楊楚鵬，劉杰，楊睿，姚永堅(jiān)，李學(xué)杰，蘇明

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 511458

3. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640

4. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

5. 中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，珠海 519082

形成條件、分布規(guī)律、成藏模式是天然氣水合物研究領(lǐng)域的核心問(wèn)題，其中成藏理論的發(fā)展對(duì)指導(dǎo)天然氣水合物富集區(qū)的勘探開(kāi)發(fā)具有重要的理論和實(shí)踐意義。天然氣水合物成藏是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程，涉及地質(zhì)、物理、化學(xué)、微生物等眾多地球營(yíng)力作用。國(guó)際上以Collett 等[1-2]為代表的科學(xué)家提出了“天然氣水合物油氣系統(tǒng)”（Natural Gas Hydrate Petroleum System）的概念，認(rèn)為剖析天然氣水合物油氣系統(tǒng)的關(guān)鍵是氣源條件、溫壓條件、儲(chǔ)集條件、輸導(dǎo)系統(tǒng)、水源供給以及聚集逸散時(shí)間6 大要素，具體分析中，天然氣水合物穩(wěn)定條件（穩(wěn)定帶）的評(píng)價(jià)除了溫壓條件外，還包括天然氣組成、孔隙水礦化度等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在南海開(kāi)展了大量水合物勘探和試采實(shí)踐，取得了舉世矚目的成就，形成了獨(dú)具南海特色的天然氣水合物形成機(jī)理和成藏模式[3]，也提出了類(lèi)似“天然氣水合物成藏系統(tǒng)”的概念[4-6]。這些成藏模式概念的歸納過(guò)程中都涉及到了天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣之間的共生共藏關(guān)系。尤其是位于海洋陸架和陸坡的被動(dòng)陸緣沉積盆地群具有天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣藏有利的時(shí)空共存條件[7-9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者雷新華等[10]提出了水合物與傳統(tǒng)油氣之間的滲漏共生、封蓋共生和遮蓋側(cè)儲(chǔ)共生3 種共生模式；劉金龍等[11]進(jìn)一步梳理了氣源共生、封蓋共生和遮蓋側(cè)儲(chǔ)共生3 種共生關(guān)系，并對(duì)南海北部水合物與深水油氣的共生機(jī)理進(jìn)行了探討。在北極天然氣水合物研究中學(xué)者們也進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，北冰洋陸架―陸坡淺層的天然氣水合物的形成和分解逸散在絕大多數(shù)情況下均可看作是下伏含油氣系統(tǒng)在淺部的衍生[12-14]。對(duì)此類(lèi)共生關(guān)系機(jī)制的研究不但對(duì)能源資源的勘探具有重要而直接的價(jià)值，而且對(duì)海域工程施工中海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[15]以及全球氣候變化和碳循環(huán)研究[16-17]具有重要的理論和實(shí)際意義。

波弗特—馬更些三角洲盆地是加拿大北極地區(qū)重要的油氣產(chǎn)區(qū)，也蘊(yùn)含著巨大的天然氣水合物資源量，是全球最早開(kāi)展天然氣水合物工業(yè)化試采的地區(qū)。分別于2002 年和2008 年成功完成了2 次水合物開(kāi)采實(shí)驗(yàn)，獲得了極其重要的科研和工程成果，在很大程度上引領(lǐng)了全球的水合物勘探和開(kāi)發(fā)。前人的調(diào)查研究已發(fā)現(xiàn)，該盆地中天然氣水合物與傳統(tǒng)油氣存在密切的共生關(guān)系[18-19]，但缺乏對(duì)其共生成藏模式和后期與冰川協(xié)同演化規(guī)律的探討。本文通過(guò)大量文獻(xiàn)的調(diào)研，整理波弗特—馬更些盆地油氣和天然氣水合物的勘探開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)資料，分析該盆地天然氣水合物成藏構(gòu)成要素和主控因素，總結(jié)了水合物和傳統(tǒng)油氣共生共藏關(guān)系，結(jié)合極地冰川演化特征，歸納出該盆地的天然氣水合物成藏模式，以期能為海域水合物調(diào)查與研究提供一些借鑒，并能為高緯度地區(qū)天然氣水合物分解和甲烷滲漏等環(huán)境科學(xué)研究提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

波弗特—馬更些三角洲盆地位于北極加拿大西北部波弗特海陸架之上，包括現(xiàn)今的馬更些河三角洲、圖克托亞克圖克（Tuktoyaktuk）半島和波弗特（Beaufort）海（圖 1），總面積約為 12.0×104km2，其中海上部分約為7.8×104km2。盆地東部以大型的張性愛(ài)斯基摩湖（Eskimo Lakes）斷裂帶為界，西南部以布魯克斯（Brooks）山脈為界，北部延伸至陸架邊緣（一般將現(xiàn)代陸架坡折帶作為盆地北部邊界），以坡折帶與加拿大海盆分界。盆地的構(gòu)造特征整體表現(xiàn)為由4 條斷裂帶和1 條復(fù)雜線性構(gòu)造將盆地劃分為 4 個(gè)構(gòu)造區(qū)[20]（圖 1）。其中，4 條斷裂帶分別為愛(ài)斯基摩湖斷裂帶（ELFZ）、Taglu 斷裂帶（TFZ）、Tarsiut-Amauligak 斷裂帶（TAFZ）、西波弗特逆沖前緣斷裂（WBTF）。呈NE-SW 走向的ELFZ 斷層帶為盆地侏羅紀(jì)—早白堊紀(jì)裂谷體系的東南邊緣；TFZ斷裂帶與ELFZ 近乎平行，控制著盆地晚白堊紀(jì)至新近紀(jì)的沉降中心；TAFZ 幾乎呈E-W 向延伸，為晚中新世沉積中心的南部邊界；WBTF 位于波弗特海西部，平行于波弗特西南海岸，限定了盆地內(nèi)逆沖斷層收縮變形的前緣[20]。波弗特—馬更些構(gòu)造線（Beaufort-Mackenzie Tectonic Lineament，BMTL）為一條復(fù)雜線性構(gòu)造帶，其平行于西南近岸海域沖斷帶前緣，可能代表了加拿大海盆波弗特?cái)嗔褞喜康睦瓘?。該區(qū)域西部以擠壓構(gòu)造為主，向三角洲中部和東部過(guò)渡為鏟狀斷層帶。

