神狐海域氣源特征及其對天然氣水合物成藏的指示意義

摘 要

摘要：為了了解神狐海域天然氣水合物成藏的氣體來源及聚集特征，根據(jù)過SH2井區(qū)高分辨率地震剖面構(gòu)建了該區(qū)地質(zhì)模型，并進行了天然氣水合物成藏模擬。在恢復SH2井區(qū)地史和熱演化史
摘要：為了了解神狐海域天然氣水合物成藏的氣體來源及聚集特征，根據(jù)過SH2井區(qū)高分辨率地震剖面構(gòu)建了該區(qū)地質(zhì)模型，并進行了天然氣水合物成藏模擬。在恢復SH2井區(qū)地史和熱演化史的基礎上，利用EASY%R。模型計算了SH2井區(qū)烴源巖的成熟度演化史，結(jié)合探區(qū)采樣成果對水合物的氣源特征進行了初步探討。結(jié)果表明：深部發(fā)育的2套烴源巖(古近系文昌組和恩平組)演化程度均較高(Ro＞2%)，處于產(chǎn)干氣階段，熱解生氣潛力巨大；淺部新近系珠江組、韓江組、粵海組和萬山組基本處于未成熟一低成熟階段(Ro＜0.7%)，有機質(zhì)豐度較高，是生物氣的烴源巖，具有生物生氣的巨大潛力。同時，神狐海域地質(zhì)構(gòu)造復雜，斷層與底辟發(fā)育，這些斷裂和底劈構(gòu)造成為連接淺部水合物穩(wěn)定域和氣源的橋梁，為生物成因氣和深部熱解氣的運移提供了良好的通道。當氣源和天然氣水合物穩(wěn)定域的時空匹配得當，在適當?shù)牡刭|(zhì)條件下便可形成天然氣水合物。初步預測該區(qū)天然氣水合物資源潛力巨大，是勘探遠景區(qū)。
關鍵詞：天然氣水合物；氣源對比；有機質(zhì)成熟度；生物氣；運移通道；油氣藏形成；烴源巖；神狐海域
    氣體的充足供應是形成天然氣水合物(以下簡稱水合物)不可或缺的條件[1]，要了解水合物的聚集特征，必須首先研究其中烴類氣體的來源。生物成因氣、熱解成因氣、無機成因氣均可作為水合物的氣體來源，這些不同成因的天然氣運移至特定低溫高壓條件下，均可形成水合物礦藏[2～3]。就目前研究的成果來說，氣體來源主要以有機成因氣為主[4]，有機成因烴類氣體包括生物成因氣和熱解成因氣，目前世界上所發(fā)現(xiàn)天然氣水合物中所含甲烷大多以生物成因為主，除俄羅斯的梅索亞哈氣田、日本南海海槽以及加拿大麥肯齊三角洲等少數(shù)幾個水合物分布區(qū)采集到的甲烷樣品具有典型的熱成因氣特征外，大多數(shù)為生物成因氣特征，個別具混合成因的氣體特征(如墨西哥灣和普拉德霍灣)。筆者主要以南海北部神狐海域為研究區(qū)，對該區(qū)氣源特征及其與水合物的成藏關系進行了初步探討。
1 地質(zhì)概況
神狐海域位于南海北部陸緣陸坡區(qū)的中段，經(jīng)歷了與南海北部陸緣相似的地史演化過程，南海北部大陸邊緣在新生代經(jīng)歷了被動大陸邊緣的發(fā)育史，分布著巨厚的新生代沉積。新生界地層自下而上依次為古新統(tǒng)、始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)、中新統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系，共劃分7個地層層序(A，B，C，D，E，F(xiàn)，G)(表1)。神狐海域水合物研究區(qū)主要位于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷，水深為200～2000m，面積約為20000km2，凹陷內(nèi)陸源沉積物供給充分，沉積速率較高，新生界平均沉積厚度為4000～7000m，最大沉積厚度約為12000m。地史上經(jīng)歷多次地殼運動和多階段的構(gòu)造演化，地質(zhì)構(gòu)造復雜，斷裂-褶皺體系非常發(fā)育[5]，斷層切穿較新的沉積層延伸至水合物穩(wěn)定域，為天然氣向淺部水合物穩(wěn)定帶運移創(chuàng)造了有利條件，而褶皺構(gòu)造易于捕獲天然氣，促使水合物的形成。
 

