尼日尔三角洲前缘挤压带的古今BSRs分布特征

杨金秀，宋朋霖，何巍巍，王红亮，王 民，肖佃师

[1.中国石油大学(华东) 深层油气重点实验室，山东 青岛 266580； 2.中国石油 勘探开发研究院 西北分院，甘肃 兰州 730020；3.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083]

天然气水合物简称水合物，近年来受到了全世界很多学者的关注[1-4]。水合物作为资源量丰富的未来洁净新能源，由于其不稳定性和甲烷的强温室效应，还可能对海底滑坡、全球气候变化以及海洋生态等造成一定影响。水合物主要存在于低温、高压条件下，通常分布于海底至埋深几百米的浅层沉积物中[2,5-6]。在天然气水合物的地震研究中，一般将地震剖面上的似海底反射层BSR (bottom simulating reflection)作为天然气水合物存在的主要地震标志，它代表了天然气水合物稳定区的底界BHSZ(base of gas hydrate stability zone)[2,7]。BSR在地震上表现为强振幅、负极性、斜切等时地层等特征，其发育位置主要受天然气水合物稳定条件控制，包括温度、压力、盐度和气体组分等因素，此外还受储层沉积物物理性质的影响[3,8-10]。天然气水合物稳定条件的变化会造成BHSZ在垂向上的迁移，在地震资料上表现为BSR的上下移动。

除与天然气水合物相关的现今BSR外，研究人员还在日本海域的南海海槽、俄勒冈近海的水合物脊、黑海和挪威大陆边缘等地区发现了古BSR(或残余BSR)、双BSR，以及多BSRs等BSR类型[10-14]。综合前人研究认为，按照BSR个数可将BSR分为单BSR、双BSRs和多BSRs等类型；而按照成因可将BSR分为与天然气水合物相关的BSR(包括现今BSR和古BSRs)和与成岩作用相关的BSR。其中，与天然气水合物相关的现今BSR也可出现双个或多个，例如在挪威大陆边缘，双BSRs分别是由Ⅰ型和Ⅱ型天然气水合物的稳定底界所造成，较深的BSR代表了较重烃类所形成的Ⅱ型水合物的稳定底界[10-11]。Ⅱ型水合物的稳定温度界限较高，因此其深度比Ⅰ型甲烷水合物的稳定底界要深，这两个BSRs之间游离气和Ⅱ型水合物共存。

与天然气水合物相关的古BSRs代表了BHSZ迁移前的位置，是由天然气水合物稳定条件的变化造成的，如沉积、剥蚀、褶皱与底辟等作用[7,12,15]。目前地震研究中的古BSRs大多位于现今BSR附近，在深部地层并不可见。这可能是由于发育古BSRs的地层随着埋深的增大而发生了压实、成岩、变质，甚至受构造运动等作用而遭到破坏，因此深部地层古BSRs的痕迹并未保留下来。与成岩作用相关的BSR通常具有正极性，成岩作用所需温度比天然气水合物的温度稳定界限要高，因此深度也比天然气水合物相关的BSR要深，且此类BSR距离海底的深度比较固定，有时甚至会随着海底水深的增加而变浅[14]。

综上，本文利用尼日尔三角洲前缘挤压带的三维地震资料，通过地震解释和数值模拟，研究天然气水合物系统的古今BSR分布特征，以及天然气水合物稳定底界在地质历史时期的垂向迁移过程及主控因素。通过以上研究，可以掌握天然气水合物稳定区(GHSZ：gas hydrate stability zone)随地质过程的垂向动态响应，认识地质历史时期随水合物生成和分解发生的碳循环过程，有助于客观认识水合物在全球碳循环中所起的双重作用，一方面，水合物作为缓冲器束缚了甲烷气体，防止其进入海水和大气中；另一方面当其分解时，烃类气体可能会从岩石圈进入水圈和大气圈，引起环境和气候效应。

