珠江口盆地邻近粤港澳大湾区，北东-南西向长900 km，北西-南东向宽115～280 km，面积约20万m²，北部水深0～200 m，平均93 m，东南部水深300～2 919 m，平均832 m，是南海北部一个以新生界为主的大型沉积盆地，北接万山隆起区，西邻海南隆起区及琼东南盆地东部，东南与西沙东隆起相接^[11]。新生代之前古太平洋板块向欧亚板块俯冲，位于活动大陆边缘的珠江口盆地形成了古生界次生变质岩和中生界花岗岩混合基底以及北东向和北西向两组主要基岩断裂。早始新世太平洋板块的俯冲后撤，使盆地内的应力由NE-SW向的挤压状态转换成NW-SE的拉张状态，发生珠琼一幕运动；至中始新世末期，欧亚板块和印度板块碰撞，古南海板块向南俯冲，在南海北部引起南北向伸展，珠琼二幕运动开始；此后由于南海海盆打开，盆地进入裂后期，沉积相由陆相转变为海相 ^[12–17]。根据现存构造特征，盆地大致呈“南北分带、东西分块”的构造格局，自北向南依次为北部隆起带（北部断阶）、北部坳陷带（包括珠一凹陷和珠三凹陷）、中部隆起带（神狐隆起、番禺低隆起和东沙隆起）、中部坳陷带（珠二坳陷）、南部隆起带（南部隆起）和南部坳陷带（潮汕坳陷）等6个近北东向构造带和9个一级构造单元，其中大部分一级构造单元又可以进一步划分为东西走向上呈块状分布的凹陷、低隆起和凸起等二级构造单元^[18–20]（图1）。

图  1  珠江口盆地构造单元简图^[13-15]

Figure 1.  Structural of the Pearl River Mouth Basin^[13-15]

珠江口盆地坳陷区的新生界厚度为7 000～14 000 m，隆起区则为2 500～4 000 m，地层自下而上为古新世神狐组，始新世恩平组和文昌组，渐新世珠海组，中新世粤海组、韩江组和珠江组，上新世万山组及第四系 ^[14-15]（图2）。不同构造单元可能存在局部地层缺失，其中神狐组仅在局部断陷内有沉积。新生代盆地经历了3个主要构造演化阶段，在珠江口盆地分别形成了河湖盆、半封闭海及开阔海3个连续的沉积体系^[14]，河湖盆和半封闭海沉积贡献了盆地主要的烃源岩和储层，开阔海沉积时期则发育了盆地广阔的区域性盖层。此外，相变也形成了各类局部盖层和地层岩性圈闭 ^[18-19,21]，这为地质碳封存创造了条件。咸水层是一种矿化度较高且无法抽取利用的地下含水层，其渗透率和孔隙度较高，在陆相和海相沉积盆地深部有分布广泛的咸水层，上下被低渗透或不渗透的隔水层夹在中间。除局部油气藏外，珠江口盆地面积大，800～3 500 m深度范围内咸水层广泛发育，具有巨大的地质碳封存潜力。

图  2  珠江口盆地沉积地层柱状图^{[7,15,18-19,21]}

Figure 2.  Sedimento-stratigraphic histogram of the Pearl River Mouth Basin^{[7,15,18-19,21]}

晚中生代至新生代，珠江口盆地受伸展作用，构造形迹为张扭体系，只有局部伴随升降而产生挤压形迹^[22]。盆内断裂主要为基岩断裂，多以地堑、半地堑和地垒形式存在。由地震资料解释出的20多条较大断裂，多数切穿下第三系及中新统，少数断开中新统及第四系，基本为NEE-EW走向，NEE向断裂控制着坳陷的走向，而NWW-EW向断裂控制着坳陷和圈闭的分布，现今盆地内断裂活动较弱^[23]，因此，断裂对碳储存影响不大。

根据中国地震局编纂的《中国地震动参数区划图GB18306-2015》（2016）^[24]，珠江口盆地所在区域，除北部隆起带的基本地震动峰值加速度为0.2 g，其他构造单元均低于0.05 g，盆地内大部分地区地震活动稀疏且微弱，仅在北部隆起带发生过一次6级以上地震（M=6.75，1931年9月），由此可见盆地内地震作用强度非常弱，地壳稳定性好。

