Question

南海神狐海域含水合物层粒度变化与水合物饱和度关系

Answer 1

陈芳¹，刘广虎¹，苏新²，周洋¹，陆红锋¹，刘坚¹，王金莲¹

陈芳（1966—），女，教授级高级工程师，主要从事微体古生物学和海洋地质研究。

1.广州海洋地质调查局，广州　510760

2.中国地质大学海洋学院，北京　100083

摘要：为探讨沉积物粒度与水合物饱和度的关系，对南海神狐海域水合物钻探区的2个获取水合物的钻孔岩心沉积物进行了粒度分析及粒度与水合物饱和度对比分析。结果表明：水合物主要赋存于粉砂中，含水合物沉积物具有φ（粉砂）为＞70％，φ（黏土）小于介于15％～30％之间，φ（砂）一般小于10％的基本特征，其中粉砂中以8～32μm和32～63μm粒级的中细－粗粉砂占优势；含水合物层中砂、粗粉砂含量高的层位与水合物饱和度高的层位呈良好的对应关系，说明粗粒沉积物更有利于水合物的形成和发育。

关键词：沉积物粒度；含水合物层；神狐海域；南海

Variation in Grain Size of Gas Hydrate-Bearing Sediments and the Correlation of Gas Hydrate Saturation from Shenhu Area in the Northern South China Sea

Chen Fang¹,Liu Guanghu¹,Su Xin²,Zhou Yang¹,Lu Hongfeng¹,Liu Jian¹,Wang Jinlian¹

1.Guangzhou Marine Geologic Survey,Guangzhou 510760,China

2.School of Ocean sciences,China University of Geosciences,Beijing 100083,China

Abstract:Grain size of sediments from two drill holes of Shenhu gas hydrate drilling-area from northern South China Sea are analyzed to understand the relationship between the variation in grain-size of sediments and the saturations of gas hydrates.The results suggest that the siltfraction is the dominant component of gas-hydrate-bearing sediments,fealuned by with> 70‰f silt.The second component is clay,in a range of 15％～30%,whereas the sandfraction is less than 10%.The Grain size of gas-hydrate-bearing sediments is similar to the one of no gas-hydrate-bearing sediments.The contents of coarse-grains silt(0.063～0.032mm) and sand(0.063～0.5mm) can be correlated with sediment layers where gas hydrates saturations were high.It further suggests that the occurrence of gas hydrates in Shenhu aera is mainly correlated with coarse-grams sized sediments.

Key words:sedimentary grain size;gas-hydrate-bearing sediments; Shenhu Area;South China Sea

0 引言

水合物的形成与分布除了需要特定的温压条件外，更需要合适的沉积条件，以提供充足的气体来源和良好的储集条件。作为水合物存在载体之一的海洋沉积物，其岩性是除温压条件外控制水合物成藏的重要因素。岩性的差异影响着水合物的产状与饱和度，一般地，沉积物越粗，饱和度越高。各海域已发现水合物的水合物稳定带沉积物的岩性各有差异，但相同的是水合物稳定带内沉积物粒度总体相对较粗^[1-5]。笔者以我国在南海神狐海域成功钻取水合物钻孔岩心为材料，分析研究南海北部水合物稳定带沉积物的粒度特征及其与水合物饱和度的关系，探讨沉积物粒度对水合物的制约机制。

