本文研究区位于南海北部珠江口盆地东部海域，主体位于台西南盆地的中部隆起区附近(图 1A)，水深从600m逐渐加深到2100m以上，水深线大致走向与海岸线平行。钻探区海底地形地貌比较复杂，坡度变化大，上陆坡陡，下陆坡缓(图 1B)。海底地形由西北向东南倾斜，在西北部陆架转折带及上陆坡附近，海底地形及坡度变化较大，往东南部，水深缓慢增加，地形变化相对平缓。海底地貌形态可大致划分出海底峡谷、陆坡海丘和海底斜坡等三级地貌单元。发育了平缓的逐级下降的台阶地形和起伏幅度甚大的陡坡、台地、冲蚀沟谷、海丘、海谷、冲刷沟槽、滑塌体、海山等次级类型地貌^{[11, 12, 14, 15]}。

图  1  珠江口盆地东部海域水合物钻探区位置(A)及海底地貌图与钻探站位分布(B)

Figure 1.  Distribution of gas hydrate drilling area in the eastern Pearl River Mouth Basin(A), submarine geomorphology features and the locations of drilling sites(B)

研究区与南海北部陆缘具有类似的典型的断陷裂谷和坳陷沉降双层结构^{[16, 17]}，从下至上依次发育陆相、海陆过渡相或海相沉积层序，且总体呈海进趋势^[17]。古新世—早渐新世为陆相沉积; 早始新世以湖相泥岩夹簿层砂岩与粉砂岩沉积为主; 晚始新世—早渐新世以平原河流相、沼泽相及湖相砂泥岩互层沉积为主; 晚渐新世—早中新世以海陆交互相和海相碎屑岩沉积为主，局部发育碳酸盐岩台地和生物礁，其上覆盖泥岩; 中中新世以后，在南海北部陆缘区从北向南水深逐步增大，依次为滨海－浅海－半深海－深海碎屑岩沉积。

2013年，广州海洋地质调查局首次在研究区实施了水合物钻探航次(GMGS2航次)，共获得13个站位的测井资料^{[11, 12]}，综合解释研究发现，其中8个站位有明显的水合物赋存指示(图 2)。根据研究需要，在GMGS2-05、07、08、09和16等5个站位，制备了顶空气样品、开展了保压取心和现场测试分析工作。5个站位均获得了水合物样品，以块状、层状、脉状、结核状及分散状等多种形式赋存^{[11, 12]}。从研究区的地质、地球物理、地球化学、钻探等资料分析，认为该区水合物资源前景良好，分布范围大，浅、中、深地层(约在海底以下十几米，几十米至一、二百米)均有分散型、渗漏型水合物赋存，水合物层厚度大(最大可达32m); 水合物分解的气体成份以甲烷为主，分散型水合物饱和度高(最高超过50%)。对于研究区的水合物成藏条件、产出、分布特征及成藏机制等，前人已做过初步分析研究^{[15, 18, 19]}，但对于水合物气体组成、成因类型及气源岩等方面尚未见有深入系统的研究。本文利用GMGS2航次获取的水合物气体样品，系统分析、探讨了水合物的气体组分及成因类型，并利用数值模拟手段推测水合物气源岩及气体的生成和运聚特征。研究结果对该区水合物成藏机制及水合物资源评价等有重要参考价值。

图  2  珠江口盆地东部海域天然气水合物层分布及产出特征

Figure 2.  Distribution and geological occurrence of gas hydrate in the eastern Pearl River Mouth Basin

对5个钻探站位的13个目标层段进行保压取心并对样品进行气体组成分析(表 1)，其中在11个目标层段收集了PCTs系统释放压力时水合物分解产生的气体，后续在岸基地实验室开展了气体样品测试。由于水合物分解气体组分和稳定同位素特征能够反映形成水合物的气体来源和成因，因此，对获取的气体样品主要进行碳、氢稳定同位素值测定。测试仪器为气相色谱-质谱联用仪(GC-IR-MS)，甲烷碳同位素(δ¹³C₁)及氢同位素(δDC₁)的标准误差均小于0.2‰。各层段气体组成和稳定同位素分析结果见表 1。由于研究区沉积物中游离甲烷浓度高和水合物分解等原因，获取的岩心大量出现气胀裂隙，现场对这些裂隙中的气体也进行了收集和组成分析。另外，由于岩心释放气在收集过程中混入了大量空气，认为其N₂、O₂和CO₂含量值是不可靠的，故本文只利用其中不受混入空气影响的甲烷/乙烷值进行气体成因探讨。

