康玉柱

（中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083）

天然氣水合物是天然氣與水在高壓和低溫條件下形成的一種固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)，其主要成分為甲烷[1-10]。全球天然氣水合物資源潛力巨大，其熱當(dāng)量是煤、石油、天然氣總熱當(dāng)量的2 倍。天然氣水合物埋藏較淺，一般賦存于海底0～1 500 m的沉積中，礦層厚度一般數(shù)十厘米至數(shù)百米，其能量密度非常高，1 m3的水合物可釋放出160 m3的甲烷氣體，是理想的清潔能源。1940 年以來(lái)，美國(guó)、日本、加拿大、德國(guó)、印度等國(guó)家投入了大量人力物力開(kāi)展天然氣水合物研究[11-13]，在海底水合物沉積層和永久凍土層獲取了大量的天然氣水合物樣品，水合物試開(kāi)采試驗(yàn)也取得了較好成效。1990 年以來(lái)，我國(guó)逐漸開(kāi)展了天然氣水合物勘探的探索，初步形成了勘探評(píng)價(jià)[14-21]、地球物理采集與預(yù)測(cè)[22-27]、鉆探[28-30]、測(cè)井[31-33]、室內(nèi)分析化驗(yàn)[34-39]、試采[40-48]等技術(shù)系列，為后續(xù)商業(yè)化開(kāi)采積累了較為豐富的理論和技術(shù)儲(chǔ)備。2017 年5 月，我國(guó)在南海北部神狐海域成功試采天然氣水合物，初期日產(chǎn)氣3.5×104m3，后期穩(wěn)定日產(chǎn)氣6 000～8 000 m3，穩(wěn)產(chǎn)62 d，穩(wěn)產(chǎn)期世界最長(zhǎng)，黨中央及國(guó)務(wù)院發(fā)賀電祝賀。天然氣水合物是全球重要清潔能源之一，筆者綜合南海天然氣水合物勘探現(xiàn)狀，探討水合物成藏條件和分布特征，以期為天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)和指導(dǎo)其他海域天然氣水合物勘查提供科學(xué)依據(jù)。

1 南海地塊及劃分依據(jù)

南海海域面積約300×104km2。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者把南海海域劃分為幾個(gè)相鄰地塊，如南海北部為華南地塊、西部為印支地塊、東部為菲律賓地塊等（圖1）。南海和相鄰地塊在地質(zhì)構(gòu)造特征及演化等方面差異很大，在地質(zhì)特征上南海地塊（包括南海北緣、中—西沙、南海中部和南海南緣）與華夏、印度和菲律賓地塊有較大差異，筆者首次提出南海海域是一個(gè)不可分割的獨(dú)立地塊——南海地塊。其依據(jù)為：①南海地塊的基底是由前寒武系變質(zhì)巖組成，比相鄰地塊基底時(shí)代新；②南海變質(zhì)基底基本輪廓是由中央向周緣自老變新的拼盤式褶皺基底，南海中央西沙群島海域?yàn)榍昂浼o(jì)變質(zhì)基底,圍繞該古陸周緣發(fā)育有加里東期、海西期和印支期褶皺變質(zhì)基底[49]；③南海地塊地殼厚度較薄，為25～30 km，遠(yuǎn)比四周各地塊??；④南海地塊古—中生界殘缺不全，而新生界發(fā)育齊全且分布廣泛，以海相和海陸過(guò)渡相為主，最厚達(dá)10 000 m；⑤南海地塊新生代發(fā)生4次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，期次多而強(qiáng)度大。

圖1 南海地塊邊緣海盆地主要構(gòu)造斷裂及塊體分布特征Fig.1 Distribution of main faults and blocks in the marginal sea basins of the South China Sea block

2 中國(guó)南海天然氣水合物成藏條件探討

南海地塊天然氣水合物成藏受多種地質(zhì)因素的聯(lián)合控制，機(jī)制復(fù)雜，但主要受地殼厚度、地層沉積條件、構(gòu)造條件、氣源條件4個(gè)因素的影響。

2.1 地殼厚度

比較南海周邊深大斷裂和莫霍面的深度[50]，可以看出南海地殼遠(yuǎn)比周邊地塊薄（圖2），反映出南海為下地幔高熱度區(qū)。加之喜馬拉雅期以來(lái)南海發(fā)生頻繁的斷裂活動(dòng)和火山活動(dòng)，導(dǎo)致南海成為高熱流區(qū)。通過(guò)計(jì)算，南海熱流值平均為75.9 mW/m2，比中國(guó)大陸熱流值62.57 mW/m2高。所以，南海是具有高熱流值的地區(qū)，高熱流值加快地層和沉積物中的有機(jī)質(zhì)熱演化形成油氣，且以天然氣為主。

