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。     

南海东北部陆坡区天然气水合物成矿作用

南海东北部陆坡区具有准被动大陆边缘构造特征,新生代含油气沉积盆地发育,具备天然气水合物发育的一系列有利地质构造背景。基于该区已有的调查资料,从构造、沉积、成矿气体来源和水合物相平衡及其热力学特征等方面,综合分析了南海东北陆坡区有利的天然气水合物成矿条件。结果表明,研究区完全具备形成水合物的海底温度、地温梯度和压力条件,存在底辟和泥火山构造、斜坡-断层构造组合等特殊地质构造环境及构造部位,浅部沉积层具有合适的岩石学条件和较高的沉积速率,并存在丰富的生物气和热解气。因此,南海东北部陆坡区具有潜力极大的天然气水合物成矿远景。     

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！     

南海北部东沙陆坡主要灾害地质因素特征

我国深水区海洋灾害地质研究成果较少,而南海北部东沙陆坡深水区天然气水合物资源的进一步勘探急需弄清海底地质环境。研究区缺乏浅地层剖面资料,因此,本文基于高分辨率2D地震资料等实测资料,率先在东沙陆坡深水区开展灾害地质研究。文中识别出地震、活动断层、海底滑坡、浅层气、泥火山、陡坎及侵蚀沟(谷)共7种具有活动能力的破坏性灾害地质因素,还识别出浅埋基岩面、海底火山、岩浆底辟共3种不具有活动能力的限制性灾害地质因素,同时总结了各灾害地质因素的平面展布特征并研究了其地震反射特征及灾害性。基于以上研究,本文认为陆坡深水区应重点避让海底滑坡、活动断裂、浅层气、侵蚀沟等与海洋工程关系密切的灾害地质类型,研究成果虽然精度有限,但可初步为该区天然气水合物的进一步勘探及防灾减灾提供参考。     

珠江口盆地东部海域天然气水合物钻探结果及其成藏要素研究

天然气水合物被普遍认为将是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,同时也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源。广州海洋地质调查局从1999年起,在南海北部陆坡进行了多年的地球物理、地球化学以及地质综合调查,获取了大量与天然气水合物赋存有关的各种地质信息,并分别于2007年在神狐海域和2013年在珠江口盆地东部海域实施钻探,均成功获取了天然气水合物样品,特别是2013年度在珠江口盆地东部海域的钻探航次中,获取了高纯度、多种产状类型的天然气水合物实物样品。以上调查及钻探成果,证实了我国南海存在巨大的天然气水合物(简称水合物)资源前景。本文简要介绍了我国珠江口盆地东部海域2013年的主要钻探结果。本研究在钻前,将2013年钻区的水合物成藏条件与对世界上多个天然气水合物钻探区进行综合对比分析。结果表明,气源条件、稳定条件、气体运移条件和储集条件是该钻区水合物成藏的最重要控制因素(成藏要素)。经过分析该区这些要素的特征,预测本区应发育渗漏型水合物。2013年钻探结果揭示该区同时存在分散型和渗漏型水合物,说明控制该区水合物形成和分布的因素更为复杂。     

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。     

南海琼东南盆地气态烃地球化学特征及天然气水合物资源远景预测

天然气水合物研究覆盖了地球物理学、地球化学和地质学等多门学科,其中勘查地球化学方法可以从海底介质中直接获得与天然气水合物有关的地球化学信息,圈定水合物异常区域。近些年来大量的研究工作和陆续发现的地球物理和地球化学证据显示,南海北部海域是我国勘查天然气水合物最有潜力的区域之一。依据广州海洋地质调查局2005年第4航次获得的南海琼东南盆地沉积物酸解烃测试结果和高异常段位同位素分析数据,探讨了琼东南盆地气态烃地球化学分布特征和异常成因。结合西沙海槽已有的勘探资料和水合物成藏地质条件,分析南海北部西沙海槽—琼东南地区与天然气水合物有关的地球化学异常特征,并对水合物成藏远景进行了预测。研究成果为南海北部天然气水合物勘探提供地球化学证据。     

