IssN1009-2722Marine Geology Letters海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2006,22(12):20-23文章編號(hào):1009-2722(2006)12-0020-04泥火山與天然氣水合物梁杰,龔建明,陳建文(青島海洋地質(zhì)研究所,青島266071)摘要:系統(tǒng)地介紹了泥火山在全球的分布特征;闡述了水下泥火山形成的原因和機(jī)制;總結(jié)出4類泥火山的形成原因和兩個(gè)泥火山形成機(jī)制;在此基礎(chǔ)上深入地分析了天然氣水合物與泥火山的關(guān)系及泥火山中天然氣水合物的資源量。關(guān)鍵詞:泥火山;天然氣水合物;形成機(jī)制中圖分類號(hào):P744.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A物);②局部特殊地形特征的出現(xiàn)。這些地貌1泥火山的研究意義在旁掃聲納圖上具有強(qiáng)烈的后反射,也可直接通過(guò)深潛器和水下攝像獲得。但在實(shí)際工作泥火山往往又被稱作泥質(zhì)底辟泥丘等,但中,即使是有兩個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn),確認(rèn)泥火山也是非實(shí)際上它們并不完全相同。常困難的。根據(jù)上述的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),我們可以對(duì)海底泥火山是一種海底地形建造,代表了已知的泥火山進(jìn)行分析、比對(duì)。已知的泥火山水、鹽水、氣體、石油或沉積物的流動(dòng)和噴發(fā)。大多分布在巴巴多斯島、墨西哥灣、尼日利亞泥火山與泥底辟有密切的聯(lián)系,可以說(shuō)所有的挪威、地中海、布萊克海、里海海域等海域,形成泥火山都與泥底辟相關(guān),反之卻不成立[1,2了9個(gè)主要的泥火山分布區(qū),其中,地中海內(nèi)的對(duì)泥火山的研究是非常必要的,其重要性泥質(zhì)底辟/火山機(jī)制區(qū)形成了連續(xù)的地中海海主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①泥火山是甲烷從山泥質(zhì)底辟帶( Limonov,1996)。許多地區(qū)的巖石圈進(jìn)入水圈和大氣圈的途徑之一;②它們水下泥火山具有以下標(biāo)志特征:①在海底附近為沉積物深處是否蘊(yùn)藏油、氣提供了證據(jù);③形成直徑可達(dá)數(shù)千米的次圓形結(jié)構(gòu),并可在測(cè)通過(guò)研究泥火山中的巖石碎屑可以了解深部的深圖或聲納圖上顯示出來(lái);②顯示在地震圖像信息:④水下泥火山可能影響鉆井、管線設(shè)計(jì)上的刺穿海底的泥質(zhì)底辟;⑧在聲學(xué)剖面上、和安裝;⑤與之密切相關(guān)的氣體水合物是一種深潛器實(shí)際觀察中無(wú)人深潛器、水下攝像觀察重要的、潛在的能源。中發(fā)現(xiàn)的海底構(gòu)造之上的流體泄漏;④淺水區(qū)中非永久性的泥質(zhì)小島;⑤水體表面的氣泡,2泥火山的特征與分布它們可能是泥火山釋放的。截止到目前為止在全球海域中發(fā)現(xiàn)有27般認(rèn)為確認(rèn)海底泥火山有兩個(gè)關(guān)鍵標(biāo)處分布有泥火山。在某些地區(qū)泥火山出現(xiàn)的幾準(zhǔn):①巖心中出現(xiàn)特殊的泥火山沉積(如泥質(zhì)率非常高。但在一些意想不到的海區(qū)也常有泥角礫包含一系列年齡組成構(gòu)造不同的沉積火山出現(xiàn)例如波羅的海。那里的沉積物厚度大約僅有10m,但卻發(fā)現(xiàn)有微型的泥火山(直收稿日期:2006-10-20徑1.5m,高約30cm)作者簡(jiǎn)介:杰(1979-),男,碩士,從事石油地質(zhì)研究水下泥火山的規(guī)模一般要大于陸上的。由第22卷第12期梁杰,等:泥火山與天然氣水合物21會(huì)有大量的泥火山被發(fā)現(xiàn)。泥火山幾乎都出現(xiàn)的出現(xiàn);③斷層的出現(xiàn);④側(cè)向構(gòu)造擠壓作于陸架、大陸或海底斜坡及陸內(nèi)海深水區(qū)中,對(duì)用;⑤地震活動(dòng);⑥地殼均衡過(guò)程。這些地區(qū)的地質(zhì)和構(gòu)造背景的研究對(duì)了解泥火(3)地球化學(xué)成因山活動(dòng)機(jī)制非常重要。①沉積物深部石油生成過(guò)程;②黏土脫在陸內(nèi)海的深水區(qū),如里海和布萊克海都水作用。發(fā)現(xiàn)有泥火山。這些地區(qū)的沉積物是陸源的,(4)流體地質(zhì)成因典型厚度為10~20km,形成于第三紀(jì)到現(xiàn)代,沿?cái)嗔褞У牧黧w遷移。