南海北部陸坡流體運(yùn)移差異性的原因分析——以神狐天然氣水合物鉆探區(qū)和LW3－1井區(qū)為例

喬少華 蘇 明 楊 睿 蘇丕波 匡增桂 梁金強(qiáng) 吳能友

1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 2.中國(guó)科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心 3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

神狐天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）鉆探區(qū)和LW3－1井區(qū)均位于南海北部陸坡珠江口盆地珠二坳陷，其平面相距約為25km（圖1）。區(qū)域地質(zhì)研究表明，珠江口盆地始新統(tǒng)文昌組和漸新統(tǒng)恩平組是區(qū)域主力烴源巖系［1］。廣泛發(fā)育的底辟構(gòu)造、高角度的斷裂和垂向裂隙系統(tǒng)構(gòu)成了神狐海域水合物主要的運(yùn)移通道，并在淺部合適的儲(chǔ)集體中聚集成藏［2－3］。因此，在前期的研究中，認(rèn)為熱成因甲烷是神狐海域水合物的重要?dú)庠矗?］。然而，從2007年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在神狐海域?qū)嵤┑乃衔镢@探結(jié)果來(lái)看，地球化學(xué)分析結(jié)果顯示水合物中的甲烷主要表現(xiàn)為微生物成因氣的特征［5－6］。水合物鉆探區(qū)與 LW3－1井區(qū)相隔約25 km，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)含氣流體運(yùn)移通道是否存在著差異，這種差異是否暗示了流體運(yùn)移能力的不同，這就成為解決鉆探區(qū)內(nèi)水合物成藏的關(guān)鍵問題之一。筆者選取神狐水合物鉆探區(qū)和LW3－1井區(qū)作為分析和對(duì)比研究對(duì)象，利用高精度2D／3D地震資料的解釋成果，分析兩個(gè)區(qū)域的構(gòu)造樣式和平面分布特征，展示不同區(qū)域內(nèi)流體運(yùn)移通道的差別，進(jìn)而探討其流體運(yùn)移能力的差異。

圖1 珠江口盆地白云凹陷區(qū)域構(gòu)造及研究區(qū)位置簡(jiǎn)圖

1 區(qū)域地質(zhì)背景

珠江口盆地是位于南海北部大陸架上的中、新生代沉積盆地。盆地呈NE方向展布，具有“三隆兩坳”的構(gòu)造格局，從北至南依次為北部斷階帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶等5個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元［7］。神狐水合物鉆探區(qū)和LW3－1井區(qū)均位于白云凹陷南側(cè)（圖1）。以區(qū)域“破裂不整合面——T7界面”為界，珠江口盆地的構(gòu)造演化可劃分為兩個(gè)階段：斷裂階段和裂后階段［8］。同樣以T7界面為界，盆地垂向上構(gòu)成了下斷上坳的雙層結(jié)構(gòu)和先陸后海的沉積組合［9］。整個(gè)盆地的沉積充填為古新統(tǒng)—下漸新統(tǒng)的沉積地層（包括神狐組、文昌組和恩平組），以及古新統(tǒng)—下漸新統(tǒng)的沉積地層（珠海組、珠江組、韓江組、粵海組和萬(wàn)山組）。沉積環(huán)境也發(fā)生了由陸向海、由淺水向深水、由過補(bǔ)償向欠補(bǔ)償?shù)难葑儯▓D2）。

圖2 珠江口盆地地層綜合柱狀圖［10］

近年來(lái)，珠江口盆地是南海北部重要的深水油氣勘探目標(biāo)。已有的鉆井資料表明，深部始新統(tǒng)文昌組烴源巖現(xiàn)今大部分已過成熟，漸新統(tǒng)恩平組烴源巖目前仍處于生烴高峰期［11］。淺部中中新世以來(lái)韓江組、粵海組和萬(wàn)山組成熟度低、厚度大，泥巖及有機(jī)質(zhì)含量高，是良好的生物氣源巖［12］。

