珠江口盆地東部海域天然氣水合物的成藏地質(zhì)模式

蘇丕波 沙志彬 常少英 梁金強 付少英

1.國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 2.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室 3.中國石油勘探開發(fā)研究院杭州地質(zhì)研究院

我國南海北部陸坡天然氣水合物（以下簡稱水合物）資源量巨大［1－3］，珠江口盆地東部海域是南海北部水合物資源最為豐富的區(qū)域之一。為了進一步了解該區(qū)域水合物的成藏特征，筆者通過水合物存在的異常特征識別，選取珠江口盆地東部海域水合物研究區(qū)2種不同地質(zhì)構(gòu)造單元的典型地震剖面進行精細解釋，建立相應的基礎(chǔ)地質(zhì)模型，圍繞水合物“成藏”這一核心問題，運用盆地模擬技術(shù)，進行了水合物成藏演化的數(shù)值模擬，結(jié)合解釋成果，對珠江口盆地東部海域水合物成藏地質(zhì)模式進行了初步的探討。

1 水合物成藏地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南海北部陸坡珠江口盆地東部海域，發(fā)育以加里東、燕山期褶皺為基底的新生代含油氣盆地，新生代沉積地層厚度較大，具有微生物成因氣和熱成因氣形成的良好條件，豐富的天然氣為水合物資源成藏提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)［4］。該區(qū)是迄今為止在南海水合物調(diào)查區(qū)發(fā)現(xiàn)的沉積速率最高的地區(qū)之一，距今1.05Ma以來的沉積速率高達49cm／ka，與已發(fā)現(xiàn)水合物的布萊克海臺的沉積速率大致相當，甚至更高［5］。對該區(qū)4個大型重力柱狀樣沉積物粒度、礦物組分、微體古生物以及地球化學等特征的研究表明，區(qū)域內(nèi)沉積物以陸源碎屑物質(zhì)為主，其次為海洋生物沉積。據(jù)ODP184航次的鉆探成果，在1 144、1 146等多個站位發(fā)現(xiàn)生物成因氣和熱解成因氣的富集［6］。在地震解釋剖面上，研究區(qū)內(nèi)BSR主要發(fā)育在水深300～2 000m的晚中新世以上沉積層中。其沉積速率高達40～50cm／ka，區(qū)間有利含砂率為35%～50%［7］。

珠江口盆地東部海域水合物遠景區(qū)主要位于調(diào)查A區(qū)和B區(qū)（圖1）。其中調(diào)查B區(qū)位于研究區(qū)西部，北東走向，呈北窄南寬的條帶狀分布，其北部與珠一坳陷相接，西南與珠二坳陷相接，東部和東南部以大斷層為界與調(diào)查A區(qū)相接。在隆起區(qū)上，新生代厚度較?。?00～500m）。在新生代時期，除中晚漸新世接受沉積外，長期處于隆起位置。調(diào)查A區(qū)則位于研究區(qū)東部，其西北部以大斷層為界與東沙隆起為鄰，區(qū)內(nèi)沉積厚度大部分超過2 000m，巖漿活動較強烈，大部分巖漿作用受控于斷層發(fā)育情況，與斷層相伴分布，構(gòu)造走向以北東向為主，局部為北西向和北北東向。調(diào)查A區(qū)深水區(qū)新生代沉積厚度最大，平均超過3 000m。沉積區(qū)域內(nèi)等深流、三角洲、濁積扇、扇三角洲、滑塌沉積等特征沉積體系發(fā)育［8－9］。這些沉積體規(guī)模巨大、沉積速率高，對水合物富集十分有利。綜合分析，珠江口盆地東部海域具備良好的水合物成礦綜合地質(zhì)條件。

