智利三岔点附近气水合物带底部的游离气.doc

智利三岔点附近气水合物带底部的游离气 王万春编译 刘文汇校 摘 要 在智利三岔点附近大洋钻探计划的859号钻孔中，首次对气体水合物层底部的似海底反射层(BSR)的源进行了测井，以揭示产生波阻抗反差的性质。从P波速度估算，在紧接BSR的上部孔隙中水合物不足18，因此其密集程度不足以引起反射层。BSR是在8m厚的区间内由VP的急剧下降和可能的密度下降引起。对860号钻孔BSR波型的地震模拟和BSR振幅与偏移距的对比表明，BSR产生于具有低的VP和剪切波速度的12m区段内，低的波速与该区间内含少量游离气(占孔隙约1)的情况相一致。 关键词 智利 气水合物带 游离气 BSR1 引言 自60年代首次在地震剖面中观察到似海底反射层(BSR)以，来，公认BSR与气水合物有关。水合物是水分子包含大量气体的固体物质，所包含气体主要为甲烷，它们形成于靠近海底几百米的海相沉积物中。在地震剖面中，BSR一般呈高振幅、负极性、平行于海底和与沉积构造相交的特性，极易识别。BSR与水合物的关系主要由其与水合物的压力一温度稳定带的理论底界相一致推测而来，水合物的压力一温度稳定带也与海底大致平行。但在一些地区由大洋钻探计划(ODP)和深海钻探计划(DSDP)取自BSR之上剖面的岩心中也发现了水合物，这些地区包括秘鲁海岸，墨西哥的中美洲深海沟以及美国东南部的布莱克外岭区。 尽管推测BSR在空间上与水合物有关，但尚无直接资料能进一步证实BSR的起因及其与水合物的成因联系。钻井设计中尽量避免BSR，这是由于已认识到捕获在水合物底部的游离气有释放的危险。而与评估这些危险相关的研究也已引起关于BSR是否与游离气有关的争论。由水合物引起的可能存在的渗透障碍之下的游离气可以产生高振幅。但是，在水合物稳定带底部的大量水合物相对于无水合物沉积层是否提高地震波阻抗以及在水合物层底部无游离气时是否产生负极性亮点反射都是有争议的。 在智利三岔点附近智利海岸ODP Leg l41钻井中，对气水合物下部的层段首次进行了测井，并调查了BSR的起因及其与水合物的关系。三个钻孔穿过了BSR(图1)。在859号钻孔中，成功的获得了由地球物理测井记录的原地物理性质，此处BSR相对较强。本文将研究穿过水合物底层的测井记录的原地物理性质，以期确定产生BSR波阻抗边界的性质。为考察测井所记录的物理性质是否产生在745测线上所见的BSR，建立了BSR的几种地震模型。模拟BSR也研究了BSR的振幅与偏移距对比(AVO)，以确定游离气是否引起BSR。图1 标有三个穿过智利陆缘的大洋钻探计划Leg 141钻孔位置的智利三岔点等深图 虚线所示为智利海底扩张洋脊;横断钻孔位置在745地震线上 2 地质背景 在智利三岔点正北的智利陆缘是智利洋脊与南美板块碰撞处。该碰撞控制着形成水合物所在的沉积层的温压条件。沿745测线的温度梯度受活动扩张的智利洋脊的很大影响，智利洋脊在745测线上位于距智利陆缘约5km处，预测已俯冲约100ka。 745测线上陆缘的主要要构造要素是板块会聚的结果。水合物初始形成于沿斜坡下部宽约810km的一小型增生杂岩中(图2)，并紧接着在增生杂岩向陆一侧的5km宽的向斜中形成，该向斜由轻微褶皱的沉积物构成，并形成一小型陆坡盆地沉积物构成。在智利洋脊俯冲的同时斜坡底端的大部在正在逐渐隆起，并使沉积物内压力减小。图2 没有时间变化增益的745地震线移动变型，以示BSR振幅 地震资料在RVConrad航线为钻井RC2901定位过程中获得。震源由十枪阵列组成，调谐以抑制气泡脉冲，总体积为613dm3。气枪发射间隔为20秒间，产生约50m的发射空间，通过3km长间距为125 m的240道数字检波器接收，在859和860处钻孔，BSR为突出反射。CMP=共中心点。 