CN110456024B - 一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天然气水合物碳循环技术领域，公开了一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法及系统，基于地震解释、数值模拟、水合物分解量计算、珊瑚礁固碳量计算等方法，定量评估水合物稳定区边界处的碳循环过程。本发明通过计算水合物分解释放的游离气量和冷水珊瑚礁的固碳量，来估算进入海水中的甲烷量，从而充分认识水合物稳定区边界处，发生在岩石圈‑生物圈‑水圈‑大气圈中的碳循环过程，从而定量、准确评价天然气水合物系统在全球碳循环系统中的作用，帮助人们正确认识水合物对环境、气候变化等的影响。

Description

一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法及 系统
技术领域
本发明属于天然气水合物碳循环技术领域，尤其涉及一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法及系统。
背景技术
目前，最接近的现有技术：
天然气水合物存储有大量的甲烷等烃类气体，其估算地质储量超过了全球陆地已知天然气地质储量总和。海域天然气水合物位于沉积物浅层，受海底洋流、沉积作用、底辟作用等影响天然气水合物稳定底界(Base of Gas Hydrate Stability Zone：BHSZ)易发生垂向迁移，导致天然气水合物分解。一般认为海底陆坡的天然气水合物稳定区GHSZ是一个向海增厚的楔状体。天然气水合物稳定区GHSZ向陆一侧分布边界(Landward Limit of GasHydrate Stability Zone：LLGHSZ)在地震剖面上表现为BSR与海底的相交处，该位置对海底的温度变化事件最敏感，天然气水合物易分解，且深部的水合物分解而释放的游离气还可沿水合物底界向上移动至此处，因此LLGHSZ位置处可能会存在较大的甲烷释放通量，释放的甲烷等气体若进入水体、甚至大气中，就会发生岩石圈-水圈-大气圈之间的碳循环，会造成一定的环境和气候影响。
甲烷作为一种大气痕量气体，其温室效应是二氧化碳的20多倍，其大量排放能够影响全球气候。前人研究通常用甲烷和气候变化的对比曲线来作为与过去气候变化有联系的甲烷释放的证据，认为很多环境和气候事件都可能与水合物分解有关，如新元古带雪球事件(600-800Ma)、P-T界线附近古环境与古生物灾变事件(251Ma)、侏罗纪Toarcian期的海洋缺氧事件(180Ma)，以及古新世末的LPTM事件(55Ma)。水合物分解后，一部分甲烷在浅层沉积物中可进行甲烷厌氧氧化反应(Anaerobic Methane Oxidation：AMO)，另外的甲烷进入海水中。前者AMO通常发育于海底沉积物表面至其下150cm的狭窄范围内,该带内CH4与硫酸盐浓度急剧下降，在贫/缺氧环境下以微生物为媒介的CH4氧化作用,通常与硫酸盐的还原作用(Sulfate Reduction：SR)同时发生。研究表明，水合物分解释放的甲烷90％以上可在沉积物中被AMO消耗，阻止甲烷继续向上运移。另外，进入海水中的甲烷还能在海水中与溶解氧发生反应，生成二氧化碳。这一反应非常强烈且反应速率很快，有学者认为进入海水中的甲烷也会消耗95％以上。
综上，目前学术界对水合物与气候环境之间的关系存在不同的认识，均已定性研究为主。有人认为水合物分解会造成环境和气候影响，还有人认为水合物分解释放的大多数甲烷会在抵达大气圈前被消耗。而本次申请者认为，水合物的存在对全球气候和环境具有双重作用。一方面，沉积物浅层水合物稳定区的存在起到了缓冲作用，防止/抑制了从地层深部运移至浅层的游离气直接逸散进入海水或者大气中；另一方面，当水合物稳定条件发生变化时，水合物分解释放的游离气可能会进入海水或者大气中，甚至诱发海底滑坡等灾害，造成一定的环境和气候影响。因此，十分有必要对天然气水合物稳定区边界处的碳循环过程进行定量研究，认识天然气水合物稳定底界动态迁移过程中，该处发生的碳循环过程，并定量评估其对环境、气候等的影响。
综上所述，现有技术存在的问题是：
目前的水合物研究中较少涉及天然气水合物系统在全球碳循环系统中的作用，仅有少量研究定性、粗略地描述了在天然气水合物稳定底界垂向迁移过程中发生在水合物层与下伏游离气区(Free Gas Zone:FGZ)之间的水合物循环，属于岩石圈内的碳循环，目前尚未有研究具体针对水合物稳定区边界处，发生在岩石圈-水圈-生物圈之间的碳循环过程。
解决上述技术问题的难度：
