主動(dòng)、被動(dòng)大陸邊緣天然氣水合物成藏模式對比

胡高偉 卜慶濤 呂萬軍 王家生 陳 杰 李 清 龔建明 孫建業(yè) 吳能友

1.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室 3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）海洋學(xué)院

1 主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣天然氣水合物成藏研究概況

天然氣水合物（以下簡稱水合物）廣泛分布于世界大陸邊緣海底和陸地永久凍土帶中[1]，大陸邊緣介于海岸線和深海洋盆之間，包括大陸架、大陸坡和大陸隆（或海溝）等海底地貌單元，可分為主動(dòng)大陸邊緣（也稱太平洋型大陸邊緣、匯聚大陸邊緣、活動(dòng)大陸邊緣等）和被動(dòng)大陸邊緣（也稱大西洋型大陸邊緣、穩(wěn)定大陸邊緣、非活動(dòng)大陸邊緣等）[2-4]。不同大陸邊緣沉積物中水合物賦存的控制因素和成藏模式有所差異[5]，開展兩者之間的對比研究對于理解水合物富集規(guī)律及指導(dǎo)水合物勘探開發(fā)具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣水合物發(fā)育情況已有較多的研究[5-12]，其對比研究大致可分為點(diǎn)對點(diǎn)對比研究階段（20世紀(jì)60年代—80年代末，以單孔鉆探點(diǎn)對點(diǎn)對比為主，偏重于揭示兩種不同地質(zhì)背景下水合物成藏的共同特征[2-3,10-11]）、有利成藏構(gòu)造單元對比研究階段（20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)初，逐漸形成了水合物成藏系統(tǒng)觀[13-17]）和成藏系統(tǒng)研究與成藏模式對比階段（21世紀(jì)初至今，對典型區(qū)域的水合物成藏系統(tǒng)進(jìn)行了深入解剖，逐步形成成藏模式規(guī)律性認(rèn)識(shí)[8,18-20]）。

水合物成藏系統(tǒng)研究覆蓋氣體生成、運(yùn)移、最終聚集成藏的整個(gè)過程，具體集中在氣源、輸導(dǎo)體系、有利儲(chǔ)集空間和高壓低溫穩(wěn)定帶等四大要素方面。氣體來源及類型主要為生物成因氣、熱解成因氣和混合氣[21]。最新的研究成果認(rèn)為：蛇紋巖化生烴作用可提供無機(jī)成因氣[22]；氣體運(yùn)移通道主要包括底辟構(gòu)造、斷層、裂隙與高滲透層等，運(yùn)移通道的展布、規(guī)模及運(yùn)移效能，對水合物成藏富集和飽和度大小具有重要的影響[23]；溫度、壓力、孔隙水鹽度和氣體組分決定了水合物穩(wěn)定帶的厚度，而良好的沉積儲(chǔ)集空間是水合物能夠富集成藏的重要保證[20]；依據(jù)儲(chǔ)集空間的不同主要將水合物藏分為孔隙型和裂隙型[24-25]，依據(jù)甲烷氣體運(yùn)移方式與通量大小可分為低通量下的擴(kuò)散型（Distributed Low-Flux Gas Hydrate）和高通量下的滲漏型（Focused High-Flux Gas Hydrate）[26]。水合物聚集成藏的整個(gè)過程中，上述要素不可或缺[27-28]。

圖1 研究區(qū)位置及水合物分布示意圖

表1 主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣主要水合物區(qū)域分布表[2-3,29-37]

