Xác định chiều dày tầng hình thành và lưu giữ ổn định gas hydrate trong khu vực biển Đông

Kết quả tính toán đã xác định được chiều dày tầng GHSZ trong khu vực biển Đông dựa trên mối quan hệ giữa độ sâu nước biển, gradient địa nhiệt và ba loại gas hydrate loại I (thành phần 100% CH4), loại II (95,9% CH₄) và loại H (90,4% CH₄)... Đối với gas hydrate loại I, độ sâu nước biển tối thiểu để hình thành gas hydrate trên biển Đông là 600m và chiều dày trung bình của tầng GHSZ là 225m. Đối với gas hydrate loại II.

Chiều dày trung bình của tầng GHSZ là 270m và độ sâu nước biển tối thiểu để hình thành gas hydrate là 400m. Đối với gas hydrate loại H, chiều dày trung bình của tầng GHSZ là 365m và độ sâu nước biển tối thiểu để hình thành gas hydrate là 300m. Trong khu vực biển Đông chiều dày lớn nhất của tầng GHSZ nằm trong khoảng độ sâu nước biển từ 1.500-2.500 m và chiều dày lớn nhất có thể lên đến 365m. Với giả thiết gas hydrate phân bố ở 30% diện tích từ 300-3000 m nước và nồng độ bão hòa khí gas 1,2%, thì lượng khí CH₄ ở điều kiện tiêu chuẩn của toàn biển Đông tính được cho ba loại gas hydrate là 1,7x 1014 m³ cho loại H, 1,41 x 1014 m³ cho loại II và 1,38 x 1014 m³ cho loại I. Tại khu vực biển miền Trung và Hoàng Sa lượng CH₄ là 4,4 x 1013 m³ cho loại H; 3,6 x 1013 m³ cho loại II và 3,5 x 1013 m³ cho loại I. Khu vực biển Đông Nam và Trường Sa lượng CH₄ là 7,5 x1013 m³ cho loại H; 6,1 x 1013 m³ II và 5,9 x 1013 m³ cho loại l.

Gas hydrate được hình thành từ nước và khí gas (chủ yếu là khí CH₄) dưới dạng cấu trúc kết tinh như băng ở nhiệt độ thấp và áp suất cao. Tùy thuộc vào thành phần khí gas, nhiệt độ nước biển, gradient nhiệt độ, độ muối của nước lỗ rỗng mà gas hydrate có thể bắt đầu được hình thành ở những vùng nước biển có độ sâu từ 200-600 mét [11-14, 18, 20, 26, 32, 34]. Biển Đông là một biển rìa lớn nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương, được đánh giá là một trong những vùng có triển vọng gas hydrate của thế giới [6].

Sau hơn mười năm nghiên cứu, năm 2007, Trung Quốc lần đầu tiên đã thu được mẫu gas hydrate ở khu vực Shenhu, phía Nam bồn trũng Châu Giang, ở độ sâu nước biển 1.500 mét và dưới lớp trầm tích cách đáy biển 200m [34], đã khẳng định biển Đông có gas hydrate. Sườn lục địa Việt Nam cũng là vùng có đủ các điều kiện cần thiết hình thành gas hydrate [25]. Một số công trình gần đây của các tác giả Trung Quốc đã tiến hành tính chiều dày tầng hình thành và ổn định gas hydrate (GHSZ - Gas Hydrate Stability Zone) và 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) bằng phương pháp của Milkov và Sassen (2001) đã tính chiều dày GHSZ cho toàn bộ khu vực biển Đông với giả định gradient địa nhiệt bằng 37,50C/km cho toàn vùng. Kết quả đo gradient địa nhiệt ở sườn lục địa biển Đông trong chương trình khoan đại dương (ODP-Leg 184) đã cho thấy giả thiết này hoàn toàn không phù hợp. Gradient địa nhiệt là hàm phụ thuộc vào độ sâu đáy biển [28]. Tại sườn Bắc biển Đông gradient địa nhiệt đo được ở lỗ khoan 1145 là 900C/km, LK1146 là 590C/km, LK1148 là 830C/km và ở sườn Nam, gradient địa nhiệt tại lỗ khoan 1143 là 840C/km.