該盆地是一個(gè)在元古界結(jié)晶基巖上發(fā)育的中生代被動(dòng)陸緣裂谷盆地。盆地演化受裂谷作用、加拿大洋盆擴(kuò)張和科迪勒拉造山運(yùn)動(dòng)等構(gòu)造事件影響，盆地構(gòu)造演化可大致分為裂前階段、裂谷階段、洋盆張開(kāi)階段、擠壓階段、前陸階段和被動(dòng)沉降階段[21-22]（圖 2）。

圖1 波弗特—馬更些三角洲盆地地理位置及構(gòu)造單元分布圖[20]Fig.1 Geographical location and tectonic map of the Beaufort-Mackenzie Delta Basin[20]

盆地基底包括元古界—石炭系變質(zhì)巖，主要沉積蓋層包括侏羅紀(jì)裂谷作用及之后沉積的地層。古生代地臺(tái)層序、中生代裂谷層序和新生代三角洲層序均為不整合接觸。受盆地演化控制，根據(jù)沉積巖性組合特征可將盆地沉積蓋層（侏羅系—第四系）劃分為5 套地層組合[21-22]（圖2）：①裂谷期地層（上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)），包括Husky 組、Parsons群、Mount Goodenough 組等地層，是晚侏羅世－早白堊世期間的裂谷沉積，受到區(qū)域拉張作用影響發(fā)育半地塹、地塹，充填了以海相泥頁(yè)巖為主的碎屑楔形沉積地層；②洋盆張開(kāi)期地層（白堊統(tǒng)中段），包 括 Arctic Red 組 、 Boundary Creek 組 和 Smoking Hills 組，加拿大海盆張開(kāi)以來(lái)盆地地層嚴(yán)重缺失，賽諾曼－坎潘階 Boundary Creek 組和 Smoking Hills組均為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，為外陸架到陸坡沉積環(huán)境，沉積速率較低；③擠壓期地層（上白堊統(tǒng)—下始新統(tǒng)），包括 Fish River 組、Aklak 組、Taglu 組，是科迪勒拉（Cordilleran）構(gòu)造變形早期形成的陸相—濱淺海相三角洲平原和三角洲前緣沉積，以及陸架—陸坡泥質(zhì)沉積，并發(fā)生了強(qiáng)烈的同沉積和沉積后變形，形成了對(duì)稱(chēng)的開(kāi)闊背斜、褶皺，可能發(fā)育底辟核；④前陸期地層（上始新統(tǒng)—中新統(tǒng)），包括Richards 組、Kugmallit 組、Mackenzie Bay 組和 Akpak組，科迪勒拉造山運(yùn)動(dòng)對(duì)盆地影響明顯減弱，變形前緣向海遷移，引起波弗特褶皺帶內(nèi)前三角洲和陸坡泥巖的新一輪褶皺和逆沖，以前三角洲、三角洲前緣和三角洲平原泥質(zhì)沉積為主；⑤被動(dòng)沉降期地層（上新統(tǒng)—至今），包括 Iperk 組和 Shallow Bay 組，構(gòu)造變形最弱，發(fā)育了低位海底扇和前積三角洲沉積，Iperk 組是現(xiàn)代馬更些三角洲的主要組成部分，其幾何形態(tài)和前積特征表明沉積物來(lái)自盆地東南。

波弗特—馬更些盆地油氣資源豐富。探明的油氣主要位于晚白堊紀(jì)至始新世地層中，這一時(shí)期沉積的主體為三角洲碎屑沉積[21-22]（圖2）。侏羅系—下白堊統(tǒng) Husky 組、Arctic Red 組和 Mount Goodenough組頁(yè)巖，上白堊統(tǒng) Boundary Creek 組和 Smoking Hills組以及古近紀(jì)Aklak 和Taglu 組、Richards 組、Kugmallit組發(fā)育富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，其中始新統(tǒng)Richards 頁(yè)巖為盆地的主力烴源巖，平均TOC 含量為1.41%，氫指數(shù)達(dá) 105.16 mg HC/g TOC，以陸源有機(jī)質(zhì)為主[22]。上侏羅統(tǒng)到中新統(tǒng)三角洲相和淺海相地層中發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，油氣發(fā)現(xiàn)主要分布在始新統(tǒng)—中新統(tǒng)三角洲相和淺海相砂巖內(nèi)，在陸坡底部的濁積扇砂巖中也有油氣發(fā)現(xiàn)。其中Kugmallit、Aklak 和Taglu 組三角洲—淺海—深海濁積扇為主力儲(chǔ)層[23]。

