地震勘探是最常用的天然气水合物勘探方法，通常将似海底反射层(Bottom Simulating Reflection: BSR)和下部强振幅反射(解释为游离气区Free Gas Zones: FGZs)作为识别水合物的地震标志(Shipley et al., 1979; Hyndman and Davis, 1992; Kvenvolden, 1993; 宋海斌等，2001; 张毅等，2009).天然气水合物一般在高压(>10 MPa)和低温(0~10 ℃)条件下保持稳定.温度压力等水合物稳定条件的微小变化可导致水合物稳定区(Gas Hydrate Stability Zone: GHSZ)的上下移动，从而使烃类气体在水合物区和下伏游离气区之间循环，这种过程也被称为水合物循环(Abrams, 1992; 张毅等，2009).例如，由于沉积作用或海底水温升高而使水合物稳定底界上移，导致水合物底界附近的水合物分解，释放出大量天然气和水.该过程产生的气体可以保存在由水合物封盖的FGZs中；而在发生剥蚀作用、海底水温降低、或气源烃类物质组成发生变化(重烃含量增加)的地区，水合物稳定底界下移，保存在原FGZs中的游离气在新的条件下处于水合物稳定区，能够与水分子结合形成水合物.

在水合物地震研究中，通常对水合物周边流体运移通道(断层、底辟构造、气烟囱等)与振幅异常等特征进行研究，分析水合物成藏机理以及水合物稳定底界上下移动时的碳循环过程(Shipley et al., 1979; Abrams, 1992; Hyndman and Davis, 1992; 宋海斌等，2001; Berndt, 2005; 张毅等，2009).Collett等提出了“天然气水合物油气系统”的概念(gas hydrate petroleum system)，将浅部水合物系统(包括水合物及下伏游离气)和深部常规油气系统作为一个整体来进行研究(Collett et al., 2009).充足的气源是形成水合物藏的基础，水合物的气源供给包括当地的原生生物气、从深部运移上来的热成因气，或者是二者的混合气(Berndt et al., 2004; Haacke et al., 2007; Vandré et al., 2007; 杨金秀等，2016).一般认为，水合物的主要气源与垂向和侧向上发育的流体运移体系紧密相关，掌握流体运移通道与水合物体系的空间位置关系不但有助于认识水合物的成藏机理，还会影响水合物的资源调查、评价，甚至开发利用.

目前，水合物研究中仍然存在很多问题亟待解决.例如，人们往往将BSR作为水合物标志层，但并不是所有BSR都与水合物有关，BSR下伏强振幅反射层也并非全部由FGZs造成.与成岩作用有关的BSR，具有水合物BSR类似的地震反射特征，强反射、斜切等时地层，但具有正极性(Berndt et al., 2004).水合物的存在与BSR也没有必然联系，BSR在地震剖面上是否可见还受水合物底界与地层之间角度关系的影响(Holbrook et al., 1996; Paull et al., 1996).如在地层平缓的Blake Ridge南侧，ODP164航次994站位钻遇了水合物，但其地震资料并未显示BSR的存在；而在Blake Ridge脊顶部的997站位可见明显的BSR反射.另外，水合物在地层中的分布、水合物形成和分解过程引起的储层沉积物地球物理特征的改变等也存在认识不清的问题.认清以上问题，详细了解水合物成藏机理，需要建立在更多的地震、测井、岩心数据和实验研究的基础上.本文通过提取多种属性剖面，优选出视极性属性来辅助判断与水合物有关的BSR类型和下伏FGZs.利用尼日尔三角洲的高分辨率三维地震资料，研究了该地区与水合物相关的BSR和FGZs分布特征，并探讨了流体运移体系对水合物成藏的控制作用.