神狐水合物鉆探區(qū)位于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷內(nèi)，水深范圍介于900～1 500m，北側(cè)以神狐隆起和番禺低隆起為界，南側(cè)以南部隆起帶為界（圖1）。鉆探區(qū)中新世以來(lái)的地層中可以觀察到氣煙囪、高角度正斷層和裂隙系統(tǒng)等，這些構(gòu)造樣式有助于熱成因或微生物成因氣體向淺層的運(yùn)移和聚集，從而為水合物的形成和富集提供有利條件［2］。LW3－1井區(qū)位于白云凹陷東部LW3－1斷背斜構(gòu)造上，水深約為1 500 m，區(qū)域內(nèi)溝通深部的底辟構(gòu)造和斷層較為發(fā)育。從LW3－1－1井珠江組和珠海組4個(gè)氣層（深度3 000～3 500m）天然氣樣品的地球化學(xué)分析來(lái)看，烴類組分主要為甲烷、乙烷及乙烷以上的重?zé)N組分，天然氣C1／C2小于20，具有明顯的干酪根裂解氣特征，暗示其與深部恩平組及珠海組烴源巖具有成因聯(lián)系［13］。干酪根裂解氣有可能沿著底辟構(gòu)造或溝通深部的斷層向上運(yùn)移至珠江組的砂質(zhì)儲(chǔ)層中。

2 構(gòu)造樣式對(duì)比

2.1 神狐水合物鉆探區(qū)

氣煙囪（流體底辟）的出現(xiàn)一般代表了氣體在一個(gè)密閉條件很差的環(huán)境中，烴類聚集過程中的遷移［14］。從世界上典型水合物富集區(qū)的調(diào)查研究結(jié)果來(lái)看，水合物的存在往往和氣煙囪具有密切的關(guān)系［15－17］。在神狐水合物鉆探區(qū)，氣煙囪非常發(fā)育，且和BSRs（似海底反射，bottom simulating reflectors）分布具有一定的匹配關(guān)系，在鉆前預(yù)測(cè)中被作為水合物存在的證據(jù)之一（圖3）［18］。在地震剖面上，由于氣煙囪內(nèi)氣體濃度和圍巖的差異所導(dǎo)致的速度異常，可以觀察到明顯的反射特征差異，整體的形態(tài)為直立狀，并使得地震反射具有雜亂、模糊和空白反射的特征。在氣煙囪的頂部，可以觀察到一“強(qiáng)振幅反射區(qū)”，其存在可能暗示了氣煙囪的頂部存在游離氣（圖4）。盡管在部分地震剖面上，BSR的強(qiáng)反射軸和氣煙囪頂部的強(qiáng)反射軸因?yàn)橹丿B而難以區(qū)分，但是二者具有明顯的區(qū)別：①規(guī)模不同，前者是反射層，而后者是反射區(qū)；②形成原因不同，前者是由于底部的游離氣聚集而產(chǎn)生的波阻抗差導(dǎo)致，而后者是由于流體對(duì)氣煙囪頂部的充填而產(chǎn)生的地震波高頻信號(hào)吸收導(dǎo)致；③意義不同，前者只是一個(gè)物理界面，是大波阻抗差的體現(xiàn)，而后者是地層區(qū)塊，是流體充注的結(jié)果。

圖3 神狐水合物鉆探區(qū)和LW3－1井區(qū)中新世以來(lái)主要的構(gòu)造樣式平面分布特征圖

神狐水合物鉆探區(qū)內(nèi)沒有明顯的大尺度斷層，但是上新世地層中發(fā)育一些與氣煙囪相溝通正斷層（圖4－a）。這些斷層的存在為含氣流體的側(cè)向運(yùn)移提供了通道，斷層附近存在的一些雜亂反射特征可作為流體發(fā)生短距離側(cè)向運(yùn)移的證據(jù)（圖4－a）。此外，在更新世以來(lái)的地層中，鉆探區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育滑移沉積體（圖4－b）。在重力的誘導(dǎo)下，沉積層將順著滑脫斷層，沿著陸坡坡降的方向線由北向南發(fā)生整體的滑動(dòng)。這些滑脫斷層呈雁列式排列，通?？梢詼贤鉄焽韬秃５祝▓D4－b）?；摂鄬拥拇嬖谝环矫婵梢宰鳛榱黧w逃逸至海底的通道，另一方面也可為水合物的形成提供有限的空間，從而形成一些小規(guī)模的裂縫充填型水合物［19］。

