2016, Vol. 38
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2. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 西城 100292;
3. 国土资源部广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760
2. Oil and Gas Survey, China Geological Survey, Xicheng, Beijing 100029, China;
3. Guangzhou Marine Geology Survey, Ministry of Land and Resource, Guangzhou, Guangdong 510760, China
南海北部大陆边缘盆地深水区处于陆壳与洋壳过渡区，前古近纪以来，经历了早期古近纪陆相断陷和晚期新近纪及第四纪海相拗陷的构造演化及沉积充填响应过程，在浅水及深水区形成了莺歌海、珠江口、琼东南、西沙海槽、台西南、双峰和笔架南等一系列新生代沉积盆地（图 1）。其中，珠江口盆地南部、琼东南盆地南部及台西南盆地南部和双峰盆地和笔架南盆地均处在深水区，其水深在500~3 500 m，水体压力大，且深水海底浅层地温多小于3℃，具备了天然气水合物形成的高压低温条件。同时，通过近年来油气勘探，在南海北部深水区亦获得了深水油气的重大突破，表明该区具有深水油气及天然气水合物资源形成的基本地质条件，是中国勘探开发深水油气及天然气水合物的重要战略选区，其深水油气及天然气水合物资源勘探前景广阔。
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| 图1 南海北部大陆边缘主要沉积盆地展布特征及其构造地理位置 Fig. 1 Distribution of main depositional basins and their locations in continental margins of northern South China Sea |
近十多年来，中国海洋石油总公司（中海油）及广州海洋地质调查局等单位，在南海北部陆坡深水区均先后开展了以地震、地质、地球化学等为主的多手段综合海洋地质调查及深水油气勘探及研究工作，陆续发现了中深层、浅层及表层一系列的地质地球物理、地球化学、生物地球化学等多信息异常标志，评价预测了有利深水油气富集区带和天然气水合物富集区带[1-9]。自2006年以来，通过实施勘探先后获得了深水油气及天然气水合物勘探里程碑式的重大突破和发现，亦充分表明南海北部深水油气及天然气水合物资源潜力巨大，具有极佳的勘探开发前景。其中，天然气水合物勘查自2007年首次在南海北部深水区珠江口盆地西南部神狐海域调查区实施钻探获取分散型水合物样品后，2013年和2015年又分别在珠江口盆地东南部东沙海域调查区和前期勘查过的神狐调查区，钻探发现了块状、层状、脉状及分散状等多种赋存类型的天然气水合物矿藏富集区，取得了天然气水合物里程碑式的重大突破；深水油气勘探自2006年与哈斯基合作首次在珠江口盆地南部深水区白云凹陷勘探发现LW3-1等大气田以来[10-12]，亦先后在与珠江口盆地西部相邻的琼东南盆地南部深水区陵水乐东凹陷南部中央峡谷水道砂体系统中新统黄流组一段及上新统莺歌海组勘探发现了LS22-1、LS17-2、LS25-1及LS28-1等大中型深水气田[13]，取得自营深水油气勘探里程碑式的重大突破和发现。
总之，南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区油气资源丰富，天然气水合物等其他资源亦非常富集，深水油气及天然气水合物资源潜力大，勘探前景广阔。为了进一步深入研究该区深水油气，尤其是天然气水合物形成条件与运聚富集规律及控制因素，总结和建立天然气水合物成矿成藏模式及勘探评价方法，以指导天然气水合物资源评价预测及勘查决策部署，本文拟重点对天然气水合物形成的气源供给条件及其运聚输导系统类型等成矿成藏的主要控制和影响要素，开展地质地球物理及地球化学的综合分析研究，在此基础上总结和建立不同类型天然气水合物成矿成藏模式，以期对研究区天然气水合物资源有利富集区带评价预测和天然气水合物勘查部署等能够提供一定的指导与借鉴。
1 天然气水合物形成条件及主控因素天然气水合物的形成主要取决于是否存在高压低温稳定带（域）环境，即天然气水合物赋存富集场所与生烃潜力大的气源岩提供源源不断的充足气源，两者的时空耦合配置是天然气水合物形成的必备条件[14-19]。因此，天然气水合物亦与常规油气藏一样，其充足的烃气源供给是形成天然气水合物资源的物质基础和基本前提条件，而高压低温稳定带及其展布规模（即圈闭条件）则是天然气水合物成矿成藏所必须具备的富集场所，两者缺一不可，且由此构成了天然气水合物形成最主要的控制因素。总之，天然气水合物形成的关键条件及主控因素，乃在于其充足的气源供给与高压低温稳定带的良好时空配置。其中，充足的气源供给决定了天然气水合物丰度及饱和度，而高压低温稳定带展布特点则决定了天然气水合物的资源规模及其潜力。亦即气源充足与否和高压低温稳稳定带展布规模两者共同决定和制约了其资源潜力。为了进一步阐明天然气水合物形成条件与主控因素，以下重点对天然气水合物气源构成及运聚供给系统类型、天然气水合物成矿成藏富集场所（高压低温稳定带）特征等天然气水合物成矿成藏的主控因素进行深入剖析与探讨。