圖2 南海深大斷裂與莫霍面深度[50]Fig.2 Deep and large faults and Moho depth in the South China Sea[50]

2.2 地層沉積條件

南海海域新生界沉積較齊全，即有海相又有陸相，為區(qū)內(nèi)油氣成藏創(chuàng)造了良好條件（圖3）。另外，第四紀(jì)沉積條件和沉積環(huán)境有利，砂、泥共存并呈砂泥互層狀分布，尤其發(fā)育三角洲、斜坡扇、濁積扇、滑塌扇等沉積相類型，有利于天然氣水合物富集，為天然氣水合物成藏提供良好場(chǎng)所[51-52]。

圖3 南海海域新生代地層層序構(gòu)成特征[52]Fig.3 Constitutive characteristic of Cenozoic stratigraphic sequence of Nansha offshore area[52]

2.3 構(gòu)造條件

南海地塊構(gòu)造條件十分復(fù)雜，自中生代以來(lái)經(jīng)歷了4次主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：印支運(yùn)動(dòng)、燕山早期運(yùn)動(dòng)、燕山晚期運(yùn)動(dòng)及喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使南海地塊形成多種類構(gòu)造體系：東西向—北北東向構(gòu)造體系、北東向構(gòu)造體系、北西向構(gòu)造體系及青藏—緬甸—印尼反S 型構(gòu)造體系。多構(gòu)造體系必然造成多期次、多方向、多性質(zhì)的斷裂活動(dòng)。在南海北部，斷裂系統(tǒng)以北東和北北東向?yàn)橹?，晚期受到北西向配套斷裂切割，這套北西向斷裂主要為張性或張扭性（圖4），有利于油氣運(yùn)移，為深層天然氣向上運(yùn)移創(chuàng)造良好條件[53-55]。

圖4 南海北部和鄰區(qū)活動(dòng)斷裂和地震分布Fig.4 Distribution of active faults and earthquakes in northern South China Sea and its adjacent areas

2.4 氣源條件

氣源條件是形成天然氣水合物的關(guān)鍵，目前認(rèn)為主要發(fā)育4類氣源：

1）生物氣

世界上已發(fā)現(xiàn)的生物氣儲(chǔ)量為15.5×1012m3，占全世界天然氣總儲(chǔ)量的20%。南海地塊的北部和南部均發(fā)育了大型陸緣碎屑供給體系，具有較高的生物氣生產(chǎn)率，為海底生物氣資源奠定了良好的氣源基礎(chǔ)。

2）淺層熱解氣

2 000 m 以淺的地層中熱解氣充足。中下中新統(tǒng)分布廣，全區(qū)可見(jiàn)，為1 套海相地層，烴源巖厚180～200 m，具較好生烴能力。另外，上漸新統(tǒng)—中中新統(tǒng)烴源巖，為濱海—淺海相烴源巖，厚度一般300～400 m，生油地球化學(xué)指標(biāo)較好，有機(jī)碳普遍介于0.35%～5%。南海北部陸架外緣至深海盆地，腐泥質(zhì)含量較高，以II型和少量I型干酪根為主。

3）深層熱解氣

①古新統(tǒng)—下漸新統(tǒng)烴源巖，沉積范圍有限，主要分布在坳陷內(nèi)，烴源巖厚度變化較大，一般200～300 m，生油地球化學(xué)指標(biāo)良好，為中等烴源巖。在珠江口盆地中始新統(tǒng)為重要的區(qū)域性烴源層；在東海的平湖組和靈峰組上段，有機(jī)質(zhì)豐度較高，分別為0.4%和2.28%。

②中古生界烴源巖，烴源巖厚度變化較大，一般200～300 m，生油地球化學(xué)指標(biāo)較好，為中等烴源巖。在粵東沿岸地區(qū)，上三疊—下侏羅統(tǒng)海相頁(yè)巖中有機(jī)碳含量達(dá)0.21%～1.99%。

4）油氣田氣

目前，南海海域新生界已發(fā)現(xiàn)了上百個(gè)油氣田，且以氣田為主，既有淺層油氣田，又有中深層油氣田，還會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)新的油氣田，為天然氣水合物成藏提供了豐富的氣源。目前發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物藏與中深層油氣田有密切關(guān)系。例如：南海北部神狐天然氣水合物藏的深部對(duì)應(yīng)于白云凹陷內(nèi)部的有利區(qū)，在瓊東南盆地陵17-2 深水大氣田之上對(duì)應(yīng)發(fā)育了天然氣水合物富集區(qū)。