對世界范圍水合物與主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣分布范圍進(jìn)行投點(diǎn)分析和統(tǒng)計(jì)研究，結(jié)果表明（圖1、表1）：水合物主要賦存于主動(dòng)大陸邊緣的增生楔和被動(dòng)大陸邊緣的泥火山、泥底辟、麻坑、斷層、丘狀體及冷泉噴口等地區(qū)。總體來說，構(gòu)造演化、全球海平面變化、沉積物供給等控制了海底沉積層中物質(zhì)充填樣式[38]，制約著沉積體系內(nèi)物性空間展布與演化[39-40]，沉積過程中有機(jī)質(zhì)的輸入控制了海底有機(jī)質(zhì)和氣源的空間分布[10]；構(gòu)造—沉積體系的演化伴隨著空間上溫度、壓力的變化，決定了沉積物中有機(jī)質(zhì)—甲烷—水合物體系物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的速率[41]，并控制著物質(zhì)存在的形式以及沉積物孔隙流體組成與性質(zhì)的變化。因此可以看出，構(gòu)造演化和沉積充填特征既決定了含甲烷流體流動(dòng)的動(dòng)力場，又決定其物理化學(xué)場[8,42]，從而在影響沉積物中水合物形成與分解的動(dòng)態(tài)變化方面具有至關(guān)重要的作用[43]，是控制水合物分布及富集的主控因素。然而，主動(dòng)、被動(dòng)大陸邊緣因具有顯著不同的應(yīng)力場，對孔隙流體、物質(zhì)遷移的控制模式有著很大的差別，其具體表現(xiàn)形式及對水合物成藏過程和空間分布具有何種影響，目前尚未取得清晰的認(rèn)識(shí)。

筆者選取主動(dòng)大陸邊緣卡斯凱迪亞（Cascadia）和日本南海（Nankai）海槽、被動(dòng)大陸邊緣布萊克海臺(tái)（Blake Ridge）和尼日爾三角洲盆地（Niger Delta Basin）等典型水合物成藏區(qū)為研究對象，通過IODP航次資料解剖和數(shù)值模擬分析等手段，從應(yīng)力場角度探討兩種背景下含甲烷流體流動(dòng)樣式的控制，開展主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣水合物成藏模式對比研究，以期為認(rèn)識(shí)我國南海復(fù)雜邊緣的水合物富集規(guī)律及成藏模式提供參考。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)地質(zhì)背景與水合物勘探概況

研究區(qū)如圖1所示。Cascadia主動(dòng)大陸邊緣位于東北太平洋胡安·德富卡（Juan de Fuca）板塊向北美板塊俯沖的 Cascadia 俯沖增生楔上[44]，Juan de Fuca板塊每年以約45 mm、幾乎垂直的方向向北美板塊俯沖，在變形前沿向海方向，Cascadia沉積了前更新統(tǒng)半深海沉積，上覆快速沉積、總厚度達(dá)2 500 m的更新統(tǒng)濁積巖。國際大洋鉆探ODP204航次和IODP311航次對該區(qū)進(jìn)行了較為深入的研究[45-46]。ODP204航次在水合物海嶺南峰從峰頂?shù)叫逼屡璧毓层@9個(gè)站位，水深介于700～1 000 m，代表了通過構(gòu)造抬升形成的背斜和斜坡盆地不同構(gòu)造部位[45]。IODP311航次鉆探目標(biāo)是檢驗(yàn)該區(qū)水合物形成及控制模式的參數(shù)[46-47]，在橫切整個(gè)大陸邊緣、水深900～2 200 m范圍內(nèi)，共實(shí)施鉆探了5個(gè)站位（U1325、U1326、U1327、U1328、U1329），代表著水合物在Cascadia邊界的不同演化階段，從最早出現(xiàn)于西面的增生脊到最后出現(xiàn)在走向東面界限的稍淺水區(qū)。

日本Nankai海槽位于菲律賓海西北日本島弧西南部，也是典型的主動(dòng)大陸邊緣。Kumano弧前盆地位于日本本州島的Kii半島[48-49]，旁邊發(fā)育日本Nankai增生楔（中新世—距今15 Ma），菲律賓板塊以平均每年40.0～58.4±1.2 mm的速度和300°～315°方向向歐亞板塊俯沖。Kumano盆地是日本Nankai海槽最大的弧前盆地，東西延伸100 km，南北延伸70 km，水深2 000 m以下，底部相對平坦并充滿海底扇沉積體系，沉積體系而后被斷層切斷[50]。由角度不整合可以將盆地分為4個(gè)基本單元，盆地內(nèi)沉積物由于盆地向海邊緣的抬升而下沉，沉積中心隨之變化。在日本Nankai海槽Kumano近海和Kumano盆地向陸斜坡的下方觀察到平行于海底的BSR。

