南海东北部陆坡天然气水合物藏特征

张光学 梁金强 陆敬安 杨胜雄 张 明苏 新 徐华宁 付少英 匡增桂

1.“国土资源部海底矿产资源”重点实验室·广州海洋地质调查局2.中国地质调查局海洋石油天然气地质研究中心·广州海洋地质调查局 3.中国地质大学（北京）海洋学院

天然气水合物（以下简称水合物）作为未来潜在的高效清洁能源，主要赋存于陆地永久冻土区和海洋大陆斜坡、海隆等温压适宜的地区。我国自1999年开始，在南海北部陆坡开展了高分辨率多道地震调查和准三维地震调查，发现了天然气水合物存在的一系列指示标志。在南海北部的西沙海槽、琼东南盆地、珠江口盆地和台西南盆地的深水地区均发现了似海底反射层（BSR），并绘制了南海东北部大陆斜坡地区的BSR分布图。与此同时，开展了地质、地球化学调查，也获得了与水合物存在相关的地质信息［1－8］。

特别是2013年6—9月期间，国土资源部中国地质调查局（CGS）、广州海洋地质调查局（GMGS）与辉固国际集团、英国GEOTEK合作使用 M／V REM Etive钻探船，在紧邻珠江口盆地东部的台西南盆地中部隆起附近地区水深664～1 420m范围内钻探13个站位［9］（图1、2），10个站位进行了随钻测井（Logs While Drilling，LWD）、3 个 站 位 进 行 了 有 缆 测 井（Wireline Logs，WLL）。其中8个站位的先导测井曲线显示出水合物存在的异常，5个站位取心获取了大量的层状、块状、结核状、脉状及分散状等多种类型的水合物实物样品，甲烷气体含量超过99%。这是中国海域天然气水合物勘探的里程碑，标志着可视的、多种赋存形式水合物实物样品的首次被获取。

钻探发现的多种赋存形式水合物以及与之伴生的碳酸盐岩结壳，充分证实了研究区具有良好的水合物成藏条件。基于2013年的钻探结果，本文初步分析了沉积物中水合物的地球物理异常和空间分布及产出特征。

1 地质背景

1.1 地层与构造

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由被动陆缘、准被动陆缘过渡至东部活动碰撞边缘，与之伴生发育一系列沉积盆地［4－5］（如琼东南盆地、珠江口盆地、台西南盆地等），盆地沿北东南西向展布。

台西南盆地位于南海北部东沙群岛以东地区，在南海两次扩张演化过程中（即早白垩世末和距今32～17Ma），处于古太平洋边缘的浅海环境，发育了较厚的海相沉积。南海第三次扩张期间（中中新世—上新世），发生大规模沉降运动，以海相沉积为主［10］，南海东北部陆坡形成了巨厚沉积。

研究区位于台西南盆地的中部隆起区附近［11］（图3），西邻台湾峡谷（即福尔摩沙峡谷），东接澎湖峡谷，所处海域海底地形地貌复杂（图2），发育海槽、海谷、海山、陡崖、斜坡、冲刷沟、海丘等。如台湾峡谷，深切南海北部斜坡，全长约110km［5］，可作为大量沉积物的运输通道。

台西南盆地的中部隆起紧邻盆地的南、北坳陷［10］（图4）。新生代以来自下而上发育古近系（古新统、始新统、渐新统）、新近系（中新统、上新统）和第四系。盆地拥有中生界、古新统—始新统、上新统—中中新统、上中新统—更新统共4套气源岩，有机质成熟度高，多为腐殖型干酪根，气源条件较好［11］。研究区水合物藏主要发育于上中新统—第四系全新统。

图1 研究区位置图

图2 研究区钻探测井及取心站位位置图

图3 台西南盆地及研究区位置示意图（据龚跃华［11］有修改）

图4 台西南盆地构造剖面图（据易海［12］有修改）

台西南盆地发育NW—NWW和NNE—NEE两组不同方向的断层，且前者切割后者，说明前者形成时代较晚，大约形成于距今15Ma之后，主要控制第四系沉积。NW向断层作为中深层隐伏断层，其活动可引起上覆松软第四系沉积层处于高压低张环境。南海东北大陆边缘发育正断层，东部吕宋岛弧增生楔形成一系列西倾的叠瓦状褶皱和逆冲断层［11－12］。