1.1 天然气水合物气源供给及运聚输导系统气源供给及其运聚输导系统是天然气水合物成矿成藏最基本的地质条件及主要控制因素之一。在不同成烃地质背景下，沉积盆地中气源岩生成的大量生物气和成熟高熟甚至过熟热解气等不同类型烃类气所构成的烃气源，不仅是控制含油气系统中常规油气运聚成藏的烃源基础和主控因素，也是制约、影响天然气水合物成因类型及分布与成矿成藏模式的主控因素[20-22]。大量研究及勘查实践证实[23-26]，天然气水合物气源类型多以生物成因甲烷为主，而混合成因及热解成因甲烷气源类型，由于受控特殊地质条件的限制而相对比较局限。因此，深水海域天然气水合物气源供给，主要来自深水海底浅层未成岩生物作用带的富有机质沉积物，且通过有机质生物化学作用形成生物成因之甲烷气源而供给其邻近的高压低温稳定带（相当于常规油气之圈闭富集场所），最终形成天然气水合物矿藏。因此，在天然气水合物资源评价预测中，关注和分析深水海底浅层沉积物有机质生物化学作用是其研究重点。
随着研究深入和勘探实践的启示，有些专家亦对深水海底浅层沉积物生物气资源潜力提出了质疑。认为生物成因甲烷气难以提供充足气源而满足规模巨大的天然气水合物资源之需求，尚难以形成高丰度、高饱和度的天然气水合物。无独有偶，天然气水合物勘查实践及水合物实物样品地球化学分析亦表明，世界各地如墨西哥湾、北阿拉斯加、Mackenzie三角洲、梅索亚哈气田、日本Nankai海槽、里海及黑海等地天然气水合物勘查中，亦发现了以热解气为主要气源的天然气水合物成因类型[27-28]。在北阿拉斯加和加拿大两个典型区域的天然气水合物勘查与研究中亦证实[28]，充足的热解成因气源供给是形成高丰度、高饱和度“渗漏型”天然气水合物类型的重要条件和主控因素。此外，在世界其他地区，如墨西哥湾及普拉德霍湾等地，尚有热解气与生物气构成的混合烃气源之天然气水合物类型存在。综上所述，天然气水合物气源成因及其运聚系统类型与天然气水合物资源潜力及展布特征密切相关。因此，深入研究天然气水合物气源构成特点及成因类型与运聚供给系统，对于判识确定天然气水合物成矿成藏机理与主控因素，以及预测天然气水合物成矿成藏有利富集区带尤为重要。
南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区近年来的天然气水合物勘查中，先后在珠江口盆地南部深水区白云凹陷神狐调查区和东南部东沙隆起调查区深水海底浅层钻获天然气水合物实物样品。通过天然气水合物调查区深水海底浅层沉积物顶空气（吸附气）样品和天然气水合物实物样品的地球化学分析表明[25-26]，大部分样品的天然气组成均以甲烷为主，且甲烷碳同位素偏轻，甲烷氢同位素偏重（海水影响）。浅层沉积物顶空气（吸附气）甲烷碳同位素δ13C1值普遍偏轻，大部分多在-102.6‰~-55.0‰，而天然气干燥系数C1/（C2 + C3）明显偏大，平均为2 964.0；甲烷氢同位素δ D值偏重，为-180‰~-145‰，显示为海水特征值。根据甲烷碳同位素特征判识显然属生物成因气。白云凹陷神狐调查区钻获的两个天然气水合物实物样品的分析结果，亦与上述深水海底浅层沉积物顶空气样品非常相似，天然气组成中亦以甲烷居绝对优势，甲烷含量高达99.89%和99.91%，C1/（C2 + C3）值分别为911.7和1 094.0，甲烷碳同位素δ13C1值分别为-56.7‰和-60.9‰，甲烷氢同位素δD值分别为-199‰和-180‰，属于典型生物甲烷气成因类型。为了进一步确证其与所在区域深水海底浅层沉积物中天然气之成因特点，亦在神狐调查区探井附近采集了两个顶空气样品进行分析对比。探井附近浅层沉积物的2个顶空气样品分析表明，其甲烷含量分别高达99.92%和99.96%，C1/（C2 + C3）值分别达1 373.5和2 447.0，而甲烷碳同位素δ13C1值分别为-62.2‰和-54.1‰，甲烷氢同位素δD值分别为-225‰和-191‰，很显然与上述天然气水合物实物样品分析结果一样，亦属典型生物成因气。
以上浅层沉积物顶空气和天然气水合物实物样品的地球化学分析结果，均充分证实了钻探区天然气水合物气源供给之天然气均属生物气成因类型，且可能混有少量热解气，即具有以生物气为主的混合气特征。此外，神狐调查区东南部邻近的东沙海域深水海底浅层沉积物顶空气样品分析亦表明，其甲烷碳同位素δ13C1值为-102.6‰~-38.2‰，虽然大多数样品的δ13C1值多小于-55.0‰，但尚有少量样品甲烷碳同位素较重，具有热解气特点。据此亦可综合判识该区天然气水合物气源供给属于以生物气为主含少量热解气的混合气类型。总之，南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物的气源构成以生物成因气为主，尚混有少量热解气，其天然气水合物气源成因类型属于以生物成因为主的混合气，气源构成以生物成因气为主。这种生物成因类型气源形成机理，根据研究区地质条件及天然气甲烷碳、氢同位素分析，可能属于CO2还原型的生物成因甲烷类型。众所周知，深水海底浅层沉积物在早成岩阶段，其有机质演化的主要途径是生物化学作用，其是控制和影响生物成因甲烷形成的主要因素，且不论是有机质发酵作用途径，还是通过CO2还原作用方式形成的生物成因甲烷，其有机质丰度均是形成生物成因气构成天然气水合物气源的物质基础和重要控制和影响因素。
