天然气水合物--石油天然气的未来替代能源

第12卷第1期地学前缘(中国地质大学,北京;北京大学)Vol. 12 No.12005年3月Earth Science Frontiers (China University of Geosciences . Beiing; Peking University)Mar. 2005天然气水合物石油天然气的未来替代能源姚伯初，吴能友国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州510075YAO Bo-chu，WU NengyouGuang thou Marine Geological Survey, Ministryof Land and Resoures, Gruang zhou 510075.ChinaYAO Bo-chu. WU Neng you . Gas hydrate, a future energy resource. Earth Science Frontiers , 2005.12(1):225-233Abstraet: The gas hydrate, being a solid material, is formed from the methane and water under the high pres-sure and low-temperature. Laboratory experiments showed that one cubic meter of gas hydrate could liberate164 m' gases. The total resources of the gas bydrates in the world,as calculated by different methods amountto 5X10s~ 8X1018 m*，which is equal to twice of the total resources of the oil and gas, coal, and other fossilfuel in the world. At present. humankind is facing the exhaustion of fossil fuels, therefore, the scientists andworld governments should focus on gas hydrate resources. Research in the South China Sea showed that gashydrates are formed under different conditions. In the northeastern part of the South China Sea, high salinitywater has flowed from Philippine Sea. resulting in high organic productivity and accumulation of organic- richsediments. During these periods of high productivity , the rate of sedimentation was very high , thereby providingexcellent conditions for the formation of gas hydrates. In addition, since the end of the Miocene, the PhilippineSea plate has collided with Asian plate in Taiwan area, resulting in the tectonic extrusion of the northeasternpart of the South China Sea along a northwest direction. Because of this tectonic extrusion，fluids in the sedi-ments were especially active, further stimulating the formation of the gas hydrate. On the basis of these analy-ses，we suggest that