水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

选取两种不同粒径分布的天然海砂样品,在相同实验温度及压力条件下合成甲烷水合物.开展水合物降压分解X-CT微观实验,获取不同时刻的沉积物内部构成图像.对X-CT扫描图像进行阈值分割、三维重建及拓扑等效等处理,建立不同粒径含水合物沉积介质不同分解阶段的三维孔隙网络模型,研究水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律及其控制机理.研究表明,甲烷水合物微观分布非均质特征显著,分解过程开始于气-水合物接触的位置,分解初期水合物具有孔隙填充、颗粒胶结等多种赋存模式,而分解后期孔隙中主要赋存颗粒胶结型水合物.随着水合物饱和度的减小,不同粒径含水合物沉积物的平均孔喉半径、孔隙度、绝对渗透率以及两相共渗区宽度均不断增大,配位数、形状因子及束缚水饱和度逐渐减小.受水合物分解动力学行为影响,分解前期沉积物平均孔隙半径缓慢降低,水合物饱和度下降至某一临界值(小于0.1)后,平均孔隙半径和绝对渗透率急剧增大.粒径分布越窄,相同水合物饱和度下沉积物平均孔隙及孔喉半径、孔隙度和绝对渗透率越高,但不同粒径沉积介质配位数和形状因子的变化存在交叉点,表明含水合物沉积物微观孔隙结构特征受粒径分布、水合物微观赋存状态及空间分布的协同影响.     

长江口第四纪沉积物中构造与古气候耦合作用的探讨

对长江河口区大量第四纪钻孔作了地层描述、粒度分析、磁性测试和微体生物等分析. 据此探讨了新构造运动和古气候对沉积作用和环境演化的控制作用. 结果表明, 这些钻孔地层自下而上可以分出3~6个旋回, 时间尺度约为40~50万年. 下部沉积旋回(上新世与早更新世早期)沉积物基本以含砾(棱角和次棱角状)粗砂、泥质砂为主, 向上变为细粉砂、粉砂质泥; 分选极差, 并含有大量树木碎块, 不含任何海相生物化石; C-M图中以滚动组分占绝对优势, 反映了沉积盆地初期强烈的构造沉降控制因素, 沉积环境以山涧冲、洪积为特征. 中部沉积旋回(早更新世中期至中更新世)沉积物为砾质砂, 并逐渐过渡到上部黏土质粉砂, 分选差-较差; 海相有孔虫、介形虫零星出现; C-M图反映了滚动、跳跃和悬浮混合的沉积作用, 体现了河流沉积体系向辫状-准曲流河演变的特征. 上部沉积旋回(晚更新世-全新世)由含砾砂、向上变为细砂和粉砂质黏土, 细颗粒地层厚度明显增大, 分选较好—好; 出现大量有孔虫和海相介型虫, 且连续分布; C-M图表现为跳跃和悬浮作用占优, 滚动组分逐渐消失; 表明河流沉积体系逐渐向准平原-平原河流演变, 并明显受到海侵影响, 溺谷相、浅海相和三角洲相发育; 反映了本区沉降盆地在演化过程中受到不断增强的气候作用的演变特点.     

夏季台湾海峡的悬浮颗粒通道:现场粒度端元分析的证据

应用端元分析模型对2010年夏季在台湾海峡海域由现场激光粒度分析仪(LISST)获得的悬浮颗粒现场粒度数据进行了反演,分离出与河口羽流、细粒沉积区、粗粒沉积区颗粒物动力学过程关联的3个悬浮颗粒现场粒度端元类型.应用夏季西南季风盛期各端元含量空间分布结构的分析,可分辨出珠江河口羽流携带的悬浮颗粒穿越台湾海峡进入台湾西部近岸海域的输运路径,观测到河口悬浮颗粒跨陆架输运载体由上层水体到跃层水体的沿程调整,证明了台湾海峡中部细粒沉积区的上层水体为夏季台湾西部沿岸来源悬浮颗粒横跨海峡的输运通道,而中下层水体则为夏季台湾海峡南部粗粒沉积区悬浮颗粒通过台湾海峡进入东海陆架的主要通道.     

