0 引言
天然气水合物是气体和水形成的似冰状固态化合物,由于可点燃,又俗称为“可燃冰”。当水中的气体浓度超过气体溶解度,并保持低温高压环境即可形成水合物,自然界中,最为广泛的是甲烷水合物[1],常见于冻土带和大陆边缘海底[2,3]。适宜水合物形成的沉积体被称为水合物稳定带,水合物层之下有利于游离气的聚集[2],其界面在地震剖面上表现为似海底反射（bottom simulating reflector, BSR）[4,5]。海洋天然气水合物有巨大的资源潜力[6],同时,是诱发冷泉活动和海底滑坡的重要因素[7,8],也被作为全球气候变化和碳循环研究的重要主题[9,10]。但此类问题的准确评价依赖于正确理解沉积体中天然气水合物聚集成藏机制。
受印澳板块、太平洋板块和欧亚板块相互作用的影响,南海北部陆缘自西向东有被动陆缘,准被动陆缘过渡至东部的活动碰撞边缘,与之伴生发育一系列沉积盆地,由西到东依次分布着北部湾、莺歌海、琼东南、珠江口、台西南等一系列大中型沉积盆地（图1）,为有机质富集提供了最佳场所[11]。陆坡、海隆、边缘海深水盆地中的表层沉积物或沉积岩中赋存有天然气水合物,这些构造单元是天然气水合物富集成藏的理想场所[12]。南海北部发育了多种与天然气水合物密切相关的地质体,包括海底滑塌体、泥底劈、多边形断层、气烟囱、流体管道等,构成了良好的水合物流体运移体系[13]。综合来看,南海北部陆坡兼具天然气水合物形成和赋存的地质条件。中国地质调查局组织实施了4项天然气水合物钻探工程,在神狐、东沙和琼东南盆地等重点区域获得了水合物实物样品[14],有力佐证和校验了前期关于南海北部天然气水合物成藏机制的研究成果,为后期完善天然气水合物成藏机制和富集规律研究打下了坚实的基础。
天然气水合物形成涉及温压条件、气源组成、盐度、沉积物,以及时空演化等因素,因而全面的水合物成藏机制研究极为困难[15,16],形成了一些相对简单明了的水合物形成模式和成藏类型。如根据水合物含量和流体运移方式划分水合物,定义产于活动断裂系统和泥火山系统中的水合物是深部流体快速运移到水合物稳定带形成的构造控制高含量水合物或原地生物成因甲烷气和深部来源甲烷缓慢运移到水合物稳定带形成的地层控制低含量水合物[17];根据海底甲烷活动通量定义的低通量水合物和高通量水合物[18];根据水合物体系的热力学特性和在海底的产出特征划分的扩散型和渗漏型水合物[19,20]。这类水合物成藏研究具有相似的局限性,即根据水合物观测定义的天然气水合物成藏模式,并不能完整反映天然气水合物的动态成藏聚集过程。
因此,运用系统论思想探索天然气水合物气体来源、运移和聚集成藏之间的内在联系受到广泛重视,即利用天然气水合物成藏系统研究揭示特定环境天然气水合物成藏机制和富集规律[21]。如地质系统论从烃类生成体系、流体运移体系、水合物成藏富集体系探讨天然气水合物成藏过程[22];根据天然气水合物成藏基本条件、浅表层沉积物、孔隙水地球化学特征及其所反映的气源和天然气水合物分布特征,探讨天然气水合物的成藏系统[23],并指出天然气水合物成藏系统对于天然气水合物成藏机制研究的重要性[24];COLLETT[25]提出了“天然气水合物油气系统”,其中包括了天然气水合物温度-压力稳定条件、气源、气体运移和沉积储层条件等;在“天然气水合物油气系统”基础上,乔少华等[13]提出了“水合物运聚体系”成藏理论,指出含气流体通过特定通道运移至浅部沉积储层聚集成藏,即运移和聚集决定了天然气水合物成藏聚集过程。本文将重点研究天然气水合物成藏特征,分析其发育条件和产出特征。
