黑海天然氣水合物地質調查現狀分析

吳林強 , 張 濤, 蔣成竹, 趙一璇, 梁前勇, 王曉輝, 邢佳韻

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083； 2)中國地質調查局發展研究中心, 北京 100037；3)中國地質調查局廣州海洋地質調查局, 廣東廣州 510075； 4)中國石油大學(北京)化學工程學院, 北京 102249；5)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037

黑海是全球最大的缺氧水體。合適的溫壓條件、富甲烷的環境以及適宜的海洋水文狀況, 使黑海成為天然氣和天然氣水合物成藏的天然實驗室。受限于黑海周邊各國地質調查能力和裝備條件, 目前黑海天然氣水合物地質調查工作基本由德國、法國及俄羅斯等歐洲大國領導, 土耳其等其他周邊國家主動權和話語權較少。經過多年努力, 我國已成功實施兩輪海域天然氣水合物試采, 創造了“產氣總量”和“日均產氣量”兩項新的世界紀錄, 在水合物基礎科學、成藏理論、儲層物性、勘查與試采關鍵技術以及環境效應等方面取得了豐碩的成果,水合物產業化正在穩步推進。本文系統梳理了黑海地區天然氣水合物地質調查的歷程、主要認識及資源潛力, 這對加快推動我國與黑海周邊國家天然氣水合物的合作調查研究、充分發揮我國世界領先的裝備技術優勢具有一定的借鑒作用。

1 黑海天然氣水合物調查歷程及主要成果

1.1 黑海概況

黑海是位于歐洲東南部和亞洲小亞細亞半島之間的陸間海, 其形似橢圓形, 面積約42.2萬km2。黑海平均水深1315 m, 最大水深2210 m, 通過土耳其海峽與地中海相連接(王京和劉琨, 2014； Merey and Sinayuc, 2016a)。從地質背景上看, 黑海由西部黑海盆地和東部黑海盆地兩個盆地組成, 每個盆地都具有海洋地殼和強烈減薄的大陸地殼。兩個盆地被Andrusov海脊分隔, 通過Arkhangelsky海脊與大陸地殼分開(Simmons et al., 2018)(圖1)。在黑海陸架和大陸斜坡, 甲烷滲漏現象非常普遍(圖1)(Dondurur and Cific, 2009； Merey and Sinayuc,2016b)。

圖1 黑海天然氣水合物和泥火山氣體滲漏分布圖(Starostenko et al., 2010)Fig.1 Location of the mud volcanoes gas seeps and gas hydrates in the Black Sea (after Starostenko et al., 2010)

1.2 天然氣水合物地質調查歷程

黑海天然氣水合物的地質調查研究最早可追溯到20世紀70年代初(史斗, 2003； Yefremova and Zhizchenko, 1974）。1974年, 莫斯科大學科學考察船在1950 m水深海底之下6.4 m處發現了天然氣水合物, 這是在黑海發現天然氣水合物的最早正式記錄。1978年, 深海鉆探計劃(DSDP) 42B航次在黑海鉆了 6個孔, 獲得了幾乎完整的晚中新世以來的巖芯(David et al., 1978)。2001年, 由聯合國教科文組織政府間海洋學委員會(UNESCO-IOC)資助開展的TTR-11航次, 首次在黑海西北部水深900 m非泥火山區域采用深海拖網采集到了天然氣水合物樣品(Kenyon et al., 2001)(圖 2)。

圖2 黑海西北部BS308號樣品中的水合物(Kenyon et al., 2001)Fig.2 Gas hydrates in Core BS308K in the northwestern part of the Black Sea (after Kenyon et al., 2001)

2002年之后, 德國亥姆霍茲基爾海洋研究中心(GEOMAR)先后利用Meteor號、Maria S.Merian號等科考船, 對黑海海底地形和水合物分布進行詳細調查, 圈定了BSR的分布范圍, 首次在火山泥沉積物中進行了天然氣水合物取樣, 獲取了水合物的分布范圍和沉積物參數(GEOMAR, 2002； P?tzold et al.,2003； Bialas et al., 2014)。

2010—2012年, 由歐洲科學基金會資助的EUROCORES TOPO-EUROPE項目在黑海開展了3個航次調查, 先后在黑海西北部邊緣地區共采集高分辨率多道地震、Chirp淺地層剖面和多波束測深數據2500 km(Hillman et al., 2018)。

值得注意的是, 2003年, 土耳其多庫茲愛呂爾大學(Dokuz Eylül University)海洋技術學院利用深拖5 kHz淺地層剖面儀, 在黑海東部近土耳其陸架和斜坡區水深250～700 m、海底以下25～60 m區域,觀察到3～5 m厚的強反射層, 推測可能為富含H2S的淺層天然氣水合物層(Dondurur and Cific, 2009)。2016—2018年期間, 土耳其多庫茲愛呂爾大學(Dokuz Eylül University)Seis Lab地震實驗室與土耳其石油公司(TPAO)合作, 在黑海西部進行了聯合地震勘探。這些調查研究豐富了對黑海天然氣水合物的認識。

