主动、被动大陆边缘天然气水合物成藏模式对比

胡高伟 卜庆涛 吕万军 王家生 陈 杰 李 清 龚建明 孙建业 吴能友

1.自然资源部天然气水合物重点实验室·中国地质调查局青岛海洋地质研究所 2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室 3.中国地质大学（武汉）海洋学院

1 主动/被动大陆边缘天然气水合物成藏研究概况

天然气水合物（以下简称水合物）广泛分布于世界大陆边缘海底和陆地永久冻土带中[1]，大陆边缘介于海岸线和深海洋盆之间，包括大陆架、大陆坡和大陆隆（或海沟）等海底地貌单元，可分为主动大陆边缘（也称太平洋型大陆边缘、汇聚大陆边缘、活动大陆边缘等）和被动大陆边缘（也称大西洋型大陆边缘、稳定大陆边缘、非活动大陆边缘等）[2-4]。不同大陆边缘沉积物中水合物赋存的控制因素和成藏模式有所差异[5]，开展两者之间的对比研究对于理解水合物富集规律及指导水合物勘探开发具有重要的意义。

国内外学者对于主动/被动大陆边缘水合物发育情况已有较多的研究[5-12]，其对比研究大致可分为点对点对比研究阶段（20世纪60年代—80年代末，以单孔钻探点对点对比为主，偏重于揭示两种不同地质背景下水合物成藏的共同特征[2-3,10-11]）、有利成藏构造单元对比研究阶段（20世纪90年代—21世纪初，逐渐形成了水合物成藏系统观[13-17]）和成藏系统研究与成藏模式对比阶段（21世纪初至今，对典型区域的水合物成藏系统进行了深入解剖，逐步形成成藏模式规律性认识[8,18-20]）。

水合物成藏系统研究覆盖气体生成、运移、最终聚集成藏的整个过程，具体集中在气源、输导体系、有利储集空间和高压低温稳定带等四大要素方面。气体来源及类型主要为生物成因气、热解成因气和混合气[21]。最新的研究成果认为：蛇纹岩化生烃作用可提供无机成因气[22]；气体运移通道主要包括底辟构造、断层、裂隙与高渗透层等，运移通道的展布、规模及运移效能，对水合物成藏富集和饱和度大小具有重要的影响[23]；温度、压力、孔隙水盐度和气体组分决定了水合物稳定带的厚度，而良好的沉积储集空间是水合物能够富集成藏的重要保证[20]；依据储集空间的不同主要将水合物藏分为孔隙型和裂隙型[24-25]，依据甲烷气体运移方式与通量大小可分为低通量下的扩散型（Distributed Low-Flux Gas Hydrate）和高通量下的渗漏型（Focused High-Flux Gas Hydrate）[26]。水合物聚集成藏的整个过程中，上述要素不可或缺[27-28]。

图1 研究区位置及水合物分布示意图

表1 主动/被动大陆边缘主要水合物区域分布表[2-3,29-37]

对世界范围水合物与主动/被动大陆边缘分布范围进行投点分析和统计研究，结果表明（图1、表1）：水合物主要赋存于主动大陆边缘的增生楔和被动大陆边缘的泥火山、泥底辟、麻坑、断层、丘状体及冷泉喷口等地区。总体来说，构造演化、全球海平面变化、沉积物供给等控制了海底沉积层中物质充填样式[38]，制约着沉积体系内物性空间展布与演化[39-40]，沉积过程中有机质的输入控制了海底有机质和气源的空间分布[10]；构造—沉积体系的演化伴随着空间上温度、压力的变化，决定了沉积物中有机质—甲烷—水合物体系物质相互转化的速率[41]，并控制着物质存在的形式以及沉积物孔隙流体组成与性质的变化。因此可以看出，构造演化和沉积充填特征既决定了含甲烷流体流动的动力场，又决定其物理化学场[8,42]，从而在影响沉积物中水合物形成与分解的动态变化方面具有至关重要的作用[43]，是控制水合物分布及富集的主控因素。然而，主动、被动大陆边缘因具有显著不同的应力场，对孔隙流体、物质迁移的控制模式有着很大的差别，其具体表现形式及对水合物成藏过程和空间分布具有何种影响，目前尚未取得清晰的认识。