1 南海北部陆坡天然气水合物研究进展
南海北部陆坡从东段到西段构造活动逐渐减弱,水合物稳定域厚度由东而西、由南向北厚变薄。东部以台西南盆地深水斜坡带成藏条件最为优越,兼具扩散型和渗漏型水合物发育的地质条件,水合物矿藏在稳定域内呈多层、多形式富集的特点;中部以神狐海域白云凹陷南坡为典型代表,为扩散型水合物发育的有利区,水合物矿藏在稳定域底部呈单层发育特点;西南部以琼东南盆地的陆坡深水区成藏条件最为优越,有利于发育渗漏型水合物矿藏[26]。
南海北部陆坡具有大量指示天然气水合物发育的地球化学和地球物理异常标志。地球化学方面包括沉积物孔隙水氢氧同位素、孔隙水离子浓度、酸解烃、自生矿物及碳硫同位素等异常标志[27]。地球物理方面,在中新世、上新世和第四纪地层中共发现26个BSR分布区,在局部地区出现与地层的斜交[28,29]。强振幅的BSR多出现在泥底劈、气烟囱等流体构造活跃的部位,弱振幅BSR的出现可能与水合物下方的游离气含量过低有关[30]。BSR与构造坡折、深水重力流及等深流沉积密切相关。在三角洲前缘,BSR侧向较连续但延伸距离短;在海槽与底辟发育区,BSR受断层与底辟切割往往呈断续分布;在海底扇、浊流、等深流发育的位置,BSR侧向连续延伸距离远[29]。底辟构造、海底滑坡、活动断层和挤压脊等特殊地质体发育区是天然气水合物成藏的有利区域[31]。
南海北部陆坡东沙、神狐、西沙和琼东南为4个重点勘探区块[11,32]。中国地质调查局先后在神狐、东沙和琼东南等海域获得了水合物实物样品[33],其中琼东南盆地发现了与冷泉存在共生关系的浅层水合物[34,35]。神狐海域共实施了3次天然气水合物钻探取样,其中2015年GMGS3钻探区水合物分布面积约128βkm2,预测资源量超过1 500亿m3 [14],具有5种水合物赋存状态,分别是厚层状水合物、分散状水合物、斑状水合物、断层附近水合物和薄层状水合物[36]。2013年在东沙海域实施了水合物钻探（GMGS2）,在5个站位发现了水合物,水合物以块状、层状、脉状和分散状形式赋存[37],并在钻探区发现了上下两个水合物矿层和两期自生碳酸盐岩层[38]。
2 南海北部陆坡水合物成藏机制分析
2.1 东沙海域
东沙海域位于南海北部东沙群岛以东地区,构造上位于台西南盆地的中部隆起区[39]。东沙海域水深300 ~ 2 000βm,发育峡谷、水道、斜坡、陡崖等地貌单元,海底地形复杂。始新世,东沙群岛以东地区抬升,遭受剥蚀。南海第三次扩张期间（中中新世—上新世）发生大规模构造沉降,大量有机质随沉积物被埋藏,在浅部经过微生物降解形成甲烷或者到达深部受热裂解形成天然气,为水合物生成提供了充足气源[11]。构造运动形成良好的气体运移通道以及欠压实、高孔隙的水合物储集空间[40]。东沙海域深部气体在地层压力作用下,可沿断层、裂缝、不整合面、砂岩疏导层和气烟囱等通道向上运移,在满足水合物生成的通量条件下,形成多类型特征的天然气水合物[11]。
2.2 神狐海域
