唐瑞玲，孙忠军，张富贵

（1.成都理工大学核技术与自动化工程学院；2.中国地质科学院物化探研究所）

天然气水合物勘查技术及环境效应研究进展

唐瑞玲1，2，孙忠军2，张富贵2

（1.成都理工大学核技术与自动化工程学院；2.中国地质科学院物化探研究所）

天然气水合物是天然气和水在特定条件下形成的一种透明的冰状结晶体，是一种新型非常规能源，在我国具有广阔的勘探领域和良好的勘探前景。文中对天然气水合物勘探技术和环境效应进行了归纳总结，勘探技术包括地震方法、地球化学方法、地球物理测井方法和其它方法（直接钻孔法、地形地貌识别标志法），环境效应包括引发海底滑塌、加剧温室效应及破坏海洋生态平衡等，并对天然气水合物勘探及环境效应的研究现状作了综合评述。

天然气水合物；勘查技术；环境效应；研究进展

0 引言

进入21世纪以来，油气资源的问题再次引起广泛关注［1］。随着能源需求的日益扩大，作为新型非常规能源的天然气水合物，以其能量高、分布广、规模大等特点为解决能源问题提供了一把钥匙［2］。

天然气水合物（Natural Gas Hydrate）因其外观像冰且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”［3］。它是近几十年来发现的一种新型的战略资源，是由气体分子（主要为甲烷）和水在低温（0～10℃）高压（＞1.01×107Pa）条件下形成的非化学计量的、笼形结晶化合物［3］。天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅等特点，同时它的分解还会引起重大的环境灾害，对其开发利用有着重要的资源和环境意义。

1 天然气水合物的勘查技术

我国东海和南海广阔的海域有形成天然气水合物的地质、地理和地貌条件，具备良好的成矿环境［4］，同时我国还是世界上多年冻土分布面积第三大国，青藏高原多年冻土区活动带具备形成天然气水合物的特殊地质条件［5］。我国已在南海和青藏高原等地发现了许多地球物理和地球化学异常标志，并在南海和祁连山冻土区钻出实物样品［6］，因此加强天然气水合物的勘探研究，对我国有重大的经济意义和战略意义。

1.1 地震方法

海底天然气水合物通常分布在水深200～800 m以下，主要赋存于陆坡、岛坡和盆地的上表层沉积物或沉积岩中［7］。在海洋的不同地区均存在一种异常的地震反射层，呈现出高振幅、负极性、横向连续、大致平行于海底或与海底沉积层小角度斜交的特征，被称为似海底反射层（Bottom Simulating Reflectors，简称BSR），该反射层是下部的游离气与上部水合物带的地震反射界面（图 1）［8］。

图1 某典型的BSR反射地震剖面图［8］Fig.1 BSR in a typical seismic reflection

地震勘探技术是应用最为广泛的天然气水合物勘探研究方法，其实质是发现BSR，通过该方法可确定大面积分布的天然气水合物［2］。目前在秘鲁海槽、中美洲海槽、北加利福尼亚海槽和南海海槽以及南极大陆等地发现了BSR的存在［9-10］，通过深海钻探已经证实这些BSR地层确实存在天然气水合物［11］。但BSR代表的是天然气水合物稳定带与其下出现的游离气间的界面，倘若沉积物孔隙中充填少量气体，也会产生强烈的地层反射，形成BSR，因此天然气水合物与BSR并不存在一一对应的关系［12］，BSR的出现只能证明有甲烷出现；此外BSR还受到构造作用、沉积作用、沉积物的含碳量以及水合物含量等因素影响，岩石的物性和地震资料处理因素对地震属性分析也有影响［13］，所以在天然气水合物赋存区也未必一定会有BSR存在；而且BSR不适用于冻土区。因此，利用BSR作为天然气水合物存在的唯一标识有很大的局限性。

