發(fā)布時(shí)間：2021-03-06所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要海底冷泉羽狀流是海底冷泉活動(dòng)最直接的表現(xiàn)形式，與天然氣水合物動(dòng)態(tài)成藏和動(dòng)態(tài)油氣系統(tǒng)密切相關(guān)。近年來，因其對(duì)全球氣候變化的影響和潛在的資源前景，冷泉流體活動(dòng)受到越來越多重視。本文對(duì)全球重要海域海底冷泉羽狀流的分布和通量相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)分
摘要海底冷泉羽狀流是海底冷泉活動(dòng)最直接的表現(xiàn)形式，與天然氣水合物動(dòng)態(tài)成藏和動(dòng)態(tài)油氣系統(tǒng)密切相關(guān)。近年來，因其對(duì)全球氣候變化的影響和潛在的資源前景，冷泉流體活動(dòng)受到越來越多重視。本文對(duì)全球重要海域海底冷泉羽狀流的分布和通量相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)冷泉羽狀流廣泛分布在主動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣，而在弧后地質(zhì)背景和走滑大陸邊緣發(fā)現(xiàn)較少，研究不夠深入。在構(gòu)造活動(dòng)活躍、沉積速率和運(yùn)移通道滲透率高的地質(zhì)背景下，冷泉羽狀流一般呈區(qū)域性聚集發(fā)育，規(guī)模與通量較大。目前研究發(fā)現(xiàn)，通常單個(gè)羽狀流滲漏孔的通量一般介于3.5ml/min~13.9L/min之間，但受制于觀測(cè)技術(shù)和成本，羽狀流的通量估算具有不確定性，且易受到不同地質(zhì)和海洋控制因素的影響。另外，冷泉羽狀流發(fā)育區(qū)往往對(duì)應(yīng)或指示重要海洋油氣富集區(qū)，通過與海域天然氣水合物試采結(jié)果和天然氣水合物工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為大型單體冷泉羽狀流以及與水合物賦存或深部油氣藏相關(guān)的區(qū)域性羽狀流群具有重大資源效應(yīng)，主要體現(xiàn)在羽狀流本身的氣體通量資源效應(yīng)、與天然氣水合物的密切聯(lián)系以及對(duì)于海洋深部動(dòng)態(tài)油氣藏的指示三個(gè)方面。建議重視對(duì)海底冷泉羽狀流發(fā)育區(qū)的調(diào)查與探測(cè)，尤其針對(duì)大型單體冷泉羽狀流，加強(qiáng)對(duì)其活動(dòng)特征的長(zhǎng)期觀測(cè)，從而明確其時(shí)序滲漏特性、活動(dòng)機(jī)制以及海洋與地質(zhì)因素的控制作用。通過研究有效的通量測(cè)量技術(shù)和方法，建立冷泉羽狀流資源評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而推進(jìn)其進(jìn)一步開發(fā)與利用。
關(guān)鍵詞天然氣水合物;冷泉;羽狀流;甲烷通量;流體活動(dòng)
0引言
海底冷泉是由于地層壓力或構(gòu)造活動(dòng)造成的一種海底流體滲漏現(xiàn)象，是繼洋中脊熱液后又一種新的流體滲漏類型(陳多福等，2002)，冷泉不會(huì)像熱液一樣表現(xiàn)出明顯的溫度異常(Levin,2005)，但都在它們周圍發(fā)現(xiàn)了生物群落(BoetiusandWenzhofer,2010)。全球冷泉分布廣泛，從淺海陸架到深海海溝，從熱帶海域到兩極地區(qū)都有發(fā)育(陳忠等，2007)。由于冷泉?dú)怏w滲漏對(duì)巖石圈(Talukder,2012)、生物圈(Macdonaldetal.,2003)、水圈(Suessetal.,1999)和大氣圈(Solomonetal.,2009)的重要影響，近些年來引起了國(guó)際研究人員的廣泛關(guān)注(Judd,2003)。
