宫 越， 施而修， 邬长武， 马天碧， 郭荣涛， 吴高奎， 姜 静， 朱玥研

(1. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083； 2. 燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066000； 3. 中国大洋矿产资源研究开发协会，北京 100860； 4. 大庆油田有限责任公司 第三采油厂，黑龙江 大庆 163113 )

0 引言

天然气水合物是烃类气体(主要是甲烷)和水在一定温度和压力条件下组成的笼型似冰状物质，主要分布于大陆边缘和极地永久冻土带[1-4]。作为一种接替能源，天然气水合物具有分布广泛、资源潜力大、高效清洁的优点[5]，但其离解过程可能导致大陆边缘斜坡失稳，诱发工程地质灾害，增加油气勘探风险[2,6]。

目前，天然气水合物的发现主要根据似海底反射面——BSR(Bottom Simulating Reflection)，即上方含天然气水合物地层至下方含游离气地层由声阻抗降低而产生的相界面[7]。天然气水合物和BSR之间不具有严格对应关系，无BSR现象不代表没有水合物的发育[8]。因此，强调地质要素和地质作用的时空关系，减少BSR的多解性，对天然气水合物远景开发具有重要意义。COLLETT T S等[9]提出“天然气水合物油气系统(Natural Gas Hydrate Petroleum System)”理论，促进水合物勘探评价研究。当水合物稳定域内没有足够气体时，成藏只能靠外部天然气供给，天然气运移体系是水合物含油气系统中的关键要素之一。卢振权等[10]提出天然气水合物成藏系统，除明确水合物成藏与含油气系统成藏的区别外，指出流体运移体系的重要性，阐明流体运移体系、烃类生成体系和成藏富集体系的有效时空配置共同决定天然气水合物的成藏特征[11-12]。已钻获水合物的站位与含气流体运移路径及其伴生的地形地貌特征具有明显的关联性[13]，如日本海东缘[14]、韩国郁龙盆地[15]、中国南海[16]、墨西哥湾等[17-18]。开展重点区域的流体运移分析，揭示流体运移通道的展布，有助于准确预测和描述水合物矿藏。

在流体运移体系的研究中，能够证明疏导通道已有效运移的表征方法匮乏[5]。对多边形断裂能否有效充当疏导通道，人们认识差异较大，如根据多边形断裂与海底麻坑发育位置的耦合性，GAY A等[19]认为多边形断裂在天然气运移系统中具有重要疏导作用；MÖLLER N K等[20]和CARTWRIGHT J等[21-23]更倾向于多边形断裂是流体流动的屏障。笔者利用格陵兰岛西部巴芬湾的浅层地震数据，基于地温梯度和热流值异常，追踪流体运移通道和运移方向，证实多边形断裂的疏导有效性，分析其对天然气水合物分布的控制作用，揭示多方面地质条件复合作用形成的运移成藏体系，为提高天然气水合物成藏预测的准确度、降低前沿盆地的天然气勘探风险提供参考。

1 区域地质背景

巴芬湾为分隔巴芬岛和格陵兰岛西海岸的高纬度边缘海(见图1)。巴芬湾盆地北部与北冰洋有限沟通，南部以戴维斯海峡为界，连接拉布拉多海和北大西洋。该盆地约有3.5×107t待发现石油储量、7.22×1010m3天然气和8.16×106t天然气水合物储量[24]。

