初步统计表明, 南海现代珊瑚礁的面积约8 000 km², 但珊瑚礁为主构成的碳酸盐台地的面积要大得多, 这正如山顶与山脚的关系^[1]。珊瑚礁生态现状的综合分析^[2]显示, 过去50多年来南海珊瑚礁处于急剧退化之中, 如南海北部大亚湾海区活珊瑚覆盖度从1983/84年的76.6%下降到2008年的15.3%; 海南三亚鹿回头岸礁活珊瑚覆盖度从1960年的80%~90%下降到2009年的12%; 西沙群岛永兴岛的活珊瑚覆盖度从1980年的90%下降到2008— 2009年的约10%(图1), 直接威胁着南海的生态安全。南海珊瑚礁的退化主要是由于加剧的人类活动的影响所致, 如海南三亚鹿回头珊瑚礁1960s以来先后经历了礁石挖掘、破坏性捕捞、海上养殖、海岸工程建设和潜水旅游等几个阶段, 现在的珊瑚礁生态分带明显简化, 回到了珊瑚礁群落演替的早期阶段^[3]。南海南部的南沙群岛, 人类活动的直接影响相对较小, 依据2007年南沙群岛对渚碧礁和美济礁的调查, 共记录了13科40属120种造礁珊瑚, 以枝状和块状为主要的珊瑚形态, 活珊瑚覆盖度介于10%~50%, 平均为21%, 总体处于相对健康的状态^[4]。我国已逐渐意识到南海珊瑚礁的脆弱性和重要性, 并正在实施一些关于珊瑚礁生态现状的调查和研究, 将为珊瑚礁的保护和管理提供依据。如国家重大科学研究计划项目“ 南海珊瑚礁对多尺度热带海洋环境变化的响应、记录与适应对策研究” 即在2013年组织队伍对西沙群岛的永乐环礁进行了系统调查, 预期将提供新的信息。

图1

Figure 1.

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	图1 南海北部珊瑚礁活珊瑚覆盖度的动态变化过程 (据文献[2]修改)Figure 1. The long-term variation of the live coral covers in the northern South China Sea (modified from reference [2])

虽然退化的幅度低于南海, 但世界范围内珊瑚礁在过去几十年来严重衰退也是不争的事实, 如从大范围来看, 从1980s早期到2003年, 印度— 太平洋珊瑚礁区的活珊瑚覆盖度从42.5%减少到22.1%^[5], 加勒比海珊瑚礁区在1977— 2001年间活珊瑚覆盖度从约50%下降到~10%^[6], 澳大利亚大堡礁的活珊瑚覆盖度在1960— 2003年间从约50%下降到约20%^[7]。活珊瑚覆盖度的下降直接影响到珊瑚礁生态系统功能的发挥, 如一般珊瑚礁区活珊瑚覆盖度降低约10%, 则鱼的种类减少会达62%之多^[8]。全球变暖、海洋酸化以及加剧的人类活动影响是世界范围内珊瑚礁退化的主要原因, 因为高温导致珊瑚白化(指珊瑚失去共生的虫黄藻, 或珊瑚共生虫黄藻失去色素, 而使珊瑚从五彩缤纷的健康状况变成白色的生态现象); 而酸化则降低珊瑚的钙化率, 如对取自澳大利亚大堡礁2 000 km范围内69个礁体共328个珊瑚样品的集成研究显示, 1990年以来钙化率下降了14.2%, 这种下降幅度是过去400年来未曾出现过的现象^[9]。

南海的珊瑚钙化率尚没有发现类似于大堡礁的明显下降趋势, 但珊瑚骨骼的硼同位素研究结果显示, 过去160年来海水pH值下降(酸化)明显, 其中1840— 1950年pH值的年平均下降速率为-0.0011 ± 0.0003; 而1950— 2001年的下降速率加倍, 达到-0.0029 ± 0.0013^{[10, 11]}, 这将不可避免地对珊瑚礁生态系统的钙化产生重要影响。距今1000年前后的中世纪暖期, 普遍认为是一个温暖期, 但AD 1048— 1079的珊瑚硼同位素记录显示其海水pH值与AD 1830— 1870年间相当, 都处在8.1~8.2的高值阶段。工业革命以来南海珊瑚礁区海水pH值的变化同大气二氧化碳含量变化完全耦合, 表明南海确实大量吸收了大气二氧化碳, 正在变酸。进一步分析揭示, 大气二氧化碳控制着南海海水酸碱度的长尺度变化, 而亚洲冬季风强度则在年代际尺度上调节海水pH值呈现0.1~0.2的大幅波动。当冬季风偏弱时, 珊瑚钙化和珊瑚礁生态系统的呼吸作用加强导致海表水CO₂堆积, 海水pH值下降; 反之, 冬季风偏强, 珊瑚礁区海水同开放海域海水的交换、初级生产力加强, 导致海水CO₂含量下降, 海水pH值上升。

