南海北部陸坡天然氣水合物成藏特征研究進(jìn)展分析*

蘇 正，劉麗華

（中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

0 引 言

天然氣水合物是氣體和水形成的似冰狀固態(tài)化合物，由于可點(diǎn)燃，又俗稱為“可燃冰”。當(dāng)水中的氣體濃度超過氣體溶解度，并保持低溫高壓環(huán)境即可形成水合物，自然界中，最為廣泛的是甲烷水合物[1]，常見于凍土帶和大陸邊緣海底[2-3]。適宜水合物形成的沉積體被稱為水合物穩(wěn)定帶，水合物層之下有利于游離氣的聚集[2]，其界面在地震剖面上表現(xiàn)為似海底反射（bottom simulating reflector,BSR）[4-5]。海洋天然氣水合物有巨大的資源潛力[6]，同時(shí)，是誘發(fā)冷泉活動(dòng)和海底滑坡的重要因素[7-8]，也被作為全球氣候變化和碳循環(huán)研究的重要主題[9-10]。但此類問題的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)依賴于正確理解沉積體中天然氣水合物聚集成藏機(jī)制。

受印澳板塊、太平洋板塊和歐亞板塊相互作用的影響，南海北部陸緣自西向東有被動(dòng)陸緣，準(zhǔn)被動(dòng)陸緣過渡至東部的活動(dòng)碰撞邊緣，與之伴生發(fā)育一系列沉積盆地，由西到東依次分布著北部灣、鶯歌海、瓊東南、珠江口、臺(tái)西南等一系列大中型沉積盆地（圖1），為有機(jī)質(zhì)富集提供了最佳場(chǎng)所[11]。陸坡、海隆、邊緣海深水盆地中的表層沉積物或沉積巖中賦存有天然氣水合物，這些構(gòu)造單元是天然氣水合物富集成藏的理想場(chǎng)所[12]。南海北部發(fā)育了多種與天然氣水合物密切相關(guān)的地質(zhì)體，包括海底滑塌體、泥底劈、多邊形斷層、氣煙囪、流體管道等，構(gòu)成了良好的水合物流體運(yùn)移體系[13]。綜合來看，南海北部陸坡兼具天然氣水合物形成和賦存的地質(zhì)條件。中國地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施了4項(xiàng)天然氣水合物鉆探工程，在神狐、東沙和瓊東南盆地等重點(diǎn)區(qū)域獲得了水合物實(shí)物樣品[14]，有力佐證和校驗(yàn)了前期關(guān)于南海北部天然氣水合物成藏機(jī)制的研究成果，為后期完善天然氣水合物成藏機(jī)制和富集規(guī)律研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 南海北部陸坡沉積盆地和天然氣水合物調(diào)查研究區(qū)[11]Fig. 1 Investigation area for sedimentary basin and gas hydrates in the northern South China Sea[11]

天然氣水合物形成涉及溫壓條件、氣源組成、鹽度、沉積物，以及時(shí)空演化等因素，因而全面的水合物成藏機(jī)制研究極為困難[15-16]，形成了一些相對(duì)簡單明了的水合物形成模式和成藏類型。如根據(jù)水合物含量和流體運(yùn)移方式劃分水合物，定義產(chǎn)于活動(dòng)斷裂系統(tǒng)和泥火山系統(tǒng)中的水合物是深部流體快速運(yùn)移到水合物穩(wěn)定帶形成的構(gòu)造控制高含量水合物或原地生物成因甲烷氣和深部來源甲烷緩慢運(yùn)移到水合物穩(wěn)定帶形成的地層控制低含量水合物[17]；根據(jù)海底甲烷活動(dòng)通量定義的低通量水合物和高通量水合物[18]；根據(jù)水合物體系的熱力學(xué)特性和在海底的產(chǎn)出特征劃分的擴(kuò)散型和滲漏型水合物[19-20]。這類水合物成藏研究具有相似的局限性，即根據(jù)水合物觀測(cè)定義的天然氣水合物成藏模式，并不能完整反映天然氣水合物的動(dòng)態(tài)成藏聚集過程。