2 天然氣水合物成藏特征與主控因素

2.1 與水合物賦存有關(guān)的海底地貌和水體異常特征

天然氣水合物的分解和釋放會(huì)造成海底流體滲漏和沉積物失穩(wěn)，形成塊體流搬運(yùn)痕跡、麻坑或氣體噴口、凍脹丘等流體滲漏作用的地質(zhì)記錄和微地貌特征。利用高精度的聲波數(shù)據(jù)、多波束和淺層剖面資料可以對(duì)其進(jìn)行定性—半定量研究。

圖2 波弗特—馬更些三角洲盆地地層綜合柱狀圖[21-22]Fig.2 The integrated stratigraphic column of the Beaufort-Mackenzie Delta Basin[21-22]

2.1.1 塊體流搬運(yùn)痕跡

波弗特海陸架—上陸坡區(qū)域存在明顯與天然氣水合物分解、滲漏有關(guān)的淺地層失穩(wěn)，表現(xiàn)出沉積塊體滑動(dòng)現(xiàn)象[24]。波弗特海陸架—陸坡海底大部分地區(qū)被與塊體流（MTDs）沉積相關(guān)的雜亂地形（CT）覆蓋，原本向陸坡下傾方向延伸的平滑地形（ST）由于塊體流（MTDs）作用而發(fā)生了強(qiáng)烈擾動(dòng)[24]（圖3）。其中，Ikit 滑塌體最為典型，該雜亂地形很可能源于陸架坡折帶的斜坡沉積物失穩(wěn)而造成的沉積塊體滑塌[24]。淺地層剖面上可見(jiàn)滑塌頭部陡崖將雜亂地形區(qū)與平滑地形區(qū)截然分開(kāi)（圖3A-A’和B-B’剖面）；沉積層厚度快速變化和變形層的不規(guī)則頂界面應(yīng)該是MTD 作用的表現(xiàn)；變形層推測(cè)是飽含氣體的滑脫層，表層20～40 m 的成層沉積物覆蓋在該變形滑脫層之上；MTD 中的氣體滲漏會(huì)表現(xiàn)出淺地層剖面上類(lèi)似席狀透明相起伏的地震反射特征[25]；覆蓋于變形地層之上的成層沉積物被近垂直的各種尺度的泥底辟構(gòu)造截?cái)啵渲写笮湍嗟妆僭诤５卓尚纬赡嗷鹕剑▓D3A-A’剖面）；在沿陸架—陸坡傾向的剖面上可以看到近垂直或向上坡方向傾斜的生長(zhǎng)斷層，地層幾乎無(wú)錯(cuò)斷，但由于流體滲流，斷層面具有強(qiáng)反射特征（圖3B-B’剖面）。

圖3 波弗特海陸架—上陸坡海底塊體流搬運(yùn)痕跡地貌特征及淺地層特征[24]紅色斷線圈定了4 類(lèi)雜亂地形Z1-Z4，CT：雜亂地形，RT：殘留平滑地形，ST：平滑地形，CH：峽谷頭部，Ch：水道，Es：陡崖，MV：泥火山，PR：平行橫脊線，PLF：凍脹丘，Sc：殘留的冰蝕痕。Fig.3 Bathymetry of the shelf-upper slope in the Beaufort-Mackenzie Delta Basin[24]Major morphological zones Z1 to Z4 are outlined by red dashed lines，CT：chaotic topography，RT： remnant topography，ST：smooth topography，CH：features include canyon heads，Ch：channels，Es：escarpments，MV：mud volcanoes，PR：parallel ridges，PLF：pingo-like features，Sc：scours.

波弗特海陸坡全新世沉積物由軟泥組成，而之下的晚更新世沉積層為永凍土層，其固結(jié)較好；凍土層對(duì)下伏地層中的天然氣和天然氣水合物起著封蓋和保護(hù)作用；氣候環(huán)境的旋回變化可導(dǎo)致凍土層發(fā)生間歇式的減薄和破裂，凍土層之下的天然氣水合物也會(huì)發(fā)生幕式的分解，并使分解產(chǎn)生的氣體和水向上滲流；天然氣和水從凍土層滲流出來(lái)后可能會(huì)被圈閉在由30 m 厚的黏土層覆蓋的多孔沉積物中；隨著越來(lái)越多的氣體和水被圈閉，沉積物物理強(qiáng)度降低，在上覆單元的負(fù)載下，富含氣體的沉積層開(kāi)始發(fā)生蠕變；當(dāng)孔隙壓力超過(guò)沉積物可塑性時(shí)，最終導(dǎo)致沉積層失穩(wěn)[24,26]。從 Ikit 滑塌體的淺地層剖面特征中，可識(shí)別和推測(cè)由于氣體從下伏凍土層的溢出，在淺層軟泥層和深層凍土層之間形成飽含氣體的滑脫層，由于某些地質(zhì)營(yíng)力（如地震等）的觸發(fā)，在陸架—陸坡上發(fā)生塊體滑塌作用。