3 745测线上的BSR 沿745测线的三个钻孔中钻遇了BSR(钻孔859，860和861)(图2)。只在钻孔859中获得了穿过BSR的测井曲线。在钻孔861附近的BSR是在海底之下约250m处。一钻孔860位于弧前盆地处，BSR位于海底之下约200m处，并具有该测线上最高的振幅，约为海底反射的三分之一。沿斜坡下部至钻孔859、BSR是半连续的。某些亮度变化可能是因沿斜坡下部由海底粗糙度的聚焦效应所引起。在钻孔859，BSR因其在海底之下约100m处的极强反射易于识别。BSR向海变浅是由地热梯度的横向变化所引起，斜坡底端高地热梯度是由于智利洋脊热的新陆壳所产生。 4 穿过水合物层的地球物理测井 尽管在859号钻孔中大的孔径降低了测井质量，在BSR之上的两个层段的孔隙中含有水合物(图3)。在A层(图3)纵波波速(VP)约为1900ms，比C层纵波波速高500ms。应用时间平均方程，A层的高波速是由于水合物在孔隙中的含量达到了约10所引起(沉积物孔隙度为45；水合物的波速为3800ms)；C层中不存在水合物。A层中孔隙流体的氯化物及盐度比海水偏淡515，这种淡化由占孔隙515的水合物的分解引起。C层孔隙流体未显示异常。最大的孔隙流体化学异常在海底之下35m处发现，位于测井区段之上，并显示有25的孔隙中含有水合物。图3 859号钻孔穿过水合物及似海底反射层(BSR)的声波测井、电阻率测井及井径测井记录 两个含水合物层段A和D的波速和电阻率相对较高。BSR由E层中较低的波速产生。深度以海底以下米计算(mbsf) 测井中也显示出了第二层水合物，D层(图3)。在BSR之上的最高波速为1950ms，表明约18的孔隙中充填了水合物。在BSR之上取到的岩心中观察到了少量气体，但没有观察到水合物，推测小而呈分散状聚集的水合物在取心过程中未能保存下来。 BSR产生于7m厚的E层之顶、底部物理性质的反差(图3)。测井显示出一大的低速异常；在E层波速降低至平均1600ms。这一构造特征与Miller等(1991)揭示的秘鲁海岸薄的低速层相似，他们将低的P波速归因于游离气的少量富集。用于计算声波测井的四对震源与接收器之间记录的传播时间，在E层每个都显示出相对较低的速度；但它们的响应却不一致。这种不一致性引起了极明显的表观值12kms(图3)，推测这种不一致性是由于通过气体时差的信号传递所引起，差的信号传递使仪器不能精确测定传播时间，或是由于发射源与接收器之间传播路径的不同所致，这种不同可能是由于区段内气体含量变化引起。在E层底部，波速又增大到了与E层顶部相似的值。这表明BSR是由7m厚的含游离气的低速层引起。5 模拟BSR 为使BSR的波形与振幅相匹配并使BSR与物理特性相对应，对BSR进行了模拟。首先模拟了近正入射条件下的BSR，其结果被用作AVO模拟的零偏移距响应。如下所述，通过AVO可能揭示游离气的存在。 由近正入射线产生的BSR振幅及波形取决于地层的反射界面上的波阻抗差异(波阻抗是纵波速度和密度的乘积)和地层厚度。产生BSR的低波阻抗层的传播时间厚度小于地震脉冲长度，因此分界面顶部和底部的反射层通过引起“共振效应”来干扰和影响振幅。当反射和透射系数随入射角或偏移距改变时AVO也发生变化，这种变化取决于邻接反射界面的地层中的泊松比(纵波与横波波速比值，VPVS)。 在860钻孔附近的共中心点道集(CMP)提供了BSR及其AVO状态的一个实例，此处BSR为一陡的反射。局部海底地形的聚焦效应歪曲了859钻孔附近BSR振幅。因此分析了860钻孔的CMPl389，此处海底较平，坡度15。 CMPl389的综合地震波曲线依据Chapman(1978；WKBJ方法)技术建造。在近正入射时，BSR通过改变VP、密度和低阻抗层厚度来获得(图4)。在低阻抗层交界面上的初始VP值由859钻孔的声波测井中获得。密度自VP推算出。