南海北部陆坡流体运移差异性的原因分析——以神狐天然气水合物钻探区和LW3－1井区为例

乔少华 苏 明 杨 睿 苏丕波 匡增桂 梁金强 吴能友

1.中国科学院广州能源研究所 2.中国科学院广州天然气水合物研究中心 3.广州海洋地质调查局 4.中国科学院大学

神狐天然气水合物（以下简称水合物）钻探区和LW3－1井区均位于南海北部陆坡珠江口盆地珠二坳陷，其平面相距约为25km（图1）。区域地质研究表明，珠江口盆地始新统文昌组和渐新统恩平组是区域主力烃源岩系［1］。广泛发育的底辟构造、高角度的断裂和垂向裂隙系统构成了神狐海域水合物主要的运移通道，并在浅部合适的储集体中聚集成藏［2－3］。因此，在前期的研究中，认为热成因甲烷是神狐海域水合物的重要气源［4］。然而，从2007年广州海洋地质调查局在神狐海域实施的水合物钻探结果来看，地球化学分析结果显示水合物中的甲烷主要表现为微生物成因气的特征［5－6］。水合物钻探区与 LW3－1井区相隔约25 km，两个区域内含气流体运移通道是否存在着差异，这种差异是否暗示了流体运移能力的不同，这就成为解决钻探区内水合物成藏的关键问题之一。笔者选取神狐水合物钻探区和LW3－1井区作为分析和对比研究对象，利用高精度2D／3D地震资料的解释成果，分析两个区域的构造样式和平面分布特征，展示不同区域内流体运移通道的差别，进而探讨其流体运移能力的差异。

图1 珠江口盆地白云凹陷区域构造及研究区位置简图

1 区域地质背景

珠江口盆地是位于南海北部大陆架上的中、新生代沉积盆地。盆地呈NE方向展布，具有“三隆两坳”的构造格局，从北至南依次为北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带和南部隆起带等5个一级构造单元［7］。神狐水合物钻探区和LW3－1井区均位于白云凹陷南侧（图1）。以区域“破裂不整合面——T7界面”为界，珠江口盆地的构造演化可划分为两个阶段：断裂阶段和裂后阶段［8］。同样以T7界面为界，盆地垂向上构成了下断上坳的双层结构和先陆后海的沉积组合［9］。整个盆地的沉积充填为古新统—下渐新统的沉积地层（包括神狐组、文昌组和恩平组），以及古新统—下渐新统的沉积地层（珠海组、珠江组、韩江组、粤海组和万山组）。沉积环境也发生了由陆向海、由浅水向深水、由过补偿向欠补偿的演变（图2）。

图2 珠江口盆地地层综合柱状图［10］

近年来，珠江口盆地是南海北部重要的深水油气勘探目标。已有的钻井资料表明，深部始新统文昌组烃源岩现今大部分已过成熟，渐新统恩平组烃源岩目前仍处于生烃高峰期［11］。浅部中中新世以来韩江组、粤海组和万山组成熟度低、厚度大，泥岩及有机质含量高，是良好的生物气源岩［12］。

神狐水合物钻探区位于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷内，水深范围介于900～1 500m，北侧以神狐隆起和番禺低隆起为界，南侧以南部隆起带为界（图1）。钻探区中新世以来的地层中可以观察到气烟囱、高角度正断层和裂隙系统等，这些构造样式有助于热成因或微生物成因气体向浅层的运移和聚集，从而为水合物的形成和富集提供有利条件［2］。LW3－1井区位于白云凹陷东部LW3－1断背斜构造上，水深约为1 500 m，区域内沟通深部的底辟构造和断层较为发育。从LW3－1－1井珠江组和珠海组4个气层（深度3 000～3 500m）天然气样品的地球化学分析来看，烃类组分主要为甲烷、乙烷及乙烷以上的重烃组分，天然气C1／C2小于20，具有明显的干酪根裂解气特征，暗示其与深部恩平组及珠海组烃源岩具有成因联系［13］。干酪根裂解气有可能沿着底辟构造或沟通深部的断层向上运移至珠江组的砂质储层中。

