南海北部天然气水合物成藏地质条件及成因模式探讨

中国南海北部陆坡区是天然气水合物成藏的理想场所,资源潜力巨大。文章基于天然气水合物勘探成果,结合南海北部天然气水合物成藏地质背景,从天然气水合物成藏的温压稳定条件、气源形成条件、构造输导条件和沉积储集条件4方面,系统分析了南海北部天然气水合物成藏的基本地质条件,探讨了南海北部陆坡中部神狐海域、南海北部陆坡西部海域和南海北部陆坡东北部海域天然气水合物的成藏类型与成因模式。结果认为,南海北部陆坡中部神狐海域主要发育扩散型水合物,而南海北部陆坡西部海域主要发育渗漏型水合物,南海北部陆坡东北部海域则发育兼具扩散型与渗漏型特征的复合型水合物。     

南海北部陆坡西部海域“海马”冷泉甲烷渗漏及其海底表征

2015年3月"海马"号遥控无人潜水器(ROV)在南海北部陆坡西部海域首次发现活动冷泉,并命名为"海马"冷泉,此后中国地质调查局广州海洋地质调查局先后组织了3个航次,对"海马"冷泉开展进一步勘查和研究。本次研究在综合分析4个航次调查数据的基础上,初步阐述"海马"冷泉的分布范围、地形地貌、生物群落、自生碳酸盐岩和流体活动等特征。总体而言,"海马"冷泉区地势平缓,气体渗漏现象非常发育,是以CH4为主要气体渗漏形成的活动冷泉区,且气体渗漏活动具有时空迁移性。气体碳同位素组成表明,海马冷泉区的CH4为混合成因气,且以微生物成因为主;"海马"冷泉区发育有多种类型的化能自养冷泉生物群落,冷泉区种类丰富,目前已报道了多个冷泉生物新种。这些发现为研究南海北部陆坡西部海域天然气水合物分解及其环境效应、冷泉生物生命起源与演化和南海与印度洋及太平洋物种迁移贯通等科学问题提供重要依据。     

基于天然气水合物地震数据计算南海北部陆坡海底热流

天然气水合物是一种由水的冰晶格架及其间吸附的气体分子（以甲烷为主）组成的固态化合物,地震剖面上的似海底反射BSR是天然气水合物赋存的重要地球物理标志。相同气体成分水合物的相对稳定的温压关系是根据BSR的赋存深度计算海底热流的理论基础。选择南海北部陆坡有典型BSR反射的地震剖面,计算了南海北部陆坡天然气水合物发育区的压力、温度、地温梯度、热导率及热流等地热参数。通过计算热流值与实测热流值的对比可以大致推测,在南海北部陆坡海底运用该方法计算的热流值误差可能在12％以内。本研究不仅可以为海底热流等理论研究提供一定信度的数据资料,而且通过实测热流值校正后的热流数据以及经验公式,可以反过来用于BSR深度的计算以及天然气水合物稳定域的预测,具有重要的实践意义。     