发生在天然气水合物稳定区边界处碳循环过程为动态过程，水合物稳定底界随地质过程，如沉积、剥蚀、海平面升降和地下热流异常等而发生垂向迁移，因此较难恢复和重建过去的水合物稳定底界的垂向迁移过程。本发明通过数值模拟的方法，恢复当珊瑚礁底界为古海底时的古水合物稳定底界(古BSR)的位置，进而分析发生在该时期的碳循环过程，并计算珊瑚礁在期间的固碳量、水合物分解释放的碳量等。
解决上述技术问题的意义：
本发明提供了一种研究水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，该研究内容属于前沿领域，刻画了地质过程导致水合物稳定底界垂向迁移时，发生在水合物稳定区边界处的碳循环过程。原水合物稳定区边界处冷水珊瑚礁的固碳量被认为是由水合物碳储藏循环至生物圈的碳量，属于海洋生物固碳过程。通过计算水合物分解释放的游离气量和冷水珊瑚礁的固碳量，来估算进入海水中的甲烷量，从而充分认识水合物稳定区边界处，发生在岩石圈-生物圈-水圈-大气圈中的碳循环过程，从而准确评价天然气水合物系统在全球碳循环系统中的作用，帮助正确认识水合物对环境、气候变化等的影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，基于地震解释、数值模拟、水合物分解量计算、珊瑚礁固碳量计算等方法，定量评估水合物稳定区边界处的碳循环过程，从而使人们正确认识天然气水合物系统在全球碳循环系统中的作用，以及水合物对环境、气候变化等的影响。
本发明是这样实现的，一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，包括以下操作步骤：
步骤1：选择天然气水合物分布边界附近发育冷水珊瑚礁条带的地区作为研究区。
步骤2：对BSR进行地震解释。
步骤3：对珊瑚礁顶部层位，即海底进行地震解释，提取海底构造属性平面图来掌握珊瑚礁的平面分布特征。
步骤4：对珊瑚礁底部层位进行地震解释。
步骤5：珊瑚礁顶底所在地层的双程走时为TWT(～50ms)，则该地层深度为D(～36.25m)。
步骤6：在VVA软件中，通过刻画珊瑚礁地质体，来计算研究区珊瑚礁的面积A(～160km2)。
步骤7：通过调研，确定珊瑚礁的固碳速率为G，则珊瑚礁固碳量为MCcoral(～3.84*1015g)，MCcoral＝G*A*T。
步骤8：选择若干条珊瑚礁和BSR均发育的地震剖面，用于模拟当珊瑚礁底界为古海底时的古BSR及古LLGHSZ的位置，读取珊瑚礁顶底层位的深度信息作为古今海底深度。
步骤9：根据天然气水合物气体组分来选择水合物相平衡公式。
步骤10：根据研究区海平面变化曲线，结合现今海底深度，计算当珊瑚礁底界为海底时的原海底深度Dold-sb，从而计算当时古BSR处的静水压力值。
步骤11：根据研究区海水温度变化曲线，结合现今海底温度值Tsb，可恢复当珊瑚礁底界为海底时的原海底温度值Told-sb，从而计算当时古BSR处的温度值Told-bsr：
Told-bsr＝Told-sb+GG*Dbsr，式中，GG为当时该地区的地温梯度。
步骤12：在步骤9-11的基础上，通过调整地温梯度参数，模拟当珊瑚礁底界为古海底时的古BSR和古LLGHSZ的位置。
步骤13：当LLGHSZ位置与珊瑚礁不一致时，调整模拟参数条件，重新进行模拟。
步骤14：当LLGHSZ位置与珊瑚礁一致时，说明水合物稳定区垂向运移之前，原水合物分布边界处的甲烷通量为该处的珊瑚礁发育提供了能量。
步骤15：将古今BSR之间的区域作为水合物分解区，计算该区的体积V(～1575*108m3)，并估算在水合物稳定底界垂向迁移过程中水合物分解释放的甲烷体积VCH4(1.033*1012m3)和甲烷质量MCH4(7.4*1014g)和碳量MC CH4(5.6*1014g):
步骤16：通过对比步骤7计算的珊瑚礁固碳量和步骤15计算的水合物稳定底界垂向迁移过程中水合物分解释放的碳量，发现珊瑚礁固碳量大于水合物分解释放的碳量。由地震剖面可知，水合物稳定底界下部存在若干气烟囱，因此认为珊瑚礁除以水合物分解的甲烷作为能量外，气烟囱还可将深部的游离气垂向运移至古BSR下部，再沿古BSR侧向运移至古LLGHSZ处，为珊瑚礁提供能量。
步骤17：由以上研究可得出以下认识：LLGHSZ周边的深水珊瑚礁可大量固碳，岩石圈中的碳循环至生物圈中，并避免其进入大气中引起气候变化。
步骤18：针对珊瑚礁的巨大的固碳作用，在现今LLGHSZ条带处，可建议利用人工种植深水珊瑚礁固碳。
进一步，所述步骤5中，沉积速率为SR(～94.5cm/ky)，则珊瑚礁的存在时间约为T(～40ky)，其中：