2.1.2 氣體噴口（泥火山）

波弗特海陸架―上陸坡區(qū)可觀察到氣體羽狀流以孤立或組合的形式從噴口位置向海底逸散[24]。氣體羽狀流高度為30～40 m 最為常見(jiàn)，也可見(jiàn)近百米高度的羽狀流（圖3A-A’剖面），典型的氣體羽狀流在大型泥火山的中間部位和環(huán)形溝槽內(nèi)被觀察到[24]，并且淺地層剖面顯示，高豐度氣體羽狀流發(fā)育的海底地震反射表現(xiàn)出空白反射和亮點(diǎn)反射特征（圖3A-A’和B-B’剖面）。陸架邊緣的噴口在90～200 m 水深等深線之間（海底凍土帶向海一側(cè)附近）的區(qū)域最發(fā)育，這表明下伏凍土層里的氣體向上泄露，沿著陸架邊緣永久凍土帶的北部邊緣逃逸，造成陸架邊緣分布著數(shù)百個(gè)呈線性分布的泥火山（氣體噴口）（圖 3）[24]。

2.1.3 凍脹丘（pingo-like feature，PLF）

圖4 波弗特海陸架南部的凍脹丘地震反射特征和形成演化模式[27]a. 地震反射特征，b. 形成演化模式。Fig.4 Seismic reflection profile and formation model of the PLF in the Beaufort-Mackenzie Delta Basin[27]a. seismic reflection profile, b. formation model.

在波弗特海上陸坡一些沒(méi)有失穩(wěn)的地區(qū)，尤其是波弗特海陸架南部，分布著大量丘型地貌構(gòu)造[24,27]。這些凍脹丘大致呈圓形，直徑為1～2 km，位于10～20 m 深的海底；地震反射剖面上，凍脹丘構(gòu)造缺乏內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并被凹槽所環(huán)繞（圖4a）[27]。ROV 探測(cè)顯示，存在著多個(gè)氣體滲漏的現(xiàn)象，進(jìn)入到水體的氣體樣品主要為甲烷（其穩(wěn)定同位素特征為δ13C=-76.6‰，δD=-179‰）[27]。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化（如海底溫度上升）凍土層之下的水合物穩(wěn)定域失穩(wěn)時(shí)水合物將分解，形成冰和氣體；由于冰與水合物有基本相同的密度，產(chǎn)生的大量超壓將迫使天然氣從上覆多年凍土層的薄弱部位（如斷裂、裂隙等）泄露，引起了沉積物向上擠出，并造成沉積層膨脹而形成丘狀地貌。由于在此過(guò)程中沉積物發(fā)生遷移和氣體的排放，地下體積損失，最終導(dǎo)致丘狀體周?chē)纬森h(huán)形凹槽，凹槽中通常會(huì)沉積較為年輕的沉積物（圖4b），沉積物中雙殼類(lèi)14C 測(cè)年為距今1 000～4 475 aBP[27]。

2.2 天然氣水合物成藏的地球物理異常特征

2.2.1 水合物層在測(cè)井曲線上的響應(yīng)

在波弗特—馬更些盆地首次證實(shí)水合物存在是基于油氣勘探中測(cè)井曲線的異常特征。對(duì)盆地陸上Mallik 井區(qū)的大量含水合物層的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析表明，含水合物層表現(xiàn)出高P 波和S 波波速、高電阻、高中子孔隙度和井徑擴(kuò)大，具周期跳躍的低聲波速度、低密度，泥漿氣測(cè)上出現(xiàn)峰值等特征[28-30]，這與著名的布萊克海脊含水合物沉積層的Vs 測(cè)井結(jié)果一致[31]。

圖5 顯示了其中最具代表性的Mallik 2L-38 井的測(cè)井記錄。其中井徑測(cè)井曲線、自然伽馬射線和孔隙度測(cè)井是地層巖性和孔隙度變化的有效指標(biāo)。含水合物層的主要識(shí)別標(biāo)志是高電阻率、高的 P 波速度（VP）和 S 波速度（VS），其中 895～920、950～995、1 005～1 030 和 1 070～1 110 m 層段（用陰影區(qū)域表示）均表現(xiàn)出上述特征。這些層段之間表現(xiàn)出的相對(duì)較高的自然伽馬射值表明泥質(zhì)含量較高，也說(shuō)明水合物富集于沉積層的砂質(zhì)含量較高的高孔隙度層段中。Guerin 和Goldberg[32]利用電阻率和聲波測(cè)井來(lái)估算了Mallik 2L-38 附近的天然氣水合物飽和度，結(jié)果表明在電阻率和聲速最高的層段，水合物飽和度可接近80%。

2.2.2 水合物賦存的地震反射異常

波弗特—馬更些盆地過(guò)Mallik 5L-38 井位的三維地震剖面可觀察到含天然氣水合物沉積層位于0.65～0.8 s，結(jié)合聲波速度曲線可識(shí)別出3 個(gè)高速特征的天然氣水合物層段[33-34]（圖6）。在真振幅剖面上，含水合物層位于背斜頂部，但沒(méi)有顯示較大的傾角，表現(xiàn)出強(qiáng)振幅反射特征，各水合物層頂部顯示正振幅波峰，底部顯示波谷（圖6a、b）。對(duì)含水合物層段進(jìn)行了瞬時(shí)Q 因子（地震波瞬時(shí)頻率與兩倍瞬時(shí)帶寬之比）的計(jì)算反演（圖6c）。該地震屬性因子是地層巖性單元地震能量相對(duì)吸收度的指標(biāo)，通常與地層的孔隙度、滲透率和裂縫發(fā)育有關(guān)，因此，可作為一種定性檢測(cè)含水合物沉積層短波衰減效應(yīng)的方法。圖6c 顯示，天然氣水合物層B 和C表現(xiàn)為明確的低瞬時(shí)Q 因子帶，而周?chē)练e物顯示Q 因子的雜亂分布。在瞬時(shí)Q 因子反演剖面上未發(fā)現(xiàn)含水合物層A，可能說(shuō)明測(cè)井曲線與地震資料的相關(guān)性有限，反射地震沒(méi)有正確成像。而在地震剖面的0.862 s 深度，觀察到在含水合物層C 之下發(fā)育低瞬時(shí)Q 因子帶，該異常層段可能反映了水合物穩(wěn)定帶之下存在游離氣層。地震剖面上F1 斷層可能控制了該區(qū)域水合物的橫向分布[33]。