    對神狐海域226個站位獲得的591個頂空氣樣品進行了烴類氣體含量的測試分析，結(jié)果顯示[6]：海域淺表層沉積物中普遍存在游離氣，δ13C1(PDB)值為-46.2‰～-74.3‰，平均為-60.9‰，除2個樣品的δ13C1值為-46.2‰和-51‰外，大多數(shù)樣品的δ13C1值小于-57‰，證實神狐海域淺表層沉積物頂空氣主要來源于生物氣。此外，有55個站位頂空氣甲烷的含量在垂向上保持了相對較高的豐度，特別是位于調(diào)查區(qū)北部白云凹陷內(nèi)的5個站位，甲烷的含量分別接近了120μL/kg和200μL/kg，暗示其深部可能有持續(xù)穩(wěn)定的游離甲烷供應，可能是來自于深部的熱解氣。據(jù)ODP184航次鉆探成果，研究區(qū)附近的東沙陸坡區(qū)漸新統(tǒng)及以上地層有機碳含量高，在1144、1146等多個站位發(fā)現(xiàn)生物成因氣和熱解成因氣的富集。王建橋等人對調(diào)查區(qū)東部的ODP1146站位頂空氣樣品進行了分析，結(jié)果也顯示為混合氣體的特征[7]。由此推測，研究區(qū)淺部地層中的天然氣可能兼有生物氣和熱解氣2種來源。
2 烴源巖特征
2.1 生物氣烴源巖特征
    近海油氣勘探表明[8]，南海北部邊緣盆地生物氣的烴源巖分布相當廣泛，縱向上從上中新統(tǒng)至第四系，甚至在局部區(qū)域的中中新統(tǒng)的不同層段均有分布；區(qū)域上盆地內(nèi)均有大套淺海相和半深海相的泥質(zhì)烴源巖展布，其有機質(zhì)豐度相對較高，已達到了作為生物氣烴源巖的標準，且具有一定的生烴潛力。目前，鶯-瓊盆地的諸多探井在淺層均見到生物氣顯示，多以水溶氣的形式產(chǎn)出，亦有呈氣層氣分布而形成游離氣藏的，主要賦存于上新統(tǒng)-第四系小于2300m的海相粉細砂巖或泥質(zhì)粉砂巖中，并且已經(jīng)在鶯歌海盆地中部坳陷第四系超淺層的樂東28-1構(gòu)造以及樂東22-1氣田，發(fā)現(xiàn)單獨成藏的以氣層氣形式產(chǎn)出的生物氣氣藏，具有一定的儲量規(guī)模，產(chǎn)能甚高，產(chǎn)量超過43.6×104m3/d。鶯歌海盆地上中新統(tǒng)第四系海相泥巖有機碳含量一般平均為0.23%～1.05%，估算其生物氣生成量可達5982629×108m3，生物氣資源量可達2991.3×108m3。瓊東南盆地生物氣烴源巖有機質(zhì)豐度總體上比鶯歌海盆地低一些或相當，粗略估算瓊盆地生物氣總生氣量可達4374532×108m3，生物氣資源量可達2187.2×108m3。珠江口盆地東部生物氣生成量為661500×108m3，生物氣總資源量可達4630.5×108m3。
    根據(jù)沉積環(huán)境分析[9]，神狐海域水合物研究區(qū)陸源沉積物供給充分，沉積速率較高，比開放性大洋高2～3倍。第四紀以淺海-半深海-深海相細粒沉積為主，該時期沉積層中砂巖含量僅為15%～50%，大部分地區(qū)砂巖含量低于25%；上新世，該區(qū)以半深海-深海沉積為主，該時期沉積層中的砂巖含量分布大體在20%～60%，大部分區(qū)域砂巖含量低于45%，仍然以偏細粒沉積為主；上中新世，以淺海-半深海沉積為主，地層砂巖含量分布大體在25%～75%，大部分區(qū)域砂巖含量低于50%。由于快速沉積的半深海沉積區(qū)聚積了大量的有機碎屑物，迅速埋藏在海底未遭受氧化作用而保存下來，并在沉積物中經(jīng)細菌作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅康纳锛淄闅狻２⑶?，快速堆積的沉積體易形成欠壓實區(qū)，從而可構(gòu)成良好的流體輸導體系，有利于生物氣藏的形成。在珠江口盆地東部白云凹陷北斜坡PY34-1和PY30-1構(gòu)造的淺層已發(fā)現(xiàn)生物氣氣藏。