圖1 研究區(qū)位置及范圍簡圖

2 水合物成藏地質(zhì)模型

2.1 模型建立與參數(shù)選取

針對水合物成藏的盆地數(shù)值模擬，首先需要正確地認識研究區(qū)地質(zhì)狀況，進行精細的盆地分析，在此基礎(chǔ)之上，進行地震剖面的選取和解釋，包括地質(zhì)界面的標定和構(gòu)造解釋、地層厚度的確定等，從而建立特定區(qū)域的基礎(chǔ)地質(zhì)模型［10］。結(jié)合巖石物性參數(shù)、邊界條件和烴源巖有機地球化學等參數(shù)對模型在二維剖面空間內(nèi)進行正演模擬，重建剖面空間內(nèi)烴氣的生成、運移和聚集成藏等過程。

2.1.1 模型建立

該區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)模型分別選取調(diào)查A區(qū)BSR分布區(qū)域的地震測線LineA和調(diào)查B區(qū)BSR分布區(qū)的地震測線LineB（圖1）。模型建立主要根據(jù)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的構(gòu)造解釋結(jié)果。本次模擬的新生代各地質(zhì)年代包括上新世與中新世的分界（T2）、晚中新世與中中新世分界（T3）、中新世與漸新世分界（T5）、漸新世與晚始新世分界（T6）以及始新世與古新世分界（T7）。

2.1.2 參數(shù)選取

模擬結(jié)果的可靠性不僅取決于準確的基礎(chǔ)地質(zhì)模型，更取決于模擬參數(shù)接近客觀地質(zhì)條件的程度。模擬過程需要巖性、邊界條件、烴源巖有機地球化學和地層構(gòu)造等4類參數(shù)，這些參數(shù)的正確選取直接關(guān)系到模擬結(jié)果的準確性。在參數(shù)選取的過程中，盡量保證各種參數(shù)與研究區(qū)的實際情況一致［11］。

由于本次研究區(qū)缺乏鉆探井，因此，模型參數(shù)的選取主要是綜合借鑒了研究區(qū)各方面的研究成果。其中，巖性參數(shù)主要是根據(jù)ODP184航次1148站位鉆孔的巖性資料來確定［12］。邊界條件主要包括古水深、古熱流及古地溫。古水深的取值根據(jù)ODP184航次的古生物資料結(jié)合該區(qū)域的沉積相確定；古熱流的取值根據(jù)袁玉松等對南海北部新生代熱演化的研究成果［13］；古地溫根據(jù)不同地質(zhì)時期全球平均地表溫度估算資料來進行計算。烴源巖有機地球化學參數(shù)主要包括總有機碳（TOC）和氫指數(shù)（HI），該項數(shù)據(jù)來源于何家雄等在東沙的研究成果［14］。地層構(gòu)造參數(shù)主要是對斷層活動性的分析，主要基于斷層在地震剖面上斷過的層位以及研究區(qū)構(gòu)造活動的時間來判斷和估算，對剖面經(jīng)過的每一條斷層均進行屬性定義。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 水合物穩(wěn)定域

水合物熱力學穩(wěn)定帶是指海底以下特定的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的溫度和壓力處于水合物形成的熱流學穩(wěn)定范圍內(nèi)，在這個范圍內(nèi)天然氣與水合物達到相平衡。海洋中影響水合物穩(wěn)定域的主要因素有水深、海底溫度、地溫梯度、天然氣的組成和孔隙水鹽度［15］，其中最主要的因素是溫度和壓力條件。通過對水合物相平衡的研究、并結(jié)合大量實驗數(shù)據(jù)，可以確定水合物形成的溫度、壓力條件，編制出在各種氣體成分和孔隙水鹽度情況下的水合物的相圖。

本次水合物穩(wěn)定域模擬設置海水環(huán)境孔隙水鹽度為3.5%，相應地溫場，熱流等參數(shù)根據(jù)調(diào)查區(qū)實際計算成果設置，從模擬出來的調(diào)查A區(qū)（圖2－a）與調(diào)查B區(qū)（圖2－b）穩(wěn)定域的模擬結(jié)果可以看出：調(diào)查A區(qū)具有較好的水合物形成的溫壓條件，水合物穩(wěn)定域范圍較大，厚度介于200～500m，而調(diào)查B區(qū)穩(wěn)定域厚度相對較薄，介于150～300m，與之對應的地震剖面解釋的BSR界面全部位于水合物形成的穩(wěn)定域范圍之內(nèi)，從溫壓條件方面說明了BSR分布的可靠性。