笔者选取主动大陆边缘卡斯凯迪亚（Cascadia）和日本南海（Nankai）海槽、被动大陆边缘布莱克海台（Blake Ridge）和尼日尔三角洲盆地（Niger Delta Basin）等典型水合物成藏区为研究对象，通过IODP航次资料解剖和数值模拟分析等手段，从应力场角度探讨两种背景下含甲烷流体流动样式的控制，开展主动/被动大陆边缘水合物成藏模式对比研究，以期为认识我国南海复杂边缘的水合物富集规律及成藏模式提供参考。

2 研究区概况及研究方法

2.1 研究区地质背景与水合物勘探概况

研究区如图1所示。Cascadia主动大陆边缘位于东北太平洋胡安·德富卡（Juan de Fuca）板块向北美板块俯冲的 Cascadia 俯冲增生楔上[44]，Juan de Fuca板块每年以约45 mm、几乎垂直的方向向北美板块俯冲，在变形前沿向海方向，Cascadia沉积了前更新统半深海沉积，上覆快速沉积、总厚度达2 500 m的更新统浊积岩。国际大洋钻探ODP204航次和IODP311航次对该区进行了较为深入的研究[45-46]。ODP204航次在水合物海岭南峰从峰顶到斜坡盆地共钻9个站位，水深介于700～1 000 m，代表了通过构造抬升形成的背斜和斜坡盆地不同构造部位[45]。IODP311航次钻探目标是检验该区水合物形成及控制模式的参数[46-47]，在横切整个大陆边缘、水深900～2 200 m范围内，共实施钻探了5个站位（U1325、U1326、U1327、U1328、U1329），代表着水合物在Cascadia边界的不同演化阶段，从最早出现于西面的增生脊到最后出现在走向东面界限的稍浅水区。

日本Nankai海槽位于菲律宾海西北日本岛弧西南部，也是典型的主动大陆边缘。Kumano弧前盆地位于日本本州岛的Kii半岛[48-49]，旁边发育日本Nankai增生楔（中新世—距今15 Ma），菲律宾板块以平均每年40.0～58.4±1.2 mm的速度和300°～315°方向向欧亚板块俯冲。Kumano盆地是日本Nankai海槽最大的弧前盆地，东西延伸100 km，南北延伸70 km，水深2 000 m以下，底部相对平坦并充满海底扇沉积体系，沉积体系而后被断层切断[50]。由角度不整合可以将盆地分为4个基本单元，盆地内沉积物由于盆地向海边缘的抬升而下沉，沉积中心随之变化。在日本Nankai海槽Kumano近海和Kumano盆地向陆斜坡的下方观察到平行于海底的BSR。

Blake Ridge东南延伸方向与北美大陆边缘成正交，是典型的被动大陆边缘。ODP164航次在该区最早组织了水合物航次调查，共在3个不同区域钻获岩心样品：布莱克海脊、开普菲尔底辟以及布莱克海脊底辟。其中991、992和993站位位于开普菲尔底辟之上或附近；994、995和997站位位于布莱克海脊的东部边缘之上；996站位则位于布莱克海脊之上[51]。

Niger Delta Basin是早白垩世开始发育的被动大陆边缘盆地，包括裂谷期和漂移期两个演化阶段，盆地形成发育与冈瓦纳大陆裂解和南大西洋、赤道大西洋张开有关。始新世以来长期海退形成了现今的Niger Delta Basin。

2.2 研究方法

采用资料分析和数值模拟方法，分别以Cascadia大陆边缘、日本 Nankai海槽和 Blake Ridge、Niger Delta Basin为主动/被动大陆边缘实例开展应力场对水合物成藏影响研究对比。主动、被动大陆边缘所具有的构造挤压背景和正常沉积压实背景具有不同的应力场，对沉积层孔隙度、渗透性的演化起着重要作用，进而可能影响流体流动样式和含甲烷流体的运移与聚集形式。海底沉积物中甲烷从生成到汇聚在稳定域内部固结为水合物，流体的流动是输送水合物聚集所需甲烷的关键过程。流体流动的驱动因素和通道受构造应力场的控制。因此，面向水合物成藏机理与分布规律的数值模拟，必须将宏观地质演化模拟与微观有机质—甲烷—水合物物质能量演化相结合，才有可能从本质上揭示水合物成藏的实际过程。