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！      

南海北部陆坡西沙海槽XS-01站位沉积物孔隙水的 地球化学特征及其对天然气水合物的指示意义*

天然气水合物是近年来国际上发现的一种新型能源,大量赋存在海底沉积物中。西沙海槽位于南海北部陆坡区,周边有多个大型深水油气田区。对该区地形地貌、地质构造和沉积条件分析以及地球物理BSR分布表明,西沙海槽是我国海洋天然气水合物资源勘查的一个有利远景区。文章主要研究了位于西沙海槽最大BSR区内的XS-01站位沉积物孔隙水的地球化学特征,发现该站位孔隙水阴阳离子浓度和微量元素组成特征变化显示出可能与天然气水合物有关的明显地球化学异常,与国际上己发现有天然气水合物地区的异常相类似。因此,认为该站位是西沙海槽区最有利的天然气水合物赋存区,值得进一步的勘查工作。     

深水油气浅层钻井的“三浅”地质灾害

深水浅层钻井过程中可能遇到浅水流、浅层气以及天然气水合物层分解等3种浅层地质灾害（简称＂三浅＂）。要规避这些风险,必须需要开展浅水流、浅层气和天然气水合物成因机理、识别特征及工程危害等方面的研究。国外利用地球物理识别技术和数值模拟方法,结合深水油气钻井测井开展了这方面的研究,在＂三浅＂地质灾害的形成机理和控制因素方面取得了较为重要的研究进展。目前国内学者利用地球物理方法在南海北部深水区LW3-1大气田的周围发现了超压系统、浅层气和天然气水合物。深水水道砂体的发现也推断南海北部深水区具有＂三浅＂地质灾害发育的地质条件。随着深水油气勘探开发的不断深入,评估和预测南海北部深水钻井的＂三浅＂地质灾害十分迫切。     

未来接替能源——天然气水合物面临的挑战与前景

天然气水合物作为新型化石燃料展现出巨大的资源潜力,如何科学地估算全球天然气水合物资源量与安全而经济地开采天然气水合物是全世界关注的焦点。文章在系统地分析了全球气水合物研究4个发展阶段认识的基础上,结合笔者对中国南海天然气水合物近20年的研究经历,明确了中国南海天然气水合物赋存的构造背景复杂、沉积过程与类型多样、表征难度大等多种难题。指出了天然气水合物研究面临的6个地质问题与瓶颈:新近系层序地层划分的成因性对比、稳定带厚度与水合物赋存机理、陆缘水动力背景复杂且沉积类型多样、水合物分布与沉积响应间的关系、构造运动对水合物的聚散控制以及水合物成藏模式与判识评价体系;探讨了目前天然气水合物资源量估算过程中存在的优缺点以及试采仍需要攻关的关键理论与技术问题。从地质角度回答了油峰到来的预期与天然气水合物作为接替能源的可能性与前景,指出中国南海的地质特点与天然气水合物的分布规律,明确提出了天然气水合物研究既不可盲目性乐观、也不可强制性悲观的学术观点。     

A 3D basin modeling study of the factors controlling gas hydrate accumulation in the Shenhu Area of the South China Sea

Great advancement has been made on natural gas hydrates exploration and test production in the northern South China Sea. However, there remains a lot of key questions yet to be resolved, particularly about the mechanisms and the controls of gas hydrates enrichment. Numerical simulaution would play signficant role in addressing these questions. This study focused on the gas hydrate exploration in the Shenhu Area, Northern South China Sea. Based on the newly obtained borehole and multichannel reflection seismic data, the authors conducted an integrated 3D basin modeling study on gas hydrate. The results indicate that the Shenhu Area has favorable conditions for gas hydrate accumulation, such as temperature, pressure, hydrocarbon source, and tectonic setting. Gas hydrates are most concentrated in the Late Miocene strata, particularly in the structual highs between the Baiyun Sag and the Liwan Sag, and area to the south of it. It also proved the existence of overpressure in the main sag of source rocks, which was subject to compaction disequilibrium and hydrocarbon generation. It also shown that the regional fault activity is not conducive to gas hydrate accumulation due to excess gas seepage. The authors conjecture that fault activity may slightly weaken overpressure for the positive effect of hydrocarbon expulsion and areas lacking regional fault activity have better potential.©2022 China Geology Editorial Office.     