尼日尔三角洲位于中非西部海岸，属于被动型大陆边缘，向南延伸入几内亚湾，属于大型的海退型三角洲，沉积厚度约为10~12 km(图 1；Morgan, 2004).Albian期，南大西洋扩张后，海相沉积物开始在盆地内沉积.第三纪时期，三角洲在Niger-Benue河口处扩张至大西洋.从第三纪至今，沉积了厚层的海相沉积物.尼日尔三角洲盆地的沉积地层自下而上包括白垩系的海进三角洲沉积和新生界的海退型三角洲沉积.白垩纪之前的地层已经变质成为基底，盆地的主要沉积物是新生界地层，包括Akata组、Agbaba组和Benin组，分别为海相沉积地层、近岸-海陆交互沉积地层和陆相沉积地层(Doust and Omatsola, 1990; Ajakaiye and Bally, 2002; 李艳玲和孙国庆，2003).尼日尔三角洲的主要烃源岩是Akata组泥岩和Agbaba组的下部泥岩，有机碳含量平均为1.4~1.6%.Akata组中下部泥岩处于干气演化阶段，Agbaba组的下部泥岩在渐新世进入生油门限，目前处于生油高峰.尼日尔三角洲的主要储层是Agbaba组的砂岩，其岩石胶结作用较差，沉积物未固结或弱固结，物性较好，属于高孔高渗储层(候高文等，2005).本次研究工区位于尼日尔三角洲南部，主要发育Akata组海相页岩和Agbaba组三角洲沉积.

图 1

Fig. 1

图 1 尼日尔三角洲位置图 (a)尼日尔三角洲构造带划分与研究区位置图；(b)研究区海底倾角平面图与BSR分布. Fig. 1 Location map of the Niger Delta (a) Structural domains of the Niger Delta and location of the study area; (b) Seabed dip map and the BSR distribution.

由于沉积物的快速堆积、欠压实作用，以及泥岩生烃等过程，尼日尔三角洲在Agbaba组下部泥岩的滑脱作用和上部巨厚沉积物的重力作用下沿陆坡下倾方向形成了一系列生长断层、泥底辟构造、逆冲褶皱构造等与重力作用相关的构造单元(Doust and Omatsola, 1990; Damuth, 1994; Cohen and Mcclay, 1996; Hooper et al., 2002).由陆向海，尼日尔三角洲的重力滑塌构造体系可分为伸展带、过渡带和挤压带三个构造带(图 1a).伸展带表现为生长正断层和逆牵引褶皱作用；过渡带为泥底辟构造和推覆褶皱；挤压带发育叠瓦状逆冲挤压褶皱(Damuth, 1994; 刘喜玲等，2012；陈书平等，2013).研究区位于尼日尔三角洲南部挤压带，工区面积约9880 km²，南北向长度约80 km，东西向长约260 km(图 1b).水深范围约为1300~3000 m.海底倾角平面图显示研究区发育逆冲构造、峡谷、海底麻坑和沉积物波等单元.地震解释结果表明，BSR在研究区呈分散状分布，分布面积约为670 km²，大概是工区面积的7%(图 1b).在研究区中部地区，存在约500 km²的区域BSR分布较为连续(图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 BSR分布特征(位置图见图 1) (a)地震剖面显示BSR分布；(b) BSR在三维空间的分布特征；(c) BSR与海底的空间位置关系. Fig. 2 The distribution of the BSR (see Fig. 1 for location) (a) Seismic line showing the distribution of the BSR; (b) 3D distribution of the BSR; (c) Spatial relationship of the BSR and the seabed.

利用地震资料研究天然气水合物体系，主要是通过地震解释来识别水合物地震标志层BSR、与水合物体系有关的振幅异常(如强振幅异常、空白反射区)，以及水合物体系周边的流体运移通道如断层、气烟囱、底辟构造、多边断层或其他断裂或裂隙系统等.在地震剖面上，BSR分布具有负极性、与海底大致平行且斜切等时地层的特点(Berndt et al., 2004; Haacke et al., 2007; 杨金秀等，2016).一般认为BSR代表GHSZ的底界，为不等时的相界面，BSR上部存在的振幅空白反射(blanking zone)一般认为是水合物存在的证据，是水合物胶结作用使含水合物地层均质性增强，从而使地震波在天然气水合物层上的声波时差减小而使反射振幅变弱，从而产生明显的振幅空白异常(Yang and Davies, 2013).BSR下部为不含水合物地层或者被低渗透的水合物层封盖的具有强振幅特征的游离气区FGZs.前人研究认为，BSR主要是由下部游离气造成的，3~5%的低气体饱和度即可导致地震波速度的快速下降，从而形成高振幅、负极性的BSR(Berndt et al., 2004; Haacke et al., 2007).

