陸域凍土區(qū)天然氣水合物勘探研究進(jìn)展

裴發(fā)根, 方 慧, 杜炳銳, 呂琴音

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000；2.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，成都 610059；3.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查技術(shù)研究中心，廊坊 065000；4.自然資源部地球物理電磁法探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，廊坊 065000)

0 引言

天然氣水合物是在高壓、低溫條件下(通常壓力>10 MPa，溫度0℃～10 ℃)形成的以水分子為主體分子、天然氣(甲烷、乙烷、二氧化碳等)為客體分子的籠形結(jié)晶化合物[1]，主要分布在大陸邊緣海域和陸域多年凍土區(qū)中，具有分布廣、能量密度高、資源量大等優(yōu)點(diǎn)。已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要以結(jié)構(gòu)I型甲烷水合物為主，而甲烷是目前所有使用的碳?xì)浠衔镏信欧盼廴咀钌俚那鍧嵞茉碵2]。因此，天然氣水合物被視為克服當(dāng)前能源危機(jī)、減少環(huán)境污染的可行替代品，尤其是能源資源匱乏的我國、印度、日本等國家。

盡管陸域凍土區(qū)的天然氣水合物資源量在天然氣水合物資源總量中占比較少，但凍土區(qū)水合物資源量也可達(dá)1013m3～1016m3[3-4]，如阿拉斯加北坡水合物可開采的資源量約為2.42×1012m3[5]，顯示了其巨大的能源資源潛力。我國的凍土面積達(dá)215 × 104km2，是世界第三大凍土大國[6]。羌塘盆地、木里盆地、埡口盆地和青海烏麗地區(qū)等凍土區(qū)均具有良好的天然氣水合物資源勘探前景[7-8]，初步估算我國凍土區(qū)水合物資源量可達(dá)3.8×1013m3[9]，尤其是位于青藏高原東北緣的祁連山木里凍土區(qū)具備了水合物成藏的源-運(yùn)-儲及多年凍土等條件，2008年首次實(shí)現(xiàn)了中緯度凍土區(qū)鉆獲水合物實(shí)物樣品的突破[10]。陸域凍土區(qū)天然氣水合物在成藏控制因素、賦存狀態(tài)、物性特征等方面均與海域天然氣水合物表現(xiàn)出明顯不同，導(dǎo)致其在天然氣水合物的勘探識別標(biāo)志表現(xiàn)出顯著差異。海域天然氣水合物具有似海底反射界面(BSR)、雙層BSR、BSR下方空白反射或弱反射帶、速度振幅下拉、地震煙囪、較低的氯濃度值、與麻坑泥火山和冷泉相伴生等地質(zhì)、地球物理地球化學(xué)等指示標(biāo)志[11-15]。然而，陸域凍土區(qū)的水合物無BSR等典型的識別標(biāo)志，導(dǎo)致海域成熟的地球物理地球化學(xué)水合物勘探技術(shù)并不能很好地應(yīng)用于凍土區(qū)水合物的調(diào)查評價，特別是我國凍土區(qū)唯一發(fā)現(xiàn)水合物地區(qū)——祁連山木里地區(qū)，區(qū)內(nèi)水合物具有埋深淺、儲存在固結(jié)良好成巖巖石裂隙與孔隙之中、儲層物性條件差、橫向與縱向非均質(zhì)性強(qiáng)等獨(dú)特性質(zhì)，導(dǎo)致我國凍土區(qū)水合物探測面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