中国近海天然气水合物找矿前景

天然气水合物是一种新型能源，在海底沉积物和陆上永远冻土带中均有广泛分布。西太平洋是全球三大天然气水合物成矿带之一，在其中已发现许多水合物矿床或矿点。中国近海，包括南海、东海和台湾东部海域，具备良好的天然气水合物成矿条件和找矿前景，并已在这些海域中发现了一系列的找矿标志。南海的西沙海槽、台湾西南陆坡和台西南盆地、笔架南盆地及其东缘增生楔、东沙群岛东南坡、南部陆坡区，东海的冲绳海槽和台湾东北部海域是中国近海最有利的天然气水合物找矿远景区。     

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。     

现代暖期气候变暖对南海北部陆坡天然气水合物分解潜在影响

现代暖期(Current Warm Period,CWP,1850—至今)以来全球气温升高,南海北部陆坡底层海水温度升高、海平面上升影响海底天然气水合物稳定性。为探究现代暖期气候变暖对南海北部陆坡水合物分解影响,本文模拟计算了东沙海域、神狐海域、西沙海域、琼东南海域水合物赋存水深最浅处水合物的饱和度在1 000年内变化情况,评估了受现代暖期气候变暖影响水合物赋存水深范围,讨论了水合物分解量及其对环境影响。结果发现:(1)受现代暖期气候变暖影响,东沙海域、西沙海域、琼东南海域水合物分解,神狐海域水合物不分解;当东沙海域、西沙海域、琼东南海域水深分别超过665、770、725 m,水合物不分解;(2)现代暖期自始以来,南海北部陆坡水合物分解量为9.36×10⁷~3.83×10⁸ m³,产生的甲烷量为1.54×10¹⁰~6.28×10¹⁰ m³;(3)受现代暖期气候变暖影响,南海北部陆坡每年水合物分解量为5.5×10⁵~2.25×10⁶ m³,产生的甲烷量为9.02×10⁷~3.69×10⁸ m³,这些甲烷中3.61×10⁵~1.48×10⁶ m³能够进入大气,对温室效应贡献度为每年我国人类生活的0.01%~0.06%;与此同时,1.77×10⁷~7.23×10⁷ m³甲烷可能会在海水中被氧化形成弱酸,加重南海北部陆坡海水酸化。     

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。     

构造控制型天然气水合物矿藏及其特征

构造环境是天然气水合物富集成藏的重要控制因素,增生楔、断裂体系、褶皱、(泥)底辟、滑塌等特殊构造体是影响天然气水合物成藏的主要地质载体。通过对这些特殊构造体与天然气水合物成藏关系的研究,结合流体活动对水合物形成的影响,总结出陆缘地区有增生楔型、盆缘斜坡型、埋藏背斜型、断褶型、滑塌型及底辟型等六类构造控制型水合物矿藏。南海位于欧亚板块、太平洋板块及印澳板块的交汇处,早期为活动陆缘,晚期演化为被动陆缘,其构造活动具有早期张裂、后期挤压的特点,这既不同于被动陆缘,也有别于活动陆缘,可视为“复合型”大陆边缘,兼具了“被动陆缘沉积速率高、活动陆缘构造活跃”的优点,从而形成了“增生楔型、断褶型、底辟型、滑塌型、盆缘斜坡型”等多种构造控制型水合物矿藏,是“复合型”大陆边缘水合物成藏地质模式的典型代表。