1 地质背景

尼日尔三角洲位于中非西部的被动大陆边缘，是世界上最大的海退型三角洲，位于泛非断裂与中非转换断层的三联点 (图1)[16-17]。尼日尔三角洲盆地在早白垩世开始发育，是尼日利亚油气最富集的三角洲盆地。盆地分为两个演化阶段，早白垩世—晚白垩世桑顿期的裂谷阶段和晚白垩世坎佩尼期的漂移漂移(图2)[17]。海相沉积物开始沉积于南大西洋扩张后的阿尔必期[18—19]，到第三纪时期，尼日尔三角洲在尼日尔-贝努埃(Niger-Benue)河口处扩张至大西洋，真正的三角洲沉积始于晚古新世—始新世，沉积物在现今三角洲区域的北翼开始充填基底地垒断块之间的构造洼槽。中新世是尼日尔三角洲一个重要的时期，由于快速沉积和泥岩欠压实，形成了一系列与重力作用相关的构造类型如生长断层、滚动背斜、泥底辟和逆冲褶皱构造等[16-24]。

图1 尼日尔三角洲构造带及研究区位置Fig.1 Locations of the Niger Delta structural zone and the study areaa.研究区位置；b.研究区块Ⅰ海底倾角属性平面图；c.研究区块Ⅱ海底倾角属性平面图

尼日尔三角洲的沉积地层主要为新生界，包括海相的Akata组，海陆过渡相的Agbaba组和陆相的Benin组，最大沉积厚度可达12 km(图2)[18,20]。据前人研究，研究区主要的烃源岩为Akata组泥岩，而主要的储层为 Agbaba组的砂岩[20-24]。受区域构造应力场、大陆坡重力和泥岩超压等影响，尼日尔三角洲构造特征具有明显的分区性，由陆向海可分为伸展带、过渡带和挤压带3个构造带 (图1)[18-19,21]。研究区位于尼日尔三角洲前缘挤压带，下伏地壳类型是洋壳、过渡壳，大地热流值较高，且海相泥页岩热封盖能力强，故挤压带地温梯度值较高[17]。

2 数据与方法

本文使用位于尼日尔三角洲前缘挤压带的两套三维地震数据，研究区块Ⅰ和研究区块Ⅱ，其分布面积分别约为9 880和1 700 km2的面积，水深范围为1 300～4 300 m(图1)。三维地震数据采集于2004年，对地震子波进行了零相位化处理，以及Kirchhoff弯曲射线叠前时间偏移。地震数据的面元为12.5 m×18.75 m，主频为50 Hz，地震资料的垂向分辨率约为10 m，这相当于主频波长的1/4。本文研究利用Landmark工作站进行地震解释、视极性属性和振幅属性提取等方面的研究，综合分析了天然气水合物系统的古今BSR反射特征及其控制因素。在地震剖面上，地震反射层由红色同相轴和下部紧挨着的黑色同相轴组成，代表向下波阻抗的增大，如海底。视极性属性为振幅包络峰值处实地震道的极性，可以辅助分析振幅异常的品质[14]。例如，含气沉积物和周边沉积物相比通常具有较低的波阻抗，因此含气地层的顶部通常具有负极性。

另外，本次研究还通过选择Moridis (2003)的纯甲烷天然气水合物在35 psu盐度下的相平衡稳定曲线，对研究区天然气水合物稳定底界BHSZ(地震资料上表现为BSR)进行了数值模拟[25]。世界大洋数据库World Ocean Database(WOD)数据表明，研究区的盐度值约为35 psu(图3)。纯甲烷天然气水合物在35‰盐度下的相平衡相平衡公式如下：

lnP=a+bT+cT2+dT3+fT4+gT5

(1)

式中:p和T分别为甲烷水合物的稳定压力条件和稳定温度条件，a,b,c,d,f,g为经验常数，分别为

图2 尼日尔三角洲地层综合柱状图[17]Fig.2 Composite geological column of the Niger Delta[17]a.研究区位置；b.研究区块I海底倾角属性平面图；c.研究区块Ⅱ海底倾角属性平面图

a=-1.941 385 044 645 60×105,b=3.310 182 133 979 26×103,c=-2.255 402 644 938 06×101,d=7.675 591 177 870 59×10-2,f=-1.304 658 297 887 91×10-4,g=8.860 653 166 875 7×10-8。