Blake Ridge東南延伸方向與北美大陸邊緣成正交，是典型的被動(dòng)大陸邊緣。ODP164航次在該區(qū)最早組織了水合物航次調(diào)查，共在3個(gè)不同區(qū)域鉆獲巖心樣品：布萊克海脊、開普菲爾底辟以及布萊克海脊底辟。其中991、992和993站位位于開普菲爾底辟之上或附近；994、995和997站位位于布萊克海脊的東部邊緣之上；996站位則位于布萊克海脊之上[51]。

Niger Delta Basin是早白堊世開始發(fā)育的被動(dòng)大陸邊緣盆地，包括裂谷期和漂移期兩個(gè)演化階段，盆地形成發(fā)育與岡瓦納大陸裂解和南大西洋、赤道大西洋張開有關(guān)。始新世以來長期海退形成了現(xiàn)今的Niger Delta Basin。

2.2 研究方法

采用資料分析和數(shù)值模擬方法，分別以Cascadia大陸邊緣、日本 Nankai海槽和 Blake Ridge、Niger Delta Basin為主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣實(shí)例開展應(yīng)力場對水合物成藏影響研究對比。主動(dòng)、被動(dòng)大陸邊緣所具有的構(gòu)造擠壓背景和正常沉積壓實(shí)背景具有不同的應(yīng)力場，對沉積層孔隙度、滲透性的演化起著重要作用，進(jìn)而可能影響流體流動(dòng)樣式和含甲烷流體的運(yùn)移與聚集形式。海底沉積物中甲烷從生成到匯聚在穩(wěn)定域內(nèi)部固結(jié)為水合物，流體的流動(dòng)是輸送水合物聚集所需甲烷的關(guān)鍵過程。流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因素和通道受構(gòu)造應(yīng)力場的控制。因此，面向水合物成藏機(jī)理與分布規(guī)律的數(shù)值模擬，必須將宏觀地質(zhì)演化模擬與微觀有機(jī)質(zhì)—甲烷—水合物物質(zhì)能量演化相結(jié)合，才有可能從本質(zhì)上揭示水合物成藏的實(shí)際過程。

宏觀地質(zhì)演化模擬，基于介質(zhì)連續(xù)性方程、流體流動(dòng)方程、熱流方程、有效應(yīng)力作用及滲流方程[42,52-57]，模擬沉積壓實(shí)及應(yīng)力場、溫度場、壓力場、流體流動(dòng)。微觀物質(zhì)遷移—轉(zhuǎn)化模擬，建立沉積單元體孔隙流體中溶解甲烷濃度的物質(zhì)守恒模型，即甲烷濃度隨時(shí)間上的變化量與以下物理過程的甲烷濃度變化量之間守恒：①空間上的擴(kuò)散、對流、有機(jī)質(zhì)熱解和乙酸發(fā)酵；②CO2還原作用生成的量、被硫酸鹽氧化的量；③與水合物和游離氣的轉(zhuǎn)化量。從自由能的角度研究水合物成核的驅(qū)動(dòng)力和物質(zhì)在空間遷移（擴(kuò)散）的驅(qū)動(dòng)力，建立了反映微觀孔隙尺度水合物形成演化機(jī)理的中熱質(zhì)空間遷移—轉(zhuǎn)化模型，從而從機(jī)理上反映溫度梯度、鹽度梯度、濃度梯度影響下物質(zhì)的遷移趨勢和規(guī)律，將這些微觀物質(zhì)—能量演化過程與宏觀的地質(zhì)演化過程通過溫度和壓力進(jìn)行耦合。基于這些模型開發(fā)的水合物成藏機(jī)理數(shù)值模擬分析系統(tǒng)，宏觀過程與微觀過程采用分步迭代法（SIP）計(jì)算，偏微分方程組采用有限元求解。有關(guān)模型其他相關(guān)參數(shù)的計(jì)算參見本文參考文獻(xiàn)[57]。