特约主编致读者

随着我国经济的快速发展,对能源资源尤其是油气资源的需求正在急剧增加,油气产量已远远不能满足经济发展的需求。因此,解决我国的能源短缺、选择新的替代能源不仅是当务之急,而且是一项长期的国家能源战略任务。正是在这一背景下,天然气水合物作为未来一种清洁高效的能源走进我们的视野。天然气水合物为冰状固体,是在低温、高压条件下,由气体充填于水分子中而形成的三维笼状结构的固态物质。由于在自然界中,形成天然气水合物的气体主要为甲烷,因此 通常称为甲烷天然气水合物,俗称“可燃冰”。天然气水合物主要赋存于具有低温、高压环境的海洋大陆边缘和高纬度冻土带。 我国从1999年正式启动西沙海槽天然气水合物资源调查,经过近20年的调查研究,取得一系列的重大找矿突破。中国地质调查局广州海洋地质调查局分别于2007年、2013年、2015及2016年4次在南海北部陆坡海域实施天然气水合物钻探,均成功钻获天然气水合物,证实了我国南海北部陆坡蕴藏着丰富的天然气水合物资源,标志着我国天然气水合物调查研究水平步入世界先进行列。钻探和调查研究结果证明,南海北部陆缘从西部-中部-东部具有不同的地质构造特点,天然气水合物成藏条件的差异性明显,对其成藏过程、成藏模式及时空分布产生深刻影响。 通过深入分析天然气水合物成藏特征及其成藏主控因素,揭示地球物理和地球化学异常特征,探讨天然气水合物成藏的机制、地质模式、赋存状态及天然气水合物主要灾害地质因素特征,可为我国海洋天然气水合物资源勘探和开发在基础地质研究方面提供重要的理论指导和技术支撑。为此,《地学前缘》决定组织出版一期“南海天然气水合物研究进展”主题的专辑。 本专辑共收录论文11篇。广州海洋地质调查局总工程师杨胜雄等介绍了我国南海北部神狐海域钻探区天然气水合物成藏特征及主控因素,通过随钻成像测井、电阻率频谱及相对饱和度讨论了神狐海域天然气水合物的赋存状态及其开采价值。广州海洋地质调查局副局长张光学等介绍了南海东北部天然气水合物成藏演化地质过程,认为上新世以来的地质事件是天然气水合物形成分解的诱发因素,冰期、 间冰期变化与天然气水合物形成分解有一定耦合关系。天然气水合物形成时代应早于上覆的自生碳酸盐岩,晚于其赋存的母岩沉积层,研究区上部天然气水合物矿层的上段形成于晚更新世,下段形成于中更新中期-晚更新世,下部天然气水合物矿层形成中更新世早期-中更新世中期。刘昌岭研究员等则在实验室内,采用现代分析仪器对南海北部陆坡神狐、珠江口盆地东部海域钻探区天然气水合物及其赋存的沉积物样品进行了系统的分析测试,研究了天然气水合物的微观结构、水合指数、气体组成等基本特征。陈芳教授等研究了珠江口盆地东部陆坡末次冰期天然气水合物冷泉活动的记录与时间。徐华宁教授等研究了珠江口盆地东部海域近海底天然气水合物地震识别及地质成因。郭依群教授等介绍了南海北部神狐海域高饱和度天然气水合物分布特征。梁前勇博士等对南海北部陆坡天然气水合物区海水甲烷含量分布特征及其影响因素进行了探讨。马云博士等介绍了南海北部东沙陆坡主要灾害地质因素特征。梁劲教授等介绍了台西南盆地含天然气水合物沉积层测井响应规律特征及其地质意义。苏丕波博士等分析了神狐海域扩散型天然气水合物在地震剖面上的亮点与暗点显示。王力峰博士等研究了南海东北部陆坡天然气水合物钻探区BSR推导的流体运移速率。 本专辑论文在天然气水合物成矿机理、找矿标志、实验测试及环境评价上取得了一系列新的认识。首次将随钻成像测井引入对天然气水合物赋存状态、成藏序列、成藏模式和主控因素的研究;首次提出天然气水合物矿藏共经历了3次天然气水合物藏发育期和2次天然气水合物藏破坏期;首次查明天然气水合物冷泉甲烷渗漏活动的时间及其发生的可能机制;获得了实验室沉积物对天然气水合物赋存形式及微观分布的影响;建立了“亮点”与“暗点”技术对天然气水合物的地震识别模式。希望本专辑的出版,能为中国天然气水合物基础研究起到一定的推动作用。 感谢所有作者、审稿专家和编辑部人员为本专辑出版所付出的辛勤努力！     