本次研究通过提取地震数据的视极性属性(Apparent Polarity)，来辅助判断BSR和FGZs的分布.视极性属性是地震道的符号位，假设零相位子波、视极性与反射系数的极性相同，通常用于振幅异常的品质分析(Berndt et al., 2004).在视极性属性剖面上，BSR和FGZs的顶部反射层都表现为强的负视极性，与海底极性相反(图 3b′，图 4b′).

图 3

Fig. 3

图 3 地震剖面(a, b)和视极性属性剖面(a′, b′)显示BSR和FGZs分布特征(位置图见图 1b) Fig. 3 Seismic line (a, b) and seismic attribute line of apparent polarity (a′, b′) showing the distribution of the BSR and FGZs (see Fig. 1b for location)

图 4

Fig. 4

图 4 地震剖面(a, b)和视极性属性剖面(a′, b′)显示天然气水合物体系地震特征(位置图见图 1b) Fig. 4 Seismic line (a, b) and seismic attribute line of apparent polarity (a′, b′) showing the seismic characteristic of the gas hydrate system (see Fig. 1b for location)

据Berndt，BSR可分为两种类型，一种与水合物有关，另一种与成岩作用有关.前者具有与海底相反的极性，后者具有与海底相同的极性，这是由BSR所代表界面的波阻抗差决定的(Berndt et al., 2004).但利用地震反射数据，很难判断BSR的极性，尤其是当BSR与地层的夹角较小时.本次研究提取不同地震属性来辅助判断BSR的类型和分布，通过对比地震剖面和相应的属性剖面，发现视极性是判断BSR类型的最有效属性(图 3—4).研究表明，研究区的BSR与水合物相关，代表了分隔上覆水合物地层和下伏游离气地层的相界面，具有强振幅、负极性、与海底大致平行，且斜切等时地层的特点(图 2—6).与Hydrate Ridge或Storregga Slide等地区BSR较连续的分布特征不同，尼日尔三角洲南部挤压带的BSR呈分散状，主要分布在生长断层及伴生的滚动背斜附近.约80%的BSR分布在背斜的轴部或背斜褶皱的地区，未见BSR与海底的相交及相关露头的发育(图 2—4).

图 5

Fig. 5

图 5 断层作为流体运移通道为水合物体系供给气源(位置图见图 1) Fig. 5 Faults acting as fluid migration pathways supplying gas for the shallower gas hydrate system

图 6

Fig. 6

图 6 地震剖面显示两种气烟囱类型(位置图见图 1) Fig. 6 Seismic lines showing two types of chimneys in the study area (see Fig. 1 for location)

在研究区，BSR在海底之下的深度范围是300~500 ms(双程走时TWT)，假设海底沉积物的地震波速度是1700 m·s^-1，则BSR深度范围是255~425 mbsf(meters below seafloor).在不受局部热流等其他因素的影响下，BSR的埋深一般随着水深的增大而增大(图 2a，图 5a).在接近峡谷地区，受峡谷的冷却作用，BSR在接近峡谷壁的位置会突然加深，而在背斜区，受热流等作用的影响，BSR会上拱形成穹窿状(图 3—4).BSR的形成主要受下伏游离气的控制，其可见性还受水合物底界与地层间角度的影响，当水合物底界与地层平行时，BSR很难识别.因此，工区内明显的BSR一般位于背斜轴部及周边区域.在这些地区，断层比较发育，深部热流体可沿断层上移，改变水合物发育地层的温压等稳定条件，使水合物底界上拱，并对水合物体系提供了气源；其次，褶皱发育地区地层倾角变化较大，水合物底界与地层的夹角较大，也有利于形成明显的BSR.