3 不同大陸邊緣水合物成藏模式

3.1 應(yīng)力作用下主動(dòng)大陸邊緣水合物成藏模式

3.1.1 Cascadia大陸邊緣水合物成藏特征

IODP311航次5個(gè)鉆探站位采集的水合物樣品代表了水合物形成的3個(gè)時(shí)期，即早期（U1326、U1325站位，靠近俯沖帶一側(cè)，沉積物年齡不超過1 Ma）、中期（U1327、U1328站位，沉積物年齡不超過2 Ma）和消亡期（U1329站位，靠近陸地最淺水區(qū)，沉積物年齡介于2～9 Ma）[58]。從5個(gè)站位的C1/C2隨深度變化和橫跨大陸邊緣的變化特征來看，除活動(dòng)噴口U1328站位的甲烷濃度明顯偏高外，不同成藏階段氣源無明顯變化，碳同位素值顯示氣源主要為生物成因氣[46]。而不同站位的沉積物粒度特征表明，U1326—U1329沉積環(huán)境從遠(yuǎn)洋單一物源的細(xì)粒沉積向近遠(yuǎn)洋、近陸的復(fù)雜物源細(xì)—中粒沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變，電阻率顯示水合物飽和度存在明顯差異（5%～40%），橫向上U1327站位飽和度最大[46]，可見沉積物粒度對飽和度具有一定的控制作用[47]。

BSR位置（可視為水合物帶底界）隨著成藏早期、中期、晚期逐漸變淺（圖2），而甲烷—硫酸鹽界面（SMI，可視為水合物帶頂界）逐漸變深，表明水合物穩(wěn)定帶厚度呈逐漸減薄、地溫梯度呈逐漸變大的趨勢。應(yīng)力作用下熱流變化和物質(zhì)差異分布，使不同站位BSR穩(wěn)定程度各異（圖2），其中U1326站位BSR沿脊頂延伸穩(wěn)定、側(cè)向不穩(wěn)定，U1325站位BSR在盆地東側(cè)延伸穩(wěn)定，U1327、U1329站位BSR表現(xiàn)清晰且延伸相對穩(wěn)定，而U1328站位BSR具有大量盲帶、指示活動(dòng)噴流狀態(tài)。較高的水合物飽和度和有限的原位有機(jī)碳供給，指示水合物氣源一部分源自原位、一部分源自水合物穩(wěn)定帶之下。增生楔形成過程產(chǎn)生的斷裂、褶皺、底辟等構(gòu)造組合，為流體流動(dòng)和水合物成藏提供了良好條件。

就技法本身的來看，指頭畫的特點(diǎn)與其適宜的題材以及所面對的觀眾是相互統(tǒng)一而成體系的。“指墨畫乃大寫意粗放之畫種，故宜解衣磅礴，以亂頭粗服之法為之。為此，指畫題材亦以粗獷、簡古者為宜，并宜作大幅巨幛。倘若以冊頁斗方作纖細(xì)精工之畫，則無由得指畫之獨(dú)特意趣。”[12]58

綜合上述特征，筆者修正了前人基于流體流動(dòng)的水合物成藏模型（圖3），認(rèn)為在Cascadia邊緣，沉積有機(jī)質(zhì)通過遠(yuǎn)洋沉積輸入或濁流沉積輸入之后進(jìn)行沉積和埋藏，甲烷通過原位產(chǎn)生和由下部通道運(yùn)移而來。富甲烷的孔隙流體和游離甲烷氣沿著一系列斷裂/斷層向上運(yùn)移，由于海底附近甲烷溶解度大大降低，大量氣體生成水合物。在Juan de Fuca板塊俯沖的側(cè)向應(yīng)力作用下，增生楔形成過程中沉積埋葬和橫向運(yùn)輸，隨著變形前端距離和深度變化而富集不同濃度的甲烷，為水合物形成富集提供了氣源。水合物穩(wěn)定帶底界（BGHSZ）會(huì)形成“蓋層”，對下部游離氣產(chǎn)生暫時(shí)阻礙作用，但由于構(gòu)造抬升等作用，會(huì)使底界水合物分解而發(fā)生再循環(huán)。