氣體羽狀流是海底活動(dòng)冷泉的重要指示標(biāo)志，利用地球物理方法可以有效識(shí)別羽狀流(陳江欣等，2017;韓同剛等，2018;段旻良等，2019)。冷泉區(qū)通常與天然氣水合物的分解有關(guān)(陳忠等，2007;李燦蘋等，2016)，例如在水合物脊(Torresetal.,2002)、墨西哥灣(Smithetal.,2014)、卡斯凱迪亞大陸邊緣(Suessetal.,1999)、黑海(Naudtsetal.,2006;Romeretal.,2012a)、南海(陳江欣等，2015,2017;Huetal.,2019)和新西蘭海域(Naudtsetal.,2010;Netzebandetal.,2010)等活動(dòng)冷泉區(qū)都發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。在應(yīng)對(duì)氣候變暖和可持續(xù)發(fā)展的國(guó)際背景下，天然氣水合物作為一種新型的、環(huán)保的非常規(guī)能源，愈加受到各國(guó)的重視(于興河等，2019)，尤其與冷泉相關(guān)的天然氣水合物研究也愈加受到研究人員的重視(Duetal.,2018;Fangetal.,2019)，如黑海、地中海東部和墨西哥灣等海域研究較為深入(Suess,2018)。但由于對(duì)冷泉羽狀流的分布特征、冷泉活動(dòng)的時(shí)空變化以及影響羽狀流的地質(zhì)過程仍然認(rèn)識(shí)不足，大多數(shù)仍缺乏有效量化指標(biāo)(Sauteretal.,2006;Luoetal.,2016;Fengetal.,2020)。目前來看，針對(duì)活動(dòng)冷泉的區(qū)域性或全球甲烷通量研究報(bào)道有限，最早見于對(duì)加利福尼亞州的CoalOilPoint甲烷羽狀流通量進(jìn)行測(cè)量(Hornafiusetal.,1999;Leifer,2019)。相比于淺海，對(duì)深海冷泉單個(gè)滲漏孔羽狀流通量的研究也仍然比較缺乏(Romeretal.,2019a)。
相關(guān)期刊推薦：《地球物理學(xué)進(jìn)展》(雙月刊)1986年創(chuàng)刊，本刊是中國(guó)科學(xué)院主管，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)共同主辦的地球物理學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的綜合性學(xué)術(shù)刊物，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。主要報(bào)道國(guó)內(nèi)外地球物理學(xué)研究的最新進(jìn)展和成果，探討地球物理學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略，評(píng)價(jià)地球物理學(xué)科的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
海底冷泉羽狀流一方面作為所在海域深淺層油氣藏的重要指示標(biāo)志，資源意義重大，通過追溯其氣體來源，可以加深對(duì)海底流體運(yùn)移和油氣動(dòng)態(tài)成藏的理解與認(rèn)識(shí)(Talukder,2012;Johansenetal.,2017);另一方面對(duì)海底沉積物的特性和海床穩(wěn)定性具有重大的影響，可能對(duì)海洋基礎(chǔ)設(shè)施(通信電纜、石油鉆井平臺(tái)、管道)構(gòu)成危害(Ceramicolaetal.,2018)。此外，量化海底冷泉羽狀流通量對(duì)于明確全球碳循環(huán)的周期與過程也有重要的研究意義(Dietal.,2020)。本文通過總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)活動(dòng)冷泉羽狀流的氣體通量研究進(jìn)展，探討了羽狀流的歸宿和通量控制機(jī)制，并利用天然氣水合物工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)，分析和論述了氣體羽狀流的資源效應(yīng)，為今后全球海底油氣資源的勘探開發(fā)、氣候變化研究及資源評(píng)價(jià)等方面提供參考。
1海底冷泉羽狀流及其分布