1.2 水合物成藏条件

南海北部台西南盆地位于南海东北部大陆斜坡，地质、地球物理、地球化学调查证实为水合物形成的有利地区。例如BSR和BZ暗示了研究区水合物的存在［9］。2004年中德RV SONNE 177航次联合勘探发现大量活动冷泉，称之为九龙甲烷礁（Jiulong Methane Reef，JMR）［13－14］，暗示该区很有可能发育水合物。

根据气源、地质构造和温压域分析，认为南海北部台西南海域是水合物发育的潜力地区［15－17］。研究区地形复杂，地貌变化大，陡坡、峡谷十分发育，海水深度介于300～2 000m，峡谷两侧的斜坡之上的隆起区是水合物成藏的有利区带。区内晚中新世以来的新构造活动活跃，断层切穿较新的沉积层（深水底流、浊流形成的具有“S”形前积结构的地层），甚至延伸至海底。伴随着断层活动，深部热成因裂解气和上新世—更新世生物成因气 可 运 移 至 浅 部 地 层 之 中［13，18－19］。 此 外，该区域内还发育大量的泥底辟构造［11］。断层和泥底辟构成了研究区水合物系统的含气流体运移通道，使得水合物成矿区带与断层走向及泥底辟的延伸方向有着较好的对应关系［11］。

2 水合物藏地球物理异常特征

2.1 地震异常特征

水合物藏地震异常特征通常包括地震剖面上显示的BSR、BZ、速度倒转及极性反转等地震异常信息［1－2，20－21］。研究区内 BSR 异常特征明显，是识别水合物存在的主要地球物理标志（图5）。全区BSR埋深介于160～220m、平均约180m，大多位于700～900 m的水深范围，个别深至1 127m，代表了一定温压条件下生成的、近似平行于海底的物理反射界面，常与地层斜交。

通过合成记录，可以将GMGS2－08井的测井曲线叠加到地震剖面上（图5）。从图5中的声波测井曲线可以看出，BSR是一个明显的速度分界面，附近地层存在着明显的速度倒转现象（图5），即BSR之上为速度相对较高的含水合物层，之下则为聚集的低速游离气层，这与正常沉积地层自浅至深速度逐渐增大刚好相反［20］。BSR这一速度特征与含天然气水合物的“游离气体带”模型非常吻合［13］，而BSR的横向变化则可能指示天然气水合物呈层状分布，以厚层块状的形式分布于水合物稳定带内的高速层中。

2.2 测井异常特征

含水合物沉积层的电阻率测井和声波测井曲线异常明显，往往表现为高阻、高速特征，且两者往往与水合物矿层同时出现。因此，普遍认为两者组合是识别水合物的最有效方法［21－22］。

研究区8口井显示含水合物层电阻率异常高值范围为2.5～200Ω·m，与之对应层位的声波测井异常均为高值，且GMGS2－08、GMGS2－16井出现两层含水合物测井异常特征。以研究区GMGS2－08井为例，水深801m，水合物异常层段分2段（图6）［9］，其测井曲线特征如下：

1）第一异常段位于浅部，深度区间为810～824m（自钻台面起算，下同），最大电阻率达17.5Ω·m，本层声波速度略有升高，位于810.18m深度处声波时差最低为183.37μs／ft（速度1 662m／s），井径曲线在此范围内较为规则，自然伽马值较底部地层略低，密度与中子测井曲线无明显异常。综合测井曲线解释，推断此层段含有天然气水合物。