Nhiệt độ trong các lớp trầm tích là yếu tố quan trọng trong việc hình thành gas hydrate, bài báo này trình bày kết quả tính mới chiều dày tầng (GHSZ) bằng phương pháp Milokov [13] trên cơ sở xác định được hàm phân bố gradient địa nhiệt của biển Đông theo độ sâu nước biển. Kết quả tính toán cho ta những thông tin hữu ích hơn về khả năng phân bố của gas hydrate theo diện và theo chiều sâu. Trên cơ sở kết quả tính GHSZ này, trữ lượng gas hydrate trên biển Đông bước đầu được dự báo.

Điều kiện địa chất chung

Biển Đông là một biển rìa được hình thành do quá 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 Đông biển Đông là đới hút chìm đang hoạt động Manila. Phần phía Nam là đới hút chìm cổ Mezozoi. Song song với việc hình thành bồn trũng Trung tâm, một loạt các bồn trũng Kainoizoi với chiều dày trầm tích lớn ở các thềm lục địa, sườn lục địa được hình thành. Quá trình lún chín nhiệt khu vực với tốc độ nhanh sau tách giãn biển Đông đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lắng đọng trầm tích và tích tụ vật chất hữu cơ trong các trầm tích trẻ. Các hoạt động đứt gãy hiện đại phát triển mạnh ở nhiều khu vực trong vùng như hệ thống đứt gãy ĐB-TN dọc khu vực sườn lục địa phía Bắc và Nam [6], hệ thống N-S thềm lục địa phía Tây (P.N. Vu, 2007). Các cấu trúc diapir magma, bùn xuất hiện ở nhiều nơi trong khu vực.

Với các yếu tố kiến tạo địa mạo trên đã hình thành trong khu vực biển Đông nhiều dạng cấu trúc thuận lợi cho việc hình thành và lưu giữ gas hydrate như các nêm tăng trưởng ở khu vực Nam bồn trũng Đài Loan, trũng Palawan, các đới nâng, các nón trầm tích đáy biển, turbidi, các diapir, vol- cano bùn… ở khu vực rìa Bắc, Nam và Tây biển Đông. Trên hầu hết các thềm lục địa bao bọc xung quanh sườn lục địa biển Đông đều hình thành các bồn trũng với chiều dày trầm tích và hàm lượng vật chất hữu cơ lớn như bồn trũng Châu Giang, Đài Loan, Nam Hải Nam, Sông Hồng ở phía Bắc, Phú Khánh, Cửu Long, Nam Côn Sơn ở phía Tây, bồn trũng Zengmin và nhóm bể Trường Sa ở phía Nam. Phần lớn các bồn trũng trên thềm lục địa là những bồn dầu khí có trữ lượng lớn. Các trầm tích trẻ có chiều dày lớn được hình thành có tướng delta và á biển phát triển khá phổ biển ở rìa các lục địa, mức độ tích tụ vật chất hữu cơ cao [13]. Các điều kiện trong khu vực phần nào cho thấy gas hydrate ở phía sườn lục địa phía Bắc sẽ thuận lợi cho việc hình thành gas hydrate cấu trúc loại I, còn ở sườn lục địa phía Nam thuận lợi cho loại hình gas hydrate cấu trúc loại II và H.

Tính chiều dày tầng (GHSZ) khu vực biển Đông

Tầng GHSZ là tầng tại đó có đủ các điều kiện về nhiệt độ và áp suất dưới mặt đất đảm bảo khí gas tự nhiên kết tinh thành gas hydrate và duy trì ổn định trong đó. Chiều dày tầng GHSZ được quyết định bởi các yếu tố: Độ sâu nước biển, nhiệt độ nước đáy, áp suất và gradient địa nhiệt trong trầm tích, độ muối của nước lỗ rỗng và thành phần khí gas. Ngoài ra, sự ổn định của gas hydrate còn phụ thuộc vào kiến trúc và thành phần khoáng vật trong trầm tích. Milkov và Sassen (2001) đã đề xuất phương pháp tính định lượng mô tả các hiệu ứng này và tính toán chiều dày tầng GHSZ cho vùng vịnh Mexico [13]. Phương pháp tính này được chúng tôi áp dụng tính cho khu vực biển Đông dưới đây.