througbout the continental slope of the South China Sea conditions existed are favorablefor the formation of gas hydrate. Therefore we believe that the northeastern part of the South China Sea shouldbe rich in gas hydrate.Key words: gas hydrate; bottom simulating reflection; resources; sedimentary environment; tectonic environ-ment摘要:天然气水合物是甲烷等天然气在高压、低温条件下形成的冰状固体物质。据估算，全球天然气水合物中碳的含量等于石油、煤等化石能源中碳含量的两倍,这是一个非常诱人的数字。在人类面临化石能源即将枯竭的时候,科学家和各国政府都把眼光投向这--未来能替代化石能源的新能源。南海在新生代构造演化历史、沉积条件、沉积环境等方面都显示这里具有生成和蕴藏巨大天然气水合物资源的条件.因此,这里可能成为中国在不远的将来之新能源基地。关键词:天然气水合物;似海底反射波;资源量;沉积环境;构造环境中图分类号:P534. 53;P617文献标识码:A 文章编号:1005 - 2321(2005)01 -0225-09验证明小于25 C)的条件下混合时，会产生一种像0引言冰一样的固态物质.称作天然气水合物(gas hy-drate)。对天然气水合物的发现和研究工作已有当水和天然气在高压和冰点以上温度(科学实195 年的历史,Davy于1810年第一次在实验室中226姚伯初，吴能友/地学前缘( Earth Science Frontiers )2005, 12( 1)发现用氯气和水生成的水合物，Faraday(1823)和同估算公式计 算的资源量。Villard(1888)对天然气水合物进行了研究,他们的从表1看出，地球上的天然气水合物之资源量是工作表明.在-定的温度和压力条件下,甲烷与乙烷巨大的， Kvenvolden( 1988)估计,全球水合物中的碳均可产生水合物。图1是Villard 从实验工作中之质量达 10X1019 g,或体积1.8X1016 m' ,相当于地所得甲烷形成水合物之温度压力曲线,当时他只做球上石油 、煤和其他生物中碳的总和之两倍时]。到4000 PSI( 磅/时°)的压力。Kobayshil(1949)和表1地球上天然气水合物中的甲烷资源量[*Marshall(1964)通过进-步实验.修改了Villard 曲Table 1 Methene resources of the gas hydrate in the Earth线,将压力增至10 000 PSI2]。20世纪30年代,俄天然气水合物中罗斯科学家发现远东的石油天然气输送管道内存在分布区域甲烷资源量/(1013 m*)参考文献由天然气与水所形成的水合物,阻塞了管道中石油永久冻土带5.Trofimuk,1977和天然气的流动。3.1Mclver.1981天然气水合物是一种固体物质,其中的气体3. 4X103Dobrynin.1981分子有CH4、C2 H、CO2、H2S等。它是在一定温-1.4Meger, 1981Mokogon, 1998;压条件下由水和气体分子形成的,水分子形成刚1(Kvenvolden, 1998性笼形晶格，每个笼形晶格中包含一个气体分子。-海洋(5~25)X 102单体天然气水合物的结构分为I型和II型,以及3. 1X102Mclver,1981II型[3.4。每种类型的基础是十二面体,这种十二7.6X105Dobrynin, 1981面体由12个水分子组成。五角十二面体与六面Mokogon,1998;(1.0~1.8)X10体在一起,在I型天然气水合物中,形成12个五K venvolden, 1998面体的晶面和2个六边形的晶面;在II型天然气1959年,Katz对天然气水合物的形成条件及其水合物中,与六面体一起，形成12个五边形的晶转换特性进行了全面总结。。1974 年,Stoll等在布.面和4个六边形的晶面(图2)。在标准温压条件莱克海台沉积中观测到异常地震反射,他解释那里.下.1m2甲烷水合物可释放164m2的甲烷。因此，的沉积物中存在天然气水合物。他们的工作将海洋天然气水合物是-种具有巨大潜力的能源。