2.2 LW3－1井區(qū)

珠江口盆地白云凹陷油氣勘探成果證實(shí)，該區(qū)域深水區(qū)發(fā)育大量的大型底辟（中央底辟帶）。這些底辟構(gòu)造主要發(fā)育于深部文昌組和恩平組，其形成可能與這兩套烴源巖層的高溫、超壓特征有關(guān)［20］。在底辟構(gòu)造的頂部也可以觀察含氣亮點(diǎn)異常反射，這種反射特征暗示流體沿著底辟構(gòu)造發(fā)生了垂向的運(yùn)移和疏導(dǎo)，構(gòu)成了珠江口盆地古近系油氣輸送至新近系儲(chǔ)層中的油氣成藏模式［21］。

LW3－1井區(qū)的底辟構(gòu)造呈直立窄柱狀，一般不會(huì)引起周緣地層的向上牽引，且少有伴生斷層（圖5）。在這一區(qū)域的西南部發(fā)育有一個(gè)小型底辟構(gòu)造（氣煙囪），平面位置見圖3。地震剖面上可以觀察到內(nèi)部具有雜亂反射的特征，且局部存在著同相軸下拉的現(xiàn)象，這個(gè)小型的流體底辟可刺穿至海底，在海底表面可能導(dǎo)致了麻坑的形成（圖5－b）。

圖4 神狐水合物鉆探區(qū)底辟構(gòu)造和斷層特征圖

圖5 LW3－1井區(qū)底辟構(gòu)造特征圖

同時(shí)，在LW3－1井區(qū)北部和西部發(fā)育了若干條大尺度斷層，平面上呈平行的近 W—E向展布（圖3），這些斷層發(fā)育于深部的漸新統(tǒng)，至上新世和更新世仍在活動(dòng)（圖6）。大尺度斷層的發(fā)育使得LW3－1井區(qū)的地層表現(xiàn)為地塹／地壘的特征（圖6）。由于大尺度斷層溝通了深部的烴源巖系，可以作為下部烴源巖向上運(yùn)移的重要疏導(dǎo)體系。通過區(qū)域上含氣層位同位素和流體包裹體的分析，也證實(shí)了大尺度斷層作為運(yùn)移通道的有效性［22］。

圖6 LW3－1井區(qū)大尺度斷層特征圖

3 流體運(yùn)移通道類型及對(duì)比

通過上述對(duì)構(gòu)造樣式的解剖和平面分布的描述，可以發(fā)現(xiàn)流體底辟和斷層是這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)晚中新世以來(lái)主要的流體運(yùn)移通道類型，但無(wú)論是氣煙囪還是斷層樣式，在上述的兩個(gè)區(qū)域中都存在著明顯的差異。

3.1 流體底辟（氣煙囪）

氣煙囪在珠江口盆地白云凹陷內(nèi)十分發(fā)育（圖3），都具有內(nèi)部同相軸橫向連續(xù)性變差，呈雜亂—空白反射的特征，局部可見因氣體充注造成的低速異常而導(dǎo)致的同相軸下拉現(xiàn)象（圖4、5）。但是，通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，氣煙囪在形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在著以下明顯的不同。

1）形態(tài)及規(guī)模。神狐水合物鉆探區(qū)的氣煙囪多呈窄柱狀、寬柱狀或蘑菇狀，規(guī)模較大，刺穿晚中新世地層，頂部往往影響至更新世底界面；而LW3－1井區(qū)的氣煙囪剖面上呈直立的窄柱狀，規(guī)模較小，局部可刺穿至海底。

2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)。兩個(gè)地區(qū)的氣煙囪都具有明顯的下拉特征，但水合物鉆探區(qū)的氣煙囪其內(nèi)部可進(jìn)一步劃分為雜亂反射帶、空白反射帶［23］和頂部強(qiáng)振幅反射區(qū)，而LW3－1井區(qū)多表現(xiàn)為雜亂—空白反射特征。