南海北部神狐海域浅表层沉积物中孔隙水的地球化学特征及其对天然气水合物的指示意义

南海北部陆坡神狐海域是中国天然气水合物勘探的重点区域之一. 对神狐海域HS-A和HS-B两个重力活塞取样站位(深度分别为8.75和8.52 m)沉积物中孔隙水进行了阴、阳离子主量组分和微量元素地球化学分析. 结果显示: Cl⁻浓度在两个站位随深度均没有出现明显的变化, 其值与正常海水值大体一致. HS-A站位硫酸根含量在0~3 m处变化趋势较小, 而在3 m以下表现出明显的梯度下降变化; 与此同时阳离子Ca²⁺, Mg²⁺和Sr²⁺ 在0~3 m处变化趋势较小, 而3 m以下表现出与硫酸根类似的下降趋势. HS-B站位在0~3 m处和3 m以下都出现了明显的下降趋势, 但变化幅度不一致. 计算表明, 该区域沉积物孔隙水具有高硫酸盐通量与高碘通量的特征, 与国际上己发现有天然气水合物地区的地球化学特征相类似, 推测可能与神狐海域的天然气水合物有关. 通过对这些地球化学异常特征的解释和讨论总结了一系列使用浅表层孔隙水数据示踪深部天然气水合物赋存的异常指标和识别办法.     

长江流域600年来古洪水:水下三角洲沉积与历史记录对比

对长江水下三角洲YD0901孔进行粒度分析和高分辨率元素扫描,选取Zr/Rb值作为长江洪水指标,以此建立的600年来长江流域洪水记录与历史文献记录对比良好.Zr主要赋存于含Zr的粗粒矿物,Rb主要分散在细粒矿物中.洪水期,长江径流量增大,携带大量粗粒入海,沉积在水下三角洲的粗粒组分相对于细粒组分明显增多,Zr/Rb值增大.因此,Zr/Rb峰值段对应洪水沉积,峰值越高,沉积物粒度越粗,跳跃组分越多.尤其是1870年左右Zr/Rb值表现为600年以来最高值,符合1870年长江中上游"极值大洪水事件".进一步对Zr/Rb值进行频谱分析,佐证了长江洪水与ENSO可能存在某种关联.该研究为恢复长江流域全新世以来更长时期尺度的高分辨率古洪水记录提供了新方法和新材料.     

微波对天然气水合物形成/分解过程的影响

天然气水合物是潜在的清洁能源, 储量巨大. 高效开发利用天然气水合物, 具有重要意义. 微波加热作用速度快, 应用比较灵活, 有希望用于开采各类型天然气水合物资源及水合物储运技术. 实验研究了2450 MHz、不同微波功率下天然气水合物的形成/分解过程, 初步分析了微波对天然气水合物相平衡的影响, 并在van der Waals-Platteeuw模型的基础上进行了计算. 结果表明: 一定功率的微波可降低水合物形成的过冷度和诱导时间, 20 W微波状况下, 过冷度减小约3℃, 诱导时间由4.5 h缩短到1.3 h; 发现微波可使水合物快速分解, 随着水合物的分解, 产生的分解水加速了水合物的分解, 分解水与微波具有协同作用; 相同压力下, 微波可提高水合物的相平衡温度. 天然气水合物分解过程中各组分介电性质的差异造成了反应体系在分解过程中存在显著的温度差异, 微波加热分解水合物存在多种因素的共同作用.     