2）第二异常段位于深度区间867.5～899m，最大异常幅值超过200Ω·m，声波时差明显降低，最低值达111μs／ft（速度2 746m／s），本段地层自然伽马与密度测井明显偏低，而中子测井显示出较大的孔隙度。其中自然伽马曲线与电阻率曲线呈镜像特征，即电阻率值高的位置，自然伽马测井值降低；密度测井显示872.58m 深度处，密度值为1.08g／cm3，接近于水或水合物的密度，而其中子测井孔隙度则表现为100%的异常。综合测井曲线解释结果认为，该层段可能为厚层块状水合物。

以上两个层位是本站位的主要水合物矿层。

图5 研究区过GMGS2－08井的地震剖面图（绿色表示电阻率曲线，红色表示纵波速度曲线）

图6 研究区GMGS2－08井的LWD测井曲线图（深度从海底算起）

3 水合物藏分布及产出特征

钻探取心结果表明，5个站位的钻井（GMGS2－16、GMGS2－05、GMGS2－07、GMGS2－08、GMGS2－09）均不同程度地发现了水合物，以块状、层状、团块状、脉状及分散状等自然产状赋存于粉砂质黏土及生物碎屑灰岩中（图7）。另外，还有3个站位钻井（GMGS2－04、GMGS2－12、GMGS2－01）的测井资料显示声波速度和电阻率存在异常，据此推断存在分散状水合物［9］（图8）。据孔隙水Cl－浓度含量推算，水合物饱和度介于45%～100%，水合物中甲烷气体含量超过99%，为Ⅰ型结构水合物。

图7 研究区GMGS2－08井的水合物自然产状图

3.1 垂向分布特征

依据上述5口井的钻孔取心、3口井的测井解释结果，绘制了研究区含水合物钻井的联井剖面（图8），其水合物层及自生碳酸盐岩等特殊沉积层如图8所示。具体情况描述如下：

1）GMGS2－16井。水深871m，共发育两层水合物：15～30mbsf（meters below sea floor，海底以下深度）层段发育瘤状水合物；189～226mbsf层段发育分散状、脉状水合物。

2）GMGS2－05井。水深1 127m，201～208mbsf层段发育分散状水合物。

3）GMGS2－07井。水深791m，共发育两层水合物：13～50mbsf层段沉积物呈粥状特征，其底部发现瘤状水合物；65～84mbsf层段，测井资料显示电阻率21Ω·m，声速2 480m／s，综合推测可能为分散状水合物。

4）GMGS2－08井。水深801m，近海底浅层局部发育浅黄色自生碳酸盐结核黏土，该站位共发育两层水合物：8～23mbsf层段发育块状、瘤状或脉状水合物，厚度约15m，横向分布范围相对较宽；68～90 mbsf层段发育厚层块状水合物，厚度约30m，横向分布范围相对较窄。值得注意的是，58～63mbsf层段发育生物碎屑灰岩、浅灰色泥质角砾碳酸盐岩及含气孔角砾灰岩，角砾含量大于70%，基质为浅灰色自生碳酸盐岩细小角砾和方解石微晶沉淀，碳酸盐岩块中发育孔洞和结晶良好的方解石层或方解石脉。

5）GMGS2－09井。水深664m，该站位海底发育大量自生碳酸盐岩，9～21mbsf层段发育结核状水合物。

6）GMGS2－04井。水深913m，137～143mbsf层段测井资料显示电阻率为4Ω·m，推测可能为分散状水合物。

7）GMGS2－12井。水深738m，91～98mbsf层段测井资料显示电阻率为3.1Ω·m，声速为2 662m／s，综合推测可能为分散状水合物。

8）GMGS2－01井。水深886m，132～140mbsf层段测井资料显示电阻率为2.9Ω·m，声速为2 613m／s，综合推测可能为分散状水合物。

综合上述各井水合物发育情况，以90mbsf为界，大致可分为上部和下部两个水合物层，其垂向分布特征如下：

上部水合物层（0～90mbsf）：在此层段范围内的不同深度处均发育水合物，如 GMGS2－16、GMGS2－07、GMGS2－08、GMGS2－09井，水合物多呈块状、瘤状或脉状，且以可视水合物为主，水合物层厚度介于15～32m，横向分布范围相对较窄。母岩为浅灰色粉砂质黏土，海底及该层段的中部发育两期自生碳酸盐岩。

