探索墨西哥湾深水沉积的超高压和流体流动过程与机理

——记综合大洋钻探计划（IODP）第308航次

李前裕

（同济大学海洋地质国家重点实验室，上海200092）

蒋少涌

（南京大学成矿作用国家重点实验室和海洋地球化学研究中心，南京210093）

    墨西哥湾深水区发育有典型的浊流沉积，由密西西比河带来的大量碎屑物在河口外形成巨厚泥砂层，后随浊流搬运到陆坡和陆棚深水区。浊流活动的不稳定性及其对沉积物造成的分选性直接控制了墨西哥湾深水区沉积物中的流体流动和油气生成，使其成为世界上富含油气的地区之一。但所伴生的超高压常常造成“井喷”，使油气探采难度加大，成本增高。综合大洋钻探计划（IODP）第308航次旨在实时测量墨西哥湾深水沉积中的超高压状况, 并进而探索大陆斜坡的稳定性、海底渗透和大规模盆地流体流动过程与机理，于2005年6月1日至7月10日实施钻探，在墨西哥湾北部区相隔300 km的两个小盆地（Ursa盆地和Brazos-Trinity #4盆地）6个钻位共钻测13口井（表1）。

    308航次由美国宾夕法尼亚州立大学Peter Flemings教授和德国Freiburg大学Jan Behrmann教授担任首席科学家，共有30位科学家参加船上工作。作为中国科学家代表，南京大学蒋少涌教授和同济大学李前裕教授分别参与该航次的地球化学和地层学研究工作。

一、主要科学目标

1．     记录墨西哥湾作为被动陆缘其压力，应力和其它地质营力是怎样共同控制沉积物中的流体运移的。主要通过测量和分析Ursa盆地的钻孔，验证或者建立超高压区流体运移的基本模式。

2．     通过测量和分析Brazos-Trinity #4盆地的钻孔，建立非高压（正常）区域流体运移的参考系数。

3．     阐明陆坡稳定性的控制因素，完善滑坡与浊流形成的工作模型。

4．     了解沉积和滑塌的具体时间与海平面升降以及其它触发事件的关系。

5．     通过测井、井下压力实测和样品分析，建立600米内浅水地层的地质和物性参数—特别是泥层的渗透率和压实率与沉积速率的关系，借此探讨沉积物压实作用的整个过程。

6．     为墨西哥湾和其它碗状和谷状浊流沉积体系提供难得的第一手地质、地球化学和地球物理资料。

二、主要钻探成果

    历时42天的钻井工作主要在无高压的Brazos-Trinity #4盆地和超高压的Ursa盆地的两条剖面线上进行，并且大多钻井只供物理测量而没有取芯（表1）。Brazos-Trinity #4盆地属于一系列碗状（池型）盆地最深处的一个，无高压，在其中部至南部边缘1319、1320 和1321站共钻5孔。结果表明，该盆地发育于前次冰期（MIS 6），在120 ka 左右开始接受沉积，砂质浊积层发育，总沉积物厚度达175m。主要浊积层（约130 m）发育于MIS2-3期间，说明该区的浊流活动是由于海平面降低而增强。初步结果部分地支持了前人关于碗状盆地系列从上到下先“填”后“溢”（“fill”to“spill”）的堆积模式，尽管浅一级盆地的详细资料对比还得靠进一步钻探方能获得。

    Ursa盆地位于密西西比河口外，是墨西哥湾的高产油气基地之一，但由于高压常使石油公司蒙受不小损失。308航次在该盆地南部近W-E走向线三站位（1322、1323 和1324站）钻井8口（表1）。1324A孔钻深612 m只供测井，1324B孔钻至608 m供取芯和测井，在ODP-IODP历史上首创了先测井后取芯的工作顺序。之所以这样做，旨在避免因为高压层可能带来的麻烦。1324站终孔在608-612 m和下陆坡的1322站终孔在234-238 m, 都是在当地出名的“蓝色高压砂层”（Blue Unit）之上，据微体古生物分析结果主要是过去6万年来（MIS4-MIS2）的沉积。平均高达100 m/10 ka的沉积速率，应该是下伏砂层出现高压的主要原因。钻井工作的有惊无险发生在1323站，原计划在该站钻深358 m，但在2005年6月16日钻1323A孔时，分别在204 m和242 m处遇到1.5 m左右的砂层，井下压力突然增高150 psi 以上，只好中断钻井工作。可能由于厚度不大，这些砂层并没有显现在航次前获得的高分辨率地震剖面上。为了防止接触到更厚的高压砂层，钻井工人一共向1323A孔灌注了230多桶泥浆来降低压力，最后用30多桶水泥封死该孔。

    308航次应用了“JOIDES Resolution”船上所配备的物理测量测井设备，并且首次实施了新仪器—双置温度与压力探针（T2P），用于与其它测量结果对比。双置温度与压力探针是由宾州大学博士生Hui Long与IODP和Shell公司的合作结果， 多次测量不同井深实地温度与压力说明该新仪器具有高精度的准确性，灵敏性和可对比性，有极大的应用前景。T2P探针和其它测量结果表示，厚盖层的1324站（近源）的井下压力要比远源薄盖层的1322站的低，说明沉积物中流体流动很可能是如钻前模型预计的那样呈近水平状从近源到远源流动，并在盖层变薄处向上逸出，结果造成远源区陆坡不稳定，导致陆坡崩塌和浊流。当然，更完整更准确的模式要基于对墨西哥湾区不同时代水文地质和沉积作用机理的综合了解，这要靠大量的航次后分析工作来完成。

    参与308航次使我们亲眼看到世界最典型的近代浊流沉积层，研究短尺度浊流活动与气候变化和海平面变化的关系以及不同压力状况下大规模盆地流体运移及其与该区油气和天然气水合物的关系是我们感兴趣的航次后工作。希望通过分析Ursa盆地1322和1324站的样品和测井资料，可为该超高压区水液运移提供年代与气候的“钉子”，通过对比Ursa盆地和Brazos-Trinity #4盆地沉积物和孔隙水的地球化学特征可以示踪盆地流体起源、运移过程与机理及流体化学变化与气候、环境和油气生成关系。

    感谢综合大洋钻探中国办公室提供经费和上船机会，特别感谢首席科学家Peter Flemings教授带领我们在“Katrina”飓风到达该区之前的一个多月完成了海上钻井任务。Katrina于2005年8月28-30日横扫墨西哥湾，给美国特别是新奥尔良市造成巨大损害，在我们工作的Ursa区，海上钻井平台遭到了重创（见图），很有可能在308井位附近海底也触发了新的大规模浊积事件。

参考文献

Fleming, P.B., Behrmann, J., Davies, T., John, C., and the Expedition 308 Project Team, 2005. Gulf of Mexico hydrogeology—overpressure and fluid flow processes in the deepwater Gulf of Mexico: slope stability, seeps, and shallow-water flow. IODP Sci. Prosp., 308.http://iodp.tamu.edu/publications/SP/308SP/308SP.PDF.

Fleming, P.B., Behrmann, J., John, C., and the Expedition 308 Scientific Party, 2005. Gulf of Mexico hydrogeology—overpressure and fluid flow processes in the deepwater Gulf of Mexico. IODP Init. Repts., 308. (in press)