Xác định nhiệt độ trầm tích

- Nhiệt độ đáy biển: Trên cơ sở số liệu nhiệt độ ở các độ sâu đo khác nhau, Wang (2006) đã xây dựng được 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 là nhiệt độ đáy biển(0C); B là độ sâu đãy biển (m).

Theo công thức này cho phép ta tính được nhiệt độ đáy biển từ bất kỳ số liệu độ sâu đáy biển. Kết quả tính toán cho thấy với độ sâu đáy biển từ 300-500 mét thì nhiệt độ đáy biển khu vực biển Đông thay đổi từ 10,5-7,5⁰C và độ sâu từ 1000- 3000 mét nhiệt độ thay đổi trong khoảng từ 5-2,5⁰C.

Kết quả đo gradient địa nhiệt trên biển Đông cho thấy nó có tính không đồng nhất trên toàn biển Đông và 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], trong khi khu vực sườn lục địa gradient địa nhiệt lại có giá trị rất cao, từ 60-940C/km [28]. Từ các số liệu trên Hình 2, cho phép chúng ta xây dựng được công thức xác định gradient địa nhiệt theo độ sâu đáy biển như sau:

G= 0,01593* B+28,39 (2)

Trong đó: G là gradien địa nhiệt (0C/m); B là độ sâu đáy biển (m).

Từ phương trình (2) cho thấy ở độ sâu nước biển 600 m, gradient địa nhiệt là 380C/km, ở độ sâu 1000 m, gradient địa nhiệt là 44,40C/km, ở độ sâu 1500 m, gradient địa nhiệt là 52,40C/km. Với kết quả này nó khác xa với việc chọn gradient địa nhiệt bằng 37,50C/km cho toàn bộ biển Đông của Wang n.n.k (2006).

Như vậy, phương trình xác định nhiệt độ của trầm tích được xây dựng bằng cách cộng phương trình nhiệt độ đáy biển (1) với phương trình gradient địa nhiệt (2). Khi đó ta phương trình sau:

Ts = (0,01593*B+28,39)*C/1000+373,41*B^-0,6269(3)

Trong đó: Ts là nhiệt độ trầm tích ở độ sâu C dưới mực đáy biển; B là độ sâu đáy biển;

Từ công thức (3) cho phép ta xác định được phân bố nhiệt của trầm tích ở các độ sâu khác nhau dưới mực địa hình đáy biển.

Xây dựng phương trình xác định tầng GHSZ

Điều kiện cân bằng để khí gas tự nhiên kết tình hình thành gas hydrate đã được Sloan’s (1998) nghiên cứu và phát triển một chương trình phần mềm CSMHYD để tính toán [22]. Số liệu đầu vào gồm nhiệt độ, áp suất, thành phần khí gas, độ muối trong nước lỗ rỗng. Trên cơ sở các số liệu thành phần khí gas tự nhiên thu được trên thực tế, Sloan (1998) đã phân ra ba loại gas hydrate với các thành phần CH4 là 100% (loại I), 95,9% (loại II) và 90,4% (loại H) và các hợp phần khí khác (Bảng 1). Milkov và Sassen [13] sử dụng chương trình CSMHYD xác định phương trình cân bằng cho ba loại gas hydrate này với độ muối trong nước lỗ rỗng giả thiết bằng 3,5% như sau:

T_100%CH = 8,9*Ln(D)-50,1 (4)

T_95,9%CH = 7,1*Ln(D)-33,9 (5)

T_90,4%CH= 6,7*Ln(D)-27,6 (6)

Trong đó: T là nhiệt độ để gas hydrate tồn tại ổn định (⁰C) ở độ sâu D (m). Độ sâu ở đây được chuyển đổi từ áp suất với giả thiết sự thay đổi gradient thủy tĩnh tuyến tính (10Mpa/km) trong nướcvà trong trầm tích.