2 构造样式对比

2.1 神狐水合物钻探区

气烟囱（流体底辟）的出现一般代表了气体在一个密闭条件很差的环境中，烃类聚集过程中的迁移［14］。从世界上典型水合物富集区的调查研究结果来看，水合物的存在往往和气烟囱具有密切的关系［15－17］。在神狐水合物钻探区，气烟囱非常发育，且和BSRs（似海底反射，bottom simulating reflectors）分布具有一定的匹配关系，在钻前预测中被作为水合物存在的证据之一（图3）［18］。在地震剖面上，由于气烟囱内气体浓度和围岩的差异所导致的速度异常，可以观察到明显的反射特征差异，整体的形态为直立状，并使得地震反射具有杂乱、模糊和空白反射的特征。在气烟囱的顶部，可以观察到一“强振幅反射区”，其存在可能暗示了气烟囱的顶部存在游离气（图4）。尽管在部分地震剖面上，BSR的强反射轴和气烟囱顶部的强反射轴因为重叠而难以区分，但是二者具有明显的区别：①规模不同，前者是反射层，而后者是反射区；②形成原因不同，前者是由于底部的游离气聚集而产生的波阻抗差导致，而后者是由于流体对气烟囱顶部的充填而产生的地震波高频信号吸收导致；③意义不同，前者只是一个物理界面，是大波阻抗差的体现，而后者是地层区块，是流体充注的结果。

图3 神狐水合物钻探区和LW3－1井区中新世以来主要的构造样式平面分布特征图

神狐水合物钻探区内没有明显的大尺度断层，但是上新世地层中发育一些与气烟囱相沟通正断层（图4－a）。这些断层的存在为含气流体的侧向运移提供了通道，断层附近存在的一些杂乱反射特征可作为流体发生短距离侧向运移的证据（图4－a）。此外，在更新世以来的地层中，钻探区内广泛发育滑移沉积体（图4－b）。在重力的诱导下，沉积层将顺着滑脱断层，沿着陆坡坡降的方向线由北向南发生整体的滑动。这些滑脱断层呈雁列式排列，通常可以沟通气烟囱和海底（图4－b）。滑脱断层的存在一方面可以作为流体逃逸至海底的通道，另一方面也可为水合物的形成提供有限的空间，从而形成一些小规模的裂缝充填型水合物［19］。

2.2 LW3－1井区

珠江口盆地白云凹陷油气勘探成果证实，该区域深水区发育大量的大型底辟（中央底辟带）。这些底辟构造主要发育于深部文昌组和恩平组，其形成可能与这两套烃源岩层的高温、超压特征有关［20］。在底辟构造的顶部也可以观察含气亮点异常反射，这种反射特征暗示流体沿着底辟构造发生了垂向的运移和疏导，构成了珠江口盆地古近系油气输送至新近系储层中的油气成藏模式［21］。

LW3－1井区的底辟构造呈直立窄柱状，一般不会引起周缘地层的向上牵引，且少有伴生断层（图5）。在这一区域的西南部发育有一个小型底辟构造（气烟囱），平面位置见图3。地震剖面上可以观察到内部具有杂乱反射的特征，且局部存在着同相轴下拉的现象，这个小型的流体底辟可刺穿至海底，在海底表面可能导致了麻坑的形成（图5－b）。

图4 神狐水合物钻探区底辟构造和断层特征图

图5 LW3－1井区底辟构造特征图

同时，在LW3－1井区北部和西部发育了若干条大尺度断层，平面上呈平行的近 W—E向展布（图3），这些断层发育于深部的渐新统，至上新世和更新世仍在活动（图6）。大尺度断层的发育使得LW3－1井区的地层表现为地堑／地垒的特征（图6）。由于大尺度断层沟通了深部的烃源岩系，可以作为下部烃源岩向上运移的重要疏导体系。通过区域上含气层位同位素和流体包裹体的分析，也证实了大尺度断层作为运移通道的有效性［22］。

图6 LW3－1井区大尺度断层特征图

3 流体运移通道类型及对比

通过上述对构造样式的解剖和平面分布的描述，可以发现流体底辟和断层是这两个区域内晚中新世以来主要的流体运移通道类型，但无论是气烟囱还是断层样式，在上述的两个区域中都存在着明显的差异。

