南海东北部陆坡天然气水合物富集特征及成因模式
2016-12-08梁金强张光学陆敬安苏丕波沙志彬龚跃华
梁金强 张光学 陆敬安 苏丕波 沙志彬 龚跃华 苏 新
1.中国地质大学（武汉） 2.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3.中国地质大学（北京）
南海东北部陆坡天然气水合物富集特征及成因模式
梁金强1,2张光学2陆敬安2苏丕波2沙志彬2龚跃华2苏 新3
1.中国地质大学（武汉） 2.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3.中国地质大学（北京）
梁金强等.南海东北部陆坡天然气水合物富集特征及成因模式.天然气工业，2016, 36(10): 157-162.
南海东北部陆坡具有良好的天然气水合物（以下简称水合物）成藏条件，其水合物资源的成因模式明显不同于2007年在神狐海域钻探发现的分散型水合物成矿区。为探讨前者的成藏特征与成因模式，利用钻探区的地震、测井、现场钻探取心及测试分析等资料进行了综合研究，以期加深对南海东北部陆坡水合物富集规律的认识。研究结果表明：①在纵向上，该区发育浅、中、深3套水合物层，构成既相对独立又有一定成因联系的成藏系统，区内存在扩散型、渗漏型和复合型3种成因模式的水合物矿藏；②扩散型水合物呈层状分布在稳定域底部，其底界与海底反射界面（BSR）分布吻合；③渗漏型水合物呈块状、脉状等形式充填在沉积物裂隙或裂缝中，在稳定域不同部位形成多个矿体；④复合型水合物矿藏兼具扩散型和渗漏型水合物的成藏特征，在稳定域底部发育扩散型水合物矿层，而在稳定域上部发育渗漏型水合物体，共同构成复式成藏系统。结论认为：南海东北部陆坡是目前中国水合物资源最为丰富、成藏地质条件最为复杂的成矿区之一。
天然气水合物 中国南海 东北部陆坡 稳定域 成藏模式 富集特征 BSR 扩散型 渗漏型 复合型
2013年，国土资源部中国地质调查局在紧邻珠江口盆地东北部陆坡实施天然气水合物（以下简称水合物）钻探。在钻探区钻探13个站位，包括10个随钻测井站位和3个有缆测井站位，钻探站位水深介于664～1 420 m。其中有8个站位的测井曲线显示水合物存在异常，选择其中5个站位进行钻探取心，均不同程度地发现水合物以块状、层状、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，甲烷气体含量超过99%[1]。
本次钻探集当今先进的水合物钻探、测井、取样及现场测试技术于一体：①利用深潜器获取细致井口微地貌特征并进行精确监控定位；②利用随钻测井技术获得了高质量的电阻率、声速数据，精确确定水合物矿层目标；③利用最新的保压取心工具成功获取了水合物样品；④现场对非保压样品进行热红外温度扫描，孔隙水取样及现场分析，微生物取样，烃类气体采样及现场分析，非岩心样品地质描述、扫描照相、X射线荧光衍射扫描分析、沉积物样品的土力学测试等；⑤现场对保压取心样品进行X射线全扫描、MSCL测试、保压样品的气体释放试验、三轴应力测试等。
钻探取心分析结果表明，南海东北部陆坡具有良好的水合物成藏条件，与2007年在神狐海域钻探发现的分散型水合物成矿区明显不同，是一处新型的水合物矿藏富集区。笔者利用研究区已有资料，探讨了区内水合物成藏特征及成因模式，以期加深对区内水合物富集规律的认识。
1 水合物富集特征
近十多年来，我国在南海北部陆坡开展了大量的调查研究工作[2-3]，发现了水合物赋存的深层—浅层—表层的地球物理、地球化学、地质和生物等多信息异常标志，优选有利目标实施了钻探。钻探区位于南海东北部陆坡，面积约为300 km2，通过对地震、测井、现场钻探取心资料的分析表明，钻探区内水合物潜力巨大，水合物成藏特征及成因模式独特。水合物主要分布在海脊高部位，以中间海槽为界，可分为东西2个富集区。西区由7个发现水合物的站位控制，面积较大；东区仅有1个钻探站位（图1）。从水合物矿藏的纵向分布看，分布深度介于9～208 m，呈现独特的富集特征。初步分析认为钻探区含浅、中、深3套水合物矿层，浅部矿层分布深度为9～30 m，中部矿层为60～100 m，深部矿层为130～210 m，3套含矿层构成相对独立又有一定成因联系的成藏系统（表1）。
图1 钻探区水合物矿藏平面分布图