具較高的沉降和堆積速率,泥質(zhì)底辟和斷層使可以看到,這些成因中有許多是相互連續(xù)許多沉積物層序發(fā)生形變。互相依賴的。在不同海區(qū),泥火山形成的成因在被動(dòng)大陸斜坡,水下泥火山主要分布在是不同的。這使泥火山的成因多種多樣,難以挪威、尼日利亞、墨西哥灣海域。在前兩個(gè)地區(qū)歸納出一個(gè)由確定的幾個(gè)因素構(gòu)成的泥火山形中,泥火山被限制在水下扇上沉積物由第三紀(jì)成原因。一個(gè)權(quán)益之計(jì)是明確泥火山形成的關(guān)陸源沉積物構(gòu)成沉積速率較高,并且在尼日爾鍵因素,以此預(yù)測(cè)泥火山的活動(dòng)區(qū)域,根據(jù)已知三角洲,有許多底辟體和斷層。墨西哥灣的大推測(cè)泥火山的分布規(guī)律?；谶@種考慮,我們陸斜坡是非常復(fù)雜的深水區(qū),該區(qū)地質(zhì)條件表可以確定兩個(gè)關(guān)鍵的泥火山成因條件:①在地現(xiàn)為快速沉積、斷裂活動(dòng)和底辟構(gòu)造等作用相中海深水區(qū)和被動(dòng)大陸邊緣上的高沉積速率;結(jié)合的特點(diǎn)。②在活動(dòng)大陸邊緣上的側(cè)向構(gòu)造擠壓作用。在活動(dòng)大陸邊緣上,泥火山在地中海和巴此外,在泥火山形成過(guò)程中必須有塑性黏土層巴多斯島海域的存在已得到證實(shí),但這些地區(qū)的出現(xiàn),另外在許多地區(qū),水下泥火山多形成于的地質(zhì)和構(gòu)造背景不同。在地中海海域,泥火那些具有高沉積速率和側(cè)向擠壓作用的區(qū)域。山僅分布在增生楞柱區(qū)內(nèi),區(qū)內(nèi)以復(fù)雜的推覆泥火山的成因常與其形成機(jī)制有關(guān)。泥火構(gòu)造為特征。巴巴多斯海域,泥火山除了分布山的形成作用一般被認(rèn)為是深部積累的氣體破在增生楞柱區(qū)外,在楞柱之前的海區(qū)中也有分壞、刺穿海底的底辟活動(dòng)液化沉積物沿?cái)鄬由喜?而這些地區(qū)的沉積物厚度僅有2.3km?？偵饔眉八衔锓纸獾漠a(chǎn)物。通過(guò)分析泥火山體來(lái)看大多數(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的泥火山主要分布在活的地震剖面和形態(tài)特征可以確定,所有的泥火動(dòng)大陸邊緣上。山具有兩個(gè)形成機(jī)制( Milkov,2000)。機(jī)制一:泥火山直接形成于底辟體之上,這3水下泥火山形成的原因和機(jī)制些底辟體可能到達(dá)海底表面。里海的一些泥火山可能就是這種機(jī)制的產(chǎn)物。該類泥火山通?？茖W(xué)工作者們對(duì)泥火山形成的原因和機(jī)制規(guī)模比較大,直徑可達(dá)7km,高度可達(dá)200m,提出了不同的看法。歸納主要有4~7種泥火可由多個(gè)噴口形成。沉積層的密度倒轉(zhuǎn)或是山的形成原因,它們可以分成4大類:沿?cái)鄬拥臄D壓作用造成了底辟體上升至海底表(1)地質(zhì)原因面,這種與底辟有關(guān)的泥火山的形成常常依賴①巨厚的沉積蓋層(8~22km),沉積物主于流體的遷移作用,也與沉積物粒度、底辟物質(zhì)要為陸源碎屑;②沉積層的次表面有泥質(zhì)塑性的固結(jié)程度相關(guān)。層存在;③具有巖石密度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象;④在沉積機(jī)制二:液化的沉積物沿?cái)鄬雍蛿嗔洋w系向物深部有氣體積累出現(xiàn);⑤有高壓力異常。上遷移。在這種情況下,具高流體含量的沉積物(2)構(gòu)造條件到達(dá)海底表面形成泥火山建造。這些泥火山可①由于高沉積速率或逆沖塊體超覆而造能與由密度倒轉(zhuǎn)形成的底辟相聯(lián)系,而底辟很可22Marine Geology Letters海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2006年12月和布萊克海區(qū)就有這種泥火山出現(xiàn)5,然而,在的賦存情況分析表明,天然氣水合物普遍存在于很多情況下底辟位于泥火山之下,無(wú)法直接觀泥火山或泥底辟頂部附近2。在泥火山的任何測(cè)泥火山通道直接穿入物源層。流體遷移在這部位水熱和交代過(guò)程的混合都可能出現(xiàn)。種機(jī)制中也起著根本性的作用。由于壓力差的存在,流體與泥土一起或單獨(dú)活動(dòng)。在后者的情況下,流體泄漏(鹽水、水、氣體)在泥火山形成之前就已經(jīng)存在,。這樣形式的泥火山以泥巖角流體礫中高流體含量為特征,形成較平坦的圓錐建◇氣體造,高出海底數(shù)米,或是表現(xiàn)為從海底裂隙中噴水合物出的泥流。從已有的實(shí)例來(lái)看,以第2種機(jī)制形◇成的泥火山在海底比較常見(jiàn)。