日本南海海槽水合物气源成因

天然气水合物

       海洋水合物的甲烷供给通常归功于稳定带内有机质微生物转换或者含甲烷流体从深部气源的运移，但是，甲烷气源的相对重要性目前还不是十分清楚。甲烷供给对水合物形成的影响应该被考虑到，如孔隙空间的水合物。甲烷供给与孔隙水流关系密切，主要分为两类，一类是通过断层或裂隙的宏观流，另一个是孔隙系统沉积物颗粒间的微观运移。在颗粒表面附近沿裂隙和扩散的含甲烷的孔隙水流对甲烷在水合物稳定带聚集具有重要作用。
       南海海槽水合物气源主要来源于细菌（生物成因）分解CO2，靠近泥火山的一口井含有少量的热成因气。在南海海槽MITI井300m深度内沉积物甲烷13C为-96至-63‰，随着深度增加，13C和CO2值均为正值。12CO2优先消耗，细菌活动随深度逐渐降低和气体向上运移能够解释δ13C变化剖面。在深部地层，气体来源从微生物成因到热成因气变化深度为1500m左右。小于1500m深度气体的δ13C较轻（-59‰），在大于1500m，气体δ13C较重（-48至-35‰）为典型的热成因气体。在Tokai-oki和AtsumiKnoll区，甲烷碳同位素范围-81.4至-59‰。轻δ13C值表明甲烷来源为微生物成因，在深度100m内，δ13C值随深度增加变重，与MITI南海海槽相似。甲烷δ13C深度剖面在上部100m沉积物中与假设CO2在封闭系统下降解而产生微生物甲烷的理论模型预测一致。当沉积物产生甲烷，由于优先从CO2富集中去除12C而形成甲烷，CO2储层被消耗。由于南海海槽在水合物稳定带内总有机碳含量低（平均0.5%，），因此沉积物中原位产生的微生物甲烷气体比较少，从下部运移来的微生物成因甲烷气体有选择地聚集在高渗透率的砂岩层对在离散砂层形成高饱和度水合物非常重要。虽然在MITI南海海槽1500m以上地层的气体主要为微生物来源，但是在深度1155和1455m地层δ13C明显比含水合物层重些，表明流体运移在该井位可能比较局限且仅限于1000m深度。在Kumanonada区，在129m的一个样品和三个310至327m样品中的甲烷有较重的δ13C，取值为-53.9至-45.6‰，表明气体为生物成因气与热成因气体的混合。在Mallik5L-38，甲烷的δ13C值表明烃类随深度来源的变化。收集了的46个50-1150m深度顶空样品中，气体在上部500m沉积物中为较轻的δ13C，为微生物成因，但是气体在深度890至1108m（包括含水合物地层），δ13C值范围为-47.4至-36.5‰，表明是由于有机质的热分解而产生。在深度550-850m的δ13C值为-55.2至-50.9‰，表明气体为微生物成因与热成因气体的混合（图1）。

图1 Mallik5L-38井镜质体反射率（Ro）、甲烷碳同位素组分和碳氢比的深度剖面

图2 水合物分解的甲烷气体中碳氢比与δ13C

       在水合物层广泛分布的Tokai-oki和Atsumiknoll地区，甲烷δ13C和δD值范围分别为-65.9‰~-59.8‰和-195‰~-184‰（图2），与布莱克海台具有相同的同位素组分。从图2A看，南海海槽Tokai-oki和Atsumiknoll地区的微生物甲烷是CO2的降解方式产生。

       在日本南海海槽海区，整个有机碳含量（TOC）约为0.5%左右，原位产生的微生物成因气太低，以致于难以形成水合物。因此，南海海槽高富集的水合物（孔隙空间80%）需要不断的气体运移、聚集和循环。该过程与南海海槽的地质构造环境有关，富含甲烷的流体在南海海槽增生楔系统中非常活跃，沉积物主要为未固结砂岩和粘土地层，但是水合物仅在砂岩地层中生成，表明气体运移和聚集优先选择在高渗透率的砂岩层。MITI在南海海槽的井位，在浅部沉积物和含水合物层，热成因气未被观测到，表明流体运移相对局限仅限于浅部沉积物。深部热成因气含量表明热成因的甲烷气体，在高渗透率通道如大规模断裂系统区可能形成了天然气水合物。因此，在南海海槽，沉积和地球化学对水合物的形成和保存具有重要作用。

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