巴芬湾构造史可分为裂谷期(早白垩世末—古新世早期)、漂移期(古新世—渐新世早期)和后漂移期(自渐新世至今)3个阶段[25]。早白垩世末—古新世早期，受北大西洋开裂的影响，格陵兰岛西部进入伸展拉张环境；研究区在白垩纪发生两期裂陷，由河流及三角洲相沉积地层逐渐过渡为海相泥岩地层，烃源岩主要发育于白垩系地层。古新世开始，巴芬湾发生海底扩张，并逐渐向北部发展，至渐新世早期停止[26]；同漂移期地层中发现的油气藏[25]是研究区天然气水合物的重要气源。以中新世广泛发育的不整合为界，格陵兰岛西部开始进入后漂移期，海底面不再扩张，陆缘发生横跨格陵兰岛西北部的Eurekan造山运动。研究区第三纪沉积物包括海相三角洲砂岩和海相泥岩地层，上新世和第四纪沉积物由等深流沉积、冰漂流碎屑物、冰洋和冰下分块体、冰下碎屑组成[27-28]。巴芬湾沿海地区以冰川构造为特征，冰川的发育演化对晚新生代大陆架演变具有重要作用。

研究区为中中新世以来的浅部覆盖地层，由于盆地内尚无探井，基于GREGERSEN U等[25]和KNUTZ P C等[28]的研究建立地层格架，划分为3个三级层序单元(SQ1—SQ3)，其中，SQ1—SQ2为上新统地层，SQ3为中新统米辛尼亚阶地层；SQ2单元内部进一步划分为7个四级层序单元(SQ2-1—SQ2-7)。研究区的流体特征多处发育分布，以SQ1地层最为丰富(见图2)。

2 数据处理与计算

采用厚度约为1.5 km、面积为7.5×103km2的浅层三维反射地震资料，缺少井眼校正数据。天然气水合物在地震上的识别与追踪主要依据BSR识别方法。天然气水合物稳定带(GHSZ)对温度和压力反应敏感[29-30]，利用BSR深度、分布及计算的GHSZ地温梯度，可追踪和分析天然气水合物的成藏情况。

2.1 BSR识别

和成岩作用相关的BSR极性与海底反射相同，和天然气水合物相关的BSR极性与海底反射相反，可将BSR面视为GHSZ的底界面。水合物BSR独特的地震特性[31]包括：与海底面相反极性的高振幅反射、横切地质沉积构造、反射轴大致平行于海底。根据BSR地震特性，研究区北部识别两个BSR分布。

2.2 数据处理

将地震数据转为深度数据，计算GHSZ底界面的压强。假设GHSZ中无含硫气体等杂质，利用SULTAN N等[32-34]和LU Z等[35]关于GHSZ压强与温度之间的数学关系式，计算GHSZ底界面(BSR面)的温度。美国国家海洋大气管理局(NOAA)将海底面温度设为恒定4 ℃[36]，利用BSR面与海底面的温差，结合BSR的深度，计算地温梯度。利用Petrel2015软件将获得的地温梯度分布数据在BSR界面上进行温度和地温梯度赋值。

3 天然气水合物稳定带及流体地震相特征

3.1 天然气水合物稳定带特征

两个天然气水合物稳定带(GHSZ)(即BSR识别区)位于研究区北部(见图1、图3)，相距8～10 km，深度约为200 m。北部BSR面积约为105km2，南部BSR面积约为99 km2。GHSZ所处地层大面积发育多边形断裂(见图3)和沉积物波，且多处可见不连续高振幅“亮点”等流体特征。南部GHSZ的BSR界面之上可见灰白色空白区域，呈向上突起的丘型(见图3(a))，可能与流体充盈的背斜结构有关；BSR界面之下可见受游离气影响的高亮地震轴反射。北部GHSZ的BSR界面主要呈阶梯状，切割原始沉积地层(见图3(b))，与海底面高度平行。

将GHSZ地温梯度赋值于BSR界面，北部GHSZ的地温梯度变化相对平稳，大部分在5.4 ℃/hm以上，且地温梯度分布与多边形断裂具有明显的相关关系，在多边形断裂分布密度较大的区域，地温梯度明显较高；南部GHSZ的地温梯度表现为中间高、边缘低的特征，中心高值达5.8 ℃/hm，边缘低值为3.8 ℃/hm，表明南部GHSZ中心位置热流明显高于周缘地区的(见图4，其中黑色线段为断穿BSR界面的断裂，红色线段为BSR界面之上的断裂)。热流分布主要受基底性质、热源距离、地层沉积速率及流体赋存的影响，产生南部GHSZ热流高值区的原因可能与流体赋存及流体运移有关。