自2009年以來，依托于中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所(物化探所)牽頭完成國家863計劃課題“凍土帶天然氣水合物地球物理勘查技術(shù)”、水合物國家專項下屬項目“陸域天然氣水合物勘查技術(shù)研究與集成”、國土資源部行業(yè)科研專項“凍土區(qū)天然氣水合物物化探技術(shù)攻關(guān)”、地質(zhì)調(diào)查項目“陸域凍土區(qū)天然氣水合物勘查技術(shù)方法集成”、“青南藏北凍土區(qū)天然氣水合物資源勘查”、“東北凍土區(qū)天然氣水合物資源勘查(物化探所)”等項目及課題，在青藏高原與漠河盆地等凍土區(qū)，歷經(jīng)十多年水合物勘探技術(shù)攻關(guān)，在地球物理、地球化學(xué)、測井等方面形成了系列成果與認(rèn)識，作者將我國陸域凍土區(qū)水合物勘查技術(shù)、識別標(biāo)志、環(huán)境效應(yīng)等研究取得的主要進(jìn)展進(jìn)行概述。

1 凍土區(qū)天然氣水合物勘探歷程

20世紀(jì)60年代，在西西伯利亞北部馬爾卡氣田和麥索雅哈氣田報道了凍土天然氣水合物[16-17]，而后有學(xué)者計算獲得俄羅斯西西伯利亞盆地、Timan-Pechora盆地等凍土區(qū)水合物穩(wěn)定帶底界分布范圍在400 m～2 000 m之間[18]；20世紀(jì)70年代，相繼在加拿大麥肯齊三角洲地區(qū)和美國阿拉斯加北坡普拉德霍灣地區(qū)發(fā)現(xiàn)了水合物實(shí)現(xiàn)物樣品[19-20]；1998年，加拿大地質(zhì)調(diào)查局與日本國家石油公司、美國能源部門、美國地質(zhì)調(diào)查局等合作，在加拿大馬利克地區(qū)實(shí)施了世界首個陸上凍土區(qū)水合物鉆探工程，并估算了馬利克地區(qū)的水合物資源量；2002年，加拿大馬更些凍土區(qū)天然氣水合物試驗性開采獲得成功，采用降壓法和加熱法共產(chǎn)天然氣516 m3[21]，2006年～2008年，采用改進(jìn)的降壓法進(jìn)行較長期的試開采，生產(chǎn)天然氣13 000 m3[22]；2012 年，采用CO2與N2置換法在阿拉斯加北坡普羅德霍灣地區(qū)的水合物試驗井進(jìn)行水合物試采，累計產(chǎn)天然氣約3×104m3[23]，依據(jù)美國天然氣水合物開發(fā)和研究規(guī)劃，將繼續(xù)開展阿拉斯加地區(qū)的天然氣水合物開采試驗研究，以推動水合物開發(fā)的商業(yè)化進(jìn)程。

與上述國家相比，我國對陸域水合物的研究起步相對較晚。20世紀(jì)80年代，陸續(xù)翻譯與報道國外水合物研究成果；1990年中科院下屬科研院所在實(shí)驗室合成氣水合物，后續(xù)開展了青藏高原凍土層的天然氣水合物的研究工作[24]，認(rèn)為青藏高原存在形成重?zé)N類水合物的凍土及溫壓條件[25]。針對青藏高原永凍土區(qū)，諸多學(xué)者研究認(rèn)為其具有較好的天然氣水合物成礦遠(yuǎn)景[26-30]，并估算了水合物資源量在1.2×1011m3～2.4×1014m3[29]。作為青藏高原東北緣典型的多年凍土區(qū)——祁連山凍土區(qū)，依據(jù)區(qū)內(nèi)烴類氣體組分、凍土層厚度、地溫梯度等數(shù)據(jù)，認(rèn)為其滿足水合物形成的溫壓條件，估算水合物穩(wěn)定帶厚度[30]；2008年在區(qū)內(nèi)成功鉆獲水合物實(shí)物樣品，使我國成為中緯度凍土區(qū)首次鉆遇水合物的國家，也是至今為止，全球范圍內(nèi)唯一一個發(fā)現(xiàn)水合物的中緯度凍土區(qū)；此后，物化探所在基本科研項目、863課題、地質(zhì)調(diào)查與行業(yè)專項項目資助下，開展了陸域凍土區(qū)天然氣水合物勘探技術(shù)攻關(guān)，形成了一系列水合物勘探成果與認(rèn)識，推動了凍土區(qū)水合物調(diào)查、評價與研究，2013年8月依據(jù)物化探預(yù)測成果提出的井位建議，經(jīng)專家充分論證，確立了DK-9鉆探實(shí)驗井成功獲取了水合物，單層厚度超過20 m，累計厚度為45.56 m，取得了水合物 “擴(kuò)邊”勘查的重大進(jìn)展。2011年與2016年，在木里凍土區(qū)分別成功地完成了直井與水平對接井天然氣水合物試采，受區(qū)內(nèi)水合物儲層“三低”(低孔、低滲和低含水合物飽和度)，與第一次直井試采相比，第二次試采累計產(chǎn)氣量明顯提升，但也僅為1 078.4 m3[31]，然而，本次水合物試采形成的技術(shù)與工藝推動了我國陸域試采模擬實(shí)驗技術(shù)的快速發(fā)展，也為我國水合物下一步開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 取得的主要成果與進(jìn)展