因此，運(yùn)用系統(tǒng)論思想探索天然氣水合物氣體來源、運(yùn)移和聚集成藏之間的內(nèi)在聯(lián)系受到廣泛重視，即利用天然氣水合物成藏系統(tǒng)研究揭示特定環(huán)境天然氣水合物成藏機(jī)制和富集規(guī)律[21]。如地質(zhì)系統(tǒng)論從烴類生成體系、流體運(yùn)移體系、水合物成藏富集體系探討天然氣水合物成藏過程[22]；根據(jù)天然氣水合物成藏基本條件、淺表層沉積物、孔隙水地球化學(xué)特征及其所反映的氣源和天然氣水合物分布特征，探討天然氣水合物的成藏系統(tǒng)[23]，并指出天然氣水合物成藏系統(tǒng)對(duì)于天然氣水合物成藏機(jī)制研究的重要性[24]；COLLETT[25]提出了“天然氣水合物油氣系統(tǒng)”，其中包括了天然氣水合物溫度?壓力穩(wěn)定條件、氣源、氣體運(yùn)移和沉積儲(chǔ)層條件等；在“天然氣水合物油氣系統(tǒng)”基礎(chǔ)上，喬少華等[13]提出了“水合物運(yùn)聚體系”成藏理論，指出含氣流體通過特定通道運(yùn)移至淺部沉積儲(chǔ)層聚集成藏，即運(yùn)移和聚集決定了天然氣水合物成藏聚集過程。本文將重點(diǎn)研究天然氣水合物成藏特征，分析其發(fā)育條件和產(chǎn)出特征。

1 南海北部陸坡天然氣水合物研究進(jìn)展

南海北部陸坡天然氣水合物成藏的地質(zhì)因素異常復(fù)雜。熱流分布較復(fù)雜，影響著水合物穩(wěn)定域的空間分布；而區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)演化則控制著水合物成礦氣體來源、氣體疏導(dǎo)體系、富集空間及儲(chǔ)層物性特征；南海北部陸坡從東部—中部—西部，水合物成藏條件及控制因素具有明顯的差異性，對(duì)水合物成藏模式和空間分布都產(chǎn)生了深刻影響[26]。南海北部陸坡海域具有十分有利的水合物生成和賦存的構(gòu)造、沉積等條件[27]。

南海北部陸坡從東段到西段構(gòu)造活動(dòng)逐漸減弱，水合物穩(wěn)定域厚度由東而西、由南向北厚變薄。東部以臺(tái)西南盆地深水斜坡帶成藏條件最為優(yōu)越，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、多形式富集的特點(diǎn)；中部以神狐海域白云凹陷南坡為典型代表，為擴(kuò)散型水合物發(fā)育的有利區(qū)，水合物礦藏在穩(wěn)定域底部呈單層發(fā)育特點(diǎn)；西南部以瓊東南盆地的陸坡深水區(qū)成藏條件最為優(yōu)越，有利于發(fā)育滲漏型水合物礦藏[26]。

南海北部陸坡具有大量指示天然氣水合物發(fā)育的地球化學(xué)和地球物理異常標(biāo)志。地球化學(xué)方面包括沉積物孔隙水氫氧同位素、孔隙水離子濃度、酸解烴、自生礦物及碳硫同位素等異常標(biāo)志[27]。地球物理方面，在中新世、上新世和第四紀(jì)地層中共發(fā)現(xiàn)26個(gè)BSR分布區(qū)，在局部地區(qū)出現(xiàn)與地層的斜交[28-29]。強(qiáng)振幅的BSR多出現(xiàn)在泥底劈、氣煙囪等流體構(gòu)造活躍的部位，弱振幅BSR的出現(xiàn)可能與水合物下方的游離氣含量過低有關(guān)[30]。BSR與構(gòu)造坡折、深水重力流及等深流沉積密切相關(guān)。在三角洲前緣，BSR側(cè)向較連續(xù)但延伸距離短；在海槽與底辟發(fā)育區(qū)，BSR受斷層與底辟切割往往呈斷續(xù)分布；在海底扇、濁流、等深流發(fā)育的位置，BSR側(cè)向連續(xù)延伸距離遠(yuǎn)[29]。底辟構(gòu)造、海底滑坡、活動(dòng)斷層和擠壓脊等特殊地質(zhì)體發(fā)育區(qū)是天然氣水合物成藏的有利區(qū)域[31]。