3.1.2 Kumano盆地水合物成藏特征

主動(dòng)大陸邊緣有效應(yīng)力是沉積負(fù)載壓力、側(cè)向構(gòu)造擠壓應(yīng)力、流體壓力等變量的函數(shù)[58-59]，筆者以日本Nankai海槽Kumano盆地為例開展了數(shù)值模擬研究。日本Nankai海槽增生楔的氣體不僅具有熱成因特征，而且Muroto近岸具有熱解與生物混合成因特征、向陸斜坡和增生楔弧前盆地具有生物成因特征[59]，TOC（總有機(jī)碳含量）約為0.4%。根據(jù)孔隙水中碘離子（I-）濃度指示，I-濃度在海槽向陸一側(cè)隨著深度的增加而迅速增大，比海水高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，而向海一側(cè)僅略高于海水，甲烷濃度具有類似規(guī)律[60]。同時(shí)，向海一側(cè)沉積物孔隙水中碘年齡不足7 Ma，而向陸一側(cè)樣品孔隙水中碘的年齡超過30 Ma。濃度分布和年齡表明，碘連同甲烷一起從上部板塊老的地層中輸送到向陸一側(cè)的流體內(nèi)，特定的流體通道可能由楔狀體、滑脫構(gòu)造或斷層等組成。

圖2 IODP311站位的BSR總體表現(xiàn)和橫向變化特征圖[46]

圖3 Cascadia大陸邊緣水合物成藏模型圖

利用文獻(xiàn)中有機(jī)碳含量、甲烷生成條件、地震剖面和地質(zhì)格架等資料開展數(shù)值模擬，結(jié)果表明：在應(yīng)力作用下，構(gòu)造變形比較強(qiáng)烈，流體活動(dòng)、甲烷水合物聚集空間上顯著受構(gòu)造斷裂裂隙所控制，水合物飽和度最高可達(dá)約30%。模擬結(jié)果與Kumano盆地地震剖面和解釋結(jié)果基本一致，表明模擬結(jié)果具有可靠性。側(cè)向應(yīng)力導(dǎo)致構(gòu)造變形及水合物運(yùn)聚的變化規(guī)律初步揭示了Kumano盆地水合物的成藏過程（圖4、5）。

Cascadia和Kumano盆地水合物成藏研究結(jié)果表明，流體的流動(dòng)是輸送水合物聚集所需甲烷的關(guān)鍵過程，其驅(qū)動(dòng)因素和流體的通道受構(gòu)造應(yīng)力場的控制。主動(dòng)大陸邊緣側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動(dòng)非常突出，控制了含甲烷流體流動(dòng)和演化以及水合物的聚集分布。同時(shí)，構(gòu)造擠壓作用導(dǎo)致熱流通量、流體通量、甲烷通量橫向上的顯著差異，也是造成水合物空間賦存分布差異的重要因素之一。