物化探所通過十多年凍土區(qū)水合物地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)攻關(guān)，取得了以下主要成果與進(jìn)展。

2.1 確立了凍土區(qū)天然氣水合物綜合地球物理地球化學(xué)識別標(biāo)志與判別特征

針對木里凍土區(qū)天然氣水合物，開展了二維反射地震、低頻探地雷達(dá)、音頻大地電磁測深、高密度電法、可控源音頻大地電磁測深、地面核磁共振、綜合地球物理測井、土壤地球化學(xué)、巖屑地球化學(xué)測井等物化探方法試驗，獲得了凍土帶天然氣水合物的綜合地球物理地球化學(xué)識別標(biāo)志與特征。

在凍土區(qū)水合物儲層地震學(xué)屬性特征研究方面，未發(fā)現(xiàn)類似于環(huán)北極圈凍土區(qū)水合物明顯的地震學(xué)響應(yīng)特征，也未發(fā)現(xiàn)類似于海域水合物的BSR指示標(biāo)志，受木里凍土區(qū)水合物層與圍巖之間聲速、密度差異較小的緣故，區(qū)內(nèi)的水合物未表現(xiàn)較為明顯的波阻抗異常特征。因而開展了二維地震采集試驗、井震約束處理、地震屬性分析、數(shù)值模擬等攻關(guān)研究，初步確立了“高頻”、 “弱振幅”作為判別水合物儲層的兩個重要特征[32-36]，由于木里地區(qū)的特殊性，利用單一的地震方法直接識別水合物儲層難度較大[37]。

在水合物電性響應(yīng)特征方面，音頻大地電磁測深、可控源音頻大地電磁測深、高密度電法均能夠較好地劃分永凍土層、識別斷裂構(gòu)造[38-42]，但考慮到探測深度、青藏高原特殊的地形地貌、供電條件、電磁干擾、實(shí)施難易程度等因素，優(yōu)選了音頻大地電磁測深作為探測高原凍土區(qū)水合物的一種主要方法[43]。在此基礎(chǔ)之上，開展凍土區(qū)天然氣水合物數(shù)值理論模擬、實(shí)測數(shù)據(jù)的電性響應(yīng)研究，認(rèn)為中高阻異常特征作為識別水合物儲層的電性標(biāo)志[36,44-46]，確立了電磁法是直接探測水合物儲層和間接探測與水合物成藏密切相關(guān)的凍土、斷裂等控制因素的有效方法。

