鄂霍次克海天然气水合物的成矿机制探讨.docx
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鄂霍次克海天然气水合物的成矿机制探讨
鄂霍次克海天然气水合物的成矿机制探讨
1研究现状
自20世纪80年代起，前苏联在鄂霍次克海域进行了较为系统的海洋地质和地球物理调查，通过调查，科学家们对该海域的深部地壳结构、上地幔过程、地震活动、岩浆作用、沉积地层结构和海底地貌等有了基本的认识[1-2]。
1986—1989年进行的西太平洋计划，除了一些基础的地质和地球物理调查外，天然气水合物调查研究也被列入该计划的调查内容之中。
这是鄂霍次克海较早涉及天然气水合物调查研究的大型项目。
在此基础之上，1991年实施了专门的天然气水合物调查航次。
1994年~1996年，俄罗斯科学院远东分院对该地区的天然气水合物成因机制、分布规律以及海底冷泉和天然气水合物的关系实施了海洋地质和地球物理调查。
而俄罗斯与德国之间的KOMEX计划[3]和俄罗斯、韩国、日本三国之间的CHAOS合作计划[4]均在鄂霍次克海域获取了天然气水合物的样品。
在此需要特别指出的是，2006年5月在由中、俄、韩、日四国共同组织的“鄂霍次克海天然气水合物”联合航次调查中（见图1），成功地在海底冷泉区获取了天然气水合物样品。
除此之外，该航次还获得了碳酸盐岩结壳样品、冷泉区生物样品、沉积物样品以及大量的地球物理数据资料。
图12006年四国联合调查航次的研究区域及站位（粗实线为板块边界，细直线为地震测线，黑圆点是测量站位，方框内是联合调查的调查区域）
2研究区概况
鄂霍次克海位于太平洋的西北角，以千岛岛弧为界与太平洋分隔开，其海域面积仅次于我国的南海，是西北太平洋大陆边缘中第二大边缘海。
鄂霍次克海大致呈菱形，其南北两边走向北东，长约2000km，东西两边则大致为南北走向，长约1700km。
海域四周除南部的千岛岛弧之外，其他三面为高山环抱。
北部的吉单山脉、切斯基山脉和朱格朱尔山脉，长达3000多千米，海拔高度都超过2000m。
萨哈林岛是鄂霍次克海盆的西边界，长1000km，南部是南北走向的低山，最大高度1609m，北部是地势较低的堆积平原。
区域的南边界是日本的北海道岛，最高的朝日山高1190m。
千岛岛弧位于区域的南部，它包括35个大岛和若干个小岛，总长度1200km，岛弧上有130多个火山，其中活火山39个。
海域的东部为堪察加半岛，堪察加半岛可划分为几个南北向的构造带，分别是西部平原区、中部山脉区，山脉平均高度1400m，最大高度3621m，为环绕鄂霍次克海域的最高峰。
堪察加半岛向北连接东西伯利亚大陆，向南连接千岛岛弧,将鄂霍次克海与太平洋分开。
3成矿机制
3.1气源条件
3.1.1沉积物物源
鄂霍茨克海周边的高大山系为其提供了丰富的沉积物来源。
每年大量的沉积物通过河流、冰川、滑塌等方式从周边山区输送到鄂霍次克海，造就了该海域宽广深厚的大陆架沉积体系。
例如，北部从尚塔湾到舍列霍夫湾的宽达300km的陆架，是世界上最宽广的陆架之一；萨哈林岛东部和堪察加半岛西部的陆架宽度也均在100km左右。
鄂霍次克海海盆深度从四周向中心逐渐变深。
由此可见该区域沉积物来源之丰富。
3.1.2沉积地层厚度
鄂霍茨克海域由于有丰富沉积物源的供给，沉积地层非常发育。
在陆架地区，沉积地层的厚度可超过10km[5]。
鄂霍次克海盆广泛发育新生代沉积。
前新生代基底在几个地方出现露头，新生代沉积盖层在某些区域凹陷中可超过10km。
3.1.3有机碳含量（TOC）
Waseda指出，如果地层总有机碳含量小于0.5%时，就不可能形成水合物。
而且世界其他已知水合物区的有机质含量也都在0.5%以上。