    2007年4～6月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在神狐海域研究區(qū)內(nèi)實施了天然氣水合物鉆探，先后在3個站位成功鉆獲了天然氣水合物實物樣品，對其中的SH2站位沉積物樣品中的氣體進行的氣相色譜分析的結(jié)果顯示[10]：CH4的體積分數(shù)占96%～99%，C2H6和C3H8的體積分數(shù)很低，干燥系數(shù)(C1/C2)一般在數(shù)百至1000以上，為典型的干氣。SH2站位含水合物層的總有機碳含量平均值為0.43%，已達到了作為生物氣烴源巖的標準，對SH2站位進行有機質(zhì)成熟度的熱演化模擬(圖1)，結(jié)果表明：淺部地層珠江組、韓江組、粵海組和萬山組Ro值低于0.7%，多在0.2%～0.6%，處于未熟-低成熟的生烴門限附近，屬于良好的生物氣的烴源巖。這幾套層序厚度大，泥巖含量高，熱成熟低，有機質(zhì)豐度較高[11]，其中，上中新統(tǒng)-第四系海相泥巖有機碳含量平均為0.22%～0.49%，且不同層位及層段均變化不大，第四系有機碳含量平均為0.22%～0.28%，上新統(tǒng)有機碳含量平均為0.30%～0.39%，上中新統(tǒng)有機碳含量平均為0.49%；上中新統(tǒng)-全新統(tǒng)海相泥巖生烴潛力(S1+S2)平均為0.13～0.32mg/g，與鶯歌海盆地大體一致。由此推測，該區(qū)具備生成生物氣的巨大潛力。
2.2 熱成因氣烴源巖特征
    根據(jù)古氣候條件、古地理環(huán)境及高分辨率地震資料地震相特征綜合分析認為：神狐海域水合物研究區(qū)白云凹陷在始新世-早漸新世具有潮濕的氣候環(huán)境、全封閉的深洼陷、高的沉積速率，該時期形成了巨厚的文昌-恩平組烴源巖。這2套烴源巖在鄰區(qū)鉆探中已證實是珠江口盆地主要烴源巖。而漸新統(tǒng)珠海組則可能是潛在的烴源巖層，這幾套烴源巖的地化特征研究表明[12～13]：始新統(tǒng)文昌組，中深湖相泥巖，白云凹陷中的面積為1900km2，厚度為1700～3000m。T0C平均值為2.94%，HI平均值為483.4mg/g，氯仿瀝青“A”含量平均值為0.225%；干酪根H/C原子比為1.5～1.0，大多在1.2，表明有機質(zhì)類型為腐泥-混合型；下漸新統(tǒng)恩平組為沼澤相、河流相和濱 淺湖相沉積，面積2860km2，厚度為1100～2300m。烴源巖多為煤系泥巖，含豐富的陸源樹脂。TOC平均值為2.4%，HI平均值為146.1，氯仿瀝青“A”含量平均值為O.1976%；干酪根H/C原子比多在1.2～0.7，表明有機質(zhì)類型以偏腐殖混合-腐殖型為主；上漸新統(tǒng)珠海組，漸海相，TOC平均值為1.83%，HI平均值為154.28mg/g，氯仿瀝青“A”含量平均值為0.46%，機質(zhì)類型為偏腐殖混合型，也達到了一般烴源巖的指標。