地球科学家的目光吸引到海洋天然气水合物这一新领80000(旧)6000040000I型结构20000(b10000 t水合物存在区8000 E6000十四面体4000c)2000无水合物区1000十二面体800[型结构60040020102030405060708090100110120.图2芙杰雩永合物的晶体结构单元图1甲烷气形成天然气水答物的温度压力曲线(据蒋盛国等,2002)Fig. 1 Hydrate formation conditions from metheneFig.2 The crystal structure of the gas hydrate上天然气水合 物的资源量非常6大，表1列出科 域[7] 1071 年.通过 nsnp海卜钻探人米第一次姚伯初，吴能友/地学前缘( Earth Science Frontiers )2005, 12( 1)227此之后,美国、加拿大、英国、法国、德国、日本、印度亟待解决的问题:一 是天然气水合物的生物地球和俄罗斯等国的科学家及政府对这种新矿藏非常感化学成因;二是水合物、沉积物、水、气体系统的物兴趣,在世界冰冻带及陆坡地区进行了广泛的调查理、化学、 环境特征;三是调查技术[8]。和研究。至今,他们已在北美东海岸外陆缘、墨西哥作者在1998年曾利用我们在南海采集的大湾、加勒比海、南美大西洋边缘、非洲大西洋边缘、北量地球物理资料，追踪和解释了约109km地震剖美和南美太平洋边缘、白令海、鄂霍茨克海、日本海、面， 发现这里存在天然气水合物的地震证据菲律宾海、南海、里海、黑海、贝加尔湖、地中海,以及BSR( Bottom Simulating Reflection. 似海底反射北极地区、南极地区及其周边海域，均发现了存在波),特别是在南 海北部9];2001年又用世界上通天然气水合物的各种证据(图3),或直接取得了水用的公式估 算出南海天然气水合物的资源量达合物样品。特别是ODP钻探了两个有关水合物600~700亿t 油当量1[0]。自1999年我们在南海的航次,如204航次(2004年)在北美俄勒冈外水西沙海槽地区开展天 然气水合物调查以来,发现合物脊的钻探,不仅取得了大量水合物样品,还对了 大量存在天然气水合物的地质、地球物理和地水合物的形成环境、生长速率、沉积物中流体运动球化学证据。 2001年,我们申请加入了“中国海域规律进行了研究。目前，美国、日本、德国、印度、天然气水合物调查”国家计划,广 州海洋地质调查韩国等国都先后设立天然气水合物国家计划,在局具体执行这一计划，目 前已在南海北部做了大本国海域或冻土带开展天然气水合物调查和研究量调查,计 划在近期内实施钻探，希望能取得水合工作。美国能源部围绕天然气水合物的资源特物样品 。征、开发、全球碳循环、安全及海底稳定性4个主题,制定了长达10年(2000- -2010 年)的详细计1调查方 法划。日本先后制定了两个天然气水合物研究计划.1995- 1999年日本通产省设立了“甲烷水合物海洋中天然气水合物的发现首先是在地震剖面研究及开发推进初步计划”;最近,日本又推出21.上 发现似海底反射波(BSR),因此,地震方法是调查世纪甲烷水合物勘探计划(简称“MH21”).主要开前期的重要方法。当前,高分辨率地震剖面是最好展试生产实验，为商业生产做技术准备,同时强调的方法。 在一一个海区开展水合物调查时,首先进行围绕开发应重视水合物的基础研究。有人估计，高分辨率地震调查,发 现和圈定BSR分布范围,然日本可能在5年内在其海域进行开发试验。欧洲后在此区域内进行地质地球物理和地球化学调查与自然科学基金委的海洋综合研究科学计划，对天研究 工作.确定水合物矿层的厚度、埋深、特征并估然气水合物的研究工作也异常重视，提出了3个算其资源量。 在高分辨率地震剖面上,BSR和海底大西洋I太平洋I印度洋[0] 海洋和湖泊[冻土带[e■ ]已采集水合物样品[oo]推测存在水 合物228姚伯初，吴能友/地学前缘( Earth Science Frontiers )2005, 12( 1)反射波平行,但相位相反,而且BSR之上会出现振幅空白带。如果水合物矿层之下存在游离气,那么，2南 海的天然气水合物资源含水合物地层之地震速度较高,在1.9~2. 3 km/s范围内,而下伏含游离气地层之速度仅1.3~ 1.6南海是西太平洋最大的边缘海之一，面积为km/s。图4是美国东海岸外布莱克海台上的地震300万 km'。南海是一菱形海盆,北东向长1 600剖面。这是显示天然气水合物存在的典型地震剖面，km,东西向宽700km,水深在3000~4400m。