1.2 地球化学方法

利用地球化学方法勘探天然气水合物在国内外尚属空白。根据气体烃类微渗漏理论，水合物分解后必然会像常规油气一样向上垂直运移到上方的沉积物中，因此可以通过测定沉积物中烃类气体含量来确定水合物赋存的区域。

1.2.1 孔隙水离子浓度异常

孔隙水中Cl-含量的异常是天然气水合物存在的重要标志［14］。由于天然气水合物的笼状结构不允许离子进入，造成水合物赋存层段含盐度降低，而周围的海水盐度升高。Cl-浓度高的流体向上运移到沉积物顶部，从而形成浅层沉积物中Cl-含量高而水合物附近Cl-含量低的现象。大洋钻探计划（Open Directory Project，即 ODP）164 航次在 Blake 海脊发现从浅层沉积物到水合物稳定带Cl-含量急剧减小的现象［13］。Cl-浓度可以作为勘查水合物赋存的一个重要指标。值得注意的是，单纯的沉积物孔隙水的Cl-浓度在垂向上的降低并不能完全指示水合物的存在。如果沉积物形成于淡水向海水依次变迁的环境，同样可以引起孔隙水氯度（盐度）在垂向上的降低，这是识别水合物存在的关键。

海洋沉积物中含有大量溶解性硫酸盐，在微生物作用条件下沉积物中硫酸盐与甲烷发生化学反应，造成沉积物孔隙水中硫酸盐含量下降。其反应式如下

对全球孔隙硫酸盐梯度的研究显示，陡峭的硫酸盐梯度和相应浅的硫酸盐-甲烷界面（Sulfate-Methane Interface，即SMI）与世界范围内的水合物产地有着密切的关系［15］。所以，SMI浅和硫酸盐梯度大，可以作为指示天然气水合物可能存在的标志。

1.2.2 甲烷异常

由于天然气水合物极易随温压条件的改变而分解，因此在浅层沉积物中常常形成天然气水合物的地球化学异常，这些异常可以指示天然气水合物可能存在的位置［16］。近年来，利用油气化探方法进行天然气水合物的勘探取得了诸多进展，成为一种有效预测水合物赋存的手段［17］。在深海钻探计划（Deep Sea Drilling Project，即 DSDP）和大洋钻探计划发现天然气水合物的航次中，均存在甲烷的异常高值［18］。

1.2.3 海面增温异常

甲烷等烃类气体经微渗漏扩散到海面，在瞬变大地电场或太阳辐射作用下产生激发增温［19］，这些温度异常可以被卫星热红外传感器所接收并记录下来。因此可以利用卫星热红外扫描技术，对海面低空大气的温度进行大面积、长时间的观测，圈定甲烷浓度异常区，从宏观上研究其与水合物或油气藏分布的关系。Brooks等［20］通过对南海卫星图像的长期观测，发现海面增温异常与地震有着密切的关系，通常在临震前震区海面温度比周围海域高5～6℃，由此可以推测地震是水合物分解的诱发因素之一。

1.2.4 同位素地球化学异常

在天然气水合物的研究中，同位素地球化学方法发挥了十分重要的作用，并已成功地应用于示踪天然气水合物的形成或分解，它对于天然气水合物产出的地质构造条件、形成环境和成矿（成藏）机理等方面的研究也是必不可少的手段之一［21］。目前，研究的内容多集中在 δ13C，δD，δ18O，δ34S 和87Si/86Si等常规同位素地球化学方法。