在水合物雷達(dá)電磁波響應(yīng)研究方面，由于含水合物儲層與不含水合物圍巖在介電常數(shù)、電阻率參數(shù)上具有明顯差異[47]，為使用探地雷達(dá)探測水合物提供了良好的物性條件。首先，開展了探地雷達(dá)探測水合物實(shí)驗室電磁特征研究，實(shí)驗結(jié)果表明雷達(dá)波對水合物層具有良好的電磁響應(yīng)，且獲取了不同含水合物飽和度條件下介電常數(shù)的變化規(guī)律[48-49]，為開展數(shù)值模擬研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其次，進(jìn)行了基于青藏高原凍土區(qū)地電模型的數(shù)值理論模擬，并首次開展了基于偽隨機(jī)編碼大功率低頻探地雷達(dá)的野外試驗及水合物儲層弱信號提取等研究，結(jié)果表明水合物儲層表現(xiàn)為強(qiáng)振幅變化、頻率突變的反射特征[50-51]，可作為水合物層識別標(biāo)志[43]。

在水合物綜合地球物理測井響應(yīng)研究方面，極地凍土區(qū)水合物儲層表現(xiàn)高聲速、高電阻率的測井響應(yīng)特征[52]。然而，通過對木里凍土區(qū)水合物儲層的自然伽馬、視電阻率、聲波時差、密度、井徑等測井參數(shù)統(tǒng)計分析，結(jié)果表明不同類型的水合物儲層表現(xiàn)出來的特征有所差異，總體來說，水合物儲層主要表現(xiàn)為高電阻率特征[36,43,53-55]，其中砂巖儲層水合物儲層表現(xiàn)為高電阻率、低自然伽馬；泥巖裂縫型儲層表現(xiàn)為高電阻率、略低密度值；頁巖裂縫型則表現(xiàn)為高電阻率、高縱波速度[43,54]。

在水合物地球化學(xué)響應(yīng)特征方面，在木里凍土區(qū)開展了酸解烴法、頂空氣法、游離烴法、熱釋光法、熱釋汞法、惰性氣體法、地球化學(xué)測井法等方法有效性試驗，獲取了凍土區(qū)水合物地球化學(xué)響應(yīng)特征。其中，酸解烴異常、頂空氣異常、負(fù)Cl元素異常可作為探測水合物的標(biāo)志與特征，游離烴異常、惰性氣體異常、熱釋汞異常、微量元素(Ba、V、Fe 和Ca 等)異常等可作為水合物輔助判別特征[56-67]。此外還運(yùn)用了微生物調(diào)查技術(shù)、同位素方法技術(shù)等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)甲烷碳同位素低值異常、烴氧化微生物豐度異常等對水合物具有一定指示作用[56, 67]。

2.2 創(chuàng)新集成了陸域凍土區(qū)天然氣水合物地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)體系

通過在青藏高原、漠河凍土區(qū)開展多門類、多方法的地球物理、地球化學(xué)、測井等技術(shù)方法探測水合物有效性試驗，創(chuàng)新集成了陸域凍土區(qū)天然氣水合物勘查技術(shù)體系。地球物理勘查技術(shù)主要用于凍土分布、斷裂構(gòu)造、地下水、溫壓穩(wěn)定帶等水合物成藏控制因素和水合物儲層的探測，主要方法技術(shù)包括:①反射地震；②音頻大地電磁測深；③大功率低頻探地雷達(dá)；④地面核磁共振技術(shù)和綜合測井技術(shù)。地球化學(xué)勘查技術(shù)則是獲取水合物烴類氣體來源與氣體成因及識別水合物儲層的重要技術(shù)手段，主要方法技術(shù)有：①酸解烴技術(shù)；②頂空氣技術(shù)；③游離烴技術(shù)；④熱釋汞方法技術(shù)；⑤同位素方法技術(shù)；⑥惰性氣體方法技術(shù)；⑦微生物方法技術(shù)等。