1 取样与方法

所研究的2个含水合物钻孔SH2B和SH7B沉积物样品，由广州海洋地质调查局于2007年在南海北部陆坡神狐海域实施“我国海域天然气水合物钻探”航次调查所获得。含水合物层岩心取样主要采用非保压、保压的FC、FRPC和FPC方式。鉴于该钻探航次的实际需要等原因，钻探只在关键和部分控制层段钻取岩心。因此，粒度分析样品取样间隔差异较大，介于20～68 m之间，两钻孔共取样176个。钻孔取样位置见参考文献[6]。沉积物粒度分析方法遵照中华人民共和国国家标准《GB/T 12763.8.6.3-2007海洋调查规范第八部分：海洋地质地球物理调查》执行，粒级标准采用尤登－温德华氏等比制φ值粒级标准，粒度参数计算采用福克和沃德公式。分析方法采用Mastersizer2000型激光粒度仪：取沉积物样品数克置于玻璃杯中，加纯净水适量使样品充分浸泡，浸泡12 h使样品充分分散；加5 m L的0.5 mol/dm³的六偏磷酸钠（〔Na PO₃〕），再浸泡12 h，将浸泡充分分散的样品搅拌均匀，取适量加入激光样品槽中，加超声振动和高速离心，使样品再次充分分散，测定各级粒级质量分数。激光粒度分析误差相同粒级差小于3％，均符合国家标准要求，可以满足本次研究的需要。沉积物粒度分类和命名采用谢帕德的沉积物三角图解法分类方案。样品的处理和测试工作是在广州海洋地质调查局测试所完成。

沉积物原位结构扫描电镜分析在广州海洋地质调查局测试所完成，仪器型号为捷克产的VegaⅡ LUM。

2 结果

2.1 水合物储层的地层分布

南海水合物钻探航次应用目前世界水合物勘查中多种新的测试方法和手段来探查水合物的存在和分布。如测井获得的异常电阻率记录、红外线图像（IR images）分析得到的温度差值记录、孔隙水低氯离子浓度的记录等。对沉积物岩心的IR扫描、样品在水中的分解过程观察及X射线扫描均提供了SH2B孔和SH7B孔地层中水合物存在的直接证据。取心后证实水合物呈分散状分布在黏土质粉砂和粉砂的孔隙中，肉眼难以观察到，水合物分解后沉积物呈粥状。通过对测井资料、取心资料以及地震资料的详细分析，确定出水合物层的分布区间；其中SH2B孔水合物分布的区间约在海底以下191～225 m之间，SH7B孔水合物分布的区间大体在海底以下155～177 m之间。根据生物地层的分析，水合物分布在上中新统—下上新统含钙质生物的黏土质粉砂和含钙质粉砂中，硅质生物放射虫和硅藻缺失（图1)^[6]。

图1 神狐海域水合物储层的地层分布^[6]

2.2 含水合物层粒组类型含量变化

沉积物粒度按照大小划分为3个粒组类型：＞0.063 mm的颗粒统称为砂，0.04～0.063 mm的颗粒称为粉砂，＜0.04 mm的颗粒则统称为黏土。两钻孔沉积物中最主要的粒组类型均是粉砂，粉砂平均体积分数介于72.89％～74.75％之间。含水合物层沉积物粒组类型平均体积分数与其上下层位沉积物的差别不大，但粒组类型体积分数的范围值有差异（表1）。以SH2B孔粉砂体积分数为例，该孔不含水合物层的粉砂体积分数介于53.74％～81.35％之间，而含水合物层的介于72.02％～77.09％之间。含水合物层沉积物具有粉砂大于70％，黏土量介于15％～30％之间，砂一般小于10％的基本特征。

表1 神狐海域含水合物层及其相邻层位沉积物粒组类型体积分数　φ_B/%

2.3 含水合物层粒级组分分布

采用尤登－温德华氏等比制φ值粒级标准细分法将两钻孔沉积物粒级划分为以下10个粒级：粗砂＞0.5 mm，中砂0.5～0.25 mm，细砂0.25～0.125 mm，极细砂0.125～0.063 mm，粗粉砂0.063～0.032 mm，中粉砂0.032～0.016 mm，细粉砂0.016～0.008 mm，极细粉砂0.008～0.004 mm，粗黏土0.004～0.001 mm和细黏土＜0.001 mm，以便进行更细致地讨论。

SH2B孔含水合物层粒级组分以中粉砂、细粉砂和极细粉砂粒级为主，平均体积分数分别为20.55％、24.74％和19.07％；粗粉砂占9.57％；砂含量偏低，细砂—粗砂未见，仅见极细砂，平均体积分数1.39％；黏土以粗黏土为主，为12.39％。SH2B孔水合物主要分布在中粉砂、极细粉砂和细粉砂沉积物中，总体上，与含水合物层上下层位相比粒级组分体积分数差别不大（图2）。