图4 研究区天然气水合物稳定带底界面地温梯度分布Fig.4 Geothermal gradient distribution at the bottom of GHSZ in the study area

3.2 流体地震相特征

研究区流体主要发育于底辟或隆起带顶部、海底面、断裂、水道及沉积物波发育区，地震特征主要体现在三个方面。

(1)流体通过断裂、底辟、隆起等结构向上运移并在顶部富集或泄露，进而影响流体下部地震相特征。如流体通道、气烟囱、海底麻坑，主要表现为流体富集区下部的纵波反射模糊带，或同向轴下拉的反射特征(见图5(a))。研究区南部受梅尔维尔湾海脊(Melville Bay Ridge)影响而发育构造隆起，隆起的结构在研究区地震资料中不可见。隆起上方表现为几组高亮连续的反射轴，下方受流体影响而表现为杂乱不连续反射(见图5(b))。海底面偶见“U”型或“V”型凹坑，下部连接气体通道，推测凹坑为海底麻坑。由于研究区位于冰川活动频繁区域，近10 Ma的频繁冰川活动形成海底面冰川特征，如冰山犁痕、冰山坑等密集分布，凹坑也可能是由冰川活动导致的，进而转变为气体泄露的薄弱点(见图5(d))。断裂是研究区常见的流体运移通道，主要表现为断裂附近的高振幅高亮连续反射。

(2)流体的赋存改变原有地层的地震相特征，导致振幅等异常。SQ1地层最常见地震相为低—中振幅的高连续内部反射结构，推测为半深海的泥质和粉砂质沉积，而流体的赋存使沉积物波和水道内部出现点状不连续高振幅的视觉“亮点”(见图5(e-g))。

(3)流体的固/液/气的赋存状态分界面使地震相特征发生转变，如GHSZ底界面BSR的“平点”特征(见图5(h))等。SQ1地层的BSR界面上部为天然气水合物，下部为自由气，流体赋存状态的改变使GHSZ地震相出现BSR的底界面特征(见图5(c))。

图5 研究区流体特征地震相及发育位置模式Fig.5 Seismic facies table and development location model map of fluid characteristics in the study area

4 疏导通道与流体运移系统

研究区地层多处可见流体赋存特征及直接油气显示(DHI)，尤其在天然气水合物赋存地层更为突出。广泛发育的多边形断裂对研究区流体赋存、运移具有重要作用，富砂的高渗透层、与下部地层沟通的大断裂，以及海底面冰山坑或冰山犁痕等也为流体提供运移疏导通道。

4.1 多边形断裂

多边形断裂是一系列形成机制与构造无关的正断层[21,37]，在研究区大面积分布，东北部天然气水合物发育区的多边形断裂密度大于其他区域的。研究区多边形断裂的形态和展布主要有三个特点：(1)断裂的平面展布特征表现为多边形形态，断层之间为正交叉，断层走向相对随机，断层之间关联性较大；(2)垂向上有明显的顶、底界面，即有明显的层控性，控制层厚度约为300 m；(3)为断距较小的正断层，最大断距约为50 m。

研究区北部GHSZ的地温梯度、热流高值区与多边形断裂的分布具有明显的相关关系；南部GHSZ多边形断裂密度较高，其地温梯度、热流高值区与多边形断裂分布的相关关系不明显。对南部GHSZ多边形断裂密度进行分析，并将其与地温梯度分布进行对比(见图6)。将南部GHSZ分割成边长为500 m的正方形单元格，统计单元格内的多边形断裂个数。多边形断裂分布密度由中心向边缘逐渐减小，中心处单元格内断裂最高为3个，且高值单元格在中心处聚集，向外逐渐降低，边缘处没有断裂分布。断裂高密度分布的区域地温梯度和热流值明显较高，中心处单元格大于2的区域地温梯度高于5.4 ℃/hm；大部分单元格为1的区域地温梯度为4.8～5.4 ℃/hm；当单元格内没有断裂分布时，地温梯度小于4.8 ℃/hm，普遍较低。