珊瑚骨骼硼同位素对海水pH值状况的记录是近年来我国在珊瑚高分辨率环境记录中的新进展^{[10, 11, 12]}, 珊瑚Sr/Ca与δ ¹⁸O的组合研究揭示降雨量在不同时期的季节性变化^[13]、珊瑚骨骼¹⁴C异常记录的彗星活动及其对大气¹⁴C含量变化的影响等也是最近的新发现^[14], 以往我国曾经较多地利用珊瑚地球化学指标研究高分辨率的海面温度、强风暴、海平面和气候事件等^[2]。此外, 在珊瑚生长率方面也进行了一些新探索, 如利用西沙群岛不同时期生长的珊瑚生长率进行定量重建了中晚全新世多个特征时段的SST, 揭示5.5~1.9 ka BP西沙海域SST总体上呈下降趋势, 并受东亚夏季风强度所调控^[15]。另外获得了距今(2013 AD)4.7~3.5 ka连续的珊瑚生长率序列, 这是迄今国际上连续时间最长的珊瑚生长率序列, 为高分辨率地揭示这1200年的环境过程奠定了重要的材料基础。生长率序列的初步分析显示, 4.7~3.5 ka BP 期间ENSO活动呈现明显的阶段性, 如在3.52~3.75、4.2~4.3以及4.4~4.7 ka BP非常活跃等^[16]。

保护珊瑚礁是国际共识, 我国实际上也非常重视珊瑚礁的保护和管理, 如建立了一系列关于珊瑚礁的国家自然保护区或国家公园等。但南海珊瑚礁作为我国国防前哨的实际依托和我国渔民在南海进行生产的防风避浪场所, 在南海珊瑚礁区进行工程建设将很可能无法避免。事实上, 南海周边国家包括越南和菲律宾等已经在我国南沙群岛的珊瑚礁上非法修建了不少工程设施; 我国则在南沙群岛的永暑礁等建立了海洋气象观测站等设施、在西沙群岛的永兴岛上建立了飞机场和三沙市的首府等, 这些岛、礁都由珊瑚礁组成。为此, 我国也开展了珊瑚礁区的工程地质研究, 希望能够结合珊瑚礁生态的脆弱性进行合理规划、减少破坏, 提倡“ 绿色工程” 的理念。

地质钻探和地球物理等的研究显示, 南海珊瑚环礁厚逾千米, 其结构总体来说是稳定的。从地层结构上看, 现代珊瑚礁层(约20 m厚)以下的晚更新世以前发育的珊瑚礁, 都发生了成岩作用。顶层近20 m厚的现代珊瑚礁层没有发生真正意义上的成岩作用, 但其外礁坪因为珊瑚藻的强粘结作用, 形成自澙湖中心向外礁坪松散层逐渐减薄的特征, 而固结层则逐渐加厚、增宽的 “ 岩盆结构” (图2), 为各类工程设施提供了稳定的基底^{[1, 17, 18]}。环礁是南海珊瑚礁最主要的类型, 自环礁外缘向中心大体可分为礁前斜坡、礁坪、澙湖坡和澙湖盆底等4个生物地貌— 沉积带, 相应地也可被认为是4个工程地质带^[1]。有些环礁的礁坪上发育了灰砂岛, 其上可进一步发育植被和淡水透镜体, 周缘可发育海滩岩, 对于稳定灰砂岛有重要作用。密度和胶结度是控制海滩岩强度的主要参数, 单轴抗压强度随着密度及胶结度的增加而明显升高, 孔隙率及颗粒粒径对单轴抗压强度的影响不明显^[19]。

