南海東北部陸坡天然氣水合物富集特征及成因模式

梁金強(qiáng) 張光學(xué) 陸敬安 蘇丕波 沙志彬 龔躍華 蘇 新

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 2.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）

南海東北部陸坡天然氣水合物富集特征及成因模式

梁金強(qiáng)1,2張光學(xué)2陸敬安2蘇丕波2沙志彬2龔躍華2蘇 新3

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 2.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）

梁金強(qiáng)等.南海東北部陸坡天然氣水合物富集特征及成因模式.天然氣工業(yè)，2016, 36(10): 157-162.

南海東北部陸坡具有良好的天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）成藏條件，其水合物資源的成因模式明顯不同于2007年在神狐海域鉆探發(fā)現(xiàn)的分散型水合物成礦區(qū)。為探討前者的成藏特征與成因模式，利用鉆探區(qū)的地震、測(cè)井、現(xiàn)場(chǎng)鉆探取心及測(cè)試分析等資料進(jìn)行了綜合研究，以期加深對(duì)南海東北部陸坡水合物富集規(guī)律的認(rèn)識(shí)。研究結(jié)果表明：①在縱向上，該區(qū)發(fā)育淺、中、深3套水合物層，構(gòu)成既相對(duì)獨(dú)立又有一定成因聯(lián)系的成藏系統(tǒng)，區(qū)內(nèi)存在擴(kuò)散型、滲漏型和復(fù)合型3種成因模式的水合物礦藏；②擴(kuò)散型水合物呈層狀分布在穩(wěn)定域底部，其底界與海底反射界面（BSR）分布吻合；③滲漏型水合物呈塊狀、脈狀等形式充填在沉積物裂隙或裂縫中，在穩(wěn)定域不同部位形成多個(gè)礦體；④復(fù)合型水合物礦藏兼具擴(kuò)散型和滲漏型水合物的成藏特征，在穩(wěn)定域底部發(fā)育擴(kuò)散型水合物礦層，而在穩(wěn)定域上部發(fā)育滲漏型水合物體，共同構(gòu)成復(fù)式成藏系統(tǒng)。結(jié)論認(rèn)為：南海東北部陸坡是目前中國(guó)水合物資源最為豐富、成藏地質(zhì)條件最為復(fù)雜的成礦區(qū)之一。

天然氣水合物 中國(guó)南海 東北部陸坡 穩(wěn)定域 成藏模式 富集特征 BSR 擴(kuò)散型 滲漏型 復(fù)合型

2013年，國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在緊鄰珠江口盆地東北部陸坡實(shí)施天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）鉆探。在鉆探區(qū)鉆探13個(gè)站位，包括10個(gè)隨鉆測(cè)井站位和3個(gè)有纜測(cè)井站位，鉆探站位水深介于664～1 420 m。其中有8個(gè)站位的測(cè)井曲線顯示水合物存在異常，選擇其中5個(gè)站位進(jìn)行鉆探取心，均不同程度地發(fā)現(xiàn)水合物以塊狀、層狀、脈狀及分散狀等自然產(chǎn)狀賦存于粉砂質(zhì)黏土及生物碎屑灰?guī)r中，甲烷氣體含量超過(guò)99%[1]。

本次鉆探集當(dāng)今先進(jìn)的水合物鉆探、測(cè)井、取樣及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)于一體：①利用深潛器獲取細(xì)致井口微地貌特征并進(jìn)行精確監(jiān)控定位；②利用隨鉆測(cè)井技術(shù)獲得了高質(zhì)量的電阻率、聲速數(shù)據(jù)，精確確定水合物礦層目標(biāo)；③利用最新的保壓取心工具成功獲取了水合物樣品；④現(xiàn)場(chǎng)對(duì)非保壓樣品進(jìn)行熱紅外溫度掃描，孔隙水取樣及現(xiàn)場(chǎng)分析，微生物取樣，烴類氣體采樣及現(xiàn)場(chǎng)分析，非巖心樣品地質(zhì)描述、掃描照相、X射線熒光衍射掃描分析、沉積物樣品的土力學(xué)測(cè)試等；⑤現(xiàn)場(chǎng)對(duì)保壓取心樣品進(jìn)行X射線全掃描、MSCL測(cè)試、保壓樣品的氣體釋放試驗(yàn)、三軸應(yīng)力測(cè)試等。