陆架边缘大体沿200 m水深线延展,陆坡与深海平原sw海底反射波NE的边界大约沿3 000 m水深线延伸(图5)。北部广BSR东陆架宽150~300 km.南部巽它陆宽600 km,是告世界上最宽的陆架之一。东部和西部陆架很窄,仅数十千米161。陆架地形平坦,在大河岸外分布着水下三角洲,如北部陆架上的珠江水下三角洲,西南及部的湄公河三角洲等。陆坡地形复杂,分布着众多的海山海丘、海槽、海谷和海台。如北部陆坡上,海图4布莱克海台 的地震反射剖面山海丘呈线状分布，自神狐暗沙与一统暗沙起,经:Fig. 4 The seismic profile in Blake Ridge图中似海底反射波BSR切割地层反射波,但与海底反射波平行南卫滩和北卫滩至台湾浅滩.为一北东向海丘链,海BSR平行于海底反射波.切割地层反射波.ODP在此丘高 200~600 m。在其南部，自双峰海山经尖峰海打钻,取到水合物样品，与地震剖面显示的一山至北坡海山,为 -北东向海山链，海山高度大于致11-~1。第二种地球物理方法是地热流测量。由于1 000 m。在中沙群岛之南,分布着-系列北东向排水合物在温度达到25C时,无论压力多大,它都会分列的海山与海谷，山与谷相间排列。著名的海槽有.解成气和水。由于世界海洋的海底温度均在0 C左西沙海槽 中沙海槽、礼乐海槽和南沙海槽，著名的海右,所以,一个海区的地温梯度小，则其水合物矿层就谷有 东沙海谷和珠江海谷。南海南部陆坡宽达400厚,否则就薄。因此,一个地区的地热流值就决定了km. 地形切割强烈,崎岖不平。这里分布着230多座其水合物矿层之厚度。其他地球物理方法包括地磁岛屿 、沙洲、暗沙、暗礁和暗滩，是航海的危险地区。测量、重力测量等。在水合物分布区打钻后，要进行南海深海平原的水深在300~4 400 m,海底平地球物理测井,包括电阻率测井、自然电位测井、声速坦 ,海山广布。根据水深线及海山的走向,可将其分测井、密度测井、伽马测井、中子测井,以及孔隙率测为3个次海盆:西北次海盆、中央海盆和西南次海井等。由于含水合物沉积的孔隙和裂隙被冰状水合盆。西北次海盆位于中沙群岛以北.西沙海槽之东，物所充填，所以其密度大,孔隙率低.声速高。由于水水深为3000~3 800m。海底自西向东倾斜,中间合物中不存在导电电子和离子.故其电阻率大14。分布着北东向的双峰海山。这里新生代沉积厚1.5地质方法包括海底拖网取样、抓斗取样箱式取~2.0 km,因此,层2顶部埋深在4.5~5.8 km。地样柱状取样、活塞取样和浅钻取样等方法。取到地壳厚 5.0~5.8 km,等厚线沿北东向展布108。中央质样品后.进行各种分析,用以判断海底沉积中是否海盆呈长方形,南北长900km,东西宽450km。海存在天然气水合物矿藏。在采集了地质样品之后，底上分布着-系列东西向的海山、海丘，著名的黄岩需要进行下列地质和地球化学分析:(1)沉积物粒度海山分布 在海盆中部。海盆水深度3 000~3 900分析、组分分析和物理性质分析;(2)粘土矿物分析; m.个别地方达 4 000 m。新生沉积厚0.5~2.4(3)沉积物中硫酸根、氯离子、有机碳和硫化物分析;km,层2顶部埋深3.5~5.5km,海盆中部高，向南(4)沉积物中磁性物的磁性分析;(5)对底层水进行向北下倾，反映海盆中部的洋壳之年龄较小,向南向盐度和甲烷富集度分析,以及对孔隙水进行化学与北逐渐变老。 西南次海盆的水深在4300~4 400同位素分析;(6)对底栖有孔虫及其特性进行分析; m.是南海深海平原 上最低洼之处。这里新生代沉(7)对孔隙水中的硼与氯同位素进行分析[1];(8)对积厚1.0~2.0 km,因此层2顶部埋深在5.3~7.5229姚伯初.吴能友地学前缘( Earth Science Frontiers 2005，12(1)109-0011100/11310010117001190012100台50湾华南阳江市方山群岛o茂名杰路、.”川山群岛，东沙厂群岛北坡海山北部湾100o市器海南岛中三y●V1(西沙海槽王ζ盆玳谓海山。尚吕昏梁岛.北魂阿沙.#快力石星想业涨中海山宋" 喇山峡口。。日海,g龙北海山支|c山半300龙前海山(何大珍珠海山岛西南o海80091元.岛红石确九睡拉”0明月号巴西卫南国难南沙“群岛海.血路酒彩苏丹⑦北纳土纳岛曼.曾母暗沙里没大岛加101001r10011300115100国5用鹰地形国230姚伯初，吴能友/地学前缘( Earth Science Frontiers )2005, 12( 1)孔为4.1 cm/ka;1147 孔为4.1 cm/ka;1148 孔为3南海上新世以来的沉积环境及沉积2 cm/ka19。