西南巴伦支海天然气水合物分布与富集成藏*

丛晓荣，杨楚鹏，毛小平，刘丽华，杨 睿，苏 明

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院天然气水合物重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院广州天然气水合物中心，广州 510640；5.国土资源部广州海洋地质调查局，广州 510760；6.中国地质大学能源学院，北京 100083）

0 引 言

天然气水合物是由水分子和气体分子组成的似冰状结晶物质，俗称“可燃冰”，是一种洁净新能源，广泛分布于世界范围内的主被动大陆边缘海域以及北极大陆边缘和永久冻土带地区，那里的温度压力极其适合天然气水合物的稳定存在[1]。本文收集和整理了巴伦支海西南地区与天然气水合物相关的资料，总结了西南巴伦支海天然气水合物富集成藏的有利地质条件。

巴伦支海是北极圈的一部分，陆缘覆盖面积达到1.3 × 106km2，西南靠近挪威海，北边是北冰洋。巴伦支海海底地质背景复杂，台地、高地与低洼盆地在主要大陆碰撞期形成（图1）[2]。早期对西部Loppa高地和Bjørnøyrenna断裂复合带的研究，发现诸多似海底反射（bottom simulating reflectors,BSR）异常现象，推断巴伦支海南部蕴含丰富的天然气水合物[3]。诸多学者还模拟计算了巴伦支海区域内天然气水合物稳定带的深度[4-5]。LABERG等[3]（1998）假定甲烷-水系统和底部水温度为2℃，估算甲烷水合物稳定带的最小水深数值可能在100 ～300 m之间；PAULL等[6-7]（2011）估算巴伦支海天然气水合物稳定带基底为水深270 m，与大洋底290 m处获取了天然气水合物岩芯样品相吻合；VADAKKEPULIYAMBATTA等[8]（2015）利用高分辨率地震资料结合区域热流和流体流动模型模拟天然气水合物稳定性，认为西南巴伦支海明显差异的 BSR深度可能是由于区域流体/热流的改变，亦或流体地球化学性质的改变而引起的。研究认为巴伦支海海底天然气水合物稳定带基底较浅，受海平面变化、海底水温和冰川作用变化影响很大[9-11]。

图1 西南巴伦支海海底测深图（包含主要盆地和烃类发现）（据文献[2]、[4]修改）Fig.1 General bathymetric map of SW Barents Sea with major basins and hydrocarbon discoveries (modified after ref.[2] and [4])

1 天然气水合物存在的识别标志

天然气水合物识别标志主要有直接标志和间接标志。直接标志主要是通过对海洋沉积物原地钻探取样分析，判断天然气水合物晶体的存在；或通过载人或自制潜艇下水直接勘察，看海底表层是否有水合物。间接标志是通过地球物理、地质、地球化学等方法，判断是否有天然气水合物所能造成的异常存在，进而间接推测地层中是否富含天然气水合物；其中，地球物理是最重要的识别标志，是天然气水合物勘探的主要手段[12-13]。目前在巴伦支海还未开展直接标志相关工作，但综合分析目前各种间接标志，可推测巴伦支海海底蕴含丰富的天然气水合物。

1.1 地球物理识别标志

1.1.1 似海底反射层和空白反射带

天然气水合物存在的主要标志是似海底反射层BSR。在西南巴伦支海，BSR主要分布在经度20º、北纬72º ～ 73º之间的区域，构造上位于Loppa高地西部、Bjørnøyrenna复合断裂带下方附近地区（图1和图 2）[14-15]。2D地震数据显示区域不整合界面（upper regional unconformity, URU）（后面讨论中有介绍）横切年龄大于2.7 Ma的冰河期前的地层界面，尖灭于Loppa高地的冰河期前的沉积单元覆盖于第三纪地层上，厚度小于100 ms双程反射时间（图3a和图 3b）。在冰期和冰期前的沉积物中都可以观察到高振幅反射和相序逆转现象（图3），BSR呈片状，高振幅反射的形式接近于预测的天然气水合物稳定带底界的上部（图3a和图3b），BSR靠近地层边界，并被截断，由于缺乏有效的气体供给，展现出一个有限的横向分布范围（图3a），图3c清晰可见一个大的、平行于海底的、连续的高振幅反射BSR[16]。

