摘 要：2013年下半年，國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海東北部陸坡水深664～1420m范圍內(nèi)鉆探13個(gè)站位，取心獲取了大量、多種類型的天然氣水合物(以下簡稱水合物)實(shí)物樣品，其中甲烷氣體含量超過99％。對南海東北部陸坡天然氣水合物成藏特征的研究結(jié)果表明：①地震反射剖面上具有多道似海底反射層(BSR)、振幅空白帶(BZ)、BSR與地層斜交、速度反轉(zhuǎn)等地震異常；②測井曲線揭示含水合物沉積層具有高電阻率(200W·m)、高縱波速度(2700m／s)的特征；③地震和測井異常特征暗示該區(qū)具有單、雙層水合物藏組合特征；④該區(qū)域水合物藏位于海底之下埋深220m以內(nèi)的粉砂質(zhì)黏土及生物碎屑灰?guī)r沉積物中，水合物飽和度為45％～l00％；⑤自然狀態(tài)下，水合物呈塊狀、層狀、瘤狀、脈狀、分散狀等5種賦存形式；⑥研究區(qū)天然氣水合物賦存類型多、飽和度高、甲烷純度高，初步估算該區(qū)天然氣水合物地質(zhì)儲量約為1250×108m3(50％概率條件下)，是有利的勘探目標(biāo)區(qū)。
關(guān)鍵詞：中國 南海東北部陸坡 天然氣水合物 氣藏形成 鉆探 賦存類型 碳酸鹽巖 地震異常 測井異常
Characteristics of natural gas hydrate reservoirs on the northeastern slope of the South China Sea
Abstract：From sample cores obtained in exploration drilling at 13 sites(664-1420m deep)on the northeastern slope of the South China Sea．we found a large amount of gas hydrates of multiple types，the methane gas content of which is more than 99％．After an integrated analysis of their characteristics，the following findings were obtained．(1)From the multichannel seismic profile，we detected many significant seismic anomalies，including Bottom Simulating Reflection(BSR)and Blanking Zone(BZ)，BSR oblique crossing the formation，velocity inversion．(2)The borehole logging data also revealed the characteristics of high electric ll resistivity(up to 200m·W)and high acoustic velocities(up to 2700m／s)of the hydrate bearing sediments．(3)Seismic and logging anomalies implied that both single-layer and double-layer gas hydrates occurred in the northeastern slope of the South China Sea．(4)The gas hydrate resources of this area are preserved in the sediments like silty clays or limestone grains within the depth of 220 meters below the seafloor(mbsf)，where the saturations of gas hydrates range from 45％to 100％．(5)In a natural state，gas hydrates were deposited primarily in the form of massive blocks，thin beds，veins，nodular or disperse particles，among which the first four types were generally formed in the silty clay with coarser grain sizes or in the weak belts near the seafloor with manY tracks of the neotectonics．