已有研究表明[29-30]，天然气水合物分布区浅层沉积物中有机碳含量（TOC）一般较高（ > 1%），而有机碳含量低于0.50%的区域，则难以形成天然气水合物。南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物分布与有机碳含量高值区具有较好相关性，尤其是指示和表征天然气水合物存在的地震BSR分布区域与深水海底浅层沉积物较高的有机质丰度展布区密切相关。据南海北部陆坡深水区大量浅表层沉积物有机质丰度分析结果，其深水海底浅层沉积物有机碳含量平均为0.74%，最高可达1.37%。其中珠江口盆地东南部东沙海域浅层沉积物有机质丰度较低，有机碳含量均为0.76%，而琼东南盆地南部深水区和珠江口盆地西南部神狐海域有机质丰度较高，有机碳含量平均分别为1.17%和1.27%。根据美国地质调查局海洋环境中天然气水合物气源岩评价标准，当气源岩有机碳含量下限值为0.50%，其微生物转化有机质形成生物甲烷效率达50%。进而可以判识和确定南海北部大陆边缘盆地陆坡深水海底浅层沉积物，应该具备了较大的形成生物气资源的物质基础和潜力，完全能够为该区天然气水合物形成提供充足的气源供给。诚然，该区深部尚存在热解气气源，且已陆续在其中深层勘探发现了多个深水油气田，但深部热解气气源要输送到海底浅层沉积物（小于200 m）高压低温稳定带形成水合物矿藏，其运聚输导条件非常苛刻，必然会受多种地质条件严格控制和影响。亦即只有在那些断层裂隙发育、泥底辟/泥火山活动强烈和气烟囱发育等纵向运聚网络通道系统存在的局部区域，才有可能将深部热解气气源源源不断地输送至深水海底浅层高压低温稳定带形成热解气成因类型的天然气水合物。目前在研究区尚未发现这种通过不同类型纵向运聚通道从深部输送热解气气源至深水海底浅层形成热解气成因类型天然气水合物之典型实例。
综上所述，南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区具有较好的烃源条件，能够为深水油气及天然气水合物矿藏提供充足的烃气源供给。然而对于天然气水合物而言，其烃气源构成及其运聚供给系统至关重要，其决定和影响了天然气水合物运聚成矿成藏的基本条件及其成因类型。根据目前研究区天然气水合物勘查及研究程度，其天然气水合物烃气源构成多属生物气为主的混合气，且以近距离原地自生自储扩散式运聚供给方式为主，形成了该区生物成因类型天然气水合物矿藏。必须强调指出，热解气成因类型天然气水合物形成条件非常苛刻且局限，虽然在研究区迄今尚未发现沟通深部烃源的不同类型纵向运聚供给通道系统，并能够将其热解气输送至深水海底浅层高压低温稳定带成矿成藏的典型实例，但根据该区深水油气运聚成藏条件，其热解气气源及运聚供给系统和深水海底浅层热解气成因天然气水合物类型是肯定存在的，只是由于勘探程度低尚未发现，故其尚有待进一步的天然气水合物勘探实践所揭示和佐证。
前已论及，天然气水合物气源供给运聚系统在其运聚成矿成藏过程中至关重要。根据近年来深水油气勘探及天然气水合物勘查研究表明，南海北部大陆边缘盆地陆坡深水局部区域存在不同类型纵向运聚通道系统，其中纵向断层裂隙、泥底辟/泥火山及气烟囱等在不同类型盆地特定区带及局部地区较发育，这些特殊地质体构成了深水油气及天然气水合物气源供给的主要纵向运聚通道网络系统，能够为深水油气运聚成藏及天然气水合物成矿成藏等提供较好的烃源供给及运聚通道条件。但必须强调指出，上述这些特殊地质体构成的油气运聚供给网络通道系统，并非在盆地中广泛分布且往往仅局限于某些特殊的构造强烈活动区域，如构造断裂活动发育区、泥底辟/泥火山上侵活动区及气烟囱发育区等。而那些缺少断层裂隙及底辟通道等运聚系统的区带，其油气运聚成藏及天然气水合物成矿成藏，它的烃气源供给及其运移输送则主要依靠油气扩散作用而在原地近距离运聚富集成藏，如浅层生物成因气藏或浅层水溶性气藏形成过程即是其典型实例。深水海底浅层低温高压未成岩或早成岩阶段生物化学作用带形成的生物气，多在原地近距离附近，通过气体在沉积物中的扩散作用而运聚富集，最终形成生物气聚集和生物气藏。因此根据油气供给及运聚通道系统类型，亦即依据断层裂隙和底辟及气烟囱等“宏渗漏运移”输送系统与不具断层裂隙及底辟输送系统以扩散型原地运聚为主的“扩散运移”输送系统之特点，即可综合判识和划分确定油气及天然气水合物供给运聚系统与成矿成藏类型，进而深入分析其运聚成矿成藏机理及成藏过程与主控因素。
Tréhu等根据流体供给及运聚方式提出了“流体扩散型”和“流体运移渗漏型”两种类型的天然气水合物运聚成矿成藏模式[31]，其主要依据就是气体供给之运聚输送通道系统不同与运聚方式的差异。很显然，这两种类型的天然气水合物运聚成藏模式基本适用于南海北部陆坡深水区。在该区的某些局部区域，晚中新世以来新构造运动频繁，形成了断层裂隙或底辟及气烟囱发育区，构成了较好的油气纵向运聚供给通道系统，能够将深部古近系烃源岩生成的大量油气输送至上覆中新统及上新统甚至第四系浅层富集成藏。这种深水油气藏及天然气水合物矿藏的成因类型属于“运移渗漏型”（图 2），在剖面上形成了深部热解气气源供给、断层裂隙、底辟及气烟囱纵向运聚通道输送、在中深层富集深水油气、上覆深水海底浅层赋存天然气水合物之深水油气（常规油气）与水合物（非常规天然气）纵向复式叠置富集的含油气系统。但必须强调指出，这种“运移渗漏型”深水油气及天然气水合物运聚成矿成藏系统，是严格受条件限制的, 并非普遍存在。目前勘探及研究表明，其仅仅限于琼东南盆地中央拗陷带南部深水区（如LS17-2、LS28-1）、珠江口盆地东南部（如LW3-1及神狐局部区、东沙隆起东南部）及台西南盆地南部拗陷等局部区域，其他广大区域由于构造活动相对较弱，基本不存在大量断层裂隙、泥底辟/泥火山及气烟囱等纵向供给输送系统，油气及天然气水合物运聚成藏，均无法获取或得到深部热解成熟高熟油气源的供给。故这些与深部烃源供给系统基本无运聚通道沟通和联系的广大区域，其油气及天然气水合物运聚成矿成藏，均只能依赖于浅层未成岩或成岩早期沉积物生物化学作用形成的生物甲烷之气源通过原地扩散方式输送与供给，最终形成浅层生物甲烷气藏和生物成因天然气水合物矿藏类型。