图2 Loppa高地西部主要构造图（据文献[14-16]修改）Fig.2 Detailed bathymetry of the western part in the Loppa High (modified after ref.[14-16])

图3 Loppa高地西部二维地震剖面展示的似海底反射BSR和气体异常（桔红色为URU，剖面大致位置见图2）[16]Fig.3 2D multichannel seismic line showing a major high amplitude reflection (BSR) and gas anomalies in the west of Loppa High (orange line represents the URU, see Fig.2 for location)[16]

1.1.2 浅层气体聚集异常反射

西南巴伦支海的浅层气聚集异常反射主要是以速度和振幅结构（velocity and amplitude structures,VAMPS）异常现象显现，另外还有高振幅亮斑、增强反射、低反射带、声波杂乱和空白反射带等。气体异常主要集中分布在两个地带：（1）19º ～ 21ºE、72º ～ 73ºN 区域，位于 Loppa 高地西部、Bjørnøyrenna复合断裂带和Asterias复合断裂带之间（图1紫色多边形）[14]，气体异常与BSR的分布相伴生，可能与Loppa高地侧翼地下地层的高度断裂密切相关[16]；（2）南部71.5ºE～、21ºN附近的矩形区域分布有6个明显的气体异常区，即图4中的A1 ～ A6[17]。

图4 （a）-740 ms的RMS时间切片；（b）与两个气体异常相关的地震剖面（区域大概位置见图1和图7）[17]Fig.4 (a) RMS time slice at -740 ms; (b) two seismic profiles across the anomalies (see Fig.1 and Fig.7 for location)[17]

A1位于中西部，与最大的气体运移相关，面积约4 × 12 km2，边界为与侏罗纪Snøhvit储层相连的两个1级主断层，并且被无数个古新世-早始新世断层组（Paleocene-E.Eocene faults, PEEFs）所切穿（图 4），异常体的下部地震反射发生严重扭曲，可能与气烟囱相关（图4）；A2面积约9 × 2 km2，其下部为地震空白带，指示这里的沉积物含有气体，异常体也被东西向的PEEFs限定在南部，与A1相连（图4），暗示了流体流动的路径可能是通过1级主断层到达古新世地层，然后到达 PEEFs内；A3面积约7 × 3 km2（图4），振幅异常与1级主断层和PEEFs紧密相关；位于图4东北角的A4，覆盖面积10 × 5 km2，两个1级主断层以离散亮斑的形式呈现在异常体内部，还可观察到线性和更小的圆形振幅异常存在；最小的A5在A2的南部，4 km长、3 km宽，走向与PEEF一致，更小的PEEF分支进一步延伸进入异常体内暗示侧向的流体迁移至渗透地层（图4）；气体异常体A6位于最南部，规模大小为4 × 2 km2，被数量众多的PEEFs横切（图4）[17]。

1.2 地质识别标志

1.2.1 麻坑

西南巴伦支海的麻坑主要集中在 Asterias复合断裂带附近和Hammerfest盆地（图5）两个地带，麻坑平均密度是 100个/km2，呈随机分布或者沿着冰川犁痕排列分布，主要形成于冰川后退期，是冰川作用前期的结果。圆形麻坑的直径在10 ～ 50 m，平均深度为1 ～ 3 m，可划分为“标准麻坑”[19]。更大、且形状不规则的麻坑，直径达到 300 m，深度达到25 m。此外，还可以观察到海底表面深度达到15 m的冰川犁痕（图6）。

图5 西南巴伦支海 Loppa高地海底测深图：（a）Asterias复合断裂带附近；（b）Hammerfest盆地（区域大概位置见图1和图7）[18]Fig.5 Bathymetric map in the Loppa High area, southwestern Barents Sea: (a) the Asterias Fault complex; (b) Hammerfest Basin (see Fig.1 and Fig.7 for location) [18]