1.3 天然氣水合物調查取得的認識

經過近 50年的地質調查, 目前在關于黑海天然氣水合物方面主要取得以下幾點認識：

(1)黑海BSR廣泛發育。據統計, 依據 BSR部署實施鉆探調查時, 鉆遇天然氣水合物的概率為42%, 而在BSR外的概率為僅15%(Majumdar et al.,2015)。在黑海, 多瑙河深海扇中的高分辨率反射地震數據上出現 BSR(圖 3), 這主要與甲烷水合物界面下存在游離氣有關(Popescu et al., 2006)。同時, 在黑海中部的Amasra, Bartin和Zonguldar-Kozlu等多個地區觀察到雙BSR現象, 這意味著頂部BSR為生物成因天然氣水合物界面, 底部BSR為熱成因天然氣水合物界面(Vassilev, 2006； Kü?ük et al., 2012)。

圖3 黑海天然氣水合物穩定帶橫截面BSR數量(Vassilev, 2006)Fig.3 Gas hydrate stability zones/BSRs number in the cross section (after Vassilev, 2006)

(2)黑海天然氣水合物類型以Ⅰ型為主。根據M52等多個航次的樣品綜合分析, 黑海地區天然氣水合物產狀主要有塊狀、層狀和分層狀(Bohrmann et al., 2003； P?tzold et al., 2003)。氣體成分等分析顯示, 黑海地區天然氣水合物既有熱成因, 也有生物成因, 類型以Ⅰ型為主。其中, 天然氣水合物穩定帶內超過 99%的氣體成分為甲烷(Korsakov et al.,2010； Merey and Sinayuc, 2016a, b)。此外, 在黑海東部陸架淺層天然氣水合物層中, 可能富含H2S氣體(Merey and Sinayuc, 2016a, b)。

(3)黑海天然氣水合物儲層以細粒沉積為主。目前關于黑海沉積物的巖性類型的資料非常有限。根據查閱文獻資料, 特別是DSDP 42B航次的鉆探取心資料對黑海沉積物巖性進行了分析, 顯示黑海天然氣水合物儲層以細粒沉積為主, 黏土含量較高(Shimkus and Trimonis, 1974； David et al., 1978)。黑海濁積沉積層中的砂質粉土和粉砂層, 以及分離的薄砂層可能是潛在的天然氣水合物儲層。

(4)黑海海域海底具有較高的水溫(約9℃)和鹽度(約 22.3‰)(P?tzold et al., 2003)。據Ⅰ型甲烷水合物溫壓曲線, 天然氣水合物在水深大于720 m處是具有熱力學穩定性(Bialas et al., 2014)。在過去3～5個地質時期, 黑海的低鹽度值仍然存在于 20～30 mbsf的沉積物中, 因此黑海的天然氣水合物穩定帶(GHSZ)可能略微向上延伸至水深約 665 m 處(Vincent et al., 2017； Zander et al., 2017)。

1.4 水合物分布與資源潛力

目前, 科學家已在黑海多個區域取得了天然氣水合物樣品, 同時泥火山、氣體滲漏等多種與天然氣水合物相關的證據也表明黑海天然氣水合物分布范圍十分廣泛(圖1)。據統計, 黑海地區適合天然氣水合物形成的面積達28.8萬km2, 占黑海總面積的68.5%, 占深水區域的 91%(Merey and Sinayuc,2017)。其中, 多瑙河深海扇是歐洲最有可能存在砂巖型大型水合物藏的區域(Popescu et al., 2007； 邢軍輝等, 2016)。

關于該地區天然氣水合物資源量的估算, 前人已做過不少研究(表1, 2, 3)。據Merey and Sinayuc(2016a, b)預測, 黑海天然氣水合物分布面積約2.79萬 km2, 水合物穩定帶厚度約 303 m, 孔隙度為52.5%, 平均飽和度 10%, 評價黑海中天然氣水合物的甲烷量達71.8萬億m3。其中, 砂巖型天然氣水合物中甲烷資源量為13.6萬億m3。此外, 也有學者(Klauda and Sandler, 2003)認為, 標準條件下, 黑海天然氣水合物甲烷資源量最高可達850萬億m3, 且黑海南部靠近土耳其的區域含量最為豐富(圖 4中圓圈部分)。

表1 用于計算黑海水合物中甲烷資源量的參數(Merey and Sinayuc, 2016b)Table 1 Parameters calculated for the calculation of the amount of CH4 in the Black Sea hydrates in this study(after Merey and Sinayuc, 2016b)

表2 黑海天然氣水合物甲烷資源量Table 2 Methane potential of the Black Sea hydrates

表3 黑海砂巖型天然氣水合物甲烷資源潛力Table 3 Methane potential of the Black Sea hydrates(in sands only)