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| 图2 南海北部深水油气与浅层气、生物气及天然气水合物叠置富集含油气系统特征 Fig. 2 Characteristics of oil/gas-bearing systems enriching in deep-water oil/gas, shallow gas and biogenic gas coupling with gas hydrate in northern South China Sea |
总之，南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物气源供给及运聚系统，根据深水油气及天然气水合物钻探成果，结合地球物理资料解释及地质地球化学分析研究，可以综合判识划分为“运移渗漏型”和“扩散运聚型”两种供给及运聚方式的成因类型。受不同类型盆地及区带地质条件差异的控制和影响，前者分布较局限，且受断层裂隙及泥底辟/泥火山发育展布的制约；后者则主要分布于无深部纵向有效供给运聚通道系统（无明显断层裂隙和底辟及气烟囱发育区）的广大区域，且主要受控于生物化学作用所形成的生物甲烷在深水海底浅层沉积物中的扩散运聚作用，最终可以在浅层高压低温稳定带运聚富集，形成生物成因类型的天然气水合物矿藏。研究区近年来在珠江口盆地西南部神狐调查区和东南部东沙调查区钻探获取的天然气水合物成因类型即属其典型实例。“运移渗漏型”天然气水合物气源供给运聚系统类型，迄今在研究区局部区域虽然多有发现，但仅地震BSR比较明显。目前钻探尚未发现这种非常典型的“运移渗漏型”天然气水合物矿藏，有可能探井尚未真正部署在这种“运移渗漏型”天然气水合物矿藏范围内。同时亦表明这种成因类型天然气水合物矿藏形成条件较苛刻，亦即形成这种“运移渗漏型”天然气水合物矿藏，必须具备非常好的纵向供给及运聚通道系统（如断层裂隙、泥底辟及气烟囱等），且与上覆深水海底浅层高压低温稳定带（富集场所）时空耦合配置良好，否则难以形成这种成因类型的天然气水合物矿藏。
1.2 天然气水合物成矿成藏富集场所（稳定带）特征天然气水合物稳定带（域）是在特定的高压低温条件所限定的天然气水合物成矿成藏之富集场所，故其空间展布规模及特点直接决定和影响了天然气水合物资源潜力和资源量大小。通常评价天然气水合物资源量及地质储量，亦主要依据天然气水合物稳定带展布规模和水合物饱和度及其他相关参数而进行，天然气水合物稳定带规模大小即相当于常规油气藏中的含油气圈闭规模之大小，很显然其决定了天然气水合物的资源潜力及地质储量。因此，深入分析研究高压低温天然气水合物稳定带展布规律及其控制和影响因素至关重要。
天然气水合物稳定带主要受盆地中地层系统之地温与地层压力的相平衡条件制约。天然气水合物底部边界主要由水合物相边界曲线和地温梯度曲线决定。深水海底、水合物相边界曲线与稳定带底界之间的距离为天然气水合物稳定带厚度。通常所在深水海域地温梯度越小，浅层深水海底温度越低，水深越大，天然气水合物稳定带厚度亦大，反之亦然。同时，形成天然气水合物的气源之天然气组成和沉积物孔隙水盐度，对天然气水合物相平衡边界亦有影响。当天然气水合物气源中的重烃含量越高，盐度越低，天然气水合物稳定带厚度亦大。亦即天然气水合物的气源构成特点、沉积物地层水盐度、地温梯度和地层压力等参数均控制和影响了天然气水合物稳定带展布规模及其分布特点。
南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区水深变化为300~3 500 m，海底温度一般在1.45~9.00 ℃，表明该区深水海底浅层处在高压低温环境下，有利于天然气水合物稳定带的形成。必须强调指出，南海北部大陆边缘盆地深水区热流分布变化较大，从陆坡深水区热流值20.0 mW/m2到中央洋盆中心热流值高达170.0 mW/m2，其对深水区天然气水合物稳定带形成及其展布规模（尤其是稳定带厚度）等均会产生重大影响。然而需要说明的是，研究区深水油气及天然气水合物均主要分布于北部陆坡深水区与中央洋盆北部边缘过渡区之间，其所在盆地深部结构及构造位置处于减薄型陆壳到洋陆过渡型壳之间，并非中央洋盆之典型洋壳位置，因此，南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区范围，其实际热流值应在60.0~90.0 mW/m2，且深水海底浅层沉积物地温梯度及热流值并不高，估计热流值为10.0~20.0 mW/m2，完全满足了天然气水合物形成的低温低热流场条件。这对于该区深水海底浅层天然气水合物形成是非常有利的。
梁金强等[32]利用Miles P R[27]提出的海水中甲烷稳定带边界曲线方程，以沉积物孔隙水盐度3.5%，天然气水合物气源构成为纯甲烷为约束条件，根据南海北部研究区深水海底浅层热流数据、热导率、水深、海底温度等相关地质参数，重点对天然气水合物稳定带厚度进行了分析圈定与初步计算。获得的初步计算结果表明，南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物稳定带厚度大体在50~550 m，且与水深呈正相关关系。在水深小于500 m的区域，基本不具备形成天然气水合物的条件，而在水深800~2 000 m的减薄型陆壳与洋陆过渡型壳之深水区，其天然气水合物稳定带在局部地区可超过500 m（图 3），表明天然气水合物稳定带展布规模与深水海底浅层高压低温环境条件密切相关。
