天然气水合物是二十一世纪新能源,我国南海北部陆坡是天然气水合物发育的理想场所,深入研究南海北部陆坡天然气水合物成藏机制和富集规律,为我国海洋天然气水合物资源勘探和开发提供重要的理论依据和指导,具有重要的经济和科学意义。其中气源条件既是天然气水合物形成发育的物质基础,又是天然气水合物成藏的关键。本论文依托国家“973”计划子课题《南海北部天然气水合物成藏的气源条件研究》(项目编号:2009CB21951)、国家自然科学基金项目《南海北部海底沉积层硫酸盐-甲烷体系产消机制及其界面(SMI)特征研究》(项目编号:40976035)和《天然气水合物成藏体系中产甲烷与甲烷厌氧氧化作用生物标志物和分子生物学研究》(项目编号:41276046)等项目,以南海北部珠江口盆地、台西南盆地、琼东南盆地为研究对象,选取天然气水合物潜在区神狐海域ZS-5,东沙海域ZD-2、ZD-3,台西南海域973-4、973-5、ZT-10浅表层沉积岩芯和六个表层样,以及珠江口盆地和琼东南盆地的深部烃源岩样品,进行沉积和有机地球化学特征研究。结合沉积环境特征及前人在南海北部获得的地质、地球物理和地球化学相关资料,阐明构造对南海北部沉积物发育过程的影响,查明各海域沉积有机质组成、分布特征和物质来源,分析研究区深部烃源岩热解气与浅层微生物成因气源条件,以及不同气源成因条件下沉积物的生物标志物特征,探讨生物标志物对天然气水合物的指示意义。主要得到以下几点认识:(1)南海北部琼东南盆地、珠江口盆地、台西南盆地先后经历了裂谷期、后裂谷热沉降期和新构造活动期三大阶段,发育有始新统湖相烃源岩、渐新统湖相、湖沼相及海陆过渡相烃源岩和中新统海相烃源岩三套烃源岩。新构造运动使得南海北部陆坡断褶带、滑塌构造、底辟构造等特殊局部构造环境和地质体发育,为深部烃类气体向浅部运移开辟了有利通道。(2)珠江口盆地珠二坳陷和珠三坳陷的文昌A凹陷为主要的产气凹陷,珠二坳陷的气源岩层为文昌组和恩平组I~II1型过成熟烃源岩和珠海组ІІІ型低—中等成熟烃源岩;文昌A凹陷的气源岩层为文昌组的高成熟—过成熟烃源岩。台西南盆地烃源岩均以产气为主,白垩系—下第三系埋藏深度在5000m之下,有过成熟烃趋势,主要烃源岩层为渐新统—下中新统III型成熟—高熟海相泥页岩和中生界侏罗系/下白垩统III型成熟—高成熟近海陆相泥岩。琼东南盆地中央坳陷带和北部坳陷带的崖北凹陷为主要的产气凹陷,其渐新统和中新统的腐殖型气源岩已进入高成熟及过成熟阶段,具有较好的生气潜力。此外,珠江口盆地、琼东南盆地和台西南盆地上中新统—上新统、第四系的海相沉积厚度达数千米,大多处于未成熟阶段,是较好的生物成因气源岩。(3)南海北部东沙海域ZD-2、ZD-3,神狐海域ZS-5,台西南海域973-4、973-5、ZT-10站位的平均沉积速率介于0.13~0.73m/ka,满足天然气水合物形成的沉积速率条件(大于3cm/ka),且东沙海域和台西南海域的沉积速率明显高于神狐海域。浅表层沉积物岩性主要为粉砂和黏土质粉砂,台西南海域的沉积物粒径相对较小。(4) 南海北部陆坡柱状沉积物有机碳含量为0.39~1.26%,一般均大于0.5%,与Blake Ridge地区沉积物相当,可为CO2还原产生甲烷提供较充足的有机质;ZD-3和973-4的有机碳含量比ZS-5相对较高,这与沉积速率和粒度大小的差异一致。有机碳同位素组成δ13C(PDB)为-26.94~-21.10‰,呈阶段式变化,氧同位素II和IV期相对于氧同位素I和III期δ13C偏重,是冷期陆源高等植物输入的比例有所降低所致。(5) 神狐海域ZS-5和东沙海域ZD-2、ZD-3柱状样沉积物中有机质为II2~III型,腐殖型(偏气型)。三个柱状样都具有较高的氧碳原子比,说明其具有丰富的陆源高等植物有机质来源,其富里酸和胡敏酸向干酪根的转化过程能为产甲烷菌提供大量CO2作为生物成因甲烷碳源。(6)南海北部浅表层沉积物中正构烷烃一般呈双峰—后峰高型分布,以n-C16~n-C20和n-C27~n-C31为中心,主峰碳分别为C18(或 C19)和C29 (或 C31)。短链烷烃在较慢的沉降过程中有明显损失,它们呈弱偶碳优势被认为主要源于海底微生物直接输入。指示陆源有机质来源的奇碳优势的长链烷烃在岩芯中的分布特征与气候变化一致。表层样中S-83接收了来自珠江口的大量陆源有机质,而其它站位的陆源有机质主要通过大气输送从而表现出受与陆地距离控制。沉积物中未成熟的藿烷生物标志物大量检出表明强烈的微生物活动以及细菌来源的有机质输入,其成熟度随埋藏深度有所升高。(7)南海北部浅表层沉积物中检出一系列脂肪酸甲酯化合物,其与研究区沉积物中脂肪酸的分布特征一致。本研究提出脂肪酸甲酯源于脂肪酸的甲酯化过程的假设,由甲烷氧化菌和产甲烷古菌等产生的甲醇为该过程提供甲氧基。研究区在氧同位素II期发生的天然气水合物分解过程甲烷释放可能通过增强甲烷厌氧氧化等细菌作用而加速脂肪酸甲酯化过程,从而使脂肪酸甲酯含量在氧同位素II期对应的层位ZD3-2(400~420 cm)和ZS5-2(241~291 cm)达到最大值。(8)珠三坳陷文昌组以II1型干酪根为主,TOC一般在1% ~ 5%,主要为藻类及细菌来源,C2920S/(20S+20R)与C29ββ/(ββ+αα)关系图表明为成熟或成熟—高成熟烃源岩,已部分进入裂解产气阶段;恩平组母质类型为II-III型,TOC 平均1.12%,主要为高等生物来源,以生气为主,生烃能力相对低于文昌组;珠海组为II-III型干酪根,TOC含量均小于1%,具有一定的生烃能力。恩平组指示陆源高等植物来源的C29规则甾烷含量相对于珠海组要高,这与由陆向海转变的沉积层序相一致。(9)末次冰期南海北部发生了天然气水合物失稳分解和甲烷释放,主要证据如下:①氧同位素II期底栖有孔虫碳同位素组成δ13C负偏(约-2‰);②脂肪酸甲酯相对含量在δ13C负偏的层位较高,这受甲烷释放通过加速生成作为酯化所需甲氧基的甲醇的影响;③规则八面体结构的草莓状黄铁矿集合体,以及管状和有孔虫外壳黄铁矿的出现;④东沙海域08CF7钻孔记录的沉积物磁化率异常;⑤贫13C同位素的冷泉碳酸盐岩的发现。此外,底栖有孔虫δ13C最小值对应于Bølling/Allerød暖期,这可能表明在间冰阶温度升高和因海平面下降引起的压力降低都对南海北部水合物分解产生影响。