    基于已有的高分辨率的地震資料，建立了過鉆探區(qū)SH2站位的二維地質(zhì)模型，并對模型進行了水合物成藏模擬，有機質(zhì)成熟度熱演化史模擬結(jié)果表明(圖2)：過SH2站位地質(zhì)剖面深部文昌組與恩平組有機質(zhì)的現(xiàn)今的熱演化程度普遍較高，基本處于產(chǎn)干氣階段(Ro＞2%)(圖2-a)，SH2站位在中中新世時文昌組與恩平組烴源巖均已進入生烴高峰階段(Ro＞1%)(圖2-b)；在早上新世時，恩平組烴源巖進入高成熟階段(Ro=1.3%～2%)，而文昌組烴源巖大部分進入了產(chǎn)干氣階段(Ro＞2.0%)(圖2-c)；現(xiàn)今，深部恩平組和文昌組2套烴源巖層演化程度均很高，特別是文昌組烴源巖，基本處于產(chǎn)干氣階段(Ro＞3.0%)，熱解生氣能力較大(圖2-d)。綜合以上分析，神狐海域深部的熱成因氣資源潛力巨大，特別是文昌組烴源巖從早上新世開始一直處于產(chǎn)熱解氣的階段，是該區(qū)水合物成藏最重要、最主要的熱解烴源巖，恩平組僅次于文昌組，也是該區(qū)的主要熱解氣源巖之一，而珠海組由于演化程度相對較低，未達到熱解產(chǎn)氣階段，對水合物成藏貢獻不大。此外，在研究區(qū)內(nèi)，有我國第一口深水鉆井LW3-1-1井，該井鉆遇大量熱解天然氣，初步估算天然氣地質(zhì)儲量超過1000×108m3。據(jù)此也可以印證，該區(qū)域深部烴源巖具有充足的熱解氣源。但這些氣源對水合物成藏具有多大貢獻，尚需結(jié)合具體地質(zhì)條件做進一步的研究。
3 氣源運移特征
    由于受區(qū)域構(gòu)造運動，特別是新構(gòu)造運動的作用，神狐研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育。斷層可分為北東、北西和北北西向3組，且均為正斷層，其中北東向斷層有明顯切割北西向斷層的趨勢。斷層活動時間大致可分為晚中新世和上新世以來2個主要時期，晚中新世斷層以北西向為主，主要分布于研究區(qū)中北部，斷層大部分切割上中新統(tǒng)，部分切穿上新統(tǒng)，是研究區(qū)最主要斷層活動時期；上新世以來活動斷層以北東向為主，斷層活動強度小，但數(shù)量眾多。由于這些斷層貫通了下部氣源巖系與上部水合物形成的溫壓穩(wěn)定帶層系，改善了天然氣的垂向運移條件，而斷層活動時間又橫跨生氣和排氣高峰期，成為構(gòu)成流體運移的一個主要通道。同時，應該注意到如果斷層過大，直通海底，會造成部分氣體的散失。從過SH2站位地震剖面流體運移模擬結(jié)果來看(圖3)，由于該處發(fā)育斷裂，直通海底，導致深部熱解氣源部分通過斷裂直通海底散失，未能有效運移至水合物穩(wěn)定域，所以鉆井處熱解氣源對水合物貢獻較小。同時從圖中烴氣運移方向分析，該處鉆遇的水合物主要為淺層生物成因氣通過橫向運移至水合物穩(wěn)定域形成。
    底辟構(gòu)造和天然氣水合物的形成與運移聚集也有密切的關系，底辟構(gòu)造由地球深部物質(zhì)上拱或刺穿到淺部產(chǎn)生，在形成過程中會引起構(gòu)造側(cè)翼和頂部沉積層的傾斜和破裂，促使流體的排放，因而對水合物的形成十分有利。大量的調(diào)查資料顯示[14～15]：珠江口盆地白云凹陷中心有大量底辟群的存在，在神狐海域前期調(diào)查中，識別出了5個泥底辟異常反射體，其中4個位于白云凹陷內(nèi)。這些識別出來的底辟構(gòu)造在高分辨率地震剖面上表現(xiàn)特征主要為地震反射模糊區(qū)(帶)，橫向上反射同相軸的連續(xù)性變差或錯斷，內(nèi)部反射較雜亂，甚至為空白反射，局部見同相軸下拉現(xiàn)象；其兩側(cè)、頂部常見亮點振幅異常，白云凹陷北坡鉆井已揭示這種亮點與氣層存在良好對應關系。因此，推斷這種反射模糊區(qū)應為流體作用的結(jié)果(圖4)[16]。底辟構(gòu)造的存在說明凹陷中心曾經(jīng)孕育著高壓、超壓系統(tǒng)。由于現(xiàn)今地層具有正常壓力，這說明超壓的累積和釋放與深部烴源巖生烴及排烴有一定的關系。與底辟構(gòu)造密切伴生的大量亮點指示著沿底辟構(gòu)造的天然氣垂向輸導，構(gòu)成了古近系油氣運移到新近系 第四紀的成藏動力系統(tǒng)。底辟構(gòu)造的發(fā)育在不同深度形成了上覆拱張，上覆地層產(chǎn)生了高角度的斷裂和垂向裂隙系統(tǒng)，構(gòu)成流體運移的另一個通道。