宏观地质演化模拟，基于介质连续性方程、流体流动方程、热流方程、有效应力作用及渗流方程[42,52-57]，模拟沉积压实及应力场、温度场、压力场、流体流动。微观物质迁移—转化模拟，建立沉积单元体孔隙流体中溶解甲烷浓度的物质守恒模型，即甲烷浓度随时间上的变化量与以下物理过程的甲烷浓度变化量之间守恒：①空间上的扩散、对流、有机质热解和乙酸发酵；②CO2还原作用生成的量、被硫酸盐氧化的量；③与水合物和游离气的转化量。从自由能的角度研究水合物成核的驱动力和物质在空间迁移（扩散）的驱动力，建立了反映微观孔隙尺度水合物形成演化机理的中热质空间迁移—转化模型，从而从机理上反映温度梯度、盐度梯度、浓度梯度影响下物质的迁移趋势和规律，将这些微观物质—能量演化过程与宏观的地质演化过程通过温度和压力进行耦合。基于这些模型开发的水合物成藏机理数值模拟分析系统，宏观过程与微观过程采用分步迭代法（SIP）计算，偏微分方程组采用有限元求解。有关模型其他相关参数的计算参见本文参考文献[57]。

3 不同大陆边缘水合物成藏模式

3.1 应力作用下主动大陆边缘水合物成藏模式

3.1.1 Cascadia大陆边缘水合物成藏特征

IODP311航次5个钻探站位采集的水合物样品代表了水合物形成的3个时期，即早期（U1326、U1325站位，靠近俯冲带一侧，沉积物年龄不超过1 Ma）、中期（U1327、U1328站位，沉积物年龄不超过2 Ma）和消亡期（U1329站位，靠近陆地最浅水区，沉积物年龄介于2～9 Ma）[58]。从5个站位的C1/C2随深度变化和横跨大陆边缘的变化特征来看，除活动喷口U1328站位的甲烷浓度明显偏高外，不同成藏阶段气源无明显变化，碳同位素值显示气源主要为生物成因气[46]。而不同站位的沉积物粒度特征表明，U1326—U1329沉积环境从远洋单一物源的细粒沉积向近远洋、近陆的复杂物源细—中粒沉积环境转变，电阻率显示水合物饱和度存在明显差异（5%～40%），横向上U1327站位饱和度最大[46]，可见沉积物粒度对饱和度具有一定的控制作用[47]。

BSR位置（可视为水合物带底界）随着成藏早期、中期、晚期逐渐变浅（图2），而甲烷—硫酸盐界面（SMI，可视为水合物带顶界）逐渐变深，表明水合物稳定带厚度呈逐渐减薄、地温梯度呈逐渐变大的趋势。应力作用下热流变化和物质差异分布，使不同站位BSR稳定程度各异（图2），其中U1326站位BSR沿脊顶延伸稳定、侧向不稳定，U1325站位BSR在盆地东侧延伸稳定，U1327、U1329站位BSR表现清晰且延伸相对稳定，而U1328站位BSR具有大量盲带、指示活动喷流状态。较高的水合物饱和度和有限的原位有机碳供给，指示水合物气源一部分源自原位、一部分源自水合物稳定带之下。增生楔形成过程产生的断裂、褶皱、底辟等构造组合，为流体流动和水合物成藏提供了良好条件。

就技法本身的来看，指头画的特点与其适宜的题材以及所面对的观众是相互统一而成体系的。“指墨画乃大写意粗放之画种，故宜解衣磅礴，以乱头粗服之法为之。为此，指画题材亦以粗犷、简古者为宜，并宜作大幅巨幛。倘若以册页斗方作纤细精工之画，则无由得指画之独特意趣。”[12]58

