Nhận diện sự tồn tại của mặt mô phỏng đáy biển (BSR), những thách thức còn tồn tại trong công tác thăm dò Gas Hydrate

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu về BSR tại thềm lục địa Cameroon phát hiện thấy mặt phản xạ mô phỏng đáy biển trải rộng và liên tục trên diện tích khoảng 350km2. Sự xuất hiện của BSR liên quan đến gas hydrate quan sát được cùng các vết lõm đáy biển (pockmark) và các cột khí (pipe). BSR có sự bất ổn (nâng lên) quan sát được tại các khe rãnh đáy biển có thể liên quan đến sự dịch chuyển của cột khí từ dưới lên làm gia tăng nhiệt độ cục bộ dẫn đến đới GHSZ mất ổn định và đáy của GHSZ dịch chuyển lên trên thiết lập trạng thái cân bằng mới. Tàn dư của BSR không quan sát thấy tại khu vực này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nhận diện sự tồn tại của mặt mô phỏng đáy biển (BSR), những thách thức còn tồn tại trong công tác thăm dò Gas Hydrate

Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 58, Kỳ 3 (2017) 121-134 121 Nhận diện sự tồn tại của mặt mô phỏng đáy biển (BSR), những thách thức còn tồn tại trong công tác thăm dò Gas Hydrate Lê Ngọc Ánh 1,* 1 Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Nhận bài 26/3/2016 Chấp nhận 02/5/2017 Đăng online 28/6/2017 Mặt phản xạ mô phỏng đáy biển (BSR) xuất hiện tương đối song song với đáy biển, đảo pha so với phản xạ đáy biển và thường cắt qua các phản xạ trầm tích. Có hai loại BSR chính, BSR liên quan đến gas hydrate và BSR liên quan đến quá trình diagenesis. (i) BSR liên quan đến gas hydrate được xem như là một dấu hiệu trực tiếp để nhận biết sự tồn tại của gas hydrate, được hình thành do sự tồn tại của khí tự do bên dưới đáy của đới gas hydrate ổn định, bị khống chế bởi điều kiện nhiệt độ và áp suất; (ii) BSR được hình thành do quá trình diagenesis, liên quan đến quá trình chuyển đổi opal A/opal CT. Thêm vào đó BSR có thể xuất hiện dạng kép, khi cùng lúc có hai BSR tương đối song song, BSRp và BSRs. Trong hầu hết trường hợp, BSRp thường liên quan đến gas hydrate ở trạng thái cân bằng ổn định, còn BSRs có thể là tàn dư của BSR để lại khi điều kiện nhiệt - áp thay đổi. Ngoài ra BSRs cũng có thể là BSR tạo ra do sự tồn tại hydrate của hỗn hợp metan và các thành phần nặng hơn. Sự xuất hiện BSR kép như là một dấu hiệu chỉ ra sự linh động của hydrate để thích nghi với sự thay đổi điều kiện nhiệt động dẫn đến giải phóng khí metan. Việc nghiên cứu tiềm năng gas hydrate dựa vào BSR cần hết sức cẩn thận, tránh nhầm lẫn giữa các loại BSR và cơ chế hình thành chúng, dẫn đến đánh giá sai triển vọng gas hydrate. Nghiên cứu về BSR tại thềm lục địa Cameroon phát hiện thấy mặt phản xạ mô phỏng đáy biển trải rộng và liên tục trên diện tích khoảng 350km2. Sự xuất hiện của BSR liên quan đến gas hydrate quan sát được cùng các vết lõm đáy biển (pockmark) và các cột khí (pipe). BSR có sự bất ổn (nâng lên) quan sát được tại các khe rãnh đáy biển có thể liên quan đến sự dịch chuyển của cột khí từ dưới lên làm gia tăng nhiệt độ cục bộ dẫn đến đới GHSZ mất ổn định và đáy của GHSZ dịch chuyển lên trên thiết lập trạng thái cân bằng mới. Tàn dư của BSR không quan sát thấy tại khu vực này. Từ khóa: gas hydrate, BSR liên quan đến gas hydrate, BSR liên quan đến