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| 图3 南海北部深水区陆坡及邻域天然气水合物稳定带厚度分布特征[32]（据梁金强等，有修改） Fig. 3 Thickness of gas hydrate stability zone in deep-water continental slope and nearby areas in northern South China Sea (From Liang et al., modified) |
为了进一步论证与证实天然气水合物稳定带分布厚度与地温场及热流值的相关性，梁金强等根据珠江口盆地神狐海域水合物钻探区获取的31个实测热流数据及8口先导孔温度测井和水深测量数据等相关参数，应用Ⅰ型水合物计算模型对该区天然气水合物稳定带厚度进行了分析计算，结果表明，在热流值为98.9~62.0 mW/m2、地温梯度为6.7~4.4 ℃/（100 m）的神狐水合物钻探区，其天然气水合物稳定带厚度仍然保持在80~224 m，表明该区深水海底浅层高压低温条件完全能够满足和达到天然气水合物矿藏形成之基本要求[33-35]。同时，通过天然气水合物稳定带厚度计算还表明，在该区SH2、SH3和SH7等3个井位附近水合物稳定带厚度最大，其热流值在该区亦最低，热流值为66~75 mW/m2，亦充分证实了深水海底浅层热流值与天然气水合物稳定带厚度及展布规模的相关性，即热流值越低，其天然气水合物稳定带越厚，天然气水合物亦富集。
总之，天然气水合物高压低温稳定带展布规模（相当于常规油气圈闭规模之富集场所）是形成天然气水合物矿藏的重要地质条件，而当其与充足的烃气源及其供给运聚系统时空耦合配置良好时，即可形成高饱和度、高丰度的天然气水合物矿藏。而天然气水合物资源潜力及地质储量与分布特点，则主要取决于天然气水合物稳定带展布规模及其高压低温之控制和影响因素。
1.3 天然气水合物成矿成藏主控因素前已论及，天然气水合物成矿成藏亦与常规油气成藏条件基本相似，均必须具有充足的烃源供给及不同类型的运聚输送系统，这是油气藏及天然气水合物成矿成藏的基础和前提条件。对于常规油气成藏而言，其必须完成或实现从烃源供给及运聚输送而最终到达目的地富集场所（圈闭）的运聚成藏过程，进而构成一个“从烃源到圈闭中运聚成藏”的完整含油气系统；而对于天然气水合物成矿成藏，亦必须具备一个充足的烃气源供给及运聚输导系统，进而将烃气源源源不断输送至高压低温稳定带（天然气水合物富集场所），构成一个烃气源供给运聚与深水海底浅层高压低温稳定带时空耦合配置良好的运聚成矿成藏系统，最终控制天然气水合物成矿成藏。鉴此，本文拟根据控制和影响天然气水合物成矿成藏的主控因素，重点分析研究对天然气水合物成矿成藏起决定作用的烃气源构成及供给运聚系统与高压低温稳定带（富集场所）形成的地质条件与关键控制和影响因素。
南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区，处在减薄型陆壳与海陆过渡型洋壳的区域构造地理位置，其不仅能够接受邻近大陆边缘大量陆源高等植物的输入，而且本身深水洋盆区附近尚发育有大量海生低等生物，因此沉积物中有机质较丰富，有机碳含量较高，该区油气勘探钻井和天然气水合物勘查钻井所获深水海底浅层上中新统及上新统沉积物样品分析表明，其有机碳含量多在0.5%~1.3%（图 4），具备了较好生烃物质基础。
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| 图4 珠江口盆地西南部神狐水合物钻探区沉积物有机质丰度剖面[32]（据梁金强等，有修改） Fig. 4 Profiles of content of organic matter in sediments from hydrate drilling zones in Shenhu area in southwestern Pearl River Mouth Basin (From Liang et al., modified) |
根据天然气水合物调查区油气地质条件，由于深水海底浅层上中新统及上新统沉积物属于未成岩或成岩早期的砂泥质沉积物（埋深多小于200 m），地温场特低，其地温远小于60℃，故处在生物化学作用带，因此，沉积物有机质成烃产物主要为生物甲烷气。通过天然气水合物钻探区沉积物样品生物气模拟实验与热模拟实验结果的对比（表 1），均充分证实了该区生物甲烷气潜力大，其生物甲烷产率平均为100.6 mL/g，最高达247.8 mL/g，比相同相似样品的热解生烃模拟之甲烷产率（最高67.3 mL/g）要高得多。以上生物气模拟实验与热解气模拟实验结果充分表明，该区深水海底浅层具备了形成生物甲烷气的资源潜力，能够为形成天然气水合物矿藏提供充足的烃气源供给。为了进一步确证该区生物甲烷气的资源潜力及资源量，根据生物气形成条件及相关地质参数，笔者亦对珠江口盆地及琼东南盆地生物气资源进行了分析研究与初步估算[20]，由表 2可以看出，珠江口盆地和琼东南盆地2 300 m以上的中新统及第四系生物气生成量为1 703.5×1012 m3，生物气资源量可达3.4×1012 m3。该计算结果表明，珠江口盆地及琼东南盆地具有丰富的生物气资源，其应是该区生物甲烷气气藏和深水海底浅层天然气水合物矿藏的主要烃气源供给者。亦即南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物矿藏及浅层生物气气藏的气源供给，主要来自中新统及第四系浅层未成岩生物化学作用带的沉积物有机质。这种生物甲烷气源是控制和影响南海北部深水区天然气水合物成矿成藏的主要因素之一，且其生物气资源潜力决定和控制了天然气水合物资源的富集程度及其资源规模。前已论及，天然气水合物稳定带规模实质上相当于常规油气藏聚集的空间场所——含油气圈闭规模，它是天然气水合物矿藏的富集场所，其分布特点及展布规模大小，则直接决定了天然气水合物矿藏的资源潜力和资源规模。