湖光岩玛珥湖表层沉积物磁性粒度特征及其来源

为了确定湖光岩玛珥湖沉积物中磁性矿物的来源, 对表层沉积物及火山壁上岩石进行了激光粒度分析和磁性粒度研究. 结果显示: 表层沉积物粒度为黏土质粉砂; 磁性矿物为磁铁矿, 粒径约为0.03 μm; 火山壁上岩石磁性矿物为磁铁矿, 粒径约为0.05 μm. 沉积物中的磁性矿物种类和粒径与黄土中明显不同, 而更倾向于湖泊周边火山岩的磁性特征. 湖光岩玛珥湖沉积物中的细粒组分(<8 μm)可能有一部分来自风尘, 另一部分为湖泊周边风化产物经波浪作用变为细粒; 粗粒组分为湖四周火山岩风化产物. 磁性矿物主要来自湖四周的火山岩, 虽然不排除少量的风尘沉积, 但沉积物的磁学参数作为亚洲冬季季风强弱变化的替代指标很可能存在问题, 冬季季风与磁学参数的具体关系还有待进一步研究.     

深水天然气水合物及其管道输送技术

深水天然气水合物是具有广阔应用前景的非常规天然气资源.开采出的深水天然气水合物通过管道输送是实现水合物资源开发、利用的关键环节.输送过程中,管道内的压力、温度会不断发生变化,使得管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动.本文介绍了天然气水合物资源分布情况和开采方式,综述了近年来天然气水合物生长、分解动力学和含水合物颗粒的气液固多相流动方面的研究进展,分析了深水天然气水合物输送管道的安全性.指出未来在深水水合物输送方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下三个方面的研究内容:第一是考虑管流作用下天然气、水、水合物三相界面之间的传热传质特点,以及气液流速、流型对传热传质的影响,建立多组分气体水合物生长、分解动力学模型;第二是综合考虑水合物颗粒的微观受力和流体对固相的携带能力,分析水合物颗粒的聚集特征、流动特性以及在管道中的沉积规律;第三是考虑水合物颗粒的生长、分解与管道内流速、流型和压降之间的耦合作用,建立伴随水合物颗粒生长、分解、聚集、沉积的气液固多相管输模型,定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑.     

边缘海陆源物质中环境敏感粒度组分的初步分析

对冲绳海槽(A7孔)和琉球海沟(A37孔)的两个重力柱状样品进行了陆源物质提取, 并做了粒度分析和粒度参数的垂向分布序列分析, 检出了对沉积环境变化较敏感的粒度组分. 发现A7和A37孔的敏感粒度组分的峰值和粒度分布范围有较大差别, 这指示了冲绳海槽和琉球海沟的沉积物来源和沉积环境的空间差异. 敏感粒度组分含量随深度变化的初步分析表明, 冲绳海槽A7孔的沉积环境较为稳定, 仅包含2层明显的浊流沉积和1层火山灰层; 而位于琉球海沟A37孔的沉积环境变率较大, 包含6个明显的沉积波动旋回.     

苏皖地区五通组中海相化石的发现及其地质意义

晚泥盆世五通组在苏、浙、皖地区广泛发育,亦见于鄂东、赣北等地。对这套地层,早在30年代初就引起许多地层、古生物学者的注意,并进行过卓有成效的研究。它是一套陆源碎屑岩沉积,可分上下两段:下段以浅色的粗粒碎屑岩——含砾砂岩、石英砂岩为主,间夹极薄层泥岩;上段以较深色的细粒碎屑岩——砂泥质沉积物为主,富产具泥盆——石炭纪双重特色的植物群和独特的胴甲类鱼化石,而闻名于世。以往,对这套地层大都认为纯属陆相沉积,只是近几年来于个别地区个别层位有过偶见海相化石的报道。     