1.3 地球物理测井方法

测井技术是油气勘探和开发的重要手段，在划分岩性和油气生、储、盖组合，确定岩层厚度和评价油气层性能方面应用广泛［22-23］。由于天然气水合物储存于泥质砂岩或孔隙型的风化壳中，一些在陆上和海上油井中行之有效的测井方法和系列被部分移植到了天然气水合物测井中［24］。研究发现，测井标志是冻土区天然气水合物的重要特征之一［25］。一般来说，天然气水合物层的密度均小于不含水合物沉积层，其电阻率普遍大于不含水合物沉积层，纵波速度与横波速度增加，且自然伽马、中子孔隙度也有小幅度降低。因此，可利用这些特征来推断是否存在天然气水合物，其中高电阻率与高声波是判断天然气水合物的最重要方法。祝有海等［25］用测井方法对祁连山木里地区的4个钻孔进行了常规煤田测井，并对DK-4孔探索性地开展了地质雷达测井，井参数包括自然电位、电阻率、三侧向电阻率、声速、自然伽马、密度、井径和井温等，指出含天然气水合物层段均呈现出较明显的高电阻率和高声波特征，部分层段的密度及自然伽马值也有小幅度降低，这充分说明了地球物理测井是一种有效的天然气水合物勘探方法。

1.4 其它方法

直接钻孔法是证明地下天然气水合物存在的最直观和最直接的方法。在一定温压条件下取出含水合物的岩心，测定其所含的气体量及气体浓度，并计算水合物含量；利用水合物分解所引起的取心段温度异常，确定水合物的分布及含量特征。

地形地貌识别标志法也是识别天然气水合物存在的常用方法。天然气水合物不仅分布于极地和大陆永久冻土层，而且更多地分布于海洋中［10］。研究表明，天然气水合物主要分布在主动和被动大陆边缘的陆坡、岛坡、海山、边缘海深水盆地，乃至内陆海或湖区［26］。天然气水合物的赋存与板块俯冲带、滑塌体、增生楔等特定类型的构造地质体有密切的关系［10］。

2 天然气水合物的环境效应

天然气水合物在解决能源问题的同时也会因环境条件变化而导致失稳，从而引发各种强烈的环境效应。气体水合物是一个不稳定的碳库，它作为一种特殊的盖层有利于烃类化合物的聚集，然而钻井时若钻到在气体水合物旁形成的这种气体储集库，有可能出现爆炸式的压力释放，即所谓的“blow outs”［27］。

2.1 引发海底滑塌

天然气水合物在低温、高压环境下是稳定的，而温压的变化会导致大量气体的释放，从而引起滑坡等海底重大灾害。大陆边缘含天然气水合物沉积物的持续沉降、海平面变化和海底水温的增加均可能使海底沉积物不稳定，从而导致海底斜坡带的滑塌（图2）。在开采过程中一旦脱离地下低温、高压环境会突然释放气体而引发气爆或燃烧；而融化出来的水又会使沉积物突然“液化”变成泥浆，从而引发海底开采区的崩塌或滑坡事件。气体水合物处于失稳状态当然也会对海底的管道、电缆等工程设施及施工造成威胁，甚至造成可怕后果［28］。

图2 海平面下降前（左）及下降后引起天然气水合物分解并形成海底滑塌构造（右）［28］Fig.2 Before sea level fall（left） and the gas hydrate decomposition and submarine slump structure after sea level fall（right）

2.2 加剧温室效应

由于天然气水合物的稳定存在需要特殊的压力和温度条件，所以它们只能在大陆浅层（130～2000 m）和水深超过300～500 m的海底以及海底之下至少1100 m的沉积物内存在。如果温度升高或者压力降低，天然气水合物就会变得不稳定，分解、释放出甲烷并进入到大气。由于甲烷像二氧化碳一样，具有温室气体特性，因而会促进全球气候变暖。

Nisbet［29］将现今的全球气候变暖与1.35万a前最近的一个重要冰期结束时大陆天然气水合物中甲烷的释放相联系，认为在全球温暖期，极地区天然气水合物分解并释放出甲烷进入大气圈，导致全球环境进一步变暖，图3左反映了这种正反馈循环的基本观点。而在冰期，一方面全球气候寒冷，另一方面，海洋区天然气水合物甲烷排放时气候变暖，这是一种对环境的负反馈循环（图3右）。

