水合物层下伏游离气渗漏过程的数值模拟及实例分析

海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层,游离气被抑制在水合物层下,游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高,当气压超过封闭层的毛细管力时,游离气会克服毛细管进入压力、刺入上伏封闭层孔隙空间,毛细管封闭作用随之消失,从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏.通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上伏沉积层中的孔隙水向海底排出,水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加,当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时,沉积层将转变为流沙,流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑.麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道,气体快速排放.麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度,而与沉积层的渗透率无关.麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量.对布莱克海台海底麻坑深度的数值模拟计算表明,形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层.     

南海北部神狐海域天然气水合物分解的测井异常

南海北部神狐海域GMGS-1钻探揭示SH3井天然气水合物位于稳定带上部,厚度约为10 m.氯离子异常计算的水合物饱和度最高达26%,高水合物饱和度层出现高电阻率和低纵波速度.为分析该低纵波速度异常,本文基于简化的三相介质理论计算了饱和水纵波速度,在深度195 m附近,测量的纵波速度小于饱和水纵波速度.利用阿尔奇公式,基于原位温度、盐度、密度孔隙度和测量的电阻率,利用交会分析确定了该井的阿尔奇常数为a=1.1和m=2.3.基于该参数,利用阿尔奇方程计算的水合物饱和度占孔隙空间5%~20%,局部地层水合物饱和度达26.8%,在垂向上分布不均匀.由于钻探可能导致水合物发生分解而产生游离气,原位游离气和水合物分解产生的气体都能造成低纵波速度异常.由于地震资料采集在测井之前完成,利用不同速度制作合成地震记录并与地震资料进行对比,能够确定水合物稳定带上部的低速异常形成原因.     

青藏高原冻土带天然气水合物的形成条件与分布预测

冻土带是天然气水合物发育的两个重要地质环境之一.青藏高原平均海拔在4000m以上,多年冻土面积约1.4×106km2.本文根据青藏高原冻土层厚度和地温梯度特征,运用天然气水合物的热力学稳定域预测方法,确定中低纬度高海拔区冻土带天然气水合物的产出特征.青藏高原多年冻土带热成因天然气水合物形成的热力学相平衡反映,水合物顶界埋深约27~560m,底界埋深约77~2070m.初步计算表明,青藏高原冻土带水合物天然气资源约1.2×1011~2.4×1014m3.在冻土层越厚、冻土层及冻土层之下沉积层的地温梯度越小的地区,最有利于天然气水合物的发育.气温的季节性变化对天然气水合物影响不大.在全球气温快速上升的背景下,青藏高原天然气水合物将处于失稳状态,天然气水合物顶界下降、底界上升,与冻土带的退化相似,分布区逐渐缩小,最终将完全消失.     

海洋天然气水合物发育顶界的模拟计算

天然气水合物顶界的确定对于其资源评价十分重要,但目前还没有很好的方法来确定.本文利用在甲烷-硫酸根（SMI）界面硫酸根与甲烷所消耗的量相等和水-天然气水合物二相体系甲烷溶解度模型,建立了水合物顶界埋深计算的数学模型,并考虑硫酸根氧化有机质和微生物原位甲烷生成的影响.计算的ODP1245和IODP1327站位水合物顶界埋深分别为53 mbsf和83 mbsf,与钻探获得的水合物顶界埋深相吻合.     

中国大陆科学钻探主孔动态地温测量

介绍了大陆科学钻探主孔完钻后4次的钻井测温数据，地温梯度随深度的变化趋势，系统的热导率测试结果及其温压校正. 地温测量显示，浅部（100m以上）的4次测量结果有较大的区别，而100m以下测量温度趋于一致.在900～1600m井段，温度略有波动，可能存在地下水活动.到了深部，温度与深度呈现良好的线性关系. 在0～500m,500～2700m,2700～3600m及3600m以下这4个井段范围内，地温梯度随深度降低或增加的趋势交替变化，平均地温梯度248±34℃/km. 198块岩芯样品测试结果表明，热导率变化范围在1711～36 W/(m·K)，平均2716±0403 W/(m·K). 依据实测的温度-深度进行温压校正后，热导率为1989～3652 W/(m·K)，平均2808±0363 W/（m·K）. 热导率随深度的变化趋势与地温梯度的变化趋势并不能完全相互补偿，表明影响地温梯度的其他因素不容忽视. 大陆科学钻探温度测量，为今后进一步研究超高压变质带深部地热场及其地球动力学含义提供了可靠的基础数据.     