In conclusion，this drilling area was considered to be a promising exploration target of natural gas hydra te resources with about 125 billion m3 because of its favorable features such as a variety of occurrence types，high porous saturation，and high methane concentration．
Keywords：China，northeastern slope of South China Sea，natural gas hydrate，gas pool，exploration drilling，occurrence types，carbonates，seismic abnormality，logging abnormality
天然氣水合物(以下簡稱水合物)作為未來潛在的高效清潔能源，主要賦存于陸地永久凍土區(qū)和海洋大陸斜坡、海隆等溫壓適宜的地區(qū)。我國自1999年開始，在南海北部陸坡開展了高分辨率多道地震調(diào)查和準(zhǔn)三維地震調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物存在的一系列指示標(biāo)志。在南海北部的西沙海槽、瓊東南盆地、珠江口盆地和臺西南盆地的深水地區(qū)均發(fā)現(xiàn)了似海底反射層(BSR)，并繪制了南海東北部大陸斜坡地區(qū)的BSR分布圖。與此同時(shí)，開展了地質(zhì)、地球化學(xué)調(diào)查，也獲得了與水合物存在相關(guān)的地質(zhì)信息[1-8]。
特別是2013年6—9月期間，國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局(CGS)、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局(GMGS)與輝固國際集團(tuán)、英國GEOTEK合作使用M／V REMEtive鉆探船，在緊鄰珠江口盆地東部的臺西南盆地中部隆起附近地區(qū)水深664～1420m范圍內(nèi)鉆探13個(gè)站位[9](圖1、2)，10個(gè)站位進(jìn)行了隨鉆測井(Logs While Drilling，LWD)、3個(gè)站位進(jìn)行了有纜測井(Wireline Logs，WLL)。其中8個(gè)站位的先導(dǎo)測井曲線顯示出水合物存在的異常，5個(gè)站位取心獲取了大量的層狀、塊狀、結(jié)核狀、脈狀及分散狀等多種類型的水合物實(shí)物樣品，甲烷氣體含量超過99％。這是中國海域天然氣水合物勘探的里程碑，標(biāo)志著可視的、多種賦存形式水合物實(shí)物樣品的首次被獲取。
鉆探發(fā)現(xiàn)的多種賦存形式水合物以及與之伴生的碳酸鹽巖結(jié)殼，充分證實(shí)了研究區(qū)具有良好的水合物成藏條件。基于2013年的鉆探結(jié)果，本文初步分析了沉積物中水合物的地球物理異常和空間分布及產(chǎn)出特征。
1 地質(zhì)背景
1．1 地層與構(gòu)造
受印澳板塊、太平洋板塊和歐亞板塊棚互作用的影響，南海北部陸緣自西向東由被動(dòng)陸緣、準(zhǔn)被動(dòng)陸緣過渡至東部活動(dòng)碰撞邊緣，與之伴生發(fā)育一系列沉積盆地[4-5](如瓊東南盆地、珠江口盆地、臺西南盆地等)，盆地沿北東南西向展布。
臺西南盆地位于南海北部東沙群島以東地區(qū)，在南海兩次擴(kuò)張演化過程中(即早白堊世末和距今32～17Ma)，處于古太平洋邊緣的淺海環(huán)境，發(fā)育了較厚的海相沉積。南海第三次擴(kuò)張期間(中中新世—上新世)，發(fā)生大規(guī)模沉降運(yùn)動(dòng)，以海相沉積為主[10]，南海東北部陸坡形成了巨厚沉積。
研究區(qū)位于臺西南盆地的中部隆起區(qū)附近[11](圖3)，西鄰臺灣峽谷(即福爾摩沙峽谷)，東接澎湖峽谷，所處海域海底地形地貌復(fù)雜(圖2)，發(fā)育海槽、海谷、海山、陡崖、斜坡、沖刷溝、海丘等。如臺灣峽谷，深切南海北部斜坡，全長約110km[5]，可作為大量沉積物的運(yùn)輸通道。