《现代地质》2005年(第19卷)总目录

第1期南海陆坡中新世以来沉积物的特性与气体水合物的分布初探………………………………………………苏新,陈芳,于兴河等(1)三峡“盖帽”白云岩的碳、硫稳定同位素研究及其成因探讨………………………………………………王家生,甘华阳,魏清等(14)ODP 204航次天然气水合物的可能有利储层———浊积层……………………………………………………龚建明,张莉,陈建文等(21)海底天然气渗漏系统微生物作用及冷泉碳酸盐岩的特征……………………………………………………冯东,陈多福,苏正等(26)天然气水合物地震响应研究———中国南海HD152测线应…     

南海北部陆坡坳隆断裂带中水合物赋存的温压场环境

天然气水合物的发育和赋存明显受构造条件控制,一些活动和非活动大陆边缘的特殊构造单元,如增生楔、泥火山、泥底辟、海底滑塌体均有利于水合物的发育和赋存。南海北部陆坡天然气水合物调查研究表明:南海北部陆坡的坳隆断裂带是有利于天然气水合物发育和赋存的重要构造之一。选择穿过坳隆断裂带的地震剖面A,根据南海北部陆坡海水深度和海底温度的关系曲线,计算了沉积物的温度;并在拟合沉积物深度与体密度关系曲线的基础上,计算了沉积物中的净岩压力,进一步探讨了测线A的温压场环境。结果表明:坳隆断裂带中存在连续变化的温压场环境,当气体在其中运移时,总能遇到有利的温压场环境,从而形成天然气水合物;另一方面,坳隆断裂带中也不是处处均有利于水合物的发育和赋存,需要进行具体的温压条件分析,从而对水合物稳定域进行准确定位。     

南海北部陆坡海底火山活动对天然气水合物成藏的影响

南海北部陆坡发育海底火山。海底火山的发育是否有利于天然气水合物的成藏是该区进行水合物勘探首先要考虑的一个关键问题。通过地震剖面解释、建立地质模型,并通过模型温度场计算,认为发生岩浆底侵时,高温岩浆使水合物稳定域的厚度变薄。随着热量的散失,水合物稳定域的厚度逐渐恢复。底侵的深度较浅时,水合物稳定域减薄的幅度增大,恢复周期变短。对海底火山喷发的情况,水合物稳定域将完全不存在,但其恢复的时间更短。岩浆底侵深度为6 km时,其对水合物稳定域的影响周期为1 Ma左右。南海北部东沙运动和流花运动都伴随着规模性的火山活动,两次构造运动期间岩浆侵入、侵出引起的热效应到目前为止已对该区水合物稳定域的发育没有影响,但海底火山活动对增大地层的孔隙与通道,从而对甲烷气体的运聚和水合物的成藏都能起到积极的作用。火山活动引起的高地温梯度,对生物甲烷的产生也将起到一定的帮助,从而有利于水合物的形成。南海北部陆坡火山区仍是天然气水合物勘探的有利靶区。     

南海北部陆坡构造坡折带中的天然气水合物

构造坡折带是由同沉积构造长期活动引起的沉积斜坡明显突变的地带,对盆地充填的可容纳空间和沉积作用可产生重要的影响,构造坡折带和油气资源分布有着较为密切的关系。本文首次把“构造坡折带”概念引入到天然气水合物调查研究中,认为:构造坡折带是天然气水合物发育和赋存的重要构造单元。论文从海底坡降、断层发育以及温压场环境等角度讨论了构造坡折带对天然气水合物的控制作用,发现BSR发育位置的海底坡降一般在10×10-2～30×10-2之间;利用论文中设计的相对构造强度的算法计算了南海北部陆坡D区的相对构造强度,发现相对构造强度的次高值区有利于水合物赋存;根据高分辨率地震数据计算的构造坡折带的温压场环境,发现构造坡折带中连续变化的温压场环境能够使游离气运移到适宜的温压场中并形成水合物。在对上述研究进行总结归纳的基础上,初步提出了南海北部陆坡构造坡折带中天然气水合物的成藏模式。     