图6 （a）海底麻坑的位置和基于大小的分类；（b）上区域不整合界面和海底之间的第四纪沉积物等厚图；（c）上区域不整合界面识别的麻坑位置（区域大概位置见图1和 图7）[20]Fig.6 (a) Location and classification of seabed pockmarks based on size; (b) isopach map (in TWT) of the Quaternary sediments between the URU and the seabed; (c) map showing locations of pockmarks identified on the URU (see Fig.1 and Fig.7 for location) [21]

Hammerfest盆地识别出297个麻坑，并且可以分类为大麻坑（宽度达到100 m）、巨大麻坑（宽度从100 ～ 300 m）、超大麻坑（宽度超过1 km）。巨大麻坑仅在研究区的西南角分布。总体上来说，46个麻坑在50 ～ 100 m尺度范围内，60个麻坑在100 ～200 m范围内，9个麻坑在200 ～ 300 m宽度范围内。

受巨大冰川线型带影响，在海底 315 ～ 350 m（470 ～ 420 ms TWT）深度范围内发现高密度的大型和巨大型麻坑，但水深范围在276 ～ 284 m（369 ～379 ms TWT）的两个超大型麻坑可能是受冰川犁作用影响。研究表明，第四纪沉积物的厚度与麻坑发生频率呈负相关关系（图6b）。第四纪（40 ～ 60 ms TWT）的薄片状地层中有更多的麻坑分布。西北向的海底麻坑集中位于浅层气体异常带中，暗示其可能与麻坑相关的流体/气体来源。在区域不整合界面识别和圈定出324个麻坑（图6c），呈圆形，成群或者孤立分布，深度范围在 7 ～ 20 m（8 ～ 23 ms TWT），宽度范围为40 ～ 400 m，还可观察到更小的圆形凹陷。地震剖面显示有埋藏的化石凹痕，揭示麻坑被覆盖在相对不扰动的内部反射层面中，表明第四纪沉积物是在构造稳定条件下沉积的。图6显示麻坑的影响范围主要在上区域不整合界面和现今海底，覆盖范围面积分别达到80 km2和60 km2[20]。

1.2.2 气烟囱

气烟囱在西南巴伦支海广泛分布，以不同的大小和形状呈现，在 Ringvassøy-Loppa 和 Bjørnøyrenna断裂复合带、Tromsø盆地北部、Polheim次级台地和Veslemøy高地分布密集，此外在Tromsø盆地、东部（Finnmark台地、Nordkapp盆地和Bjarmeland台地）也有少量分布。Hammerfest盆地，气烟囱出现在Snøhvit储层。Sørvestsnaget盆地的气烟囱规模较小且广泛分布，但是与主要断裂没有任何相关性[2]。

图7 西南巴伦支海沿断层和气烟囱的渗漏分布（据文献[2]、[4]修改）Fig.7 Distribution of leakage along faults and gas chimneys in SW Barents Sea (modified after ref.[2] and [4])

图8a展示了Loppa高地西部、Bjørnøya盆地内的气烟囱分布的地震反射杂乱特征，覆盖面积达36 km2，终止于白垩纪地层的顶部。Bjørnøyrenna断裂复合带（BFC）（图1）小的气烟囱位于断裂的右侧（图8a）；推测气体沿着这些断层向上迁移。Polheim子台地识别出一个超大气烟囱（图8b），宽大约为12 km，覆盖面积达130 km2，显现声学假象特征。

气烟囱内部的地震反射高度杂乱，表明气体渗漏的来源很难识别出来。尽管如此，研究区位于断裂复合带内，流体的迁移可能是沿着这些断裂发生；靠近Veslemøy高地的Sørvestsnaget盆地可见流体的垂向和侧向迁移（图8c）。位于上新世-更新世边界带（URU）上的高振幅异常带标志着流体运移柱状带的上部终止。这个地层内高振幅极性反转反射暗示有气体的聚集。在邻近气烟囱和远离气烟囱终止点的地层界面处也可见高振幅反射，表明物质沿地层逆倾斜方向的侧向迁移；位于Loppa高地东南地区的地震线靠近Asterias断裂带和RLFC的接合点（图1），展示了气烟囱的另一种类型（图8d）。URU反射层下部气烟囱终止点处的强极性反转层暗示了这里有气体的聚集，该区主要的烃源岩层来自于三叠纪Snadd地层[21]和另一个更深的烃源岩地层，在地震剖面上很难准确地识别出来[2]。