天然氣從地殼內(nèi)部往上運(yùn)移，這些氣體通過斷層、裂隙等運(yùn)移通道進(jìn)入海水后，會(huì)以氣泡的形式向上運(yùn)移，形成海底冷泉羽狀流(陳多福等，2002;樊栓獅等，2007;JuddandHovland,2007)。海底冷泉羽狀流是海底活動(dòng)冷泉最直接、最確切的表現(xiàn)形式(陳江欣等，2017)，其氣體主要成分是甲烷，其余是乙烷、丙烷等小分子量烷烴、二氧化碳和其他微量氣體(LeiferandPatro,2002)。近些年來，研究人員通過多波束、原位觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)冷泉羽狀流進(jìn)行了廣泛深入的研究(GreinertandNutzel,2004;Romeretal.,2012b,2019b)(圖1)。在冷泉噴口處，大量無色透明的氣泡在海水中上升，氣泡直徑通常為幾毫米左右，且隨著氣泡的上升不斷增大，并在到達(dá)水合物穩(wěn)定帶上界時(shí)會(huì)最終破裂(Romeretal.,2014)。
充足的氣體供應(yīng)是海底冷泉羽狀流形成的必要條件，氣源可以是淺部的生物成因氣或深部的熱成因氣，也可能是混合成因氣(Judd,2004;陳林和宋海斌，2005;劉斌和劉勝旋，2017)。其中來自深部熱成因氣的氣體羽狀流最有資源價(jià)值，能加深對(duì)動(dòng)態(tài)油氣系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，包括油氣產(chǎn)生以及運(yùn)移的內(nèi)在機(jī)制，如在墨西哥灣附近地區(qū)發(fā)現(xiàn)的冷泉羽狀流，其特征是部分甲烷氣泡表面存在油漬(Macdonaldetal.,2004;Wangetal.,2016)，指示其深層存在油氣藏。在深海，冷泉活動(dòng)與天然氣水合物的賦存和分解密切相關(guān)，在水合物賦存區(qū)域的上覆海水中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)氣泡羽狀流(李燦蘋等，2013,2016)。當(dāng)水合物賦存區(qū)域由于海底地質(zhì)環(huán)境改變或全球氣候變化而導(dǎo)致溫壓條件改變時(shí)，水合物會(huì)發(fā)生分解(Westbrooketal.,2009)，產(chǎn)生的甲烷氣體會(huì)通過運(yùn)移通道(斷層、底辟、泥火山等)進(jìn)入水體，形成羽狀流，因而在天然氣水合物富集區(qū)，水合物分解也可能是一種氣體來源(樊栓獅等，2007)。甲烷氣泡在上升過程中，如果溫壓條件合適，會(huì)再次生成天然氣水合物(Wenauetal.,2015;李進(jìn)等，2017;楊力等，2018)，如在墨西哥灣海底附近，觀察到釋放到水體中的甲烷氣泡表面包裹有“天然氣水合物外衣”(Romeretal.,2019a)。
自從King和MacLean(1970)首次使用側(cè)掃聲納在NovaScotia邊緣對(duì)麻坑進(jìn)行成像以來，隨著海底探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是海底探測(cè)分辨率的不斷提高，不僅可以發(fā)現(xiàn)通量較大且形態(tài)明顯的海底氣體滲漏，而且大陸邊緣相對(duì)較小的滲漏點(diǎn)也有所發(fā)現(xiàn)(Gayetal.,2007)。迄今為止，人們?cè)谌蚋鞔笱蠛筒煌箨戇吘壈l(fā)現(xiàn)了大量甲烷氣體天然滲漏、噴溢的現(xiàn)象(Milkov,2000;Campbell,2006;JuddandHovland,2007;Huuseetal.,2010;Suess,2010,2014,2018;Ceramicolaetal.,2018)，圖2為世界上主要冷泉的分布，可以發(fā)現(xiàn)海底冷泉活動(dòng)多分布在主動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣，而在走滑大陸邊緣發(fā)現(xiàn)相對(duì)較少(Chenetal.,2010,2015;Romeretal.,2012b;Suess,2014,2018;TorresandBohrmann,2016;Ceramicolaetal.,2018;Huetal.,2019)。