中国南海地块天然气水合物成藏条件探讨

康玉柱

（中国石化石油勘探开发研究院，北京100083）

天然气水合物是天然气与水在高压和低温条件下形成的一种固态结晶物质，其主要成分为甲烷[1-10]。全球天然气水合物资源潜力巨大，其热当量是煤、石油、天然气总热当量的2 倍。天然气水合物埋藏较浅，一般赋存于海底0～1 500 m的沉积中，矿层厚度一般数十厘米至数百米，其能量密度非常高，1 m3的水合物可释放出160 m3的甲烷气体，是理想的清洁能源。1940 年以来，美国、日本、加拿大、德国、印度等国家投入了大量人力物力开展天然气水合物研究[11-13]，在海底水合物沉积层和永久冻土层获取了大量的天然气水合物样品，水合物试开采试验也取得了较好成效。1990 年以来，我国逐渐开展了天然气水合物勘探的探索，初步形成了勘探评价[14-21]、地球物理采集与预测[22-27]、钻探[28-30]、测井[31-33]、室内分析化验[34-39]、试采[40-48]等技术系列，为后续商业化开采积累了较为丰富的理论和技术储备。2017 年5 月，我国在南海北部神狐海域成功试采天然气水合物，初期日产气3.5×104m3，后期稳定日产气6 000～8 000 m3，稳产62 d，稳产期世界最长，党中央及国务院发贺电祝贺。天然气水合物是全球重要清洁能源之一，笔者综合南海天然气水合物勘探现状，探讨水合物成藏条件和分布特征，以期为天然气水合物勘探开发和指导其他海域天然气水合物勘查提供科学依据。

1 南海地块及划分依据

南海海域面积约300×104km2。多年来，国内外许多专家学者把南海海域划分为几个相邻地块，如南海北部为华南地块、西部为印支地块、东部为菲律宾地块等（图1）。南海和相邻地块在地质构造特征及演化等方面差异很大，在地质特征上南海地块（包括南海北缘、中—西沙、南海中部和南海南缘）与华夏、印度和菲律宾地块有较大差异，笔者首次提出南海海域是一个不可分割的独立地块——南海地块。其依据为：①南海地块的基底是由前寒武系变质岩组成，比相邻地块基底时代新；②南海变质基底基本轮廓是由中央向周缘自老变新的拼盘式褶皱基底，南海中央西沙群岛海域为前寒武纪变质基底,围绕该古陆周缘发育有加里东期、海西期和印支期褶皱变质基底[49]；③南海地块地壳厚度较薄，为25～30 km，远比四周各地块薄；④南海地块古—中生界残缺不全，而新生界发育齐全且分布广泛，以海相和海陆过渡相为主，最厚达10 000 m；⑤南海地块新生代发生4次构造运动，期次多而强度大。

图1 南海地块边缘海盆地主要构造断裂及块体分布特征Fig.1 Distribution of main faults and blocks in the marginal sea basins of the South China Sea block

2 中国南海天然气水合物成藏条件探讨

南海地块天然气水合物成藏受多种地质因素的联合控制，机制复杂，但主要受地壳厚度、地层沉积条件、构造条件、气源条件4个因素的影响。

2.1 地壳厚度

比较南海周边深大断裂和莫霍面的深度[50]，可以看出南海地壳远比周边地块薄（图2），反映出南海为下地幔高热度区。加之喜马拉雅期以来南海发生频繁的断裂活动和火山活动，导致南海成为高热流区。通过计算，南海热流值平均为75.9 mW/m2，比中国大陆热流值62.57 mW/m2高。所以，南海是具有高热流值的地区，高热流值加快地层和沉积物中的有机质热演化形成油气，且以天然气为主。

图2 南海深大断裂与莫霍面深度[50]Fig.2 Deep and large faults and Moho depth in the South China Sea[50]

2.2 地层沉积条件

南海海域新生界沉积较齐全，即有海相又有陆相，为区内油气成藏创造了良好条件（图3）。另外，第四纪沉积条件和沉积环境有利，砂、泥共存并呈砂泥互层状分布，尤其发育三角洲、斜坡扇、浊积扇、滑塌扇等沉积相类型，有利于天然气水合物富集，为天然气水合物成藏提供良好场所[51-52]。

图3 南海海域新生代地层层序构成特征[52]Fig.3 Constitutive characteristic of Cenozoic stratigraphic sequence of Nansha offshore area[52]

2.3 构造条件

南海地块构造条件十分复杂，自中生代以来经历了4次主要构造运动：印支运动、燕山早期运动、燕山晚期运动及喜马拉雅运动。多期构造运动使南海地块形成多种类构造体系：东西向—北北东向构造体系、北东向构造体系、北西向构造体系及青藏—缅甸—印尼反S 型构造体系。多构造体系必然造成多期次、多方向、多性质的断裂活动。在南海北部，断裂系统以北东和北北东向为主，晚期受到北西向配套断裂切割，这套北西向断裂主要为张性或张扭性（图4），有利于油气运移，为深层天然气向上运移创造良好条件[53-55]。

图4 南海北部和邻区活动断裂和地震分布Fig.4 Distribution of active faults and earthquakes in northern South China Sea and its adjacent areas