圖4 標準條件下黑海天然氣水合物中甲烷含量(據Klauda and Sandler, 2003)Fig.4 Volume of CH4 in hydrate at standard conditions for the Black Sea (after Klauda and Sandler, 2003)

2 黑海天然氣水合物調查研究特點

2.1 資源調查由歐洲大國主導居多, 周邊國家總體參與程度低

黑海地區的天然氣水合物資源十分豐富, 且廣泛分布在黑海陸坡、陸坡坡腳和深水盆地。除俄羅斯外，黑海周邊其他國家的地質調查能力和裝備條件有限。目前, 黑海天然氣水合物資源調查工作由德國、法國及俄羅斯等國家領導居多, 土耳其等周邊國家則偶爾以合作方的形式參與。比如在專門針對水合物開展的MSM 34航次中, 周邊國家僅有保加利亞和土耳其的科學家參與(Bialas et al., 2014)。德國是在黑海地區開展調查航次最多, 影響力最大的國家。據不完全統計, 迄今為止德國“Meteor”號、“Maria S.Merian”號和“Poseidon”號科考船已在黑海進行了13個航次共24個航段的科學考察(邢軍輝等, 2016； PANGAEA, 2018)。其中, 德國主導的海域天然氣水合物儲層計劃(SUGAR)在黑海做了大量的工作。

2.2 周邊各國調查程度較低, 專屬海域水合物分布不明

除俄羅斯外, 目前黑海周邊各國在水合物研究方面主要以各高校的科學家參與國際合作項目的方式為主, 地質調查機構和石油公司則鮮有參與。地質調查機構和石油公司即使開展了海域地質調查工作, 也基本都是圍繞油氣進行。比如, 以水合物研究較為積極的土耳其為例, 目前國內主要地質調查機構礦產研究與勘查總局(MTA)尚未參與到水合物調查和研究中, 土耳其石油公司(TPAO)也僅開展極少量的水合物調查工作。受限于國內較低的地質調查程度, 目前各高校在水合物方面開展的研究主要還停留在分析已有公開資料的基礎上, 開展儲層及物性分析、資源潛力評價和數值模擬等學術研究。由于這些公開資料基本來自美國、歐盟等開展的國際合作項目, 資料的針對性和密度都非常低。因此,這些學者們研究的區域往往覆蓋整個黑海海域, 而專門針對各國專屬海域的水合物地質調查工作還屬于空白階段。

2.3 土耳其積極參與國際合作項目, 具備一定的調查能力和裝備實力

土耳其是除俄羅斯外, 從事天然氣水合物較為積極的國家, 先后參與了歐洲海域天然氣水合物(MIGRATE)、德國的SUGAR項目等多個國際項目,并在MSM 34等調查航次中提供各種裝備和試驗支撐。2005年, 為了開展由土耳其國家計委組織資助的天然氣水合物研究項目“土耳其海域天然氣水合物研究”, 土耳其多庫茲愛呂爾大學(Dokuz Eylül University)海洋技術學院專門成立了 SeisLab地震實驗室, 并擁有土耳其第一艘海洋研究科考船Koca Piri Reis號(SeisLab, 2019)。該實驗室對黑海地區的天然氣水合物做了較多的研究工作, 包括黑海沉積物中天然氣水合物形成及其影響的研究、馬爾馬拉海東部的天然氣水合物和淺層天然氣結構、利用地震和聲納方法研究黑海天然氣水合物、土耳其東黑海陸架和斜坡區天然氣水合物和飽和沉積物的地震調查和東地中海地球物理資料分析與解釋等。特別是在馬爾馬拉海, 土耳其先后與法國、德國等國家開展了 MARMARA(2000)、MARMARASCARPS(2002)、SEISMARMARA(2003)、MARNAUT(2007)和 MARMESONET(2009)等多個航次, 獲取了大量天然氣水合物有關資料,并對多個樣品進行了測試分析(Korsakov et al., 2010；Merey and Sinayuc, 2016a； Hillman et al., 2018)。

3 結論

黑海天然氣水合物資源豐富, 其獨特環境使其成為天然氣水合物調查研究的天然實驗室。50多年來, 德國、法國、俄羅斯等在黑海主導了多個調查航次, 并對黑海天然氣水合物開展了研究評價工作。

(1)黑海地區天然氣水合物類型以I型為主, 主要賦存在細粒沉積儲層中, 甲烷資源量最高可達850萬億m3, 但周邊各國專屬海域資源調查程度較低, 資源分布狀況不明。

(2)除俄羅斯外, 黑海周邊大部分國家天然氣水合物實質性的調查研究工作還處于起步階段。該區域天然氣水合物資源調查以歐洲大國主導居多, 周邊國家總體參與程度較低, 且多以高校參與為主,地質調查機構鮮有參與。

(3)土耳其具備一定的天然氣水合物調查能力和裝備實力, 且積極參與多個國際合作項目, 在黑海、馬爾馬拉海、地中海獲取了大量天然氣水合物相關資料, 是我國未來合作的重點。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20190462).