下部水合物层（91～226mbsf）：在此层段范围内的不同深度处均发育水合物，如GMGS2－16、GMGS2－05、GMGS2－04、GMGS2－12、GMGS2－01井，水合物多呈分散状，肉眼不可视，饱和度高，横向分布范围相对较宽，水合物层厚度介于6～37m。母岩为灰绿色粉砂质黏土，少见自生碳酸盐岩。

总的来说，研究区中上部沉积以粉砂质黏土为主，颗粒较粗，孔隙度较大，主要发育可视的块状、脉状、层状、瘤状水合物，是裂隙充填作用的结果，受岩性及其粒度影响较小。研究区中下部沉积物埋深较大，孔隙度偏小，颗粒较细，发育肉眼不可见的以孔隙充填为主的分散状水合物［9］。

3.2 平面分布特征

根据钻测井资料解释和取心结果，圏定出水合物藏的分布范围（图9），面积约55km2。以台湾峡谷的一个分支为界，将研究区的水合物分为东、西2个成藏区，西 成 藏 区 由 7 口 井 （GMGS2－08、GMGS2－09、GMGS2－07、GMGS2－05、GMGS2－04、GMGS2－01、GMGS2－12）控制，水深介于664～1 127m，各井发育水合物的层数不均，除GMGS2－08井发育深、浅两个水合物层形成复式水合物藏以外，其他大多数站位仅发育单个水合物层，依此圏定的西成藏区面积相对较大，成藏区平面整体呈北西南东向，与上述分支海槽走向近似一致；东成藏区仅由W16站位单井控制，面积目前尚难以准确划定。

4 水合物地质储量计算

根据水合物钻探结果，给定水合物地质储量计算的相关参数：水合物所含气体体积为1 000×108m3；钻井控制矿体面积为55km2；含水合物层厚度介于10～50m；含水合物沉积物孔隙度介于45%～100%；含水合物饱和度介于45%～100%；产气因子为164。

利用自主研发的计算软件［23－24］（图10），在50%概率条件下，初步估算研究区水合物地质储量约为1 250×108m3天然气，其规模相当于一个特大型常规天然气田。

总之，南海东北部海域钻探区发育多个水合物藏，具有水合物的“埋藏浅、厚度大、赋存类型多、饱和度高、甲烷纯度高”等优质矿藏特点，综合显示具有较好的水合物资源潜力。

图9 研究区水合物藏平面分布图

图10 研究区水合物藏地质储量计算图

5 结论

1）研究区水合物藏的地震异常信息丰富，BSR特征明显，所处水深介于700～900m，埋深介于160～220m，与地层斜交，BSR附近层位存在明显的速度倒转现象，之上连片振幅弱反射带或空白带为高速层，可作为块状、层状水合物矿藏的地震异常表观。

2）研究区水合物藏的测井异常显示为“高速、高阻”特征，含水合物层电阻率异常高值超过200Ω·m，与之对应层位的声波测井异常均为高值。电阻率、声速与水合物的自然产状有一定的量化关系，如高电阻率、高纵波速度层段发现块状或层状水合物。

3）研究区水合物藏所处水深介于664～1 127m；含水合物层位于海底以下埋深220m以内，储层为粉砂质黏土及生物碎屑灰岩；共发育2个水合物层，单层厚度介于15～35m；水合物饱和度介于45%～100%；水合物中甲烷气体含量超过99%，为Ⅰ型结构水合物；水合物自然产状为块状、层状、团块状、脉状及分散状等。水合物藏具有埋藏浅、厚度大、类型多、含矿率高、甲烷纯度高等特点。

4）初步估算研究区水合物地质储量约为1 250×108m3天然气（50%概率条件下），相当于一个特大型常规天然气田。

［1］张光学，黄永样，祝有海，等.南海天然气水合物的成矿远景［J］.海洋地质与第四纪地质，2002，22（1）：75－81.ZHANG Guangxue，HUANG Yongyang，ZHU Youhai，et al.Prospect of gas hydrate resources in the South China Sea［J］.Marine Geology ＆ Quaternary Geology，2002，22（1）：75－81.

