Xem mẫu
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).
nguon tai.lieu . vn
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).