3.2 被動(dòng)大陸邊緣水合物成藏模式

3.2.1 Blake Ridge水合物成藏特征

根據(jù)994站位、995站位和997站位的地層厚度及巖性參數(shù)（表2），建立該區(qū)典型的二維地質(zhì)模型，具體數(shù)據(jù)包括：994站位，晚第四紀(jì)（0～距今0.46 Ma）、中第四紀(jì)（距今 0.46 ～ 0.98 Ma）和早第四紀(jì)（距今0.98～1.80 Ma）沉積速率分別為30 m/Ma、55 m/Ma 和 98 m/Ma，平均沉積速率 68 m/Ma ；晚上新世沉積速率增加到89 m/Ma，早上新世沉積速率繼續(xù)增加至140 m/Ma，晚中新世沉積速率高達(dá)303 m/Ma。995站位，晚第四紀(jì)、中第四紀(jì)和早第四紀(jì)的沉積速率分別為 29 m/Ma、60 m/Ma、80 m/Ma，平均沉積速率60 m/Ma。晚上新世沉積速率為104 m/Ma。地溫梯度的選取根據(jù)各站位實(shí)際的鉆探資料，取值為 35 K/km。

圖4 Kumano盆地3個(gè)演化階段的有效應(yīng)力與垂向流速分布圖

研究結(jié)果表明（圖6），沉積物中有機(jī)質(zhì)豐度越高，水合物含量越高，水合物在空間的分布范圍越廣。有機(jī)質(zhì)含量較低時(shí)，孔隙流體中溶解甲烷的濃度不足以形成高飽和度、厚層的水合物，水合物層僅會(huì)在穩(wěn)定域底界附近形成，厚度很薄。沉積速率對水合物的含量分布也會(huì)產(chǎn)生影響，在相對較高的沉積速率條件下，有利于水合物的形成和分布；而當(dāng)沉積速率較低時(shí)，沉積物堆積較慢，壓實(shí)過程中孔隙流體排出速度較慢，形成水合物層的厚度很薄。隨著沉積速率的加快，沉積物壓實(shí)過程加快，含甲烷的流體被快速排出，甲烷供給量大，水合物層顯著增厚。地溫梯度越低，水合物在垂向上形成的位置越深，此外，較低的地溫梯度有利于水合物的形成及空間展布。

圖5 Kumano盆地3個(gè)演化階段的水合物含量分布圖

根據(jù)有效應(yīng)力原理，在外力作用下沉積地層應(yīng)力被沉積物骨架和孔隙中流體共同承擔(dān)，但是只有通過沉積物顆粒傳遞的有效應(yīng)力（總應(yīng)力與流體壓力的差）才會(huì)使沉積物產(chǎn)生變形從而影響沉積物孔隙度及滲透率。對于Blake Ridge，沉積地層應(yīng)力主要來自其上覆沉積物和海水的總荷載，在流體沒有超壓的情況下，有效應(yīng)力等于總荷載應(yīng)力與靜水壓力的差，因此模擬剖面上（圖7）有效應(yīng)力隨深度均勻增加而等值線大致與海底地形平行，在這樣的有效應(yīng)力場下，沉積層隨著時(shí)間的推移逐漸被壓實(shí)，孔隙度則從海底往下呈近似指數(shù)形式變小，滲透系數(shù)的對數(shù)與孔隙度近似成正比變化。由于剖面左側(cè)（994站位）比右側(cè)（997站位）泥巖含量高，因而滲透率比右側(cè)要低，但第四紀(jì)以來沉積速率比右側(cè)更大。因此，單位時(shí)間內(nèi)壓實(shí)速率比右側(cè)高，從而排出流體的速率更大，富水合物層左側(cè)比右側(cè)薄，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果相吻合。

表2 Blake Ridge 各站位地層厚度及巖性參數(shù)表 單位：m

圖6 泥巖有機(jī)質(zhì)豐度的差異對水合物空間含量的影響圖

3.2.2 Niger Delta Basin 水合物成藏特征

Niger Delta Basin水合物成藏?cái)?shù)值模擬研究結(jié)果表明（圖8），在300～350 km附近一直是沉降中心，沉積物從右側(cè)向左側(cè)輸運(yùn)形成向海方向進(jìn)積沉積層序。在這種沉積充填格架下，盆地中心巨厚的烴源巖不斷生烴，一定條件下產(chǎn)生超壓。流體的壓力大于靜水壓力，造成同深度下有效應(yīng)力相對其他地段要小，從而沉積物相對欠壓實(shí)而孔隙度比其他地段略高。受巖性和孔隙度空間差異的影響，滲透系數(shù)橫向和縱向上也呈不均一變化。從烴源巖中排出的氣體隨流體主要由沉積中心向兩側(cè)側(cè)上方向運(yùn)移，右側(cè)地形高而不具備水合物穩(wěn)定條件，水合物主要富集于水深600 m以深且在穩(wěn)定域中離盆地生烴中心較近的地段較為富集。

