NGHIÊN CỨU KHOA HỌC-ĐỀ TÀI: "xác định chiều dày tầng hình thành và ổn định Gas hydrate(GHSZ) trên biển đông"

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: “Xác định chiều dày tầng hình thành ổn định Gas hydrate (GHSZ) biển Đơng” NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Thăm dị, Khai thác Xác định chiều dày tầng hình thành ổn định Gas hydrate (GHSZ) biển Đơng Báo cáo trình bày kết tính tốn chiều dày tầng hình thành lưu giữ ổn định gas hydrate (GHSZ) khu vực biển Đơng theo mơ hình Milkov Sassen Kết tính tốn xác định chiều dày tầng GHSZ khu vực biển Đông dựa mối quan hệ độ sâu nước biển, gradient địa nhiệt ba loại gas hydrate loại I (thành phần 100% CH4), loại II (95,9% CH4) loại H (90,4% CH4) Đối với gas hydrate loại I, độ sâu nước biển tối thiểu để hình thành gas hydrate biển Đơng 600m chiều dày trung bình tầng GHSZ 225m Đối với gas hydrate loại II, chiều dày trung bình tầng GHSZ 270m độ sâu nước biển tối thiểu để hình thành gas hydrate 400m Đối với gas hydrate loại H, chiều dày trung bình tầng GHSZ 365m độ sâu nước biển tối thiểu để hình thành gas hydrate 300m Trong khu vực biển Đông chiều dày lớn tầng GHSZ nằm khoảng độ sâu nước biển từ 1.500-2.500 m chiều dày lớn lên đến 365m Với giả thiết gas hydrate phân bố 30% diện tích từ 300-3000 m nước nồng độ bão hịa khí gas 1,2%, lượng khí CH4 điều kiện tiêu chuẩn tồn biển Đơng tính cho ba loại gas hydrate 1,7x 1014 m3 cho loại H, 1,41 x 1014 m3 cho loại II 1,38 x 1014 m3 cho loại I Tại khu vực biển miền Trung Hoàng Sa lượng CH4 4,4 x 1013 m3 cho loại H; 3,6 x 1013 m3 cho loại II 3,5 x 1013 m3 cho loại I Khu vực biển Đông Nam Trường Sa lượng CH4 7,5 x1013 m3 cho loại H; 6,1 x 1013 m3 II 5,9 x 1013 m3 cho loại l Gas hydrate hình thành từ nước khí gas (chủ yếu khí CH4) dạng cấu trúc kết tinh băng nhiệt độ thấp áp suất cao Tùy thuộc vào thành phần khí gas, nhiệt độ nước biển, gradient nhiệt độ, độ muối nước lỗ rỗng mà gas hydrate bắt đầu hình thành vùng nước biển có độ sâu từ 200-600 mét [11-14, 18, 20, 26, 32, 34] Biển Đơng biển rìa lớn bờ Tây Thái Bình Dương, đánh giá vùng có triển vọng gas hydrate giới [6] Sau mười năm nghiên cứu, năm 2007, Trung Quốc lần thu mẫu gas hydrate khu vực Shenhu, phía Nam bồn trũng Châu Giang, độ sâu nước biển 1.500 mét lớp trầm tích cách đáy biển 200m [34], khẳng định biển Đơng có gas hydrate Sườn lục địa Việt Nam vùng có đủ điều kiện cần thiết hình thành gas hydrate [25] Một số cơng trình gần tác giả Trung Quốc tiến hành tính chiều dày tầng hình thành ổn định gas hydrate (GHSZ - Gas Hydrate Stability Zone) ước tính trữ lượng CH4 cho khu vực biển Đông (Wang n.n.k 2006, Chi n.n.k, 2006, Cheng n.n.k 2004, Fang n.n.k 2002, Yao, 2001) Wang n.n.k (2006) phương pháp Milkov Sassen (2001) tính chiều dày GHSZ cho tồn khu vực biển Đông với giả định gradient địa nhiệt 37,50C/km cho toàn vùng Kết đo gradient địa nhiệt sườn lục địa biển Đơng chương trình khoan đại dương (ODP-Leg 184) cho thấy giả thiết hồn