南極南設得蘭陸緣天然氣水合物儲層地球物理研究進展

摘要： 南極南設得蘭陸緣天然氣水合物分布廣泛，因其在資源、地質災害及全球氣候變化等方面具有重要作用，成為國內外研究的熱點。為此，從天然氣水合物儲層的地震識別特征、水合物相關地質構造、水合物儲層定量評價以及水合物與氣候變化關系等方面對南設得蘭陸緣水合物儲層的地球物理研究工作進行了梳理和總結，獲得了幾點思考與認識，以期為今后天然氣水合物勘探開發及氣候變化研究提供一定的參考借鑒。最后對該區域水合物儲層地球物理研究方向進行了展望，認為綜合利用海底地震儀數據的縱橫波信息開展水合物儲層三維表征研究、深入研究天然氣水合物對全球變暖的響應機制及其反饋作用等是未來重要的發展方向。

關鍵詞： 天然氣水合物，南設得蘭陸緣，地球物理研究，氣候變化

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000-7210. 2024. 06. 025

0 引言

天然氣水合物，又稱“可燃冰”，是一種由天然氣分子（主要為甲烷）與水分子在低溫、高壓以及充足氣源條件下形成的似冰狀固態化合物[1]，主要分布于大陸邊緣海底沉積物和陸地永久凍土帶中。它被普遍認為是繼煤層氣、致密氣、頁巖氣之后最具潛力且有希望接替化石能源的一種儲量巨大的新型潔凈能源[2-3]。另一方面，天然氣水合物與地球環境密切相關，水合物的分解可能破壞海底穩定性，誘發海底滑坡、滑塌等地質災害[4]，釋放的甲烷氣體會對全球氣候變化產生影響[5-6]。因此，無論是從能源需求、地質災害還是氣候影響的角度來說，開展天然氣水合物研究都具有重要意義。

南極陸緣天然氣水合物的調查和研究始于20世紀70 年代。Mciver[7]在羅斯海深海鉆探計劃第28 航次3 個鉆孔（271、272 和273 鉆孔）巖心中發現了高含量的烴類氣體（主要是甲烷），認為鉆孔下部沉積物中可能含有水合物，這是關于南極陸緣存在水合物的首次報道。之后，大洋鉆探計劃航次和地球物理調查航次相繼在該陸緣發現水合物存在的地球物理和地球化學證據[8-9]。目前南極陸緣具有7 個潛在的天然氣水合物分布區，分別為南設得蘭陸緣、南極半島的太平洋陸緣、羅斯海陸緣、威爾克斯地陸緣、普林斯灣陸緣、里瑟—拉森海陸緣和南奧克尼群島東南陸緣[10]。其中，南設得蘭陸緣是進行水合物調查研究最集中的地區。南設得蘭陸緣是典型的活動型大陸邊緣，該地區溝—增生楔—弧前盆地序列發育，為天然氣水合物的形成和聚集提供了有利的地質構造環境。意大利國家南極計劃三次地球物理調查表明南設得蘭陸緣廣泛存在天然氣水合物[11-12]。通過對水合物成藏條件的分析，發現南設得蘭陸緣具備水合物形成的氣源、溫壓、沉積體系及地質構造環境[13-14]。

開展深海包括極地資源探測是國家的重大戰略，其中南極地區的天然氣水合物資源是未來優先考慮的重點之一。此外，南極是對全球氣候變化響應最為敏感的地區之一，同時也是近幾十年來海洋溫度升高速度最快的地區之一，長期的海洋變暖可能會導致水合物分解從而釋放出甲烷[15]。國內外學者對南設得蘭陸緣的天然氣水合物儲層進行了地球物理研究，加深了人們對該地區水合物系統的認識。本文對南設得蘭陸緣水合物儲層的地球物理研究工作進行梳理和總結，以期為水合物勘探開發及氣候變化研究提供一定的參考借鑒。

1 區域地質背景

南設得蘭陸緣位于南極半島的太平洋陸緣東北側，代表了南極地區唯一殘留的古生代—中生代岡瓦納俯沖陸緣，處于古菲尼克斯海洋板塊俯沖到南極板塊的匯聚板塊邊界，也是南設得蘭臺地和菲尼克斯洋殼微板塊之間的匯聚帶。由于南設得蘭微板塊之下南極和古菲尼克斯板塊的俯沖，陸緣構造背景復雜，形成一套典型的溝—增生楔—弧前盆地的沉積序列[16-17]。大約在4 Ma 前，南極—菲尼克斯脊停止擴張[18]。目前，俯沖過程被大洋板塊的下沉和逆行所控制，這種被動俯沖與布蘭斯菲爾德海峽邊緣盆地的伸展形成了耦合[17-20]。南設得蘭陸緣呈現兩個不同的疊加構造區域：較老的區域是與中生代俯沖構造作用相關的岡瓦那大陸邊緣；較為年輕的是與一個主要為外延構造階段相聯系的漸新世發展起來的西部斯科舍海[14，21]。

總體而言，位于地球最南端的南極板塊，其大陸邊緣多為非活動型大陸邊緣，但在南極半島附近海域，由于古菲尼克斯板塊的不斷俯沖，形成以南設得蘭海溝為代表的活動型大陸邊緣[10]。南設得蘭陸緣溝―增生楔―弧前盆地發育，為天然氣水合物的聚集成藏提供了有利的地質構造背景。

2 天然氣水合物儲層地球物理研究成果

2. 1 地球物理數據

意大利國家南極計劃（PNRA-Progetto Nazionaledi Ricerche in Antartide） R/V OGS Explora1989―1990 航次、1996―1997 航次、2003―2004 航次[11-12]先后在南設得蘭陸緣進行了地球物理調查（圖1），目的是驗證南設得蘭陸緣潛在天然氣水合物儲層的存在，并重建其構造環境。在第一次調查中，僅采集了多道地震數據，震源系統是由兩個15支氣槍組成的陣列，總容量為45 L，炮間距為50 m。記錄系統為道間距25 m、總長為3000 m 的120 道電纜。第二次資料采集使用相同的電纜，而震源由兩條GI 氣槍組成相干槍陣，氣槍總容量為3. 5 L，炮間距為25 m。此外，沿具有明顯似海底反射層（BottomSimulating Reflector，BSR）特征的地震測線布設了1個海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer， OBS）臺站，OBS 由1 個壓力檢波器和3 個速度檢波器構成，數據記錄長達20 s，采樣間隔為2 ms。最后一個航次在該區域采集了OBS 數據和其他地球物理數據，包括多道地震數據、淺剖數據、多波束測深數據以及沉積物重力樣。多道地震數據采集使用長600 m、48 道的數字固態電纜，采樣間隔為1 ms；淺剖數據由BenthosCAP-6600 系統采集獲得，工作頻率7 kHz。此航次采用Reson Seabat 8150 多波束測深儀回聲系統進行海底地形測量，測量面積約為5500 km2。該系統具有234 個波束，發射頻率為12 kHz，測深范圍為100～15000 m。沉積物重力樣利用重力活塞取樣器分別取得了長度為1. 07 m 和2. 98 m 的沉積物巖心。