圖6 過(guò) Mallik 5L-38 井三維地震反射剖面特征[34]a. 618 測(cè)線地震剖面，b. 618 測(cè)線中發(fā)現(xiàn)水合物層段的地震剖面局部放大（黃色線框），c. 為b 剖面特殊處理剖面（根據(jù)真實(shí)振幅數(shù)據(jù)計(jì)算的瞬時(shí)Q 系數(shù)剖面）。Fig.6 The 3D seismic reflection profile across the well Mallik 5L-38[34]a. seismic profile of line 618, b. local magnification of the seismic profile of the line 618 （yellow frame）,c. instantaneous Q-factors calculated from the true-amplitude data of b.

2.3 有利水合物成藏的地質(zhì)條件

2.3.1 氣源條件

波弗特—馬更些盆地2 000 m 以淺的地層中的氣測(cè)結(jié)果顯示天然氣成分以甲烷為主（含量91.19%～99.53%）[35]。Collett 和 Dallimore[35]對(duì)馬更些三角洲的 3 口凍土層探井（（92GSCTAGLU、92GSCKUMAK和92GSCUNIPKAT 井）的天然氣地球化學(xué)測(cè)試分析結(jié)果表明，凍土層和之上的沉積層中的游離氣的C1/（C2+C3）值一般大于 1 000，甲烷穩(wěn)定碳同位素（δ13C）平均值為-81.3‰，表現(xiàn)為生物氣的特征；而在凍土層底部的 C1/（C2+C3）值大多為 100～1 000，甲烷δ13C 為-50‰～-60‰，表現(xiàn)為生物氣與熱成因氣混合的特征。對(duì)Mallik 2L-38 井的巖屑、巖心（包括不含水合物和含水合物層段）的氣測(cè)結(jié)果表明，烴氣來(lái)源可分為3 個(gè)來(lái)源：井下350 m 以上沉積層天然氣為生物成因氣，表現(xiàn)為高甲烷含量和很輕的甲烷碳同位素值；350～785 m 為混合成因氣層段（凍土層），其甲烷碳同位素隨深度變重，說(shuō)明熱成因氣含量隨深度增加；785～1 165 m（井底）層段（包括含水合物層）為熱解成因氣[36]，其來(lái)自深部烴源巖或油氣藏的供給，通過(guò)斷裂等疏導(dǎo)系統(tǒng)向上運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶內(nèi)形成水合物[19]。

2.3.2 儲(chǔ)集條件

波弗特—馬更些盆地含水合物地層主要分布于Kugmallit 組和Taglu 組含砂的三角洲和三角洲前緣[37]，如濱外 Malik L-38 井 890～1 106 m 深度范圍內(nèi)就證實(shí)存在水合物和游離氣。近海水合物產(chǎn)出層主要位于 Iperk、Akpak、Mackenzie Bay 組中，少數(shù)情況如Kugmallit 組也有水合物分布（圖7）。多數(shù)情況下，水合物穩(wěn)定帶都位于Iperk 組內(nèi)，但I(xiàn)perk 組儲(chǔ)層質(zhì)量并不好。在陸上和近海區(qū)Iperk 組由未固結(jié)到弱膠結(jié)的礫巖―砂巖組成；在陸架區(qū)Iperk 組厚度近 4 000 m，地層泥質(zhì)含量高，部分地區(qū)被砂巖覆蓋[37]。從沉積相的角度分析，三角洲前緣的重力流沉積和半遠(yuǎn)洋（近海）沉積層是天然氣水合物的良好儲(chǔ)層；其通常具有大量懸浮物質(zhì)，快速沉積，沉積物的含砂率較為適中，有足夠的孔隙空間和良好的孔滲性，在適當(dāng)?shù)臏貕簵l件下，有利于水合物聚集成藏。

2.3.3 構(gòu)造條件

圖7 凍土帶、水合物穩(wěn)定帶、水合物層、水合物/游離氣接觸帶和常規(guī)油氣在地層剖面上的分布關(guān)系[37]Fig.7 Permafrost zone, hydrate stability zone, gas hydrate （H）, gas hydrate-gas contact zones （H/G）, and conventional oil and gas occurrences and their relationships with stratigraphy for cross section A-A’[37]

構(gòu)造條件是天然氣水合物富集成藏的重要控制因素，其不僅為流體運(yùn)移提供通道，而且也是天然氣水合物的儲(chǔ)集場(chǎng)所。根據(jù)構(gòu)造條件，可將天然氣水合物成藏模式大致分為主動(dòng)大陸邊緣模式和被動(dòng)大陸邊緣模式。波弗特—馬更些盆地位于波弗特海陸架之上，屬被動(dòng)大陸邊緣，盆地經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積事件，由于海底重力流、斷裂及底辟作用，特別是陸緣內(nèi)厚沉積層塑性物質(zhì)流動(dòng)、陸緣外側(cè)火山活動(dòng)及張裂作用，常常在海底淺表層形成斷裂－褶皺構(gòu)造、底辟構(gòu)造、海底扇狀地形、“麻坑”地貌和海底滑塌等多種形式的構(gòu)造、沉積、地貌環(huán)境，這些環(huán)境與水合物形成有密切關(guān)系。

