發布時間：2021-03-06所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要海底冷泉羽狀流是海底冷泉活動最直接的表現形式，與天然氣水合物動態成藏和動態油氣系統密切相關。近年來，因其對全球氣候變化的影響和潛在的資源前景，冷泉流體活動受到越來越多重視。本文對全球重要海域海底冷泉羽狀流的分布和通量相關研究進行總結分
摘要海底冷泉羽狀流是海底冷泉活動最直接的表現形式，與天然氣水合物動態成藏和動態油氣系統密切相關。近年來，因其對全球氣候變化的影響和潛在的資源前景，冷泉流體活動受到越來越多重視。本文對全球重要海域海底冷泉羽狀流的分布和通量相關研究進行總結分析，發現冷泉羽狀流廣泛分布在主動和被動大陸邊緣，而在弧后地質背景和走滑大陸邊緣發現較少，研究不夠深入。在構造活動活躍、沉積速率和運移通道滲透率高的地質背景下，冷泉羽狀流一般呈區域性聚集發育，規模與通量較大。目前研究發現，通常單個羽狀流滲漏孔的通量一般介于3.5ml/min~13.9L/min之間，但受制于觀測技術和成本，羽狀流的通量估算具有不確定性，且易受到不同地質和海洋控制因素的影響。另外，冷泉羽狀流發育區往往對應或指示重要海洋油氣富集區，通過與海域天然氣水合物試采結果和天然氣水合物工業生產指標進行對比分析，認為大型單體冷泉羽狀流以及與水合物賦存或深部油氣藏相關的區域性羽狀流群具有重大資源效應，主要體現在羽狀流本身的氣體通量資源效應、與天然氣水合物的密切聯系以及對于海洋深部動態油氣藏的指示三個方面。建議重視對海底冷泉羽狀流發育區的調查與探測，尤其針對大型單體冷泉羽狀流，加強對其活動特征的長期觀測，從而明確其時序滲漏特性、活動機制以及海洋與地質因素的控制作用。通過研究有效的通量測量技術和方法，建立冷泉羽狀流資源評價技術標準，從而推進其進一步開發與利用。
關鍵詞天然氣水合物;冷泉;羽狀流;甲烷通量;流體活動
0引言
海底冷泉是由于地層壓力或構造活動造成的一種海底流體滲漏現象，是繼洋中脊熱液后又一種新的流體滲漏類型(陳多福等，2002)，冷泉不會像熱液一樣表現出明顯的溫度異常(Levin,2005)，但都在它們周圍發現了生物群落(BoetiusandWenzhofer,2010)。全球冷泉分布廣泛，從淺海陸架到深海海溝，從熱帶海域到兩極地區都有發育(陳忠等，2007)。由于冷泉氣體滲漏對巖石圈(Talukder,2012)、生物圈(Macdonaldetal.,2003)、水圈(Suessetal.,1999)和大氣圈(Solomonetal.,2009)的重要影響，近些年來引起了國際研究人員的廣泛關注(Judd,2003)。
氣體羽狀流是海底活動冷泉的重要指示標志，利用地球物理方法可以有效識別羽狀流(陳江欣等，2017;韓同剛等，2018;段旻良等，2019)。冷泉區通常與天然氣水合物的分解有關(陳忠等，2007;李燦蘋等，2016)，例如在水合物脊(Torresetal.,2002)、墨西哥灣(Smithetal.,2014)、卡斯凱迪亞大陸邊緣(Suessetal.,1999)、黑海(Naudtsetal.,2006;Romeretal.,2012a)、南海(陳江欣等，2015,2017;Huetal.,2019)和新西蘭海域(Naudtsetal.,2010;Netzebandetal.,2010)等活動冷泉區都發現了天然氣水合物。在應對氣候變暖和可持續發展的國際背景下，天然氣水合物作為一種新型的、環保的非常規能源，愈加受到各國的重視(于興河等，2019)，尤其與冷泉相關的天然氣水合物研究也愈加受到研究人員的重視(Duetal.,2018;Fangetal.,2019)，如黑海、地中海東部和墨西哥灣等海域研究較為深入(Suess,2018)。但由于對冷泉羽狀流的分布特征、冷泉活動的時空變化以及影響羽狀流的地質過程仍然認識不足，大多數仍缺乏有效量化指標(Sauteretal.,2006;Luoetal.,2016;Fengetal.,2020)。目前來看，針對活動冷泉的區域性或全球甲烷通量研究報道有限，最早見于對加利福尼亞州的CoalOilPoint甲烷羽狀流通量進行測量(Hornafiusetal.,1999;Leifer,2019)。相比于淺海，對深海冷泉單個滲漏孔羽狀流通量的研究也仍然比較缺乏(Romeretal.,2019a)。