海洋环境甲烷水合物溶解度及其对水合物发育特征的控制

除合适的温度和压力条件外，甲烷水合物的形成还需要有充足的甲烷供给，沉积物孔隙水中的甲烷浓度必须大于甲烷水合物的溶解度.本文建立了水合物－水－游离气三相体系、水合物－水二相体系、气－水二相体系的甲烷溶解度计算优选方法，计算确定了水合物系统的甲烷溶解度-深度相图，依此划分出游离气、溶解气、水-水合物、水-水合物-游离气四个甲烷不同相态分布区.对水合物脊ODP1249和1250钻位、布莱克海台ODP997钻位稳定带甲烷水合物含量和稳定带之下游离气含量进行了计算.ODP1249浅部13.5～72.4 mbsf(mbsf表示海底以下深度)的甲烷水合物是沉积物孔隙体积的10%～61%，ODP1250钻位35～1065 mbsf的甲烷水合物约为孔隙体积的0.7%～1.9%，水合物层之下游离气层厚约22 m，游离气含量约占孔隙的4%.布莱克海台ODP997钻位的浅部146.9 mbsf处无水合物发育，202.4～433.3 mbsf之间水合物占孔隙体积的约5%～7%，水合物层之下游离气层厚约80 m，游离甲烷含量为孔隙的0.2%～28%.     

南海东北部973剖面BSR及其热流特征

对南海东北部973项目采集的地震测线进行了处理，阐明了恒春海脊处天然气水合物似海底反射（BSR）的特征.不同类型剖面的分析表明，单道地震剖面可以揭示南海东北部地区BSR一定的分布，但地震处理对揭示BSR分布全貌起重要作用.南海东北部的BSR具有世界大陆边缘BSR典型的特征，切穿了沉积层理反射，与海底起伏大体平行，为一强振幅的负极性反射.该BSR特征明显，意味着南海东北部地区存在含天然气水合物沉积.利用甲烷水合物与多组分天然气水合物相平衡曲线，计算了稳定带底界的埋深，并与BSR深度进行了对比分析.无论是甲烷水合物稳定带底界还是多组分天然气水合物稳定带的底界，单一地温梯度计算的结果不可能与BSR深度在整个剖面上对应.可知本区横向上地温梯度变化较大.利用BSR资料估算了地温梯度并求得热流值.计算表明，地温梯度与热流值由西向东，随着离海沟距离的增大、离岛弧距离的减小而减小.BSR计算得到的热流值为28～64 mW/m²，与台湾西南实测热流值的结果基本可以对比.     

南极冰盖昆仑站深冰芯的雷达内部等时层定年

目前,中国正在东南极Dome A地区的昆仑站(Kunlun)进行深冰芯钻探工程,截至2018/2019年,经过6个钻探季度的工作,已经钻进超过800m.冰龄和积累率是古气候与冰盖模式的重要边界条件.冰雷达探测得到的冰盖内部等时层可被用来测定冰体的年代并反演过去的冰雪积累率. 2004/2005年中国国家南极科学考察队和2007/2008年德国阿尔弗雷德韦格纳研究所收集了Dome A冰穹地区以及Dome A至Vostok冰芯钻探点的冰雷达数据.通过连接昆仑站钻探点与Vostok深冰芯钻探点的雷达内部等时层,比较了两个钻探位置的深度-年代关系.基于Vostok的冰芯年代,获得了昆仑站冰芯钻探点50%的冰盖厚度以上的10条连续的内部等时层的年代.这些层的冰龄涵盖从威斯康星(Wisconsin)冰期、Eemian间冰期到海洋氧同位素6期等冰期-间冰期旋回.在表面以下1640m处与最深层相对应的昆仑站冰芯冰体的年代被确定为～160400年.内部层的年代及其几何结构提供了冰芯所在区域冰盖过去上表面地貌信息.利用所得到的年代-深度关系,基于一个一维冰流模式,估算了该地区相应历史阶段的冰雪积累率,计算表明:Dome A区域过去16万年以来的积累率较低,与目前的观测结果一致.基于内部等时层获得的年龄-深度关系和古积累率信息将有助于构建并约束昆仑站深冰芯断代.     

地球物理测井观测的台湾车笼埔断层钻探项目（TCDP）井孔A的应力方向

台湾车笼埔断层钻探项目(TCDP)钻了2km深的井孔来研究1999年Mw7·6级集集地震中破裂的车笼埔断层的结构和力学状态。在500～1900m的深度进行了TCDP的地球物理测井,包括为了识别地层面的裂缝和剪切区域的双极声学成像(DSI)测井和地层精细成像(FMI)测井。根据钻孔得到的连续岩芯资料,1110m深度的剪切区域被解释为车笼埔断层,位于锦水页岩内,延伸至1013～1300m的深度。整个井孔长度范围内观测到了应力导致的钻孔崩落。这些数据表明总的应力方向(N115°E)基本平行于区域应力场,并平行于菲律宾海板块相对于欧亚板块的俯冲方向。平均应力方向的可变性在不同深度均观测到。特别是在车笼埔断层附近有一个大的应力方向异常。1000m和1310m深度的突然应力偏转接近于锦水页岩的上边界和下边界,表明分层面在集集地震中滑动的可能性。     