D＝TWT*Vsw/2000。
式中：Vsw为海水速度，Vsw＝1450m/s；T＝D/SR。
进一步，所述步骤7珊瑚礁固碳酸钙速率为1000-9000g CaCO3/m2/y，本研究区取5000g CaCO3/m2/y，相当于固碳率600g C/m2/y。
进一步，所述步骤9甲烷水合物相平衡公式如下：
Log10Pe＝aTe 2+bTe+c。
式中：Pe和Te为水合物稳定底界处下的压力和温度值，a、b、c为经验常数，分别为a＝0.000309℃-2,b＝0.040094℃-1，c＝0.478626。
进一步，所述步骤10中：
Pold-bsr＝ρsw*g*(Dold-sb+Dbsr)。
式中：Dbsr为古海底至古BSR处所对应的深度，ρsw为海水密度，ρsw＝1028kg/m3，g是重力加速度，g＝9.81m/s2。
进一步，所述步骤15中：
Figure BDA0002177574860000061
式中：
Figure BDA0002177574860000062
为沉积物平均孔隙度(研究区取～40％)，SGH为估算的水合物饱和度(研究区取～10％)，E为天然气水合物的容积倍率，取164。MCGH＝VCH4*1000/22.4*16.04，这是由于1立方米甲烷为1000/22.4＝44.643摩尔，相当于44.643*16.04＝716克。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明提供了一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，本发明的内容属于前沿领域，刻画了地质过程导致天然气水合物稳定底界垂向迁移时，发生在天然气水合物稳定区边界处的碳循环过程。原天然气水合物稳定区边界处冷水珊瑚礁的固碳量被认为是由天然气水合物碳储藏循环至生物圈的碳量，属于海洋生物固碳过程。通过计算天然气水合物分解释放的游离气量和冷水珊瑚礁的固碳量，来估算进入海水中的甲烷量，从而充分认识天然气水合物稳定区边界处，发生在岩石圈-生物圈-水圈-大气圈中的碳循环过程，从而准确评价天然气水合物系统在全球碳循环系统中的作用，帮助正确认识天然气水合物对环境、气候变化等的影响。以某研究区为例，计算的珊瑚礁固碳量为3.84*1015g，而天然气水合物稳定底界垂向迁移过程中水合物分解释放的碳量5.6*1014g，因此，珊瑚礁固碳量大于水合物分解释放的碳量。分析认为，珊瑚礁除以水合物分解的甲烷作为能量外，水合物稳定底界下部存在的若干气烟囱还可将深部的游离气垂向运移至古BSR下部，再沿古BSR侧向运移至古LLGHSZ处，为珊瑚礁提供能量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种研究天然气水合物稳定区边界处碳循环过程方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的研究区海底倾角属性平面图，显示珊瑚礁条带和现今LLGHSZ的位置。
图3是本发明实施例提供的地震剖面显示珊瑚礁、现今BSR、现今LLGHSZ，数值模拟古BSR和古LLGHSZ、天然气水合物稳定区下伏气烟囱和高振幅异常等地震特征。
图4是本发明实施例提供的海水温度变化曲线和海平面温度变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前的水合物研究中较少涉及天然气水合物系统在全球碳循环系统中的作用，仅有少量研究定性、粗略地描述了在水合物稳定底界垂向迁移过程中发生在水合物层与下伏游离气区(Free Gas Zone:FGZ)之间的水合物循环，属于岩石圈内的碳循环，目前尚未有研究具体针对水合物稳定区边界处碳循环过程
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，包括以下操作步骤：
S101：选择天然气水合物分布边界附近发育冷水珊瑚礁条带的地区作为研究区。
S102：对BSR进行地震解释。
S103：对珊瑚礁顶部层位，即海底进行地震解释，可提取海底构造属性平面图来掌握珊瑚礁的平面分布特征(如图2所示)。
S104：对珊瑚礁底部层位进行地震解释。
S105：珊瑚礁顶底所在地层的双程走时为TWT(～50ms)，则该地层深度为D(～36.25m)。假设沉积速率为SR(～94.5cm/ky)，则珊瑚礁的存在时间约为T(～40ky)，其中：
D＝TWT*Vsw/2000，式中，Vsw为海水速度，Vsw＝1450m/s。T＝D/SR