南海北部陸坡東沙、神狐、西沙和瓊東南為4個(gè)重點(diǎn)勘探區(qū)塊[11,32]。中國地質(zhì)調(diào)查局先后在神狐、東沙和瓊東南等海域獲得了水合物實(shí)物樣品[33]，其中瓊東南盆地發(fā)現(xiàn)了與冷泉存在共生關(guān)系的淺層水合物[34-35]。神狐海域共實(shí)施了3次天然氣水合物鉆探取樣，其中2015年GMGS3鉆探區(qū)水合物分布面積約128 km2，預(yù)測(cè)資源量超過1 500億m3[14]，具有5種水合物賦存狀態(tài)，分別是厚層狀水合物、分散狀水合物、斑狀水合物、斷層附近水合物和薄層狀水合物[36]。2013年在東沙海域?qū)嵤┝怂衔镢@探（GMGS2），在 5個(gè)站位發(fā)現(xiàn)了水合物，水合物以塊狀、層狀、脈狀和分散狀形式賦存[37]，并在鉆探區(qū)發(fā)現(xiàn)了上下兩個(gè)水合物礦層和兩期自生碳酸鹽巖層[38]。

2 南海北部陸坡水合物成藏機(jī)制分析

2.1 東沙海域

東沙海域位于南海北部東沙群島以東地區(qū)，構(gòu)造上位于臺(tái)西南盆地的中部隆起區(qū)[39]。東沙海域水深300 ～ 2 000 m，發(fā)育峽谷、水道、斜坡、陡崖等地貌單元，海底地形復(fù)雜。始新世，東沙群島以東地區(qū)抬升，遭受剝蝕。南海第三次擴(kuò)張期間（中中新世—上新世）發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造沉降，大量有機(jī)質(zhì)隨沉積物被埋藏，在淺部經(jīng)過微生物降解形成甲烷或者到達(dá)深部受熱裂解形成天然氣，為水合物生成提供了充足氣源[11]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成良好的氣體運(yùn)移通道以及欠壓實(shí)、高孔隙的水合物儲(chǔ)集空間[40]。東沙海域深部氣體在地層壓力作用下，可沿?cái)鄬?、裂縫、不整合面、砂巖疏導(dǎo)層和氣煙囪等通道向上運(yùn)移，在滿足水合物生成的通量條件下，形成多類型特征的天然氣水合物[11]。

2.2 神狐海域

珠江口盆地神狐海域自中新世以來進(jìn)入構(gòu)造沉降期，高沉積速率為天然氣水合物形成創(chuàng)造了良好地質(zhì)條件。沉積物中有機(jī)質(zhì)含量為0.2% ～ 1.9%[41-43]，提供了水合物發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。淺層原位生物成因甲烷對(duì)水合物形成的貢獻(xiàn)很小，氣體以深源甲烷為主。神狐海域晚期斷裂活動(dòng)極其豐富，新生代斷層從下部到上部越來越發(fā)育，古近紀(jì)底部斷裂是裂谷斷陷期沉積的主控因素，在熱沉降過程中基底斷裂作用不斷加強(qiáng)，上新世以來出現(xiàn)斷裂活動(dòng)高峰，斷層以 NE向?yàn)橹鳎顒?dòng)強(qiáng)度小，但數(shù)量眾多，派生出許多羽狀排列的斷層，復(fù)雜的斷裂活動(dòng)使沉積體成為具有極高滲透性的裂隙介質(zhì)，有利于普遍性的深部流體流動(dòng)和水合物發(fā)育[41]。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，形成了大量的晚期構(gòu)造圈閉，同時(shí)形成了規(guī)模巨大的泥底辟活動(dòng)帶，與神狐海域天然氣水合物發(fā)育密切相關(guān)[41]。神狐海域水合物是在斷層活動(dòng)和后期泥沙沉積背景下形成的[16]，表現(xiàn)為“自源與他源滲漏復(fù)合型”的水合物成藏模式[44]。