青藏高原多年冻土区天然气水合物形成条件模拟研究

基于野外气体地球化学调查研究,以及前人有关冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等的资料,对青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成条件开展了模拟研究. 结果显示：研究区冻土条件能够满足天然气水合物形成的基本要求;气体组成、冻土特征（如冻土厚度或冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等）是影响研究区天然气水合物稳定带厚度的最重要因素,其在不同点位上的差异性可能导致天然气水合物分布的不均匀性的主要原因;研究区最可能的天然气水合物为甲烷与重烃（乙烷和丙烷）的混合气体型天然气水合物;在天然气水合物分布的区域,其产出的上临界点深度在几十至一百多米间,下临界点深度在几百至近一千米间,厚度可达到几百米. 与Canadian Mallik三角洲多年冻土区相比,青藏高原多年冻土区除了冻土厚度小些外,其他条件,如冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度、气体组成等条件较为相近,具有一定的可比性,预示着良好的天然气水合物潜力.     

外界条件变化对天然气水合物相平衡曲线及稳定带厚度的影响

目前，有关天然气水合物的相关研究越来越多，而天然气水合物相平衡曲线和稳定带厚度的研究也变得越来越重要.本文利用Sloan的CSMHYD程序研究了外界条件变化对天然气水合物相平衡曲线及稳定带厚度的影响.研究结果表明：当天然气水合物中含有其他气体时，除了氮气会使水合物稳定存在的区域变小外；其他气体都会使稳定区域变大，且甲烷含量越少，水合物越容易形成；对于本文中所提到的几种气体，丙烷和硫化氢对相平衡曲线的影响最大；另外，水合物稳定存在的区域会随着盐度增加而变小.地温梯度、水深、海底温度、气体组成和孔隙水盐度对稳定带厚度的影响不同，其中稳定带厚度与地温梯度呈指数相关关系，与水深呈对数相关关系，与海底温度、水合物中甲烷含量及气体组成呈线性相关关系.水深从1 000 m增加到4 000 m时，稳定带厚度增加了大约400 m；水深2 000 m情况下，地温梯度从0.02℃/m到0.1℃/m变化时，稳定带厚度减薄了大约660 m；底水温度从0~17℃的变化过程中，稳定带厚度减薄了大约1000m；在水合物中气体组成从纯甲烷到含20%乙烷时，稳定带厚度增加了大约170m；盐度在0~4.5 wt％的变化中，稳定带厚度减薄了大约130 m.由此可见，在这几种因素中，地温梯度和底水温度对稳定带厚度的影响较大.     

基于支持向量回归的陆域天然气水合物成藏预测

天然气水合物，俗称“可燃冰”，自2008年在青海木里冻土区首次钻获天然气水合物以来，人们已在此地开展了大量的勘查工作，但该区地质情况复杂，天然气水合物成藏规律不清，单一的地球物理方法难以充分利用信息，因此难以有效地圈定出天然气水合物异常区。本文选取木里地区为主要研究区域，综合区内勘查已获得的地球物理、地球化学和地质资料，分析和提取对水合物成藏有利的特征，给出相应的预测变量转化规则。采用支持向量回归方法进行成藏预测研究，并对结果进行评估。结果显示，钻遇水合物的钻井与预测得到的高有利度区吻合，未遇水合物的钻井基本落于低有利度区，算法有效实用，能够提供一定的指导意义。      

井震联合分析预测神狐海域天然气水合物可能的垂向分布

已有的地质与地球物理信息表明南中国海北部陆坡神狐海域存在天然气水合物,2007年钻井和取样结果证实其以细颗粒均匀存在于水合物稳定带内,但区域分布范围极不规则.由于测井记录长度和取样深度的范围有限,天然气水合物垂向分布特征难以确定.为了深入了解此区域天然气水合物深度上的分布规律,对SH7井的多种测井数据进行综合分析并与地震反射特征建立联系,得到三个主要的沉积物性变化层位并以此为基础进行叠后数据的伪井约束反演,结果表明在已证实的含水合物层之下还存在高速层.而AVO叠前正演模拟分析结果与实际地震数据对比表明,研究区的天然气水合物稳定带可能由含水合物沉积物与饱水沉积物的薄互层组成,这就意味着在取样获得天然气水合物样品的深度之下,很可能存在另一个含水合物层.     