Như vậy, chúng ta thấy rằng, ranh giới dưới của tầng GHSZ đối với ba loại khí gas trên chính là điểm giao nhau của hai phương trình (3) và (4); (3) và (5); và (3) và (6). Công thức xác định ranh giới dưới của tầng GHSZ trở thành bài toán xác định điểm không của các cặp phương trình (3) và (4); (3) và (5); và (3) và (6) như 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 được giá trị chiều dày tầng GHSZ (C) ứng với mỗi độ sâu B khác nhau. Kết quả giải phương trình (7), (8), (9) cho khu vực biển Đông chúng ta nhận được đường đặc tuyến chiều dày tầng hình thành và ổn định gas hydrate (GHSZ) theo độ sâu đáy biển cho ba loại gas hydrate. Cho thấy chiều dày tầng GHSZ phụ thuộc vào độ sâu nước biển và thành phần của khí gas khi hình thành nên gas hydrate. Khi ở độ sâu không thay đổi, chiều dày tầng GHSZ tăng dần khi hàm lượng CH4 giảm. Khi độ sâu nước biển tăng đến một mức nào đó thì chiều dày tầng GHSZ bắt đầu giảm dần. Dạng đường đặc tuyến này hoàn toàn ngược với kết quả tính của Wang n.n.k (2006) ở phần nước sâu (vì Wang giả thiết ở phần nước sâu và phần nước nông đều có gradient địa nhiệt không đổi bằng 37,5⁰C).

Thiết đồ được sử dụng để tính toán chiều dày tầng GHSZ cho bất kỳ điểm nào trong khu vực biển Đông. Sơ đồ phân bố chiều dày tầng GHSZ của biển Đông tính toán cho ba loại gas hydrate theo số liệu độ sâu đáy biển từ 300-3000 m. Kết quả tính toán chiều dày tầng GHSZ cho khu vực biển Đông cho thấy:

- Đối với gas hydrate loại I, tầng GHSZ được hình thành ở độ sâu nước biển ≥ 600m và có chiều dày thay đổi từ 0-260m, trung bình là 225m. Chiều dày lớn nhất có thể tới 260m tại vùng độ sâu 2400m nước, ra xa hơn chiều dày mỏng dần.

- Đối với gas hydrate loại II, tầng GHSZ bắt đầu hình thành ở độ sâu nước biển ≥ 400m và có chiều dày thay đổi từ 0-300 m, trung bình là 270m. Chiều dày lớn nhất có thể đạt tới 300m ở vùng độ sâu 1800m nước, ra xa hơn chiều dày mỏng dần.

- Đối với gas hydrate loại H, tầng GHSZ bắt đầu hình thành ở độ sâu nước biển ≥ 300m và có chiều dày thay đổi từ 0-365 m, trung bình là 330m. Chiều dày lớn nhất có thể đạt tới 365m ở vùng độ sâu 1500m nước, ra xa hơn chiều dày mỏng dần.

Từ các kết quả tính trên cũng cho thấy vùng nước biển có chiều sâu từ 1500-2500 m là vùng có chiều dày tầng GHSZ lớn nhất.

Trên cơ sở tính toán này chúng ta cũng xác định được diện tích phân bố của tầng GHSZ trên toàn bộ biển Đông là 1,7 x 106km². Trong đó, sườn lục địa từ độ sâu 300-3000 m nước, tầng GHSZ có diện tích là 1,1 x 106km². Khu vực biển miền Trung và Hoàng Sa tầng GHSZ có diện tích là 0,27 x 106 km² và khu vực biển Đông Nam và Trường Sa tầng GHSZ có diện tích là 0,45 x 106km².

Ước tính trữ lượng gas hidrat

Khối lượng khí metan (CH4) giải phóng từ gas hydrate ở điều kiện tiêu chuẩn dược tính toán theo cong thức sau [13]:

Q_CH4 = S * Az * E*E (10)

Trong dó: S: Diện tích phân bố gas hydrate (m²);

Az: Chiều dày trung bình của tầng GHSZ;

e: Độ bão hòa của gas hydrate trong trầm tích (%);

E: Giá trị khí CH₄ thu dược từ 1m³ gas hydrate trong điều kiện tiêu chuẩn.

