南海北部陸坡流體運移差異性的原因分析——以神狐天然氣水合物鉆探區和LW3－1井區為例

喬少華 蘇 明 楊 睿 蘇丕波 匡增桂 梁金強 吳能友

1.中國科學院廣州能源研究所 2.中國科學院廣州天然氣水合物研究中心 3.廣州海洋地質調查局 4.中國科學院大學

神狐天然氣水合物（以下簡稱水合物）鉆探區和LW3－1井區均位于南海北部陸坡珠江口盆地珠二坳陷，其平面相距約為25km（圖1）。區域地質研究表明，珠江口盆地始新統文昌組和漸新統恩平組是區域主力烴源巖系［1］。廣泛發育的底辟構造、高角度的斷裂和垂向裂隙系統構成了神狐海域水合物主要的運移通道，并在淺部合適的儲集體中聚集成藏［2－3］。因此，在前期的研究中，認為熱成因甲烷是神狐海域水合物的重要氣源［4］。然而，從2007年廣州海洋地質調查局在神狐海域實施的水合物鉆探結果來看，地球化學分析結果顯示水合物中的甲烷主要表現為微生物成因氣的特征［5－6］。水合物鉆探區與 LW3－1井區相隔約25 km，兩個區域內含氣流體運移通道是否存在著差異，這種差異是否暗示了流體運移能力的不同，這就成為解決鉆探區內水合物成藏的關鍵問題之一。筆者選取神狐水合物鉆探區和LW3－1井區作為分析和對比研究對象，利用高精度2D／3D地震資料的解釋成果，分析兩個區域的構造樣式和平面分布特征，展示不同區域內流體運移通道的差別，進而探討其流體運移能力的差異。

圖1 珠江口盆地白云凹陷區域構造及研究區位置簡圖

1 區域地質背景

珠江口盆地是位于南海北部大陸架上的中、新生代沉積盆地。盆地呈NE方向展布，具有“三隆兩坳”的構造格局，從北至南依次為北部斷階帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶等5個一級構造單元［7］。神狐水合物鉆探區和LW3－1井區均位于白云凹陷南側（圖1）。以區域“破裂不整合面——T7界面”為界，珠江口盆地的構造演化可劃分為兩個階段：斷裂階段和裂后階段［8］。同樣以T7界面為界，盆地垂向上構成了下斷上坳的雙層結構和先陸后海的沉積組合［9］。整個盆地的沉積充填為古新統—下漸新統的沉積地層（包括神狐組、文昌組和恩平組），以及古新統—下漸新統的沉積地層（珠海組、珠江組、韓江組、粵海組和萬山組）。沉積環境也發生了由陸向海、由淺水向深水、由過補償向欠補償的演變（圖2）。

圖2 珠江口盆地地層綜合柱狀圖［10］

近年來，珠江口盆地是南海北部重要的深水油氣勘探目標。已有的鉆井資料表明，深部始新統文昌組烴源巖現今大部分已過成熟，漸新統恩平組烴源巖目前仍處于生烴高峰期［11］。淺部中中新世以來韓江組、粵海組和萬山組成熟度低、厚度大，泥巖及有機質含量高，是良好的生物氣源巖［12］。

神狐水合物鉆探區位于珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷內，水深范圍介于900～1 500m，北側以神狐隆起和番禺低隆起為界，南側以南部隆起帶為界（圖1）。鉆探區中新世以來的地層中可以觀察到氣煙囪、高角度正斷層和裂隙系統等，這些構造樣式有助于熱成因或微生物成因氣體向淺層的運移和聚集，從而為水合物的形成和富集提供有利條件［2］。LW3－1井區位于白云凹陷東部LW3－1斷背斜構造上，水深約為1 500 m，區域內溝通深部的底辟構造和斷層較為發育。從LW3－1－1井珠江組和珠海組4個氣層（深度3 000～3 500m）天然氣樣品的地球化學分析來看，烴類組分主要為甲烷、乙烷及乙烷以上的重烴組分，天然氣C1／C2小于20，具有明顯的干酪根裂解氣特征，暗示其與深部恩平組及珠海組烴源巖具有成因聯系［13］。干酪根裂解氣有可能沿著底辟構造或溝通深部的斷層向上運移至珠江組的砂質儲層中。

