南極南設(shè)得蘭陸緣天然氣水合物儲(chǔ)層地球物理研究進(jìn)展

摘要： 南極南設(shè)得蘭陸緣天然氣水合物分布廣泛，因其在資源、地質(zhì)災(zāi)害及全球氣候變化等方面具有重要作用，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。為此，從天然氣水合物儲(chǔ)層的地震識(shí)別特征、水合物相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造、水合物儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)以及水合物與氣候變化關(guān)系等方面對(duì)南設(shè)得蘭陸緣水合物儲(chǔ)層的地球物理研究工作進(jìn)行了梳理和總結(jié)，獲得了幾點(diǎn)思考與認(rèn)識(shí)，以期為今后天然氣水合物勘探開發(fā)及氣候變化研究提供一定的參考借鑒。最后對(duì)該區(qū)域水合物儲(chǔ)層地球物理研究方向進(jìn)行了展望，認(rèn)為綜合利用海底地震儀數(shù)據(jù)的縱橫波信息開展水合物儲(chǔ)層三維表征研究、深入研究天然氣水合物對(duì)全球變暖的響應(yīng)機(jī)制及其反饋?zhàn)饔玫仁俏磥碇匾陌l(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 天然氣水合物，南設(shè)得蘭陸緣，地球物理研究，氣候變化

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000-7210. 2024. 06. 025

0 引言

天然氣水合物，又稱“可燃冰”，是一種由天然氣分子（主要為甲烷）與水分子在低溫、高壓以及充足氣源條件下形成的似冰狀固態(tài)化合物[1]，主要分布于大陸邊緣海底沉積物和陸地永久凍土帶中。它被普遍認(rèn)為是繼煤層氣、致密氣、頁巖氣之后最具潛力且有希望接替化石能源的一種儲(chǔ)量巨大的新型潔凈能源[2-3]。另一方面，天然氣水合物與地球環(huán)境密切相關(guān)，水合物的分解可能破壞海底穩(wěn)定性，誘發(fā)海底滑坡、滑塌等地質(zhì)災(zāi)害[4]，釋放的甲烷氣體會(huì)對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生影響[5-6]。因此，無論是從能源需求、地質(zhì)災(zāi)害還是氣候影響的角度來說，開展天然氣水合物研究都具有重要意義。

南極陸緣天然氣水合物的調(diào)查和研究始于20世紀(jì)70 年代。Mciver[7]在羅斯海深海鉆探計(jì)劃第28 航次3 個(gè)鉆孔（271、272 和273 鉆孔）巖心中發(fā)現(xiàn)了高含量的烴類氣體（主要是甲烷），認(rèn)為鉆孔下部沉積物中可能含有水合物，這是關(guān)于南極陸緣存在水合物的首次報(bào)道。之后，大洋鉆探計(jì)劃航次和地球物理調(diào)查航次相繼在該陸緣發(fā)現(xiàn)水合物存在的地球物理和地球化學(xué)證據(jù)[8-9]。目前南極陸緣具有7 個(gè)潛在的天然氣水合物分布區(qū)，分別為南設(shè)得蘭陸緣、南極半島的太平洋陸緣、羅斯海陸緣、威爾克斯地陸緣、普林斯灣陸緣、里瑟—拉森海陸緣和南奧克尼群島東南陸緣[10]。其中，南設(shè)得蘭陸緣是進(jìn)行水合物調(diào)查研究最集中的地區(qū)。南設(shè)得蘭陸緣是典型的活動(dòng)型大陸邊緣，該地區(qū)溝—增生楔—弧前盆地序列發(fā)育，為天然氣水合物的形成和聚集提供了有利的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。意大利國家南極計(jì)劃三次地球物理調(diào)查表明南設(shè)得蘭陸緣廣泛存在天然氣水合物[11-12]。通過對(duì)水合物成藏條件的分析，發(fā)現(xiàn)南設(shè)得蘭陸緣具備水合物形成的氣源、溫壓、沉積體系及地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境[13-14]。

開展深海包括極地資源探測是國家的重大戰(zhàn)略，其中南極地區(qū)的天然氣水合物資源是未來優(yōu)先考慮的重點(diǎn)之一。此外，南極是對(duì)全球氣候變化響應(yīng)最為敏感的地區(qū)之一，同時(shí)也是近幾十年來海洋溫度升高速度最快的地區(qū)之一，長期的海洋變暖可能會(huì)導(dǎo)致水合物分解從而釋放出甲烷[15]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)南設(shè)得蘭陸緣的天然氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行了地球物理研究，加深了人們對(duì)該地區(qū)水合物系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。本文對(duì)南設(shè)得蘭陸緣水合物儲(chǔ)層的地球物理研究工作進(jìn)行梳理和總結(jié)，以期為水合物勘探開發(fā)及氣候變化研究提供一定的參考借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