相關期刊推薦：《地球物理學進展》(雙月刊)1986年創刊，本刊是中國科學院主管，中國科學院地質與地球物理研究所和中國地球物理學會共同主辦的地球物理學及相關領域的綜合性學術刊物，國內外公開發行。主要報道國內外地球物理學研究的最新進展和成果，探討地球物理學的發展戰略，評價地球物理學科的現狀和發展趨勢。
海底冷泉羽狀流一方面作為所在海域深淺層油氣藏的重要指示標志，資源意義重大，通過追溯其氣體來源，可以加深對海底流體運移和油氣動態成藏的理解與認識(Talukder,2012;Johansenetal.,2017);另一方面對海底沉積物的特性和海床穩定性具有重大的影響，可能對海洋基礎設施(通信電纜、石油鉆井平臺、管道)構成危害(Ceramicolaetal.,2018)。此外，量化海底冷泉羽狀流通量對于明確全球碳循環的周期與過程也有重要的研究意義(Dietal.,2020)。本文通過總結國內外對活動冷泉羽狀流的氣體通量研究進展，探討了羽狀流的歸宿和通量控制機制，并利用天然氣水合物工業生產指標，分析和論述了氣體羽狀流的資源效應，為今后全球海底油氣資源的勘探開發、氣候變化研究及資源評價等方面提供參考。
1海底冷泉羽狀流及其分布
天然氣從地殼內部往上運移，這些氣體通過斷層、裂隙等運移通道進入海水后，會以氣泡的形式向上運移，形成海底冷泉羽狀流(陳多福等，2002;樊栓獅等，2007;JuddandHovland,2007)。海底冷泉羽狀流是海底活動冷泉最直接、最確切的表現形式(陳江欣等，2017)，其氣體主要成分是甲烷，其余是乙烷、丙烷等小分子量烷烴、二氧化碳和其他微量氣體(LeiferandPatro,2002)。近些年來，研究人員通過多波束、原位觀測和實驗模擬對冷泉羽狀流進行了廣泛深入的研究(GreinertandNutzel,2004;Romeretal.,2012b,2019b)(圖1)。在冷泉噴口處，大量無色透明的氣泡在海水中上升，氣泡直徑通常為幾毫米左右，且隨著氣泡的上升不斷增大，并在到達水合物穩定帶上界時會最終破裂(Romeretal.,2014)。
充足的氣體供應是海底冷泉羽狀流形成的必要條件，氣源可以是淺部的生物成因氣或深部的熱成因氣，也可能是混合成因氣(Judd,2004;陳林和宋海斌，2005;劉斌和劉勝旋，2017)。其中來自深部熱成因氣的氣體羽狀流最有資源價值，能加深對動態油氣系統的認識，包括油氣產生以及運移的內在機制，如在墨西哥灣附近地區發現的冷泉羽狀流，其特征是部分甲烷氣泡表面存在油漬(Macdonaldetal.,2004;Wangetal.,2016)，指示其深層存在油氣藏。在深海，冷泉活動與天然氣水合物的賦存和分解密切相關，在水合物賦存區域的上覆海水中經常發現氣泡羽狀流(李燦蘋等，2013,2016)。當水合物賦存區域由于海底地質環境改變或全球氣候變化而導致溫壓條件改變時，水合物會發生分解(Westbrooketal.,2009)，產生的甲烷氣體會通過運移通道(斷層、底辟、泥火山等)進入水體，形成羽狀流，因而在天然氣水合物富集區，水合物分解也可能是一種氣體來源(樊栓獅等，2007)。甲烷氣泡在上升過程中，如果溫壓條件合適，會再次生成天然氣水合物(Wenauetal.,2015;李進等，2017;楊力等，2018)，如在墨西哥灣海底附近，觀察到釋放到水體中的甲烷氣泡表面包裹有“天然氣水合物外衣”(Romeretal.,2019a)。