通過凍土區(qū)的水合物探測方法技術(shù)試驗，建立了適用于青藏高原凍土區(qū)高分辨率反射地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)，即小道距、小炮距、高覆蓋次數(shù)和長排列接收、可控震源、冬季施工采集方案，可降低淺表凍融層吸收影響，提高信噪比和分辨率[32,37,68-70]。確立了音頻大地電磁觀測時段、時長、極距、天氣等關(guān)鍵采集參數(shù)，降低“死頻段”低信噪比的影響，有效提升數(shù)據(jù)質(zhì)量[71]。創(chuàng)新集成了一套基于偽隨機(jī)編碼的大功率低頻探地雷達(dá)，并應(yīng)用于木里地區(qū)天然氣水合物勘探取得良好的探測效果，其有效探測深度可達(dá)200 m[43,51]。通過凍土區(qū)的地面核磁共振試驗確立了脈沖的持續(xù)時間、脈沖間歇時間、疊加次數(shù)和單邊邊長等重要參數(shù)，其有效探測深度可達(dá)150 m。綜合地球物理測井具有探測精度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是在水合物儲層識別和儲層評價最有效的方法之一。通過多參數(shù)測井方法試驗，優(yōu)選視電阻率、聲波時差、自然伽馬、密度、超聲成像等參數(shù)作為凍土區(qū)探測水合物主要測井技術(shù)手段。此外，通過開展凍土區(qū)水合物地球化學(xué)試驗與研究[56-67,72-77]，系統(tǒng)分析了我國陸域凍土區(qū)水合物特征，提出了地質(zhì)背景調(diào)查、土壤調(diào)查、井中化探和烴源巖調(diào)查4 種工作手段為一體的“四位一體”凍土區(qū)水合物地球化學(xué)方法技術(shù)體系[67]。

在間接探測水合物方面，反射地震主要用于與水合物成藏密切相關(guān)的斷裂構(gòu)造推斷、地層劃分、巖性識別等[34,37]；音頻大地電磁測深可用于刻畫凍土分布、劃分?jǐn)嗔褬?gòu)造等[38-46]；低頻探地雷達(dá)可用于查明凍融層、永凍土分布[50-51]；地面核磁共振主要用于劃分凍土層和地下水發(fā)育情況調(diào)查[43]。頂空氣、酸解烴、游離氣法等技術(shù)方法可用于分析水合物烴源氣體條件[57-58,61,67-78]。

在直接識別水合物儲層方面，音頻大地電磁的中高阻異常(位于斷裂帶附近)的電性特征和低頻探地雷達(dá)的強(qiáng)振幅變化、頻率突變的反射特征可作為水合物儲層的識別標(biāo)志[36,44-46,50-51]；反射地震中高頻、弱振幅地震學(xué)響應(yīng)特征可作為水合物儲層輔助判別特征[32-36]；由于木里凍土區(qū)儲層類型復(fù)雜，不同參數(shù)測井對不同類型水合物儲層有所差異，總體而言，視電阻率測井對水合物儲層敏感，其中，聲波時差測井對頁巖裂隙型儲層敏感，自然伽馬測井對砂巖孔隙型儲層、密度測井對泥巖裂隙型儲層均具有一定敏感性[36,43,53-55]。井中地球化學(xué)中的酸解烴、頂空氣、同位素分析技術(shù)可用于圈定水合物儲層[43]。

依據(jù)凍土區(qū)水合物地球物理地球化學(xué)勘查方法技術(shù)特點(diǎn)，提出了凍土區(qū)水合物普查與詳查階段采用的勘查技術(shù)方法組合。①普查階段，針對陸域天然氣的水合物潛在分布的凍土區(qū)，應(yīng)首先在小比例尺、大范圍凍土區(qū)地質(zhì)普查工作，其工作內(nèi)容主要包括：區(qū)域斷裂構(gòu)造、凍土分布、地形特征和區(qū)域烴類異常等，主要是利用音頻大地電磁測深、二維地震、探地雷達(dá)等方法技術(shù)，結(jié)合凍土特征、地球化學(xué)異常評價天然氣水合物賦存潛力，進(jìn)一步縮小勘查范圍，優(yōu)選有利區(qū)塊；②詳查階段：在優(yōu)選有利區(qū)塊之后，利用更為精細(xì)的地球物理方法組合開展有利區(qū)詳查工作。在優(yōu)選的有利區(qū)塊內(nèi)，開展大比例尺的地球化學(xué)掃面、音頻大地電磁測量、探地雷測測量工作，查明與天然氣水合物成藏要素的特征，包括大比例尺斷裂構(gòu)造分布特征、永凍土發(fā)育情況、烴類異常等，確定天然氣水合物賦存可能性的區(qū)域，開展淺層反射地震、地面核磁共振等工作，結(jié)合各類技術(shù)方法的異常特征和識別標(biāo)志情況，確定探井位置，實(shí)施鉆探和地球物理測井、巖石物理實(shí)驗和井中地球化學(xué)樣品分析工作，依據(jù)相關(guān)的鉆探與測井結(jié)果對其他方法進(jìn)行約束，提升水合物地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)方法應(yīng)用水平。