鉆探取心分析結(jié)果表明，南海東北部陸坡具有良好的水合物成藏條件，與2007年在神狐海域鉆探發(fā)現(xiàn)的分散型水合物成礦區(qū)明顯不同，是一處新型的水合物礦藏富集區(qū)。筆者利用研究區(qū)已有資料，探討了區(qū)內(nèi)水合物成藏特征及成因模式，以期加深對(duì)區(qū)內(nèi)水合物富集規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 水合物富集特征

近十多年來(lái)，我國(guó)在南海北部陸坡開(kāi)展了大量的調(diào)查研究工作[2-3]，發(fā)現(xiàn)了水合物賦存的深層—淺層—表層的地球物理、地球化學(xué)、地質(zhì)和生物等多信息異常標(biāo)志，優(yōu)選有利目標(biāo)實(shí)施了鉆探。鉆探區(qū)位于南海東北部陸坡，面積約為300 km2，通過(guò)對(duì)地震、測(cè)井、現(xiàn)場(chǎng)鉆探取心資料的分析表明，鉆探區(qū)內(nèi)水合物潛力巨大，水合物成藏特征及成因模式獨(dú)特。水合物主要分布在海脊高部位，以中間海槽為界，可分為東西2個(gè)富集區(qū)。西區(qū)由7個(gè)發(fā)現(xiàn)水合物的站位控制，面積較大；東區(qū)僅有1個(gè)鉆探站位（圖1）。從水合物礦藏的縱向分布看，分布深度介于9～208 m，呈現(xiàn)獨(dú)特的富集特征。初步分析認(rèn)為鉆探區(qū)含淺、中、深3套水合物礦層，淺部礦層分布深度為9～30 m，中部礦層為60～100 m，深部礦層為130～210 m，3套含礦層構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立又有一定成因聯(lián)系的成藏系統(tǒng)（表1）。

圖1 鉆探區(qū)水合物礦藏平面分布圖

深部礦層發(fā)育于水合物穩(wěn)定帶底部，礦層分布面積大，為擴(kuò)散型水合物礦藏，在w01、w04、w05和w16這4個(gè)站均有發(fā)現(xiàn)。礦層深度在海底以下130～210 m，水合物呈均勻分布在粉砂質(zhì)黏土中，局部層段水合物與碳酸鹽巖和貝殼等生物碎屑共生

特征。礦層分布深度與穩(wěn)定域深度密切相關(guān)，地震剖面與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)聯(lián)合分析揭示，礦層底界底界與強(qiáng)BSR分布相吻合（圖2），以w16站位為例，測(cè)井曲線指示該礦層位于海底以下193.49～203.19 m，電阻率最大值可達(dá)3.36 Ω·m，聲波速度最高達(dá)2 770 m/s（圖3）。在200～203.5 m層鉆獲高飽和度分散型的水合物樣品，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試保壓巖心中水合物飽和度介于44%～55%。

表1 不同鉆孔水合物礦藏分布深度表

圖2 經(jīng)過(guò)w01、w04和w05站位的聯(lián)井地震剖面圖

圖3 w16站位測(cè)線曲線及水合物層分布圖

中部礦層呈團(tuán)塊狀或脈狀產(chǎn)出，分布深度在海底以下60～100 m，在w07和w08站位發(fā)育明顯。以w08站位為例，該層段水合物發(fā)育于海底以下65.93～97.93 m，測(cè)井電阻率最大超過(guò)20 000 Ω·m，聲波速度最大達(dá)2 746 m/s（圖4）。鉆探取心揭示在該層段不同深度獲得大量塊狀、脈狀和層狀水合物，其中在海底以下73.5～76.5 m獲取到長(zhǎng)度1.97 m的保壓巖心段，其中一段厚約20 cm 的單層高純度塊狀水合物，巖心釋壓后取出可以直接點(diǎn)燃，現(xiàn)場(chǎng)分析該層段水合物主要分布在含生物碎屑黏土和生物碎屑砂中。