珠江口盆地作为碳封存的盖层主要为韩江组上部和珠海组上部两套区域性泥岩盖层，顶面平均埋深分别为1 179 和2 648 m，厚度分别为400～800、200～450 m，泥地比分别为70%～90%和57%～90%，均为海相泥岩，其中韩江组上部泥岩为主力盖层，可见盖层封闭性良好。袁玉松^[25]研究表明，南海北部深水区现今地温场具“热盆”特征, 且深水区比浅水区更“热”，主要包括珠江口盆地南部坳陷带，地温梯度为29.4～52.2 ℃/km, 平均为39.1±0.74 ℃/km；大地热流值为24.2～121 mW/m², 平均为77.5±14.8 mW/m²。南部坳陷带以北的地区，海底温度为2.5～15℃，平均为8.2℃^[26]，地温梯度为29～113℃/km，平均为42 ℃/km，大地热流值为59.0～81.0 mW/m²,平均为69.9 mW/m²，为次冷—次热盆地^[27–30]。盆地内新生代火山活动从早始新世到第四纪间歇性发生，多为酸性和中性火山碎屑岩，古近纪发育镁铁质和中性熔岩，新近纪和第四纪发育玄武质熔岩，这些火山活动通常规模较小且位于大型NW向断层附近^[31]，对碳储存影响不大。盆地内的油气田储层渗透率高、水量足、一次采收率高，因此一直未开展二次、三次采油。近年来如惠州21-1等许多老油田开发已到枯竭期，面临着含水率高的问题^[32-33]。由此可见，盆地内的水动力充足但由于断层不发育而无处排放，因此流动性差，油气不容易随水流逸散，且可以与储盖层配合形成水动力圈闭^[34]。刘雪雁等^[8]和彭佳龙等^[10]通过对珠江口盆地惠州21-1油田油气藏储层条件分析以及二氧化碳驱油（EOR）数值模拟认为，仅有少数局部盖层被气体突破，但未影响到储盖层的整体安全性。因此，盆地内类似于惠州21-1的油田构造具有较大EOR和碳封存潜力，将碳封存和EOR相结合对晚期油气藏开发及沿岸城市CO₂减排都具有重要意义。

自1990年以来，珠江口盆地共有50多个油气田投入生产，自1996年以来连续保持年油产量超过1000万m³，盆地500 m水深以浅区域，油气勘探开发程度高，总体处于油气藏开发中后期，部分油气田已临近枯竭。截止2019年，盆地内共有钻井499口，油气输送管网发达，开发工程数据详实，具有离周边工业区较近（具中等以上适宜性的碳封存区带距离粤港澳大湾区碳排放源150～250 km）、有效储集空间大、工程条件成熟等特点。另外，离岸碳封存相对于陆域碳封存，具有不干扰人口、农业和工业、对地下水没有损害等优点，上覆厚层海水不仅对碳埋藏具有保护作用，而且海底地质封存的压力管理过程比陆地地质封存相对容易，缺点在于基础设施和工程运营的成本相对较高。从整体出发，将CO₂储存在海底地质构造中技术更容易、安全性更高、环境风险更低^[35]。

受南海区域构造运动的影响，海平面的周期性变化在珠江口盆地不同地层形成了多套区域性盖层和大量局部盖层，沉积相的演变形成了包括三角洲、河道、低位扇砂岩及台地相、生物礁碳酸盐岩等碳储存空间。珠江口盆地储盖层较为丰富，主要有三套储盖组合^[7,36]。第一套储盖组合位于中新统中上部，韩江组砂岩为有利储层，厚度308～370 m，孔隙度15%～31%，渗透率1 732×10⁻³ μm²，砂地比49.9%～54.2%，韩江组上部和粤海组泥岩都可作为良好的盖层，其中韩江组上部泥岩为区域性盖层^[37]，渗透率为（0.002～0.2）×10⁻³ μm²，平均值小于0.02×10⁻³ μm²，珠一坳陷韩江组泥岩厚400～600 m，泥厚比为70%～80%，而珠二坳陷韩江组泥岩盖层则更佳，厚度增至700～800 m，泥地比增至80%～90%。第二套储盖组合由上渐新统珠海组浅海三角洲砂岩和上覆下中新统珠江组泥岩组成，珠海组海相地层中的厚层砂岩和深水扇砂岩的孔隙度为10%～16%，渗透率为(4～85)×10⁻³ μm²，已发现8 m和4 m厚的油藏，是很好的储层。上部沉积了巨厚的海侵泥岩，突破压力值在2～10 MPa之间，封闭能力强，为区域性盖层，在盆地各单元的泥厚比为57%～90%。第三套储盖组合为始新统陆相砂岩储层、泥岩盖层以及始新统以上的所有盖层，其中文昌组泥岩为局部盖层，主要分布于珠三坳陷，泥厚比为42%～75%，厚度为191～655 m，但由于该套储盖组合埋藏深度远超经济埋藏深度上限3500 m，因此一般不作考虑。珠江口盆地还存在部分中新统碳酸盐岩储层，主要分布在东沙隆起，平均孔隙度为9%～28%，平均渗透率为（7～1 365）×10⁻³ μm²。