南設(shè)得蘭陸緣位于南極半島的太平洋陸緣東北側(cè)，代表了南極地區(qū)唯一殘留的古生代—中生代岡瓦納俯沖陸緣，處于古菲尼克斯海洋板塊俯沖到南極板塊的匯聚板塊邊界，也是南設(shè)得蘭臺(tái)地和菲尼克斯洋殼微板塊之間的匯聚帶。由于南設(shè)得蘭微板塊之下南極和古菲尼克斯板塊的俯沖，陸緣構(gòu)造背景復(fù)雜，形成一套典型的溝—增生楔—弧前盆地的沉積序列[16-17]。大約在4 Ma 前，南極—菲尼克斯脊停止擴(kuò)張[18]。目前，俯沖過程被大洋板塊的下沉和逆行所控制，這種被動(dòng)俯沖與布蘭斯菲爾德海峽邊緣盆地的伸展形成了耦合[17-20]。南設(shè)得蘭陸緣呈現(xiàn)兩個(gè)不同的疊加構(gòu)造區(qū)域：較老的區(qū)域是與中生代俯沖構(gòu)造作用相關(guān)的岡瓦那大陸邊緣；較為年輕的是與一個(gè)主要為外延構(gòu)造階段相聯(lián)系的漸新世發(fā)展起來的西部斯科舍海[14，21]。

總體而言，位于地球最南端的南極板塊，其大陸邊緣多為非活動(dòng)型大陸邊緣，但在南極半島附近海域，由于古菲尼克斯板塊的不斷俯沖，形成以南設(shè)得蘭海溝為代表的活動(dòng)型大陸邊緣[10]。南設(shè)得蘭陸緣溝―增生楔―弧前盆地發(fā)育，為天然氣水合物的聚集成藏提供了有利的地質(zhì)構(gòu)造背景。

2 天然氣水合物儲(chǔ)層地球物理研究成果

2. 1 地球物理數(shù)據(jù)

意大利國家南極計(jì)劃（PNRA-Progetto Nazionaledi Ricerche in Antartide） R/V OGS Explora1989―1990 航次、1996―1997 航次、2003―2004 航次[11-12]先后在南設(shè)得蘭陸緣進(jìn)行了地球物理調(diào)查（圖1），目的是驗(yàn)證南設(shè)得蘭陸緣潛在天然氣水合物儲(chǔ)層的存在，并重建其構(gòu)造環(huán)境。在第一次調(diào)查中，僅采集了多道地震數(shù)據(jù)，震源系統(tǒng)是由兩個(gè)15支氣槍組成的陣列，總?cè)萘繛?5 L，炮間距為50 m。記錄系統(tǒng)為道間距25 m、總長為3000 m 的120 道電纜。第二次資料采集使用相同的電纜，而震源由兩條GI 氣槍組成相干槍陣，氣槍總?cè)萘繛?. 5 L，炮間距為25 m。此外，沿具有明顯似海底反射層（BottomSimulating Reflector，BSR）特征的地震測線布設(shè)了1個(gè)海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer， OBS）臺(tái)站，OBS 由1 個(gè)壓力檢波器和3 個(gè)速度檢波器構(gòu)成，數(shù)據(jù)記錄長達(dá)20 s，采樣間隔為2 ms。最后一個(gè)航次在該區(qū)域采集了OBS 數(shù)據(jù)和其他地球物理數(shù)據(jù)，包括多道地震數(shù)據(jù)、淺剖數(shù)據(jù)、多波束測深數(shù)據(jù)以及沉積物重力樣。多道地震數(shù)據(jù)采集使用長600 m、48 道的數(shù)字固態(tài)電纜，采樣間隔為1 ms；淺剖數(shù)據(jù)由BenthosCAP-6600 系統(tǒng)采集獲得，工作頻率7 kHz。此航次采用Reson Seabat 8150 多波束測深儀回聲系統(tǒng)進(jìn)行海底地形測量，測量面積約為5500 km2。該系統(tǒng)具有234 個(gè)波束，發(fā)射頻率為12 kHz，測深范圍為100～15000 m。沉積物重力樣利用重力活塞取樣器分別取得了長度為1. 07 m 和2. 98 m 的沉積物巖心。