S106：在VVA软件中，通过刻画珊瑚礁地质体，来计算研究区珊瑚礁的面积A(～160km2)。
S107：通过调研，确定珊瑚礁的固碳速率为G(珊瑚礁固碳酸钙速率为1000-9000gCaCO3/m2/y，本研究区取5000g CaCO3/m2/y，相当于固碳率600g C/m2/y)，则珊瑚礁固碳量为MCcoral(～3.84*1015g)，MCcoral＝G*A*T。
S108：选择若干条珊瑚礁和BSR均发育的地震剖面(如图3所示)，用于模拟当珊瑚礁底界为古海底时的古BSR及古LLGHSZ的位置，读取珊瑚礁顶底层位的深度信息作为古今海底深度。
S109：根据天然气水合物气体组分来选择水合物相平衡公式，如甲烷水合物相平衡公式如下：
Log10Pe＝aTe 2+bTe+c，式中Pe和Te为水合物稳定底界处下的压力和温度值，a、b、c为经验常数，分别为a＝0.000309℃-2,b＝0.040094℃-1，c＝0.478626。
S110：根据研究区海平面变化曲线，结合现今海底深度，计算当珊瑚礁底界为海底时的原海底深度Dold-sb，从而计算当时古BSR处的静水压力值：
Pold-bsr＝ρsw*g*(Dold-sb+Dbsr)，式中，Dbsr为古海底至古BSR处所对应的深度，ρsw为海水密度，ρsw＝1028kg/m3，g是重力加速度，g＝9.81m/s2。
S111：根据研究区海水温度变化曲线(如图4所示)，结合现今海底温度值Tsb，可恢复当珊瑚礁底界为海底时的原海底温度值Told-sb，从而计算当时古BSR处的温度值Told-bsr：
Told-bsr＝Told-sb+GG*Dbsr，式中，GG为当时该地区的地温梯度。
S112：在S109-S111的基础上，通过调整地温梯度参数，模拟当珊瑚礁底界为古海底时的古BSR和古LLGHSZ的位置。
S113：当LLGHSZ位置与珊瑚礁不一致时，调整模拟参数条件，重新进行模拟。
S114：当LLGHSZ位置与珊瑚礁一致时，说明水合物稳定区垂向运移之前，原水合物分布边界处的甲烷通量为该处的珊瑚礁发育提供了能量。
S115：将古今BSR之间的区域作为水合物分解区，计算该区的体积V(～1575*108m3)，并估算在水合物稳定底界垂向迁移过程中水合物分解释放的甲烷体积VCH4(1.033*1012m3)和甲烷质量MCH4(7.4*1014g)和碳量MC CH4(5.6*1014g):
Figure BDA0002177574860000091
式中，
Figure BDA0002177574860000092
为沉积物平均孔隙度(研究区取～40％)，SGH为估算的水合物饱和度(研究区取～10％)，E为天然气水合物的容积倍率，取164。MCGH＝VCH4*1000/22.4*16.04，这是由于1立方米甲烷为1000/22.4＝44.643摩尔，相当于44.643*16.04＝716克。
S116：通过对比S107计算的珊瑚礁固碳量和S115计算的水合物稳定底界垂向迁移过程中水合物分解释放的碳量，发现珊瑚礁固碳量大于水合物分解释放的碳量。由地震剖面可知，水合物稳定底界下部存在若干气烟囱，因此认为珊瑚礁除以水合物分解的甲烷作为能量外，气烟囱还可将深部的游离气垂向运移至古BSR下部，再沿古BSR侧向运移至古LLGHSZ处，为珊瑚礁提供能量。
S117：由以上研究可得出以下认识：LLGHSZ周边的深水珊瑚礁可大量固碳，岩石圈中的碳循环至生物圈中，并避免其进入大气中引起气候变化。
S118：针对珊瑚礁的巨大的固碳作用，可否考虑在现今LLGHSZ条带处，人工种植珊瑚礁，用于固碳。若可行，将会对全球碳循环造成重要影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，其特征在于，所述分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法基于地震解释、数值模拟、水合物分解量计算、珊瑚礁固碳量计算的方法，定量评估水合物稳定区边界处的碳循环过程；
最终获取天然气水合物系统在全球碳循环系统中的作用信息，以及水合物对环境、气候变化影响因素信息；
所述分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法具体包括以下步骤：
步骤1：选择天然气水合物分布边界附近发育冷水珊瑚礁条带的地区作为研究区；
步骤2：对BSR进行地震解释；沉积速率为SR 94.5 cm/ky，珊瑚礁的存在时间为T40 ky，其中：
D =TWT*Vsw /2000；
式中：Vsw为海水速度，Vsw=1450 m/s；T=D/SR；