2.3 西沙海槽

西沙海槽處在南海北部被動(dòng)大陸邊緣，為主要受近東西向斷裂控制的裂谷帶。自晚漸新世形成以來，曾多次發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，一直到第四紀(jì)仍然有構(gòu)造活動(dòng)。海底碳酸鹽巖和海底麻坑顯示該區(qū)域發(fā)生過或正在發(fā)生冷泉流體活動(dòng)[45-47]。在地震剖面上，可以看到斷層一直切到第四系，甚至到海底。在海槽兩壁上為斷階狀地形，這些張性斷層為深部流體活動(dòng)通道。西沙海槽滿足水合物生成與富集這兩大基本條件。古近紀(jì)以來沉積物中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)過多期快速沉降，且區(qū)域地溫梯度高，有利于有機(jī)質(zhì)的成熟，保證了水合物形成氣源的供給；在儲(chǔ)集方面，除了有較好的濁積砂巖外，在凹陷部位邊緣還發(fā)育有三角洲、沖積扇等多種類型的巖性圈閉。研究顯示西沙海槽甲烷氣具備淺層微生物成因來源，也有深部熱解成因烴氣和幔源成因CO2氣的物質(zhì)來源條件。同時(shí)，該區(qū)發(fā)育眾多張性斷層，給該區(qū)淺部地層的甲烷氣和地層水等物質(zhì)提供通道和動(dòng)力條件。西沙海槽形成水合物的甲烷為斷層滲逸—自由擴(kuò)散作用雙重運(yùn)移的結(jié)果，水合物形成斷層—滲濾主導(dǎo)的綜合地質(zhì)模式[48]，具有典型的“他源滲漏型”特征[44]。

2.4 瓊東南盆地

瓊東南盆地位于南海北部西端，始新統(tǒng)為半深湖相泥巖，下中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)陵水—崖城組為淺海相泥巖，中中新統(tǒng)—下中新統(tǒng)梅山—三亞組為濱?！獪\深海相泥巖，新近紀(jì)以來烴源巖進(jìn)入生排烴高峰期。古近紀(jì)盆地廣泛發(fā)育的 NE、NEE向斷裂。新近紀(jì)以來，雖然整個(gè)盆地進(jìn)入坳陷期，斷層不控制沉積，但在構(gòu)造高部位、斜坡帶，由于深大坳陷內(nèi)烴類流體的不斷聚集，以及地層快速沉積所產(chǎn)生的超壓作用，使深部高溫、高壓流體沿先期斷裂的地層薄弱帶向上運(yùn)移，在地震剖面上表現(xiàn)為淺層出現(xiàn)大片的反射模糊區(qū)帶，這種反射模糊區(qū)帶是流體的垂向運(yùn)移通道[49]。瓊東南盆地海域中央坳陷帶內(nèi)的大量氣煙囪和麻坑及其附近海域?yàn)樘烊粴馑衔锇l(fā)育的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)[50]。