在东沙群岛南侧的1144 站位上,水深速率变化2037m.1.05Ma以来沉积堆积体的沉积速率很大,达49 cm/ka,这可能是来自台湾方向的河流经南海北部和南部陆架滨海地带宽1~5km,水澎湖水道搬运来沉积堆积的结果。ODP184航次还动力强盛.因此沉积物的颗粒较粗。在陆架区,沉积发现,自约 10 Ma来,南海南部陆坡的1143 井处，以浅海粘土为主;外陆架.上分布着一套粗粒沉积,主水深 2772 m,沉积速率为7 cm/ka。南海北部陆坡要是砂质或粉砂质沉积,为晚更新世低海平面时期的 1145井处,水深3 175 m,记录了3 Ma以来的沉的残留沉积。此外,在陆架上分布有风暴流沉积,显积， 平均沉积速率为4~25 cm/ka;1146井处,水深示下粗上细的正递变粒序。在陆坡上,分布着重力2092 m.19 Ma以来沉积速率为2~3.6 cm/ka;流沉积,是浊流沉积作用的产物。从沉积物类型看，1148 井处,水深3 294 m,32 Ma以来沉积速率为粘土沉积分布于全海区.在陆架区,粘土矿物中伊利1~2 cm/ka[20]。由上述资料看，南海地区,自约石的含量最高,蒙脱石的含量最低。在半深海沉积10 Ma以来,沉积速率较高,在4~25 cm/ka范围环境中.粘土矿物中的伊利石含量最高,蒙脱石和高内。 陆坡上的高沉积速率为生成生物气奠定了坚实岭土的含量少。在深海沉积环境中,与半深海环境的物质基 础,从而为生成天然气水合物带来了物质对比，伊利石减少,蒙脱石增加。条件。生物沉积在海洋沉积中占有重要比例。在陆架区,浮游有孔虫的丰度低，进入陆坡后,丰度迅速增4. 上 新世以来的构造环境加;从水深2300~2 800 m开始,丰度急剧下降;在深海平原上,丰度很低.但硅藻的丰度则增加。沉积南海地区在新生代发生过两次海地底扩张.第物中碳酸钙含量变化趋势与浮游有孔虫壳体丰度变一次海底扩 张发生于42~35 Ma前.北西南东向发化趋势相似，,陆架区含量低，上陆坡高,但从1 000生海底扩 张产生南海西南海盆;第二次海底扩张发m水深起，碳酸钙含量开始降低，到水深2000~生于 32~17 Ma前.南北向海底扩张产生南海中央3 000 m,急剧下降。由此可见,利用浮游有孔虫壳海21]。 早中新世末，向南运动的礼乐一东北巴拉望体的丰度,可以分析地质时期碳酸钙的丰度。利用地块与加里 曼丹东一西 南巴拉望地块发生了碰撞,柱状样和钻井资料，可以研究地质时期碳酸钙的变南海中央海盆的海底扩张停止了,此时菲律宾海板化。经分析.在氧同位素奇数期.浮游有孔虫的丰度块仍然在向北运动.并且还在逆时针方向旋转;到中高，因此有利于生物气的生成;偶数期浮游有孔虫的新世末，它与欧亚板块在台湾地区发生碰撞,台湾岛丰度低.因此不利于生物气的生成。开始诞生,并对南海北部产生向北西向挤压。在珠根据海底柱状样品和钻探资料以及沉积物年代江口盆地中可见一系列北西向断裂,它们错断其他测量资料，计算地质时期的沉积速率。在计算时,将方向的断裂,表示它们是晚期发生的构造(22。异常的沉积厚度去除。计算结果表明，南海海域在Hall(1997)-23]利用在东印度尼西亚(菲律宾海氧同位素(古气候)奇数期沉积速率低，氧同位素偶板块的南部)新采集的岩 石标本进行古地磁测量的数期沉积速率高。例如,在氧同位素1期,沉积速率结果,研究了 新生代菲律宾海板块的运动过程及其为5.0~9.0cm/ka;氧同位素2期沉积速率为历史位置的重建。他们根据新测量的古地磁资料和6.1~12.9cm/ka;氧同位素3期沉积速率为区域地质资料进行对比24.2,得出东南亚在新生代4.7~7.7cm/ka;氧同位素4期沉积速率为6.0~的构造演化模式。他指出,在中中新世,向北移动的10.5cm/ka;氧同位素5期沉积速率为3.3~9.0菲律宾海板块的吕宋岛和欧亚板块大陆边缘的民都cm/ka。在陆坡上的柱状样V。处(图5)沉积速率为洛岛发生了 碰撞,这一碰撞事件延续到中中新世末9.0 cm/ka,Vs处(图5)为8.6 cm/ka,但在深海平(10 Ma BP),由于此次碰撞,使苏禄海的俯冲跳到原上沉积速率则较低，如V;站位处沉积速率为5.1南部. 俯冲于苏禄脊之下。这次碰撞事件对南海南姚伯初，吴能友/地学前缘( Earth Science Frontiers )2005, 12( 1)231拉威西(属大巽他地块，为欧亚板块的东南缘)发生处显示存在BSR反射波,说明南海陆坡的确存在天了碰撞,此次碰撞加快了大巽他地块的顺时针方向然气水合物矿藏。