南极南设得兰群岛海域地质新进展:“海洋六号”南极科考初步成果

2016—2017年跨年度执行的中国第33次南极科考“海洋六号”航次, 首次获取了南极半岛南设得兰群岛北部海域、布兰斯菲尔德海峡以及欺骗岛三个区域的17 850 km2范围内多波束全覆盖高精度水深数据, 地形分辨率高于目前公开的国际数据。多道地震结果显示调查区多处存在天然气水合物地球物理标志BSR。地热测量热流值表明南设得兰群岛以北热流值与全球海洋热流值数据吻合, 不存在明显异常, 群岛以南热流值数据偏高。沉积物样品为典型的冰海沉积物, 在南设得兰群岛与南设得兰海沟之间, 沉积物以粉砂-砂为主, 夹杂砾石, 随水深增加, 沉积物粒径变细; 而在布兰斯菲尔德海区表层沉积物分布具有不对称性, 海槽南部陆架-上陆坡以及海槽东北和相邻陆架, 沉积物以砾石、砂质为主; 海槽和下陆坡为粉砂质硅质软泥。沉积物顶空气样品现场测试结果表明, 表层沉积物50 cm左右深度内的甲烷含量没有明显的差异性, 但在岛坡深水区两个测站甲烷含量在270 cm 左右深度时都存在局部高异常, 且两者总甲烷含量的变化趋势有一定的相似性, 可能与水合物分解迁移有关。     

南海东北部陆坡水合物钻探区海底表层热导率分布特征

依据获取的热导率测量数据和多波束数据所反映的海底地貌特征,分析了南海东北部陆坡天然气水合物钻探区表层沉积物矿物组成、粒级以及区域地貌特征对热导率分布的控制作用。研究结果表明,钻探区表层沉积物热导率平均值为(1.26±0.12) W/(m·k),相对于南海北部陆坡热导率背景偏高,沉积物组分中既含有陆源浊流沉积体中的高热导率矿物,也含有由甲烷等为主要气源的生物化学反应而形成的具有高热导率特性的碳酸盐。钻探区表层沉积物热导率区域细节分布具有非常明显的特征,2区和5区属于海台地貌,海底表层分布有大面积的碳酸盐结壳,由于底流的剥蚀作用导致沉积物粒级相对较粗,呈现高值热导率(1.32±0.06) W/(m·k)和(1.34±0.06) W/(m·k),并以此为中心向周缘逐级降低;位于海底海槽处的1区和8区则属于海槽地貌,海底表层易于接受来自海台的过滤沉积物,粒级相对较细但压实程度较低,呈现低值热导率,分别为(1.10±0.06) W/(m·k)和(1.01±0.06) W/(m·k)。钻探区表层沉积物热导率偏高主要受控于内生地质作用控制下高流体疏导所携带的化学组分,而热导率的非均匀分布则受控于外生地质作用诸如地貌地形变化导致的粒级分布状况。     

冷泉系统甲烷气体渗漏的声学特征及潜在环境效应

The amount of methane leaked from deep sea cold seeps is enormous and potentially affects the global warming,ocean acidification and global carbon cycle. It is of great significance to study the methane bubble movement and dissolution process in the water column and its output to the atmosphere. Methane bubbles produce strong acoustic impedance in water bodies, and bubble strings released from deep sea cold seeps are called "gas flares"which expressed as flame-like strong backscatter in the water column. We characterized the morphology and movement of methane bubbles released into the water using multibeam water column data at two cold seeps. The result shows that methane at site I reached 920 m water depth without passing through the top of the gas hydrate stability zone(GHSZ, 850 m), while methane bubbles at site II passed through the top of the GHSZ(597 m) and entered the non-GHSZ(above 550 m). By applying two methods on the multibeam data, the bubble rising velocity in the water column at sites I and II were estimated to be 9.6 cm/s and 24 cm/s, respectively. Bubble velocity is positively associated with water depth which is inferred to be resulted from decrease of bubble size during methane ascending in the water. Combined with numerical simulation, we concluded that formation of gas hydrate shells plays an important role in helping methane bubbles entering the upper water bodies, while other factors, including water depth, bubble velocity, initial kinetic energy and bubble size, also influence the bubble residence time in the water and the possibility of methane entering the atmosphere. We estimate that methane gas flux at these two sites is 0.4×10~6–87.6×10~6 mol/a which is extremely small compared to the total amount of methane in the ocean body, however, methane leakage might exert significant impact on the ocean acidification considering the widespread distributed cold seeps. In addition, although methane entering the atmosphere is not observed, further research is still needed to understand its potential impact on increasing methane concentration in the surface seawater and gas-water interface methane exchange rate, which consequently increase the greenhouse effect.     