瓊東南盆地南部深水區(qū)流體活動(dòng)強(qiáng)烈，氣源巖類型多，氣源供給系統(tǒng)及運(yùn)聚條件良好，是我國深水水合物資源的重要遠(yuǎn)景區(qū)之一。該區(qū)熱解氣和生物氣氣源充足、資源潛力大，能夠?yàn)樗衔锏男纬商峁┏渥愕臒N源供給；天然氣運(yùn)聚系統(tǒng)較優(yōu)越，存在生物氣源自生自儲(chǔ)型、熱解氣源斷層裂隙下生上儲(chǔ)型、熱解氣源底辟和氣煙囪下生上儲(chǔ)型三種類型的水合物成藏模式；深水區(qū)熱解氣源下生上儲(chǔ)型水合物，其熱解氣源輸送運(yùn)聚通道主要為斷層裂隙和泥底辟及氣煙囪所構(gòu)成的縱向運(yùn)聚供給系統(tǒng)，其形成展布及優(yōu)劣主要取決于構(gòu)造沉積演化、斷裂活動(dòng)和活躍地質(zhì)熱流體異常侵入活動(dòng)[51-53]。

2.5 水合物成藏分析

主動(dòng)大陸邊緣的俯沖帶增生楔是天然氣水合物賦存的重要場(chǎng)所。在主動(dòng)大陸邊緣，隨著增生楔處沉積物的不斷堆積，沉積物負(fù)載壓力不斷增大，形成疊瓦狀逆沖斷層，并且富含甲烷的孔隙流體伴隨著增生楔的發(fā)育在沉積和脫水過程被釋放，當(dāng)孔隙流體沿這些斷層向上運(yùn)移進(jìn)入水合物穩(wěn)定帶，則形成天然氣水合物礦藏。水合物脊為卡斯卡底大陸邊緣的增生楔變形前緣第二逆沖增生脊，是斜向俯沖擠壓所致的增生楔中強(qiáng)烈變形的一部分。水合物脊發(fā)育的走滑斷層、逆沖斷層、泥火山充當(dāng)深部氣體向上運(yùn)移的通道[54]。臺(tái)西南盆地為典型的匯聚型大陸邊緣，受板塊擠壓和巖層俯沖的影響，形成了增生楔、逆沖斷層和泥底辟等構(gòu)造特征[55]。沉積地質(zhì)構(gòu)造決定水合物產(chǎn)出特征與水合物脊具有相似性，以擴(kuò)散型水合物為主，局部位置發(fā)育滲漏型水合物，滲漏區(qū)有碳酸鹽巖和冷泉活動(dòng)等[56]。

褶皺—沉積盆地也是天然氣水合物賦存的有利場(chǎng)。褶皺和構(gòu)造沉降不僅形成了水合物儲(chǔ)集層，并且促使了斷層的發(fā)育，為深部氣源向上運(yùn)移提供了通道[54]。美國布萊克海臺(tái)為褶皺構(gòu)造，是中漸新世寬廣平滑的深海沉積沖積物。大量斷層與布萊克海脊軸部平行，且多為正斷層，也有一些斷塊被抬升壓縮，表現(xiàn)為褶皺和逆沖。神狐海域處于珠江口沉積盆地，具有明顯的氣煙囪、區(qū)域大尺度斷層、深水扇中的正斷層和滑移體中的滑脫斷層。氣煙囪具有直立的通道形態(tài)，大尺度斷層位于水合物鉆探區(qū)的西北部和東北部，斷層規(guī)模大，對(duì)深部地層表現(xiàn)出明顯的控制作用?；企w中的滑脫斷層在神狐海域的第四紀(jì)地層中非常常見，在剖面上呈雁列式分布。氣煙囪和規(guī)模小數(shù)量多的斷裂體系為含氣流體的運(yùn)移提供了垂向和側(cè)向的輸送通道，構(gòu)成了水合物的流體運(yùn)移體系[57]。處于褶皺部位的布萊克海臺(tái)天然氣水合物與處于沉積盆地中的神狐海域天然氣水合物產(chǎn)出特征都具有相似性，發(fā)育典型的擴(kuò)散型天然氣水合物。