臺西南盆地的中部隆起緊鄰盆地的南、北坳陷”(圖4)。新生代以來自下而上發(fā)育古近系(古新統(tǒng)、始新統(tǒng)、漸新統(tǒng))、新近系(中新統(tǒng)、上新統(tǒng))和第四系。盆地?fù)碛兄猩?、古新統(tǒng)始新統(tǒng)、上新統(tǒng)—中中新統(tǒng)、上中新統(tǒng)更新統(tǒng)共4套氣源巖，有機(jī)質(zhì)成熟度高，多為腐殖型干酪根，氣源條件較好[11]。研究區(qū)水合物藏主要發(fā)育于上中新統(tǒng)一第四系全新統(tǒng)。
臺西南盆地發(fā)育NW—NWW和NNE—NEE兩組不同方向的斷層，且前者切割后者，說明前者形成時(shí)代較晚，大約形成于距今15Ma之后，主要控制第四系沉積。NW向斷層作為中深層隱伏斷層，其活動(dòng)可引起上覆松軟第四系沉積層處于高壓低張環(huán)境。南海東北大陸邊緣發(fā)育正斷層，東部呂宋島弧增生楔形成一系列西傾的疊瓦狀褶皺和逆沖斷層[11-12]。
1．2 水合物成藏條件
南海北部臺西南盆地位于南海東北部大陸斜坡，地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)調(diào)查證實(shí)為水合物形成的有利地區(qū)。例如BSR和BZ暗示了研究區(qū)水合物的存在[9]。2004年中德RV SONNE l77航次聯(lián)合勘探發(fā)現(xiàn)大量活動(dòng)冷泉，稱之為九龍甲烷礁(Jiulong Methane Reef，JMR)[13-14]，暗示該區(qū)很有可能發(fā)育水合物。
根據(jù)氣源、地質(zhì)構(gòu)造和溫壓域分析，認(rèn)為南海北部臺西南海域是水合物發(fā)育的潛力地區(qū)[15-17]。研究區(qū)地形復(fù)雜，地貌變化大，陡坡、峽谷十分發(fā)育，海水深度介于300～2000m，峽谷兩側(cè)的斜坡之上的隆起區(qū)是水合物成藏的有利區(qū)帶。區(qū)內(nèi)晚中新世以來的新構(gòu)造活動(dòng)活躍，斷層切穿較新的沉積層(深水底流、濁流形成的具有“S”形前積結(jié)構(gòu)的地層)，甚至延伸至海底。伴隨著斷層活動(dòng)，深部熱成因裂解氣和上新世—更新世生物成因氣可運(yùn)移至淺部地層之中[13，18-19]。此外，該區(qū)域內(nèi)還發(fā)育大量的泥底辟構(gòu)造[11]。斷層和泥底辟構(gòu)成了研究區(qū)水合物系統(tǒng)的含氣流體運(yùn)移通道，使得水合物成礦區(qū)帶與斷層走向及泥底辟的延伸方向有著較好的對應(yīng)關(guān)系[11]。
2 水合物藏地球物理異常特征
2．1 地震異常特征
水合物藏地震異常特征通常包括地震剖面上顯示的BSR、BZ、速度倒轉(zhuǎn)及極性反轉(zhuǎn)等地震異常信息[1-2，20-21]。研究區(qū)內(nèi)BSR異常特征明顯，是識別水合物存在的主要地球物理標(biāo)志(圖5)。全區(qū)BSR埋深介于160～220m、平均約180m，大多位于700～900m的水深范圍，個(gè)別深至1127m，代表了一定溫壓條件下生成的、近似平行于海底的物理反射界面，常與地層斜交。
通過合成記錄，可以將GMGS2-08井的測井曲線疊加到地震剖面上(圖5)。從圖5中的聲波測井曲線可以看出，BSR是一個(gè)明顯的速度分界面，附近地層存在著明顯的速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖5)，即BSR之上為速度相對較高的含水合物層，之下則為聚集的低速游離氣層，這與正常沉積地層自淺至深速度逐漸增大剛好相反[20]。BSR這一速度特征與含天然氣水合物的“游離氣體帶”模型非常吻合[13]，而BSR的橫向變化則可能指示天然氣水合物呈層狀分布，以厚層塊狀的形式分布于水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的高速層中。
2．2 測井異常特征
含水合物沉積層的電阻率測井和聲波測井曲線異常明顯，往往表現(xiàn)為高阻、高速特征，且兩者往往與水合物礦層同時(shí)出現(xiàn)。因此，普遍認(rèn)為兩者組合是識別水合物的最有效方法[21-22]。
研究區(qū)8口井顯示含水合物層電阻率異常高值范圍為2.5～200W·m，與之對應(yīng)層位的聲波測井異常均為高值，且GMGS2-08、GMGS2-16井出現(xiàn)兩層含水合物測井異常特征。以研究區(qū)GMGS2-08井為例，水深801m，水合物異常層段分2段(圖6)[9]，其測井曲線特征如下：
1)第一異常段位于淺部，深度區(qū)間為810～824m(自鉆臺面起算，下同)，最大電阻率達(dá)17.5W·m，本層聲波速度略有升高，位于810.18m深度處聲波時(shí)差最低為183.37ms／ft(速度1662m／s)，井徑曲線在此范圍內(nèi)較為規(guī)則，自然伽馬值較底部地層略低，密度與中子測井曲線無明顯異常。綜合測井曲線解釋，推斷此層段含有天然氣水合物。