利用非平衡态温度测井数据估算地温梯度

掌握真实地温梯度对于深入了解易受温压场控制的天然气水合物赋存状态具有重要意义。在南海天然气水合物钻探区获取的地温梯度主要以海底表层的热流探针方式为主,由于海底表层尚未压实,地层物理属性多呈现高渗透性,易受到海底底流影响,导致了部分地温梯度无法推算到较深地层。而另一方面,井下原位温度测量虽然可获取真实的地温梯度,但其经济成本昂贵并且时效性低。为此本研究依据天然气水合物钻探井位单一非平衡态温度测井数据和钻井进程,在前人的数学模型基础上,尝试现场快速恢复地层地温梯度的操作,并利用有限的原位地温梯度进行对比分析。研究结果表明,该方法在一定程度上具有适用性,当测井温度变化率在较均匀层段（例如A-B段）,根据测井进程可大致估算具有参考意义的原始地温梯度。但应用该方法时也须谨慎,避免使用测井温度变化率在非均匀的数据段（例如B-C段）,因为模型中受到数学条件而忽略的多种不确定因素的权重,在外部参数环境波动较大时有可能增加,从而减弱了模拟过程中时间因子的主要作用量。     

全球主要国家水合物探采计划与研究进展

随着世界上石油和常规天然气资源的消耗和减少,各国的研究人员正在致力于寻找新的替代能源,天然气水合物的发现、勘探、开发和利用为未来能源带来新的希望。由于天然气水合物具有重要的战略意义和巨大的经济价值,世界上许多发达国家和发展中国家都将其列入国家重点研发计划,美国、日本、印度、韩国、德国、挪威以及中国等均相继投入巨资进行海域天然气水合物调查甚至于开采试验。文章介绍了国际上主要国家天然气水合物勘探开发计划的历史和现状,重点阐述了国家层面的天然气水合物勘探开采计划、实施情况、资金投入以及战略研究,同时从整体角度,对天然气水合物现阶段关注的重点问题进行了阐述。按照各个国家的发展趋势和研究目标总结为3种类别:(1)美国,早期在研究机构和ODP航次支持下,积累了大量的地质实物资料,但由于受到页岩气工业革命等商业模式冲击,近期天然气水合物开采领域投资放缓,但仍然关注于理论和技术实践,并保持综合科学研究工作为主,待时机成熟后将再次注入国家预算资金;(2)中国、日本、印度、韩国,由于受到国内能源结构和储备的限制,对天然气水合物勘探开采持有非常积极的态度,国家资金投入丰厚,全部开展了多期次的近海的天然气水合物钻探工作,并且中国和日本近年在海域试开采领域突飞猛进,分别取得了重要性的阶段成果,极可能是未来世界上首批商业性开采的国家;(3)德国、挪威,作为传统的欧洲工业国家,利用雄厚的工业技术基础,在天然气水合物能源开采技术研究以及环境评估等方面另辟蹊径,着重关注于全球环境保护和二氧化碳置换甲烷技术,是天然气水合物研究领域的绿色保护者代表,可为后能源时代提供天然气水合物新的机遇。     

南海北部陆坡区沉积与天然气水合物成藏关系

截止2007年底,世界上已直接或间接发现水合物的矿点共有132处。另外,许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志。世界上取得天然气水合物样品的地区表明,其形成与分布除了需要特定的温压条件外,还与沉积条件有较为密切的关系。2007年5月,我国在南海北部海域成功钻获天然气水合物实物样品,证实了南海北部蕴藏有丰富的水合物资源。通过对南海中北部陆坡区地层的地震相和沉积相分布特征、层序地层和沉积体系的综合分析,总结其沉积层序的特征,并对该区域沉积条件与水合物聚集成藏的关系进行了探讨。     