初始VS值以浅层未固结沉积物的值为基础，并调整与AVO匹配。模拟结果如图4所示。图4 自860钻孔获得的745测线上的共中心点(CMP)道集1389处标有BSR波形和振幅与偏移距对比(AVO)的资料及综合地震波曲线(左上) CMPl389每第八条记录线显示一条。由CMPl389测到的海底AVO以及BSR负脉冲示于右上(噪音线)。粗线为AVO数据的多项式拟合以消除噪音。细线为在相当于游离气占1和可以产生BSR的无游离气低阻抗层条件下对海底和BSR的模拟振幅。左下为应用1游离气模拟中VP和VS(右下)合成的综合地震曲波线图。VP值以钻859孔穿过BSR测井值为基础。海底和BSR的振幅及波形在近偏距和远偏距下部对应良好。 孔隙内流体的不同饱和度影响物理特性，特别是当气体取代了孔隙流体时。体积模量由于气体压缩率的提高而大为减小，因此随气体含量升高，游离气达到百分之几，VP显著下降。理论及实验研究预测，8090的效应由占孔隙28的气体含量引起，它们与沉积物结构的强度有关。气体对横波的影响微不足道；因此，随气体聚集密度下降VS微有上升，但在游离气占百分之几的范围内可忽略不计。因此，沉积物中的游离气可依据相对于无游离气沉积物的低VP和几乎恒定的VS值来识别。气体降低了VPVS比值。与未固结沉积物约045的比值相比较，气体饱和的砂中泊松比可低至01。 对来自低阻抗层的游离气可以通过Zoeppritz方程用人射角计算反射系数来预测。基于有BSR在含水合物层的波速与Domenico(1976)提供的数据的相似性，将其选为所建模式气体的VP和VS响应的最佳代表值。自最远偏移距30km接收到的BSR，入射角为45。为对比振幅与45角计算了两次响应(图5)：一次取VPVS值在低阻抗区间之上、之内和之下为恒定值(即在低阻抗区间无游离气)；另一次取含1游离气层内的VP和VS值。入射角为45时，BSR反射系数随游离气的增加由0增加至1。为进行对比，图5也表明了游离气为2的反射系数，其产生较大的反射系数，该反射系数随偏移距有显著增大。图5 A：由Domenico(1976)预测的随气体含量增加vp和VS变化的理论估算值 VP的大幅度下降发生在游离气含量自0升高至2的条件下。横波波速随气体含量的变化很小 B：含气层顶、底界面上计算出的反射系数 计算在A中人角达到45，由VP和VS特性确定的游离气含量为2，1和0的情况。能产生BSR的最大入射角为45 与AVO模式相对应的由综合地震曲线波计算出的BSR振幅为游离气模型中的振幅(图4)。应用无气体模型，在入射角为45时计算出的振幅仅为所测量到振幅的75。6 讨论 水合物层底部的游离气为智利南部的BSR提供了良好解释。测井记录的VP值，BSR的地震特征以及AVO都与约1游离气的存在相一致。水合物的量不足以在含水合物和无水合物沉积物界面上产生大的阻抗差，而且BSR的波形是由一个层而不是一个单独的界面产生。假如观测到的BSR是来自含水合物沉积层底部的反射，那么远高于所观测到的约占孔隙50的水合物含量。为了与所观测到的BSR振幅相匹配。游离气层为一较好的解释。 BSR的振幅与气体含量及含气层厚度有直接关系。745测线上最大的BSR振幅由不超过1的低含量游离气产生，低含量游离气在含气层的顶部和底部界面产生波阻抗反差。含气层分界面上的负反射极性及其712m的分隔引起叠加干涉并加长BSR振幅。比振源主波长的厚层间隔(25m)会在游离气层的顶部和底部产生两个明显的反射层。两个反射层不是智利南部BSR的特征，也不是文献中报道的其它BSR特征；因此，游离气区间典型为一约小于25m厚的沉积层。弱的BSR或产自低的气体含量，或产自厚度小于5m的沉积层，它们将引起沉积层顶部和底部反射层的相消干涉。亮的BSR是薄游离气层的低阻抗和“共振”效应，振幅不是水合物含量的直接证据，与Hyndman和Spence(1992