由于水合物稳定底界的深度较浅，本次模拟假设地震剖面上BSR发育深度处的压力值为静水压力，压力可通过以下公式求取：

pbsr=ρswgHbsr

(2)

式中:ρsw为海水密度，为1 028 kg/m3；g是重力加速度，为9.81 m/s2；Hbsr是BSR的深度值，可通过下面公式求得：

Hbsr=Vsb×TWTsb/2+Vsed(TWTbsr-TWTsb)/2

(3)

式中:Vsed为沉积物地震波速度，为1 700 m/s；Vsw为海水地震波速度，为1 500 m/s；TWTbsr和TWTsb分别为BSR和海底的双程走时，单位是s，可通过地震剖面读取。地震剖面上的温度分布可由下面公式求取：

图3 尼日尔三角洲世界大洋数据Fig.3 The Niger Delta in the World Ocean Database(WOD)a.研究区世界大洋数据点位置；b.盐度散点图；c.温度散点图[26]

TH=Tsb+GG×H

(4)

式中:TH为海底以下H米深处的温度，℃；Tsb为海底的温度值，℃,可通过WOD查询(图3)；GG为地温梯度值，10-2℃/m。通过设定不同的地温梯度，将模拟BSR与观测BSR进行对比，拟合程度高则代表了所选地温梯度较符合实际。

3 结果与讨论

3.1 现今BSR地震反射特征与分布

本文利用地震和视极性属性特征来识别与水合物相关的BSR。研究区的现今BSR表现为大致平行于海底、斜切等时地层以及具有强振幅和负极性等地震特征(图4，图5)。现今BSR的强振幅和负极性是由含天然气水合物沉积物和下部含游离气沉积物之间明显的波阻抗差决定的，代表了天然气水合物和游离气之间的相界面，主要受温压条件控制[27-29]。研究区现今BSR的埋藏深度为海底以下约500 ms (双程走时TWT:two way travel time)，假设沉积物的地震波速度为1 700 m/s，则BSR的深度约为425 mbsf (meters below sea floor)。现今BSR主要分布在水深大于1 800 ms(双程走时)的区域，假设海水的地震波速度为1 500 m/s，则水深大于1 350 m。

与毛里塔尼亚滨海地区(offshore Mauritania)、水合物脊(Hydrate Ridge)和Storegga滑坡(Storegga Slide)等地BSR连续分布的案例不同，研究区的现今BSR分布呈分散状，主要位于褶皱-逆冲推覆构造带附近[2,8]。根据地震解释结果，现今BSR在平面上的分布面积总共约670 km2，约占工区面积的7%[28]。在研究区，BSR大多分布在断层、气烟囱或者底辟构造等流体运移通道发育的地区，反映了流体运移条件对BSR的形成具有重要作用，为水合物系统提供了气源。在褶皱地区，现今BSR向上拱起并通常与根部较深的断层伴生，可能是因为褶皱带的断层等通道向上疏导了深处热流体，影响了水合物稳定条件，导致BSR上拱(图4，图5，图6)。而在气烟囱发育的地区，也可见现今BSR的局部上拱，这可能是由气烟囱带来的热流异常所造成(图4，图5)[29]。

图4 尼日尔三角洲南北向地震剖面及对应属性剖面(剖面位置见图1b)Fig.4 The N-S seismic section of the Niger Delta and its corresponding attribute sectiona.地震剖面上的现今BSR特征；b.视极性属性剖面上的现今BSR特征

图5a为未解释的位于尼日尔三角洲前缘挤压带的地震剖面，可见明显的斜切等时地层的反射层，其下可见高振幅反射异常。经地震解释，发现除BSR下部发育小范围的游离气区(FGZs：free gas zones)外，其上下地层还发育断层和气烟囱(图5b)。而对该地震剖面进行的BSR数值模拟结果表明，地温梯度设置为4.2×10-2℃/m时，模拟预测的BSR位置与地震剖面上的观测BSR拟合程度最高，说明目前研究区较高的地温梯度条件(图5b)。图中绿色实线代表 间隔为5 ℃的温度等值线。