前人对珠江口盆地不同级别碳封存潜力做过详细的计算和评价。其中碳封存预测潜力（E级）评价以单个沉积盆地为评价单元，包括深部咸水层、油气田和煤田等储存介质的预测潜力，所需数据量和精度相对较低，主要工作包括对各沉积盆地内800～3 500 m深度地层内各主要储层和盖层进行高度概化，对区域盖层以下的咸水层赋予恰当的比例，使用盆地内不同位置的一些代表性勘探井或孔获得的潜力评价参数取平均值，如储层渗透率、孔隙度、盐度、地层压力、温度等，对主要油气田和煤田等的潜力评价参数则分别取相应资源范围内的平均值。郭建强等^[36]主要利用来自《中国含油气盆地图集（第二版）》、《中国海域含油气盆地图集》以及国土资源部油气资源战略研究中心编著的新一轮全国油气资源评价系列丛书之一《全国石油天然气评价》的数据，对我国陆域和海域主要盆地进行了区域级和盆地级碳封存潜力评价^[38]。评价结果显示，珠江口盆地的碳封存预测潜力（E级）为308 Gt，单位面积储存潜力为152×10⁴ t/km²，储存条件较好^[23]。据Di等^[7]的研究，珠江口盆地深部咸水层有效储存容量估计约为308 Gt（1Gt=1×10⁹ t），其中包括0.06 Gt的油气田有效储存容量，同时认为油气田碳封存容量虽然相比盆地总容量十分微小，但研究程度非常高，且已有较多学者对部分油气藏储层进行过详细的数值模拟，可作为碳封存示范工程选址。根据中国地质调查局水文地质环境地质调查中心做出的全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程总成果报告^[38]，珠江口盆地内具有中等以上碳封存适宜性的单元珠一坳陷、珠三坳陷、珠二坳陷和东沙隆起的推定潜力（D级）分别为1 030×10⁸、153×10⁸、466×10⁸、417×10⁸ t（表1），共计2 066×10⁸ t，面积分别为4×10⁴、3.6×10⁴、3×10⁴、3×10⁴ km^2[39-42]，单位面积D级推定潜力分别为257.5×10⁴、42.5×10⁴、155.3×10⁴、139.0×10⁴ t。

根据郭建强^[36,38] 、霍传林^[43]碳封存适宜性评价采用的参数和方法，结合珠江口盆地的地质条件和工程条件，本文建立了珠江口盆地碳封存适宜性评价的指标体系（表1），主要分为地质安全性、储层规模、经济适宜性和社会环境风险3个一级指标。其中，地质安全性分为区域地壳稳定性、区域性盖层特征、地热地质条件3个二级指标以及14个三级指标；储层规模分为储层属性和储存潜力2个二级指标以及13个三级指标，经济适宜性和社会环境风险分为8个二级指标。分析结果显示（表1、图3），珠一坳陷、珠三坳陷、珠二坳陷、东沙隆起的多数地质指标被评价为适宜或较适宜，少数指标评价为一般适宜，极少数指标被评价为较不适宜或不适宜，总体认为珠江口盆地中的珠一坳陷、珠三坳陷、珠二坳陷、东沙隆起具有良好的碳封存适宜性。

图  3  珠江口盆地碳源、碳封存潜力及适宜性综合评价图^[7,9,23,25]

Figure 3.  Comprehensive assessment of carbon source, and carbon sequestration potential and suitability of the Pearl River Mouth Basin ^[7,9,23,25]