图8 西南巴伦支海气烟囱：（a）Bjørnøya盆地东南部流体流动；（b）Loppa高地西南的流体迁移特征；（c） Sørvestsnaget盆地到Veslemøy高地地震剖面展示的气烟囱；（d）Loppa高地西南部分的气烟囱（剖面大概位置见图1和 图7）[2]Fig.8 Gas chimneys in SW Barents Sea: (a) fluid flow in the southeast part of Bjørnøya Basin; (b) migration feature SW of the Loppa High; (c) seismic profile from Sørvestsnaget Basin close to Veslemøy High shows gas chimney; (d) a gas chimney from the SW part of Loppa High (see Fig.1 and Fig.7 for location)[2]

1.2.3 断裂

西南巴伦支海杂乱反射和高振幅异常反射都与断层有关（图8）。来自Loppa高地北部的地震剖面展示了两个主要断裂，切穿了 Hekkingen地层，并且延伸到URU，与几个小断层密切相关（图8a）。高度杂乱和低振幅反射主要位于主断裂的根部，表明运移的流体来自于更深部的地层，并且沿着断层，流体运移发生分支现象。靠近断层终止处，沿着断层面可见高振幅异常现象。流体流动特征由 2 km2狭窄的底部向上变宽达到290 km2。

地震高振幅异常反射表明有气体存在[22]。小断层也表现为沿断层面的高振幅反射。URU界面之上没有观察到高振幅反射，表明向上迁移的气体圈闭在此或者在URU界面以下。晚侏罗纪Hekkingen地层可能是研究区浅层气体的来源，深部气体对渗漏可能也有贡献作用；图8b展示了来自Loppa高地的重大断裂区域，断层面上有高振幅反射，暗示有气体的存在。少量的断层延伸至海底，这些断层的终止也与海底的小凹陷相一致。

流体沿着这两个主要断层，从深部向上迁移，又沿着浅部地层的小断裂运移。早期三叠纪顶部的Havert地层可能是烃类化合物的主要来源，深部地层对渗漏可能也有影响作用，如Hammerfest盆地西北部的地震剖面识别出沿断层的流体渗漏（图8c）。与断层相近的水平地层可见高振幅反射，流体沿主要的大断裂渗漏到白垩纪地层的顶部，再沿其他断层运移，靠近断层终止点处可见高振幅反射，暗示浅层气的聚集。主断裂切穿侏罗纪 Hekkingen地层的顶部，Hekkingen地层可能是渗漏气体的来源[23]；Hammerfest盆地东北部，Bjarmeland台地上Samson穹丘处展示了背斜构造上的流体渗漏和浅层气体聚集（图8d）。靠近海底的地震信号嘈杂带和高振幅异常现象暗示着流体的向上迁移。晚侏罗纪Hekkingen地层标志着背斜构造的顶部，可能是由于外力原因，这个地层之下有许多小断层。这些断层可能为烃类的运移提供通道。更大的断层也出现在背斜构造的两翼，对流体的迁移也起到重要作用。沿断层的流体运移区域宽7 km，穹丘南部的渗漏区覆盖面积达141 km2。Hekkingen地层具有生烃潜力，但在该区内并未成熟[23]。许多更深的三叠纪地层如 Havert地层，可能是向上迁移气体的来源[2]。

图9 西南巴伦支海沿断层的渗漏：（a） Loppa高地北部的地震剖面；（b）Loppa高地南部沿断层的流体渗漏；（c）Hammerfest盆地西北部沿断层的流体渗漏；（d）横穿Hammerfes盆地盐穹丘的NE向地震剖面（剖面大概位置见图1和 图7）[2]Fig.9 Leakage along faults in SW Barents Sea: (a) seismic profile from northern part of the Loppa High; (b) shows fluid leakage along faults from the southern part of the Loppa High; (c) fluid leakage along faults from the northwest part of the Hammerfest Basin;(d) seismic profile across the Samson Dome (see Fig.1 and Fig.7 for location)[2]