波弗特—馬更些盆地發(fā)育了多條斷裂帶，尤其是北部愛(ài)斯基摩湖斷裂帶以一系列正斷層為特征，下伏鏟狀斷層系統(tǒng)；盆地中部理查德島以北，Taglu斷裂帶發(fā)育大量正斷層和逆斷層（圖1）。這些斷層為深部氣源向淺部運(yùn)移提供了運(yùn)移通道。淺部的背斜構(gòu)造成為良好的圈閉。淺部地層的變形和斷裂作用，可導(dǎo)致部分天然氣繼續(xù)向上運(yùn)移，塑性物質(zhì)的垂向流動(dòng)，使沉積蓋層上拱形成底辟構(gòu)造，當(dāng)塑性流刺穿海底時(shí)，形成泥火山（圖3，圖4）。海底泥火山、泥底辟、凍脹丘均是海底流體滲流的表現(xiàn)，當(dāng)含有過(guò)飽和氣體的流體從深部向上運(yùn)移到海底淺部時(shí)，由于受到快速冷卻作用在泥火山周?chē)纬伤衔铮纬傻乃衔锍３虱h(huán)帶狀分布在底辟構(gòu)造或海底泥火山周?chē)▓D3，圖4）。

2.4 水合物穩(wěn)定條件

2.4.1 地溫條件

天然氣水合物的穩(wěn)定存在需要特定的溫壓條件，即低溫高壓環(huán)境。波弗特—馬更些三角洲盆地地表溫度一般為-15～-20 ℃。通過(guò)對(duì)268 口鉆井溫度數(shù)據(jù)的分析表明，地溫梯度較低，擬合的地溫梯度為 25.7 ℃/km，平均熱流值 45～90 mW/m2，為形成水合物創(chuàng)造了非常有利的物理?xiàng)l件[38]。熱流值分布與構(gòu)造帶密切相關(guān)，盆地內(nèi)1 000 m 以淺地層有兩個(gè)區(qū)域存在異常高溫帶：一為波弗特海西部和鄰近陸上區(qū)域（構(gòu)造域D-Ⅳ）；另一個(gè)是沿著愛(ài)斯基摩湖斷裂帶東南的裂谷邊緣（構(gòu)造域D-I）；而異常低溫帶位于始新世—漸新世沉積中心D-II 和Tarsiut-Amauligak 斷裂帶（TAFZ）以北的 D-III[38]。另外，盆地陸上和濱海的凍土層一般厚度大于200 m，凍土底界溫度僅為-1 ℃，一定程度上控制著水合物穩(wěn)定帶的深度和厚度[39]。

2.4.2 地層壓力

對(duì)波弗特—馬更些盆地250 口鉆井的地層壓力數(shù)據(jù)的分析表明，在波弗特—馬更些陸架近海地區(qū)水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的孔隙壓力梯度與靜水壓力梯度相當(dāng)，估算為 9.795 kPa/m[37]。2 500 m 以淺的地層超壓（＞11.5 kPa/m）區(qū)主要分布在D-III 構(gòu)造帶內(nèi)Tarsiut-Amauliga 斷裂帶以北地區(qū)，淺超壓的南部邊界與Tarsiut-Amauligak 斷 裂 帶 近 似 平 行[20]。 Taglu 和Kugmallit 組內(nèi)兩個(gè)主要超壓中心位于始新世和晚中新世沉積中心，與異常低溫?zé)崃鲌?chǎng)分布一致。另外，盆地中也存在深部超壓（2 000 m 以下），深部超壓帶頂界面深度由南（靠近盆地邊緣）向北逐漸降低。深部超壓帶在天然氣水合物穩(wěn)定帶之下，對(duì)天然氣水合物的穩(wěn)定沒(méi)有直接影響，但它們對(duì)含氣流體向上運(yùn)移起著關(guān)鍵作用（圖7）。

2.4.3 天然氣和孔隙水組成

鉆井取得的天然氣樣品和泥漿錄井的氣測(cè)數(shù)據(jù)表明，波弗特—馬更些盆地1 500 m 以淺的地層中天然氣（天然氣水合物）以甲烷占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占?xì)怏w組分的99.19%～99.5%，其次為乙烷和丙烷，其他氣體含量非常稀少，可忽略不計(jì)[40-41]。根據(jù)Mallik 2L-38 井的測(cè)試結(jié)果表明，水合物類(lèi)型以I 型甲烷水合物為主[36]。

鹽度的增加可降低水的冰點(diǎn)，地層孔隙水的鹽度將影響水合物形成時(shí)的溫度。鉆井孔隙水測(cè)試結(jié)果表明，盆地1 500 m 以淺地層的孔隙水礦化度為5‰～35‰[41-42]，大部分低于海水礦化度（一般為35‰）。

