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，根據過SH2井區高分辨率地震剖面構建了該區地質模型，并進行了天然氣水合物成藏模擬。在恢復SH2井區地史和熱演化史
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，根據過SH2井區高分辨率地震剖面構建了該區地質模型，并進行了天然氣水合物成藏模擬。在恢復SH2井區地史和熱演化史的基礎上，利用EASY%R。模型計算了SH2井區烴源巖的成熟度演化史，結合探區采樣成果對水合物的氣源特征進行了初步探討。結果表明：深部發育的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，神狐海域地質構造復雜，斷層與底辟發育，這些斷裂和底劈構造成為連接淺部水合物穩定域和氣源的橋梁，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定域的時空匹配得當，在適當的地質條件下便可形成天然氣水合物。初步預測該區天然氣水合物資源潛力巨大，是勘探遠景區。
關鍵詞：天然氣水合物；氣源對比；有機質成熟度；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，目前世界上所發現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幾個水合物分布區采集到的甲烷樣品具有典型的熱成因氣特征外，大多數為生物成因氣特征，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，對該區氣源特征及其與水合物的成藏關系進行了初步探討。
1 地質概況
神狐海域位于南海北部陸緣陸坡區的中段，經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歷了被動大陸邊緣的發育史，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、始新統、漸新統、中新統、上新統和第四系，共劃分7個地層層序(A，B，C，D，E，F，G)(表1)。神狐海域水合物研究區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。地史上經歷多次地殼運動和多階段的構造演化，地質構造復雜，斷裂-褶皺體系非常發育[5]，斷層切穿較新的沉積層延伸至水合物穩定域，為天然氣向淺部水合物穩定帶運移創造了有利條件，而褶皺構造易于捕獲天然氣，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，特別是位于調查區北部白云凹陷內的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穩定的游離甲烷供應，可能是來自于深部的熱解氣。據ODP184航次鉆探成果，研究區附近的東沙陸坡區漸新統及以上地層有機碳含量高，在1144、1146等多個站位發現生物成因氣和熱解成因氣的富集。王建橋等人對調查區東部的ODP1146站位頂空氣樣品進行了分析，結果也顯示為混合氣體的特征[7]。由此推測，研究區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，縱向上從上中新統至第四系，甚至在局部區域的中中新統的不同層段均有分布；區域上盆地內均有大套淺海相和半深海相的泥質烴源巖展布，其有機質豐度相對較高，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-第四系小于2300m的海相粉細砂巖或泥質粉砂巖中，并且已經在鶯歌海盆地中部坳陷第四系超淺層的樂東28-1構造以及樂東22-1氣田，發現單獨成藏的以氣層氣形式產出的生物氣氣藏，具有一定的儲量規模，產能甚高，產量超過43.6×104m3/d。鶯歌海盆地上中新統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。
    根據沉積環境分析[9]，神狐海域水合物研究區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%，大部分地區砂巖含量低于25%；上新世，該區以半深海-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%，大部分區域砂巖含量低于50%。由于快速沉積的半深海沉積區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，并在沉積物中經細菌作用轉變為大量的生物甲烷氣。并且，快速堆積的沉積體易形成欠壓實區，從而可構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構造的淺層已發現生物氣氣藏。
    2007年4～6月，廣州海洋地質調查局在神狐海域研究區內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果顯示[10]：CH4的體積分數占96%～99%，C2H6和C3H8的體積分數很低，干燥系數(C1/C2)一般在數百至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站位進行有機質成熟度的熱演化模擬(圖1)，結果表明：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，有機質豐度較高[11]，其中，上中新統-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%，上新統有機碳含量平均為0.30%～0.39%，上中新統有機碳含量平均為0.49%；上中新統-全新統海相泥巖生烴潛力(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
    根據古氣候條件、古地理環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白云凹陷在始新世-早漸新世具有潮濕的氣候環境、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套烴源巖在鄰區鉆探中已證實是珠江口盆地主要烴源巖。而漸新統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，表明有機質類型為腐泥-混合型；下漸新統恩平組為沼澤相、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，表明有機質類型以偏腐殖混合-腐殖型為主；上漸新統珠海組，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SH2站位的二維地質模型，并對模型進行了水合物成藏模擬，有機質成熟度熱演化史模擬結果表明(圖2)：過SH2站位地質剖面深部文昌組與恩平組有機質的現今的熱演化程度普遍較高，基本處于產干氣階段(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干氣階段(Ro＞2.0%)(圖2-c)；現今，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熱解氣的階段，是該區水合物成藏最重要、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，未達到熱解產氣階段，對水合物成藏貢獻不大。此外，在研究區內，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儲量超過1000×108m3。據此也可以印證，該區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，尚需結合具體地質條件做進一步的研究。
3 氣源運移特征
    由于受區域構造運動，特別是新構造運動的作用，神狐研究區內斷裂構造發育。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，主要分布于研究區中北部，斷層大部分切割上中新統，部分切穿上新統，是研究區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果來看(圖3)，由于該處發育斷裂，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定域形成。
    底辟構造和天然氣水合物的形成與運移聚集也有密切的關系，底辟構造由地球深部物質上拱或刺穿到淺部產生，在形成過程中會引起構造側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。這些識別出來的底辟構造在高分辨率地震剖面上表現特征主要為地震反射模糊區(帶)，橫向上反射同相軸的連續性變差或錯斷，內部反射較雜亂，甚至為空白反射，局部見同相軸下拉現象；其兩側、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應為流體作用的結果(圖4)[16]。底辟構造的存在說明凹陷中心曾經孕育著高壓、超壓系統。由于現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。與底辟構造密切伴生的大量亮點指示著沿底辟構造的天然氣垂向輸導，構成了古近系油氣運移到新近系 第四紀的成藏動力系統。底辟構造的發育在不同深度形成了上覆拱張，上覆地層產生了高角度的斷裂和垂向裂隙系統，構成流體運移的另一個通道。
4 討論與結論
    “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。天然氣水合物發現區沉積物生氣量的模擬實驗、表明[17]：海底之下1200m以內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氣階段，熱解成因氣的產生通過斷裂底辟繼續為水合物區提供甲烷來源。
    研究區水合物成藏模擬結果表明神狐研究區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向上部低壓區側向運移或垂向與側向聯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，泥巖及有機質含量高，有機質成熟度Ro＜0.7%，具有生物成因氣的發育條件，生物生氣的潛力巨大，推測生物氣是構成該區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，現今處在生、排烴高峰期，認為研究區深部具有充足的熱解氣源，SH2站位處由于發育直通海底的斷裂，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越，底辟和斷裂構造發育，這些斷裂和底劈構造在適當條件下為水合物穩定域下伏生物成因氣和深部熱解氣氣源向淺部水合物穩定域運移提供了良好的通道。當氣源和水合物穩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.廈門大學海洋與環境學院；2.中國科學院地質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調查局)