如美国东南布莱克海台地区155m以下的沉积地层的平均TOC含量为0.8%~1.4%，加拿大卡斯卡迪亚大陆边缘沉积地层有机碳含量在1.5%左右。
由于鄂霍茨克海特殊的地理位置，其沉积物来源和有机质含量都非常丰富。
据相关统计显示，从西北海岸进入鄂霍茨克海域的溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）分别为13.6和0.9TgC/a[6]。
阿穆尔河每年向鄂霍次克海注入的淡水中溶解有机碳估计为2.5TgC/a[6]，这个数量可与世界大河的输入量相提并论。
进入鄂霍次克海中部的有机碳通量为45g/m2/a[7]，这个数值在西太平洋边缘海中都是相当高的。
通过对获得的柱状样的观察可知，鄂霍次克海还去沉积地层的有机质含量很高。
在萨哈林岛东北陆坡地区以及邻近的德鲁根盆地边缘的柱状样显示含有大量的硅藻沉积物，颜色呈现黑绿、深绿色。
此外还含有大量的硫化氢，甲烷的含量也非常高。
沉积物的颜色和气味，以及较高的甲烷气体含量都不同程度的表明该沉积物中由较高的有机质含量。
已有的资料显示，尽管不同地区沉积物有机质含量有所不同，但是含量普遍较高，一般在1.5%之上[8]，均远高于了Waseda提出的形成天然气水合物的有机碳含量标准。
3.1.4沉积速率
天然气水合物的形成受沉积速率的影响，较高的沉积速率有利于水合物的发育。
一般条件下，沉积速率高的地区沉积物的孔隙度也较大，因此有利于水合物储集的空间也就较大。
同时，快速沉积有利于大量的有机物质在未受氧化的条件下在地层中被迅速掩埋，这为后期甲烷的生物转化提供了更多的母源物质。
在已知的水合物区，地层的沉积速率一般都超过3cm/ka，如东太平洋边缘的中美洲海槽，新生代沉积地层的沉积速率可达105cm/ka；美国布莱克海台晚中新世至全新世的沉积速率为4~34cm/ka[9]。
Ternois等人和Gorbarenko等人在鄂霍次克海区取得的GGC-15和936两个柱状样根据14C测年所得到的沉积速率最低为5.5cm/ka，多数层位的沉积速率测量结果都接近或者超过10cm/ka。
而Karp等根据千岛盆地北缘的反射地震剖面，估算更新世到全新世地层厚度为0.2s（双程走时），由此计算得出该地区自第四纪以来的沉积速率为13cm/ka。
表1根据14C测年对鄂霍次克海区两个柱状样品获得的沉积速率
样品
深度
沉积速率/（cm/ka）
文献
GGC-15
52
6.7
Ternois等，2001
102
11.7
152
10.9
222
9.7
936
50
16.5
Gorbarenko等，2004
100
10.0
150
14.0
250
9.0
300
12.5
350
8.0
400
5.5
450
7.2
500
7.2
550
72
600
7.2
650
7.2
由上述众人的研究可以看出，该海区沉积速率较高。
总体上看，如此之高的沉积速率是有利用水合物形成的。
如前所述，鄂霍次克海的北部陆架区沉积物来源丰富，沉积速率可能达到更高值。
3.2温度条件
天然气水合物的形成和赋存还受到温度和压力的严格限制。
总体上说，低温和高压的条件有利于天然气水合物的形成及稳定赋存。
鄂霍次克海地处高纬度地区，冬季受西伯利亚冷空气影响范围较大，冬季大部分海面被覆盖。
夏季海水温度会高一些，但是表层水温一般不超过10℃。
在2006年的四国联合调查中发现，在海面之下50~120m之间存在一个低温层，常年温度保持在冰点附近。
水体温度自这个低温层往下开始升高，在水深800m左右，温度达到2℃左右，然后水温又开始降低。
在海底附近，水温一般为1.8℃。
在鄂霍次克海区，从陆架直至海盆，海底温度都较低，一般接近冰点温度，这样的温度条件显然有利于水合物的形成和赋存。