diagenesis, BSR kép © 2017 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu Sự xuất hiện của các phản xạ địa chấn cắt qua các tập trầm tích thường liên quan đến quá trình địa _____________________ *Tác giả liên hệ. E-mail: lengocanh@humg.edu.vn chất xảy ra sau lắng đọng trầm tích. Chúng được biết đến như mặt mô phỏng đáy biển đáy biển (Bottom Simulating Reflector - BSR), được hình thành bởi các quá trình bị chi phối bởi độ sâu đáy biển, hay nói cách khác là phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của trầm tích. Mặt mô phỏng đáy biển 122 Lê Ngọc Ánh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(3), 121-134 thông thường được biết đến liên quan đến sự tồn tại của gas hydrate. Tuy nhiên một nguyên nhân khác ít được đề cập đến là do quá trình diagenesis của trầm tích giàu silic (Berndt và nnk, 2004). Mặt BSR liên quan đến quá trình diageneis tạo ra do sự gia tăng trở kháng (acoustic impedance) của trầm tích giàu silic tại các giai đoạn khác nhau của quá trình diagensis, từ trạng thái opal A sang opal CT và cuối cùng là quartz (Kastner, Keene và Gieskes, 1977). Ứng với mỗi trạng thái của quá trình chuyển hóa, trầm tích sẽ gia tăng mật độ dẫn đến gia tăng trở kháng. Vì vậy mà BSR liên quan đến quá trình diagenesis có cùng pha (polarity) với mặt phản xạ đáy biển. Trong khi đó, BSR liên quan đến gas hydrate tạo ra do sự giảm trở kháng giữa gas hydrate và khí tự do tích tụ bên dưới đới gas hydate ổn định (Singh và nnk, 1993; Pecher và nnk, 1996). Do đó, BSR này ngược pha với mặt phản xạ đáy biển. BSR liên quan đến gas hydate hình thành tại ranh giới giữa trầm tích chứa gas hydate phía trên và trầm tích chứa một lượng nhỏ vài phần trăm khí tự do bên dưới (Miller và nnk, 1991; Singh và nnk, 1993; MacKayet và nnk, 1994; Andreassen và nnk, 1995; Paull và nnk, 1996; Tinivella và nnk, 1998). Bởi vậy, BSR được xác định là đáy của đới gas hydate ổn định. Tuy nhiên, gas hydrate chỉ ổn định ở điều kiện nhiệt-áp nhất định theo biểu đồ cân bằng pha, độ sâu của BSR vì vậy mà cũng sẽ bị khống chế bởi điều kiện nhiệt độ và áp suất. Nếu có sự thay đổi nhiệt độ và áp suất đáy biển, BSR có thể sẽ thay đổi vị trí, dịch lên hoặc xuống tạo mặt BSR mới, tương ứng với sự dịch chuyển theo phương thẳng đứng của của đáy đới gas hydate ổn định (Delisle và nnk, 1998). Một số quan sát cho thấy sự tồn tại cùng lúc của hai mặt BSR (BSR ‘kép’). Như vậy khi BSR dịch chuyển sang trạng thái cân bằng mới thì tàn dư của BSR có thể vẫn còn tồn tại tại một số vị trí. Hiện nay vẫn còn nhiều câu hỏi về bản chất của sự dịch chuyển BSR. Một trong số đó là tàn dư của BSR (BSR ban đầu) có thể tồn tại bao lâu, hay mất bao lâu để mặt BSR mới có thể đạt trạng thái ổn định (cân bằng). Một số tác giả cho rằng điều này sẽ phụ thuộc vào yếu tố thời gian liên quan đến hiện tượng khuếch tán khí tạo thành dòng của khí tách ra từ gas hydate khi điều kiện cân bằng bị phá vỡ (Foucher và nnk, 2002; Bangs và nnk, 2005). Tuy nhiên đây vẫn còn là câu hỏi chưa có giải đáp thỏa đáng. Để giúp cho việc định hướng trong công tác tìm kiếm thăm dò gas hydate chính xác và hiệu quả, mục tiêu của bài báo chủ yếu thảo luận về 2 vấn đề chính: sự xuất hiện của không chỉ một BSR mà là hai mặt phản xạ BSR