2.2.2 有機質(zhì)演化

圖2 測線LineA（a）與測線LineB（b）水合物穩(wěn)定域模擬結(jié)果圖

鏡質(zhì)體反射率Ro值是反映烴源巖成熟度的重要指標。一般情況下，產(chǎn)生微生物氣的烴源巖應處于未熟—低成熟階段，其Ro＜0.7%；而熱解氣的烴源巖則需處于產(chǎn)濕氣階段，其Ro＞1.3%［16］。有機質(zhì)熱演化指數(shù)模擬結(jié)果顯示：位于珠江口盆地東部海域調(diào)查A區(qū)的測線LineA烴源巖熱演化程度如圖3－a所示，現(xiàn)今的有機質(zhì)成熟度（Ro）在凹陷處始新統(tǒng)最大值已經(jīng)超過3%，處于過成熟生干氣階段，已產(chǎn)生大量熱解氣。漸新統(tǒng)在凹陷最深部位地層的部分有機質(zhì)成熟度達到裂解氣窗，開始產(chǎn)干氣。但淺部3 000m以內(nèi)的沉積層中有機質(zhì)成熟度（Ro）＜0.7%，均為未成熟—低成熟階段，可以成為水合物成藏的良好生物成因氣的“烴源巖”，中中新世以來，這些地層中有機質(zhì)主要以生物成因氣為主，是區(qū)內(nèi)主要的水合物成藏氣體來源。

位于珠江口盆地東部海域調(diào)查B區(qū)的測線LineB烴源巖現(xiàn)今熱演化程度如圖3－b，在測線東南端的隆起區(qū)，現(xiàn)今的有機質(zhì)成熟度均為未成熟階段，只能作為生物氣的氣源巖，同時由于沉積厚度較薄，生物氣生氣潛力有限，但是在靠近珠二凹陷的測線西北端，始新統(tǒng)大部分進入裂解氣窗。Ro最大值已經(jīng)達到3%，已經(jīng)開始大量地生成熱解干氣。漸新統(tǒng)下段部分有機質(zhì)成熟度達到油氣窗，開始產(chǎn)濕氣，熱解生氣潛力相對較大。因此，推測該區(qū)水合物的氣源主要來自鄰近坳陷內(nèi)的氣體。

圖3 測線LineA（a）與測線LineB（b）現(xiàn)今有機質(zhì)成熟度模擬圖

2.2.3 烴氣運移

測線LineA位于該區(qū)主體構(gòu)造區(qū)域調(diào)查A區(qū)。剖面斷層非常發(fā)育，構(gòu)造走向以北東向為主。剖面BSR與海底面大致平行分布至整個區(qū)域，深部氣源供應主要是凹陷深部的始新統(tǒng)，大約從上新世開始達到裂解氣窗。從剖面油氣運移模擬結(jié)果來看（圖4－a），雖然該區(qū)域斷裂比較發(fā)育，但是由于熱演化程度不高，熱解氣源有限，故熱解氣對水合物成藏貢獻不大。水合物成藏氣體主要通過淺部自中中新世以來產(chǎn)生的生物氣自盆地中心自盆地邊緣的側(cè)向運移而來。

圖4 測線LineA（a）與測線LineB（b）油氣運移模擬圖

測線LineB位于珠江口盆地東部海域研究區(qū)的調(diào)查B區(qū)。其西北部以大斷層為界與東沙隆起為鄰，構(gòu)造走向以北東向為主。剖面BSR主要位于左側(cè)大斷裂處，深部氣源供應主要是始新統(tǒng)與漸新統(tǒng)，其中始新統(tǒng)大約從中中新世開始達到裂解氣窗，漸新統(tǒng)大約從晚中新世開始達到高熟氣窗，從油氣運移模擬結(jié)果看出（圖4－b）：由于斷裂較發(fā)育可以將凹陷深部氣源與淺層連通，熱解氣能夠垂向運移至與主干斷裂相連通的隆起帶上的水合物穩(wěn)定域中，進而為水合物運聚成藏提供充足的天然氣氣源。