SH7B孔含水合物层的沉积物较SH2B孔含水合物沉积物要粗，以粗粉砂、中粉砂和细粉砂粒级为主，体积分数分别为18.08％、26.46％和20.10％；各粒级的砂均有出现，以中砂和极细砂为主，分别为3.22％和3.88％；黏土以粗黏土为主，占8.86％。与含水合物层上下层位相比，粗粉砂、中粉砂粒级沉积物明显增加，粗粉砂、中粉砂和细粉砂是SH7B钻孔含水合物沉积物组成的最主要颗粒组分（图3）。但总的来说，在含水合物层的粉砂粒级中，以8～32 mm和32～63 mm这两个粒级占优势。

图2 SH2B孔各粒级组分体积分数分布（%）（阴影部分为含水合物层，下同）

图3 SH7B孔各粒级组分体积分数分布

2.4 含水合物层粒度与水合物饱和度的关系

图4 SH2B孔含水合物层粒度体积分数与水合物饱和度的对比

根据测井参数（LWD）推算出来的水合物饱和度值，理论上代表了沉积物中孔隙被水合物充填的程度。利用测井电阻率（LWD-RAB）和测井沉积物孔隙度值，根据Archie方程可以从理论上推算水合物饱和度值（Sh)^[7-8]。这一方法在ODP 164航次和ODP 204航次得到充分实践和验证^[9-10]。同样的，利用该方法计算出神狐海域水合物饱和度值。神狐海域含水合物层饱和度值变化范围较大，介于0.6％～47.3％之间，不同层位水合物饱和度差异明显。这种差异与沉积物粒度差异相关性较强。SH2B、SH7B孔水合物层沉积物砂、粗粉砂含量高的层位与水合物饱和度高层位有良好地对应关系（图4，图5A,B），即沉积物中砂、粗粉砂含量高，水合物饱和度也高，反之亦然。这种特征在SH7B孔表现得尤其明显，如在1 594～16 663 cm层段，砂含量5.15％～10.06％，饱和度为20％～44％，平均32％; 16 840～17 120 cm层段，砂含量下降，为1.31％～1.48％，饱和度随之下降，为2％～7％，平均4％; 17 160～17 585 cm层段，砂含量上升为1.75％～3.94％，饱和度随之也上升，为8％～23％，平均17％；粗粉砂与水合物饱和度的关系与砂和饱和度的关系相似（图5A,B）。这种粗粉砂粒径与水合物饱和度关系在3个单层中显示更为明显（图5B）。

图5 SH7B孔含水合物层粒度体积分数与水合物饱和度的对比

3 讨论

对南海神狐水合物钻探区钻井含水合物层岩性特征的研究发现，含水合物层岩性与上下不含水合物层位的差异不大。因此，只要温压、气源等条件满足，在南海海底以下任何深度都可能形成水合物。但就南海神狐海域含水合物层而言，粗粒沉积物砂、粗粉砂含量高的层位与水合物饱和度高的层位呈良好地对应关系，说明沉积物的颗粒粒径是影响水合物形成的控制因素。推测粗粒沉积物可以增加沉积物的孔隙度，为水合物的形成提供更大的孔隙空间，这一点在对含水合物层沉积物原位结构研究中得到证实。根据扫描电镜的观察，沉积物中的砂、粉砂和黏土颗粒随机分布，黏土充填在砂、粉砂颗粒间；砂主要由有孔虫和条状形黄铁矿组成，而粉砂主要由不规则的石英和长石组成，黏土主要充填于颗粒间孔隙中（图6），其含量的高低影响孔隙度的发育程度。换言之，粗粒沉积物含量高，黏土含量相对降低，有利于孔隙的发育，黏土由于其黏性和密实性不利于孔隙的发育。而且粗粒沉积物渗透性好，有利于气体的运移和储存。但水合物饱和度与沉积物的孔隙度并未完全呈正相关关系，含水合物层沉积物为松散未固结沉积物，实测的沉积物孔隙度自下而上逐渐增加，而水合物饱和度表现为时高时低，说明孔隙度只是控制水合物饱和度的因素之一；水合物饱和度还受气体通量、孔隙类型和大小、沉积物渗漏性等因素的影响。初步研究发现，南海神狐水合物钻探区钻井含水合物层沉积物的孔隙主要有粒间孔隙和粒中孔隙2种类型，实测的沉积物孔隙度主要由粒间孔隙组成，而粒中孔隙主要存在于沉积物中的有孔虫房室中。由于实测的沉积物孔隙度无法测得粒中孔隙，因此，水合物饱和度表现为时高时低，除了受粒间孔隙影响外，很大程度受粒中孔隙的影响。关于这方面的深入研究结果另有文章介绍。

