合物標(biāo)志，且在南海和東海發(fā)現(xiàn)了大量的異常標(biāo)志。而凍土區(qū)的調(diào)查研究手段主要是建立在鉆井的基礎(chǔ)上，BSR界面不適用于凍土區(qū)，在凍土區(qū)還未形成有效的天然氣水合物的異常標(biāo)志，可加強(qiáng)陸地區(qū)域的地震和地球化學(xué)方法研究。

（2）在天然氣水合物勘探中，目前的勘探手段雖然均取得了較大進(jìn)展，但尚存在局限性，如BSR界面與天然氣水合物不能一一對應(yīng)，地球化學(xué)哪種指標(biāo)有效也還存在商榷等。因此，在實(shí)際勘探中應(yīng)該運(yùn)用地球物理、地球化學(xué)和地質(zhì)等各種手段進(jìn)行綜合研究，以提高勘探效率。

（3）天然氣水合物是亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì),海底條件的微小變化都可能引起水合物的分解,進(jìn)而對環(huán)境產(chǎn)生深刻影響。天然氣水合物的環(huán)境檢測還未開展，天然氣水合物開發(fā)環(huán)境評價技術(shù)還未形成理論，我國的天然氣水合物研究任重而道遠(yuǎn)。

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Research progress in exploration technologies and environmental effects for gas hydrates

TANG Rui-ling1，2，SUN Zhong-jun2， ZHANG Fu-gui2
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；2.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， Chinese Academy of Geological Sciences， Langfang 065000， China）

Gas hydrate is a kind ofcrystalicysubstance formed bywater and natural gas in special condition.Gas hydrate is a newtype of unconventional energy,which has wide prospecting potential.The exploration technologies and environmental effects ofgas hydrates are summarized.The exploration technologies include seismic method,geochemical method,geophysical well loggingmethod and other methods（direct drillingmethod,landformidentification marks）.The environmental effects include submarine slump,greenhouse effect intensity,destroying marine ecological balance,etc.The research progress in the exploration and environmental effects for Gas hydrates is comprehensivelyreviewed.

gas hydrate； exploration technologies； environmental effects； research progress

TE132.2

A

2011-03-03；

2011-05-12

受中國地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目“青藏高原凍土帶天然氣水合物調(diào)查評價”（編號：1212010818055）資助。

唐瑞玲，1985年生，女，成都理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事環(huán)境地球化學(xué)和天然氣水合物的研究工作。地址：（065000）河北省廊坊市金光道84號中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所521室。E-mail：tanghui5351@163.com

1673-8926（2011）04-0020-05

于惠宇）