珠江口盆地神狐海域自中新世以来进入构造沉降期,高沉积速率为天然气水合物形成创造了良好地质条件。沉积物中有机质含量为0.2% ~ 1.9%[41,42,43],提供了水合物发育的物质基础。浅层原位生物成因甲烷对水合物形成的贡献很小,气体以深源甲烷为主。神狐海域晚期断裂活动极其丰富,新生代断层从下部到上部越来越发育,古近纪底部断裂是裂谷断陷期沉积的主控因素,在热沉降过程中基底断裂作用不断加强,上新世以来出现断裂活动高峰,断层以NE向为主,活动强度小,但数量众多,派生出许多羽状排列的断层,复杂的断裂活动使沉积体成为具有极高渗透性的裂隙介质,有利于普遍性的深部流体流动和水合物发育[41]。新构造运动改造,形成了大量的晚期构造圈闭,同时形成了规模巨大的泥底辟活动带,与神狐海域天然气水合物发育密切相关[41]。神狐海域水合物是在断层活动和后期泥沙沉积背景下形成的[16],表现为“自源与他源渗漏复合型”的水合物成藏模式[44]。
2.3 西沙海槽
西沙海槽处在南海北部被动大陆边缘,为主要受近东西向断裂控制的裂谷带。自晚渐新世形成以来,曾多次发生构造运动,一直到第四纪仍然有构造活动。海底碳酸盐岩和海底麻坑显示该区域发生过或正在发生冷泉流体活动[45,46,47]。在地震剖面上,可以看到断层一直切到第四系,甚至到海底。在海槽两壁上为断阶状地形,这些张性断层为深部流体活动通道。西沙海槽满足水合物生成与富集这两大基本条件。古近纪以来沉积物中含有丰富的有机质,经过多期快速沉降,且区域地温梯度高,有利于有机质的成熟,保证了水合物形成气源的供给;在储集方面,除了有较好的浊积砂岩外,在凹陷部位边缘还发育有三角洲、冲积扇等多种类型的岩性圈闭。研究显示西沙海槽甲烷气具备浅层微生物成因来源,也有深部热解成因烃气和幔源成因CO2气的物质来源条件。同时,该区发育众多张性断层,给该区浅部地层的甲烷气和地层水等物质提供通道和动力条件。西沙海槽形成水合物的甲烷为断层渗逸—自由扩散作用双重运移的结果,水合物形成断层—渗滤主导的综合地质模式[48],具有典型的“他源渗漏型”特征[44]。
2.4 琼东南盆地
琼东南盆地位于南海北部西端,始新统为半深湖相泥岩,下中新统—渐新统陵水—崖城组为浅海相泥岩,中中新统—下中新统梅山—三亚组为滨海—浅深海相泥岩,新近纪以来烃源岩进入生排烃高峰期。古近纪盆地广泛发育的NE、NEE向断裂。新近纪以来,虽然整个盆地进入坳陷期,断层不控制沉积,但在构造高部位、斜坡带,由于深大坳陷内烃类流体的不断聚集,以及地层快速沉积所产生的超压作用,使深部高温、高压流体沿先期断裂的地层薄弱带向上运移,在地震剖面上表现为浅层出现大片的反射模糊区带,这种反射模糊区带是流体的垂向运移通道[49]。琼东南盆地海域中央坳陷带内的大量气烟囱和麻坑及其附近海域为天然气水合物发育的重点目标区[50]。
2.5 水合物成藏分析
主动大陆边缘的俯冲带增生楔是天然气水合物赋存的重要场所。在主动大陆边缘,随着增生楔处沉积物的不断堆积,沉积物负载压力不断增大,形成叠瓦状逆冲断层,并且富含甲烷的孔隙流体伴随着增生楔的发育在沉积和脱水过程被释放,当孔隙流体沿这些断层向上运移进入水合物稳定带,则形成天然气水合物矿藏。水合物脊为卡斯卡底大陆边缘的增生楔变形前缘第二逆冲增生脊,是斜向俯冲挤压所致的增生楔中强烈变形的一部分。水合物脊发育的走滑断层、逆冲断层、泥火山充当深部气体向上运移的通道[54]。台西南盆地为典型的汇聚型大陆边缘,受板块挤压和岩层俯冲的影响,形成了增生楔、逆冲断层和泥底辟等构造特征[55]。沉积地质构造决定水合物产出特征与水合物脊具有相似性,以扩散型水合物为主,局部位置发育渗漏型水合物,渗漏区有碳酸盐岩和冷泉活动等[56]。