含水合物地层作为低渗透率的非常规盖层，其下部FGZs可能圈闭有相当量的游离气.据估计，FGZs的资源量约为水合物分解气的资源量的60%，而FGZs的终极可采资源量更是达到了水合物分解气的终极可采资源量的4倍(王秀娟等，2006).在地震剖面上，研究人员一般将BSR下部的强振幅反射区直接解释为FGZs.然而，并不是所有BSR下部的强振幅反射都由游离气造成.受游离气对地震波速的影响，FGZs顶部界面应具有负的波阻抗差，即负极性，因此可通过极性属性来判断BSR下伏强振幅反射是否由游离气造成.强振幅存在于多个反射层，利用地震反射数据很难判断其极性，我们通过提取地震剖面的视极性属性，判断BSR下部强振幅反射的极性.如图 3所示，BSR下伏强振幅反射层具有负极性，横向延伸数千米，且在上倾方向受水合物底界封盖，因此判断是FGZs；而在图 4所示的褶皱轴部或褶皱周边地区，强振幅反射层具有正极性，则不能解释为FGZs.

作为水合物体系气源供给的重要方式，流体运移体系对水合物成藏具有重要作用(Abrams, 1992; Hyndman and Davis, 1992; Berndt, 2005; Haacke et al., 2007).除了从深部运移甲烷等烃类气体供给水合物体系外，流体运移体系还为水合物分解和循环提供了通道(Yang and Davies, 2013; Yang et al., 2013).许多FGZs被认为是异常高压环境，多余游离气体的进入都可能引起附近断层的重新活动，从而可能使甲烷等气体释放到海底.

研究区位于尼日尔三角洲南部的挤压带，以褶皱-逆冲构造为特征，发育大量同生断层及伴生的滚动背斜构造，以及气烟囱、海底麻坑等.尼日尔三角洲的油气藏多分布在生长断层形成的滚动背斜圈闭内，成熟的Akata组烃源岩、Agbaba组的优质储层和作为流体运移通道的断层是油气聚集的主要控制因素(侯高文等，2005).前人研究认为，原地生成的生物成因气很难形成水合物藏，下部运移来的生物成因或热成因气，是形成水合物藏的主要气源(Xu and Ruppel, 1999; Haacke et al., 2007; 杨金秀等，2016).因此，研究流体运移体系，对了解水合物的气源具有十分重要的意义.下面将对研究区与水合物相关的流体运移通道进行描述.

研究区发育大量东-西向和北西-南东向生长断层，伴生的滚动背斜构造主要发育在下降盘，断层走向大致平行于海岸线(图 1a).同生断层的断面具有上陡下缓的特点，断距可达数百至数千米，断层在生成后仍继续活动，导致沉积物在下降盘快速堆积，引起了旋转运动，使地层向断层位置弯曲下降，从而产生了滚动背斜(Hovland et al., 1997; 侯高文等，2005).据Weber和Daukoru，尼日尔三角洲油气运移的主要通道是该地区发育的大量生长断层(Weber and Daukoru, 1979).另外，Agbaba组的优质储层也沿生长断层发育，砂体平面分布形态与海岸线形态相似.因此平面上油气藏主要沿生长断层下降盘滚动背斜的构造高部位成串珠状分布，一般大型的油气田沿主控生长断层分布，而中小型油气田则沿其他次级生长断层分布(邓荣敬等，2008).

Agbaba组的快速沉积和Akata组海相泥岩的欠压实作用导致Akata组烃源岩成为超高压地层，常含超高压流体(邓荣敬等，2008).在超高压驱动下，Akata组生成的油气沿主控断层向上运移至下降盘的砂体储层中，之后沿下降盘发育的次级生长断层再次运移，聚集在有利的圈闭中形成油气藏(Hovland et al., 1997; 侯高文等，2005).工区内的天然气水合物体系，地震资料上表现为明显的BSR和FGZs，主要位于浅部的Agbaba组地层的背斜构造带(图 3，图 5).