［2］黄永样，张光学.我国海域天然气水合物地质—地球物理特征及前景［M］.北京：地质出版社，2009.HUANG Yongyang， ZHANG Guangxue.Geological－geophsical characteristics and prospects of gas hydrate in China Marine［M］.Beijing：Geological Publishing House，2009.

［3］吴必豪，张光学，祝有海，等.中国近海天然气水合物的研究进展［J］.地学前缘，2003，10（1）：177－189.WU Bihao，ZHANG Guangxue，ZHU Youhai，et al.Progress of gas hydrate investigation in China offshore［J］.Earth Science Frontiers，2003，10（1）：177－189.

［4］LIU C S，SCHNURLE P，WANG Yunshuen，et al.Distribution and characters of gas hydrate offshore of southwestern Taiwan［J］.Terrestrial Atmospheric and Oceanic Sciences，2006，17（4）：615－644.

［5］FUH S C，CHERN C C，LIANG S C，et al.The biogenic gas potential of the submarine canyon systems of Plio－Peistocene Foreland Basin，southwestern Taiwan［J］.Marine and Petroleum Geology，2009，26（7）：1087－1099.

［6］陆红锋，孙晓明，张美.南海天然气水合物沉积物矿物学和地球化学［M］.北京：科学出版社，2011.LU Hongfeng，SUN Xiaoming，ZHANG Mei.Sediment mineralogy and geochemistry of gas hydrate in the South China Sea［M］.Beijing：Science Press，2011.

［7］徐华宁，梁蓓雯，张光学，等.南海北部陆坡天然气水合物地震识别研究［J］.天然气工业，2006，26（9）：49－51.XU Huaning，LIANG Beiwen，ZHANG Guangxue，et al.Seismic identification of gas hydrate on northern slope of South China Sea［J］.Natural Gas Industry，2006，26（9）：49－51.

［8］吴能友，张海啟，杨胜雄，等.南海神狐海域天然气水合物成藏系统初探［J］.天然气工业，2007，27（9）：1－6.WU Nengyou，ZHANG Haiqi，YANG Shengxiong，et al.Preliminary discussion on natural gas hydrate（NGH）reservoir system of Shenhu area，north slope of South China Sea［J］.Natural Gas Industry，2007，27（9）：1－6.

［9］ZHANG Guangxue，YANG Shengxiong，ZHANG Ming，et al.GMGS2expedition investigates rich and complex gas hydrate environment in the South China Sea［J］.NETL，Fire in the Ice （Methane Hydrate Newsletter），2014，14（1）：1－5.

［10］LIN Chechuan，LIN A Tien－Shun，LIU Char－Shine，et al.Geological controls on BSR occurrences in the incipient arc－continent collision zone off southwest Taiwan［J］.Marine and Petroleum Geology，2009，26（7）：1118－1131.

［11］龚跃华，吴时国，张光学，等.南海东沙海域天然气水合物与地质构造的关系［J］.海洋地质与第四纪地质，2008，28（1）：99－104.GONG Yuehua，WU Shiguo，ZHANG Guangxue，et al.Relation between gas hydrate and geologic structures in Dongsha islands sea area of South China Sea［J］.Marine Geology ＆ Quaternary Geology，2008，28（1）：99－104.

［12］易海，钟广见，马金凤.台西南盆地新生代断裂特征与盆地演化［J］.石油实验地质，2007，29（6）：560－564.YI Hai，ZHONG Guangjian，MA Jinfeng.Fracture characteristics and basin evolution of the Taixinan Basin in Cenozoic［J］.Petroleum Geology ＆ Experiment，2007，29（6）：560－564.

［13］LI Lun，LEI Xinhua，ZHANG Xin，et al.Gas hydrate and associated free gas in the Dongsha Area of northern South China Sea［J］.Marine and Petroleum Geology，2013，39（1）：92－101.