深部矿层发育于水合物稳定带底部，矿层分布面积大，为扩散型水合物矿藏，在w01、w04、w05和w16这4个站均有发现。矿层深度在海底以下130～210 m，水合物呈均匀分布在粉砂质黏土中，局部层段水合物与碳酸盐岩和贝壳等生物碎屑共生
特征。矿层分布深度与稳定域深度密切相关，地震剖面与测井数据联合分析揭示，矿层底界底界与强BSR分布相吻合（图2），以w16站位为例，测井曲线指示该矿层位于海底以下193.49～203.19 m，电阻率最大值可达3.36 Ω·m，声波速度最高达2 770 m/s（图3）。在200～203.5 m层钻获高饱和度分散型的水合物样品，现场测试保压岩心中水合物饱和度介于44%～55%。
表1 不同钻孔水合物矿藏分布深度表
图2 经过w01、w04和w05站位的联井地震剖面图
图3 w16站位测线曲线及水合物层分布图
中部矿层呈团块状或脉状产出，分布深度在海底以下60～100 m，在w07和w08站位发育明显。以w08站位为例，该层段水合物发育于海底以下65.93～97.93 m，测井电阻率最大超过20 000 Ω·m，声波速度最大达2 746 m/s（图4）。钻探取心揭示在该层段不同深度获得大量块状、脉状和层状水合物，其中在海底以下73.5～76.5 m获取到长度1.97 m的保压岩心段，其中一段厚约20 cm 的单层高纯度块状水合物，岩心释压后取出可以直接点燃，现场分析该层段水合物主要分布在含生物碎屑黏土和生物碎屑砂中。
图4 w08站获取的块状水合物图
浅部矿层呈小块状、脉状或结核状产出，分布深度在海底以下9～30 m，在w08、w16和w09站位均有发现。在w16站位浅部水合物矿层分布在海底以下13.64～27.64 m，测井曲线指示该层段电阻率最大值达28.4 Ω·m，声波速度达1 653 m/s（图3）。通过钻探取心在该层段获得结核状和脉状水合物水合物，水合物主要分布在黏土中。在w08站位该水合物层分布在海底以下8.93～22.93 m，通过保压取心在17～18.5 m发现脉状水合物，水合物主要分布在含碳酸盐岩黏土中。
根据钻孔沉积物顶空气及水合物分解气组分分析，顶空气甲烷/乙烷值介于1 500～100 000，水合物分解气甲烷/乙烷值介于2 000～4 000，甲烷占绝对优势。个别站位顶空气乙烷含量随深度而所有变化，如w16站位甲烷含量从浅层的400 μg/g随深度增加降到200 m的10 μg/g，继而升高至205 m的305 μg/g，该站位上部和下部水合物矿藏的分解
气中，乙烷浓度及甲烷/乙烷值具有相似的特征（图5），同时根据实验室测定，其甲烷δ13C值分布于-70.7‰～-69.9‰，具有极为偏轻的甲烷稳定碳同位素值，初步分析认为其来源相同，主要为生物成因气。
图5 w16站位气体组分分布剖面图
2 成因模式探讨
气体疏导体系及运移方式作为水合物成藏的重要控制因素被许多学者关注。Milkov等[4]根据气体运移的控制因素提出了水合物成藏的4种模型，即断层构造型、泥火山型、地层控制型、构造—地层型。Tréhu等[5]提出了分散型（distributed low-flux gas hydrate）和聚集型（focused high-flux gas hydrate）2种水合物分布类型。苏丕波等根据天然气水合物成藏气体来源将水合物形成类型划分为生物成因型，热解成因型以及混合气源型[6-8]。也有国内学者根据气体的疏导方式划分为扩散型和渗漏型2类体系[9-11]。笔者根据对南海东北部陆坡钻探区水合物成藏条件及成藏特征的综合分析，认为区内存在扩散型（孔隙充填型）、渗漏型（裂缝充填型）和复合型3种成因模式。
2.1 扩散型成因模式
扩散型水合物充填在沉积物孔隙中，储集介质为富含生物碎屑的黏土和粉砂，矿藏呈层状分布在稳定域底部（图6）。因此，也可称之为孔隙充填型水合物（pore-filling gas hydrates）。其显著的识别标志是在地震剖面上出现强振幅、高连续似海底反射界面（BSR）。BSR上部强反射同相轴组合指示水合物层。在水合物层段测井电阻率、声波速度明显增大，声波速度可介于1 600～1 800 m/s，电阻率在2.0～3.5 Ω·m。测井曲线呈指形、箱形或漏斗形特征。
图6 扩散型水合物成因模式图（w05站位）