圖4 w08站獲取的塊狀水合物圖

淺部礦層呈小塊狀、脈狀或結(jié)核狀產(chǎn)出，分布深度在海底以下9～30 m，在w08、w16和w09站位均有發(fā)現(xiàn)。在w16站位淺部水合物礦層分布在海底以下13.64～27.64 m，測(cè)井曲線指示該層段電阻率最大值達(dá)28.4 Ω·m，聲波速度達(dá)1 653 m/s（圖3）。通過(guò)鉆探取心在該層段獲得結(jié)核狀和脈狀水合物水合物，水合物主要分布在黏土中。在w08站位該水合物層分布在海底以下8.93～22.93 m，通過(guò)保壓取心在17～18.5 m發(fā)現(xiàn)脈狀水合物，水合物主要分布在含碳酸鹽巖黏土中。

根據(jù)鉆孔沉積物頂空氣及水合物分解氣組分分析，頂空氣甲烷/乙烷值介于1 500～100 000，水合物分解氣甲烷/乙烷值介于2 000～4 000，甲烷占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。個(gè)別站位頂空氣乙烷含量隨深度而所有變化，如w16站位甲烷含量從淺層的400 μg/g隨深度增加降到200 m的10 μg/g，繼而升高至205 m的305 μg/g，該站位上部和下部水合物礦藏的分解

氣中，乙烷濃度及甲烷/乙烷值具有相似的特征（圖5），同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，其甲烷δ13C值分布于-70.7‰～-69.9‰，具有極為偏輕的甲烷穩(wěn)定碳同位素值，初步分析認(rèn)為其來(lái)源相同，主要為生物成因氣。

圖5 w16站位氣體組分分布剖面圖

2 成因模式探討

氣體疏導(dǎo)體系及運(yùn)移方式作為水合物成藏的重要控制因素被許多學(xué)者關(guān)注。Milkov等[4]根據(jù)氣體運(yùn)移的控制因素提出了水合物成藏的4種模型，即斷層構(gòu)造型、泥火山型、地層控制型、構(gòu)造—地層型。Tréhu等[5]提出了分散型（distributed low-flux gas hydrate）和聚集型（focused high-flux gas hydrate）2種水合物分布類型。蘇丕波等根據(jù)天然氣水合物成藏氣體來(lái)源將水合物形成類型劃分為生物成因型，熱解成因型以及混合氣源型[6-8]。也有國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)氣體的疏導(dǎo)方式劃分為擴(kuò)散型和滲漏型2類體系[9-11]。筆者根據(jù)對(duì)南海東北部陸坡鉆探區(qū)水合物成藏條件及成藏特征的綜合分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)存在擴(kuò)散型（孔隙充填型）、滲漏型（裂縫充填型）和復(fù)合型3種成因模式。

2.1 擴(kuò)散型成因模式

擴(kuò)散型水合物充填在沉積物孔隙中，儲(chǔ)集介質(zhì)為富含生物碎屑的黏土和粉砂，礦藏呈層狀分布在穩(wěn)定域底部（圖6）。因此，也可稱之為孔隙充填型水合物（pore-filling gas hydrates）。其顯著的識(shí)別標(biāo)志是在地震剖面上出現(xiàn)強(qiáng)振幅、高連續(xù)似海底反射界面（BSR）。BSR上部強(qiáng)反射同相軸組合指示水合物層。在水合物層段測(cè)井電阻率、聲波速度明顯增大，聲波速度可介于1 600～1 800 m/s，電阻率在2.0～3.5 Ω·m。測(cè)井曲線呈指形、箱形或漏斗形特征。