2)第二異常段位于深度區(qū)間867.5～899m，最大異常幅值超過200W·m，聲波時(shí)差明顯降低，最低值達(dá)111ms／ft(速度2746m／s)，本段地層自然伽馬與密度測井明顯偏低，而中子測井顯示出較大的孔隙度。其中自然伽馬曲線與電阻率曲線呈鏡像特征，即電阻率值高的位置，自然伽馬測井值降低；密度測井顯示872.58m深度處，密度值為1.08g／cm3，接近于水或水合物的密度，而其中子測井孔隙度則表現(xiàn)為100％的異常。綜合測井曲線解釋結(jié)果認(rèn)為，該層段可能為厚層塊狀水合物。
以上兩個(gè)層位是本站位的主要水合物礦層。
3 水合物藏分布及產(chǎn)出特征
鉆探取心結(jié)果表明，5個(gè)站位的鉆井(GMGS2-16、GMGS2-05、GMGS2-07、GMGS2-08、GMGS2-09)均不同程度地發(fā)現(xiàn)了水合物，以塊狀、層狀、團(tuán)塊狀、脈狀及分散狀等自然產(chǎn)狀賦存于粉砂質(zhì)黏土及生物碎屑灰?guī)r中(圖7)。另外，還有3個(gè)站位鉆井(GMGS2-04、GMGS2-12、GMGS2-01)的測井資料顯示聲波速度和電阻率存在異常，據(jù)此推斷存在分散狀水合物[9](圖8)。據(jù)孔隙水Cl-濃度含量推算，水合物飽和度介于45％～l00％，水合物中甲烷氣體含量超過99％，為工型結(jié)構(gòu)水合物。
3．1 垂向分布特征
依據(jù)上述5 口井的鉆孔取心、3口井的測井解釋結(jié)果，繪制了研究區(qū)含水合物鉆井的聯(lián)井剖面(圖8)，其水合物層及自生碳酸鹽巖等特殊沉積層如圖8所示。具體情況描述如下：
1)GMGS2-16井。水深871m，共發(fā)育兩層水合物：15～30 mbsf(meters below sea floor，海底以下深度)層段發(fā)育瘤狀水合物；189～226mbsf層段發(fā)育分散狀、脈狀水合物。
2)GMGS2-05井。水深1127m，201～208mbsf層段發(fā)育分散狀水合物。
3)GMGS2-07井。水深791m，共發(fā)育兩層水合物：13～50mbsf層段沉積物呈粥狀特征，其底部發(fā)現(xiàn)瘤狀水合物；65～84mbsf層段，測井資料顯示電阻率21W·m，聲速2480m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。
4)GMGS2-08井。水深801m，近海底淺層局部發(fā)育淺黃色自生碳酸鹽結(jié)核黏土，該站位共發(fā)育兩層水合物：8～23mbsf層段發(fā)育塊狀、瘤狀或脈狀水合物，厚度約15m，橫向分布范圍相對較寬；68～90mbsf層段發(fā)育厚層塊狀水合物，厚度約30m，橫向分布范圍相對較窄。值得注意的是，58～63mbsf層段發(fā)育生物碎屑灰?guī)r、淺灰色泥質(zhì)角礫碳酸鹽巖及含氣孔角礫灰?guī)r，角礫含量大于70％，基質(zhì)為淺灰色自生碳酸鹽巖細(xì)小角礫和方解石微晶沉淀，碳酸鹽巖塊中發(fā)育孔洞和結(jié)晶良好的方解石層或方解石脈。
5)GMGS2-09井。水深664m，該站位海底發(fā)育大量自生碳酸鹽巖，9～21mbsf層段發(fā)育結(jié)核狀水合物。
6)GMGS2-04井。水深913m，137～143mbsf層段測井資料顯示電阻率為4W·m，推測可能為分散狀水合物。
7)GMGS2-12井。水深738m，91～98mbsf層段測井資料顯示電阻率為3.1W·m，聲速為2662m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。
8)GMGS2-01井。水深886m，132～140mbsf層段測井資料顯示電阻率為2.9W·m，聲速為2613m／s，綜合推測可能為分散狀水合物。
綜合上述各井水合物發(fā)育情況，以90mbsf為界，大致可分為上部和下部兩個(gè)水合物層，其垂向分布特征如下：
上部水合物層(0～90mbsf)：在此層段范圍內(nèi)的不同深度處均發(fā)育水合物，如GMGS2-16、GMGS2-07、GMGS2-08、GMGS2-09井，水合物多呈塊狀、瘤狀或脈狀，且以可視水合物為主，水合物層厚度介于15～32m，橫向分布范圍相對較窄。母巖為淺灰色粉砂質(zhì)黏土，海底及該層段的中部發(fā)育兩期自生碳酸鹽巖。
下部水合物層(91～226mbsf)：在此層段范圍內(nèi)的不同深度處均發(fā)育水合物，如GMGS2-16、GMGS2-05、GMGS2-04、GMGS2-12、GMGS2-01井，水合物多呈分散狀，肉眼不可視，飽和度高，橫向分布范圍相對較寬，水合物層厚度介于6～37m。母巖為灰綠色粉砂質(zhì)黏土，少見自生碳酸鹽巖。