2.3 建立了適用于凍土區(qū)固結(jié)型天然氣水合物儲層評價方法

以巖石物理實(shí)驗為基礎(chǔ)，獲取了木里凍土區(qū)的地層參數(shù)，同時，對實(shí)物巖心采用X 射線和CT 掃描技術(shù)構(gòu)建了水合物儲層數(shù)字巖心模型，為開展凍土區(qū)水合物儲層數(shù)值模擬和儲層評價研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)[55,79]。通過數(shù)值模擬判別了木里凍土區(qū)水合物的微觀接觸關(guān)系——以接觸型水合物分布類型為主，分析了不同條件作用下的電性響應(yīng)特征和主要控制因素，探討了產(chǎn)生機(jī)理和對巖石宏觀物理特性的影響規(guī)律[55]，為建立凍土區(qū)水合物微觀特征與宏觀屬性之間的聯(lián)系奠定了良好的基礎(chǔ)。

開展了木里凍土區(qū)固結(jié)型天然氣水合物儲層參數(shù)評價方法研究，結(jié)果表明自然伽馬測井是計算泥巖含量的可靠方法[80]，提出了密度測井更適合于區(qū)內(nèi)儲層的孔隙度評價[54]；活度分層法對地層巖性劃分具有較好應(yīng)用效果[81]; 對于泥質(zhì)含量<10%水合物儲層，應(yīng)采用阿爾奇公式計算水合物飽和度；對于泥質(zhì)含量≥修正10%水合物儲層，應(yīng)采用修正阿爾奇公式和印度尼西亞公式[54]。在此基礎(chǔ)之上，開發(fā)了水合物測井評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括測井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理、測井響應(yīng)特征與巖性分析、巖性與儲層識別技術(shù)和儲層參數(shù)計算與評價四大功能模塊[82]，登記了軟件著作權(quán)2項，分別為“祁連山木里地區(qū)天然氣水合物測井解釋軟件”和“陸域凍土區(qū)水合物參數(shù)最優(yōu)化解釋軟件”，為我國陸域凍土區(qū)水合物儲層評價和資源量估算提供可靠的技術(shù)支撐。

2.4 構(gòu)建了木里凍土區(qū)天然氣水合物成藏模式和綜合勘查模型

借鑒環(huán)北極凍土區(qū)和海域地區(qū)水合物成藏控制要素的研究思路與成果，以天然氣水合物油氣系統(tǒng)理論為指導(dǎo)[5,83-84]，根據(jù)祁連山木里地區(qū)天然氣水合物地質(zhì)、地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)和鉆探成果，分析了凍土、斷裂構(gòu)造、水合物穩(wěn)定帶、烴源巖等地質(zhì)條件對水合物成藏的控制作用，總結(jié)了木里地區(qū)天然氣水合物成藏模式(圖1)，并進(jìn)一步建立了水合物地球物理地球化學(xué)綜合勘查模型(圖2)，木里凍土區(qū)成藏模式和綜合勘查模型對我國陸域凍土區(qū)水合物勘查具有重要意義，可為后續(xù)凍土區(qū)水合物調(diào)查評價提供科學(xué)有益的指導(dǎo)。