圖6 擴(kuò)散型水合物成因模式圖（w05站位）

擴(kuò)散型水合物甲烷主要來(lái)源于穩(wěn)定帶下部，甲烷通量較小，在孔隙水中的以溶解態(tài)存在[12]。氣體通過(guò)沉積物孔隙、微裂縫及層間斷層運(yùn)移，并在濃度差、壓力、毛細(xì)管力等驅(qū)動(dòng)下以擴(kuò)散方式運(yùn)移，當(dāng)孔隙水中溶解的甲烷濃度超過(guò)水—水合物二相體系熱力學(xué)平衡飽和溶解度時(shí)，溶解甲烷析出形成水合物[13]，在穩(wěn)定域底部聚集成藏。隨著沉積埋藏及地層溫度和壓力變化，底部水合物發(fā)生分解，在穩(wěn)定帶之下聚集形成游離氣帶[14]。世界鉆探發(fā)現(xiàn)的同類典型富集區(qū)有美國(guó)東部陸緣布萊克海臺(tái)、美國(guó)西部陸緣南卡斯凱迪亞水合物脊、南海北部陸坡神狐海域、日本南海海槽等。

2.2 滲漏型成因模式

滲漏成因水合物呈塊狀、脈狀、結(jié)核狀形式充填在沉積物裂隙或裂縫中，在穩(wěn)定域不同部位形成礦體。因此，也可稱之為裂縫充填型水合物（fracturefilling gas hydrates）。其顯著識(shí)別特征是在地震剖面出現(xiàn)明顯氣體滲漏通道，氣煙囪頂部和側(cè)翼強(qiáng)反射同相軸組合指示水合物層。在水合物層段測(cè)井電阻率、聲波速度明顯增大,密度明顯減小，聲波速度可介于1 600～2 800 m/s，電阻率一般超過(guò)10 Ω·m。曲線呈指形或齒形交替變化。此外，鉆探揭示在不同深度發(fā)現(xiàn)大量自生碳酸鹽巖，例如在w08站位，根據(jù)測(cè)井曲線在水合物層頂部（海底以下58～61 m），出現(xiàn)一處高電阻率、高聲波速度及高密度層，同時(shí)中子孔隙度明顯降低（圖7），取心證實(shí)為碳酸鹽巖層，其上氣孔明顯，反映出甲烷滲漏的的特征。在w07站位50 m層附近發(fā)現(xiàn)塊狀碳酸鹽巖。在w09站位海

丘上發(fā)現(xiàn)大面積碳酸鹽巖分布，鉆探取心在0～9 m不同程度獲取含碳酸鹽巖沉積物。表明區(qū)內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生多次強(qiáng)烈的甲烷滲漏現(xiàn)象，與水合物的形成與分解相關(guān)。

圖7 滲漏型水合物成因模式圖（w08站位）

滲漏型水合物甲烷來(lái)源于地層深部，高通量甲烷以游離態(tài)滲漏方式沿?cái)鄬芋w系向海底運(yùn)移，部分在穩(wěn)定域內(nèi)轉(zhuǎn)化為水合物，部分甲烷通過(guò)微生物活動(dòng)，沉淀為碳酸鹽巖，還有一部分進(jìn)入海水中[15]。氣體滲漏到海底可在海底形成麻炕、丘狀體等地貌標(biāo)志，并發(fā)育自養(yǎng)型雙殼類、蠕蟲(chóng)類等生物群和多種微生物共生組合[16]，通過(guò)這種自養(yǎng)生物群的新陳代謝過(guò)程，形成碳酸鹽巖。因此，深水區(qū)海底自養(yǎng)生物群及冷泉碳酸鹽巖是滲漏型水合物形成環(huán)境的重要標(biāo)志。世界鉆探發(fā)現(xiàn)的同類成因的水合物富集區(qū)有美國(guó)西部陸緣的北卡斯凱迪亞水合物脊、墨西哥灣、印度K-G盆地、韓國(guó)郁陵盆地等。

2.3 復(fù)合型成因模式

以w16站位水合物礦藏為典型代表，兼具擴(kuò)散型和滲漏型水合物成藏特征（圖8）。氣體運(yùn)移受氣煙囪和斷層體系控制，氣體向上運(yùn)移過(guò)程中，在穩(wěn)定域底部聚集形成擴(kuò)散型水合物藏，部分氣體向上滲漏，在穩(wěn)定域上部的裂縫或裂隙中聚集，形成水合物礦體，共同構(gòu)成復(fù)式成藏系統(tǒng)。