图22006年，四国联合调查航次测得的水体温度剖面
3.3压力条件
由于地层互相挤压、高压圈闭气体以及温度异常变化等原因引起的地层压力变化难以估算，一般对天然气水合物进行压力分析时考虑静水压力和静岩压力两个因素。
在温度分布已知的条件下，通过压力分析，可以了解水合物发育的水深范围以及海底下赋存水合物的地层厚度，也可称为水合物稳定带。
对于鄂霍次克海来说，海底温度取2℃来计算，水深350m所提供的压力条件就可以满足水合物的赋存压力条件（见图3）。
一般情况下，水深越大，海底温度越低，所以整个鄂霍次克海350m以下的范围均符合水合物发育的压力条件。
假定浅表层沉积物密度为2000kg/cm3，温度梯度为30℃/km[10]，根据水合物相图（见图3），在350m水深条件下，海底以下450m后的地层范围均可赋存水合物；在水深为3000m时，海底以下800m的地层范围可有水合物的存在。
图3水合物相图
3.4地质构造条件
鄂霍次克海位于北美板块、欧亚板块、太平洋板块和阿穆尔板块之间，从四个方向受到这四大板块的挤压，形成了独立的鄂霍次克微板块。
板块的东南边界是千岛海沟，太平洋板块沿海沟俯冲到鄂霍茨克微板块的下面。
板块的西边界是北海道——萨哈林右旋走滑断裂带，将鄂霍茨克微板块与阿穆尔板块分开。
由于构造的原因，在萨哈林岛东部的陆架和陆坡区沿着这条右旋走滑断裂带发育了一系列的挤压和拉张构造。
由于构造挤压作用，盆地中的沉积地层发生了不同程度的褶曲。
从前人观测的地震剖面上可以看出（图4a），下部沉积地层褶曲变形的程度要高于上部的沉积地层。
部分地区的下部地层由于受到强烈的挤压作用而上刺上覆地层，形成了底辟构造。
从剖面D上可以看出，该地区泥底辟十分地发育（图4a）。
挤压形成的泥底辟刺穿海底形成了泥火山。
这种泥火山在萨哈林岛的东北陆坡和相邻的海盆地区尤为发育（图7b）。
一般来说，泥火山是流体和气体垂向运移最为有效的通道，有利于天然气水合物的形成。
由鄂霍次克海区陆坡和邻近海盆发育的泥火山为水合物在此区域的形成和运移提供了有力的条件。
图4鄂霍茨克海地震剖面D所展示的由于挤压而形成的泥底辟构造（a）和地震剖面C上的海底泥火山（b）（剖面位置见图1）
4结论
鄂霍茨克海沉积物供给丰富，沉积层厚度大。
鄂霍次克海周边的高山为其提供了丰富的沉积物来源，并在鄂霍次克海中形成了宽广的陆架体系。
陆架区的沉积地层厚度一般超过10km，主要以新生代为主。
鄂霍次克海沉积物中有机碳含量较高，沉积速率较快。
根据前人的调查研究发现，位于千岛盆地边缘的总有机碳含量超过了0.5%，其他测站总有机碳含量最低也超过了1%，均超过了形成水合物的有机碳含量最低要求。
根据地震剖面和柱状样的14C测年结果得出的沉积速率也较高。
这两者为水合物的形成奠定了丰富的物质基础。
鄂霍茨克海的温度、压力条件也适合水合物的形成和赋存。
鄂霍茨克海地处高纬度地区，冬季大部分海区冰冻，夏季的水温也普遍在10℃以下。
在海面下150~200m的水深处存在一个低温层。
这个低温层使海水的温度保持在2℃左右。
在这样的温度条件下，鄂霍茨克海350m以深的区域均满足水合物赋存的压力条件。
在海底以下，水合物稳定层的厚度为450~800m。
鄂霍茨克板块位于四大板块之间，并受到四大板块的挤压作用。
由于挤压作用，在萨哈林岛东侧的陆坡区形成了一系列的海底泥火山构造，为水合物的形成和运移提供了良好通道。
鄂霍茨克海域的沉积物源、沉积厚度、沉积速率、有机碳含量等均构成了该区域水合物发育的良好条件，而温度和压力条件以及构造条件也非常有利于该地区天然气水合物的发育。
总之，该地区天然气水合物的前景十分广阔。
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