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青海省天峻县木里地区天然气水合物地震响应特征

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青海省 天峻县 地区 天然气 水合物 地震 响应 特征
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收 稿日期 :2011订日期 :2011中国地质调查局项目 《青藏高原冻土带天然气水合物调查评价 》(编号 :1212010818055)作者简介 :徐明才 (1955- ),男 ,教授级高级工程师 ,从事复杂条件下地震方法技术研究和开发工作 。 通 报F 0 卷第 12 期2011 年 12 月0,22011随着世界上石油 、天然气资源的日渐耗尽 ,各国科学家正在致力于寻找新的接替能源 。 天然气水合物被称为 21 世纪具有商业开发前景的战略资源 ,正受到各国科学家和各国政府的高度重视 。 天然气水合物是由气体 (以甲烷为主 )和水组成的固体物质 ,自 20 世纪 60 年代开始 ,俄 、美 、巴 、德 、英 、加等许多发达国家 ,甚至一些发展中国家对其也极为重视 ,为此开展了大量的调查研究工作 。在海域 ,全世界有 10 多个国家开展了天然气水合物的探测和研究 , 并取得了一批研究成果 。 在陆域 ,仅在俄罗斯西伯利亚 、加拿大马更些三角洲地区 (美国阿拉斯加北坡 (区发现了天然气水合物 。2008 年 ,中国祁连山冻土区天然气水合物 学钻探试验孔取得了重大突破 ,钻获天然气水合物实物样品[1 这是在中国冻土区首次钻获的天然气水合物实物样青海省天峻县木里地区天然气水合物地震响应特征徐明才 ,刘建勋 ,柴铭涛 ,王广科 ,高景华 ,王小江 ,张保卫河北 廊坊 06500065000,天然气水合物是一种新型的潜在能源 ,广泛分布于大陆边缘海底沉积物和陆上永久冻土带中 。 2008 年 ,在祁连山冻土区首次钻获天然气水合物实物样品 。 2010 年 ,在木里地区开展了反射地震方法探测天然气水合物的试验研究 ,通过综合分析解释反射地震资料和地质资料 ,初步认为含天然气水合物介质形成的反射波在地震剖面上具有低速 、弱振幅 、高频的特征 。 在成藏机制上 ,天然气水合物的分布与深部断裂破碎带有关 ,天然气沿深部断裂构造向上运移 ,并受冻土层的封闭而富集 ,在合适的温压条件下形成天然气水合物矿藏 。关键词 :天然气水合物 ;地震数据 ;纵波速度 ;断裂构造 ;冻土区中图分类号 :献标志码 :A 文章编号 :1671011)12 C, X, T, K, H, J, W. of 2011, 30(12):1910is a in of by in of 008. An of of 010. on a of by of as as of is As of it is up is by 0 卷 第 12 期品 , 中国成为在陆域冻土区发现天然气水合物样品的第四个国家 , 同时也是全球首次在中纬度高山冻土区发现天然气水合物实物样品 。 目前在世界上永久冻土地区勘探到的天然气水合物主要集中在北极圈附近 ,因而有极地永久冻土之称 。祁连山高原高山永久冻土分布在中纬度地带 , 与极地永久冻土的状态不完全相同 , 由此可能引起天然气水合物赋存条件和基本特征的差异 。在能源勘探中 , 反射地震方法是最有效的一种方法 ,但把该方法应用于陆域天然气水合物勘探 ,目前也仅限于在加拿大马更些三角洲 区[3在中国永久冻土地区 , 还未曾针对天然气水合物开展过地震勘探和方法技术研究 。为了配合青海木里地区天然气水合物的勘探工作 ,2009 和 2010 年 ,笔者在木里地区开展了反射地震方法探测天然气水合物的试验研究 (图 1),并取得了一些利用地震属性识别木里地区天然气水合物的初步认识 。