阿拉斯加北坡含水合物沉积物的沉积环境与成岩历史（HYDRATE 02地质数据井）

《Energy & Fuels》：Depositional Environment and Diagenetic History of Gas Hydrate-Bearing Sediments of the Alaska North Slope (HYDRATE 02 Geo Data Well)

　　

研究人员对来自阿拉斯加北坡永久冻土层以下地层的沉积物岩心进行了岩性、固相地球化学和岩石磁学性质的表征，这些岩心是在美国能源部（DOE）、日本金属与能源安全组织（JOGMEC）和美国地质调查局（USGS）合作开展的阿拉斯加水合物研发项目中采集的。压力岩心取自Kuparuk State 7-11-12井位的HYDRATE 02地质数据井（GDW），穿透了两个含水合物砂层储层——B1砂层和D1砂层——及其较细粒的围限沉积物。B1和D1砂层均为富石英、含燧石、极细的岩屑砂（litharenite）。这些半成熟至不成熟砂的分选性差至中等，颗粒呈棱角状，局部发育细尺度交错层理。与D1砂层相比，B1砂层具有更大的粒径和较低的黏土含量。这些砂层是向上变粗的前积序列的上部。富含黏土和粉砂的围限泥岩表现出细尺度的波状和透镜状层理，指示间歇性高能沉积事件。总体而言，这些沉积物在古近纪沉积于滨面至近岸海洋环境，受与海平面变化相关的沉积能量变化调控。这些沉积物的有机质δ¹³C和C/N组成表明其物源为陆地植物与淡水浮游生物的混合物，B1砂层中可能存在少量石油。这些沉积物含有高且变化大的总硫（TS）含量，表明孔隙水条件随时间受变化的盐度影响。岩石磁学分析表明，在D1砂层之下的泥岩、B1砂层之上的基底C页岩以及B1砂层之下的泥岩中沉淀了胶黄铁矿（greigite），这可能是由于北极海洋盐度较低时期出现的硫酸盐限制间隔所致。根据黄铁矿丰度、TS和δ³⁴S-TS组成，D1砂层及其围限沉积物经历了更显著的硫化物沉淀。D1砂层之上的基底E页岩单元包含一层0.25 m厚的以黄铁矿为主的砂层，指示局部底水缺氧条件。X射线荧光扫描和离散测量为解释该地点发生的沉积和成岩过程提供了额外的支持，并通过岩心样品中钡的丰度追踪了钻井液污染的相对量。

# 阿拉斯加北坡含水合物沉积物的沉积环境与成岩历史——HYDRATE 02地质数据井综合研究

## 1. 研究背景与意义

天然气水合物广泛存在于永久冻土环境中，其中赋存于砂质沉积物中的水合物被视为潜在能源资源。沉积物的岩性对水合物形成过程和开采过程中的分解行为具有重要影响，而沉积过程相关的粒度、层理等性质直接影响孔隙度、渗透率和热传递，从而控制流体流动与水合物生成。此外，沉积后的成岩沉淀可充填孔隙或随深度保存孔隙度。因此，对储层及围限沉积物进行岩心采集与分析，有助于刻画储层岩性组成、解释地层地质演化，并为测井提供地面实况验证。2023–2024年，美国能源部、日本金属与能源安全组织和美国地质调查局在阿拉斯加北坡合作开展了延长时长水合物生产测试，在开采前于两个含水合物砂层（D1和B1砂层）及其围限沉积物中采集了压力岩心。本论文旨在通过综合表征岩心岩性、元素和同位素组成及岩石磁学性质，理解这些水合物相关层段的沉积环境和成岩过程，为储层评价和开采建模提供依据。

## 2. 主要技术方法概要

研究人员利用JOGMEC拥有的HPTC IV高压温度取心器在HYDRATE 02地质数据井采集压力岩心，并使用Geotek压力岩心分析与传输系统（PCATS）进行线性X射线成像、P波速度、γ射线衰减密度和三维X射线计算机断层扫描（CT）。随后对岩心进行目视描述、薄片和粗粒组分显微镜观察、激光衍射粒度分析（分别在Stratum Reservoir和AIST完成）、定量X射线衍射（XRD）矿物学分析、CHNS元素分析（总碳、总氮、总硫）、稳定同位素（δ¹³C-TOC、δ³⁴S-TS）分析、台式X射线荧光（XRF）扫描和离散测量，以及包括磁化率、非磁滞剩磁（ARM）、磁滞回线、高温磁化率和低温剩磁测量在内的岩石磁学分析。样本来自阿拉斯加北坡Kuparuk State 7-11-12井位的GDW井。