数值模拟方法是有效开展水合物气体运聚成藏过程研究的有效方法。斯伦贝谢公司开发的PetroMod含油气系统数值模拟软件通过综合地球物理、地质、地球化学及测井、录井等多学科数据，可以模拟水合物温压稳定域、烃源岩生烃演化、油气运移疏导及水合物富集成藏的整个过程，尤其是可以直观展现出水合物气源岩生烃热演化及运移疏导方式和路径。针对水合物成藏系统中气源研究，PetroMod软件不仅可以模拟常规油气之热解成因气对水合物成藏的贡献，还可以模拟浅层生物气生成，聚集及其对水合物成藏的贡献。本文优选珠江口盆地东部海域水合物钻探区准三维地震剖面，利用PetroMod数值模拟软件开展生物甲烷产气模拟及气体势演化模拟，以分析钻探区水合物气源岩分布、产气能力及其运移特征。

GMGS2-05-1经证实并非水合物分布层段，在释放压力收集气体过程中混入了大量空气，其甲烷百分含量为71.3%，未检出乙烷。

GMGS2-08站位沉积物中发育有两层水合物，浅部的脉状水合物层分布于14.1~17.5mbsf，较深的块状水合物层分布于67.3~93.6mbsf; 浅部脉状水合物层的水合物甲烷百分含量大于99.4%，并且甲烷/乙烷值为2073~3223，同时其甲烷δ¹³C值为-70.7‰~-69.9‰; 较深块状水合物层的水合物释放压力所收集气体的组成与浅部脉状水合物类似，甲烷占绝对优势，甲烷/乙烷值大于1700，同时具有极为偏轻的甲烷稳定碳同位素值。

GMGS2-09站位的浅部水合物产出层段未能成功进行保压取心，但利用非保压取样在29mbsf层段(GMGS2-09-1)获取了结核状水合物样品，其分解气进行了气体组成分析，结果表明甲烷百分含量为99.6%，甲烷/乙烷值为2638。

GMGS2-16站位沉积物中发育有两层水合物，浅部的脉状水合物层分布于15~30mbsf，较深的块状水合物层分布于189~225mbsf; 浅部脉状水合物层18mbsf层段保压成功，该段水合物甲烷百分含量为98.7%，甲烷/乙烷值为3182，同时其甲烷δ¹³C值为-71.2‰; 较深部的分散型水合物在释压时收集气体的组成与浅部脉状水合物类似，甲烷δ¹³C值为-68.4‰~-69.4‰，甲烷/乙烷值为3327~5424，同时具有极为偏轻的甲烷稳定碳同位素值。

该站位仅有2个层段进行了取心，甲烷含量总体上随深度增加有明显的增加，56.3mbsf处甲烷含量为0.4mmol/L，在202.47mbsf达到13.1mmol/L，顶空气由于富集吸附气体的总量有限，并未检出乙烷。这2个层段的岩心释放气中都检出了极少量的乙烷，甲烷/乙烷值为22878~65280，烃类气体中甲烷占绝对优势(图 3A)。

图  3  珠江口盆地东部水合物钻探站位顶空气甲烷含量及岩心释放气C₁/C₂值纵向分布特征

Figure 3.  Methane concentration of headspace gases and the C₁/C₂ ratio of void gases in the drilling sites of eastern Pearl River Mouth Basin

该站位仅有3个层段进行了取心，顶空气甲烷含量在天然气水合物层(50.17mbsf附近)有明显的升高，达到24.5mmol/L; 20mbsf以下的层段顶空气甲烷含量均大于10.5mmol/L; 顶空气由于富集吸附气体的总量有限，并未检出乙烷。这3个层段的岩心释放气中都检出了极少量的乙烷，甲烷/乙烷值为3300~6364，烃类气体中甲烷占绝对优势(图 3B)。

该站位顶空气甲烷含量总体上为0.1~39.3mmol/L，呈现出随深度增加逐渐增加的趋势，极大值出现的层段由浅至深依次为15、58.67和82.65mbsf，分别对应该站位3个层段的天然气水合物层; 顶空气由于富集吸附气体的总量有限，并未检出乙烷。这3个层段的岩心释放气中都检出了极少量的乙烷，甲烷/乙烷值为2171~3418，烃类气体中甲烷占绝对优势(图 3C)。