图6 SH7B孔16835-16860cm原位沉积物颗粒的分布结构

4 结论

对南海神狐海域钻取的含水合物的2个钻孔岩心进行沉积物粒度分析及其与水合物饱和度的对比分析，结果表明：

1）含水合物层沉积物相对较粗，其基本特征为以（含）钙质生物粉砂为主，粉砂含量为＞70％，黏土含量介于15％～30％之间，砂一般小于10％。

2）含水合物层沉积物的粉砂粒级，以8～32 μm和32～63μm粒级的中、细—粗粉砂占优势。粗粒沉积物砂、粗粉砂含量高的层位与水合物饱和度高的层位呈良好地对应关系，说明沉积物的粒度是水合物形成的重要控制因素之一。粗粒沉积物有利于孔隙的发育和水合物的形成。

参考文献

[1]Ginsburg G,Soloviev V,Matveeva T,et al.Sediment Grain-Size Control on Hydrate Presence,Sites994,995 and 997[C]//Paul1C K,Matsumotor R,Wallace P J.Proceeding of ODP Initial Reports 164.TX:College Station,2000:237-245.

[2]Shipboard Scientific Party.Leg 204 summary[C]//TR Hua M,Bohrmann G,Rack F R,et al.Proc ODP Init Repts204.TX：College Station,2003:1-75.

[3]Kraemer LM,Owen R M,Dickens G R.Lithology of the Upper Gas Hydrate Zone,Blake Outer Ridge,a Link Between Diatoms,Porosity,and Gas Hydrate[C]//Paul IC K,Matsumotor R,Wallace P J.Proceeding of ODP Inital Reports 164.TX:College Station,2000:229-236.

[4]苏新，宋成兵，方念乔.东太平洋水合物海岭BSR以上沉积物粒度变化与气体水合物分布[J].地学前缘，2005,12(1）:234-242.

[5]王家生，高钰涯，李清，等.沉积物粒度对水合物形成的制约：来自IODP航次证据[J].地球科学进展，2007,22(7）:659-665.

[6]陈芳，苏新，周洋，等.南海北部陆坡神狐海域晚中新世以来沉积物中生物组分变化特征及意义[J].海洋地质与第四纪地质，2009,29,（2）:1-8.

[7]Archie G E.The Electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics[J].American Insititute of Mining,Metallurgica and Petroleum Engineers,1942,146:54-67.

[8]Collett T S.Well Log Evaluation of Gas Hydrate Saturations[C]//SPWLA 39th Annual Logging Symposium.Houston SPWLA,1998.

[9]CollettT S,Ladd J.Detection of Gas Hydrate with Downhole Logs and Assessment of Gas Hydrate Concentrations (saturations) and Gas Volumes on the Blake Ridgewith Electrical Resistivity Log Data[C]//Paull C K,Matsumoto R,Wallace P J.Proceeding of ODP,Science Results,164.Tx:College Station,2000:179-191.

[10]Trehu AM,Long P E,Torres M,et al.Three-Dimensional Distribution of Gas Hydrate Beneath Southern Hydrate Ridge:Constraints from ODP Leg 204[J].Earth Planet Science Letters,2004,222:845-862.2004,22.