tương đối song song với nhau (sự tồn tại BSR ‘kép’) và BSR liên quan đến quá trình diagenesis hay gas hydate. Từ đó đưa ra những giả thuyết để giải thích về cơ chế hình thành các loại BSR và cách nhận biết chúng trên tài liệu địa chấn. Cuối cùng tác giả sẽ áp dụng lý thuyết để nghiên cứu trên một khu vực cụ thể là ngoài khơi Cameroon thuộc tây Phi. 2. BSR liên quan đến quá trình diagenesis hay gas hydate 2.1. Cách nhận diện BSR liên quan đến gas hydate trên tài liệu địa chấn BSR là mặt phản xạ khá đặc biệt thường tương đối song song với đáy biển. Ở bài báo này quy ước mặt phản xạ đáy biển là mặt phản xạ có pha phản xạ dương. Mặc dù BSR có thể được biết đến với pha phản xạ dương (positive polarity) liên quan đến quá trình diagenesis (Hein và nnk, 1978), nhưng hầu hết BSR được đề cập đến có pha phản xạ âm (negative polarity) liên quan đến gas hydate (Miller và nnk, 1991). Mặt BSR hình thành tại ranh giới giữa gas hydrate phía trên và khí tự do bên dưới. Gas hydate đóng vai trò như tấm chắn để giữ khí tự do bên dưới (Miller và nnk, 1991). Mặt BSR được tạo ra do sự giảm trở kháng âm khi truyền sóng từ gas hydate có mật độ lớn hơn đến đới khí tự do có mật độ thấp. Do chỉ cần một lượng nhỏ khí xuất hiện trong trầm tích sẽ làm giảm đáng kể vận tốc truyền sóng, vì vậy mặt BSR liên quan đến gas hydate thường là mặt phản xạ mạnh, tương đối rõ ràng, dễ nhận diện (Pecher và nnk, 1996; Singh và nnk, 1993). BSR là dấu hiệu chủ yếu để xác định sự tồn tại gas hydate được nhận biết chủ yếu trên tài liệu địa chấn như đã được Berndt và nnk (2014) tổng hợp cụ thể và có thể được minh họa theo tài liệu của Le và nnk (2015) như sau (Hình 1): (1) Nghịch đảo biên độ so với phản xạ đáy biển (2) Gần như song song với đáy biển (3) Thường cắt qua phản xạ của trầm tích (những trầm tích song song với sườn dốc sẽ khó nhận diện BSR cắt qua trầm tích vì góc cắt giữa BSR và trầm tích nhỏ) Lê Ngọc Ánh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(3), 121-134 123 Hình 1: Mặt cắt địa chấn minh họa cho sự đảo pha của phản khi cắt qua BSR, từ biên pha phản xạ âm (bên dưới BSR) sang pha dương (trên BSR) (Le và nnk, 2015). Xem vị trí mặt cắt trên Hình 7. Hình 2: Mặt cắt địa chấn của bể trầm tích Voring thể hiện mặt phản xạ BSR1 liên quan đến quá trình diagenesis chuyển hóa opal A thành opal CT. Sự tồn tại của mặt BSR2 vẫn chưa được giải thích rõ ràng, có thể liên quan đến quá trình mất nước của khoáng vật smectite (Berndt và nnk, 2004). (4) Gia tăng độ sâu cùng với sự gia tăng mực nước biển (5) Tồn tại đới phản xạ trắng phía trên và đới phản xạ mạnh bên dưới BSR Ngoài ra, BSR còn được quan sát thấy liên quan đến một số hiện tượng như phụt khí tạo pockmarks do đới gas hydate đóng vai trò chắn tốt gây dị thường áp suất cao cho các thân cát chứa khí ngay bên dưới BSR (Le và nnk, 2015), xuất hiện kề cần với khu vực phát triển diapir (Serie và nnk, 2016). Một điểm đáng chú ý là hiện tượng phản xạ trầm tích có thể đảo pha khi cắt qua mặt BSR. Le và nnk (2015) có đưa ra một ví dụ về hiện tượng đảo pha của trầm tích khi cắt qua BSR (Hình 1). Hiện tượng này được minh giải do tồn tại tập khí nông với biên độ phản xạ mạnh. 124 Lê Ngọc Ánh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(3), 