综合上述特征，笔者修正了前人基于流体流动的水合物成藏模型（图3），认为在Cascadia边缘，沉积有机质通过远洋沉积输入或浊流沉积输入之后进行沉积和埋藏，甲烷通过原位产生和由下部通道运移而来。富甲烷的孔隙流体和游离甲烷气沿着一系列断裂/断层向上运移，由于海底附近甲烷溶解度大大降低，大量气体生成水合物。在Juan de Fuca板块俯冲的侧向应力作用下，增生楔形成过程中沉积埋葬和横向运输，随着变形前端距离和深度变化而富集不同浓度的甲烷，为水合物形成富集提供了气源。水合物稳定带底界（BGHSZ）会形成“盖层”，对下部游离气产生暂时阻碍作用，但由于构造抬升等作用，会使底界水合物分解而发生再循环。

3.1.2 Kumano盆地水合物成藏特征

主动大陆边缘有效应力是沉积负载压力、侧向构造挤压应力、流体压力等变量的函数[58-59]，笔者以日本Nankai海槽Kumano盆地为例开展了数值模拟研究。日本Nankai海槽增生楔的气体不仅具有热成因特征，而且Muroto近岸具有热解与生物混合成因特征、向陆斜坡和增生楔弧前盆地具有生物成因特征[59]，TOC（总有机碳含量）约为0.4%。根据孔隙水中碘离子（I-）浓度指示，I-浓度在海槽向陆一侧随着深度的增加而迅速增大，比海水高数个数量级，而向海一侧仅略高于海水，甲烷浓度具有类似规律[60]。同时，向海一侧沉积物孔隙水中碘年龄不足7 Ma，而向陆一侧样品孔隙水中碘的年龄超过30 Ma。浓度分布和年龄表明，碘连同甲烷一起从上部板块老的地层中输送到向陆一侧的流体内，特定的流体通道可能由楔状体、滑脱构造或断层等组成。

图2 IODP311站位的BSR总体表现和横向变化特征图[46]

图3 Cascadia大陆边缘水合物成藏模型图

利用文献中有机碳含量、甲烷生成条件、地震剖面和地质格架等资料开展数值模拟，结果表明：在应力作用下，构造变形比较强烈，流体活动、甲烷水合物聚集空间上显著受构造断裂裂隙所控制，水合物饱和度最高可达约30%。模拟结果与Kumano盆地地震剖面和解释结果基本一致，表明模拟结果具有可靠性。侧向应力导致构造变形及水合物运聚的变化规律初步揭示了Kumano盆地水合物的成藏过程（图4、5）。

Cascadia和Kumano盆地水合物成藏研究结果表明，流体的流动是输送水合物聚集所需甲烷的关键过程，其驱动因素和流体的通道受构造应力场的控制。主动大陆边缘侧向构造应力驱动非常突出，控制了含甲烷流体流动和演化以及水合物的聚集分布。同时，构造挤压作用导致热流通量、流体通量、甲烷通量横向上的显著差异，也是造成水合物空间赋存分布差异的重要因素之一。

3.2 被动大陆边缘水合物成藏模式

3.2.1 Blake Ridge水合物成藏特征

根据994站位、995站位和997站位的地层厚度及岩性参数（表2），建立该区典型的二维地质模型，具体数据包括：994站位，晚第四纪（0～距今0.46 Ma）、中第四纪（距今 0.46 ～ 0.98 Ma）和早第四纪（距今0.98～1.80 Ma）沉积速率分别为30 m/Ma、55 m/Ma 和 98 m/Ma，平均沉积速率 68 m/Ma ；晚上新世沉积速率增加到89 m/Ma，早上新世沉积速率继续增加至140 m/Ma，晚中新世沉积速率高达303 m/Ma。995站位，晚第四纪、中第四纪和早第四纪的沉积速率分别为 29 m/Ma、60 m/Ma、80 m/Ma，平均沉积速率60 m/Ma。晚上新世沉积速率为104 m/Ma。地温梯度的选取根据各站位实际的钻探资料，取值为 35 K/km。