圖1 祁連山木里凍土區(qū)天然氣水合物成藏模式[42]Fig.1 Schematic diagram of gas hydrate accumulation in the Muli area of Qilian mountains

圖2 祁連山木里凍土區(qū)天然氣水合物勘查模型[62]Fig.2 Schematic diagram of the natural gas hydrate reservoir comprehensive exploration model in the Muli area of Qilian mountains

以水合物地球物理異常特征、水合物地球化學(xué)異常特征、凍土厚度、水合物穩(wěn)定帶厚度、斷裂分布等為預(yù)測變量，采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、特征分析、邏輯斯諦回歸預(yù)測等多種線性與非線性算法，自主開發(fā)了凍土區(qū)天然氣水合物成藏預(yù)測系統(tǒng)，預(yù)測得到了木里地區(qū)的水合物成藏有利區(qū)分布(圖3)，圈定了3個Ⅰ級有利區(qū)和4個Ⅱ級有利區(qū)，其中，在Ⅰ級有利區(qū)內(nèi)，凍土發(fā)育良好，其厚度大都大于65 m，具有較厚的水合物穩(wěn)定帶厚度；在電性上，呈現(xiàn)了“中高阻”異常特征；低頻探地雷達(dá)表現(xiàn)為“強(qiáng)振幅”特征，指示著水合物儲層的雷達(dá)電磁波反射特征；在過DK3-DK9的近東西向的地震剖面上表現(xiàn)為“弱振幅、中等波阻抗”特征；在地球化學(xué)異常上，基本位于頂空氣甲烷環(huán)狀異常和酸解烴甲烷的頂部高值異常區(qū)域內(nèi)，且位于地球化學(xué)多指標(biāo)分形-GIS預(yù)測異常區(qū)內(nèi)。

圖3 木里凍土區(qū)鉆探核心區(qū)水合物成藏有利區(qū)分布圖Fig.3 Distribution map of favorable areas for hydrate accumulation in the core area of the Muli permafrost area

2.5 凍土區(qū)天然氣水合物環(huán)境效應(yīng)研究

據(jù)估算，天然氣水合物所含的碳資源量幾乎是其他碳資源量總和的兩倍[85]，是全球重要的碳庫。天然氣水合物是亞穩(wěn)定性產(chǎn)物，隨著溫度與壓力條件的擾動變化，會發(fā)現(xiàn)分解(亦或生成)。早在上世紀(jì)八九十年代，已有學(xué)者認(rèn)識到水合物穩(wěn)定條件的改變導(dǎo)致甲烷等氣體發(fā)生泄漏，對全球氣候、環(huán)境產(chǎn)生巨大影響[86-87]。地質(zhì)歷史時期上的缺氧、變暖等氣候變化、生物滅絕事件可能與水合物的災(zāi)難性分解有關(guān)[88-89]。

針對祁連山木里凍土區(qū)水合物試開采區(qū)開展環(huán)境效應(yīng)研究是一項具有十分必要且重要的工作。圍繞著水合物試采前后開展了甲烷和二氧化碳監(jiān)測、水合物開采前后地層穩(wěn)定性等研究工作，結(jié)果表明：①區(qū)內(nèi)高寒草原、草甸區(qū)甲烷排放具有季節(jié)性變化和區(qū)域分布特點(diǎn)[90-92]，最大吸收值約是最大排放值的5倍，表現(xiàn)為巨大的碳匯能力[91,93]，對青藏高原碳循環(huán)乃至我國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均具有重要意義；②水合物試采期間，甲烷含量略微降低，未造成甲烷明顯排放；而試采引起了二氧化碳含量升高，可能與甲烷燃燒釋放產(chǎn)物有關(guān)，水合物試采對區(qū)內(nèi)環(huán)境的影響可控[90, 93-94]；③推斷水合物降壓試采引起原水合物儲層電阻率增加的主要原因為焦耳-湯姆遜效應(yīng)和水合物分解吸熱導(dǎo)致冰相地層形成而引起的，試采后不會對地層的穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響[95]。這些試驗性研究成果可為陸域凍土區(qū)水合物的環(huán)境效應(yīng)和試采地層穩(wěn)定性評價提供有益的指導(dǎo)。

