珠江口盆地东部海域天然气水合物的成藏地质模式

苏丕波 沙志彬 常少英 梁金强 付少英

1.国土资源部广州海洋地质调查局 2.国土资源部海底矿产资源重点实验室 3.中国石油勘探开发研究院杭州地质研究院

我国南海北部陆坡天然气水合物（以下简称水合物）资源量巨大［1－3］，珠江口盆地东部海域是南海北部水合物资源最为丰富的区域之一。为了进一步了解该区域水合物的成藏特征，笔者通过水合物存在的异常特征识别，选取珠江口盆地东部海域水合物研究区2种不同地质构造单元的典型地震剖面进行精细解释，建立相应的基础地质模型，围绕水合物“成藏”这一核心问题，运用盆地模拟技术，进行了水合物成藏演化的数值模拟，结合解释成果，对珠江口盆地东部海域水合物成藏地质模式进行了初步的探讨。

1 水合物成藏地质概况

研究区位于南海北部陆坡珠江口盆地东部海域，发育以加里东、燕山期褶皱为基底的新生代含油气盆地，新生代沉积地层厚度较大，具有微生物成因气和热成因气形成的良好条件，丰富的天然气为水合物资源成藏提供了充足的物质基础［4］。该区是迄今为止在南海水合物调查区发现的沉积速率最高的地区之一，距今1.05Ma以来的沉积速率高达49cm／ka，与已发现水合物的布莱克海台的沉积速率大致相当，甚至更高［5］。对该区4个大型重力柱状样沉积物粒度、矿物组分、微体古生物以及地球化学等特征的研究表明，区域内沉积物以陆源碎屑物质为主，其次为海洋生物沉积。据ODP184航次的钻探成果，在1 144、1 146等多个站位发现生物成因气和热解成因气的富集［6］。在地震解释剖面上，研究区内BSR主要发育在水深300～2 000m的晚中新世以上沉积层中。其沉积速率高达40～50cm／ka，区间有利含砂率为35%～50%［7］。

珠江口盆地东部海域水合物远景区主要位于调查A区和B区（图1）。其中调查B区位于研究区西部，北东走向，呈北窄南宽的条带状分布，其北部与珠一坳陷相接，西南与珠二坳陷相接，东部和东南部以大断层为界与调查A区相接。在隆起区上，新生代厚度较薄（100～500m）。在新生代时期，除中晚渐新世接受沉积外，长期处于隆起位置。调查A区则位于研究区东部，其西北部以大断层为界与东沙隆起为邻，区内沉积厚度大部分超过2 000m，岩浆活动较强烈，大部分岩浆作用受控于断层发育情况，与断层相伴分布，构造走向以北东向为主，局部为北西向和北北东向。调查A区深水区新生代沉积厚度最大，平均超过3 000m。沉积区域内等深流、三角洲、浊积扇、扇三角洲、滑塌沉积等特征沉积体系发育［8－9］。这些沉积体规模巨大、沉积速率高，对水合物富集十分有利。综合分析，珠江口盆地东部海域具备良好的水合物成矿综合地质条件。

图1 研究区位置及范围简图

2 水合物成藏地质模型

2.1 模型建立与参数选取

针对水合物成藏的盆地数值模拟，首先需要正确地认识研究区地质状况，进行精细的盆地分析，在此基础之上，进行地震剖面的选取和解释，包括地质界面的标定和构造解释、地层厚度的确定等，从而建立特定区域的基础地质模型［10］。结合岩石物性参数、边界条件和烃源岩有机地球化学等参数对模型在二维剖面空间内进行正演模拟，重建剖面空间内烃气的生成、运移和聚集成藏等过程。

2.1.1 模型建立

该区基础地质模型分别选取调查A区BSR分布区域的地震测线LineA和调查B区BSR分布区的地震测线LineB（图1）。模型建立主要根据广州海洋地质调查局的构造解释结果。本次模拟的新生代各地质年代包括上新世与中新世的分界（T2）、晚中新世与中中新世分界（T3）、中新世与渐新世分界（T5）、渐新世与晚始新世分界（T6）以及始新世与古新世分界（T7）。