3）③與周圍地層的關(guān)系。水合物鉆探區(qū)氣煙囪頂部的強(qiáng)振幅反射多具有不連續(xù)—斷開的特征，可能暗示由于流體不均勻充注而造成的地震波高頻信號(hào)不均勻吸收，但LW3－1井區(qū)的氣煙囪周圍的地層很少具有牽引上翹的特征。

通常情況下，底辟是流體運(yùn)移的良好通道，但不同發(fā)育程度的底辟構(gòu)造對(duì)流體的運(yùn)移能力存在差異。底辟發(fā)育程度越高，運(yùn)移能力越強(qiáng)；反之，則越弱。底辟在地震剖面上的內(nèi)部同相軸形態(tài)及反射特征、突破上覆地層深度以及與周緣地層的接觸關(guān)系可以間接展示底辟的發(fā)育程度［24］。

3.2 斷層

整個(gè)新生代，南海四周處于不同應(yīng)力場(chǎng)之中，形成不同類型的大陸邊緣。東部為擠壓背景，南部為俯沖背景，西部為剪切背景，而北部為拉張背景［25－26］。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的近W—E向大尺度斷層可能是南海北部拉張應(yīng)力環(huán)境的表征（圖3和圖6）。這些大尺度斷層集中發(fā)育在LW3－1井區(qū)的北部。

水合物鉆探區(qū)雖不發(fā)育大尺度斷層，但是上新世正斷層和更新世滑脫斷層則非常發(fā)育。其中上新世正斷層可作為流體的側(cè)向運(yùn)移通道，與氣煙囪一起共同擴(kuò)大了含氣流體垂向運(yùn)移所能影響的范圍。而更新世的滑脫斷層更多地表現(xiàn)為含氣流體至海底的逃逸通道。

3.3 流體運(yùn)移通道類型

綜上所述，神狐水合物鉆探區(qū)和LW3－1井區(qū)的含氣流體垂向運(yùn)移通道均表現(xiàn)為復(fù)合的運(yùn)移通道類型。其中，水合物鉆探區(qū)為氣煙囪＋上新世正斷層，更新世的滑脫斷層可以作為流體向海底逃逸的通道，可能對(duì)水合物的形成起到“負(fù)效應(yīng)”的作用；而LW3－1井區(qū)則為氣煙囪＋大尺度斷層。從斷層的規(guī)模而言，大尺度斷層對(duì)深部干酪根裂解氣的垂向輸送能力更強(qiáng)。白云凹陷北部LH19－1－1井含氣層的氣體同位素分析數(shù)據(jù)證實(shí)，熱成因甲烷（δ13C＞－30‰）已經(jīng)在1 000m 的淺層出現(xiàn)［22］。這種特征一方面證實(shí)在相似的背景中，LW3－1井區(qū)中的大尺度斷層對(duì)深部地層熱成因氣體垂向疏導(dǎo)的也具有相似的有效性，即能夠?qū)⑽牟M和恩平組的天然氣運(yùn)移至淺部地層。

4 結(jié)論

1）神狐水合物鉆探區(qū)200m處表現(xiàn)為微生物成因氣體的特征，而LW3－1井區(qū)的淺部地層推測(cè)主要為熱成因氣體，分析認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的原因很可能與這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體運(yùn)移效能相關(guān)，即神狐水合物鉆探區(qū)以溝通深部的氣煙囪＋上新世的正斷層作為流體的復(fù)合運(yùn)移通道，輸送效能較差；而LW3－1井區(qū)以溝通深部的氣煙囪＋溝通深部的大尺度斷層作為流體的復(fù)合運(yùn)移通道，更多的熱成因氣體能夠被輸送至淺部的地層之中。

2）在不同輸送條件下，來(lái)自深部的熱成因氣體在垂向運(yùn)移過程中是否會(huì)發(fā)生同位素分餾，而輸送效能的差異是否會(huì)對(duì)同位素分餾造成影響，同位素分餾作用在水合物形成和聚集過程中發(fā)揮的作用，這些是值得進(jìn)一步研究和思考的問題。

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