该站位顶空气甲烷含量总体上为3.9~12.0mmol/L，同样呈现出随深度增加逐渐增加的趋势; 在9~17mbsf层段结核状、脉状水合物层顶空气含量为3.9mmol/L，在99~104mbsf层段则达到12.0mmol/L的高值; 顶空气由于富集吸附气体的总量有限，并未检出乙烷。这2个层段的岩心释放气中都检出了极少量的乙烷，甲烷/乙烷值为1408~6183，烃类气体中甲烷占绝对优势(图 3D)。

该站位顶空气甲烷含量总体上为0.3~15.5mmol/L，2个水合物赋存层段附近顶空气甲烷含量出现极大值，其在15.4~23.7mbsf层段结核状、脉状水合物层达到极大值15.5mmol/L，在196.7~213.6mbsf层段则达到极大值7.8mmol/L; 顶空气由于富集吸附气体的总量有限，并未检出乙烷。这2个层段的岩心释放气中都检出了极少量的乙烷，甲烷/乙烷值为2463~81939，烃类气体中甲烷占绝对优势(图 3E)。

形成水合物的气体来源对于钻探区乃至整个珠江口盆地东部海域的水合物前景至关重要。南海北部陆坡海域浅层水合物气体成因一般分为生物成因气和热成因气^[20-22]; 生物成因甲烷按形成方式可划分为CO₂还原和醋酸根发酵^[23]两种。

生物成因气通常与热成因气在气体组分上有较明显区别。生物成因气以甲烷占绝对优势，通常C₁/(C₂+C₃)>1000;而热成因气中除含有较高含量的甲烷气体外，通常还混有较高(相较于生物气)含量的乙烷等以上的重烃^{[24, 25]}，通常C₁/(C₂+C₃)＜1000。另外，不同成因的天然气在稳定同位素特征上也会留下截然不同的记录。研究表明，若甲烷碳同位素值δ¹³C < -55‰(或-60‰)则表明为生物成因气^{[26, 27]}; 若甲烷碳同位素值δ¹³C>-50‰，则表明为热成因气^{[26, 27]}; 介于两者之间则为混合成因气。同时，利用δ¹³C₁和δD的关系图还可以区分生物成因甲烷气的形成方式是CO₂还原还是醋酸根发酵^[26]。据此，通常利用水合物分解气的C₁/(C₂+C₃)比值和甲烷的δ¹³C同位素组成可较准确地判断气体成因类型(图 4)。

图  4  珠江口盆地东部海域天然气水合物分解气成因类型判识

Figure 4.  Origin of hydrate gas in the eastern Pearl River Mouth Basin

测试分析结果表明，研究区水合物气体组分中甲烷含量(>98%)占绝对优势，C₁/(C₂+C₃)>1400。在C₁/(C₂+C₃)-δ¹³C₁成因判识图上，GMGS2-08站位和GMGS2-16站位所有水合物层段的水合物分解气样品都处在生物成因气的范围内(图 4A)。在δ¹³C₁-δD成因判识图上，以上两个站位所有水合物层段的水合物分解气样品也都处在生物成因甲烷(CO₂还原)范围内(图 4B)。从图上还可以看出，研究区水合物气体与神狐海域及世界典型水合物产出区Blake Ridge的水合物气体类似^[28]，均为CO₂还原形成的生物成因甲烷气; 与墨西哥湾热成因水合物气体则存在明显差异^[29]，与珠江口盆地常规油气田LW3-1-1气田天然气成因类型也明显不同。

根据GMGS2-08、GMGS2-16两个站位的测试分析结果，结合GMGS2-08站位水合物的产出形态(浅层为脉状，70mbsf以下为块状)，GMGS2-16站位水合物的产出形态(浅层为结核状、脉状，200mbsf以下为分散型)，判断其气体组分以CO₂还原形成的生物成因甲烷为主; 同时，气体成因类型与水合物产出状态没有直接关系，即上部渗漏型水合物与下部分散型水合物气体成因相同。综合考虑珠江口盆地油气地质特征及水合物成藏地质、地化特征^[30]，认为研究区水合物气源与深部油气藏关系不大。