121-134 Khi tập khí này tồn tại trong đới gas hydate ổn định sẽ cho phản xạ dương nhưng khi tồn tại bên dưới đới gas hydrate ổn định sẽ cho biên độ phản xạ âm. Sự đảo pha của sóng phản xạ khi cắt qua BSR có thể được giải thích do sự thay thế nước bằng hydrocarbon có thể dẫn đến sự đảo pha của phản xạ từ dương sang âm. Nếu như khí dịch chuyển vào một vỉa chứa mỏng, vỉa chứa sẽ bão hòa khí và chuyển thành vỉa chứa gas hydate nếu nó nằm trong đới gas hydate ổn định. Mức độ tập trung gas hydate càng cao trong trầm tích sẽ tạo trở kháng càng lớn (ρV) so với trầm tích xung quanh, tạo phản xạ có biên độ dương tại nóc của vỉa chứa gas hydrate. Bên cạnh đó, sự xuất hiện của vỉa khí sẽ làm giảm mật độ và kéo theo giảm trở kháng, dẫn đến đảo ngược pha tạo phản xạ âm. Việc đảo pha này cũng được xem như một dấu hiệu trực tiếp nhận biết sự tồn tại của hydrocarbon (Direct Hydrocabon Indicator - DHI) tương tự như điểm sáng (bright spot) hoặc điểm mờ (dim spot) (Upadhyay, 2004). 2.2. Cách nhận diện BSR liên quan đến diagenesis trên tài liệu địa chấn BSR liên quan đến diagenesis gây ra do quá trình chuyển đổi opalA/opalCT/quartz đã được quan sát thấy khá phổ biến ở bể trầm tích Voring ngoài khơi Na Uy, trên diện tích khoảng 40 000 km2. Theo Berndt và nnk (2004), mặt BSR liên quan đến diagenesis có những đặc điểm như sau: (1) Cùng biên độ với phản xạ đáy biển (phản xạ dương) (2) Gần như song song với đáy biển (3) Thường cắt qua phản xạ của trầm tích BSR gần như song song với đáy biển và vì vậy mà thường cắt qua các phản xạ trầm tích (BSR1 trên Hình 2). BSR liên quan đến diagenesis xuất hiện với phản xạ dương do sự tăng trở kháng âm, điều này cũng hợp với logic khi mật độ của trầm tích tăng cùng với quá trình chuyển đổi từ opal A sang opal CT (Hein và nnk, 1978). Nhiệt độ bắt gặp BSR khoảng 16 - 37,5oC chính là nhiệt độ xảy ra quá trình chyển đổi opal A sang opal CT (Grutzner & Mienert, 1999; Kuramoto và nnk, 1992). 2.3. Phân biệt BSR tạo bởi gas hydate và BSR tạo bởi quá trình diagenesis Mặt phản xạ BSR từ lâu đã được xem như là dấu hiệu trực tiếp để xác định sự tồn tại của gas hydate. Tuy nhiên, BSR không chỉ được tạo ra do sự tồn tại của gas hydate mà còn có thể được tạo ra do quá trình diagenesis (Hình 2). Về cơ bản các mặt mô phỏng đáy biển này giống nhau trên băng địa chấn và rất dễ nhầm lẫn, khó phân biệt. Berndt và nnk (2014) đã nghiên cứu và rút ra những đặc điểm cơ bản để phân biệt sự tồn tại của BSR liên quan đến quá trình diagenesis và BSR liên quan đến gas hydate, giúp cho giảm thiểu rủi ro cho công tác khoan khi khoan qua gas hydates và túi khí cũng như hiểu rõ hơn về đặc điểm thạch học liên quan đến từng loại BSR. Những đặc điểm này đã được công nhận rộng rãi và xem như những tiêu chí để nhận biết loại BSR, có thể tóm tắt lại như trong Bảng 1. Tiêu chí đầu tiên dễ dàng nhận biết nhất là sự khác biệt về pha phản xạ, BSR liên quan đến gas hydate xuất hiện một cách rõ ràng với pha phản xạ âm do tồn tại của khí tự do bên dưới gas hydrate trong khi đó BSR liên quan đến diagenesis xuất hiện kém rõ ràng hơn với pha phản xạ dương do quá trình chuyển hóa opal A/opal CT. Độ sâu của BSR cũng được sử dụng để phân biệt 2 loại BSR. BSR liên quan