圖8 復(fù)合型水合物成因模式圖（w16站位）

3 結(jié)論

1）南海東北部陸坡兼具擴(kuò)散型和滲漏型水合物發(fā)育的地質(zhì)條件，水合物礦藏在穩(wěn)定域內(nèi)呈多層、多形式富集，成藏特征獨(dú)特。研究區(qū)在縱向上發(fā)育淺、中、深3套水合物層系，構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立又有一定成因聯(lián)系的成藏系統(tǒng)。具有礦層厚度大、飽和度高、甲烷純度高等特點(diǎn)。

2）南海東北部陸坡存在擴(kuò)散型、滲漏型和復(fù)合型3種成因模式：①擴(kuò)散成因水合物充填在沉積物孔隙中，儲(chǔ)集介質(zhì)為富含生物碎屑的黏土和粉砂，礦藏呈層狀分布在穩(wěn)定域底部，其底界與BSR的分布吻合；②滲漏成因水合物呈塊狀、脈狀、結(jié)核狀形式充填在沉積物裂隙或裂縫中，在穩(wěn)定域不同部位形成多個(gè)礦體；③復(fù)合型兼具擴(kuò)散型和滲漏型水合物成藏特征，在穩(wěn)定域底部聚集形成擴(kuò)散型水合物藏，在穩(wěn)定域上部形成滲漏水合物礦體，共同構(gòu)成復(fù)式成藏系統(tǒng)。

3）南海東北部陸坡是目前中國(guó)水合物資源最為豐富、成藏地質(zhì)條件最為復(fù)雜的成礦區(qū)之一。

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（修改回稿日期 2016-08-25 編 輯 羅冬梅）

Accumulation characteristics and genetic models of natural gas hydrate reservoirs in the NE slope of the South China Sea

Liang Jinqiang1,2, Zhang Guangxue2, Lu Jing’an2, Su Pibo2, Sha Zhibin2, Gong Yuehua2, Su Xin3
(1. China University of Geosciences , Wuhan, Hubei 430047, China; 2. MLR Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou, Guangdong 510075, China; 3. China University of Geosciences , Beijing 100083, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.157-162, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

The northeastern slope of South China Sea has favorable conditions for the accumulation of natural gas hydrate (NGH), and its genetic model of NGH is significantly different from the diffusion-type NGH reservoir discovered in the Shenhu sea area in 2007. The accumulation characteristics and genetic models of NGH in the NE slope of the South China Sea are investigated based on a comprehensive analysis of the seismic, well logging, core and testing data of this area . According to the results, three NGH reservoirs (shallow, medium and deep) are vertically developed in this area, and their accumulation systems are relatively independent, but genetically related. In this area, there are three genetic models of NGH reservoirs, i.e., diffusive model, seeping model and complex model. In the diffusive model, NGH presents lamellar distribution at the bottom of the stability zone, and its bottom boundary is coincident with the distribution of bottom simulating reflector (BSR). In the seeping model, NGH fills sediment cracks or fractures in the form of block and vein, and constitutes multiple mineral ores in different parts of the stability zone. The complex NGH reservoir has the accumulation characteristics of both diffusive and seeping NGH reservoirs. In this model, diffusive NGH is developed at the bottom of the stability zone, seeping NGH is developed in the upper part of the stability zone, and they jointly constitute a complex accumulation system. To sum up, the northeastern slope of the South China Sea is one of the areas with the richest and most complex NGH reservoirs in China.

Natural gas hydrate (NGH); South China Sea; NE slope; Stability zone; NGH accumulation model; Bottom simulating reflector (BSR); Diffusive model; Seeping model

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.020

國(guó)家天然氣水合物專項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：GZH201100301、GZH201100305、GZH200200203）。

梁金強(qiáng)，1967年生，教授級(jí)高級(jí)工程師；從事天然氣水合物調(diào)查與研究工作。地址：（510760）廣東省廣州市黃埔區(qū)南崗廣海路188號(hào)大院礦產(chǎn)所。ORCID: 0000-0002-6972-7668。E-mail: ljinqiang@21cn.com