研究区所处珠江口盆地东部海域晚中新世、上新世—第四纪以浅海—半深海和深海沉积为主，发育等深流、扇三角洲相、斜坡扇相及滑塌重力流沉积。沉积物以泥岩为主，大部分地区泥岩达到80%以上，砂岩含量仅为10%~25%^[31]。上新世以来的沉积厚度为200~500m，最厚处超过1500m;上中新统厚度一般为100~200m，局部超过500m。与研究区东北部紧邻的台西南盆地的渐新统浅海相/半深海相泥岩有机质部分尚未进入成熟门槛，故其渐新统及其上覆新近系及第四系海相泥岩，均可作为该区生物气/亚生物气的烃源岩^[32]。同时，研究区发育的三角洲、浅海及深水碎屑岩也是生物气形成和聚集的有利沉积相带之一。

此外，与研究区紧邻的东沙HD319、HD169A、GC10等站位取到的第四纪浅表层沉积物有机地球化学分析表明，其有机质丰度较高。其中，HD319站位，水深1730m，37个样品的总有机碳含量最小值为0.62%，最大值达1.13%，平均值为0.76%;HD169A站位，水深2420m，38个样品总有机碳含量最小值为0.71%，最大值达1.91%，平均值为1.08%;GC10站位，水深3008m，56个样品总有机碳含量最小值为0.42%，最大值达1.74%，平均值为0.81%^[33]。

笔者前期通过数值模拟研究发现^[15]，研究区新生代地层热演化程度较低，新近纪地层沉积有机质现今仍处于未成熟阶段，可作为生物气气源岩。另外，广州海洋地质调查局勘查研究发现，该区上新统有机碳含量约为0.46%，干酪根类型为Ⅲ型，镜煤反射率为0.33%~0.68%，与其他源岩相比，该地层有机碳含量相对较低，尚处在未成熟阶段，但由于其厚度大，可能成为生物成因气的主要源岩。

综合分析认为，研究区具备生成生物气的有利沉积相带，而且具有较大的沉积厚度，有机质含量较高，热成熟度较低，为生物气的大量形成提供了物质保证，也为水合物的富集成藏提供了气源保障。

利用研究区地震剖面进行生物甲烷产气数值模拟，结果表明该区域气体主要以生物甲烷气为主，且主要产气区域位于1000m以内的浅地层中(图 5)。甲烷气体势演化模拟表明，盆地中心气体势高而边缘气体势低，流体总体表现为压实流特征，以盆地中心向盆地边缘侧向流动为主，深部流体向浅部流体运移为次(图 6)。盆地中心部位流体流速相对较小，而北部陆架和陆坡区由于上新世以来沉积速率很大，压实作用导致流体流速很大。流体流速在南侧深水盆地边缘相对较小。剖面浅层由北至南气体势呈阶梯增加，有利于携带浅层微生物气向上陆坡运移至稳定域聚集成藏。

图  5  研究区现今生物甲烷产气模拟

Figure 5.  Modern biogenic methane production modeling results for the study area

图  6  研究区现今甲烷气势模拟

Figure 6.  Modeling results of modern methane potential in the study area

基于数值模拟结果，综合分析认为，研究区气源主要是海底以下1000m以内浅地层产生的生物成因甲烷气，可能部分来自深部的热成因甲烷气，这些气体在浅层以侧向运移为主，当气体运移至稳定域时，便可以在构造或沉积有利相带富集形成水合物矿藏。

(1) 研究区水合物样品气体组分以甲烷为主，含有微量的乙烷; 根据测试分析结果，按照C₁/(C₂+ C₃)-δ¹³C₁及δ¹³C₁-δD成因判识图，认为研究区水合物样品分解气均属于CO₂还原形成的生物成因气。

(2) 研究区发育块状、层状、脉状、结核状及分散状等多种形式的渗漏型与分散型水合物，气体来源均为生物成因气，水合物产出状态与气体成因类型没有直接关系，且水合物气源与深部油气藏关系不大。

(3) 研究区水合物气体成因与神狐海域及布莱克海台的水合物气体类似，均为CO₂还原形成的生物成因气; 与墨西哥湾热成因水合物气体差异明显，与珠江口盆地常规油气田LW3-1-1气田天然气成因类型也明显不同。

(4) 研究区具备生成生物气的有利沉积相带，且沉积厚度较大，有机质含量较高，热成熟度较低，为生物气的大量形成提供了物质保证，也为水合物的富集成藏提供了气源保障。

(5) 生物甲烷产气数值模拟表明，研究区气源主要是海底以下1000m以内浅地层产生的生物成因甲烷气，可能部分来自深部的热成因甲烷气，这些气体在浅层以侧向运移为主，当气体运移至稳定域时，便可在构造或沉积有利相带形成水合物矿藏。