图6显示了尼日尔三角洲前缘挤压带北部两条地震剖面的BSR数值模拟结果，该模拟结果与图5的模拟结果一致，当地温梯度设置为4.2×10-2℃/m时，模拟预测的BSR位置与地震剖面上的观测BSR拟合程度最高。由图可见，该地区BSR下部的游离气区FGZs发育规模也较小，在挤压背景下形成的背斜褶皱带伴生了大量的断层和气烟囱等垂向流体运移通道(图6a,b)。通常，海底和BSR之间的区域被认为是水合物稳定区，因此水合物稳定区厚度即可通过计算BSR深度与海底深度之差求取。本次研究绘制了BSR深度和水合物稳定区厚度随海底深度变化的散点图(图6c)。由图可知，北部研究区的水深较大，大于3 100 m，BSR深度与海底深度呈正相关，随海底深度的增加而变深。但随海底深度的增加，水合物稳定区厚度变化不大，约为500 ms (双程走时TWT:two way travel time)，假设沉积物的地震波速度为1 700 m/s，则约为425 m。

图5 尼日尔三角洲南部前缘带东西向地震剖面及BSR数值模拟结果(剖面位置见图1b)Fig.5 The E-W seismic section of the deformation front of the southern Niger Delta,and the numerical modelling result of the BSRsa.地震剖面显示现今BSR、古BSR、气烟囱、断层和褶皱等解释结果；b.该地震剖面在地温梯度为4.2×10-2 ℃/m时的现今BSR数值模拟结果

图6 尼日尔三角洲西部前缘带地震剖面和BSR模拟深度及水合物稳定区厚度(剖面位置见图1c)Fig.6 The seismic section of the deformation front of the western Niger Delta,and the map showing the BSR depth in numerical modelling and the thickness of the hydrate stable zonesa.地震剖面a在地温梯度为4.2×10-2 ℃/m时的现今BSR数值模拟结果；b.地震剖面b在地温梯度为4.2×10-2 ℃/m时的现今BSR 数值模拟结果； c. a,b剖面上模拟BSR深度和GHSZ厚度随海底水深的变化曲线

3.2 古BSRs地震反射特征与分布

除现今BSR外，研究区还发现多个古BSRs，主要分布在褶皱地区的背斜缓翼(图7，图8)。古BSRs大多位于现今BSR下部，垂向分布范围大概为现今BSR至200 m以深的范围。

研究区的古今BSRs不是连续的地震反射，而是表现为振幅终止点的连线[30]。古今BSRs均斜切等时地层，在地震剖面上，古今BSRs与地层的相交表现为交点；在三维空间，该相交表现为交线[30]。其中，现今BSR与地层相交处振幅较强且可见相位反转(图7c,d)。本次研究选择古今BSRs较发育的两个区块，分别对斜切古今BSRs的A和B两个层位进行了地震解释，绘制出反映古今BSRs分布特征的振幅属性平面图(图7a,b)。A层位的振幅平面图显示了7个古BSRs (图7a)，B层位的振幅平面图在西部有4个古BSRs，而到东部增加到了10个古BSRs (图7b)。其中，有区域可对比的古BSRs，可能主要受区域性的天然气水合物热稳定条件的影响；也有局部的古BSRs，区域上不连续，主要受局部热异常条件或储层物性条件的控制。在地震剖面上，古BSRs也具有大致平行于海底、斜切等时地层以及具有负极性的特征，与现今BSR的区别在于古BSRs的反射特征较弱，并且不连续，分布范围也比现今BSR更局限。在相关地层的振幅平面图中，古BSRs表现为平行分布的直线或曲线，延伸长达数十千米，可用现今BSR作为参照来识别振幅较弱的古BSRs(图5ab)。如图6c所示，背斜翼部的古BSRs被较为连续的弱反射层隔开，推测该连续的弱反射层可能代表了低孔隙度的细粒沉积物地层，其低孔隙度阻碍了天然气水合物和游离气的存在，因此未形成古今BSRs。