南海神狐海域富Fe碳酸盐岩烟囱矿物学和地球化学的研究

<正>冷泉碳酸盐岩广泛分布在世界各地的主动或被动大陆边缘,它是冷泉区渗漏的甲烷与海水中硫酸根离子发生甲烷厌氧氧化和硫酸盐细菌还原作用的产物,详细记录海底流体的渗漏情况。因此,利用冷泉碳酸盐岩中的矿物组成、元素含量以及C、O、Fe同位素特征示踪碳酸盐的沉淀氧化还原环境、海底流体来源及其流体活动、探讨天然气水合物存在的可能性具有非常重要的作用。南海北部陆坡是天然气水合物发育的理想场所,已发现水合物发育的地质、地球化学和生物证据。2007年,广州海洋地质调查局在神狐海域     

南海东北部天然气水合物成藏演化地质过程

南海东北部天然气水合物赋存类型多样,包括块状、瘤状、薄层状、脉状及分散状等五种形式,独自出现或相互共生成藏,并伴生碳酸盐岩,且分布在水深600~900m、海底及其以下的200m地层之内。其中前四种水合物常形成于浅断裂隙、沉积物层间薄弱带、海底表面等局部地区,粒径大于正常沉积物孔隙,水合物肉眼可见,故又称可视水合物;分散状水合物充填于微米—纳米级孔隙的沉积物中,肉眼难以分辨,故这类水合物为非可视水合物。据钻井揭示,以海底之下90m处地层为界,研究区发育上、下两套水合物矿层,上部水合物矿层以可视水合物为主,下部水合物矿层为非可视水合物。其中上部水合物矿层发育上、下两个水合物层段,在各水合物层段的顶部均发育自生碳酸盐岩,反映为地史时期与水合物藏演化相伴生的古冷泉。综合分析认为,天然气水合物赋存形式及水合物藏演化受控于多种因素作用,包括岩性、粒度、岩相(古河道、扇体)等沉积作用,新构造活动及断层作用,流体及气体运移,以及影响水合物结晶成核生长的热流、盐度、时间等。其中可视水合物主要受构造因素控制,多为活跃流体携带气体以渗漏形式局部聚集形成;而分散状水合物则多受沉积因素影响,气体以扩散形式运移至适宜温压域的沉积层内形成水合物。上新世以来的地质事件是水合物形成分解的诱发因素,冰期、间冰期变化与水合物形成分解有一定耦合关系。水合物形成时代应早于上覆的自生碳酸盐岩,晚于其赋存的母岩沉积层,研究区上部水合物矿层的上段形成于晚更新世,下段形成于中更新中期—晚更新世,下部水合物矿层形成中更新世早期—中更新世中期;水合物矿藏共经历了3次水合物藏发育期和2次水合物藏破坏期。伴随水合物演化,发育两期自生碳酸盐岩,海底自生碳酸盐岩形成于更新世末期,上部水合物矿层之下段的顶部碳酸盐岩形成于中更新世早期。多层水合物构成的复式水合物矿藏系统,是扩散、渗漏驱动的二元成藏动力学过程综合作用的结果。     

南海北部陆坡天然气水合物区地质灾害类型及其分布特征

南海北部陆坡区存在着有利天然气水合物的成藏条件,综合调查及钻探结果揭示南海北部陆坡区蕴藏着丰富的天然气水合物资源,天然气水合物多发育在构造活动复杂地区,同时也是灾害地质因素高发区,潜在的灾害地质因素对水合物的赋存及商业开发是极大的威胁。本文基于广州海洋地质调查局多年来在南海北部天然气水合物发育区采集的大量2D、3D、浅地层剖面及多波束测深资料对南海北部水合物发育区进行海底灾害地质研究,对研究区地形地貌特征、灾害地质因素类型、特征、成因及分布特征进行了综合分析,同时阐述了灾害地质因素与水合物的形成与分解之间的关系,研究结果对南海北部陆坡区天然气水合物区成矿预测、试采井布置及未来灾害风险评价提供了基础数据和决策依据。     