| 表1 珠江口盆地东沙隆起东南部天然气水合物钻探区海底未成岩软泥生物气与热解气模拟结果对比 Table 1 Comparison of simulation results of biogenic gas and thermogenic gas in sea floor unconsolidated ooze in gas hydrate zones in Dongsha Rise, Pearl River Mouth Basin |
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| 表2 南海北部大陆边缘重点盆地第三系—第四系生物气生成量与资源量初步估算 Table 2 Preliminary estimate of amounts of production and resource of Tertiary-Quaternary biogenic gas in the continental margin basins in northern South China Sea |
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南海北部大陆边缘陆坡深水区天然气水合物稳定带发育展布，与全球其他深水区域一样，均主要受控于地温场特征及其控制和影响地温场热流值的具体地质条件。南海北部大陆边缘盆地陆坡深水天然气水合物调查区钻探结果表明，其天然气水合物主要富集在晚中新世以来的深水海底浅层海相沉积物中，其分布深度多在深水（900~1600 m）海底以下100~230 m的深度范围，沉积环境主要为陆坡深水深海相。通过对珠江口盆地神狐海域调查区钻井沉积物岩芯中微体古生物分析，其钻获的天然气水合物主要分布于上中新统顶部及上新统下部（图 5），依据通常的生物地层带划分判识标准，钻获的天然气水合物层主要分布在钙质超微化石带的NN12 NN13及NN11带和浮游有孔虫化石带的N17 N19带，且其与有孔虫分布富集密切相关。陈芳有孔虫分析结果表明[36]，钻探区赋存天然气水合物的沉积物中砂及粗粉砂之主要组分即是有孔虫，其有孔虫平均含量高达65.5%，而高饱和度天然气水合物则主要集中在富含有孔虫的沉积物中。这就充分表明有孔虫存在，不仅为天然气水合物气源构成提供了丰富的有机质，奠定了形成充足烃气源的物质基础，而且大量有孔虫在沉积物中出现亦大大增加了沉积物粒间孔隙空间（有孔虫房室空间比沉积物本身粒间空间大得多），进而为天然气水合物稳定带之高饱和度天然气水合物储集空间的形成奠定了非常好的地质基础。再者，珠江口盆地神狐海域天然气水合物调查区，由于处在减薄型及洋陆过渡型地壳的区域构造位置，属于相对低地温场分布区，其盆地深部热流值为66.0~75.0 mW/m2，而深水海底浅层100~250 m沉积物中之热流值则低得多，最高不超过40.0 mW/m2，且在厚达千米以上海水覆盖下，其海底温度仅为1.45~9.00℃，而千米以上巨厚海水及海底浅层沉积物的压力至少可达百兆帕以上，故完全能够构成高压低温稳定带的较好地质环境，亦即具备了形成高压低温稳定带，即水合物富集场所的重要前提条件。
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| 图5 江口盆地中南部神狐调查区沉积物及天然气水合物钻井地质综合剖面[32]（据梁金强等，有修改） Fig. 5 Integrated profiles of geological characteristics of sediments and gas hydrate drilling in Shenhu investigation areas in middle to southern Pearl River Mouth Basin (From Liang et al., modified) |
必须强调指出，天然气水合物稳定带展布规模及其地质特点，亦与烃气源供给及运聚输送系统和所在区域温压场特点密切相关，尤其是热流场息息相关。在相同的高压环境下，当其地温场及热流值较高时，则天然气水合物稳定带规模及其厚度会明显变小；而地温场及热流值较低时，则天然气水合物稳定带规模，尤其是厚度会明显增加。因此，深水海底浅层之温压场是控制和影响天然气水合物稳定带形成的主控因素。
总之，天然气水合物成矿成藏的地质条件，主要取决于其充足的气源供给及最佳运聚输送系统与高压低温稳定带（富集场所）较好的时空耦合配置，而充足的气源供给与高压低温天然气水合物稳定带展布规模，则是天然气水合物成矿成藏的主控因素，其他如沉积物储集条件、沉积环境、构造演化及地貌特征等均属次要的地质影响因素，不能起决定性的作用。