tồn khơng phù hợp Gradient địa nhiệt hàm phụ thuộc vào độ sâu đáy biển [28] Tại sườn Bắc biển Đông gradient địa nhiệt đo lỗ khoan 1145 900C/km, LK1146 590C/km, LK1148 830C/km sườn Nam, gradient địa nhiệt lỗ khoan 1143 840C/km Nhiệt độ lớp trầm tích yếu tố quan trọng việc hình thành gas hydrate, báo trình bày kết tính chiều dày tầng (GHSZ) phương pháp Milokov [13] sở xác định hàm phân bố gradient địa nhiệt biển Đông theo độ sâu nước biển Kết tính tốn cho ta thơng tin hữu ích khả phân bố gas hydrate theo diện theo chiều sâu Trên sở kết tính GHSZ này, trữ lượng gas hydrate biển Đông bước đầu dự báo Điều kiện địa chất chung Biển Đơng biển rìa hình thành trình tách giãn đáy đại dương vào thời kỳ từ 32-16 triệu năm [1, 24] Phần rìa phía Bắc, Nam thuộc loại rìa lục địa thụ động có sườn lục địa tương đối rộng 500-600 km Phần phía Tây rìa lục địa hẹp kéo dài Phía Đơng biển Đơng đới hút chìm hoạt động Manila Phần phía Nam đới hút chìm cổ Mezozoi Song song với việc hình thành bồn trũng Trung tâm, loạt bồn trũng Kainoizoi với chiều dày trầm tích lớn thềm lục địa, sườn lục địa hình thành Q trình lún chín nhiệt khu vực với tốc độ nhanh sau tách giãn biển Đông tạo điều kiện thuận lợi cho q trình lắng đọng trầm tích tích tụ vật chất hữu trầm tích trẻ Các hoạt động đứt gãy đại phát triển mạnh nhiều khu vực vùng hệ thống đứt gãy ĐB-TN dọc khu vực sườn lục địa phía Bắc Nam [6], hệ thống N-S thềm lục địa phía Tây (P.N Vu, 2007) Các cấu trúc diapir magma, bùn xuất nhiều nơi khu vực Với yếu tố kiến tạo địa mạo hình thành khu vực biển Đơng nhiều dạng cấu trúc thuận lợi cho việc hình thành lưu giữ gas hydrate nêm tăng trưởng khu vực Nam bồn trũng Đài Loan, trũng Palawan, đới nâng, nón trầm tích đáy biển, turbidi, diapir, vol- cano bùn… khu vực rìa Bắc, Nam Tây biển Đông Trên hầu hết thềm lục địa bao bọc xung quanh sườn lục địa biển Đơng hình thành bồn trũng với chiều dày trầm tích hàm lượng vật chất hữu lớn bồn trũng Châu Giang, Đài Loan, Nam Hải Nam, Sông Hồng phía Bắc, Phú Khánh, Cửu Long, Nam Cơn Sơn phía Tây, bồn trũng Zengmin nhóm bể Trường Sa phía Nam Phần lớn bồn trũng thềm lục địa bồn dầu khí có trữ lượng lớn Các trầm tích trẻ có chiều dày lớn hình thành có tướng delta biển phát triển phổ biển rìa lục địa, mức độ tích tụ vật chất hữu cao [13] Các điều kiện khu vực phần cho thấy gas hydrate phía sườn lục địa phía Bắc thuận lợi cho việc hình thành gas hydrate cấu trúc loại I, cịn sườn lục địa phía Nam thuận lợi cho loại hình gas hydrate cấu trúc loại II H Tính chiều dày tầng (GHSZ) khu vực biển Đơng Tầng GHSZ tầng có đủ điều kiện nhiệt độ áp suất mặt đất đảm bảo khí gas tự nhiên kết tinh thành gas hydrate trì ổn định Chiều dày tầng GHSZ định yếu tố: Độ sâu nước biển, nhiệt độ nước đáy, áp suất gradient địa nhiệt trầm tích, độ muối nước lỗ rỗng thành phần khí gas Ngồi ra, ổn định gas hydrate phụ thuộc vào kiến trúc thành phần khống vật trầm tích Milkov Sassen (2001) đề xuất phương pháp tính định lượng mơ tả hiệu ứng tính tốn chiều dày tầng GHSZ cho vùng vịnh Mexico [13] Phương pháp tính chúng tơi áp dụng tính cho khu vực biển Đông Xác định nhiệt độ trầm tích - Nhiệt độ đáy biển: Trên sở số liệu nhiệt độ độ sâu đo khác nhau, Wang (2006) xây dựng phương trình xác định nhiệt độ đáy biển theo công thức hàm mũ sau [27]: y=373,41*B-0,6269 (1) Trong đó: y nhiệt độ đáy biển(0C); B độ sâu đãy biển (m) Theo công thức cho phép ta tính nhiệt độ đáy biển từ số liệu độ sâu đáy biển Kết tính tốn cho thấy với độ sâu đáy biển từ 300-500 mét nhiệt độ đáy biển khu vực biển Đông thay đổi từ 10,5-7,50C độ sâu từ 1000- 3000 mét nhiệt độ thay đổi khoảng từ 5-2,50C Kết đo gradient địa nhiệt biển Đơng cho thấy có tính khơng đồng tồn biển Đơng có xu hướng tăng dần theo chiều sâu đáy biển (Hình 2) Phần thềm lục địa gradient địa nhiệt có giá trị thấp (300C-400C/1km) [19], khu vực sườn lục địa gradient địa nhiệt lại có giá trị cao, từ 60-940C/km [28] Từ số liệu Hình 2, cho phép xây dựng công thức xác định gradient địa nhiệt theo độ sâu đáy biển sau: G= 0,01593* B+28,39 (2) Trong đó: G gradien địa nhiệt (0C/m); B độ sâu đáy biển (m) Từ phương trình (2) cho thấy độ sâu nước biển 600 m, gradient địa nhiệt 380C/km, độ sâu 1000 m, gradient địa nhiệt 44,40C/km, độ sâu 1500 m, gradient địa nhiệt 52,40C/km Với kết khác xa với việc chọn gradient địa nhiệt 37,50C/km cho toàn biển Đông Wang n.n.k (2006) Như vậy, phương trình xác định nhiệt độ trầm tích xây dựng cách cộng phương trình nhiệt độ đáy biển (1) với phương trình gradient địa nhiệt (2) Khi ta phương trình sau: Ts = (0,01593*B+28,39)*C/1000+373,41*B-0,6269(3) Trong đó: Ts nhiệt độ trầm tích độ sâu C mực đáy biển; B độ sâu đáy biển; Từ công thức (3) cho phép ta xác định phân bố nhiệt trầm tích độ sâu khác mực địa hình đáy biển Hình Gradient địa nhiệt phụ thuộc vào độ sâu đáy biển Xây dựng phương trình xác định tầng GHSZ Điều kiện cân để khí gas tự nhiên kết tình hình thành gas hydrate Sloan’s (1998) nghiên cứu phát triển chương trình phần mềm CSMHYD để tính tốn [22] Số liệu đầu vào gồm nhiệt độ, áp suất, thành phần khí gas, độ muối nước lỗ rỗng Trên sở số liệu thành phần khí gas tự nhiên thu thực tế, Sloan (1998) phân ba loại gas hydrate với thành phần CH4 100% (loại I), 95,9% (loại II) 90,4% (loại H) hợp phần khí khác (Bảng 1) Milkov Sassen [13] sử dụng chương trình CSMHYD xác định phương trình cân cho ba loại gas hydrate với độ muối nước lỗ rỗng giả thiết 3,5% sau: T100%CH = 8,9*Ln(D)-50,1 (4) T95,9%CH = 7,1*Ln(D)-33,9 (5) T90,4%CH= 6,7*Ln(D)-27,6 (6) Trong đó: T nhiệt độ để gas hydrate tồn ổn định (0C) độ sâu D (m) Độ sâu chuyển đổi từ áp suất với giả thiết thay đổi gradient thủy tĩnh tuyến tính (10Mpa/km) nướcvà trầm tích Bảng Thành phần phân tử khí gas (%) sử dụng để tính tốn [13] Hình đặc tuyến biểu diễn điều kiện áp suất (độ sâu nước biển) nhiệt độ để hình thành ba loại gas hydrate theo phương trình (4), (5) (6) [13] Hình cho thấy với hàm lượng CH4 có khí tự nhiên