通过调查大量的地震剖面，认识到古BSRs大多位于现今BSR下部，与现今BSR大致平行，具有较弱的振幅(图5b，图6c，图7，图8b)。但本次研究中也发现一处位于现今BSR上部的古BSR，也具有斜切等时地层、平行于现今BSR且具有较弱振幅的地震反射特征(图8a)。这可能是由于该处热流作用相对较弱、构造抬升引起的剥蚀占主导作用，或海底水温的减小等条件影响了天然气水合物的稳定条件，造成了天然气水合物稳定底界的向下迁移，表现为古BSR位于现今BSR的上部。另外，前人研究认为古BSRs的振幅特征是由之前存在的天然气水合物所导致的成岩作用所引起的，如硫化铁的沉淀，而非残余的游离气，因为在较长的时间尺度内，游离气会扩散掉[13,30-32]。

图7 尼日尔三角洲南部前缘带BSR振幅属性平面图及地震剖面(区域平面位置见图1b)Fig.7 The amplitude surface attribute maps and the seismic section of the BSR deformation front of the southern Niger Deltaa，b.振幅属性平面图显示了古今BSRs与地层交线； c，d.地震剖面显示的古今BSRs特征

图8 尼日尔三角洲南部前缘带地震剖面(剖面位置见图1b)Fig.8 The seismic section of the deformation front of the southern Niger Deltaa.地震剖面显示现今BSR及上部的古BSR；b.地震剖面显示现今BSR与下部的4个古BSRs

3.3 BSR垂向迁移及其主控因素

现今BSR与古BSRs不同的叠置关系代表了BSR不同的垂向迁移历史，这是由天然气水合物稳定条件的变化决定的。一个地区的水合物稳定条件通常是受多种因素控制，因此需综合考虑各因素及对水合物稳定条件影响的权重，来解释具体工区BSR位置的演化。通常认为，沉积作用、海底水温增大和热流高异常等因素，能够使天然气水合物稳定底界向上迁移，即古BSR深度大于现今BSR；而剥蚀作用和海底水温减小等条件会导致天然气水合物稳定底界向下迁移，从而使古BSR深度小于现今BSR[13,33]。

尼日尔三角洲前缘挤压带构造活动强烈且目的层的沉积速率较高，沉积作用会使BSR上移(图9a)。另外，研究区下伏地壳类型是洋壳和过渡壳，大地热流值较高，且海相泥页岩热封盖能力强，而热流沿顺层面更易传播，所以在尼日尔三角洲的挤压带，尤其是背斜顶部，地温梯度值较高[17]。研究区以褶皱、逆冲推覆构造等构造单元为特征，并发育大量伴生的断层、生长断层和气烟囱等[17,34-35]。这些流体运移通道除为天然气水合物系统(包括水合物和下伏游离气)提供气源外，还可将深部热液运至浅部，造成地温梯度的增大和浅部地层温度的增加。如天然气水合物相平衡曲线所示，地层温度和地温梯度的增大，也会造成BSR的向上移动(图9b)。对现今BSR的数值模拟结果显示，研究区浅层的地温梯度设置为4.2×10-2℃/100 m时模拟BSR与观测BSR拟合程度最好，也反映了该地区的地温梯度较高。

除沉积作用、地层温度和地温梯度对古BSRs的影响外，海底水温和海平面变化也会造成BSR的垂向移动，但海底水温和海平面的变化通常具有幕式、周期性和旋回性的特点，它们的升降会造成BSR的上下移动[30,36]。BSR在地质历史时期的垂向迁移是诸多因素综合作用的结果，鉴于研究区的古BSR主要位于现今BSR之下，结合研究区的挤压构造背景，本次研究认为沉积作用和地下热流的影响是引起研究区BSR上移的主要因素。