南海北部陆坡NH-1孔沉积物中自生硫化物及其硫同位素对深部甲烷和水合物存在的指示

海洋沉积系统中较高的甲烷浓度和通量是水合物形成的重要物质基础. 向上迁移扩散的甲烷在硫酸盐-甲烷交接带(SMI)与硫酸盐反应生成硫化物矿物. 保存在沉积物中的自生硫化物及其硫同位素可以用来有效地指示甲烷通量和SMI深度, 进而指示深部水合物形成或存在的可能性. 通过对中国南海北部陆坡水合物可能存在区域NH-1孔柱状样岩芯沉积物中硫化物及其硫同位素的研究发现: (1) 沉积物中黄铁矿含量较高, 矿物颗粒较大; (2) 沉积物中酸可挥发性硫化物(AVS)峰值(>2 μmol/g)最浅深度位于437.5 cm, 大于自生黄铁矿相对富集的深度(141.5~380.5 cm); (3)在262.5~380.5 cm间沉积物中自生黄铁矿中硫同位素δ³⁴S具有显著的正异常值(最大+15‰), 其他深度均为数值稳定的负异常; (4) δ³⁴S正异常出现在自生黄铁矿相对富集区. 与Jorgensen等对黑海沉积物硫化物的研究结果相比较, 这些特征表明研究区域的SMI下边界深度为(或曾经在)437.5~547.5 cm, 反映了向上迁移扩散的甲烷通量具有(或曾经具有)异常高值. 这一结论与蒋少涌等通过孔隙水硫酸盐梯度和刘坚等通过顶空气甲烷异常在研究区邻近海域所获得的结果相吻合. 表明研究区海域深部形成或赋存水合物的可能性很大. 沉积物中自生硫化物及其硫同位素可用作寻找水合物有效的地球化学指标之一.     

东北平原钻孔的磁性地层定年及松嫩古湖演化

中国东北平原第四纪湖相沉积物是记录中纬度东亚季风和气候环境变化的理想载体.然而,目前关于该套湖相沉积地层尚缺乏高分辨率地层学和高精度的年代学研究,从而限制了对该区气候环境变化机理的理解.本研究重建了东北平原乾安令字(Qiananlingzi, QAL)孔的高分辨率磁化率地层,并对该套沉积进行了系统的古地磁和光释光年代学研究.结果显示, QAL钻孔记录了Olduvai正极性亚时以来的沉积.沉积物磁化率变化存在轨道时间尺度上的变化,粗颗粒的粉砂层一般呈现磁化率低值,细颗粒的黏土层一般呈现高值,岩石磁学参数表明磁化率低值层位高矫顽力硬磁性矿物贡献大,高值层位低矫顽力软磁性矿物贡献大;该套湖相地层的沉积年代约为1180～450ka,历时约730ka,松嫩古湖的几近消失可能与依舒断裂导致的多次沉降使得松花江将松嫩古湖湖水泄于三江平原有关.基于本文详细的磁化率地层和高精度的年代学结果,该湖相沉积有望成为解译中纬度中亚区域中更新世轨道时间尺度古气候变化的理想材料.     

高含硫天然气输送管道内硫沉积研究进展

高含硫天然气在管道输送过程中,随着压力、温度和气质组分等条件的变化,气相中发生过饱和溶解析出的硫分子会逐渐形核、生长成为固体硫颗粒随气流一起在管道内运移,并会沉积在管道内壁.管内沉积的硫颗粒将会堵塞和腐蚀管道,严重威胁高含硫天然气管道的输送安全.本文针对高含硫天然气输送管道内硫沉积问题,综述了近年来高含硫天然气中元素硫气固相平衡计算、硫颗粒生长动力学、含硫颗粒的气固两相管道输送方面的研究进展.指出在高含硫天然气集输过程中硫沉积预测及防治方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下3个方面的研究:(1)充分考虑集输压力、温度条件下(P≤15.0 MPa,T≤333.15 K)硫溶解度极低的特点,建立硫溶解度测试实验装置,开展集输管道压力、温度范围内的硫溶解度实验研究;(2)采用微观分子动力学模拟与宏观热力学参数统计分析相结合的方法,建立硫颗粒的生长动力学模型,结合结晶动力学理论模型深刻揭示集输条件下硫颗粒的形核、生长与消融动力学规律;(3)综合考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉降规律与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用,建立伴随元素硫气固相态变化和硫颗粒生长、消融的气固两相管输模型,定量描述高含硫集输条件下硫颗粒的析出、生长及其与高含硫天然气的气固两相流动规律,最终为集输管道乃至整个集输系统内硫沉积防治方法的确立提供技术与理论支撑.     

