泥火山——水合物存在的可靠标志之一

天然气水合物

导读：海底天然气水合物大多与通过切穿沉积盖层的断裂的上升烃类流体相关,这些高渗透带包括泥火山和底辟等侵入构造,所以泥火山、底辟和海底断裂等构造周围可能赋存水合物;实际钻探结果也证实,泥火山和水合物的形成与聚集有较为密切的关系。泥火山,它是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果,也是气体向上运移的通道。泥火山是水合物赋存的标志之一,是水合物存在的可靠证据。本文简介了泥火山及其成因机制。

一、泥火山简介

       泥火山,是顶部带有漏斗状火山口并具有通向深部的管孔,可涌出混有泥质粘土质沉积物的水、气的大型圆锥形山丘,它的形成与烃类渗出物相关。泥火山跟泥底辟一样,都是地层内部圈闭气体由于压力释放上冲的结果,同时它也是气体向上运移的通道。1984年Ginsburg等地球物理学家第一次提到了水合物与海底泥火山的关系间题,此后陆续发现了里海、黑海、挪威海、地中海、巴巴多斯近海、尼日利亚近海和墨西哥湾的水合物普遍有存在于泥火山或泥底辟附近的现象,这些现象说明泥火山与水合物的赋存关系密切,可以认为泥火山是水合物赋存的标志之一,是水合物存在的活证据。

       被动陆缘内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动及张裂作用,可形成大规模的泥火山或底辟构造,这些构造能使构造侧翼或顶部的沉积层倾斜,便于流体排放形成天然气水合物。Red等(1990)认为,沉积物负荷和甲烷的产生相互结合促进了泥火山的发育或有助于附近泥底辟的演化,随着甲烷的聚集浓度增加导致了水合物的形成,而且有利于水合物的发育。目前,世界海洋中成规模的水合物产地综合分析结果表明,水合物主要聚集于活跃的流体逸出环境中,是由微生物成因的甲烷气沿断层、节理、底辟构造或通过泥火山作用向上运移形成的。

图1 地表出露的泥火山喷口

二、水下泥火山的成因机制

       泥火山的形成原因,主要分成4大类:

(1)地质原因：①巨厚的沉积盖层(8～22 km),沉积物主要为陆源碎屑;②沉积层的次表面有泥质塑性层存在;③具有岩石密度倒转现象;④在沉积物深部有气体积累出现;⑤有高压力异常。

(2)构造条件：①由于高沉积速率或逆冲块体超覆而造成的沉积盖层的迅速凹陷;②底辟或背斜褶皱的出现;③断层的出现;④侧向构造挤压作用;⑤地震活动;⑥地壳均衡过程。

(3)地球化学成因：①沉积物深部石油生成过程;②黏土脱水作用。

(4)流体地质成因：沿断裂带的流体迁移。

       此外,在泥火山形成过程中必须有塑性黏土层的出现,另外在许多地区,水下泥火山多形成于那些具有高沉积速率和侧向挤压作用的区域。

       泥火山的成因常与其形成机制有关。泥火山的形成作用一般被认为是深部积累的气体破坏、刺穿海底的底辟活动、液化沉积物沿断层上升作用及水合物分解的产物。通过分析泥火山的地震剖面和形态特征可以确定,所有的泥火山具有两个形成机制。

       机制一:泥火山直接形成于底辟体之上,这些底辟体可能到达海底表面。里海的一些泥火山可能就是这种机制的产物。该类泥火山通常规模比较大,直径可达7 km,高度可达200 m,可由多个喷口形成。沉积层的密度倒转或是沿断层的挤压作用造成了底辟体上升至海底表面,这种与底辟有关的泥火山的形成常常依赖于流体的迁移作用,也与沉积物粒度、底辟物质的固结程度相关。

       机制二:液化的沉积物沿断层和断裂体系向上迁移。在这种情况下,具高流体含量的沉积物到达海底表面,形成泥火山建造。这些泥火山可能与由密度倒转形成的底辟相联系,而底辟很可能就位于海底之下的某一深度上。在墨西哥湾和布莱克海区就有这种泥火山出现,然而,在很多情况下底辟位于泥火山之下,无法直接观测,泥火山通道直接穿入物源层。流体迁移在这种机制中也起着根本性的作用。由于压力差的存在,流体与泥土一起或单独活动。在后者的情况下,流体泄漏(盐水、水、气体)在泥火山形成之前就已经存在。这样形式的泥火山以泥岩角砾中高流体含量为特征,形成较平坦的圆锥建造,高出海底数米,或是表现为从海底裂隙中喷出的泥流。从已有的实例来看,以第2种机制形成的泥火山在海底比较常见。

图2 不同地区典型泥火山地震反射特征

a．黑海索罗金海槽处的泥火山；b．巴巴多斯海域某泥火山；c．西阿拉伯海的泥火山；d．南里海塌陷型泥火山

三、泥火山对水合物成藏的影响

       海底泥底辟（泥火山）与周缘发育的天然气水合物存在着密切的关联，无论在静态要素还是动态成藏。

       作为一种重要而有效的运移通道类型，泥底辟（泥火山）携带的气体将是天然气水合物的重要气体来源。同时，含气流体沿着泥底辟（泥火山）的上侵，可能会导致上覆地层中温压场和地球化学组分的改变，进而引起天然气水合物稳定带厚度的变化。因此，泥底辟（泥火山）将控制天然气水合物的成藏，如位于构造中心部位的矿物低温热液成藏模式和位于构造边缘的矿物交代成藏模式。

       另一方面，泥底辟（泥火山）的不同演化阶段将对天然气水合物的形成和富集产生不同的影响。早期阶段，泥底辟（泥火山）形成的运移通道可能并未延伸到天然气水合物稳定带，导致气源供给不够充分；中期阶段，天然气水合物成藏条件匹配良好，利于天然气水合物的生成；晚期阶段，泥火山喷发带来的高热量含气流体引起天然气水合物稳定带的热异常，可能导致天然气水合物的分解。

资料来源：

梁杰、陈建文等（青岛海地所），泥火山与天然气水合物

沙志彬、梁金强等（广海局），泥火山——天然气水合物存在的活证据

刘杰、吴能友等（广能所），海底泥底辟（泥火山）对天然气水合物成藏的影响