2.4.4 水合物穩(wěn)定帶厚度

根據(jù)以上地溫、壓力、天然氣和孔隙水組成等水合物穩(wěn)定條件和鉆井?dāng)?shù)據(jù)，重建地質(zhì)-壓力-溫度剖面，分析可確定波弗特—馬更些盆地天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界深度范圍從近地表（不存在水合物）到 1 500 m，各區(qū)域變化范圍較大（圖 7）。陸上永久凍土區(qū)水合物穩(wěn)定帶底界最大深度位于理查德島東北部之下（約 1 400 m），海上區(qū)域水合物穩(wěn)定帶底界最大深度約為1 500 m[37]。一般將永久凍土帶基底到水合物穩(wěn)定帶基底之間的深度范圍視為水合物穩(wěn)定帶厚度?？紤]到波弗特—馬更些盆地永久凍土帶基底深度（即水合物穩(wěn)定帶頂部深度）約為（220±10） m，盆地天然氣水合物穩(wěn)定帶最大厚度可達(dá)1 300 m。盆地陸上水合物穩(wěn)定帶厚度超過(guò)800 m 的地區(qū)，包括理查德島東北部和Tuktoyaktuk半島；海上水合物穩(wěn)定帶厚度更大，據(jù)推算整個(gè)海上區(qū)域水合物穩(wěn)定帶厚度約為1 100 m，其最大厚度可達(dá) 1 300 m[37]。

根據(jù)波弗特—馬更些盆地跨海陸地質(zhì)剖面的分析可知（圖7），水合物穩(wěn)定帶位于永久凍土帶之下，部分鉆井在水合物穩(wěn)定帶中發(fā)現(xiàn)了水合物—游離氣過(guò)渡帶，含水合物層通常下伏常規(guī)油氣藏。另外，天然氣水合物分布主要與Iperk 組、Akpak 組、Mackenzie Bay 組、Kugmallit 組和 Richards 組砂巖三角洲和三角洲平原沉積相有關(guān)，且天然氣水合物的賦存受上覆地層中的凍土帶限制。根據(jù)鉆井錄井資料測(cè)算，盆地內(nèi)天然氣水合物不是連續(xù)存在，而是以多套含水合物層形式存在：890～940 m，水合物飽和度為 50%～85%；945～1 035 m，水合物飽和度為 40%～80%；1 060～1 120 m，水合物飽和度為80%～90%[32]。

3 天然氣水合物與油氣共生成藏模式探討

3.1 含油氣系統(tǒng)對(duì)水合物成藏的控制

通過(guò)鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和剖面特征分析，發(fā)現(xiàn)波弗特—馬更些盆地水合物賦存與下伏常規(guī)油氣藏密切相關(guān)，常規(guī)天然氣井中75%發(fā)現(xiàn)有水合物；常規(guī)油井中91%發(fā)現(xiàn)有水合物[19]。含水合物層厚度與下伏油氣藏的發(fā)現(xiàn)概率呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)（表1）；同時(shí)，部分水合物層位于下伏含水圈閉之上[19,37]，而這些含水圈閉可能是之前的油氣藏?zé)N類(lèi)泄露散失后形成的。這種高度吻合的空間疊置關(guān)系說(shuō)明深部油氣藏的存在，是淺部水合物的生成和富集的前提，為其提供了充足的氣源供給。從近海區(qū)域的地質(zhì)剖面分析可知（圖7），水合物主要位于Iperk 砂巖層中和Mackenzie Bay 砂巖夾層中，水合物和游離氣的接觸界面通常發(fā)育于Mackenzie Bay 組/Kugmallit組和Iperk 組內(nèi)，而常規(guī)天然氣藏位于水合物穩(wěn)定帶之下[37]。

另外，構(gòu)造要素（斷裂、褶皺）的空間分布密度和天然氣水合物賦存之間存在明顯的正相關(guān)性，尤其是高飽和度水合物層（水合物飽和度大于50%）在構(gòu)造要素密度高的地區(qū)更發(fā)育[19]。由此可推測(cè)構(gòu)造背景對(duì)水合物聚集成藏起著重要作用，斷裂系統(tǒng)在水合物成藏中不僅起著流體運(yùn)移通道的作用，同時(shí)還可能起著儲(chǔ)集空間的作用，使下伏油氣藏中的天然氣運(yùn)移至穩(wěn)定帶中形成水合物。Mallik 水合物富集區(qū)就是典型的實(shí)例，其位于這兩大構(gòu)造域之間的中部地區(qū)，位于平行于西南部逆沖帶前緣的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶上（圖1），不僅毗鄰生烴凹陷，氣源條件充足，而且斷裂體系十分發(fā)育。

表1 按照水合物凈厚度分類(lèi)的波弗特―馬更些三角洲盆地含氣體水合物的井?dāng)?shù)統(tǒng)計(jì)[19]Table 1 Gas hydrate Wells in the Beaufort-Mackenzie Delta Basin classified by net hydrate thickness [19]

3.2 凍土層的消長(zhǎng)控制著水合物穩(wěn)定帶的發(fā)育

極地冰川事件對(duì)水合物形成、分解的控制作用十分普遍。如對(duì)阿拉斯加北坡艾爾伯特山水合物聚集區(qū)的水合物和永久凍土帶深度-時(shí)間演化模擬結(jié)果[43]分析表明，當(dāng)氣候持續(xù)變冷，永久凍土層基底深度加深會(huì)導(dǎo)致水合物穩(wěn)定帶厚度增加，并且永久凍土層不斷侵入已存的水合物穩(wěn)定帶中，這就導(dǎo)致在兩者的重合帶中存在冰和水合物共存的現(xiàn)象[14]。另外，西南巴倫支陸架區(qū)晚上新世—更新世期間的構(gòu)造抬升和冰川進(jìn)退也可能是誘發(fā)天然氣水合物分解和天然氣滲流的原因之一[13]。