2 天然气水合物成矿成藏模式预测大量研究及勘探实践表明[37-41]，天然气水合物成矿成藏与常规油气运聚成藏一样，控制和影响天然气水合物运聚及成矿成藏的地质因素较多，如区域地质背景、构造沉积充填特点、气源构成及供给运聚系统、储集体类型、高压低温稳定（域）带等地质因素均对天然气水合物矿藏形成具有重大影响和制约作用，但根据“从烃源到圈闭运聚成藏”的含油气系统理论与油气成藏动力学理念，结合全球已钻获天然气水合物矿藏的典型实例剖析，可以确定控制和影响天然气水合物运聚及成矿成藏的关键地质因素，均主要取决于其“气源供给及运聚系统”与“高压低温稳定带（富集场所）”的时空耦合配置，两者构成了天然气水合物运聚及成矿成藏的主控因素。鉴此，根据天然气水合物成矿成藏的主控因素，结合具体的油气地质条件分析，即可总结和建立南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物运聚及成矿成藏的主要地质模式，进而评价预测和优选有利天然气水合物富集区带，为天然气水合物资源勘查部署等提供决策依据及钻探意见。以下拟根据南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物成矿成藏的主要控制和影响因素，结合不同地区具体油气地质条件及深水油气和天然气水合物勘查成果，总结和建立该区天然气水合物形成的主要运聚成矿成藏模式，以期为进一步的天然气水合物资源评价预测与勘查部署工作等提供借鉴和指导。
根据南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区区域地质及油气地质基本条件，结合近年来深水油气勘探和天然气水合物勘查成果，以及大量的地质地球物理及地球化学资料分析，研究区天然气水合物成矿成藏模式大体上可以总结为两类三型。两类即“原地生物气扩散型”和“深部热解气运聚渗漏型”，其中“原地生物气扩散型”模式即生物气气源自生自储原地扩散型天然气水合物成矿成藏模式；而“深部热解气运聚渗漏型”成矿成藏模式，尚可进一步划分为热解气气源断层裂隙输导下生上储渗漏型天然气水合物成矿成藏模式和热解气气源底辟及气烟囱输导下生上储渗漏型天然气水合物成矿成藏模式。
生物气气源自生自储原地扩散运聚型天然气水合物成矿成藏模式如图 6所示，这是目前在南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区天然气水合物勘查中发现的最主要的天然气水合物成矿成藏模式。
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| 图6 南海北部深水区生物气源自生自储扩散型天然气水合物成矿成藏模式 Fig. 6 Model of venting gas hydrate formation and accumulation due to biogenic gas accumulate in place by way of self-generation and self-bearing in deep-water areas in northern South China Sea |
这种成矿成藏模式之天然气水合物矿藏赋存于深水海底浅层（100~230 m）上中新统及上新统未成岩沉积物中，其烃气源主要来自原地浅层沉积物中有机质生物化学作用形成的生物甲烷，可能尚伴有少量深部热解气，构成了以生物气为主的混合气气源，且通过原地扩散运聚作用方式形成自生自储扩散型的天然气水合物矿藏。近年来在珠江口盆地西南部神狐调查区和东南部东沙隆起东南部调查区钻获的天然气水合物矿藏即属于该类型。这些地区钻获天然气水合物矿藏之气源均属以生物气为主的混合气，天然气水合物样品分析其甲烷含量高达98%，干燥系数偏高，达0.99，甲烷碳同位素δ13C1值多小于-55.0‰，属于典型生物成因气。这种生物成因类型天然气水合物矿藏，埋藏浅且天然气水合物稳定带厚度较薄，一般不超过200 m，天然气水合物丰度及饱和度不太高，天然气水合物资源潜力及资源规模较小。
“深部热解气运移渗漏型”之热解气气源断层裂隙输导下生上储渗漏型天然气水合物成矿成藏模式如图 7所示。
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| 图7 南海北部深水区热解气源断层裂隙输导下生上储渗漏型天然气水合物成矿成藏模式 Fig. 7 Model of diffusive gas hydrate formation and accumulation due to thermal gas accumulate offsite through faults and fractures by way of lower-generation and upper storage in deep-water areas in northern South China Sea |
从图 7可以看出，深水海底浅层天然气水合物矿藏的气源供给主要来自中深层古近系烃源岩，其烃气源通过断层裂隙构成的纵向运聚通道系统，输送至上覆浅层高压低温稳定带富集成藏。其深部气源供给及纵向运聚输导通道系统与上覆深水海底浅层高压低温稳定带（富集场所）的时空耦合配置，是形成这种热解气源断层裂隙输导下生上储渗漏型天然气水合物矿藏的主控因素。这种渗漏型天然气水合物矿藏，由于其深部气源供给充足，天然气水合物饱和度及丰度大，且展布规模及资源潜力亦大，主要分布于纵向断层裂隙较发育的局部地区。琼东南盆地南部深水区及珠江口盆地南部深水局部区域和台西南盆地中部拗陷深水区等，均可能存在这种热解气源供给断层裂隙输导下生上储“渗漏运聚型”天然气水合物矿藏，且天然气水合物饱和度及丰度较高，与琼东南盆地南部邻近的中建南盆地深水区亦可能赋存这种深部热解气源断层裂隙输导下生上储渗漏型天然气水合物矿藏。
“深部热解气运移渗漏型”之热解气气源供给底辟及气烟囱输导下生上储渗漏运聚型天然气水合物成矿成藏模式如图 8所示。