Theo các số liệu thống kê trên thế giới nồng độ bão hòa của gas hydrate trong trầm tích thay dổi trong khoảng e = 0,9 - 1,5% [5, 17]. Hiện tại khu vực biển Đông chưa có số liệu thống kê về hệ số e, nên trong tính toán nay chúng tôi chọn giá trị trung bình của số trên, e = 1,2%. Theo Yu va n.n.k [32], ước đoán một cách lạc quan là gas hydrate có thể tồn tại ở ½ diện tích vùng sườn lục địa. Một số kết quả thống kê khác trên một số vùng sườn lục địa ước đoán chỉ tồn tai khoảng 30-40% diện tích sườn lục địa [5]. Để tính toán trong bài báo này chúng tôi chọn lượng gas hydrate chỉ tồn tại ở khoảng 30% diện tích của vùng sườn lụa địa. Lượng khí gas CH₄ thu dược từ 1m³ gas hydrate ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn là 164 m³ (đối với cấu trúc loại I) và 140m³ (đối với loại cấu trúc II và H ) [22]. Từ các số liệu trên, áp dụng công thức (10) tính dược tổng trữ lượng khí gas CH₄ trên biển Đông ở điều kiện tiêu chuẩn như Bảng 2.

Kết luận

Tổng hợp các điều kiện về nhiệt độ đáy biển, gradient nhiệt độ, độ sâu dáy biển, có thể thấy rằng: Khu vực biển Đông là vùng có đủ điều kiện về nhiệt độ và áp suất cần thiết cho việc hình thành và lưu giữ gas hydrate ở độ sâu nước biển lớn hơn 300m đối với gas hydrate loại H, 400m nước đối với gas hydrate II và 600m nước đối với gas hydrate loại I.

Tổng diện tích vùng biển có khả năng hình thành và duy trì ổn định gas hydrate (GHSZ) trên biển Đông là 1,6 x 106 km². Trong dó, khu vực biển miền Trung và Hoàng Sa có diện tích là 0,26 x 106km² và khu vực biển Đông Nam và Trường Sa có diện tích là 0,45 x 106 km².

Đối với gas hydrate loại I, chiều dày trung bình của tầng GHSZ tinh toán được là 225, và độ sâu nước biển tối thiểu phải ≥ 600m nước. Đối với gas hydrate loại II, chiều dày trung bình của tầng GHSZ là 270 mét và độ sâu nước biển tối thiểu phải ≥ 400m. Đối với gas hydrate loại H, chiều dày trung bình của tầng GHSZ là 365m và độ sâu nước biển tối thiểu phải ≥ 300m nước.Vùng hình thành và tồn tại ổn định gas hydrate (GHSZ) trong khu vực biển Đông có chiều dày lớn nhất nằm trong khoảng độ sâu nước biển từ 1.500-2.500 m và chiều dày lớ nhất có thể lên dến 365 m. Đây dược xem là vùng có triển vọng trữ lượng lớn nhất.

Với giả thiết gas hydrate phân bố ở 30% diện tích từ 300- 3000 m nước ở sườn lục địa biển Đông và gas hydrate bão hòa 1,2% thể tích trầm tích thì lượng khí CH₄ ở điều kiện tiêu chuẩn ước tính được cho ba loại gas hydrate là 1,7 x 1014 m³ cho loại H; 1,41 x 1014 m³ cho loại II và 1,38 x 1014 m³ cho loại I. Trong đó ở khu vực biển miền Trung và Hoàng Sa Ià 4,4 x 1013 m³ cho loại H; 3,6 x 1013 m³ cho loại II và 3,5 x 1013 m³ cho loại I. Khu vực biển Đông Nam và Trường Sa 7,5 x 1013m³ cho loại H; 6,1 x 1013 m³ cho loại II và 5,9 x 1013 m³ cho loại I.