2.1.2 参数选取

模拟结果的可靠性不仅取决于准确的基础地质模型，更取决于模拟参数接近客观地质条件的程度。模拟过程需要岩性、边界条件、烃源岩有机地球化学和地层构造等4类参数，这些参数的正确选取直接关系到模拟结果的准确性。在参数选取的过程中，尽量保证各种参数与研究区的实际情况一致［11］。

由于本次研究区缺乏钻探井，因此，模型参数的选取主要是综合借鉴了研究区各方面的研究成果。其中，岩性参数主要是根据ODP184航次1148站位钻孔的岩性资料来确定［12］。边界条件主要包括古水深、古热流及古地温。古水深的取值根据ODP184航次的古生物资料结合该区域的沉积相确定；古热流的取值根据袁玉松等对南海北部新生代热演化的研究成果［13］；古地温根据不同地质时期全球平均地表温度估算资料来进行计算。烃源岩有机地球化学参数主要包括总有机碳（TOC）和氢指数（HI），该项数据来源于何家雄等在东沙的研究成果［14］。地层构造参数主要是对断层活动性的分析，主要基于断层在地震剖面上断过的层位以及研究区构造活动的时间来判断和估算，对剖面经过的每一条断层均进行属性定义。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 水合物稳定域

水合物热力学稳定带是指海底以下特定的区域，在该区域内的温度和压力处于水合物形成的热流学稳定范围内，在这个范围内天然气与水合物达到相平衡。海洋中影响水合物稳定域的主要因素有水深、海底温度、地温梯度、天然气的组成和孔隙水盐度［15］，其中最主要的因素是温度和压力条件。通过对水合物相平衡的研究、并结合大量实验数据，可以确定水合物形成的温度、压力条件，编制出在各种气体成分和孔隙水盐度情况下的水合物的相图。

本次水合物稳定域模拟设置海水环境孔隙水盐度为3.5%，相应地温场，热流等参数根据调查区实际计算成果设置，从模拟出来的调查A区（图2－a）与调查B区（图2－b）稳定域的模拟结果可以看出：调查A区具有较好的水合物形成的温压条件，水合物稳定域范围较大，厚度介于200～500m，而调查B区稳定域厚度相对较薄，介于150～300m，与之对应的地震剖面解释的BSR界面全部位于水合物形成的稳定域范围之内，从温压条件方面说明了BSR分布的可靠性。

2.2.2 有机质演化

图2 测线LineA（a）与测线LineB（b）水合物稳定域模拟结果图

镜质体反射率Ro值是反映烃源岩成熟度的重要指标。一般情况下，产生微生物气的烃源岩应处于未熟—低成熟阶段，其Ro＜0.7%；而热解气的烃源岩则需处于产湿气阶段，其Ro＞1.3%［16］。有机质热演化指数模拟结果显示：位于珠江口盆地东部海域调查A区的测线LineA烃源岩热演化程度如图3－a所示，现今的有机质成熟度（Ro）在凹陷处始新统最大值已经超过3%，处于过成熟生干气阶段，已产生大量热解气。渐新统在凹陷最深部位地层的部分有机质成熟度达到裂解气窗，开始产干气。但浅部3 000m以内的沉积层中有机质成熟度（Ro）＜0.7%，均为未成熟—低成熟阶段，可以成为水合物成藏的良好生物成因气的“烃源岩”，中中新世以来，这些地层中有机质主要以生物成因气为主，是区内主要的水合物成藏气体来源。

位于珠江口盆地东部海域调查B区的测线LineB烃源岩现今热演化程度如图3－b，在测线东南端的隆起区，现今的有机质成熟度均为未成熟阶段，只能作为生物气的气源岩，同时由于沉积厚度较薄，生物气生气潜力有限，但是在靠近珠二凹陷的测线西北端，始新统大部分进入裂解气窗。Ro最大值已经达到3%，已经开始大量地生成热解干气。渐新统下段部分有机质成熟度达到油气窗，开始产湿气，热解生气潜力相对较大。因此，推测该区水合物的气源主要来自邻近坳陷内的气体。