图4 Kumano盆地3个演化阶段的有效应力与垂向流速分布图

研究结果表明（图6），沉积物中有机质丰度越高，水合物含量越高，水合物在空间的分布范围越广。有机质含量较低时，孔隙流体中溶解甲烷的浓度不足以形成高饱和度、厚层的水合物，水合物层仅会在稳定域底界附近形成，厚度很薄。沉积速率对水合物的含量分布也会产生影响，在相对较高的沉积速率条件下，有利于水合物的形成和分布；而当沉积速率较低时，沉积物堆积较慢，压实过程中孔隙流体排出速度较慢，形成水合物层的厚度很薄。随着沉积速率的加快，沉积物压实过程加快，含甲烷的流体被快速排出，甲烷供给量大，水合物层显著增厚。地温梯度越低，水合物在垂向上形成的位置越深，此外，较低的地温梯度有利于水合物的形成及空间展布。

图5 Kumano盆地3个演化阶段的水合物含量分布图

根据有效应力原理，在外力作用下沉积地层应力被沉积物骨架和孔隙中流体共同承担，但是只有通过沉积物颗粒传递的有效应力（总应力与流体压力的差）才会使沉积物产生变形从而影响沉积物孔隙度及渗透率。对于Blake Ridge，沉积地层应力主要来自其上覆沉积物和海水的总荷载，在流体没有超压的情况下，有效应力等于总荷载应力与静水压力的差，因此模拟剖面上（图7）有效应力随深度均匀增加而等值线大致与海底地形平行，在这样的有效应力场下，沉积层随着时间的推移逐渐被压实，孔隙度则从海底往下呈近似指数形式变小，渗透系数的对数与孔隙度近似成正比变化。由于剖面左侧（994站位）比右侧（997站位）泥岩含量高，因而渗透率比右侧要低，但第四纪以来沉积速率比右侧更大。因此，单位时间内压实速率比右侧高，从而排出流体的速率更大，富水合物层左侧比右侧薄，与实际调查结果相吻合。

表2 Blake Ridge 各站位地层厚度及岩性参数表 单位：m

图6 泥岩有机质丰度的差异对水合物空间含量的影响图

3.2.2 Niger Delta Basin 水合物成藏特征

Niger Delta Basin水合物成藏数值模拟研究结果表明（图8），在300～350 km附近一直是沉降中心，沉积物从右侧向左侧输运形成向海方向进积沉积层序。在这种沉积充填格架下，盆地中心巨厚的烃源岩不断生烃，一定条件下产生超压。流体的压力大于静水压力，造成同深度下有效应力相对其他地段要小，从而沉积物相对欠压实而孔隙度比其他地段略高。受岩性和孔隙度空间差异的影响，渗透系数横向和纵向上也呈不均一变化。从烃源岩中排出的气体随流体主要由沉积中心向两侧侧上方向运移，右侧地形高而不具备水合物稳定条件，水合物主要富集于水深600 m以深且在稳定域中离盆地生烃中心较近的地段较为富集。

从 Blake Ridge 和 Niger Delta Basin 等分析结果可以看出，被动大陆边缘是正常沉积压实应力场下的水合物聚集，水合物成藏分布主要受沉积速率、地温梯度与有机质含量等因素控制，沉积压实、浮力、重力等是驱动流体流动的主要因素，因而高有机质含量、高沉积速率和低地温梯度有利于水合物的成藏富集。

图7 Blake Ridge有效应力、孔隙度、渗透率、超压及水合物含量分布图

图8 Niger Delta Basin孔隙度、渗透率、超压、流体压力梯度、有效应力及水合物含量分布图

4 不同大陆边缘水合物成藏影响对比

综合文献资料和本文相关结果，初步获取了主动/被动大陆边缘背景下水合物的成藏特征（表3）。

1）两者水合物藏的气体成因类型无明显区别，均为生物成因气、热成因气或混合成因气，因蛇纹岩化生烃具有形成无机成因甲烷的潜景，可能成为主动大陆边缘的气源新成因类型[22]。