2.4 气源条件

气源条件是形成天然气水合物的关键，目前认为主要发育4类气源：

1）生物气

世界上已发现的生物气储量为15.5×1012m3，占全世界天然气总储量的20%。南海地块的北部和南部均发育了大型陆缘碎屑供给体系，具有较高的生物气生产率，为海底生物气资源奠定了良好的气源基础。

2）浅层热解气

2 000 m 以浅的地层中热解气充足。中下中新统分布广，全区可见，为1 套海相地层，烃源岩厚180～200 m，具较好生烃能力。另外，上渐新统—中中新统烃源岩，为滨海—浅海相烃源岩，厚度一般300～400 m，生油地球化学指标较好，有机碳普遍介于0.35%～5%。南海北部陆架外缘至深海盆地，腐泥质含量较高，以II型和少量I型干酪根为主。

3）深层热解气

①古新统—下渐新统烃源岩，沉积范围有限，主要分布在坳陷内，烃源岩厚度变化较大，一般200～300 m，生油地球化学指标良好，为中等烃源岩。在珠江口盆地中始新统为重要的区域性烃源层；在东海的平湖组和灵峰组上段，有机质丰度较高，分别为0.4%和2.28%。

②中古生界烃源岩，烃源岩厚度变化较大，一般200～300 m，生油地球化学指标较好，为中等烃源岩。在粤东沿岸地区，上三叠—下侏罗统海相页岩中有机碳含量达0.21%～1.99%。

4）油气田气

目前，南海海域新生界已发现了上百个油气田，且以气田为主，既有浅层油气田，又有中深层油气田，还会不断发现新的油气田，为天然气水合物成藏提供了丰富的气源。目前发现的天然气水合物藏与中深层油气田有密切关系。例如：南海北部神狐天然气水合物藏的深部对应于白云凹陷内部的有利区，在琼东南盆地陵17-2 深水大气田之上对应发育了天然气水合物富集区。

总体上，生物气、浅层热解气、中深层热解气及油气田气等4类气源，是天然气水合物成藏的重要气源[55-56]，如图5 所示，3 800 m 以下文昌和恩平组油气藏为深部富集常规油气资源；在2 000～3 800 m珠江和珠海组为浅层油气藏；在300～2 000 m 韩江组到第四纪沉积岩中发育浅层生物气和游离天然气；水合物分布于深水海底160～300 m的晚中新世—上新世未成岩深灰色细粒沉积物中。

图5 珠江口盆地白云凹陷深水油气藏与生物气及海底水合物叠置分布模式Fig.5 Superimposed distribution mode of deep water reservoirs,biogas and submarine hydrate in Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basin

3 天然气水合物分布特征

研究认为，沉积相与环境、构造条件是控制天然气水合物分布的主要因素[57-58]。

3.1 沉积相与环境

目前已经发现的天然气水合物，主要发育于细粒粉砂、粉砂质泥等沉积物中，其孔隙度与生物硅含量呈正相关。沉积速率越快、厚度越大，越有利于天然气水合物富集。三角洲、滑塌扇、浊积扇、斜坡扇往往沉积速率高，是有利于天然气水合物富集的沉积相类型。在地震剖面上，往往表现在相对整一的反射中发育断续的、略平行于海底反射的强反射；且往往和断裂反射、滑坡面反射构成相交关系（图6）。

图6 典型似海底反射层的（BSR）反射和断裂、滑坡等构造现象的耦合关系Fig.6 Relation between typical bottom correlated reflector（BSR）and tectonic phenomena such as fractures and landslides

3.2 构造条件

1）断裂构造

首先，断裂是运移通道。其次，构造活动形成的断裂及裂隙通道和局部正向构造是流体及天然气水合物成矿成藏的有利区带及场所[59]。

区内发育了多期、多类型、多方向、不同规模的断裂构造，以北东向及北北东走向断裂体系为主，后期又产生北西和北北西向的张性及张扭性断裂系统，使浅层及中深层热解气和油气田气，沿活动断裂向上运移，在海底形成天然气水合物并富集成藏。因此，泥火山、气烟囱等现象就是深部天然气沿断裂向上运移的表现（图7）。体现在浅层的BSR 和深层的烃源岩之间往往通过断裂附近、或构造上部的杂乱空白反射予以沟通，这是构造活动形成垂向高孔渗带、深层烃源岩生成的烃类垂向运移、减弱波阻抗差的结果。

图7 气烟囱的地震响应特征Fig.7 Seismic response characteristic of gas chimney

2）构造样式

南海地块构造样式丰富，隆起与坳陷普遍发育，内部发育褶皱带、断褶带、逆掩带以及背斜、断背斜、断块等次级构造，隆起与坳陷较发育的台西南、东沙南、神狐东、西沙海槽、西沙北、西沙南、中建南、万安北、北康北、南沙中、礼乐东地区是天然气水合物富集成藏的有利部位。

4 结论

1）南海天然气水合物资源潜力巨大，生物气、浅层热解气、中深层热解气及油气田气等是天然气水合物成藏的重要气源。

2）我国南海海域天然气水合物成藏条件十分优越，南海具有高热流值条件、沉积地层条件、构造条件、气源条件等有利成藏条件。

3）南海地块构造样式十分丰富，隆起与坳陷普遍发育，台西南、东沙南、神狐东等11 个地区是天然气水合物富集成藏的有利区域。