图3 测线LineA（a）与测线LineB（b）现今有机质成熟度模拟图

2.2.3 烃气运移

测线LineA位于该区主体构造区域调查A区。剖面断层非常发育，构造走向以北东向为主。剖面BSR与海底面大致平行分布至整个区域，深部气源供应主要是凹陷深部的始新统，大约从上新世开始达到裂解气窗。从剖面油气运移模拟结果来看（图4－a），虽然该区域断裂比较发育，但是由于热演化程度不高，热解气源有限，故热解气对水合物成藏贡献不大。水合物成藏气体主要通过浅部自中中新世以来产生的生物气自盆地中心自盆地边缘的侧向运移而来。

图4 测线LineA（a）与测线LineB（b）油气运移模拟图

测线LineB位于珠江口盆地东部海域研究区的调查B区。其西北部以大断层为界与东沙隆起为邻，构造走向以北东向为主。剖面BSR主要位于左侧大断裂处，深部气源供应主要是始新统与渐新统，其中始新统大约从中中新世开始达到裂解气窗，渐新统大约从晚中新世开始达到高熟气窗，从油气运移模拟结果看出（图4－b）：由于断裂较发育可以将凹陷深部气源与浅层连通，热解气能够垂向运移至与主干断裂相连通的隆起带上的水合物稳定域中，进而为水合物运聚成藏提供充足的天然气气源。

3 水合物成藏模式

一个完整的水合物成藏过程包括烃气的产生、运移以及聚集成藏，三者共同组成了水合物的成藏系统［17］，充足的气源是水合物富集成藏的必要条件，目前形成水合物的两种主要气源主要是来自深部的热解气与形成于浅层的微生物气。通过上述分析可知，珠江口盆地东部海域水合物富集带分别处在调查A区与调查B区2个不同的构造区域上，依据其水合物的成藏特征，分别构建水合物成藏模式。

位于调查A区的测线LineA代表该区域水合物成藏的一种主要成藏模式。根据广州海洋地质调查局的研究成果，该区BSR主要分布在含砂率为40%～80%的区间。含砂率越大，储集空间越大，孔隙水也越多，对流体的运移也比较有利，加之该区中深部断裂比较发育，烃气产生后首先沿着断裂区运移，随着天然气沿断层向上运移并遇到孔隙度相对较大、可渗透的砂岩层时，其中一部分气体沿这些砂岩层继续向上运移，当深部运移中的热成因天然气运移至生物气源区时与微生物成因的天然气发生混合并储集于构造或地层圈闭中，不断生气必然导致气压的改变，在流体势的控制作用下，这些被圈闭的气体继续向上运移，再进入特定的水合物温压稳定带后转变为水合物，先期形成的水合物成为气体的盖层，进而形成了一定的圈闭，于是气体不断富集逐步形成一定规模的水合物矿藏。由于该区域深部热解气源岩热演化程度相对较低，热解气源有限，该区水合物藏主要的气源主要来自水合物稳定域下伏生物气源岩产生的生物气。这些生物气主要通过发育的断裂垂向和侧向运聚至稳定域成藏（图5－a）。

另一种是发育于调查B区的水合物成藏模式，由于调查B区新生代厚度较薄，沉积物有机质有限，所生成的微生物气不足以聚集成藏。水合物成矿气体主要由来自邻近凹陷区的深部热解气供应。这些深源热解气以沟通深部始新统与渐新统的大断裂为运移通道，通过这些大断裂垂向运移至隆起区边缘水合物稳定域内成藏（图5－b）。

图5 珠江口盆地东部海域调查A区（a）与调查B区（b）水合物成藏地质模式图

4 结论

1）珠江口盆地东部海域调查A区及调查B区均具备形成水合物良好的稳定域条件，调查A区稳定域厚度为200～500m，调查B区稳定域厚度为150～300m。

2）调查A区中深部断裂发育，气源岩热演化程度较低，热解气源有限，而浅部生物气源条件充足，水合物成藏气体主要通过发育的断裂构造运移至稳定域形成以生物气为主的混合气源水合物藏。调查B区新生代厚度较薄，沉积物有限，所生成的生物气不足以聚集成藏，水合物藏主要来自邻近凹陷区的深部热解气通过断裂运聚至水合物稳定域内成藏。

3）就水合物形成条件而言，调查A区气源更充足，稳定域厚度更大，运移通道更好，应该是水合物勘探更为有利的区域。

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