4 討論與結(jié)論
    “源控論”是目前流行的水合物成藏的主要理論。如果沒有烴源或烴源潛力不夠的話，就不可能或很難成藏。天然氣水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)沉積物生氣量的模擬實驗、表明[17]：海底之下1200m以內(nèi)的沉積物仍在不斷生成生物氣，是生物成因的天然氣水合物的重要氣源地，這一深度段的沉積物的有機質(zhì)豐度和地層中流體運移通道對于天然氣水合物的成藏至關重要；而埋深超過1200m的沉積地層由于溫度的增高，已經(jīng)不具備生物生氣的條件，1200m之上埋深的沉積物開始進入熱成因產(chǎn)氣階段，熱解成因氣的產(chǎn)生通過斷裂底辟繼續(xù)為水合物區(qū)提供甲烷來源。
    研究區(qū)水合物成藏模擬結(jié)果表明神狐研究區(qū)的氣源應該為淺部生物氣與深部熱成因氣組成的混合成因氣，淺部地層地層珠江組、韓江組、粵海組和萬山組有機質(zhì)成熟度Ro＜0.7%，均未進入生油門限，由于其厚度大，泥巖及有機質(zhì)含量高，熱成熟低，在合適的條件下，這幾套地層可以成為水合物成藏的良好生物成因氣的“烴源巖”，為水合物成藏提供大量的生物氣氣源。深部文昌組，恩平組烴源巖熱演化程度高，產(chǎn)生了大量熱解氣源。而以北西向為主的斷層向下延至古近紀地層，為深部流體向高位運移提供了通道，氣體(流體)沿斷層由下部氣源高壓區(qū)向上部低壓區(qū)側(cè)向運移或垂向與側(cè)向聯(lián)合運移而形成上升流，而這種上升流進入淺表層時，與淺部生物氣一起運移至有利的位置形成水合物并保存下來。
    目前對這2種氣源的生氣量及其對水合物的成藏貢獻量的研究還處于探索階段，通過對神狐海域氣源特征的研究，筆者得到以下一些初步結(jié)論，許多問題尚待進一步的研究：
    1) 神狐海域淺部地層珠江組、韓江組、粵海組和萬山組厚度大，泥巖及有機質(zhì)含量高，有機質(zhì)成熟度Ro＜0.7%，具有生物成因氣的發(fā)育條件，生物生氣的潛力巨大，推測生物氣是構(gòu)成該區(qū)水合物成藏的主要氣源之一。
    2) 神狐海域深部恩平組和文昌組2套烴源巖層熱演化程度較高，現(xiàn)今處在生、排烴高峰期，認為研究區(qū)深部具有充足的熱解氣源，SH2站位處由于發(fā)育直通海底的斷裂，導致深部熱解氣源部分通過斷裂至海底散失，未能有效運移至水合物穩(wěn)定域，所以SH2站位鉆探處熱解氣源對水合物貢獻較小。
    3) 神狐海域運移條件優(yōu)越，底辟和斷裂構(gòu)造發(fā)育，這些斷裂和底劈構(gòu)造在適當條件下為水合物穩(wěn)定域下伏生物成因氣和深部熱解氣氣源向淺部水合物穩(wěn)定域運移提供了良好的通道。當氣源和水合物穩(wěn)定域的時空匹配得當便可形成水合物。
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(本文作者：蘇丕波1 雷懷彥1，2 梁金強3 沙志彬3 付少英3 龔躍華3 1.廈門大學海洋與環(huán)境學院；2.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣中心；3.國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局)