Geochemistry and genesis of authigenic pyrite from gas hydrate accumulation system in the Qilian Mountain permafrost,Qinghai, northwest China

A type of authigenic pyrites that fully fill or semi-fill the rock fractures of drillholes with gas hydrate anomalies are found in the Qilian Mountain permafrost; this type of pyrite is known as “fracture-filling” pyrite. The occurrence of “fracture-filling” pyrite has a certain similarity with that of the hydrate found in this region, and the pyrite is generally concentrated in the lower part of the hydrate layer or the hydrate anomaly layer. The morphology, trace elements, rare earth elements, and sulfur isotope analyses of samples from drillhole DK-6 indicate that the “fracture-filling” pyrites are dominated by cubic ones mainly aligned in a step-like fashion along the surfaces of rock fractures and are associated with a circular structure, lower Co/Ni and Sr/Ba, lower ΣREE, higher LREE, significant Eu negative anomalies, and Δ³⁴S_CDT positive bias. In terms of the pyrites’ unique crystal morphology and geochemical characteristics and their relationship with the hydrate layers or abnormal layers, they are closely related with the accumulation system of the gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost. As climate change is an important factor in affecting the stability of the gas hydrate, formation of fracture-filling pyrites is most likely closely related to the secondary change of the metastable gas hydrate under the regional climate warming. The distribution intensity of these pyrites indicates that when the gas hydrate stability zone (GHSZ) is narrowing, the hydrate decomposition at the bottom of the GHSZ is stronger than that at the top of the GHSZ, whereas the hydrate decomposition within the GHSZ is relatively weak. Thus, the zone between the shallowest and the deepest distribution of the fracture-filling pyrite recorded the largest possible original GHSZ.     

南海北部神狐海域天然气水合物形成聚集的数值模拟研究

利用2D数值方法对南海北部陆坡神狐海域水合物形成聚集过程进行了模拟,对气烟囱、泥底辟与水合物成藏间的关系进行研究.模拟结果表明,来自深部的甲烷热解气在向上运移过程中以垂向运动为主,且局限在某一狭窄的范围内,故在地震剖面上显示为气烟囱及顶部BSR.只有当其越过水合物稳定带底界,才能形成水合物,此时BSR等于水合物稳定带底...     

琼东南盆地天然气水合物及其成藏模式的海洋可控源电磁研究

南海琼东南盆地是天然气水合物重要远景区之一.由于盆地大部分地区海底地形平缓、地层近于水平，增加了利用地震反射剖面识别似海底反射（BSR，bottom simulating reflector）的难度，从而影响了对水合物的评价.为了进一步开展琼东南盆地水合物调查研究，本文在研究海域进行了海洋可控源电磁探测试验，将自主研发的10台接收机以500 m的间距，投放至水深约为1360 m的海底，完成了一条4.5 km剖面的电磁数据采集.通过对采集的数据进行处理与二维（2D）反演，获得了研究剖面海底的电阻率断面图.反演结果显示，研究区海底60~330 mbsf（meter bottom of seafloor）的地层中，存在多个横向不连续分布的高阻异常体，电阻率介于2~10 Ωm之间；在海底330 mbsf之下，横向上发育了电阻率为2~4 Ωm的3个高阻体.根据研究区热力学条件，本文估算了生物成因气与热成因天然气的水合物稳定带（GHSZ，gas hydrate stability zone）厚度，结合高阻体的分布特征推断了地震剖面上BSR的位置.在此基础上，对反演的电阻率断面进行解释，推断了研究区水合物的分布及游离气运移通道.研究表明，勘探区具有形成天然气水合物矿藏的地质与地球物理条件，其成藏模式可能属于"断层、裂隙输导的下生上储型"，水合物的气源为生物成因气.     

Numerical Simulation of Response Characteristics of Audio-magnetotelluric for Gas Hydrate in the Qilian Mountain Permafrost,China

Audio-magnetotelluric (AMT) method is a kind of frequency-domain sounding technique, which can be applied to gas hydrate prospecting and assessments in the permafrost region due to its high frequency band. Based on the geological conditions of gas hydrate reservoir in the Qilian Mountain permafrost, by establishing high-resistance abnormal model for gas hydrate and carrying out numerical simulation using finite element method (FEM) and nonlinear conjugate gradient (NLCG) method, this paper analyzed the application range of AMT method and the best acquisition parameters setting scheme. When porosity of gas hydrate reservoir is less than 5%, gas hydrate saturation is greater than 70%, occurrence scale is less than 50 m, or bury depth is greater than 500 m, AMT technique cannot identify and delineate the favorable gas hydrate reservoir. Survey line should be more than twice the length of probable occurrence scale, while tripling the length will make the best result. The number of stations should be no less than 6, and 11 stations are optimal. At the high frequency section (10～1000 Hz), there should be no less than 3 frequency points, 4 being the best number.