南海天然气水合物资源勘查战略接替区初步分析与预测

二十多年来,南海天然气水合物勘查评价均主要集中在南海北部大陆边缘陆坡深水区,且先后在珠江口盆地神狐、珠江口盆地东部海域调查区和琼东南盆地陵水-松南调查区取得了天然气水合物勘查试采的重大突破及进展,陆续发现了两个大规模的天然气水合物藏,初步评价预测南海天然气水合物资源规模达800亿吨油当量左右,取得了南海天然气水合物勘探的阶段性重大成果.然而,南海天然气水合物资源进一步深化和拓展勘探的有利领域在哪里？尤其是可持续滚动勘探的战略接替区及选区在何处？其与目前陆坡深水油气及水合物勘探紧密相邻的外陆坡-洋陆过渡带（OCT）乃至洋盆区是否具有天然气水合物形成的地质条件？根据海洋地质调查及初步的地质综合分析研究,认为外陆坡-洋陆过渡带乃至洋盆区具备天然气水合物成藏的基本地质条件,可作为南海未来天然气水合物勘查的战略接替区和可持续滚动勘探的战略选区及资源远景区.针对这些影响和决定将来天然气水合物勘探决策部署及走向等关键问题进行初步分析与探讨,抛砖引玉希望能够对未来南海天然气水合物资源勘查评价及战略接替区之选择有所裨益！      

中国天然气水合物调查研究现状及其进展

天然气水合物大致经历了实验室研究、管道堵塞及防治、资源调查与开发利用4个发展阶段,中国目前正处于资源调查阶段的早期。自1999年开始,中国先后开展了南海、东海、陆上冻土区和国际海底区域天然气水合物的调查研究,相继发现了一系列地质、地球物理和地球化学异常标志,并在南海北部神狐地区成功采到水合物实物样品,取得了找矿工作的重大突破,显示出良好的找矿前景,但目前仍存在着调查研究程度较低、技术装备比较落后等问题。随着国家对天然气水合物重视程度的加强,中国天然气水合物的调查研究进程将会将进一步加快,并在不久的将来过渡到试生产阶段和商业性生产阶段。     

南海盆地演化对生物礁的控制及礁油气藏勘探潜力分析

南海盆地经历了断陷、坳陷和区域热沉降等演化过程。古新世—早渐新世,包括南沙地块在内的古南海北部陆缘的岩石圈伸展作用导致断陷湖盆的形成,局部遭受海侵。该期仅在古南海北部陆架和陆坡地区具备形成生物礁的条件。晚渐新世—中中新世,由于洋壳扩张南海盆地形成,南沙地块漂移到现今位置。随着海水大面积入侵,早期形成的断阶高部位成为水下隆起,岩石圈伸展引起的地幔岩浆喷发,形成水下火山高地,为生物礁的形成创造了地形地貌条件。在物源供给不足的地区,出现适于生物礁发育的温暖、透光、洁净、具有正常盐度的浅水环境,生物礁繁盛。从南海盆地演化和生储盖等地层层系形成时间上看,生物礁具有有利的生储盖配置关系和油气运聚条件。晚中新世-全新世区域热沉降形成全区统一的区域盖层,南海生物礁油气藏得以保存。上述情况决定了南海盆地生物礁具有很大的油气勘探潜力。     

琼东南盆地南部隆起带天然气水合物赋存特征分析

天然气水合物是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一。我国南海蕴藏着丰富的水合物资源,目前已在南海北部陆坡神狐、东沙、海马区发现丰富的水合物资源。本文分析了琼东南盆地南部隆起带天然气水合物赋存的地质条件,开展了地球物理资料的分析与海底反射(BSR)识别,计算了水合物热动力学稳定带厚度。研究表明,琼东南盆地南部隆起带具备水合物赋存的地质条件,渗漏构造发育,游离气丰富,BSR表现为强振幅、不连续等特征,水合物稳定带厚度大,具有较大的天然气水合物资源潜力。     