［14］黄永样，Erwin Suess，吴能友，等.南海北部陆坡甲烷和天然气水合物地质——中德合作OS－177航次成果专报［M］.北京：地质出版社，2008.HUANG Yongyang，SUESS E，WU Nengyou，et al.Methane and gas hydrate geology of the northern South China Sea：Sino－German Cooperative SO－177Cruise Report［M］.Beijing：Geological Publishing House，2008.

［15］沙志彬，杨木壮，梁劲.天然气水合物成矿的沉积控制因素［J］.海洋地质动态，2003，19（6）：16－20.SHA Zhibin，YANG Muzhuang，LIANG Jin.Sedimentation－controlling factors of natural gas hydration［J］.Marine Geology Letters，2003，19（6）：16－20.

［16］梁金强，王宏斌，苏新，等.南海北部陆坡天然气水合物成藏条件及其控制因素［J］.天然气工业，2014，34（7）：128－135.LIANG Jinjiang，WANG Hongbin，SU Xin，et al.Natural gas hydrate formation conditions and the associated controlling factors in the northern slope of the South China Sea［J］.Natural Gas Industry，2014，34（7）：128－135.

［17］苏丕波，沙志彬，常少英，等.珠江口盆地东部海域天然气水合物的成藏地质模式［J］.天然气工业，2014，34（6）：162－168.SU Pibo，SHA Zhibin，CHANG Shaoying，et al.Geological models of gas hydrate formation in the eastern sea area of the Pearl River Mouth Basin［J］.Natural Gas Industry，2014，34（6）：162－168.

［18］沙志彬，王宏斌，龚跃华.断层与天然气水合物的关系［M］∥南海地质研究.北京：地质出版社，2004：41－47.SHA Zhibin，WANG Hongbin，GONG Yuehua.The relations between faults and gas hydrates［M］∥Geological Research of South China Sea.Beijing：Geological Publishing House，2004：41－47.

［19］沙志彬，王宏斌，杨木壮，等.天然气水合物成矿带的识别技术研究［J］.现代地质，2008，22（3）：438－446.SHA Zhibin，WANG Hongbin，YANG Muzhuang，et al.Study on recognizing technology of gas hydrates zone［J］.Geoscience，2008，22（3）：438－446.

［20］梁劲，王明君，陆敬安，等.南海北部神狐海域含天然气水合物沉积层的速度特征［J］.天然气工业，2013，33（7）：29－35.LIANG Jin，WANG Mingjun，LU Jing′an，et al.Characteristics of sonic and seismic velocities of gas hydrate bearing sediments in the Shenhu area，northern South China Sea［J］.Natural Gas Industry，2013，33（7）：29－35.

［21］陆敬安，杨胜雄，吴能友，等.南海神狐海域天然气水合物地球物理测井评价［J］.现代地质，2008，22（3）：447－451.LU Jing′an，YANG Shengxiong，WU Nengyou，et al.Well logging evaluation of gas hydrates in Shenhu area，South China Sea［J］.Geoscience，2008，22（3）：447－451.

［22］COLLETT T S，LEWIS R E，WINTERS W J，et al.Downhole well log and core montages from the Mount Elbert Gas Hydrate Stratigraphic Test Well，Alaska North Slope［J］.Marine and Petroleum Geology，2011，28（2）：561－577.

［23］梁金强，吴能友，杨木壮，等.天然气水合物资源量估算方法及应用［J］.地质通报，2006，25（9）：1205－1210.LIANG Jinqiang，WU Nengyou，YANG Muzhuang，et al.Resource estimate method of gas hydrates and its application［J］.Geological Bulletin of China，2006，25（9）：1205－1210.

［24］王秀娟，吴时国，刘学伟，等.东沙海域天然气水合物特征分析及饱和度估算［J］.石油物探，2009，48（5）：445－452.WANG Xiujuan，WU Shiguo，LIU Xuewei，et al.Characteristic analysis and saturation estimation of gas hydrate in Dongsha sea area［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2009，48（5）：445－452.