3.4 BSR对天然气水合物分布的指示

在海域天然气水合物系统，现今BSR的上部和下部地层常可见强振幅异常，可能分别是由水合物和游离气造成的，但成岩作用或者高含水的砂岩储层也可在地震资料上表现为强振幅异常[4,14]。前人研究认为，水合物的形成对沉积物具有胶结作用，使BSR上部出现了空白反射，而下部游离气的存在则使地震反射增强[5,8]。Hovland (1997)则认为，BSR上部的空白反射是由其相对较高的含水饱和度，而非由水合物的胶结作用造成[37]。由于水合物的生成消耗了BSR附近的孔隙水，造成其含水饱和度较低，因此上部的含水饱和度正常或相对较高，因此造成了声波空白。而Boswell等(2016)认为，振幅空白和区域上广泛分布的BSR仅代表细粒沉积物内的中低饱和度水合物，不具有资源远景[4]。随着全球范围内针对海域天然气水合物系统的钻探活动的增加，发现高饱和度水合物层通常在地震资料上表现为天然气水合物稳定区GHSZ 内的强振幅异常反射，且非空白反射[4,38-39]。2015年的GMGS3钻探的全部19个钻位均发现水合物，其中5口井钻遇高饱和度水合物，井震对比发现水合物层在地震剖面上表现为BSR上部与海底极性相同的强振幅反射[39]。综上，尽管缺少测井和取芯数据，本次研究认为研究区位于BSR上部具有正极性的强振幅异常代表了水合物层，而BSR下部的强振幅、负极性的地震反射特代表了游离气区FGZs。

图9 天然气水合物稳定相图Fig.9 The phase diagram of the gas hydrate stability zonea.相图反映了BSR随沉积作用而发生的垂向迁移；b.相图反映了BSR随地温梯度和地温的增加而发生的垂向迁移

本次研究认为含水合物地层在研究区表现为强振幅异常和正极性反射，位于水合物稳定区GHSZ内，且靠近现今BSR (图4，图5，图7，图8)。从地震剖面可以看出，研究区的含水合物地层可分为两类，一类为气烟囱顶部的强振幅、杂乱反射(图4)，可能是受气烟囱的影响，较强的垂向流体运移过程使地层产生裂缝群，造成杂乱反射[34]。另一类为背斜顶部的强振幅、较连续的反射(图6)。本次研究在一个高振幅异常较为发育的小区块，提取了现今BSR至250 ms以浅窗口的振幅属性，其平面图显示了强振幅异常，即水合物层的分布范围，代表了水合物勘探的有利目标区 (图10)。尽管如此，目前研究并不能排除其他导致BSR上部强振幅异常的因素，但随着研究资料和手段的进一步丰富，对这些强振幅异常的解释将得到更充分的证据支撑。

4 结论

1) 本文通过地震解释与地震属性提取对尼日尔三角洲前缘挤压带的水合物系统进行研究，识别了古今BSRs，以及现今BSR上下的水合物层和游离气区FGZs。研究表明，古今BSRs均与水合物相关，具有大致平行于海底、斜切等时地层、强振幅和负极性等特征，在研究区呈分散状分布，主要位于褶皱-逆冲推覆构造带附近。其中，古BSRs的反射特征较现今BSR弱，分布范围也比现今BSR更局限，其振幅特征可能是由先前存在的天然气水合物所引起的成岩作用造成的。

2) 高饱和度水合物层在地震剖面上表现为强振幅异常和正极性反射，位于水合物稳定区GHSZ内，且靠近现今BSR，主要位于气烟囱和背斜顶部。FGZs一般位于现今BSR下部，具有强振幅、负极性的地震反射特征。研究区的FGZs发育较为局限，大多地区没有发育FGZs或者仅发育较薄的FGZs，且薄的FGZs主要位于背斜顶部或其周边地区。

3) 沉积作用和地温梯度的增大被认为是研究区BSR上移的主要影响因素。研究区构造活动强烈且目的层的沉积速率较高；下伏地壳类型是洋壳和过渡壳，大地热流值较高；热流易沿顺层面传播，所以在背斜顶部地温梯度值较高；尼日尔三角洲挤压带的断层、气烟囱和底辟构造发育，也为热流的垂向运移提供了通道。