GHSz oGHSZ4天然氣水合物與泥火山的關(guān)系天然氣水合物與泥火山的關(guān)系首先是由a泥火山中心部分以水熱過(guò)程為主的形成模式;b泥火山邊緣以交代過(guò)程為主的形成模式burg發(fā)現(xiàn)的。此后,在里海、布萊克海、地中海、巴巴多斯海區(qū)、尼日利亞海域和墨西哥灣圖1泥火山中天然氣水合物形成模式(據(jù)Mkv,2000海域都發(fā)現(xiàn)了與泥火山有密切聯(lián)系的水合Formation of gas hydrate in mud volcanoes物10。1996年“ Gelendzhik”號(hào)的TTR6航次對(duì)位于克里木大陸邊緣(黑海北部)東南面的5泥火山中天然氣水合物資源量Sorokin海槽采樣,在5個(gè)含有泥質(zhì)角礫巖的巖心中均觀察到了氣體水合物( Henrie,2000。進(jìn)甲烷是與泥火山相關(guān)的水合物的主要?dú)怏w步證實(shí)了底辟構(gòu)造與水合物的密切關(guān)系。組分。為了估算世界上這種水合物中甲烷的含與泥火山有關(guān)的水合物具有許多共同的特量,我們必須首先要知道水合物聚集體中的甲點(diǎn)譬如沉積物中水合物的顏色常常表現(xiàn)為白色烷濃度,其次是泥火山中所含水合物的數(shù)量或灰白色,常以片狀形式出現(xiàn),在沉積物中很少對(duì)里海海域泥火山中所含水合物的數(shù)量估出現(xiàn)定向分布等等。沉積物中水合物含量變化算研究比較深入,取得了一些相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)巨大(體積百分比范圍1%~35%,在泥火山的全球海洋中泥火山蘊(yùn)含水合物數(shù)量的計(jì)算是在不同深度上水合物含量變化都比較大。甲烷是已知泥火山分布區(qū)內(nèi)的,泥火山的分布密度的氣體水合物的主要成分,在成因上可分為熱成基礎(chǔ)上獲得的。 Brown和 Westbrook((1988)算因、生物成因和混合成因3種。對(duì)挪威海域泥火得巴巴多斯海域泥火山的密度約有450個(gè)每山的研究發(fā)現(xiàn)泥火山中的水合物集聚體具有同150000km2。在其他一些地區(qū)泥火山密度可心帶狀構(gòu)造,受溫暖的上涌流體的控制:2能要小些,例如,布萊克海域?yàn)榇蠹s30個(gè)、里海圖1是建立在挪威海域數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的泥火大約60個(gè),而地中海東部則超過(guò)150個(gè)。也有山中水合物成礦過(guò)程的模型,這種模型,它以呈某些海域僅有唯一的泥火山,比如挪威海域。同心帶狀分布的水合物為特征。氣體水合物即所有溫度壓力符合水合物形成的深水泥火可出現(xiàn)在泥火山建造內(nèi)也可出現(xiàn)在它周?chē)某辽絽^(qū)都屬于大陸和洋島的斜坡部分,或是內(nèi)陸積物內(nèi)但兩者間的水合物形成過(guò)程是不同的,海的深水區(qū)。這些形態(tài)單元的總面積大約為然而,從這些地區(qū)(墨西哥灣鄂霍次克海、里海、70×10km2(大約占世界海洋總面積的第22卷第12期梁杰,等;泥火山與天然氣水合物23度代人所有可能出現(xiàn)泥火山的海域,那么就可量可以估算與全球深水泥火山相關(guān)的氣體水合以得到世界深水泥火山總數(shù)的上限數(shù)值,大約物聚集中的甲烷量。為200000個(gè)。根據(jù)其他海區(qū)的泥火山密度可參考文獻(xiàn):以算得相對(duì)低一些的估算值,分別為里海40000個(gè)、布萊克海5000個(gè)、地中海3000個(gè),因[1] Plank S, Svensen H, Holand M,etal. Mud and fluid此,103~105是世界上深水泥火山總數(shù)的合理migration in active mud volcanoes in Azerbaijan [J].估算值。根據(jù)泥火山密度的實(shí)際觀察結(jié)構(gòu)來(lái)Geo-Marine Letters, 2003. 23: 258-268[2] Brown K M, Westbrook G K Mud diapirism and sucre-看,這些估算值是比較合適的tion in the barbadosaccretionary complex The to然而,不是所有的泥火山都含有水合物role of fluids in accretionary processes [J]. Tectonics在巴巴多斯海域,在5個(gè)取樣的泥火山中僅有1988,7;613-640.1個(gè)證實(shí)含有水合物;在布萊克海的深水區(qū),8[3] Ginsburg G D, Soloviev V A Mud volcano gas hydrates個(gè)采樣的泥火山中僅發(fā)現(xiàn)兩個(gè)含有水合物;在in the Gaspian Sea []. Bulletin of the Geological Societyof denmark,1994,41:95-100.