3 水合物成藏模式

一個完整的水合物成藏過程包括烴氣的產(chǎn)生、運移以及聚集成藏，三者共同組成了水合物的成藏系統(tǒng)［17］，充足的氣源是水合物富集成藏的必要條件，目前形成水合物的兩種主要氣源主要是來自深部的熱解氣與形成于淺層的微生物氣。通過上述分析可知，珠江口盆地東部海域水合物富集帶分別處在調(diào)查A區(qū)與調(diào)查B區(qū)2個不同的構(gòu)造區(qū)域上，依據(jù)其水合物的成藏特征，分別構(gòu)建水合物成藏模式。

位于調(diào)查A區(qū)的測線LineA代表該區(qū)域水合物成藏的一種主要成藏模式。根據(jù)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的研究成果，該區(qū)BSR主要分布在含砂率為40%～80%的區(qū)間。含砂率越大，儲集空間越大，孔隙水也越多，對流體的運移也比較有利，加之該區(qū)中深部斷裂比較發(fā)育，烴氣產(chǎn)生后首先沿著斷裂區(qū)運移，隨著天然氣沿斷層向上運移并遇到孔隙度相對較大、可滲透的砂巖層時，其中一部分氣體沿這些砂巖層繼續(xù)向上運移，當深部運移中的熱成因天然氣運移至生物氣源區(qū)時與微生物成因的天然氣發(fā)生混合并儲集于構(gòu)造或地層圈閉中，不斷生氣必然導致氣壓的改變，在流體勢的控制作用下，這些被圈閉的氣體繼續(xù)向上運移，再進入特定的水合物溫壓穩(wěn)定帶后轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔?，先期形成的水合物成為氣體的蓋層，進而形成了一定的圈閉，于是氣體不斷富集逐步形成一定規(guī)模的水合物礦藏。由于該區(qū)域深部熱解氣源巖熱演化程度相對較低，熱解氣源有限，該區(qū)水合物藏主要的氣源主要來自水合物穩(wěn)定域下伏生物氣源巖產(chǎn)生的生物氣。這些生物氣主要通過發(fā)育的斷裂垂向和側(cè)向運聚至穩(wěn)定域成藏（圖5－a）。

另一種是發(fā)育于調(diào)查B區(qū)的水合物成藏模式，由于調(diào)查B區(qū)新生代厚度較薄，沉積物有機質(zhì)有限，所生成的微生物氣不足以聚集成藏。水合物成礦氣體主要由來自鄰近凹陷區(qū)的深部熱解氣供應。這些深源熱解氣以溝通深部始新統(tǒng)與漸新統(tǒng)的大斷裂為運移通道，通過這些大斷裂垂向運移至隆起區(qū)邊緣水合物穩(wěn)定域內(nèi)成藏（圖5－b）。

圖5 珠江口盆地東部海域調(diào)查A區(qū)（a）與調(diào)查B區(qū)（b）水合物成藏地質(zhì)模式圖

4 結(jié)論

1）珠江口盆地東部海域調(diào)查A區(qū)及調(diào)查B區(qū)均具備形成水合物良好的穩(wěn)定域條件，調(diào)查A區(qū)穩(wěn)定域厚度為200～500m，調(diào)查B區(qū)穩(wěn)定域厚度為150～300m。

2）調(diào)查A區(qū)中深部斷裂發(fā)育，氣源巖熱演化程度較低，熱解氣源有限，而淺部生物氣源條件充足，水合物成藏氣體主要通過發(fā)育的斷裂構(gòu)造運移至穩(wěn)定域形成以生物氣為主的混合氣源水合物藏。調(diào)查B區(qū)新生代厚度較薄，沉積物有限，所生成的生物氣不足以聚集成藏，水合物藏主要來自鄰近凹陷區(qū)的深部熱解氣通過斷裂運聚至水合物穩(wěn)定域內(nèi)成藏。

3）就水合物形成條件而言，調(diào)查A區(qū)氣源更充足，穩(wěn)定域厚度更大，運移通道更好，應該是水合物勘探更為有利的區(qū)域。

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