2 構造樣式對比

2.1 神狐水合物鉆探區

氣煙囪（流體底辟）的出現一般代表了氣體在一個密閉條件很差的環境中，烴類聚集過程中的遷移［14］。從世界上典型水合物富集區的調查研究結果來看，水合物的存在往往和氣煙囪具有密切的關系［15－17］。在神狐水合物鉆探區，氣煙囪非常發育，且和BSRs（似海底反射，bottom simulating reflectors）分布具有一定的匹配關系，在鉆前預測中被作為水合物存在的證據之一（圖3）［18］。在地震剖面上，由于氣煙囪內氣體濃度和圍巖的差異所導致的速度異常，可以觀察到明顯的反射特征差異，整體的形態為直立狀，并使得地震反射具有雜亂、模糊和空白反射的特征。在氣煙囪的頂部，可以觀察到一“強振幅反射區”，其存在可能暗示了氣煙囪的頂部存在游離氣（圖4）。盡管在部分地震剖面上，BSR的強反射軸和氣煙囪頂部的強反射軸因為重疊而難以區分，但是二者具有明顯的區別：①規模不同，前者是反射層，而后者是反射區；②形成原因不同，前者是由于底部的游離氣聚集而產生的波阻抗差導致，而后者是由于流體對氣煙囪頂部的充填而產生的地震波高頻信號吸收導致；③意義不同，前者只是一個物理界面，是大波阻抗差的體現，而后者是地層區塊，是流體充注的結果。

圖3 神狐水合物鉆探區和LW3－1井區中新世以來主要的構造樣式平面分布特征圖

神狐水合物鉆探區內沒有明顯的大尺度斷層，但是上新世地層中發育一些與氣煙囪相溝通正斷層（圖4－a）。這些斷層的存在為含氣流體的側向運移提供了通道，斷層附近存在的一些雜亂反射特征可作為流體發生短距離側向運移的證據（圖4－a）。此外，在更新世以來的地層中，鉆探區內廣泛發育滑移沉積體（圖4－b）。在重力的誘導下，沉積層將順著滑脫斷層，沿著陸坡坡降的方向線由北向南發生整體的滑動。這些滑脫斷層呈雁列式排列，通常可以溝通氣煙囪和海底（圖4－b）。滑脫斷層的存在一方面可以作為流體逃逸至海底的通道，另一方面也可為水合物的形成提供有限的空間，從而形成一些小規模的裂縫充填型水合物［19］。

2.2 LW3－1井區

珠江口盆地白云凹陷油氣勘探成果證實，該區域深水區發育大量的大型底辟（中央底辟帶）。這些底辟構造主要發育于深部文昌組和恩平組，其形成可能與這兩套烴源巖層的高溫、超壓特征有關［20］。在底辟構造的頂部也可以觀察含氣亮點異常反射，這種反射特征暗示流體沿著底辟構造發生了垂向的運移和疏導，構成了珠江口盆地古近系油氣輸送至新近系儲層中的油氣成藏模式［21］。

LW3－1井區的底辟構造呈直立窄柱狀，一般不會引起周緣地層的向上牽引，且少有伴生斷層（圖5）。在這一區域的西南部發育有一個小型底辟構造（氣煙囪），平面位置見圖3。地震剖面上可以觀察到內部具有雜亂反射的特征，且局部存在著同相軸下拉的現象，這個小型的流體底辟可刺穿至海底，在海底表面可能導致了麻坑的形成（圖5－b）。

圖4 神狐水合物鉆探區底辟構造和斷層特征圖

圖5 LW3－1井區底辟構造特征圖

同時，在LW3－1井區北部和西部發育了若干條大尺度斷層，平面上呈平行的近 W—E向展布（圖3），這些斷層發育于深部的漸新統，至上新世和更新世仍在活動（圖6）。大尺度斷層的發育使得LW3－1井區的地層表現為地塹／地壘的特征（圖6）。由于大尺度斷層溝通了深部的烴源巖系，可以作為下部烴源巖向上運移的重要疏導體系。通過區域上含氣層位同位素和流體包裹體的分析，也證實了大尺度斷層作為運移通道的有效性［22］。

圖6 LW3－1井區大尺度斷層特征圖

3 流體運移通道類型及對比

通過上述對構造樣式的解剖和平面分布的描述，可以發現流體底辟和斷層是這兩個區域內晚中新世以來主要的流體運移通道類型，但無論是氣煙囪還是斷層樣式，在上述的兩個區域中都存在著明顯的差異。