图6 研究区南部GHSZ地温梯度与多边形断裂密度统计Fig.6 Geothermal gradient and polygonal fracture density statistics of southern GHSZ in the study area

天然气水合物的发育经常与多边形断裂联系在一起，文献[19,23,38-39]记录墨西哥湾西北部多边形断裂和天然气水合物的发育；雷新民等[40]、张树林等[41]发现，南海北部天然气水合物的成藏系统与多边形断裂共存。二者发育共存有两个原因：一是多边形断裂可能作为一种潜在的流体迁移途径，导致流体汇聚、迁移[42]。如GAY A等[19]对刚果盆地的研究表明，多边形断裂可以作为流体运移路径，并与海底凹坑及BSR形成有关：流体优先从多边形断裂相互切割的三连点处突破和流动，发育高密度断裂的岩层成为孔隙流体排出的高势能面，多边形断裂成为深部流体向浅层运移的优势通道，最后在海底聚集，从薄弱点或海底麻坑渗出。二是在形成多边形断裂的早期成岩过程中，脱水作用可以为天然气水合物提供所需水分，使多边形断裂与天然气水合物共存[43]。目前，多边形断裂的各种成因假设与压实和流体排出有关[37,44-45]，其形成过程可能为流体运移提供来源和补充。

研究区发育多边形断裂的地层岩性较细，多边形断裂密集分布增加流体储存的空间，天然气运移赋存，从而影响地温梯度。平贵东等[43]研究肇州油田后发现，多边形断裂在不同时期分别具有遮挡和输导作用，促进油藏层连片和最终成藏。MÖLLER N K等[20]和CARTWRIGHT J等[22]指出，多边形断裂更倾向于作为流体流动的屏障，但高密度断层必然改变层间渗透率，破坏封闭地层的完整性，从而促进流体的运移和赋存。因此，研究区GHSZ的高密度多边形断裂形成流体运移的通道，同时增加地层的储存空间，辅助天然气的赋存和天然气水合物的形成，使地温梯度和热流值异常。

4.2 流体运移系统

研究和追踪流体运移路径可以降低勘探风险，也可以避免钻探过程中由流体泄露导致的坍塌。MILKOV A V等[12]研究Cascadia大陆边缘“水合物海岭”区BSR上下地层的甲烷含量与深部增生复合体的流体运移体系，认为气体运移是天然气水合物形成的必要条件。研究区水合物藏的流体运移不是以单一形式存在，而是受多种运移通道的共同作用。