长江三峡库区玉溪遗址T0403探方古洪水沉积特征研究

通过对玉溪遗址地层AMS14C测年、粒度、重砂矿物组分与形态、锆石微形态、磁化率、Rb/Sr和Hg等地球化学指标研究发现,7.6kaBP以来,水位在吴淞高程147.024m(a.s.l.)以上的古洪水至少在玉溪遗址T0403探方新石器时代地层中留下了16次沉积记录,判定依据主要是:(1)玉溪遗址古洪水层与该处现代洪水层以及中坝遗址现代洪水层沉积物在粒度概率累积曲线上具有相似的三段式河流相沉积特征;(2)古洪水层与现代洪水层沉积物在重砂矿物组分及形态特征上具有相似性;(3)洪水层磁化率值均很低(分布于40.44～70.10SI之间),而文化层较高(范围在59.59～188.68SI之间);(4)洪水层Hg的含量较低(在290.71～742.51ng/g)之间,文化层偏高,在344.16～10518.17ng/g之间;(5)洪水层的Rb/Sr值高于文化层,第4,5,6,7和8这5个文化层的Rb/Sr值亦较高表明遭受过洪水浸淹的影响.该遗址具有较多洪水层的原因,与其位于一级支流入长江干流交汇处一级阶地处的地貌部位有关.由于下游中坝遗址古洪水沉积亦有与此类似的特征,表明从以上几方面判定遗址古洪水层的存在与否是确实的.     

青海湖现代沉积速率空间分布及沉积通量初步研究

考察了青海湖表层沉积物137Cs活度及通量时空分布,建立了湖泊沉积速率空间分布模式.青海湖河口/岸边区域沉积物137Cs通量高,但平均137Cs活度低;湖中心区域137Cs通量低但平均活度高.河口/岸边区域沉积速率高,沉积物陆源组分(如SiO2,Fe2O3,Ti等)的含量及通量高.湖中心区域沉积速率低,化学/生物沉积组分(如次生碳酸盐)含量高.因此,决定青海湖沉积速率空间分布的主要因素是流域陆源物质的堆积速率.根据本文获得的不同湖区沉积速率计算了青海湖平均质量堆积速率(0.0337g·cm-2·a-1),并用Ca质量平衡方法检验了该平均值的合理性.在此基础上,估算了青海湖沉积通量及流域泥沙输入和大气粉尘对湖泊沉积的贡献.     

粒度揭示的青藏高原湖泊水动力现代过程:以藏南普莫雍错为例

在全球变暖的背景下,冰川融水占重要补给地位的湖泊对气温变化具有潜在的敏感性.本文以藏南普莫雍错为例,通过湖泊现代水动力过程解析,结合古湖泊学气候环境序列对比,辨析湖泊沉积物中粒度对气温变化敏感性.根据表层沉积物的粒度参数、各粒级百分含量的空间格局以及频率分布曲线特征,分析了该湖不同湖区的水动力环境.结果表明,该湖碎屑沉积可分为5种类型,其中开阔湖区除小岛周围和北岸受近岸碎屑影响外,其他中心湖区主要受悬移搬运控制;沉积动力学模型(粒径趋势方法)分析表明,该湖开阔湖区沉积物具有自西向东运移的输运趋势,表明该湖西部冰川融水补给河流加曲对湖泊的影响不仅限制在冲积扇上,而且影响到整个湖泊,从而也表明了湖泊沉积物粒度的温度指示意义;中心湖区沉积物岩芯粒度指标与气温资料时间序列的对比,验证了在短时间尺度上,粒度环境意义为区域温度的良好指示器,进而验证了水动力现代过程辨析方法的可靠性.作为案例研究,本研究表明,沉积物粒径趋势分析和沉积模式常规对比方法能够辨析青藏高原冰川融水补给湖泊的水动力过程,进而有助于理解钻孔的碎屑来源和粒度大小的控制性因素,有利于提高该类湖泊的古气候反演能力.     