1 地质概况祁连山地处青藏高原北部 , 构造上一般划分为北祁连构造带 、 中祁连陆块和南祁连构造带三大构造单元 。自震旦纪以来 ,祁连山先后经历了大陆裂谷阶段 、海底扩张及沟弧盆体系阶段 、造山阶段等演化阶段 ,形成了现今的地质构造格局[7]。木里地区位于中祁连与南祁连 2 个构造单元之间的坳陷区内 , 含天然气水合物的地层为侏罗系煤系地层 ,主要岩性为绿灰色夹紫色泥岩 、粉砂岩 、细粒砂岩及黑色炭质泥岩 。白垩系 、古近系和新近系以细粒红色碎屑岩 、粘土岩为主 ,第四系分布广泛 ,以冰水 —洪积和冰川堆积物为主[8]。测区区域地质构造线总体方向为北西向 (局部呈现北东向 ),大多数断层以逆冲断层为主 ,此构造带是由一系列山脉体系和与之平行的不同期次的推覆构造所组成的 ,与之相应的有北西向 、北东向的拉伸走滑正断裂 , 这一断裂组合格局及其形成的环境条件控制了中生代含煤盆地的沉积建造及后期的改造作用 (图 2)。 试验区局部地质构造为一受断层切割的单斜构造 , 主要断层为北西西和北东东向的逆冲断层 ,地层产状整体为北浅南深 。祁连山是中国西部多年冻土广泛分布的地区之一 ,多年冻土区面积约 10×104试验区是以高山物理风化 、冰蚀 、侵蚀作用为主的高山 山岭海拔高度多在 4000m 以上 , 河谷地区地形低平 ,草甸广布 ,均为冰川 、河流和湖泊的堆积物充填 ,多年永久性冻土发育 。 区内广布多年冻土 , 多年冻土(岩 )在平面上连续分布 ,厚度为 50~90m。 由于冻土受季节变化的影响 ,每年 4 月份开始融化 ,至 9 月回冻 ,最大融化深度小于 3m。 特殊的气候和地质构造构成了试验区天然气水合物的成因条件 。祁连山地区水资源丰富 , 且具有丰富的煤层气 ,并发现有长达将近 1 年的烃类气体漏泄[8],具备形成天然气水合物的物源条件和所需的冻土条件 、温压条件 。2 据采集为研究含天然气水合物地层反射波的地震属性 ,在木里地区开展了反射地震试验研究 ,试验剖面布置如图 2 所示 。 验剖面相互平行 ,垂直构造走向分布 ,震试验剖面通过 钻孔 。 验剖面垂直于 构造走向平行 。通过参数试验 , 最终选取的剖面试验参数如下 : 接收排列采用单边放炮和排列中间放炮相结合的多次覆盖观测系统 ,每个接收点采用 60波器串以点组合的方式接收 。 在进行地震剖面数据采集试验时 ,选取的采集方法如下 :2m 道间距 ,8m 炮间距 ,24 次覆盖 ,16~30m 偏移距 ,192 道接收 。 激发震源使用炸药 ,井深为 3~4m,激发药量为图 1 测区位置示意图1 of 青海省天峻县木里地区天然气水合物地震响应特征1911地 质 通 报 F 011 用的地震数据采集系统为 28线遥测数字地震仪 。 使用的仪器记录因素为 : 录长度 3s,全频带接收 ,通过打印每一张共炮点记录 ,实时监视野外地震记录的质量 。据处理地震数据处理工作是解释工作的基础 , 处理的质量直接关系到解释成果的精度 , 因此资料处理工作是一项研究性 、目的性 、服务性很强的工作 。 本次数据资料处理工作是在 500 工作站上进行的 ,使用了 震资料处理软件 。本次所得到的原始地震记录受震源干扰波干扰严重 ,为提高地震记录的信噪比和分辨率 ,本次数据处理重点试验了去噪和偏移处理 。不同的去噪处理软件针对不同的干扰采用了不同的处理技术 。 由于本次获取的地震记录信噪比较低 ,在压制噪声方面采用了串联滤波技术 ,以压制不同的干扰 ,提高地震记录的信噪比 。 图 3示了对图 3示的共炮集记录 ,在进行了高能压噪处理 、随机噪声压制和二维倾角滤波处理后 ,得到的经去噪处理后的共炮集记录 。由此可见 ,经过一系列去噪处理后 ,地震记录上的低频 、低视速度噪声和高振幅突发干扰得到了极大的压制 , 地震记录的信噪比得到了显著提高 。