褶皱—沉积盆地也是天然气水合物赋存的有利场。褶皱和构造沉降不仅形成了水合物储集层,并且促使了断层的发育,为深部气源向上运移提供了通道[54]。美国布莱克海台为褶皱构造,是中渐新世宽广平滑的深海沉积冲积物。大量断层与布莱克海脊轴部平行,且多为正断层,也有一些断块被抬升压缩,表现为褶皱和逆冲。神狐海域处于珠江口沉积盆地,具有明显的气烟囱、区域大尺度断层、深水扇中的正断层和滑移体中的滑脱断层。气烟囱具有直立的通道形态,大尺度断层位于水合物钻探区的西北部和东北部,断层规模大,对深部地层表现出明显的控制作用。滑移体中的滑脱断层在神狐海域的第四纪地层中非常常见,在剖面上呈雁列式分布。气烟囱和规模小数量多的断裂体系为含气流体的运移提供了垂向和侧向的输送通道,构成了水合物的流体运移体系[57]。处于褶皱部位的布莱克海台天然气水合物与处于沉积盆地中的神狐海域天然气水合物产出特征都具有相似性,发育典型的扩散型天然气水合物。
底辟、泥火山或麻坑构造与天然气水合物发育密切相关。在地质应力驱动下,深部塑性物质（泥、盐、气）垂向流动,致使沉积盖层上拱而形成底辟构造,当塑性流刺穿海底时即形成泥火山或麻坑。被动大陆边缘内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动及张裂作用,可形成大规模的泥火山、底辟或麻坑构造。当然,底辟构造可能成为深部流体向上运移的通道[54]。挪威海Haakon Mosby泥火山发育区天然气水合物聚积呈同心圆带状分布,并受控于暖流的向上运移。麻坑构造是含甲烷流体的通道,是深部热成因或生物成因气体沿多断层系向上运移至海底,致使海底塌陷而形成的[58]。如挪威大陆边缘Vøring台地东南部麻坑区,地震剖面上显示的“麻坑”构造之下为一些窄的垂直通道,称之为“气烟囱”,麻坑发育区往往具有明显的BSR显示,也有可能在麻坑之中采到水合物实物样品,几乎所有的麻坑及其下的气烟囱都位于BSR之上[58]。同样地,琼东南盆地天然气水合物发育与底辟和麻坑构造密切相关。琼东南盆地（包括西沙海槽）晚中新世以来进入加速沉降阶段,构造活动较为平静,沉积物主要源自北部的陆架陆坡体系。新近系坳陷阶段以来,多边形断层和底辟构造作为含气流体向浅部地层运移的主要通道。琼东南盆地深部发育大型底辟构造,造成浅部底层隆起拉升,深部流体沿底辟和多边形断层向上运移[59],导致大量海底麻坑构造和冷泉活动,麻坑区发育天然气水合物[45,46,47]。
3 结论
南海北部陆坡天然气水合物成藏因素复杂。区域构造地质控制着气源、流体疏导体系、富集空间及储层物性特征,因此,南海北部陆坡4个研究区,即东沙海域、神狐海域、西沙海槽和琼东南盆地的水合物成藏条件及控制因素具有明显差异性。东沙海域构造运动形成良好的气体运移通道以及欠压实、高孔隙储集空间。东沙海域深部气体在地层压力作用下,可沿断层、裂缝、不整合面、砂岩疏导层和气烟囱等通道向上运移,并形成天然气水合物;神狐海域规模巨大的泥底辟活动,决定了其水合物产出和分布特征;西沙海槽水合物形成断层—渗滤主导的综合地质成藏模式;琼东南盆地中央坳陷带内为天然气水合物发育的重点区。神狐海域天然气水合物发育与增生楔、逆冲断层和泥底辟等构造相关,水合物产出特征与水合物脊类似,神狐海域天然气水合物与布莱克海台天然气水合物产出特征都具有相似性,琼东南盆地的底辟、泥火山或麻坑构造与天然气水合物发育密切相关。