2）应力场作用下，流体流动模式的不同可能是造成主动/被动大陆边缘水合物成藏差异的主要因素之一。侧向应力作用对主动大陆边缘增生楔具有以下影响：①构造变形比较强烈，楔状体和断层等形成流体通道，使甲烷发生向陆迁移，并导致热流通量、流体通量、甲烷通量具有显著的横向差异；②浊流沉积发育，沉积物粒度相对较高，更易形成高饱和度的水合物储层。被动大陆边缘受沉积压实、浮力、重力等作用，快速沉积压实、超压等可导致甲烷流体富集，增加水合物层厚度；沉积物中流体通量和水合物的成藏机会更多地取决于沉积地层的有机质含量、埋藏速度和地热梯度等地质及地球物理因素，垂向埋藏压力和孔隙流体浮力是水合物成藏的主控因素。

表3 主动大陆边缘与被动大陆边缘成藏特点对比表

3）两者构造环境有所不同。主动大陆边缘背景下，板块俯冲增生过程中构造活动发育，从驱动力和运移通道为泥火山的形成奠定了重要基础，因而主动大陆边缘发育泥火山及气烟囱等特殊地质体，也为水合物成藏提供了重要的赋存地质条件。被动陆缘背景断层构造活动发育稍差于主动大陆边缘，流体超压驱动的富烃类流体往往在地层中形成泥底辟等未能有效刺穿地层的地质体，且由于盐底辟的作用也可产生泥火山，泥火山及泥底辟的两翼地层及其顶部亦可以成为水合物的有效赋存层位[37,61]。

4）两者水合物成藏所需的温压场控制因素相同，受海平面变化、海底温度和地温梯度等控制[20]。

综合上述认识，对主动/被动大陆边缘水合物成藏的宏观特征总结如下（图9）。

1）主动大陆边缘：①以侧向挤压应力为背景，断层以逆冲为主，可引诱深部油气藏、水合物稳定带之下游离气和原位生物气等沿断裂运移，为水合物形成提供主要气源，其成因类型为微生物成因气，深部热解气也具有一定贡献；②气体运移通道主要为俯冲—增生产生的断层、断裂和滑塌体，以及泥火山及滑塌构造等，储集层主要为粉砂和砂质粉砂等粗粒浊流沉积，具有良好的孔隙度和渗透性；③增生楔上沉积物厚度大，断层和褶皱发育，有利于流体的运移、聚集，形成水合物堆积体。

2）被动大陆边缘：①气源同样为微生物成因气和热解气；②以垂向加积为主要应力背景，与主动型大陆边缘相比，由于缺少俯冲带造成的侧向应力，容易导致部分断层和裂隙等疏导体系的缺失；③但因其内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动及张裂作用，可形成大规模的泥火山或底辟构造，这些构造能使构造侧翼或顶部的沉积层倾斜，有利于流体排放，为水合物形成和赋存提供理想场所[37]。

图9 主动、被动大陆边缘水合物成藏模式对比分析图

5 结论

1）两种地质背景下气源成因无明显区别，均具生物成因气、热解气和混合气，水合物形成的温度、压力控制因素也基本相同。

2）主动大陆边缘较为强烈的构造变形形成楔状体、断层等流体通道，导致热流通量、流体通量、甲烷通量具有显著的横向差异，对水合物成藏分布造成影响，而被动大陆边缘缺乏规模较大的断层和裂隙等疏导体系，有机质含量、地温梯度及沉积速率对水合物含量空间分布具有差异性影响。

3）不同的构造—沉积体制控制下有效应力对含气流体具有的不同驱动样式，这可能是造成主动/被动大陆边缘水合物成藏差异的重要因素。主动大陆边缘以侧向挤压应力为背景，断层以逆冲为主，可引诱深部油气藏、水合物稳定带之下游离气和原位生物气等沿断裂运移；被动大陆边缘以垂向加积和拉张应力为应力背景，断层以阶梯状正断层为主，可诱导底辟和泥火山等作用为天然气水合物形成和赋存提供理想场所。

4）我国南海水合物成藏区从东至西具有主动—被动大陆边缘的复杂特性，希望通过探讨两种不同地质背景下水合物成藏的主控因素和成因机制差异，以及水合物成藏相关的演化特征，能够该区水合物成藏研究提供一定的指导作用。

致谢：感谢李彦龙、万义钊和李昂博士在本文撰写过程提出的宝贵建议，感谢审稿专家和编辑部的建设性意见与建议。