在地层结构复杂 、干扰波发育严重的情况下 ,地震数据经过动校叠加得到的时间剖面并不能真正地反映地下地质的构造形态 ,需要进行偏移处理 ,偏移处理不仅能使倾斜反射归位 , 而且有助于干涉带自动分解 ,使绕射波自动收敛 ,从而提高地震记录的信噪比和分辨率 ,改善地震资料的品质 ,得到地下界面清晰的地震图像 。实践表明 ,偏移处理是提高地震记录横向分辨率的有效手段 。本次数据处理采用了时间 对反射地震叠加时间剖面进行了偏移处理 。 分析对比叠加剖面 (图 4叠后偏移剖面 (图 4以看出 ,偏移处理使倾斜反射波得到图 2 试验区构造示意图2 of 0 卷 第 12 期了归位 ,绕射波得到了收敛 ,部分干扰得到了分解 ,有效地改善了反射波同相轴的连续性 , 振幅能量有所增强 ,倾斜同相轴向上倾方向移动 、倾角变陡 ,有效地提高了地震记录的空间分辨率 。3 结果讨论根据地震剖面上反射波的波组特征 , 结合测区地质资料 ,对获得的试验地震剖面进行了推断解释 ,图 3 去噪处理前 (a)后 (b)的共炮集记录3 a) b)(a) (b)图 4 偏移前 (a)后 (b)的地震时间剖面4 a) b)(a) (b)徐明才等 :青海省天峻县木里地区天然气水合物地震响应特征1913地 质 通 报 F 011 年图 5 和图 6 是经初步推断解释的 震深度剖面 。在解释后的 震剖面上 , 分布有多条逆冲断裂 ,其中剖面左侧的 2 条逆冲断裂断距较大 ,在这2 条断裂之间形成明显的断层破碎带 , 在断裂破碎带内没有能量较强的反射 。 推测这 2 条断裂在深部交会到一起 ,成为一条深部断裂 。 条剖面相互平行 (图 2),因此这 2 条剖面反映的构造特征基本一致 。 但由于 于断层附近 , 受该断层的影响 , 条剖面反映的地质构造也有所不同 。 2 条剖面上反映的地层倾向南 , 且该地层被多条向南倾斜的逆冲断图 5 线地震深度剖面5 L1 线地震深度剖面6 L2 0 卷 第 12 1为振幅范围徐明才等 :青海省天峻县木里地区天然气水合物地震响应特征1915地 质 通 报 F 011 年层错断 ,形成几个局部小断块 。 在该地震剖面上 ,还分布有 2 条向北倾斜的逆冲断层 。相比之下 ,向南倾斜的断层几何尺度较大 ,且向地表延伸较浅 ,而向北倾斜的断层几何尺度较小 , 其活动性也不如向南倾斜的断层 。对海洋天然气水合物的研究结果表明[9],天然气水合物与深部气源密切相关 。 断裂成为地壳深部的烃类气体运移至水合物稳定带的重要通道 。 在木里试验区 ,逆冲断层十分发育 ,在逆冲断层通过的地方浅层反射波有向上牵引的迹象 , 逆冲断层的上断点埋深较浅 ,如果没有永久冻土层作为密闭盖层 ,由深部运移的气源有可能通过断裂向上飘逸到地表 ,形成不了天然气水合物 。由此可见 ,深部断裂带是形成天然气水合物的充分条件 , 而永久冻土层则是天然气水合物富集成藏的必要条件 。通过对陆域高原天然气水合物成藏方面的研究 , 初步认为断裂和永久冻土层对天然气水合物成藏的控制作用主要表现在以下 3 个方面 : ①断裂可作为深部气体运移的通道 ,当断裂为深部断裂时 ,该断裂可为深部气体向上运移提供通道 , 有利于天然气水合物成藏 ; ②断裂破碎带可为天然气水合物提供聚集空间 ,当断裂较发育时 ,断裂裂隙空间可直接为天然气水合物提供富集成藏的空间 ; ③永久冻土层为天然气水合物成藏提供了局部的封闭构造 ,如果没有永久冻土层 , 延伸至近地表的断裂就成了天然气水合物分解逸出的通道 , 破坏了水合物的稳定性 。木里地区永久冻土层的厚度约 95m,冻土层作为良好的盖层 ,能够形成局部的封闭构造 ,使断裂破碎带有可能成为甲烷气体局部富集的空间 。在图 5 所示的 震剖面上 ,在相应的位置嵌入了 孔柱状图 (孔与 孔相距很近 ,如图 1 所示 ),比照钻孔柱状图上天然气水合物出现的深度 , 解释了含天然气水合物地层的可能展布 。 