下面举出几个例子加以说明。旋转4065, .也对欧亚板块产生了挤压。在11 Ma时，图6显示存在BSR的三段地震反射剖面。图礼乐一东北巴拉望地块和加里曼丹一苏禄地块发生6a是西沙海槽北部的一段剖面，位置见图5中a。了碰撞,在西北婆罗洲，浅层区域不整合面就和此次这里水深1800m左右,在双程走时2.8s处出现一碰撞有关。这3次时间间隔很短的碰撞事件对南沙反射波,它平行于海底反射波,但 切割地层反射波，地块都产生强烈影响，造成了新生代沉积中的晚中它具备似海底反射 波的特征，因此我们推断这里新世区域不整合面。在南沙地区被命名为“万安运BSR之 上的地层中可能存在天然气水合物矿藏,动”。1.在10MaBP,婆罗洲完成了反时针方向旋转2.00,Jkm随着澳大利亚板块连续向北运动,引起了区域板块边界的重新调整,以及板内变形特征的变化[27]。2.在爪哇海沟东部,欧亚一菲律宾海一 澳大利亚三大 文 3.0BSR折幅空日费板块的板块三联点伴随此次板块边界调整而解体为3.微板块带，部分为索琅断裂(Sorongfault)的分支。班达火山弧向东推进到帝汶岛和鸟头岛微陆块之4.0间，包括被圈捕的部分印度洋中生代洋壳(班达海)。1.3SP 234021804 -148*2020再向北，Tukang Besi地块(布敦岛地区)增生到苏拉威西地块,进-步对巽他地块产生挤压。BSR由上述讨论可见,从13~10 Ma BP期间,南海南部的东南边缘,由于菲律宾海板块、澳大利亚板块和欧亚板块的相互作用，对南海南部海域产生过多R次挤压。其中,最强的一次应是13~11 Ma BP菲2.5律宾海板块和欧亚板块在民都洛岛处的碰撞事件，对南海南部海域产生向西的挤压,这次挤压事件应是引起万安运动的主要原因。因为菲律宾海板块是7961. 80，27957 28117 28227 28437 28597 28757 28917 20077 29237 29397 29557一个较大的板块,它向西挤压应在南海南部海域产生强烈的构造运动。由此可见,南海地区.无论是北部还是南部,从晚中新世以来都遭受到挤压构造的作用.新生代沉积中普遍受到挤压构造的改造,产生了许多挤压构造，如断块、背斜、泥底辟、活动断裂等。这种构造环图6a西沙海槽地区的地震剖面;图6b东沙群岛地区的境有利于流体在沉积中的活动,从而有利于天然气地震反射剖面;图6c吕宋弧沟系处的地震剖面水合物的形成。Fig. 6a Seismic profile in the Xisha Trough area; Fig. 6b Theseismie profile in Dongsha Islands area;Fig. 6e The seismice pro-5南海地区天然气水物存在的地球物.file in Luzon are -trench area图中BSR平行于海底反射,但切割地层反射波;剖面上分布着理证据典型的BSRBSR是其底界。图6b是东沙群岛东南海域的地震根据世界上调查和勘探天然气水合物的实践，反射剖面,位置见图5中b。剖面上在海底之下一个海域在未进行钻探之前,首先依据地震剖面上0.25 s处也出现一与海底平行、且切割地层反射波显示的似海底反射波来判断是否存在天然气水合的似海底反射波 ,证明这里也有存在天然气水合物232姚伯初，吴能友/地学前缘( Earth Science Frontiers )2005, 12( 1)由图可见，这里增生楔顶部有- -小凹陷,存在较薄的率高,为天然气水合物的生成提供 了物质条件;另沉积。在沉积中出现一特殊反射波,它与海底反射外,自 中新世末以来,由于菲律宾海板块与欧亚板块波平行,但明显地切割地层反射波,是一非常典型的在台湾地区发生碰撞,对南海东北部产生北西向挤似海底反射波。在整个南域,这里的BSR是最典型压,加快了流体在沉积物中的活动,为天然气水合物的似海底反射波。的生成提供了良好的构造环境。因此,我们认为,整由上述讨论的3个地方的三段地震反射剖面，个南海陆坡区均存在生成和蕴藏天然气水合物矿藏说明南海海域极有可能存在天然气水合物矿藏。的地质条件,尤其是东北部陆坡应是南海天然气水合物最丰富的地区。6讨论References: .由上述分析可见,在氧同位素1.3、5期,由于海平面升高.南海与周边海域的海水交换活跃.生物生[1] KAPALN 1 R. 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