總的來說，研究區(qū)中上部沉積以粉砂質(zhì)黏土為主，顆粒較粗，孔隙度較大，主要發(fā)育可視的塊狀、脈狀、層狀、瘤狀水合物，是裂隙充填作用的結(jié)果，受巖性及其粒度影響較小。研究區(qū)中下部沉積物埋深較大，孔隙度偏小，顆粒較細(xì)，發(fā)育肉眼不可見的以孔隙充填為主的分散狀水合物[9]。
3．2 平面分布特征
根據(jù)鉆測井資料解釋和取心結(jié)果，圈定出水合物藏的分布范圍(圖9)，面積約55km2。以臺灣峽谷的一個(gè)分支為界，將研究區(qū)的水合物分為東、西2個(gè)成藏區(qū)，西成藏區(qū)由7口井(GMGS2-08、GMGS2-09、GMGS2-07、GMGS2-05、GMGS2-04、GMGS2-01，GMGS2-12)控制，水深介于664～1127m，各井發(fā)育水合物的層數(shù)不均，除GMGS2-08井發(fā)育深、淺兩個(gè)水合物層形成復(fù)式水合物藏以外，其他大多數(shù)站位僅發(fā)育單個(gè)水合物層，依此圈定的西成藏區(qū)面積相對較大，成藏區(qū)平面整體呈北西南東向，與上述分支海槽走向近似一致；東成藏區(qū)僅由Wl6站位單井控制，面積目前尚難以準(zhǔn)確劃定。
4 水合物地質(zhì)儲量計(jì)算
根據(jù)水合物鉆探結(jié)果，給定水合物地質(zhì)儲量計(jì)算的相關(guān)參數(shù)：水合物所含氣體體積為1000×108m3；鉆井控制礦體面積為55km2；含水合物層厚度介于10～50m；含水合物沉積物孔隙度介于45％～100％；含水合物飽和度介于45％～l00％；產(chǎn)氣因子為164。
利用自主研發(fā)的計(jì)算軟件[23-24](圖10)，在50％概率條件下，初步估算研究區(qū)水合物地質(zhì)儲量約為1250×108m3天然氣，其規(guī)模相當(dāng)于一個(gè)特大型常規(guī)天然氣田。
總之，南海東北部海域鉆探區(qū)發(fā)育多個(gè)水合物藏，具有水合物的“埋藏淺、厚度大、賦存類型多、飽和度高、甲烷純度高”等優(yōu)質(zhì)礦藏特點(diǎn)，綜合顯示具有較好的水合物資源潛力。
5 結(jié)論
1)研究區(qū)水合物藏的地震異常信息豐富，BSR特征明顯，所處水深介于700～900m，埋深介于160～220m，與地層斜交，BSR附近層位存在明顯的速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，之上連片振幅弱反射帶或空白帶為高速層，可作為塊狀、層狀水合物礦藏的地震異常表觀。
2)研究區(qū)水合物藏的測井異常顯示為“高速、高阻”特征，含水合物層電阻率異常高值超過200W·m，與之對應(yīng)層位的聲波測井異常均為高值。電阻率、聲速與水合物的自然產(chǎn)狀有一定的量化關(guān)系，如高電阻率、高縱波速度層段發(fā)現(xiàn)塊狀或?qū)訝钏衔铩?/span>
3)研究區(qū)水合物藏所處水深介于664～1127m；含水合物層位于海底以下埋深220m以內(nèi)，儲層為粉砂質(zhì)黏土及生物碎屑灰?guī)r；共發(fā)育2個(gè)水合物層，單層厚度介于15～35m；水合物飽和度介于45％～l00％；水合物中甲烷氣體含量超過99％，為Ⅰ型結(jié)構(gòu)水合物；水合物自然產(chǎn)狀為塊狀、層狀、團(tuán)塊狀、脈狀及分散狀等。水合物藏具有埋藏淺、厚度大、類型多、含礦率高、甲烷純度高等特點(diǎn)。
4)初步估算研究區(qū)水合物地質(zhì)儲量約為1250×108m3天然氣(50％概率條件下)，相當(dāng)于一個(gè)特大型常規(guī)天然氣田。
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本文作者：張光學(xué) 梁金強(qiáng) 陸敬安 楊勝雄 張明 蘇新 徐華寧 付少英 匡增桂
作者單位：“國土資源部海底礦產(chǎn)資源”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局
中國地質(zhì)調(diào)查局海洋石油天然氣地質(zhì)研究中心·廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局
中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院
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