天然气水合物成藏的气体运移包括扩散和对流两种机制，扩散是指气体溶于孔隙水后以浓度梯度为驱动力进行运移；对流是气体以游离气进行运移或溶于流体后通过流体流动发生运移，常出现于聚集型运移通道[13]。张金华等[13]认为，烃类气体成藏主要通过聚集型高通量流体(Focused High Flux，即FHF)运移通道，其中最根本的运移通道为断裂和裂隙，其他还包括底辟构造和渗透层，扩散过程较缓慢且难以形成特定规模的水合物藏。这与研究区流体特征高频出现地区的特征相符，对流体地震相表征进行追踪，研究区流体的通道主要有底辟或构造隆起、断裂、高渗透层。SQ1地层多边形断裂发育处是流体特征最丰富区域，围绕富砂区域(如水道、斜坡扇、活动断裂等)有流体发育特征。流体的运移路径主要为垂向和侧向运移。一方面，流体通过扩散或断层向上垂向运移，进入构造隆起带和浅部地层，并在多边形断裂发育区域汇聚成藏。如河道底部广泛分布的“亮点”、断裂旁侧高亮反射、BSR下方多组高亮反射轴等，可在垂向运移的路径上发现。研究区多边形断裂分布与GHSZ地温梯度具有对应关系，说明高密度的多边形断裂既有流体通道的作用，也增加细粒储层的天然气储藏空间，进而发育天然气水合物。另一方面，流体通过侧向运移对成藏的分布范围产生影响，在均方根振幅属性图中表现为扇状高亮的陆坡斜坡扇(见图7)，可作为含气流体运移的高渗透层通道，而陆坡上发育的细长富泥水道对流体横向运移具有限定作用。根据横向分布的渗透层和扩散作用的影响，流体逐渐在沉积物波发育处、上陆坡河道内赋存，地震剖面上表现为不连续高“亮点”、极性反转等特点。流体沿陆坡运移并在上陆坡存储富集，与孔隙中的水共同作用形成GHSZ，在距离海底面较近的薄弱点(冰山坑、冰山犁痕、断裂或海底麻坑)突破，逐渐形成稳定泄露点。

图7 斜坡扇流体运移方向和潜在海底面流体泄露点Fig.7 Slope fan fluid migration directions and potential seafloor fluid leakage points

研究区的冰川活动及构造抬升对流体运移也有促进作用。研究区位于冰川汇聚入海的位置(见图1)，冰川活动在海底面经过近几千万年的滑动和摩擦，释放一定程度的压力，驱动流体向上运移[26,29]。格陵兰岛西海岸自始新世开始发生区域性的构造抬升，至中新世中期结束，区域性的构造抬升及大面积剥蚀促进深热源气体向上运移排出[26]。

北大西洋段裂谷期的多期海侵使沉积盆地广泛发育海相烃源岩，上侏罗统的海相泥岩、石灰岩和泥灰岩为研究区的水合物提供气源条件；同时，研究区水合物烃类气体也与深部的油气藏有关。天然气水合物的烃类气体主要有两种来源成因，一种是生物成因，主要由浅层沉积物的有机降解或生物转化而产生；另一种是热解成因，热解成因气经常与深部气源、流体运移联系在一起[13]。天然气水合物的甲烷气体主要通过运移和受毛细管作用而来，而非有机质原地转化的生物成因气[46]，故天然气水合物下部常发现游离气藏或油气藏 ，如Cascadia“水合物海岭”区[47]、秘鲁近海利马盆地[48]、墨西哥湾[18]、挪威大陆边缘Storegga区[49]、加拿大Mackenzie三角洲和阿拉斯加北坡等[10]。

综上所述，通过对研究区流体地震相特征分析和空间位置关系追踪，建立流体运移系统(见图8)。深部裂解气通过底辟或构造隆起、断裂、高渗透层等通道在垂向和侧向上运移，并在研究区北部陆架区形成天然气水合物藏。

图8 研究区流体运移成藏模式Fig.8 Model diagram of fluid migration and accumulation in the study area

5 结论

(1)格陵兰岛西部巴芬湾发育天然气水合物藏，水合物发育区地温梯度及热流值分布具有非均一性，多边形断裂发育处热流值高。

(2)研究区流体特征发育明显，地震相表现为三种特征，即流体的聚集导致下部地区的纵波反射模糊带、流体的赋存导致原有地层振幅异常、流体的固/液/气的赋存状态分界面产生地震相变。

(3)研究区GHSZ的高密度多边形断裂形成流体运移的通道，同时也增加地层的储存空间，辅助天然气水合物的形成，导致地温梯度和热流值异常。深部裂解气通过聚集型高通量流体运移通道(底辟或构造隆起、断裂、高渗透层等)在垂向和侧向上运移，并在研究区北部形成天然气水合物藏，或在海底面薄弱点泄露。