中国海域的天然气水合物资源

天然气水合物是甲烷等天然气在高压、低温条件下形成的冰状固体物质。据估算,全球天然气水合物中碳的含量等于石油、煤等化石能源中碳含量的2倍。在人类面临化石能源即将枯竭的时候,各国科学家和政府都把目光投向这一未来能替代化石能源的新能源。新生代构造演化历史、沉积条件、沉积环境等显示,南海具有生成和蕴藏巨大天然气水合物资源的条件;南海海域的地震反射剖面多处显示存在BSR反射波;2007年已钻探见到水合物样品。东海冲绳海槽在第四纪的沉积速率高(10~40cm/ka),槽坡存在泥底辟构造和断裂活动,从上新世以来发生过两次构造运动,这些对天然气水合物的形成是十分有利的;因此,中国海域的天然水合物资源是十分丰富的,在不远的将来它可能成为新的替代能源。     

南海北部珠江口盆地深水区天然气水合物成因类型及成矿成藏模式

南海北部大陆边缘珠江口盆地油气资源丰富,迄今为止不仅在北部浅水区勘探发现了大量油田,建成了超千万立方米的石油年产能区,而且在南部深水区亦 获得了深水油气勘探的重大突破;在深水海底浅层还发现了大量生物气/亚生物气显示,钻探获得了天然气水合物。根据近年来油气勘探及海洋地质勘查所获大量天然气资料,结合油气成藏地 质条件,深入分析了珠江口盆地生物气/亚生物气地质地球化学特征及其气源岩展布特点,初步预测和估算了其生物气生成量与资源量。通过珠江口盆地南部深水区白云凹陷(神狐调查区)天然 气水合物形成的地质地球化学条件分析,进一步证实了该区勘查发现的天然气水合物,主要属生物气成因类型,其气源供给主要来自原地近源以生物气为主的混合气,天然气水合物成矿成藏 模式则主要属于生物气源供给“自生自储型”近源富集成矿成藏类型,且资源潜力颇大。     

中国近海天然气水合物的研究进展

南海、东海具有形成天然气水合物的良好动力学环境和丰富的烃类气体来源。根据卫星对海面增温异常的观测、底水气体地球化学、标志矿物和流体组成的研究表明 ,南海、东海海底存在强烈的烃流体活动和排气作用 ;南海南北陆坡区海底气体主要由CH4组成 ,前者多为微生物成因气 ,后者多为热解气 ;冲绳海槽热液沉积区的气体 ,主要为CO2 (86 % ) ,其次为CH4、H2 、H2 S(14 % ) ,分别来自岩浆流体及陆源有机质的降解 ,也属热解成因气。地震地球物理的研究主要集中于南海东北部、北部、南部陆坡区和冲绳海槽中南部 ,测线长度还很有限 ,虽然都有BSR标志的发现 ,但质量比较好 ,研究程度也比较高的还只有南海东北部主动陆缘和北部被动陆缘的一些海域。通过沉积物烃含量和热释光的研究 ,南海、东海共获得 6个地球化学异常区。在综合对比物化探、地热等项资料的基础上初步认为 :笔架南 (Ⅰ )、台西南—东沙 (Ⅱ )异常区是寻找水合物的最佳远景区 ;琼东南—西沙海槽(Ⅲ )、中建南—中业北 (Ⅳ )和冲绳海槽南部异常区是寻找水合物和常规油气藏的有利地区 ,但Ⅳ区更有利于寻找油气 ,其余 2区更有利于寻找水合物 ;南沙海域的研究程度总体上比较低 ,但在其中的南沙海槽 ,物化探异常标志均优 ,甲烷含量较其它地区高 2个数量级