扩散型水合物甲烷主要来源于稳定带下部，甲烷通量较小，在孔隙水中的以溶解态存在[12]。气体通过沉积物孔隙、微裂缝及层间断层运移，并在浓度差、压力、毛细管力等驱动下以扩散方式运移，当孔隙水中溶解的甲烷浓度超过水—水合物二相体系热力学平衡饱和溶解度时，溶解甲烷析出形成水合物[13]，在稳定域底部聚集成藏。随着沉积埋藏及地层温度和压力变化，底部水合物发生分解，在稳定带之下聚集形成游离气带[14]。世界钻探发现的同类典型富集区有美国东部陆缘布莱克海台、美国西部陆缘南卡斯凯迪亚水合物脊、南海北部陆坡神狐海域、日本南海海槽等。
2.2 渗漏型成因模式
渗漏成因水合物呈块状、脉状、结核状形式充填在沉积物裂隙或裂缝中，在稳定域不同部位形成矿体。因此，也可称之为裂缝充填型水合物（fracturefilling gas hydrates）。其显著识别特征是在地震剖面出现明显气体渗漏通道，气烟囱顶部和侧翼强反射同相轴组合指示水合物层。在水合物层段测井电阻率、声波速度明显增大,密度明显减小，声波速度可介于1 600～2 800 m/s，电阻率一般超过10 Ω·m。曲线呈指形或齿形交替变化。此外，钻探揭示在不同深度发现大量自生碳酸盐岩，例如在w08站位，根据测井曲线在水合物层顶部（海底以下58～61 m），出现一处高电阻率、高声波速度及高密度层，同时中子孔隙度明显降低（图7），取心证实为碳酸盐岩层，其上气孔明显，反映出甲烷渗漏的的特征。在w07站位50 m层附近发现块状碳酸盐岩。在w09站位海
丘上发现大面积碳酸盐岩分布，钻探取心在0～9 m不同程度获取含碳酸盐岩沉积物。表明区内曾经发生多次强烈的甲烷渗漏现象，与水合物的形成与分解相关。
图7 渗漏型水合物成因模式图（w08站位）
渗漏型水合物甲烷来源于地层深部，高通量甲烷以游离态渗漏方式沿断层体系向海底运移，部分在稳定域内转化为水合物，部分甲烷通过微生物活动，沉淀为碳酸盐岩，还有一部分进入海水中[15]。气体渗漏到海底可在海底形成麻炕、丘状体等地貌标志，并发育自养型双壳类、蠕虫类等生物群和多种微生物共生组合[16]，通过这种自养生物群的新陈代谢过程，形成碳酸盐岩。因此，深水区海底自养生物群及冷泉碳酸盐岩是渗漏型水合物形成环境的重要标志。世界钻探发现的同类成因的水合物富集区有美国西部陆缘的北卡斯凯迪亚水合物脊、墨西哥湾、印度K-G盆地、韩国郁陵盆地等。
2.3 复合型成因模式
以w16站位水合物矿藏为典型代表，兼具扩散型和渗漏型水合物成藏特征（图8）。气体运移受气烟囱和断层体系控制，气体向上运移过程中，在稳定域底部聚集形成扩散型水合物藏，部分气体向上渗漏，在稳定域上部的裂缝或裂隙中聚集，形成水合物矿体，共同构成复式成藏系统。
图8 复合型水合物成因模式图（w16站位）
3 结论
1）南海东北部陆坡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，成藏特征独特。研究区在纵向上发育浅、中、深3套水合物层系，构成相对独立又有一定成因联系的成藏系统。具有矿层厚度大、饱和度高、甲烷纯度高等特点。
2）南海东北部陆坡存在扩散型、渗漏型和复合型3种成因模式：①扩散成因水合物充填在沉积物孔隙中，储集介质为富含生物碎屑的黏土和粉砂，矿藏呈层状分布在稳定域底部，其底界与BSR的分布吻合；②渗漏成因水合物呈块状、脉状、结核状形式充填在沉积物裂隙或裂缝中，在稳定域不同部位形成多个矿体；③复合型兼具扩散型和渗漏型水合物成藏特征，在稳定域底部聚集形成扩散型水合物藏，在稳定域上部形成渗漏水合物矿体，共同构成复式成藏系统。
3）南海东北部陆坡是目前中国水合物资源最为丰富、成藏地质条件最为复杂的成矿区之一。
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（修改回稿日期 2016-08-25 编 辑 罗冬梅）
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
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
国家天然气水合物专项项目（编号：GZH201100301、GZH201100305、GZH200200203）。
梁金强，1967年生，教授级高级工程师；从事天然气水合物调查与研究工作。地址：（510760）广东省广州市黄埔区南岗广海路188号大院矿产所。ORCID: 0000-0002-6972-7668。E-mail: ljinqiang@21cn.com