khác khơng nhiều, điều kiện nhiệt độ áp suất hình thành gas hydrate lại khác biệt Hình Đường đặc tuyến biểu diễn điều kiện áp suất nhiệt độ để hình thành gas hydrate phụ thuộc vào hàm lượng CH4 (100% CH4, 95,9% CH4 90,4% CH4) [13] Như vậy, thấy rằng, ranh giới tầng GHSZ ba loại khí gas điểm giao hai phương trình (3) (4); (3) (5); (3) (6) Công thức xác định ranh giới tầng GHSZ trở thành toán xác định điểm khơng cặp phương trình (3) (4); (3) (5); (3) (6) sau: F(B)100 = -[(0,0159*B+28,39)*C/1000 + 373,41*B-0,6269 ]+ 8,9*Ln(C+B)-50,1 (7) F(B)95,9= -[(0,0159*B+28,39)*C/1000 + 373,41*B-0,6269 ] +7,1*Ln(C+B)-33,9 (8) F(B)90,4= -[(0,0159*B+28,39)*C/1000 + 373,41*B-0,6269] +6,7*Ln(C+B) -27,6 (9) Trong đó: B: Độ sâu đáy biển (m); C: Chiều dày tầng GHSZ (m) Sử dụng phương pháp Newton để giải phương trình (7), (8), (9) ta nhận giá trị chiều dày tầng GHSZ (C) ứng với độ sâu B khác Kết giải phương trình (7), (8), (9) cho khu vực biển Đơng nhận đường đặc tuyến chiều dày tầng hình thành ổn định gas hydrate (GHSZ) theo độ sâu đáy biển cho ba loại gas hydrate Hình Hình cho thấy chiều dày tầng GHSZ phụ thuộc vào độ sâu nước biển thành phần khí gas hình thành nên gas hydrate Khi độ sâu không thay đổi, giảm Khi độ sâu nước biển tăng chiều dày tầng GHSZ tăng dần hàm lượng CH4 đến mức chiều dày tầng GHSZ bắt đầu giảm dần Dạng đường đặc tuyến hồn tồn ngược với kết tính Wang giả thiết phần Wang nước sâu n.n.k (2006) phần nước phần nước nơng sâu (vì có gradient địa nhiệt khơng đổi 37,50C) Hình Biểu đồ chiều dày tầng GHSZ tính theo độ sâu đáy biển khu vực biển Đông cho gas hydrate loại I, II H Thiết đồ Hình sử dụng để tính tốn chiều dày tầng GHSZ cho điểm khu vực biển Đông Hình sơ đồ phân bố chiều dày tầng GHSZ biển Đơng tính tốn cho ba loại gas hydrate theo số liệu độ sâu đáy biển từ 300-3000 m Kết tính tốn chiều dày tầng GHSZ cho khu vực biển Đơng cho thấy: • Đối với gas hydrate loại I, tầng GHSZ hình thành độ sâu nước biển ≥ 600m có chiều dày thay đổi từ 0-260m, trung bình 225m Chiều dày lớn tới 260m vùng độ sâu 2400m nước, xa chiều dày mỏng dần • Đối với gas hydrate loại II, tầng GHSZ bắt đầu hình thành độ sâu nước biển ≥ 400m có chiều dày thay đổi từ 0-300 m, trung bình 270m Chiều dày lớn đạt tới 300m vùng độ sâu 1800m nước, xa chiều dày mỏng dần • Đối với gas hydrate loại H, tầng GHSZ bắt đầu hình thành độ sâu nước biển ≥ 300m có chiều dày thay đổi từ 0-365 m, trung bình 330m Chiều dày lớn đạt tới 365m vùng độ sâu 1500m nước, xa chiều dày mỏng dần Hình Sơ dồ chiều dày tầng GHSZ tính cho gas hydrate Loại H (a); Loại II Loại I Từ kết tính cho thấy vùng nước biển có chiều sâu từ 1500-2500 m vùng có chiều dày tầng GHSZ lớn Trên sở tính tốn xác định diện tích phân bố tầng GHSZ tồn biển Đơng 1,7 x 106km2 Trong đó, sườn lục địa từ độ sâu 300-3000 m nước, tầng GHSZ có diện tích 1,1 x 106km2 Khu vực biển miền Trung Hoàng Sa tầng GHSZ có diện tích 0,27 x 106 km2 khu vực biển Đông Nam Trường Sa tầng GHSZ có diện tích 