據(jù)對(duì)北美第四紀(jì)冰川事件的分析，在地質(zhì)歷史時(shí)期的冰期/間冰期旋回中，波弗特—馬更些地區(qū)凍土層厚度隨冰蓋的退縮與擴(kuò)張發(fā)生了較大的變化。如前所述，水合物賦存主要與Iperk、Kugmallit和Richards 組的三角洲平原相砂體有關(guān)，之上發(fā)育的凍土層起著重要的封蓋作用。因此，與凍土層相關(guān)的天然氣水合物穩(wěn)定帶的厚度和埋深也隨之發(fā)生了調(diào)整。

由于在伊利諾斯冰期（始于115 ka 之前）形成的凍土層在桑加蒙間冰期（Sangamonian）時(shí)已完全融化，因此，在桑加蒙間冰期時(shí)波弗特—馬更些盆地水合物穩(wěn)定帶尚未形成[44]；至威斯康星冰期（始于約85 ka，晚更新世最后一個(gè)冰期），凍土層重新形成并不斷加厚，控制著水合物穩(wěn)定帶的分布；在威斯康星冰期的60～30 ka 期間發(fā)生海侵事件，凍土區(qū)被海水淹沒(méi)，溫度的升高導(dǎo)致凍土層減薄，導(dǎo)致下伏水合物分解、甲烷滲漏，水合物穩(wěn)定帶厚度變?。蝗率涝缙?5～10 ka，威斯康星冰蓋再次擴(kuò)張，海平面相對(duì)現(xiàn)在下降約70 m，凍土層增厚聯(lián)帶水合物穩(wěn)定帶變厚；中全新世海平面快速上升，在3 ka時(shí)趨于穩(wěn)定[37]?？傊?，波弗特—馬更些盆地水合物形成和穩(wěn)定富集時(shí)期相對(duì)較晚，期間凍土層厚度的變化影響著水合物穩(wěn)定；同時(shí)不間斷散失的深部熱成因氣被傳統(tǒng)的巖性蓋層或者凍土層下的水合物層封蓋，凍土層扮演著水合物成藏系統(tǒng)閥門(mén)的作用，控制著下伏水合物的穩(wěn)定生成或失穩(wěn)分解。

3.3 波弗特—馬更些盆地天然氣水合物的成藏模式

綜上所述，波弗特—馬更些盆地的天然氣水合物成藏模式可歸納為與下伏油氣藏泄漏共生并受凍土調(diào)節(jié)的成藏模式（圖8），其重要特征表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）波弗特—馬更些盆地的天然氣水合物的氣源主要為熱成因氣，與下伏常規(guī)油氣藏共源；水合物富集于與始新統(tǒng)－漸新統(tǒng)含油氣系統(tǒng)（!）有關(guān)的Iperk、Kugmallit 和 Richards 組三角洲平原相砂體中；下伏油氣藏超壓驅(qū)使天然氣向上運(yùn)移，構(gòu)造要素（斷裂、背斜）密度決定水合物富集豐度。

（2）區(qū)域凍土層的封蓋作用阻止了天然氣的逸散，促進(jìn)了下伏天然氣水合物的成藏；同時(shí)冰期/間冰期旋回中凍土帶厚度的變化，調(diào)節(jié)著下伏水合物的生成或分解，控制著水合物穩(wěn)定帶的厚度和埋深。

圖8 波弗特－馬更些三角洲盆地天然氣水合物成藏模式Fig.8 Accumulation model of gas hydrate in the Beaufort-Mackenzie Delta Basin

4 結(jié)論

（1）波弗特—馬更些三角洲盆地具有豐富的常規(guī)油氣資源，同時(shí)在淺部地層中發(fā)現(xiàn)了大量天然氣水合物富集的地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)證據(jù)。海底多波束資料分析表明，天然氣水合物的分解和釋放會(huì)形成海底塊體流搬運(yùn)痕跡、麻坑或氣體噴口、凍脹丘等流體滲漏遺跡。測(cè)井和地震資料分析表明，水合物富集層具有高P 波和S 波波速、高電阻、高中子孔隙度和井徑擴(kuò)大，具周期跳躍的低聲波速度、低密度，泥漿氣測(cè)上出現(xiàn)峰值等特征；并在地震剖面上表現(xiàn)為異常強(qiáng)相位、強(qiáng)振幅和明確的低瞬時(shí)Q 因子帶特征。井下地球化學(xué)測(cè)試資料表明，其氣源主要為下伏含油氣系統(tǒng)中的熱成因烴氣。

（2）構(gòu)造和地層巖性是控制水合物分布的主要地質(zhì)因素，構(gòu)造要素（斷裂、背斜）密度與水合物富集豐度呈正相關(guān)，水合物賦存主要與Iperk、Kugmallit和Richards 組的三角洲平原相砂體有關(guān)。水合物的穩(wěn)定賦存受到地溫梯度、壓力以及天然氣和孔隙水組成等多種因素的共同制約，水合物穩(wěn)定帶之上的凍土帶控制著下伏水合物的穩(wěn)定性，對(duì)天然氣水合物的成藏起著關(guān)鍵性調(diào)節(jié)作用。