3 展望

盡管我國陸域凍土區(qū)天然氣水合物勘查起步較晚，但經(jīng)過十多年的不懈努力，建立了凍土區(qū)水合物地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)體系，歸納總結(jié)了陸域區(qū)水合物識別標(biāo)志與判別特征，在水合物儲層評價與環(huán)境效應(yīng)研究等方面也取得諸多認(rèn)識。隨著凍土區(qū)水合物勘探進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，筆者對后續(xù)水合物調(diào)查研究作了以下三個方面的展望。

1) 開展“深淺兼顧、常規(guī)油氣與水合物兼探”綜合調(diào)查評價。俄羅斯的麥索雅哈氣田、阿拉斯加北坡普拉德霍海灣-庫帕魯克河地區(qū)以及我國的祁連山木里凍土區(qū)，均發(fā)現(xiàn)了常規(guī)油氣田(或油氣顯示)與天然氣水合物共生成藏關(guān)系，淺部的水合物藏對中-深部的油氣藏具有一定的指示作用，因而，應(yīng)開展以油氣與水合物為主的綜合資源勘探，可節(jié)約勘探成本，提升聯(lián)合勘探效益。

2) 加強(qiáng)青藏高原凍土、水合物分解逸散之環(huán)境效應(yīng)研究。眾多學(xué)者研究表明，隨著全球氣候變暖，青藏高原凍土正發(fā)生退化，凍土退化將引起生態(tài)環(huán)境連鎖反應(yīng)，凍融層范圍擴(kuò)大、凍土底板上移均可導(dǎo)致水合物穩(wěn)定帶厚度變薄，助推凍土區(qū)內(nèi)水合物發(fā)生分解，將引起甲烷氣體釋放，進(jìn)一步加劇氣候變暖。目前國際上對水合物環(huán)境效應(yīng)多集中于海洋地區(qū)，以及環(huán)北極圈地區(qū)的數(shù)值模擬研究。青藏高原水合物環(huán)境效應(yīng)研究較為滯后，甲烷排放特征、同位素變化規(guī)律、主要控制因素和成因機(jī)制等缺乏可靠有效論據(jù)支持，開展青藏高原水合物環(huán)境效應(yīng)實(shí)地監(jiān)測和數(shù)據(jù)模擬研究不僅有助于了解地質(zhì)歷史時期水合物分解與氣候變化的耦合關(guān)系，也可提升水合物分解(或形成)對未來生態(tài)環(huán)境變遷的預(yù)測能力。

3) 加強(qiáng)凍土區(qū)水合物勘查技術(shù)推廣應(yīng)用，建立普適性的凍土區(qū)水合物識別標(biāo)志和特征，優(yōu)化凍土區(qū)水合物成藏模式和勘查找礦模型。由于木里凍土區(qū)水合物成藏具有特殊性，集成的水合物勘查技術(shù)與水合物識別標(biāo)志與特征對我國凍土區(qū)水合物勘探是否具有普適性，需要在其他陸域凍土區(qū)進(jìn)一步驗證。同時，青藏高原具有廣闊的水合物和油氣資源勘探前景，建立不同類型的水合物成藏模式和找礦模型，豐富陸域凍土區(qū)水合物成藏理論，為陸域凍土區(qū)水合物勘探與開發(fā)提供指導(dǎo)。

致謝：

衷心感謝祝有海研究員、盧振權(quán)研究員、趙省民研究員、王平康副研究員、龐守吉副研究員、肖睿、張帥等老師和專家對陸域水合物勘查工作給予的支持、指導(dǎo)和幫助；非常感謝物化探所凍土區(qū)水合物勘查項目組各位同仁在野外數(shù)據(jù)采集與研究工作中所付出的汗水與努力。