從 Blake Ridge 和 Niger Delta Basin 等分析結(jié)果可以看出，被動(dòng)大陸邊緣是正常沉積壓實(shí)應(yīng)力場下的水合物聚集，水合物成藏分布主要受沉積速率、地溫梯度與有機(jī)質(zhì)含量等因素控制，沉積壓實(shí)、浮力、重力等是驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的主要因素，因而高有機(jī)質(zhì)含量、高沉積速率和低地溫梯度有利于水合物的成藏富集。

圖7 Blake Ridge有效應(yīng)力、孔隙度、滲透率、超壓及水合物含量分布圖

圖8 Niger Delta Basin孔隙度、滲透率、超壓、流體壓力梯度、有效應(yīng)力及水合物含量分布圖

4 不同大陸邊緣水合物成藏影響對比

綜合文獻(xiàn)資料和本文相關(guān)結(jié)果，初步獲取了主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣背景下水合物的成藏特征（表3）。

1）兩者水合物藏的氣體成因類型無明顯區(qū)別，均為生物成因氣、熱成因氣或混合成因氣，因蛇紋巖化生烴具有形成無機(jī)成因甲烷的潛景，可能成為主動(dòng)大陸邊緣的氣源新成因類型[22]。

2）應(yīng)力場作用下，流體流動(dòng)模式的不同可能是造成主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣水合物成藏差異的主要因素之一。側(cè)向應(yīng)力作用對主動(dòng)大陸邊緣增生楔具有以下影響：①構(gòu)造變形比較強(qiáng)烈，楔狀體和斷層等形成流體通道，使甲烷發(fā)生向陸遷移，并導(dǎo)致熱流通量、流體通量、甲烷通量具有顯著的橫向差異；②濁流沉積發(fā)育，沉積物粒度相對較高，更易形成高飽和度的水合物儲(chǔ)層。被動(dòng)大陸邊緣受沉積壓實(shí)、浮力、重力等作用，快速沉積壓實(shí)、超壓等可導(dǎo)致甲烷流體富集，增加水合物層厚度；沉積物中流體通量和水合物的成藏機(jī)會(huì)更多地取決于沉積地層的有機(jī)質(zhì)含量、埋藏速度和地?zé)崽荻鹊鹊刭|(zhì)及地球物理因素，垂向埋藏壓力和孔隙流體浮力是水合物成藏的主控因素。

表3 主動(dòng)大陸邊緣與被動(dòng)大陸邊緣成藏特點(diǎn)對比表

3）兩者構(gòu)造環(huán)境有所不同。主動(dòng)大陸邊緣背景下，板塊俯沖增生過程中構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育，從驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)移通道為泥火山的形成奠定了重要基礎(chǔ)，因而主動(dòng)大陸邊緣發(fā)育泥火山及氣煙囪等特殊地質(zhì)體，也為水合物成藏提供了重要的賦存地質(zhì)條件。被動(dòng)陸緣背景斷層構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育稍差于主動(dòng)大陸邊緣，流體超壓驅(qū)動(dòng)的富烴類流體往往在地層中形成泥底辟等未能有效刺穿地層的地質(zhì)體，且由于鹽底辟的作用也可產(chǎn)生泥火山，泥火山及泥底辟的兩翼地層及其頂部亦可以成為水合物的有效賦存層位[37,61]。

4）兩者水合物成藏所需的溫壓場控制因素相同，受海平面變化、海底溫度和地溫梯度等控制[20]。

綜合上述認(rèn)識(shí)，對主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣水合物成藏的宏觀特征總結(jié)如下（圖9）。