图3 天然气水合物的分解对气候的影响Fig.3 Climate changes caused by gas hydrate decomposition

极地多年冻土区甲烷水合物对气候变暖更为敏感。存在于大陆架沉积物和永久冻土带中的甲烷水合物因储量大，气候的扰动可能使其成为一个较大的甲烷潜在来源，从而形成恶性循环。近10 a来海洋和陆地碳同位素记录研究表明，甲烷水合物可能是影响全球气候变化的一个重要因素［30］。

2.3 破坏海洋生态平衡

天然气水合物与海底生物灭绝有着直接的关系。 Dickens和 Bains等［31-32］分别根据 ODP690 孔和ODP865孔的高分辨率碳同位素和氧同位素记录，提出水合物甲烷释放是引发古新世—始新世之交极热事件的首要因素。通过对地质转折期界线层附近的特殊环境事件标志的研究，有证据显示始新世末、早白垩世、晚侏罗世、早侏罗世等时段大量甲烷气水合物分解并释放甲烷，导致了全球升温和生物灭绝［33-36］。海底沉积物中的天然气水合物分解释放出游离的甲烷气导致氧浓度降低、水体温度增高，许多深海物种死亡。Matsumoto和 Dickens等［37-38］根据海洋碳酸盐中δ13C强烈的负偏移指出，天然气水合物的大量分解已经引起了古新世末期的全球变暖、海洋缺氧及生物灭绝。天然气水合物整体环境效应见图4。

图4 天然气水合物环境效应示意图［34］Fig.4 Diagram showing the environmental effects of gas hydrate

3 结束语

（1）在天然气水合物的找矿标志方面，海洋天然气水合物已经基本形成一系列像BSR这样的水合物标志，且在南海和东海发现了大量的异常标志。而冻土区的调查研究手段主要是建立在钻井的基础上，BSR界面不适用于冻土区，在冻土区还未形成有效的天然气水合物的异常标志，可加强陆地区域的地震和地球化学方法研究。

（2）在天然气水合物勘探中，目前的勘探手段虽然均取得了较大进展，但尚存在局限性，如BSR界面与天然气水合物不能一一对应，地球化学哪种指标有效也还存在商榷等。因此，在实际勘探中应该运用地球物理、地球化学和地质等各种手段进行综合研究，以提高勘探效率。

（3）天然气水合物是亚稳态的物质,海底条件的微小变化都可能引起水合物的分解,进而对环境产生深刻影响。天然气水合物的环境检测还未开展，天然气水合物开发环境评价技术还未形成理论，我国的天然气水合物研究任重而道远。

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Research progress in exploration technologies and environmental effects for gas hydrates

TANG Rui-ling1，2，SUN Zhong-jun2， ZHANG Fu-gui2
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；2.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， Chinese Academy of Geological Sciences， Langfang 065000， China）

Gas hydrate is a kind ofcrystalicysubstance formed bywater and natural gas in special condition.Gas hydrate is a newtype of unconventional energy,which has wide prospecting potential.The exploration technologies and environmental effects ofgas hydrates are summarized.The exploration technologies include seismic method,geochemical method,geophysical well loggingmethod and other methods（direct drillingmethod,landformidentification marks）.The environmental effects include submarine slump,greenhouse effect intensity,destroying marine ecological balance,etc.The research progress in the exploration and environmental effects for Gas hydrates is comprehensivelyreviewed.

gas hydrate； exploration technologies； environmental effects； research progress

TE132.2

A

2011-03-03；

2011-05-12

受中国地质调查局工作项目“青藏高原冻土带天然气水合物调查评价”（编号：1212010818055）资助。

唐瑞玲，1985年生，女，成都理工大学在读硕士研究生，主要从事环境地球化学和天然气水合物的研究工作。地址：（065000）河北省廊坊市金光道84号中国地质科学院物化探研究所521室。E-mail：tanghui5351@163.com

1673-8926（2011）04-0020-05

于惠宇）