đến gas hydrate thường gia tăng độ sâu bên dưới đáy biển cùng với sự gia tăng độ sâu nước biển (độ sâu bị khống chế bởi điều kiện ổn định của gas hydate). Bên cạnh đó, BSR liên quan đến diagenesis có độ sâu thường không đổi dưới đáy biển hay thậm chí giảm dần cùng với sự gia tăng độ sâu nước biển do quá trình chuyển đổi sớm của opal tại áp suất lớn hơn. Nhìn chung BSR liên quan đến quá trình diagenesis sẽ tồn tại ở độ sâu lớn hơn BSR liên quan đến gas hydate vì chúng xuất hiện ở nhiệt độ khoảng 35 50oC trong khi đó gas hydate không ổn định ở nhiệt độ lớn hơn 25oC. Nếu biết thành phần thạch học, thì đây cũng sẽ là tiêu chí dùng để phân biệt được BSR loại gì. BSR liên quan đến diagenesis chỉ xuất hiện tại các trầm tích giàu silic để có thể xảy ra quá trình chuyển đổi opal A/opal CT. Thêm vào đó, BSR liên quan đến gas hydrate không tồn tại trong trầm tích glacigenic debris flow hoặc rất mịn (Bunz và nnk, 2003). Biên độ phản xạ địa chấn của hai loại BSR cùng có sự thay đổi cường độ nhưng với những nguyên nhân khác nhau. BSR liên quan đến gas hydate có thể xuất hiện cùng với vùng phản xạ trắng phía trên BSR do sự đông cứng của khối gas Lê Ngọc Ánh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(3), 121-134 hydrate (Chand & Minshull, 2004) và gia tăng biên độ phản xạ bên dưới BSR gây bởi khí tự do bị nhốt bên dưới BSR. Điều này tạo sự tương phản mạnh của trở kháng và tạo BSR có biên độ mạnh. Ngược lại nếu không có hoặc có không đáng kể lượng khí bị nhốt dưới BSR, mặt BSR sẽ có biên độ yếu (Le và nnk, 2015). BSR liên quan đến quá trình diagenesis cũng có sự thay đổi cường độ phản xạ như vậy, liên quan chủ yếu đến sự phân bố của silic trong trầm tích (Berndt và nnk, 2004). 125 3. BSR ‘kép’ Phản xạ kép BSRs (tồn tại hai mặt phản xạ BSR tương đối song song với nhau) liên quan đến gas hydate đã được phát hiện ở nhiều khu vực trên thế giới tiêu biểu như ngoài khơi Oregon (Bangs và nnk, 2005), Nankai slope (Foucher và nnk, 2002), thềm lục địa Na Uy (Andreassen và nnk, 2000); phía Tây biển Ross (Geletti and Busetti, 2011). Những nghiên cứu này đã chỉ ra sự tồn tại của hai mặt phản xạ BSR nằm ở các độ sâu khác nhau (Hình 3 và Bảng 2). Bảng 1: Dấu hiệu nhận biết BSR liên quan đến gas hydate và BSR liên quan đến quá trình diagenesis (theo Berndt và nnk, 2004) BSR liên quan đến gas hydate BSR liên quan đến quá trình diagenesis Độ sâu Tăng dần cùng với gia tăng mực nước biển Thường không thay đổi hoặc thậm chí giảm dần cùng với sự gia tăng mực nước biển. Thường nằm sâu hơn Nhiệt độ < 25oC ~ 35oC - 50oC Phản xạ Đảo pha, ngược với phản xạ đáy biển Cùng pha với phản xạ đáy biển Thạch học Không xuất hiện cùng với trầm tích hạt Xuất hiện trong các trầm tích giàu silic để quá trình chuyển rất mịn đổi từ opal A sang opal CT diễn ra. Hình 3. (a) Tuyến địa chấn dài 1,5km cắt qua đỉnh sườn dốc chứa gas hydate. BSRp song song và đảo pha với đáy biển, cắt qua các phản xạ. BSRs nằm dưới BSRp khoảng 20m - 40m và gần như song song với BSRp, có cùng pha với BSRp nhưng biên độ phản xạ yếu hơn và không liên tục. (b) Mô hình địa chấn CMP tại vị trí 243 trên tuyến địa chấn (a) được xây dựng để biểu diễn mô hình vận tốc và mật độ minh họa cho BSRp và BSRs (Bangs và nnk, 2005).