断层能否作为流体运移通道，是由其封闭性决定的.一般来说，生长断层在断层带的上升盘通常是封闭的，而在垂向上的封闭性主要受断距和断层带的泥页岩含量控制(邓荣敬等，2008).前人研究认为，当断距大于150 m时，且断层带的泥页岩含量小于25%时，断层在垂向上才起到通道的作用.但在断层活动期和未完全封闭的间歇期，流体可沿断层垂向运移进入储层(于翠玲和曾溅辉，2005).由于工区内的生长断层持续活动，较深部储层中富集的油气还可沿断层向浅部地层发生再运移，如果到达水合物稳定区则会形成天然气水合物体系(图 3，图 5).

气烟囱的本质为垂向的裂缝群，是流体渗漏和运移的主要通道，在地震上表现为横向上的反射层连续性变差、内部反射杂乱甚至为空白带、顶部或两侧常见亮点，以及局部的上拱、下拉现象(张为民等，2000；Gay et al., 2006; Løseth et al., 2011; 徐翠霞等，2014；孙启良等，2014).作为流体的泄压通道，被良好盖层封闭的压力封堵层是形成气烟囱的重要条件.在超压地层内，随着地温地压的持续累积，流体压力不断增加，当突破盖层的破裂点，则会产生裂隙、裂缝，形成气烟囱.泄压后，气烟囱会闭合，直到流体压力再次积累到异常高值，使气烟囱重新张开.因此，气烟囱在具有增压破裂-泄压闭合-增压破裂的旋回性幕式开合特征.

根据气烟囱根部的发育位置，可将研究区与天然气水合物体系相关的气烟囱分为两类，一类气烟囱的根部位于深部地层，另一类气烟囱的根部发育在水合物下部的FGZs顶部(图 6).第一种气烟囱作为流体通道为水合物的形成提供了气源，流体自深部沿气烟囱向上运移至浅层水合物体系，部分游离气受水合物封堵而聚集在水合物下部形成FGZs，部分游离气进入到水合物稳定区形成水合物(图 6a)；第二种气烟囱受超压的FGZs控制，当FGZs压力增大到上覆地层的破裂压力时会形成气烟囱，流体通过沿气烟囱向上运移而泄压，当延伸至海底时则形成海底麻坑(图 6，图 7).但是并非所有麻坑都由气烟囱造成，海底麻坑还可沿底辟构造、断层、泥火山和沉积边界等形成(陈多福等，2004；Løseth et al., 2011; 孙启良等，2014).

图 7

Fig. 7

图 7 研究区天然气水合物成藏模式图 Fig. 7 Accumulation model of the gas hydrate system in the study area

除断层、气烟囱等运移通道外，油气还可在背斜翼部沿不整合面或高孔渗的砂岩层向高部位的滚动背斜轴部运移(Hovland et al., 1997).通过对工区内的大量地震剖面进行解释，发现该地区的天然气水合物体系的发育与流体运移通道关系十分密切.明显的BSR层和FGZs主要分布在断层及伴生的滚动背斜区，这些地区广泛发育流体运移通道，能够为水合物和FGZs的形成提供充足的气源.而在流体运移通道不发育的其他地区，则不可见明显的BSR和FGZs分布.

(1) 通过提取多种属性剖面，优选出视极性属性来辅助判断与水合物有关的BSR和下伏FGZs.BSR和FGZs在视极性剖面图上通常表现为负视极性；

(2) 研究区水合物地震标志层BSR和下伏FGZs的发育具有共生特点，呈分散状分布，主要存在于断层及伴生逆冲褶皱附近；

(3) 研究区与天然气水合物体系相关的流体运移通道包括断层、气烟囱等，它们除为水合物成藏提供气源外，还在水合物分解或者FGZs超压等情况下，作为碳循环的通道，使烃类气体在FGZs和水合物之间循环，部分天然气可运送至海底进入海水甚至大气中；

(4) 在研究区，油气在下部Akata组烃源岩生成后，沿生长断层、砂岩层或不整合面在垂向和侧向上向浅部运移至Agbaba组储层中，油气大部分聚集在滚动背斜内成藏.由于工区内的生长断层持续活动，油气还可沿断层等通道向浅部地层发生再次运移，到达水合物稳定区附近而形成天然气水合物体系：水合物及下伏FGZs.