主動(dòng)大陸邊緣的冷泉通常發(fā)育在板塊匯聚處(Suess,2014,2018)，在太平洋俯沖帶和弧前增生楔體如Makran大陸邊緣(Romeretal.,2012b)等地已對(duì)海底冷泉羽狀流進(jìn)行了較為深入的研究，但是弧后地質(zhì)背景下的冷泉活動(dòng)特征及其活動(dòng)機(jī)制理解不夠深入;在被動(dòng)大陸邊緣海域，冷泉活動(dòng)多分布在非洲、格陵蘭、北歐和澳大利亞的海岸等地(TorresandBohrmann,2016)，各地地質(zhì)條件比較復(fù)雜，具體的構(gòu)造域與沉積單元包括水合物脊(Heeschenetal.,2005)、鹽構(gòu)造如墨西哥灣(LeiferandMacdonald,2003;Romeretal.,2019a)、厚沉積扇如黑海第聶伯河古扇(Naudtsetal.,2006)和油藏自然滲漏區(qū)(Macdonaldetal.,2004)等。而在走滑大陸邊緣，有限的研究發(fā)現(xiàn)，活動(dòng)冷泉多集中分布在板塊邊界斷層附近，如馬爾馬拉海(Dupreetal.,2015)，但是氣體羽狀流發(fā)現(xiàn)較少。同時(shí)，在這些海域也發(fā)現(xiàn)了大量與海底冷泉活動(dòng)相關(guān)的麻坑、泥火山等海底流體逃逸地貌特征。
目前，主要通過海底可視技術(shù)、聲吶系統(tǒng)和地震技術(shù)來識(shí)別氣泡羽狀流(李燦蘋等，2016;韓同剛等，2018)，研究發(fā)現(xiàn)其具有以下特征：(1)冷泉噴口羽狀流單個(gè)氣泡半徑通常介于1~5mm之間(LeiferandMacDonald,2003;Romeretal.,2012b;Chen,2018);(2)羽狀流形態(tài)不一，在聲學(xué)圖像上呈細(xì)而長(zhǎng)的“火焰”(flare)形態(tài)(包括寶石體、傾斜體和椎體)且直徑差異較大，最大可達(dá)300~500m(段沛然等，2020);(3)大部分羽狀流在到達(dá)海面以下200~300m，氣泡會(huì)發(fā)生破裂溶解。形成于陸坡和深海的羽狀流規(guī)模巨大，氣泡流上升過程中受到“水合物外衣”的保護(hù)，弱化了水溶作用，其直徑從幾十米到幾百米不等，高度可達(dá)百米或千米量級(jí)，在回聲測(cè)深儀上有強(qiáng)后向散射特征。比如，劉斌和劉勝旋(2017)在南海北部陸坡瓊東南海域利用多波束數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)直徑約為30~50m、高度超過700m的大型冷泉羽狀流;在巴倫支海Mosby泥火山發(fā)現(xiàn)的羽狀流，在聲學(xué)剖面圖上呈寬約300m、高約500m的火焰狀異常(Sauteretal.,2006);在黑海Dvurechenskiy泥火山和Makran大陸邊緣發(fā)現(xiàn)的巨型羽狀流，高度都超千米，個(gè)別羽狀流高達(dá)2000m，是迄今發(fā)現(xiàn)最大的羽狀流之一(Greinertetal.,2006;Romeretal.,2012b)。而陸架和淺海羽狀流規(guī)模不及深海，且受潮汐運(yùn)動(dòng)影響，靜水壓力發(fā)生變化，退潮時(shí)羽狀流規(guī)模相對(duì)較大。但是在廢井22/4b和CoalOilPoint等受人為因素影響導(dǎo)致下伏儲(chǔ)層破壞的淺海區(qū)，也發(fā)現(xiàn)了劇烈噴溢的羽狀流(Hornafiusetal.,1999;Leifer,2015)。
2海底冷泉羽狀流的通量與歸宿
2.1通量計(jì)算與對(duì)比
幾十年來，很少有定量數(shù)據(jù)可以評(píng)估羽狀流在資源方面的作用和意義，特別是對(duì)深水冷泉區(qū)大型甲烷羽狀流的通量測(cè)量和估算。近年來，在不同海域相關(guān)研究人員正在開展對(duì)海底冷泉羽狀流通量的測(cè)量和時(shí)序變化的相關(guān)研究(SchneidervonDeimlingetal.,2011)。通常單個(gè)滲漏孔的通量很小，最小一般可達(dá)3.5ml/min(LeiferandMacDonald,2003)，最高可超13.9L/min(LeiferandBoles,2005;Artemovetal.,2007)，同時(shí)存在極少數(shù)噴溢劇烈的羽狀流通量接近90L/s(SchneidervonDeimlingetal.,2015)。為了便于比較文獻(xiàn)中冷泉區(qū)的氣體通量，本文將公布的氣體通量的單位統(tǒng)一換算成106mol/a和m3/a(表1)。