步骤3：对珊瑚礁顶部层位，即海底进行地震解释，提取海底构造属性平面图来掌握珊瑚礁的平面分布特征；
步骤4：对珊瑚礁底部层位进行地震解释；
步骤5：珊瑚礁顶底所在地层的双程走时为TWT，该地层深度为D；
步骤6：在VVA软件中，通过刻画珊瑚礁地质体，计算研究区珊瑚礁的面积A；
步骤7：通过调研，确定珊瑚礁的固碳速率为G，则珊瑚礁固碳量为MCcoral，MCcoral=G*A*T；T代表珊瑚礁的存在时间，单位是ky；
步骤8：选择若干条珊瑚礁和BSR均发育的地震剖面，用于模拟当珊瑚礁底界为古海底时的古BSR及古LLGHSZ的位置，读取珊瑚礁顶底层位的深度信息作为古今海底深度；
步骤9：根据天然气水合物气体组分来选择水合物相平衡公式；
步骤10：根据研究区海平面变化曲线，结合现今海底深度，计算当珊瑚礁底界为海底时的原海底深度Dold-sb，从而计算当时古BSR处的静水压力值；
步骤11：根据研究区海水温度变化曲线，结合现今海底温度值Tsb，恢复当珊瑚礁底界为海底时的原海底温度值Told-sb，计算当时古BSR处的温度值Told-bsr：
Told-bsr = Told-sb + GG *Dbsr；
式中，GG为当时该地区的地温梯度；Dbsr为古海底至古BSR处所对应的深度；
步骤12：通过步骤9-步骤11，通过调整地温梯度参数，模拟当珊瑚礁底界为古海底时的古BSR和古LLGHSZ的位置；
步骤13：LLGHSZ位置与珊瑚礁不一致时，调整模拟参数条件，重新进行模拟；
步骤14：当LLGHSZ位置与珊瑚礁一致时，说明水合物稳定区垂向运移之前，原水合物分布边界处的甲烷通量为该处的珊瑚礁发育提供了能量；
步骤15：将古今BSR之间的区域作为水合物分解区，计算该区的体积V，并估算在水合物稳定底界垂向迁移过程中水合物分解释放的甲烷体积VCH4和甲烷质量MCH4和碳量MC CH4；
步骤16：通过对比步骤7计算的珊瑚礁固碳量和步骤15计算的水合物稳定底界垂向迁移过程中水合物分解释放的碳量；
步骤17：分析LLGHSZ周边的深水珊瑚礁的固碳作用；
步骤18：在LLGHSZ条带处，利用人工种植深水珊瑚礁进行固碳。
2.如权利要求1中所述的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，其特征在于，所述步骤7珊瑚礁的固碳速率为1000-9000 g CaCO3/m2/y。
3.如权利要求1中所述的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，其特征在于，所述步骤9水合物相平衡公式如下：
Log10 Pe = aTe 2 + bTe + c；
式中：Pe和Te为水合物稳定底界处下的压力和温度值，a、b、c为经验常数，分别为a =0.000309 °C-2, b = 0.040094 °C-1，c = 0.478626。
4.如权利要求1中所述的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，其特征在于，所述步骤10中 ：
Pold-bsr= ρsw *g *(Dold-sb+Dbsr)；
式中：Dbsr为古海底至古BSR处所对应的深度，ρsw为海水密度，ρsw = 1028 kg/m3，g是重力加速度，g=9.81 m/s2。
5.如权利要求1中所述的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法，其特征在于，所述步骤15中：
VCH4 = V*ø*SGH*E；
式中：ø为沉积物平均孔隙度，SGH为估算的水合物饱和度，E为天然气水合物的容积倍率，取164；MCCH4= VCH4 *1000/22.4*16.04，这是由于1立方米甲烷为1000/22.4=44.643摩尔，相当于44.643*16.04=716克。
6.一种实施权利要求1~5任意一项所述分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的控制系统。
7.一种实现权利要求1~5任意一项所述分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法的信息数据处理终端。
8.一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的分析天然气水合物稳定区边界处碳循环过程的方法。
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