南极南设得兰陆缘天然气水合物储层地球物理研究进展

摘要： 南极南设得兰陆缘天然气水合物分布广泛，因其在资源、地质灾害及全球气候变化等方面具有重要作用，成为国内外研究的热点。为此，从天然气水合物储层的地震识别特征、水合物相关地质构造、水合物储层定量评价以及水合物与气候变化关系等方面对南设得兰陆缘水合物储层的地球物理研究工作进行了梳理和总结，获得了几点思考与认识，以期为今后天然气水合物勘探开发及气候变化研究提供一定的参考借鉴。最后对该区域水合物储层地球物理研究方向进行了展望，认为综合利用海底地震仪数据的纵横波信息开展水合物储层三维表征研究、深入研究天然气水合物对全球变暖的响应机制及其反馈作用等是未来重要的发展方向。

关键词： 天然气水合物，南设得兰陆缘，地球物理研究，气候变化

中图分类号：P631 文献标识码：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000-7210. 2024. 06. 025

0 引言

天然气水合物，又称“可燃冰”，是一种由天然气分子（主要为甲烷）与水分子在低温、高压以及充足气源条件下形成的似冰状固态化合物[1]，主要分布于大陆边缘海底沉积物和陆地永久冻土带中。它被普遍认为是继煤层气、致密气、页岩气之后最具潜力且有希望接替化石能源的一种储量巨大的新型洁净能源[2-3]。另一方面，天然气水合物与地球环境密切相关，水合物的分解可能破坏海底稳定性，诱发海底滑坡、滑塌等地质灾害[4]，释放的甲烷气体会对全球气候变化产生影响[5-6]。因此，无论是从能源需求、地质灾害还是气候影响的角度来说，开展天然气水合物研究都具有重要意义。

南极陆缘天然气水合物的调查和研究始于20世纪70 年代。Mciver[7]在罗斯海深海钻探计划第28 航次3 个钻孔（271、272 和273 钻孔）岩心中发现了高含量的烃类气体（主要是甲烷），认为钻孔下部沉积物中可能含有水合物，这是关于南极陆缘存在水合物的首次报道。之后，大洋钻探计划航次和地球物理调查航次相继在该陆缘发现水合物存在的地球物理和地球化学证据[8-9]。目前南极陆缘具有7 个潜在的天然气水合物分布区，分别为南设得兰陆缘、南极半岛的太平洋陆缘、罗斯海陆缘、威尔克斯地陆缘、普林斯湾陆缘、里瑟—拉森海陆缘和南奥克尼群岛东南陆缘[10]。其中，南设得兰陆缘是进行水合物调查研究最集中的地区。南设得兰陆缘是典型的活动型大陆边缘，该地区沟—增生楔—弧前盆地序列发育，为天然气水合物的形成和聚集提供了有利的地质构造环境。意大利国家南极计划三次地球物理调查表明南设得兰陆缘广泛存在天然气水合物[11-12]。通过对水合物成藏条件的分析，发现南设得兰陆缘具备水合物形成的气源、温压、沉积体系及地质构造环境[13-14]。

开展深海包括极地资源探测是国家的重大战略，其中南极地区的天然气水合物资源是未来优先考虑的重点之一。此外，南极是对全球气候变化响应最为敏感的地区之一，同时也是近几十年来海洋温度升高速度最快的地区之一，长期的海洋变暖可能会导致水合物分解从而释放出甲烷[15]。国内外学者对南设得兰陆缘的天然气水合物储层进行了地球物理研究，加深了人们对该地区水合物系统的认识。本文对南设得兰陆缘水合物储层的地球物理研究工作进行梳理和总结，以期为水合物勘探开发及气候变化研究提供一定的参考借鉴。

1 区域地质背景

南设得兰陆缘位于南极半岛的太平洋陆缘东北侧，代表了南极地区唯一残留的古生代—中生代冈瓦纳俯冲陆缘，处于古菲尼克斯海洋板块俯冲到南极板块的汇聚板块边界，也是南设得兰台地和菲尼克斯洋壳微板块之间的汇聚带。由于南设得兰微板块之下南极和古菲尼克斯板块的俯冲，陆缘构造背景复杂，形成一套典型的沟—增生楔—弧前盆地的沉积序列[16-17]。大约在4 Ma 前，南极—菲尼克斯脊停止扩张[18]。目前，俯冲过程被大洋板块的下沉和逆行所控制，这种被动俯冲与布兰斯菲尔德海峡边缘盆地的伸展形成了耦合[17-20]。南设得兰陆缘呈现两个不同的叠加构造区域：较老的区域是与中生代俯冲构造作用相关的冈瓦那大陆边缘；较为年轻的是与一个主要为外延构造阶段相联系的渐新世发展起来的西部斯科舍海[14，21]。

总体而言，位于地球最南端的南极板块，其大陆边缘多为非活动型大陆边缘，但在南极半岛附近海域，由于古菲尼克斯板块的不断俯冲，形成以南设得兰海沟为代表的活动型大陆边缘[10]。南设得兰陆缘沟―增生楔―弧前盆地发育，为天然气水合物的聚集成藏提供了有利的地质构造背景。

2 天然气水合物储层地球物理研究成果

2. 1 地球物理数据

意大利国家南极计划（PNRA-Progetto Nazionaledi Ricerche in Antartide） R/V OGS Explora1989―1990 航次、1996―1997 航次、2003―2004 航次[11-12]先后在南设得兰陆缘进行了地球物理调查（图1），目的是验证南设得兰陆缘潜在天然气水合物储层的存在，并重建其构造环境。在第一次调查中，仅采集了多道地震数据，震源系统是由两个15支气枪组成的阵列，总容量为45 L，炮间距为50 m。记录系统为道间距25 m、总长为3000 m 的120 道电缆。第二次资料采集使用相同的电缆，而震源由两条GI 气枪组成相干枪阵，气枪总容量为3. 5 L，炮间距为25 m。此外，沿具有明显似海底反射层（BottomSimulating Reflector，BSR）特征的地震测线布设了1个海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer， OBS）台站，OBS 由1 个压力检波器和3 个速度检波器构成，数据记录长达20 s，采样间隔为2 ms。最后一个航次在该区域采集了OBS 数据和其他地球物理数据，包括多道地震数据、浅剖数据、多波束测深数据以及沉积物重力样。多道地震数据采集使用长600 m、48 道的数字固态电缆，采样间隔为1 ms；浅剖数据由BenthosCAP-6600 系统采集获得，工作频率7 kHz。此航次采用Reson Seabat 8150 多波束测深仪回声系统进行海底地形测量，测量面积约为5500 km2。该系统具有234 个波束，发射频率为12 kHz，测深范围为100～15000 m。沉积物重力样利用重力活塞取样器分别取得了长度为1. 07 m 和2. 98 m 的沉积物岩心。