自從King和MacLean(1970)首次使用側掃聲納在NovaScotia邊緣對麻坑進行成像以來，隨著海底探測技術的不斷發展，尤其是海底探測分辨率的不斷提高，不僅可以發現通量較大且形態明顯的海底氣體滲漏，而且大陸邊緣相對較小的滲漏點也有所發現(Gayetal.,2007)。迄今為止，人們在全球各大洋和不同大陸邊緣發現了大量甲烷氣體天然滲漏、噴溢的現象(Milkov,2000;Campbell,2006;JuddandHovland,2007;Huuseetal.,2010;Suess,2010,2014,2018;Ceramicolaetal.,2018)，圖2為世界上主要冷泉的分布，可以發現海底冷泉活動多分布在主動大陸邊緣和被動大陸邊緣，而在走滑大陸邊緣發現相對較少(Chenetal.,2010,2015;Romeretal.,2012b;Suess,2014,2018;TorresandBohrmann,2016;Ceramicolaetal.,2018;Huetal.,2019)。主動大陸邊緣的冷泉通常發育在板塊匯聚處(Suess,2014,2018)，在太平洋俯沖帶和弧前增生楔體如Makran大陸邊緣(Romeretal.,2012b)等地已對海底冷泉羽狀流進行了較為深入的研究，但是弧后地質背景下的冷泉活動特征及其活動機制理解不夠深入;在被動大陸邊緣海域，冷泉活動多分布在非洲、格陵蘭、北歐和澳大利亞的海岸等地(TorresandBohrmann,2016)，各地地質條件比較復雜，具體的構造域與沉積單元包括水合物脊(Heeschenetal.,2005)、鹽構造如墨西哥灣(LeiferandMacdonald,2003;Romeretal.,2019a)、厚沉積扇如黑海第聶伯河古扇(Naudtsetal.,2006)和油藏自然滲漏區(Macdonaldetal.,2004)等。而在走滑大陸邊緣，有限的研究發現，活動冷泉多集中分布在板塊邊界斷層附近，如馬爾馬拉海(Dupreetal.,2015)，但是氣體羽狀流發現較少。同時，在這些海域也發現了大量與海底冷泉活動相關的麻坑、泥火山等海底流體逃逸地貌特征。
目前，主要通過海底可視技術、聲吶系統和地震技術來識別氣泡羽狀流(李燦蘋等，2016;韓同剛等，2018)，研究發現其具有以下特征：(1)冷泉噴口羽狀流單個氣泡半徑通常介于1~5mm之間(LeiferandMacDonald,2003;Romeretal.,2012b;Chen,2018);(2)羽狀流形態不一，在聲學圖像上呈細而長的“火焰”(flare)形態(包括寶石體、傾斜體和椎體)且直徑差異較大，最大可達300~500m(段沛然等，2020);(3)大部分羽狀流在到達海面以下200~300m，氣泡會發生破裂溶解。形成于陸坡和深海的羽狀流規模巨大，氣泡流上升過程中受到“水合物外衣”的保護，弱化了水溶作用，其直徑從幾十米到幾百米不等，高度可達百米或千米量級，在回聲測深儀上有強后向散射特征。比如，劉斌和劉勝旋(2017)在南海北部陸坡瓊東南海域利用多波束數據發現直徑約為30~50m、高度超過700m的大型冷泉羽狀流;在巴倫支海Mosby泥火山發現的羽狀流，在聲學剖面圖上呈寬約300m、高約500m的火焰狀異常(Sauteretal.,2006);在黑海Dvurechenskiy泥火山和Makran大陸邊緣發現的巨型羽狀流，高度都超千米，個別羽狀流高達2000m，是迄今發現最大的羽狀流之一(Greinertetal.,2006;Romeretal.,2012b)。而陸架和淺海羽狀流規模不及深海，且受潮汐運動影響，靜水壓力發生變化，退潮時羽狀流規模相對較大。但是在廢井22/4b和CoalOilPoint等受人為因素影響導致下伏儲層破壞的淺海區，也發現了劇烈噴溢的羽狀流(Hornafiusetal.,1999;Leifer,2015)。
2海底冷泉羽狀流的通量與歸宿
2.1通量計算與對比
幾十年來，很少有定量數據可以評估羽狀流在資源方面的作用和意義，特別是對深水冷泉區大型甲烷羽狀流的通量測量和估算。近年來，在不同海域相關研究人員正在開展對海底冷泉羽狀流通量的測量和時序變化的相關研究(SchneidervonDeimlingetal.,2011)。通常單個滲漏孔的通量很小，最小一般可達3.5ml/min(LeiferandMacDonald,2003)，最高可超13.9L/min(LeiferandBoles,2005;Artemovetal.,2007)，同時存在極少數噴溢劇烈的羽狀流通量接近90L/s(SchneidervonDeimlingetal.,2015)。為了便于比較文獻中冷泉區的氣體通量，本文將公布的氣體通量的單位統一換算成106mol/a和m3/a(表1)。