珠江口盆地北部沿岸的广东省、海南省、香港和澳门等4大地区的CO₂排放源与盆地碳封存区构成良好的源汇匹配关系。根据《IPCC国家温室气体清单指南》，中国碳核算数据库（CEADs）利用中国统计局最新能源消耗数据以及各行业产能，结合研究所得的碳排放因子—各行业能源消耗量或产能与碳排放量的倍率，计算得出了中国省级和地市级按行业分配的碳排放清单^[1–4]。利用该清单编制粤港澳琼四地区碳排放量柱状趋势图（图4），从图中可以看出，四地区的碳排放量逐年上升， 1997—2011年碳排放量上升较快，平均增长率为8.07%，2011—2019年上升放缓，平均增长率为2.35%，可能因为2010年11月正值“十一五规划”期末，我国制定了“十二五”节能降碳目标—五年内实现单位GDP能耗下降18%、二氧化碳排放强度降低19.5%。至2019年，四地区的碳排放总量已达到673.85 Mt（1 Mt=1×10⁶ t），其中广东省为585.81 Mt，占比87%，是珠江口盆地面对的最大碳排放源，香港澳门和海南分别占比6%和7%，其中最靠近珠江口盆地、最具有碳封存经济性和可操作性的粤港澳大湾区（包括香港特别行政区、澳门特别行政区和广东省广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市、肇庆市）及海南两地区的碳排放量为412.68 Mt，占总量的68%。一方面是由于广东省的人口和面积基数及产业规模都比其他三地区大，需要更多的能源供应，其中火电厂所产生的电能是最大的消耗能源，另外广东省以电子信息产品制造业为主要产业，虽然不是高碳排放产业，但是与海南和澳门的旅游业及酒店业、香港的金融业及房地产业相比，其能源消耗量更大，因此带来的碳排放量相对较高一些。WANG等^[6]测量了2009—2016年中国6个地点大气中CO₂的摩尔分数，并估算出中国陆地生物圈的平均碳汇为−1.11±0.38 pg/a，相当于此期间陆地生物圈年固碳量占人为年碳排放量的45%，植被覆盖量不同的城市其固碳量在平均水平上下浮动。李晓江等^[5]研究得出粤港澳大湾区植被固碳量约占碳排放量的47%，而海南旅游业较为发达，植被覆盖率较高而且碳排放量较低，因此可用47%的平均固碳量来大致估算珠江口盆地碳源粤港澳大湾区及海南四地的碳赤字为53%（约218.72 Mt）。

图  4  粤港澳琼四地区年碳排放总量变化趋势图

Figure 4.  The variation trend of total annual carbon emissions in Guangdong, Hong Kong, Macao, and Hainan

据周泽兴^[44]研究，从技术和成本上分析，二氧化碳的捕集非常适用于规模较大且排放集中的碳排放源，如火力发电厂、水泥厂、钢铁企业等。白冰等^[9]收集了中国30个省（香港、澳门、台湾和西藏除外）1998至2004年火电、水泥、钢铁、炼油、乙烯、合成氨、环氧乙烷、氢等八类主要碳排放工业源的排放数据，结果显示火电、水泥和钢铁三类企业是最大的碳排放源，在八类工业源的年碳排放构成中占比较为稳定，平均为91%，三类企业的碳排放总量年平均增长率为9.7%，贡献了我国碳排放总量增长的绝大部分，三类企业中的大多数是大规模（CO₂年排放量＞0.1 Mt）、高浓度（烟道气中CO₂浓度＞95%）排放源，主要密集分布在东南沿海地区（图3）。

根据2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标要求，即至2030年我国碳排放总量到达峰值不再增长，至2060年我国向大气中排放的二氧化碳量，除去植物固碳量，其余部分可以完全封存于地质体中。根据白冰等^[9]的碳排放量企业中分布情况，结合CEADs的数据，计算得出2019年粤港澳琼四地区的火电、水泥和钢铁企业的年碳排放量约为606.5 Mt，且广东省的大规模碳排放点源主要分布在粤港澳大湾区（图3）。初步估计，只需将来自粤港澳大湾区和海南的火力发电厂、水泥厂及钢铁厂中58.24%的CO₂（218.70 Mt）封存于珠江口盆地，则粤港澳大湾区和海南的总碳赤字降为零，从而达到碳中和，而当其封存量达到98.69%（370.62 Mt）时，则粤港澳琼4个省级行政区均达到碳中和（图5）。

图  5  粤港澳琼四省碳排放和碳赤字柱状图

Figure 5.  Histogram of carbon emissions and carbon deficit in Guangdong, Hong Kong, Macao, and Hainan

（1）从地质安全性、盆地碳封存潜力、经济适宜性及社会环境风险4个方面综合评估认为，珠一坳陷和珠三坳陷为碳封存适宜区带，珠二坳陷为较适宜区带，东沙隆起为一般适宜区带，其他区域为较不适宜和不适宜区带。

（2）珠江口盆地沿岸碳源主要为粤港澳琼4个省级行政区的碳排放，主要分布在围绕珠江口的粤港澳大湾区，以火电厂、水泥厂和钢铁厂三类企业碳排放占比最高，达92%。从可操作性和经济成本上考虑，此三类企业是高浓度、大规模排放源，非常适合进行碳捕集、封存或利用，因此可作为珠江口盆地的主要碳封存目标。

（3）粤港澳琼4个省级行政区的碳排放与珠江口盆地碳封存区构成良好的源汇匹配关系。粤港澳琼四地区碳源2019年的总碳排放量为673.85 Mt，总碳赤字为370.62 Mt。只需将大湾区及海南的大规模碳排放点源碳排放量的98.69%封存到珠江口盆地，即可使粤港澳琼四地区达到碳中和。