对比钻孔柱状图与反射地震剖面能够得出 ,煤层反射波振幅较强 ,对应的反射波频率较低 ,而天然气水合物形成的反射波振幅较弱 ,相对于煤层反射波对应的反射波频率相对较高 。 天然气水合物形成的地震波频率相对较高 , 可能与团块状天然气水合物等不均匀体形成的散射波有关 , 地下局部不均匀体形成的散射波频率相对较高 ,能量较弱[10]。图 7 表示了 线的部分速度谱分析结果 。由于天然气水合物呈现弱反射特征 , 因此在对应的速度谱上呈现弱反射能量团 。 该 结 果 表 明 ,在度谱对应的天然气水合物出现的深度时间段上 ,地震波叠加速度呈现低速的特征 ,对应的叠加速度在 2700~3000m/s 之间 , 但在其它地段的速度谱上 , 在天然气水合物出现的时间深度范围内 ,地震波叠加速度相对较高 ,对应的叠加速度在 3300~3700m/s 之间 。通过上述分析能够得出 ,在横 、纵向上天然气水合物出现的深度 (时间 )范围内 , 与不含天然气水合物地层界面的反射波叠加速度相比 , 含天然气水合物地层反射波对应的叠加速度偏低 。综合地震剖面 、 测井和地质资料进行综合解释 ,初步得出以下认识 :木里地区天然气水合物的分布与深部断裂破碎带有关 , 相对于未含天然气水合物的地层界面产生的反射波 , 含天然气水合物地层界面产生的反射波在地震剖面上的特征具有低速 、弱振幅 、高频的特征 。 由于天然气水合物富集在断裂破碎带内 ,因此相对于围岩来说 ,天然气水合物富集带对应的速度 、密度相对较低 。 钻孔测井结果也表明含天然气水合物的地层对应的速度 、密度较低 。在该区取得的区域化探调查成果表明 , 在试验区内发现多处甲烷 (常 ,地震剖面探测到钻井附近的断裂带上方均对应有明显的局部甲烷异常 。 由此认为 ,深部断裂带应为甲烷气体向浅部运移的通道 ,而冻土层作为良好的盖层 ,能够形成局部的封闭构造 , 使断裂带有可能成为甲烷气体局部富集的空间 。 而甲烷气体又是水合物形成的主要物质来源 。4 小 结根据本次试验的结果 , 初步认为在青海木里永久冻土地区采用地震方法探测天然气水合物是可行的 。在木里地区 ,含天然气水合物形成的反射波组呈现低速 、高频 、弱振幅的特征 。天然气水合物稳定带与深部气源密切相关 ,深部烃类气源通过深部断裂向上运移至水合物稳定带 ,在断裂破碎带周围 ,由于岩石破裂 ,岩层空间裂隙增大 , 该空间裂隙为天然气水合物提供了富集空间 。 永久冻土层的分布为深部运移的烃类气源提供了封闭的盖层 。1916第 30 卷 第 12 期致谢 :野外数据采集期间 ,青海煤炭地质 105勘探队给予了帮助 ,在项目研究期间 ,中国地质科学院祝有海 、 方慧和孙忠军研究员对项目的开展提出了许多合理化的建议 , 在此一并表示衷心的感谢 。参考文献[1]祝有海 ,张永勤 ,文怀军 ,等 J]. 地质学报 ,2009,83(11):17622]祝有海 ,张永勤 ,文怀军 ,等 J]2011,31(1): 73], , ,et an to at SC et ]. 2005, 585:14] R, , at 002 ]. 005, 585 :15] D, A, E,et of at ]. 2005, 585:16]et ]. 009,74(5):7]冯益民 —历史 、现状及展望 [J]1997,12(4):3078]祝有海 ,刘亚玲 ,张永勤 J]. 地质通报 ,2006,25(1/2) :589]杨传胜 ,李刚 ,龚建明 ,等 J] 2009,25(6):110]徐明才 ,高景华 ,等 M]地质出版社 ,青海省天峻县木里地区天然气水合物地震响应特征1917
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