可燃冰:21世纪的能源新宠

随着世界上石油、天然气资源的日渐耗尽,各国的科学家正在致力寻找新的替代能源. 可燃冰(天然气水合物)被称为21世纪最具商业开发前景的战略资源,正受到各国政府的重视.据专家估算:在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中,目前已发现的水深3 km以内沉积物天然气水合物中,甲烷资源量为2.1亿亿m3,水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油和天然气总量的两倍,可满足人类1000年的需求.     

南海南部末次冰期浊流沉积的高分辨率沉积学和地球化学研究

通过对南海南部巽他陆坡底部MD05-2895孔末次冰期发育的浊流沉积物进行激光粒度和XRF岩芯元素扫描分析, 试图揭示其沉积学和地球化学特性, 进而对理解浊流形成过程提供帮助. 研究结果显示, 浊流沉积层中的碎屑颗粒粒径比正常深海沉积物有大幅度增加, 在地球化学成分上表现为Si, K, Ti, Fe 等元素异常富集, 表明浊流发生时有大量粗颗粒陆源碎屑物质输入. 显微观察发现, 这些粗颗粒碎屑物质主要由石英、长石、火山玻璃、以及少量含铁含钛重矿物组成, 推断应来源于巽他陆架上部的残留沉积, 可能与末次冰期时古巽他河输送的陆源物质有关. 分析认为这些浊流活动的发生可能与末次冰期时海平面快速变化造成的海岸线大幅移动及沉积物供给不稳定有关, 而在单次浊流活动中浊流沉积物的形成主要是受重力(对不同比重、粒级颗粒的)分选的控制.     

雄安新区西部GB014孔第四纪地层结构与演化过程

对雄安新区西部GB014孔进行了岩石磁学、古地磁和沉积学研究,建立了第四纪地层结构,为更科学利用地下空间提供基础地质支撑.岩石磁学和系统退磁实验揭示钻孔沉积物的载磁矿物主要为磁铁矿,其次为赤铁矿.依据古地磁和区域沉积特征,建立了GB014孔的磁性地层年代框架,下-中更新统界线(M/B界线)和第四系底界(G/M界线)埋深分别为33.8、135.0 m.依据沉积物岩性、结构,以及自然伽玛曲线、粒度、色度、环境磁学参数等将GB014孔划分为5个沉积体系,自下而上依次为:沉积体系Ⅴ为粗颗粒的冲积扇相,埋深为200～146.6 m,年龄为3.90～2.81 Ma,沉积速率为4.9 cm/ka;沉积体系Ⅳ为细颗粒的泛滥平原相,埋深为146.6～108.0 m,年龄为2.81～1.88Ma,沉积速率为2.76 cm/ka;沉积体系Ⅲ为粗颗粒的辫状河道相,埋深为108.0～57.6 m,年龄为1.88～1.02 Ma,沉积速率为5.86 cm/ka;沉积体系Ⅱ为细颗粒的泛滥平原相,埋深为57.6～35.8 m,年龄为1.02～0.79 Ma,沉积速率为9.48 cm/ka;沉积体系Ⅰ为夹决口扇的泛滥平原相,埋深为35.8～0 m,年龄为0～0.79 Ma,沉积速率为4.53 cm/ka.晚上新世以来GB014孔记录了3.90～2.81和1.88～0.79 Ma两次构造活跃期,其中1.88～1.02 Ma时期可能发生物源变化.太行山山前普遍存在这两期构造活动形成的粗颗粒沉积物,而中、晚更新世的砂层则可能与海侵进入渤海湾、区域降水增多有关.     

科技前沿

<正>我国将开发"可燃冰"我国计划于201 5年在中国海域实施天然气水合物的钻探工程。天然气水合物因外观像冰且遇火即燃,俗称"可燃冰",主要分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。其甲烷含量占80%~999%,燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多,而且储量丰富,全球储量足够人类使用1 000年,因而被各国视为未来石油、天然气的替代能源。这个工程将有力地推动中国"可燃冰"勘探与开发的进程,引发中国能源开发利用的"革命"。