3.1 流体底辟（气烟囱）

气烟囱在珠江口盆地白云凹陷内十分发育（图3），都具有内部同相轴横向连续性变差，呈杂乱—空白反射的特征，局部可见因气体充注造成的低速异常而导致的同相轴下拉现象（图4、5）。但是，通过对比研究发现，气烟囱在形态和内部结构上存在着以下明显的不同。

1）形态及规模。神狐水合物钻探区的气烟囱多呈窄柱状、宽柱状或蘑菇状，规模较大，刺穿晚中新世地层，顶部往往影响至更新世底界面；而LW3－1井区的气烟囱剖面上呈直立的窄柱状，规模较小，局部可刺穿至海底。

2）内部结构。两个地区的气烟囱都具有明显的下拉特征，但水合物钻探区的气烟囱其内部可进一步划分为杂乱反射带、空白反射带［23］和顶部强振幅反射区，而LW3－1井区多表现为杂乱—空白反射特征。

3）③与周围地层的关系。水合物钻探区气烟囱顶部的强振幅反射多具有不连续—断开的特征，可能暗示由于流体不均匀充注而造成的地震波高频信号不均匀吸收，但LW3－1井区的气烟囱周围的地层很少具有牵引上翘的特征。

通常情况下，底辟是流体运移的良好通道，但不同发育程度的底辟构造对流体的运移能力存在差异。底辟发育程度越高，运移能力越强；反之，则越弱。底辟在地震剖面上的内部同相轴形态及反射特征、突破上覆地层深度以及与周缘地层的接触关系可以间接展示底辟的发育程度［24］。

3.2 断层

整个新生代，南海四周处于不同应力场之中，形成不同类型的大陆边缘。东部为挤压背景，南部为俯冲背景，西部为剪切背景，而北部为拉张背景［25－26］。研究区内发育的近W—E向大尺度断层可能是南海北部拉张应力环境的表征（图3和图6）。这些大尺度断层集中发育在LW3－1井区的北部。

水合物钻探区虽不发育大尺度断层，但是上新世正断层和更新世滑脱断层则非常发育。其中上新世正断层可作为流体的侧向运移通道，与气烟囱一起共同扩大了含气流体垂向运移所能影响的范围。而更新世的滑脱断层更多地表现为含气流体至海底的逃逸通道。

3.3 流体运移通道类型

综上所述，神狐水合物钻探区和LW3－1井区的含气流体垂向运移通道均表现为复合的运移通道类型。其中，水合物钻探区为气烟囱＋上新世正断层，更新世的滑脱断层可以作为流体向海底逃逸的通道，可能对水合物的形成起到“负效应”的作用；而LW3－1井区则为气烟囱＋大尺度断层。从断层的规模而言，大尺度断层对深部干酪根裂解气的垂向输送能力更强。白云凹陷北部LH19－1－1井含气层的气体同位素分析数据证实，热成因甲烷（δ13C＞－30‰）已经在1 000m 的浅层出现［22］。这种特征一方面证实在相似的背景中，LW3－1井区中的大尺度断层对深部地层热成因气体垂向疏导的也具有相似的有效性，即能够将文昌组和恩平组的天然气运移至浅部地层。

4 结论

1）神狐水合物钻探区200m处表现为微生物成因气体的特征，而LW3－1井区的浅部地层推测主要为热成因气体，分析认为，造成这种现象的原因很可能与这两个区域内的流体运移效能相关，即神狐水合物钻探区以沟通深部的气烟囱＋上新世的正断层作为流体的复合运移通道，输送效能较差；而LW3－1井区以沟通深部的气烟囱＋沟通深部的大尺度断层作为流体的复合运移通道，更多的热成因气体能够被输送至浅部的地层之中。

2）在不同输送条件下，来自深部的热成因气体在垂向运移过程中是否会发生同位素分馏，而输送效能的差异是否会对同位素分馏造成影响，同位素分馏作用在水合物形成和聚集过程中发挥的作用，这些是值得进一步研究和思考的问题。

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