以往關(guān)于海底冷泉羽狀流的研究使用了不同的氣泡通量測(cè)量方法，包括聲學(xué)探測(cè)、光學(xué)直視和原位測(cè)量裝置等。其中，原位觀測(cè)成本較高且無法進(jìn)行大面積的海底羽狀流調(diào)查。多數(shù)研究根據(jù)可壓縮氣體定律(n=ZPV/RT)確定單個(gè)氣泡中的甲烷含量，其中，Z是甲烷的可壓縮性，R是通用氣體常數(shù)(8.314m3·Pa·mol-1·K-1)，n是在給定溫度T和靜水壓力P等條件下體積為V的氣泡釋放的甲烷通量。乘以假設(shè)的滲漏孔數(shù)量和每個(gè)滲漏孔的氣泡產(chǎn)生速率，可估算出滲漏區(qū)的甲烷通量，從而確定年排放量(Skarkeetal.,2014)。但是，各個(gè)冷泉噴口處的氣泡釋放和氣泡特性存在很大差異，簡(jiǎn)單根據(jù)單個(gè)滲漏孔的氣泡釋放率無法準(zhǔn)確估算出冷泉發(fā)育區(qū)的整體氣體逃逸通量。因此，需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量不同滲漏區(qū)域的多個(gè)冷泉噴口。
2.2歸宿
甲烷是大氣中最豐富的碳?xì)浠衔铮瑫r(shí)也是一種強(qiáng)大的溫室氣體，對(duì)全球氣候變化的影響僅次于水蒸氣和二氧化碳(Jessenetal.,2011;Dietal.,2019)。由于到達(dá)海面的甲烷氣體的量具有不確定性，針對(duì)海底活動(dòng)冷泉所排放的羽狀流中的甲烷等氣體的歸宿問題的研究越來越多。
影響水體中氣泡羽狀流歸宿的因素主要有水深、初始?xì)馀莸拇笮 ⑺疁亍Ⅺ}度以及甲烷濃度等(LeiferandPatro,2002;Sauteretal.,2006)。初始?xì)馀莸拇笮?duì)于甲烷的運(yùn)輸量至關(guān)重要，因?yàn)榕c較小的氣泡相比，較大的氣泡包含的甲烷量更多，可能將更多的初始甲烷氣體帶入淺水區(qū)(Macdonaldetal.,2002)。在淺海，大多數(shù)海底釋放的甲烷氣泡逃逸到大氣中(LeiferandPatro,2002)，例如在南海鶯歌海盆地的冷泉噴口，不斷有甲烷氣泡排出(單個(gè)氣泡的直徑為1~2cm)，形成高度超過10m的甲烷羽狀流(圖3b)，并最終到達(dá)海面擴(kuò)散到大氣中(Huangetal.,2009;Dietal.,2014)。而在深海釋放的甲烷歸宿更為復(fù)雜，當(dāng)甲烷氣泡在水深超過100m的海底釋放時(shí)，甲烷無法到達(dá)海面(Mcginnisetal.,2006)，因?yàn)榇罅康臍馀萑芙庥谒w以及微生物氧化作用都會(huì)消耗甲烷(LeiferandJudd,2015)。深海溶解的甲烷氣體為深海生態(tài)系統(tǒng)提供了能源，這在冷泉噴口附近發(fā)現(xiàn)的生物群落得到了驗(yàn)證(陳忠等，2007)。研究發(fā)現(xiàn)，在天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)上升的氣泡會(huì)受到天然氣“水合物外衣”的保護(hù)，不受水溶作用的影響，一旦這些氣泡接近天然氣水合物穩(wěn)定帶的上界，它們就開始溶解并最終消失(圖3c、圖3d)(Romeretal.,2012b,2014)。例如，在黑海Vodyanitskii泥火山進(jìn)行的聲學(xué)和視頻觀測(cè)表明，滲漏點(diǎn)排放出的甲烷氣泡摻雜著部分噴溢的天然氣水合物，形成了巨大的甲烷羽狀物，由于“水合物外衣”的保護(hù)，從海底上升約1200m，整體呈火焰狀(圖3a)(Sahlingetal.,2009)。同時(shí)，由于上升的氣泡加速水流而產(chǎn)生上升流，減少了羽狀流垂直運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，使其有可能到達(dá)海平面(Leiferetal.,2006)。除此之外還發(fā)現(xiàn)氣泡羽狀流的歸宿受羽狀流成分的控制(LeiferandMacdonald,2003)，含油的氣泡可能會(huì)到達(dá)海面，例如在墨西哥灣海面上出現(xiàn)的浮油氣泡(Solomonetal.,2009;Romeretal.,2019a)。雖然純凈甲烷氣泡(無表面活性劑)運(yùn)移速度快，但是氣泡尺寸隨時(shí)間變化速度快，容易破裂(LeiferandPatro,2002)。——論文作者：趙文宇1,2,3,童思友3,陳江欣1,2*,吳能友1,2,宋海斌4,賈永剛5,徐華寧1,2,段旻良1,2,3,劉斌6,陳珊珊1