0,45 x 106km2 Bảng Kết tính trữ lượng khí CH4 điều kiện tiêu chuẩn biển Đơng Ước tính trữ lượng gas hidrat Khối lượng khí metan (CH4) giải phóng từ gas hydrate điều kiện tiêu chuẩn dược tính tốn theo cong thức sau [13]: QCH4 = S * Az * E*E (10) Trong dó: S: Diện tích phân bố gas hydrate (m2); Az: Chiều dày trung bình tầng GHSZ; e: Độ bão hòa gas hydrate trầm tích (%); E: Giá trị khí CH4 thu dược từ 1m3 gas hydrate điều kiện tiêu chuẩn Theo số liệu thống kê giới nồng độ bão hịa gas hydrate trầm tích thay dổi khoảng e = 0,9 - 1,5% [5, 17] Hiện khu vực biển Đơng chưa có số liệu thống kê hệ số e, nên tính tốn chúng tơi chọn giá trị trung bình số trên, e = 1,2% Theo Yu va n.n.k [32], ước đoán cách lạc quan gas hydrate tồn ½ diện tích vùng sườn lục địa Một số kết thống kê khác số vùng sườn lục địa ước đoán tồn tai khoảng 30-40% diện tích sườn lục địa [5] Để tính tốn báo chọn lượng gas hydrate tồn khoảng 30% diện tích vùng sườn lụa địa Lượng khí gas CH4 thu dược từ 1m3 gas hydrate điều kiện nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn 164 m3 (đối với cấu trúc loại I) 140m3 (đối với loại cấu trúc II H ) [22] Từ số liệu trên, áp dụng công thức (10) tính dược tổng trữ lượng khí gas CH4 biển Đông điều kiện tiêu chuẩn Bảng KẾT LUẬN Tổng hợp điều kiện nhiệt độ đáy biển, gradient nhiệt độ, độ sâu dáy biển, thấy rằng: Khu vực biển Đơng vùng có đủ điều kiện nhiệt độ áp suất cần thiết cho việc hình thành lưu giữ gas hydrate độ sâu nước biển lớn 300m gas hydrate loại H, 400m nước gas hydrate II 600m nước gas hydrate loại I Tổng diện tích vùng biển có khả hình thành trì ổn định gas hydrate (GHSZ) biển Đơng 1,6 x 106 km2 Trong dó, khu vực biển miền Trung Hồng Sa có diện tích 0,26 x 106km2 khu vực biển Đông Nam Trường Sa có diện tích 0,45 x 106 km2 Đối với gas hydrate loại I, chiều dày trung bình tầng GHSZ tinh tốn 225, độ sâu nước biển tối thiểu phải ≥ 600m nước Đối với gas hydrate loại II, chiều dày trung bình tầng GHSZ 270 mét độ sâu nước biển tối thiểu phải ≥ 400m Đối với gas hydrate loại H, chiều dày trung bình tầng GHSZ 365m độ sâu nước biển tối thiểu phải ≥ 300m nước.Vùng hình thành tồn ổn định gas hydrate (GHSZ) khu vực biển Đơng có chiều dày lớn nằm khoảng độ sâu nước biển từ 1.500-2.500 m chiều dày lớ lên dến 365 m Đây dược xem vùng có triển vọng trữ lượng lớn Với giả thiết gas hydrate phân bố 30% diện tích từ 300- 3000 m nước sườn lục địa biển Đông gas hydrate bão hịa 1,2% thể tích trầm tích lượng khí CH4 điều kiện tiêu chuẩn ước tính cho ba loại gas hydrate 1,7 x 1014 m3 cho loại H; 1,41 x 1014 m3 cho loại II 1,38 x 1014 m3 cho loại I Trong khu vực biển miền Trung Hoàng Sa Ià 4,4 x 1013 m3 cho loại H; 3,6 x 1013 m3 cho loại II 3,5 x 1013 m3 cho loại I Khu vực biển Đông Nam Trường Sa 7,5 x 1013m3 cho loại H; 6,1 x 1013 m3 cho loại II 5,9 x 1013 m3 cho loại I.• Ts Nguyễn Như Trung Viện Địa chất Địa vật lý biển Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam (Theo TCDK số 3-2009)