类似上面沿断裂的渗漏在西南巴伦支海的许多地区都有出现，尽管这样，西部Loppa高地及周边地区密度更高，RLFC和BFC断裂复合带展示沿断层的渗漏积聚带，不同盆地界限之间的主要断裂处也有许多的断层渗漏显示（图7），观察表明流体渗漏与主断层密切相关。西部高密度断裂的出现表明流体流动几率也会相应增加，可能是断层再活化作用导致的[2]。

1.2.4 其他特征

除了气烟囱和沿断裂的渗漏外，西南巴伦支海还存在许多与气体/流体流动相关的地震异常，包括渗漏管道、类似麻坑样的凹陷、与流体迁移相关的声学下拉现象、BSR异常等等，数量可能较少，但分布广泛。渗漏管道是局部振幅异常干扰反射的柱状带[24]。图10a展示了Norsel高地北部Bjarmeland台地南部一个垂向的狭窄的声阻抗带，这个地震信号杂乱带终止在浅部地层，但可见断层延伸到海底，这些断层可能是流体向上迁移的通道，流体渗漏垂向带的终止点处可见高振幅反射层，这个带大约有800 m宽，将这样狭长、垂向的流体迁移识别为渗漏管道。流体渗漏的来源可能是三叠纪或者更老的地层，因为渗漏带可以追溯到比三叠纪早期的Havert地层更深的地方；Finnmark台地中央部分地震剖面显示杂乱带和高振幅异常现象，表明流体的迁移（图10b）。声学下拉反射层暗示了低速气体物质的存在。流体流动的来源可能是早二叠纪/晚石炭纪Ørn地层或者更深的石炭纪页岩[25]。也可见火山口形状的凹陷，1.2 km宽，类似古水道[2]。

图10 西南巴伦支海其他渗漏特征：（a）Nyslepp断裂复合带北部Bjarmeland台地南部的渗漏管道；（b）Finnmark台地中央部分的流体迁移（剖面大概位置见图1和图7）[2]Fig.10 Others features in SW Barents Sea; (a) a vertical,narrow zone offluid leakage from the southern part of the Bjarmeland Platform north of the Nyslepp Fault Complex; (b)shows chaotic seismic reflectors, and high amplitude reflector from the central part of the Finnmark Platform, suggesting migration offluids (see Fig.1 and Fig.7 for location ) [2]

2 讨 论

众所周知，巴伦支海西部比东部显示更复杂的构造发育（图 1）GUDLAUGSSON等（1998），西南巴伦支海大陆架的形成于晚泥盆纪[26-27]，其下是苏格兰造山运动导致的早泥盆纪变质基底，早中泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪和晚侏罗纪—早白垩纪时期扩张的地质运动控制了西南巴伦支海晚古生代和中生代的构造历史[29]。例如：晚石炭纪和早二叠纪期间扩张的断裂影响了Loppa和Stappen高地[30]，然而 Bjarmeland台地东北部和 Nordkapp盆地处于稳定状态[31]；二叠纪和早三叠纪期间的再活化断裂作用导致 Loppa和 Stappen高地的倾斜（图1）[26]。中侏罗纪断裂作用和相关的断块裂谷作用再次活跃[32]，随着北大西洋南部的扩张，晚侏罗纪到早白垩纪期间，断裂作用加强，直至形成现今的地貌地貌构造格局（图1）[33]。古新世-始新世期间，北大西洋的扩张导致大规模抬升[34-35]，始新世到渐新世期间构造反转和褶皱作用广泛发生[34,36-37]。晚上新世-更新世期间，冰川消失和抬升作用导致巴伦支海遭受广泛的侵蚀[38-39]，然后西南巴伦支海南部地区，Hammerfest盆地，Nordkapp盆地和Loppa高地遭受抬升和侵蚀相对较少[28]。大约在2.5 Ma，晚上新世-更新世期间形成区域不整合界面[39-40]，它表示最古老冰川作用界面，是在大陆架几个冰川作用期间因侵蚀而发育的[41]，是由冰川侵蚀向加积沉积机制的一个重要转向标志[42]。