3.1 流體底辟（氣煙囪）

氣煙囪在珠江口盆地白云凹陷內十分發育（圖3），都具有內部同相軸橫向連續性變差，呈雜亂—空白反射的特征，局部可見因氣體充注造成的低速異常而導致的同相軸下拉現象（圖4、5）。但是，通過對比研究發現，氣煙囪在形態和內部結構上存在著以下明顯的不同。

1）形態及規模。神狐水合物鉆探區的氣煙囪多呈窄柱狀、寬柱狀或蘑菇狀，規模較大，刺穿晚中新世地層，頂部往往影響至更新世底界面；而LW3－1井區的氣煙囪剖面上呈直立的窄柱狀，規模較小，局部可刺穿至海底。

2）內部結構。兩個地區的氣煙囪都具有明顯的下拉特征，但水合物鉆探區的氣煙囪其內部可進一步劃分為雜亂反射帶、空白反射帶［23］和頂部強振幅反射區，而LW3－1井區多表現為雜亂—空白反射特征。

3）③與周圍地層的關系。水合物鉆探區氣煙囪頂部的強振幅反射多具有不連續—斷開的特征，可能暗示由于流體不均勻充注而造成的地震波高頻信號不均勻吸收，但LW3－1井區的氣煙囪周圍的地層很少具有牽引上翹的特征。

通常情況下，底辟是流體運移的良好通道，但不同發育程度的底辟構造對流體的運移能力存在差異。底辟發育程度越高，運移能力越強；反之，則越弱。底辟在地震剖面上的內部同相軸形態及反射特征、突破上覆地層深度以及與周緣地層的接觸關系可以間接展示底辟的發育程度［24］。

3.2 斷層

整個新生代，南海四周處于不同應力場之中，形成不同類型的大陸邊緣。東部為擠壓背景，南部為俯沖背景，西部為剪切背景，而北部為拉張背景［25－26］。研究區內發育的近W—E向大尺度斷層可能是南海北部拉張應力環境的表征（圖3和圖6）。這些大尺度斷層集中發育在LW3－1井區的北部。

水合物鉆探區雖不發育大尺度斷層，但是上新世正斷層和更新世滑脫斷層則非常發育。其中上新世正斷層可作為流體的側向運移通道，與氣煙囪一起共同擴大了含氣流體垂向運移所能影響的范圍。而更新世的滑脫斷層更多地表現為含氣流體至海底的逃逸通道。

3.3 流體運移通道類型

綜上所述，神狐水合物鉆探區和LW3－1井區的含氣流體垂向運移通道均表現為復合的運移通道類型。其中，水合物鉆探區為氣煙囪＋上新世正斷層，更新世的滑脫斷層可以作為流體向海底逃逸的通道，可能對水合物的形成起到“負效應”的作用；而LW3－1井區則為氣煙囪＋大尺度斷層。從斷層的規模而言，大尺度斷層對深部干酪根裂解氣的垂向輸送能力更強。白云凹陷北部LH19－1－1井含氣層的氣體同位素分析數據證實，熱成因甲烷（δ13C＞－30‰）已經在1 000m 的淺層出現［22］。這種特征一方面證實在相似的背景中，LW3－1井區中的大尺度斷層對深部地層熱成因氣體垂向疏導的也具有相似的有效性，即能夠將文昌組和恩平組的天然氣運移至淺部地層。

4 結論

1）神狐水合物鉆探區200m處表現為微生物成因氣體的特征，而LW3－1井區的淺部地層推測主要為熱成因氣體，分析認為，造成這種現象的原因很可能與這兩個區域內的流體運移效能相關，即神狐水合物鉆探區以溝通深部的氣煙囪＋上新世的正斷層作為流體的復合運移通道，輸送效能較差；而LW3－1井區以溝通深部的氣煙囪＋溝通深部的大尺度斷層作為流體的復合運移通道，更多的熱成因氣體能夠被輸送至淺部的地層之中。

2）在不同輸送條件下，來自深部的熱成因氣體在垂向運移過程中是否會發生同位素分餾，而輸送效能的差異是否會對同位素分餾造成影響，同位素分餾作用在水合物形成和聚集過程中發揮的作用，這些是值得進一步研究和思考的問題。

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