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張欣利編譯 朱岳年審 氣水合物是海洋深水鉆探中的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，大區(qū)域海底沉積物上部存在氣水合物。雖然只在太平洋中美洲大陸坡和大西洋布萊克隆脊兩處巖心中直接觀察到氣水合物，但已可了解其存在規(guī)律：(1）氣水合物與大陸斜坡有關(guān)，因?yàn)檫@里的溫壓條件和較高的陸源有機(jī)物有利于生物甲烷的生成；(2)氣水合物并未充填滿所有地層的孔隙空間，而是受巖性控制，大量存在于砂巖及凝灰?guī)r較粗地層中。 顯然，氣水合物是海洋沉積中存在的一種特殊地質(zhì)現(xiàn)象，這里，可從海洋成巖作用的觀點(diǎn)來研究氣水合物。 水合作用最重要的地質(zhì)效應(yīng)是對(duì)天然氣有固定作用，而且氣水合物中水和氣相互隔離。海洋中氣水合物的儲(chǔ)藏量按水的重量計(jì)約為l015t，大致相當(dāng)于陸地冰的水量。氣水合物的形成與冰凍成巖作用之間有相似之處。兩者的動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)作用過程是一樣的——聚合態(tài)變化相似、熱量散失多，在溶解鹽類對(duì)平衡溫度具相同影響的條件下，冰凍過程中水體積增大9％，氣水合物形成過程中水體積增大25％。其中，至少一部分水與巖石骨架分離并被固定。各種物理性質(zhì)發(fā)生變化，冰凍層和含水合物層與具低密度、導(dǎo)電性、彈性波速高的含水層有所不同。 確定冰凍成巖作用的規(guī)律能夠把氣水合物的形成當(dāng)作一種成巖作用現(xiàn)象來研究。首先，水合物形成時(shí)，沉積物成巖固結(jié)，水合物就象冰凍層一樣保存在固態(tài)巖石中。其次，水合物只與淡水結(jié)合，并且使殘余水鹽度增大。因此，水合作用與隙間水的鹽度變化密切相關(guān)，這可根據(jù)從含水合物巖心中抽到的間隙水降低的鹽度來進(jìn)行驗(yàn)證。另一方面，在飽含水合物層的下方，一般能夠發(fā)現(xiàn)提高了鹽度的水，海洋中永凍層下方也是如此。與冰凍成巖作用的相似性表明，水合作用伴隨著水中和溶解于間隙水中的部分鹽的沉淀物中的滯后的物理化學(xué)過程。 海洋地層中所發(fā)現(xiàn)的作為造巖組分存在的氣水合物可按巖系分為三類：?jiǎn)蔚V巖氣水合物、主造巖礦物氣水合物、副組分氣水合物。這些氣水合物類型與一定的陸地冰類型相對(duì)應(yīng)。在未固結(jié)地層凍結(jié)中冰的形成，人們認(rèn)識(shí)很多，可用于天然氣水合物成因模式。 在中美洲大陸坡深海鉆探計(jì)劃中570號(hào)位鉆到的單質(zhì)氣水合物就是冰巖的一種類似物。在深249m的上新統(tǒng)含條帶砂巖的粉砂質(zhì)粘土中采到lm長(zhǎng)的巖心，所含單礦巖白色水合物至少占巖石結(jié)構(gòu)的90％。測(cè)井資料表明，一次等軸狀或近水平的3～4m厚的含水合物體，聲速大于3km／s、密度為1.1g／cm3。在冰凍成巖作用中，人們發(fā)現(xiàn)密度較小、冰容量達(dá)60%～90％的陸地冰體由懸浮類沉積物凍結(jié)而成。海洋大陸坡中分布有大范 圍的低密度(有時(shí)<1．1g／cm3)、厚度6m的懸浮流層。中美洲海底峽谷附近形成的大量水合物以及在巖芯中的氣水合物分布于碎屑沉積物周圍的種種跡象表明，氣水合物與大陸坡懸浮流層有關(guān)。很可能是濁流沿陸坡向下流動(dòng)的同時(shí)，由于強(qiáng)烈的湍流作用，天然氣賦存于飽含水的物質(zhì)中，從而形成界面氣水合物：?jiǎn)蔚V巖氣水合物形成于自由空隙，與在輸油管道中形成氣水合物的情形是一樣的。 地層中的水合物作為造巖礦物冰的類似物，其巖芯呈“冰凍”狀，含水合物間隙范圍為1～50cm，包括從粉砂質(zhì)粘土到粗粒砂各種粒度的巖石。這種氣水合物只填充類似于冰膠結(jié)的水合物膠結(jié)孔隙。例如原來呈帶狀構(gòu)造的巖石(在中美洲深海鉆探計(jì)劃492號(hào)位141m處巖心中見到的火山灰)，當(dāng)膠結(jié)樣品的水合物分解時(shí)，就會(huì)由帶狀構(gòu)造變?yōu)橐姿榈臒o構(gòu)造塊體。這種類型的氣水合物層完全類似于具隙間冰凍結(jié)構(gòu)的砂巖和粉砂巖，形成于無水運(yùn)移的條件下，只有當(dāng)該過程很快或至少孔隙體密集的情況下，才可能在較細(xì)粒的巖石中凍結(jié)。 一種不作為主要造巖礦物的冰類似物——海洋巖芯中的氣水合物表面上看就象“似冰層”和“冰包體”。大小3cm左右，填充砂質(zhì)粘土、粘土粉砂巖及粘土細(xì)粒砂巖的洞穴和裂縫。這些冰包體很小且不規(guī)則，是由于凍結(jié)的巖石中缺乏空隙以及初始水滲透弱的結(jié)果。因?yàn)槲闯蓭r海底地層中水量充足，同源水合物可以被認(rèn)為是缺乏初始物質(zhì)(初始天然氣)的緣故。 水合物形成過程中對(duì)組成物質(zhì)(主要是天然氣)的需求是該作用過程與冰凍成巖作用之間主要的和最明顯的差別。氣水合物的含量依賴于自生或運(yùn)移源的初始天然氣數(shù)量，并且由于這種情況各處有所不同。在研究天然氣水合物形成過程中的冰凍巖石模式效用將受到限制，尤其是水合物形成時(shí)，系統(tǒng)的容積縮小，與冰的形成對(duì)照。而且，水合物層的平衡主要受壓力的影響，很少受相轉(zhuǎn)換(水轉(zhuǎn)換成冰)的影響。 因此，海洋氣水合物形成表明，與陸地冰形成有相似性也有不同之處。但是，作為海洋成巖作用的一個(gè)因素，對(duì)于陸地冰凍成巖作用具有同樣的意義。大陸坡的氣水合物層起著破壞和建造的雙重作用，一方面，氣水合物層固定濁流沉積物，另一方面，氣水合物分解時(shí)釋放出氣和水，增大了孔隙壓力而使沉積物滑動(dòng)，由于海平面降低、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或溫度升高使熱力環(huán)境改變時(shí)，都會(huì)發(fā)生這種情況。