1）主動(dòng)大陸邊緣：①以側(cè)向擠壓應(yīng)力為背景，斷層以逆沖為主，可引誘深部油氣藏、水合物穩(wěn)定帶之下游離氣和原位生物氣等沿?cái)嗔堰\(yùn)移，為水合物形成提供主要?dú)庠矗涑梢蝾愋蜑槲⑸锍梢驓猓畈繜峤鈿庖簿哂幸欢ㄘ暙I(xiàn)；②氣體運(yùn)移通道主要為俯沖—增生產(chǎn)生的斷層、斷裂和滑塌體，以及泥火山及滑塌構(gòu)造等，儲(chǔ)集層主要為粉砂和砂質(zhì)粉砂等粗粒濁流沉積，具有良好的孔隙度和滲透性；③增生楔上沉積物厚度大，斷層和褶皺發(fā)育，有利于流體的運(yùn)移、聚集，形成水合物堆積體。

2）被動(dòng)大陸邊緣：①氣源同樣為微生物成因氣和熱解氣；②以垂向加積為主要應(yīng)力背景，與主動(dòng)型大陸邊緣相比，由于缺少俯沖帶造成的側(cè)向應(yīng)力，容易導(dǎo)致部分?jǐn)鄬雍土严兜仁鑼?dǎo)體系的缺失；③但因其內(nèi)巨厚沉積層塑性物質(zhì)及高壓流體、陸緣外側(cè)火山活動(dòng)及張裂作用，可形成大規(guī)模的泥火山或底辟構(gòu)造，這些構(gòu)造能使構(gòu)造側(cè)翼或頂部的沉積層傾斜，有利于流體排放，為水合物形成和賦存提供理想場所[37]。

圖9 主動(dòng)、被動(dòng)大陸邊緣水合物成藏模式對比分析圖

5 結(jié)論

1）兩種地質(zhì)背景下氣源成因無明顯區(qū)別，均具生物成因氣、熱解氣和混合氣，水合物形成的溫度、壓力控制因素也基本相同。

2）主動(dòng)大陸邊緣較為強(qiáng)烈的構(gòu)造變形形成楔狀體、斷層等流體通道，導(dǎo)致熱流通量、流體通量、甲烷通量具有顯著的橫向差異，對水合物成藏分布造成影響，而被動(dòng)大陸邊緣缺乏規(guī)模較大的斷層和裂隙等疏導(dǎo)體系，有機(jī)質(zhì)含量、地溫梯度及沉積速率對水合物含量空間分布具有差異性影響。

3）不同的構(gòu)造—沉積體制控制下有效應(yīng)力對含氣流體具有的不同驅(qū)動(dòng)樣式，這可能是造成主動(dòng)/被動(dòng)大陸邊緣水合物成藏差異的重要因素。主動(dòng)大陸邊緣以側(cè)向擠壓應(yīng)力為背景，斷層以逆沖為主，可引誘深部油氣藏、水合物穩(wěn)定帶之下游離氣和原位生物氣等沿?cái)嗔堰\(yùn)移；被動(dòng)大陸邊緣以垂向加積和拉張應(yīng)力為應(yīng)力背景，斷層以階梯狀正斷層為主，可誘導(dǎo)底辟和泥火山等作用為天然氣水合物形成和賦存提供理想場所。

4）我國南海水合物成藏區(qū)從東至西具有主動(dòng)—被動(dòng)大陸邊緣的復(fù)雜特性，希望通過探討兩種不同地質(zhì)背景下水合物成藏的主控因素和成因機(jī)制差異，以及水合物成藏相關(guān)的演化特征，能夠該區(qū)水合物成藏研究提供一定的指導(dǎo)作用。

致謝：感謝李彥龍、萬義釗和李昂博士在本文撰寫過程提出的寶貴建議，感謝審稿專家和編輯部的建設(shè)性意見與建議。