图2显示沿着Ringvassøy-Loppa断裂复合带有天然气渗漏，而麻坑地区没有发现（图2黄色三角形），CHAND等（2012）认为麻坑可能是由于天然气水合物分解造成的[16]，而现今的天然气渗漏则是区域性断层活动导致的；图2中还可见BSR与气烟囱的分布密切相关，主要位于 Loppa高地西部。MURILLO等（2016）对Hammerfest盆地地球化学同位素分析表明，该区烃类供给主要来源于三叠纪、白垩纪和古新世地层[43]；OSTANIN等（2017）基于高分辨率地震数据解释对Snøhvit and Albatross区域系统模拟显示，烃类化合物渗漏事件与流体、气体大规模排放事件时期相吻合，并且沿断层的渗漏是最主要烃类排放方式，浅层的气烟囱、麻坑和其他渗漏通道同样起到了重要作用[44]；TASIANAS等（2018）利用高分辨率3D地震资料对富生烃Snøhvit凹陷麻坑和浅层流体流动系统研究认为，该区的麻坑和浅层流体流动系统是冰川消融期间天然气水合物的大量分解渗漏导致[45]；平面图7可见，气烟囱和沿断裂的渗漏西南巴伦支海的很多地方都有出现，Hammerfest盆地西部大规模碳氢化合物的发现区展现高密度气烟囱渗漏分布，Loppa高地西部展现高密度沿断裂的渗漏积聚带，渗漏密集地区与天然气水合物存在的地球物理和地质标志分布位置图呈现良好的相关性。

天然气水合物的富集成藏除了具备基本的满足天然气水合物稳定域条件外，还需要有充足的气体来源、良好的含气流体运移通道和适合的储层等[46]。由图1主要盆地分布和烃类发现分布与图2和图7的天然气水合物识别标志对比分析，结合上述巴伦支海区域构造背景，可以推断，西南巴伦支海天然气水合物的富集成藏与流体流动密切相关，其不均匀性分布可能受区域烃源岩、构造格局、构造运动、冰川作用等共同控制，比如与Loppa相似构造格局的Stappen高地显示较少的天然气水合物识别标志，可能是其深部烃源岩较少；天然气水合物的有利勘探目标区主要在Loppa高地西部和Hammerfest盆地西部，与Hammerfest盆地相似烃类发现的Nordkapp盆地显示较少天然气水合物识别标志可能是由于其构造运动和冰川作用导致其含气流体运移通道发育不好，抑或冰川作用过于强烈造成了严重破坏，因此，为进一步圈定天然气水合物成矿成藏范围和评估天然气水合物资源量，需要充分了解西南巴伦支海天然气水合物的气体来源和控制因素，详细研究目标区深部烃类气源供给、垂向含气流体运聚通道系统类型和浅部地层水合物稳定域三者的时空耦合配置关系，将三者有机结合起来，总结天然气水合物的成矿成藏模式。

3 结论及启示

（1）西南巴伦支海存在多种识别天然气水合物的地球物理和地质标志，推断其海底蕴含丰富的天然气水合物。

（2）西南巴伦支海天然气水合物的地球物理标志主要包括BSR、空白反射带和浅层气体聚集异常反射等，地质标志主要包括麻坑地貌、气烟囱和断裂构造及其他气体渗漏构造特征。

（3）天然气水合物的有利勘探目标区主要在Loppa高地西部和 Hammerfest盆地西部。与Hammerfest盆地相似烃类发现的 Nordkapp盆地显示较少天然气水合物识别标志可能是由于其构造运动和冰川作用导致其含气流体运移通道发育不好，抑或冰川作用过于强烈造成了严重破坏；与 Loppa相似构造格局的 Stappen高地显示较少的天然气水合物识别标志，可能与其深部烃源岩较少有关。