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| 图8 南海北部深水区热解气源底辟及气烟囱输导下生上储渗漏型天然气水合物成矿成藏模式 Fig. 8 Model of venting gas hydrate formation and accumulation due to thermal gas accumulate offsite through mud diapir and gas chimney by way of lower-generation and upper storage in deep-water areas in northern South China Sea |
由图 8可以看出，其深水海底浅层天然气水合物矿藏的气源供给亦主要来自深部古近系（始新统及渐新统崖城组）烃源岩，而烃气源则通过底辟及气烟囱构成的纵向供给及运聚通道系统，源源不断地输送到上覆深水海底浅层高压低温稳定带富集成藏。该天然气水合物成矿成藏模式与图 6所示热解气源渗漏型天然气水合物矿藏模式类型有所不同的是，其烃气源纵向供给及运聚系统并非为断层裂隙，而是由底辟及气烟囱所构成，故天然气水合物成矿成藏的主要控制因素为由底辟及气烟囱构成的烃气源供给及运聚系统与深水海底浅层高压低温稳定带之时空耦合配置。这种类型天然气水合物矿藏在泥底辟及气烟囱发育的局部区域较富集，如琼东南盆地南部深水区疑似泥底辟发育区与天然气水合物地震BSR层叠置分布特征（图 9）即是其典型实例。
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| 图9 南海北部琼东南盆地深水区疑似泥底辟与天然气水合物（BSR）叠置分布特征（据广海局和中海油） Fig. 9 Distribution of putative mud diapirs coupling with gas hydrate (BSR) in deep-water areas of Qiongdongnan Basin in northern South China Sea (From GMGS and GNOOC) |
该区异常发育的疑似泥底辟及气烟囱纵向气源供给及运聚通道系统控制和影响了天然气水合物矿藏的分布富集特点。亦即天然气水合物矿藏主要展布于泥底辟发育区及其附近，其泥底辟发育演化及其展布特点控制了天然气水合物分布。
总之，根据天然气水合物矿藏形成的主控因素——气源供给及运聚系统与高压低温天然气水合物稳定带之关键要素的时空耦合配置关系，结合南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区不同类型盆地及区带具体的油气地质条件，可以综合判识预测不同区域天然气水合物成矿成藏类型及其富集程度和产出特征。在此基础上，能够进一步分析评价天然气水合物矿藏展布规模及资源潜力，计算天然气水合物资源量，进而为该区天然气水合物资源勘查提供决策依据和勘探部署意见，以期提高天然气水合物勘探成功率，发现更多天然气水合物资源，为节能减排奉献更多绿色能源作出巨大贡献。
3 结论（1）天然气水合物形成受多种地质因素控制和影响，但根据含油气系统理论及实际勘探成果分析表明，其主控因素亦与常规油气藏一样具有“从源到汇聚”的特点，即主要取决于气源供给及运聚输导系统与高压低温天然气水合物稳定带（富集场所）的时空耦合配置。据此可以分析判识天然气水合物运聚及成矿成藏特征，划分确定天然气水合物成因类型及成矿成藏模式，综合评价预测天然气水合物富集区带。
（2）南海北部大陆边缘盆地陆坡深水区深水海底浅层地貌地形崎岖，地温场及热流值变化大，直接控制和影响了天然气水合物高压低温稳定域分布及其厚度大小，而区域构造沉积演化及充填特点与纵向断层裂隙和泥底辟及气烟囱发育展布特征，则促进了天然气水合物气气源供给及运聚输导系统的构建，进而为深部烃气源向深水海底浅层天然气水合物高压低温稳定带富集成矿成藏，提供了重要的气源供给及运聚通道条件。依据该区天然气水合物矿藏形成的主控因素，可以综合判识确定天然气水合物成因类型，评价预测有利天然气水合物富集区带。
（3）总结和建立了本区生物气源供给自生自储原地运聚扩散型与热解气源供给下生上储纵向通道输导之运移渗漏型两类三型天然气水合物成矿成藏模式。目前该区天然气水合物勘查虽然尚未发现典型的热解气源下生上储纵向通道输导之渗漏运聚型天然气水合物类型，但研究区局部区域存在断层裂隙与泥底辟及气烟囱等纵向运聚输导系统，因此，预测该区能够勘探发现这种“热解气源下生上储渗漏运聚型”高丰度、高饱和度天然气水合物资源。
（4）南海北部深水区东部台西南盆地南部深水区天然气水合物成矿成藏条件最佳，且由于泥底辟/泥火山及气烟囱发育，应该存在和富集热解气源下生上储渗漏型天然气水合物与生物气源自生自储原地扩散型天然气水合物，但以前者为主；中部珠江口盆地南部深水区以生物气源自生自储扩散型天然气水合物为主，亦存在热解气源下生上储渗漏型天然气水合物类型；西部琼东南盆地南部深水区则主要富集热解气源下生上储渗漏型天然气水合物成因类型。
（5）南海北部深水油气与天然气水合物资源丰富，且在断层裂隙与泥底辟及气烟囱发育区域，能够构成深部常规油气藏与上覆深水海底浅层天然气水合物矿藏叠置共生富集的复式运聚成藏系统，其应是该区将来深水油气勘探与天然气水合物勘查的重点领域及突破方向，期望在今后的油气勘探部署及天然气水合物勘查与研究中给予充分关注。
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