以往關于海底冷泉羽狀流的研究使用了不同的氣泡通量測量方法，包括聲學探測、光學直視和原位測量裝置等。其中，原位觀測成本較高且無法進行大面積的海底羽狀流調查。多數研究根據可壓縮氣體定律(n=ZPV/RT)確定單個氣泡中的甲烷含量，其中，Z是甲烷的可壓縮性，R是通用氣體常數(8.314m3·Pa·mol-1·K-1)，n是在給定溫度T和靜水壓力P等條件下體積為V的氣泡釋放的甲烷通量。乘以假設的滲漏孔數量和每個滲漏孔的氣泡產生速率，可估算出滲漏區的甲烷通量，從而確定年排放量(Skarkeetal.,2014)。但是，各個冷泉噴口處的氣泡釋放和氣泡特性存在很大差異，簡單根據單個滲漏孔的氣泡釋放率無法準確估算出冷泉發育區的整體氣體逃逸通量。因此，需要長時間測量不同滲漏區域的多個冷泉噴口。
2.2歸宿
甲烷是大氣中最豐富的碳氫化合物，同時也是一種強大的溫室氣體，對全球氣候變化的影響僅次于水蒸氣和二氧化碳(Jessenetal.,2011;Dietal.,2019)。由于到達海面的甲烷氣體的量具有不確定性，針對海底活動冷泉所排放的羽狀流中的甲烷等氣體的歸宿問題的研究越來越多。
影響水體中氣泡羽狀流歸宿的因素主要有水深、初始氣泡的大小、水溫、鹽度以及甲烷濃度等(LeiferandPatro,2002;Sauteretal.,2006)。初始氣泡的大小對于甲烷的運輸量至關重要，因為與較小的氣泡相比，較大的氣泡包含的甲烷量更多，可能將更多的初始甲烷氣體帶入淺水區(Macdonaldetal.,2002)。在淺海，大多數海底釋放的甲烷氣泡逃逸到大氣中(LeiferandPatro,2002)，例如在南海鶯歌海盆地的冷泉噴口，不斷有甲烷氣泡排出(單個氣泡的直徑為1~2cm)，形成高度超過10m的甲烷羽狀流(圖3b)，并最終到達海面擴散到大氣中(Huangetal.,2009;Dietal.,2014)。而在深海釋放的甲烷歸宿更為復雜，當甲烷氣泡在水深超過100m的海底釋放時，甲烷無法到達海面(Mcginnisetal.,2006)，因為大量的氣泡溶解于水體以及微生物氧化作用都會消耗甲烷(LeiferandJudd,2015)。深海溶解的甲烷氣體為深海生態系統提供了能源，這在冷泉噴口附近發現的生物群落得到了驗證(陳忠等，2007)。研究發現，在天然氣水合物穩定帶內上升的氣泡會受到天然氣“水合物外衣”的保護，不受水溶作用的影響，一旦這些氣泡接近天然氣水合物穩定帶的上界，它們就開始溶解并最終消失(圖3c、圖3d)(Romeretal.,2012b,2014)。例如，在黑海Vodyanitskii泥火山進行的聲學和視頻觀測表明，滲漏點排放出的甲烷氣泡摻雜著部分噴溢的天然氣水合物，形成了巨大的甲烷羽狀物，由于“水合物外衣”的保護，從海底上升約1200m，整體呈火焰狀(圖3a)(Sahlingetal.,2009)。同時，由于上升的氣泡加速水流而產生上升流，減少了羽狀流垂直運輸的時間，使其有可能到達海平面(Leiferetal.,2006)。除此之外還發現氣泡羽狀流的歸宿受羽狀流成分的控制(LeiferandMacdonald,2003)，含油的氣泡可能會到達海面，例如在墨西哥灣海面上出現的浮油氣泡(Solomonetal.,2009;Romeretal.,2019a)。雖然純凈甲烷氣泡(無表面活性劑)運移速度快，但是氣泡尺寸隨時間變化速度快，容易破裂(LeiferandPatro,2002)。——論文作者：趙文宇1,2,3,童思友3,陳江欣1,2*,吳能友1,2,宋海斌4,賈永剛5,徐華寧1,2,段旻良1,2,3,劉斌6,陳珊珊1
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