地震属性在天然气水合物预测中的应用

地震属性是地震资料中可描述的、可定量化的特征,它代表了原始地震资料中所包含的总信息的子集。地震属性分析就是将地震数据分解成各种属性。当地层中沉积物的孔隙内充填天然气水合物之后,沉积物的许多物理性质会发生相应的变化,这种变化导致了地震波的运动学和动力学特征发生改变,从而引起其地震属性的变化。针对南海北部陆坡天然气水合物研究区的地震数据提取各类地震属性,包括瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率、相对极性、能量半衰时、AVO1、AVO9和波阻抗属性。通过分析各种地震属性的响应特征及其与天然气水合物沉积层的关系,建立含天然气水合物地层的地震属性响应识别特征,利用统计学和聚类分析方法,结合地震正演结果对天然气水合物矿层目标进行预测,研究其平面分布规律,从而为天然气水合物钻探井位的确定提供可靠依据。     

卡斯凯迪亚北部陆缘活动冷泉的4D地震时间推移监测

本文使用2000年和2005年在卡斯凯迪亚北部陆缘获取的两组单道地震数据体对Bullseye活动冷泉进行4D地震时间推移分析。2000年的数据体作为4D地震时间推移处理程序的参考数据,4D处理程序采用时域匹配、相位匹配、增益调节和整形滤波等技术对2005年数据体进行转换,使之最大程度地可与2000年的数据体进行比较。冷泉以地震空白带为主要特征,而地震空白带既可由海底之下的粗粒级浊流沉积砂岩中或者裂隙中赋存有天然气水合物所造成,也可由圈闭于裂隙系统中的游离气所产生。在地震剖面上,空白带可利用地震属性中瞬时振幅和相干性予以识别。通过比较2000年和2005年的地震数据体处理结果,发现后者在Bullseye Vent有些地区空白带减弱,而在其中心地带和附近区域空白带则明显增强。通过对空白带增强区域进行3D地震数据体追踪,结果发现在2005年数据体的空白带增强区域发育了几个明显的、新的流体运移通道,这在2000年的数据体中是没有的,它们解释为新生的裂隙／断层,流体沿着这些新生的裂隙／断层向上运移。地层中新裂隙通道被天然气水合物填充,造成空白带增强;原来圈闭游离气的裂隙通道开放进而释放游离气,则导致空白带减弱。     

世界天然气水合物研究发展对我国加快推进其产业化的启示

天然气水合物是21世纪最具潜力的新型洁净能源之一,同时也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源。全球天然气水合物蕴藏的天然气资源总量约为2.1×1016 m3,相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的2倍,主要分布于世界深水海域和永久冻土带中。随着中国在南海神狐海域的试采取得圆满成功,天然气水合物资源的开发利用越来越多地受到世人的关注与重视,但如何安全、经济、高效开采这种新能源,仍需投入大量人力物力进一步开展研究工作。笔者从世界主要国家天然气水合物资源的勘查试采现状入手,分析其开发利用趋势,系统梳理存在问题,提出加快推进天然气水合物勘查试采产业化的启示。     

南极乔治王岛与象岛邻近海域表层沉积硅藻组成及分布特征

本文对“第33次南极科考—海洋六号航次”在乔治王岛南侧、象岛西侧海域内通过箱式取样获得的表层沉积物样品进行了硅藻组成和分布特征的研究。主要统计了硅藻丰度、简单分异度、属种组成等, 并结合沉积物粒度数据进行分析, 结果表明乔治王岛南侧站位丰度和分异度高于象岛西侧站位, 最高丰度达到1.96×106壳/g。丰度的差异分布可能主要与洋流有关, 别林斯高晋海表层洋流带入充足营养盐导致乔治王岛南侧站位硅藻繁盛, 而威德尔海涡流底层水影响下的象岛西侧站位则难以沉降保存包括硅藻壳体在内的细小沉积颗粒。各站位硅藻组成的差异主要体现在海冰相关种分布不均和半咸水种类繁盛情况等, 前者可能与漂浮海冰控制的时间长短有关, 而后者与淡水输入等综合环境因素有关。