總體上，生物氣、淺層熱解氣、中深層熱解氣及油氣田氣等4類氣源，是天然氣水合物成藏的重要?dú)庠碵55-56]，如圖5 所示，3 800 m 以下文昌和恩平組油氣藏為深部富集常規(guī)油氣資源；在2 000～3 800 m珠江和珠海組為淺層油氣藏；在300～2 000 m 韓江組到第四紀(jì)沉積巖中發(fā)育淺層生物氣和游離天然氣；水合物分布于深水海底160～300 m的晚中新世—上新世未成巖深灰色細(xì)粒沉積物中。

圖5 珠江口盆地白云凹陷深水油氣藏與生物氣及海底水合物疊置分布模式Fig.5 Superimposed distribution mode of deep water reservoirs,biogas and submarine hydrate in Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basin

3 天然氣水合物分布特征

研究認(rèn)為，沉積相與環(huán)境、構(gòu)造條件是控制天然氣水合物分布的主要因素[57-58]。

3.1 沉積相與環(huán)境

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物，主要發(fā)育于細(xì)粒粉砂、粉砂質(zhì)泥等沉積物中，其孔隙度與生物硅含量呈正相關(guān)。沉積速率越快、厚度越大，越有利于天然氣水合物富集。三角洲、滑塌扇、濁積扇、斜坡扇往往沉積速率高，是有利于天然氣水合物富集的沉積相類型。在地震剖面上，往往表現(xiàn)在相對(duì)整一的反射中發(fā)育斷續(xù)的、略平行于海底反射的強(qiáng)反射；且往往和斷裂反射、滑坡面反射構(gòu)成相交關(guān)系（圖6）。

圖6 典型似海底反射層的（BSR）反射和斷裂、滑坡等構(gòu)造現(xiàn)象的耦合關(guān)系Fig.6 Relation between typical bottom correlated reflector（BSR）and tectonic phenomena such as fractures and landslides

3.2 構(gòu)造條件

1）斷裂構(gòu)造

首先，斷裂是運(yùn)移通道。其次，構(gòu)造活動(dòng)形成的斷裂及裂隙通道和局部正向構(gòu)造是流體及天然氣水合物成礦成藏的有利區(qū)帶及場(chǎng)所[59]。

區(qū)內(nèi)發(fā)育了多期、多類型、多方向、不同規(guī)模的斷裂構(gòu)造，以北東向及北北東走向斷裂體系為主，后期又產(chǎn)生北西和北北西向的張性及張扭性斷裂系統(tǒng)，使淺層及中深層熱解氣和油氣田氣，沿活動(dòng)斷裂向上運(yùn)移，在海底形成天然氣水合物并富集成藏。因此，泥火山、氣煙囪等現(xiàn)象就是深部天然氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移的表現(xiàn)（圖7）。體現(xiàn)在淺層的BSR 和深層的烴源巖之間往往通過(guò)斷裂附近、或構(gòu)造上部的雜亂空白反射予以溝通，這是構(gòu)造活動(dòng)形成垂向高孔滲帶、深層烴源巖生成的烴類垂向運(yùn)移、減弱波阻抗差的結(jié)果。

圖7 氣煙囪的地震響應(yīng)特征Fig.7 Seismic response characteristic of gas chimney

2）構(gòu)造樣式

南海地塊構(gòu)造樣式豐富，隆起與坳陷普遍發(fā)育，內(nèi)部發(fā)育褶皺帶、斷褶帶、逆掩帶以及背斜、斷背斜、斷塊等次級(jí)構(gòu)造，隆起與坳陷較發(fā)育的臺(tái)西南、東沙南、神狐東、西沙海槽、西沙北、西沙南、中建南、萬(wàn)安北、北康北、南沙中、禮樂(lè)東地區(qū)是天然氣水合物富集成藏的有利部位。

4 結(jié)論

1）南海天然氣水合物資源潛力巨大，生物氣、淺層熱解氣、中深層熱解氣及油氣田氣等是天然氣水合物成藏的重要?dú)庠础?/p>

2）我國(guó)南海海域天然氣水合物成藏條件十分優(yōu)越，南海具有高熱流值條件、沉積地層條件、構(gòu)造條件、氣源條件等有利成藏條件。

3）南海地塊構(gòu)造樣式十分豐富，隆起與坳陷普遍發(fā)育，臺(tái)西南、東沙南、神狐東等11 個(gè)地區(qū)是天然氣水合物富集成藏的有利區(qū)域。