底辟、泥火山或麻坑構(gòu)造與天然氣水合物發(fā)育密切相關(guān)。在地質(zhì)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下，深部塑性物質(zhì)（泥、鹽、氣）垂向流動(dòng)，致使沉積蓋層上拱而形成底辟構(gòu)造，當(dāng)塑性流刺穿海底時(shí)即形成泥火山或麻坑。被動(dòng)大陸邊緣內(nèi)巨厚沉積層塑性物質(zhì)及高壓流體、陸緣外側(cè)火山活動(dòng)及張裂作用，可形成大規(guī)模的泥火山、底辟或麻坑構(gòu)造。當(dāng)然，底辟構(gòu)造可能成為深部流體向上運(yùn)移的通道[54]。挪威海Haakon Mosby泥火山發(fā)育區(qū)天然氣水合物聚積呈同心圓帶狀分布，并受控于暖流的向上運(yùn)移。麻坑構(gòu)造是含甲烷流體的通道，是深部熱成因或生物成因氣體沿多斷層系向上運(yùn)移至海底，致使海底塌陷而形成的[58]。如挪威大陸邊緣V?ring臺(tái)地東南部麻坑區(qū)，地震剖面上顯示的“麻坑”構(gòu)造之下為一些窄的垂直通道，稱之為“氣煙囪”，麻坑發(fā)育區(qū)往往具有明顯的BSR顯示，也有可能在麻坑之中采到水合物實(shí)物樣品，幾乎所有的麻坑及其下的氣煙囪都位于BSR之上[58]。同樣地，瓊東南盆地天然氣水合物發(fā)育與底辟和麻坑構(gòu)造密切相關(guān)。瓊東南盆地（包括西沙海槽）晚中新世以來進(jìn)入加速沉降階段，構(gòu)造活動(dòng)較為平靜，沉積物主要源自北部的陸架陸坡體系。新近系坳陷階段以來，多邊形斷層和底辟構(gòu)造作為含氣流體向淺部地層運(yùn)移的主要通道。瓊東南盆地深部發(fā)育大型底辟構(gòu)造，造成淺部底層隆起拉升，深部流體沿底辟和多邊形斷層向上運(yùn)移[59]，導(dǎo)致大量海底麻坑構(gòu)造和冷泉活動(dòng)，麻坑區(qū)發(fā)育天然氣水合物[45-47]。

3 結(jié) 論

南海北部陸坡天然氣水合物成藏因素復(fù)雜。區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)控制著氣源、流體疏導(dǎo)體系、富集空間及儲(chǔ)層物性特征，因此，南海北部陸坡4個(gè)研究區(qū)，即東沙海域、神狐海域、西沙海槽和瓊東南盆地的水合物成藏條件及控制因素具有明顯差異性。東沙海域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成良好的氣體運(yùn)移通道以及欠壓實(shí)、高孔隙儲(chǔ)集空間。東沙海域深部氣體在地層壓力作用下，可沿?cái)鄬?、裂縫、不整合面、砂巖疏導(dǎo)層和氣煙囪等通道向上運(yùn)移，并形成天然氣水合物；神狐海域規(guī)模巨大的泥底辟活動(dòng)，決定了其水合物產(chǎn)出和分布特征；西沙海槽水合物形成斷層—滲濾主導(dǎo)的綜合地質(zhì)成藏模式；瓊東南盆地中央坳陷帶內(nèi)為天然氣水合物發(fā)育的重點(diǎn)區(qū)。神狐海域天然氣水合物發(fā)育與增生楔、逆沖斷層和泥底辟等構(gòu)造相關(guān)，水合物產(chǎn)出特征與水合物脊類似，神狐海域天然氣水合物與布萊克海臺(tái)天然氣水合物產(chǎn)出特征都具有相似性，瓊東南盆地的底辟、泥火山或麻坑構(gòu)造與天然氣水合物發(fā)育密切相關(guān)。