## 3. 主要研究结果

### 3.1 岩性地层学

B1砂层和D1砂层主要由极细砂至粉砂质极细砂组成，具有毫米级交错层理，符合丘状或洼状交错层理特征。B1砂层D50为76–103 μm，砂含量>66%，黏土含量4–9%；D1砂层D50为46–78 μm，砂含量35–63%，黏土含量4–16%。两者均为富石英、含燧石的岩屑砂，颗粒呈棱角状，分选差至中等。上覆的基底C页岩和基底E页岩由粉砂质黏土、黏土质粉砂和粉砂互层组成，发育波状和透镜状层理，含黄铁矿条带和结核。D1砂层下的基底E页岩中发育一层0.25 m厚的黄铁矿砂层。

### 3.2 元素与同位素组成

B1层段TOC范围为0.25–4.27 wt%，D1层段为0.21–5.5 wt%。有机质δ¹³C和TOC/TN比值指示陆源植物与淡水浮游生物混合来源。B1砂层上部（886–892 m MD）出现异常高的TOC/TN（44.5–129.7）和δ¹³C-TOC（?29.5‰ VPDB），与Barrow–Prudhoe型原油组成相似，指示可能存在运移石油。TS在B1层段平均0.56 wt%，D1层段平均1.67 wt%（不含黄铁矿砂），δ³⁴S-TS在B1层段平均1.5‰ VCDT，在D1层段平均?11.0‰ VCDT。XRF数据显示砂层中Si/Al和Zr/Rb升高，围限泥岩中Al、K、Mg和Fe含量较高。

### 3.3 岩石磁学

在基底C页岩、B1砂层之下的泥岩和D1砂层之下的泥岩中，磁化率（κ和χ）出现多个异常峰。高磁化率层段的Mr/χ>30 kA/m，DJH比值升高，指示磁性铁硫化物（胶黄铁矿）主导磁性矿物组合。高温磁化率测量显示在275–350 °C之间出现明显磁化率下降，符合胶黄铁矿的解阻温度。低温测量在砂层中观察到120 K附近的Verwey转变，指示磁铁矿存在；在高磁化率泥岩中Verwey转变不明显，支持胶黄铁矿的存在。ARM退磁实验中观察到轻微的陀螺剩磁（GRM），进一步确认胶黄铁矿的存在。磁化率异常与XRF扫描的Fe和S含量对应，且与Zr/Rb无相关性，表明这些铁硫化物为成岩成因而非碎屑输入。

### 3.4 沉积环境解释

B1和D1砂层的岩性特征（极细砂、交错层理、丘状层理）指示其沉积于受波浪影响的滨面环境（下滨面）。粒度分布和CM图趋势表明沉积物经历了从递变悬浮到均匀悬浮再到远洋悬浮的沉积过程。围限泥岩中的波状和透镜状层理指示间歇性高能事件（风暴、潮汐或波浪振荡）。整体上，这些沉积物构成前积准层序，即细粒海相沉积向上变粗为滨面沉积，随后海平面快速上升形成海侵面并返回细粒沉积。QFL图解将B1和D1砂层分类为岩屑砂，物源为再旋回造山带物质。

## 4. 早期成岩过程讨论

铁硫化物沉淀在两个层段中表现出显著差异。D1砂层及其围限沉积物的TS和黄铁矿丰度明显高于B1层段。较高的TS/TOC比值（超过正常海洋沉积物硫酸盐还原的1:3比值）指示大部分硫化氢来自甲烷厌氧氧化（AOM）而非有机质硫酸盐还原（OSR）。δ³⁴S-TS在D1层段更负，可能与古新世–始新世期间北极海水盐度变化导致的硫酸盐供给差异有关。胶黄铁矿的沉淀指示硫酸盐限制条件，可能与淡水输入增强、盐度降低以及非稳态成岩作用有关。基底E页岩中的黄铁矿砂层（>60%黄铁矿，TS达41 wt%）代表一次局部底水缺氧事件，其低电阻率异常（<1 Ω m）可在测井中识别。

## 5. 研究结论

该研究对D1和B1砂层及其围限沉积物提供了综合的地质、地球化学和岩石磁学表征。研究确认了B1和D1砂层为富石英、含燧石的不成熟至极细岩屑砂，其较粗粒级提供了容纳高饱和度水合物所需的孔隙度；而基底C和E页岩的细粒互层岩性提供了生产过程中隔离储层所需的低渗透性。B1砂层较大的中值粒径、较高的砂含量和较低的黏土含量解释了其更高的水合物饱和度（>80%孔隙空间）。沉积环境从滨面到陆架的相变受海平面变化控制，形成了储层与盖层之间的渗透率差异。有机质来源以陆源为主，B1砂层上部可能存在运移石油。早期成岩过程中的铁硫化物沉淀受硫酸盐供给控制，其发生与古近纪北极温暖气候下的淡水输入和盐度降低密切相关。压力取心技术获得了高质量岩心，这些认识可推广至其他近岸准层序沉积中的水合物系统，其中海平面控制沉积能量，并最终决定含水合物储层与有效盖层所需的孔隙度–渗透率对比关系。