地中海 Olimpi k,采得23個(gè)泥火山和底辟體[ Brown K M. The nature and hydrogeologic significance的樣品,未發(fā)現(xiàn)水合物,但 Brumback(199)報(bào)of mud diapirism and diatremes for accretionary systems道,通過(guò)孔隙水標(biāo)志,表明這些泥火山中存在水[]. Geophysical Research, 1990, 9518969-8 982合物;在地中海 Anaximander區(qū),采得6個(gè)泥[5] Asses, Sweet S T, Milkov A v,etl. Geology and ge火山的樣品,僅發(fā)現(xiàn)1個(gè)含有水合物,因此,含ochemistry of gas hydrated central Gulf of Mexico conti-水合物的泥火山量可能僅占泥火山總量的nental slopeD]. Gulf Coast Association of Geological So-cieties Transactions, 1999, 49: 462-46810%。根據(jù)單個(gè)泥火山的水合物含量、世界含[6 Hernry P, Le pichon x, Lallemant S,etal. Fluid flow in水合物的泥火山數(shù)量以及水合物中甲烷的含and around a mud volcano field seaward of the Barbados量,可以算得世界泥火山中水合物的甲烷總量accretionary wedge: results from Manon cruise[J]Re-為1010~1012m3。但這只是一個(gè)初步的估算search,1996,101:20297-20323值,要精確的了解世界泥火山所蘊(yùn)藏的甲烷總7] Ginsburg G D, Ivanov V L, Soloviev V A Natuhydrates of the worlds oceans[C]//. Oil and Gas Con-量還需進(jìn)一步的工作。tent of the Worlds Oceans, PGO Sevmorgeologia, 1984.141-1586結(jié)論[8] Ginsburg G D, Milkov A V, Soloviev V A, et al. Gas hydrate accumulation at the Haakon Mosby mud volcano[]. Geo- Marine Letters,1999,19,57-67.(1)己發(fā)現(xiàn)或推測(cè)存在海底泥火山的所有[9] Ginsburg G D, Kremlev A N, Grigor'ey M N,et al. Fil-地區(qū)都局限于陸坡、島坡和內(nèi)陸海的深水區(qū)。trogenie gas hydrates in the black Sea( twenty-first voy-這些地區(qū)的地質(zhì)和構(gòu)造特征表明海底泥火山的age of the research vessel Evpatoria)[J]. Sov. Geol.形成有兩種主要原因:高沉積速率,橫向構(gòu)造擠Geophys.,1990,31;8-16壓,但也需要存在塑性黏土層,并且泥火山形成[10] Corthay I,J E. Delineation of a massive seafloor hydroand s需要的其他條件也都源自這兩個(gè)主要原因。gas reservoir, Louisiana continental slope [C]//Of(2)泥火山中氣體水合物形成的通用模型shore Technology Conference, Houston, Texas, 1998,是:泥火山中心的氣體水合物形成是水和甲烷37-56滲濾驅(qū)動(dòng)的低溫?zé)嵋哼^(guò)程,而在泥火山的邊緣[1] Kvenvolden K a. Methane hydrate-a major reservoir of氣體水合物由甲烷擴(kuò)散和與地層水的混合所驅(qū)carbon in the shallow geosphere? [J] Chemical Geol動(dòng)的交代作用所形成gy,1988,71:41-51[12] Kvenvolden K A, Ginsburg G D, Soloviev V A. World-(3)通過(guò)計(jì)算深水泥火山的總數(shù)量、含水wide distribution of subaquatic gas hydrate [J].Geo-