图2

Fig. 2

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	图2 南海珊瑚环礁礁顶的岩盆结构示意图(据文献[18]修改)Fig. 2 The rocky basin structure of coral reef atolls in the South China Sea (modified from reference [18])

室内生态模拟结果显示, 枝状珊瑚对环境的变化最为敏感, 对极端环境的适应能力最弱, 而块状珊瑚对环境变化的适应能力最强, 片状珊瑚介于二者之间^[20]; 野外珊瑚共生虫黄藻密度的研究也支持这一结论^[21]。现场生态调查结果表明, 西沙群岛、南沙群岛等南海的主要珊瑚礁区, 优势的珊瑚类型基本上是枝状珊瑚, 而这类珊瑚适应环境变化的能力最弱, 因此未来岛礁开发的工程活动中需要特别留意避开这类珊瑚。生态调查结果还表明, 南海珊瑚礁区珊瑚的生长具有明显的空间差异, 一般与外海相连的礁前斜坡带珊瑚生长最为茂密, 生物多样性最为丰富, 而高程与低潮面相近的中-外礁坪带珊瑚生长态势最差, 不少珊瑚礁的这一地貌带如今已是一片荒芜。

因此, 南海珊瑚礁区要最大限度地避免对珊瑚礁的直接利用(包括珊瑚礁区的工程建设、旅游和捕捞等), 抑制珊瑚礁区的过度捕捞、采挖礁石、毒鱼炸鱼等破坏性活动, 若实在不能避免对珊瑚礁区的开发和利用, 则建议在区域上, 所有珊瑚礁区的水上活动远离礁前坡, 这里往往是以对环境变化极其敏感的枝状珊瑚为主; 一般浮潜活动可选择礁坪区, 潜水活动建议选择离珊瑚礁较远(> 200 m)的深水区或大环礁澙湖的中心。而工程建设则建议选择离灰沙岛近的内礁坪区域或灰沙岛上, 并尽可能避免影响水体的清澈度、尽可能避免破坏海滩岩。从珊瑚生长的类型上, 一般选择以对环境忍耐力较强的块状珊瑚为优势种的区域, 其次是以十字牡丹珊瑚等为优势种的粗叶片状珊瑚的区域, 尽可能远离易于折断的枝状珊瑚区域。珊瑚生长人工培育的研究和珊瑚礁生态系统的修复技术需要加强, 但短期内人工培育对珊瑚礁生态系统的修复起不到明显的效果, 且成本高, 建议长期的生态修复仍然以生态环境的保护和自然恢复为主要思路。

网络盛传南海石油如第二个波斯湾。虽然不知其科学根据是否充足, 但世界范围内生物礁区油气资源异常丰富却是不争的事实, 如截止2009年, 世界上生物礁型油气田总的可采储量达45× 10⁸t以上, 可采储量达8 000万t以上的大型生物礁油气田有10多个^[22], 礁型油气藏在世界油气储量中占有重要的地位。随着生物礁地质学研究及其油气勘探开发的不断深入, 全球已掀起了生物礁研究及油气勘探开发热潮。因此南海生物礁碳酸盐台地的油气资源早已是被关注的又一个焦点, 特别是2013年5月以来西沙海域钻井平台981的一举一动曾经吸引着世人的目光。按全国第二轮资源评价结果, 整个南海的石油地质储量约在230× 10⁸~300× 10⁸ t^[23]。

南海广泛发育多种类型的生物礁, 时代可追溯自晚始新世, 特别是中新世以来。南沙群岛的钻探结果表明, 晚第四纪以来的生物礁以造礁珊瑚为主^[24], 因此被广泛称为“ 珊瑚礁” , 但第三纪以前的优势造礁生物种类尚无系统研究, 这里便统称之为“ 生物礁” 。南海盆地具有生物礁形成的有利条件, 一般形成于离岸较远的跨越凹陷的浅水台地上, 或物源补给欠充分的近岸基底局部隆起带, 成礁底盘多为花岗岩、喷发玄武岩、石灰岩等非碎屑岩, 少数发育在水进台地砂岩上。南海生物礁发育具有一定的周期性和旋回性, 可划分5个发育阶段：近岸海湾点礁成礁期、浅水斜坡丘状塔礁、台地边缘礁成礁期、孤立台地边缘礁成礁期和孤立礁体成礁期。南海生物礁发育及形成具有南早北晚, 东早西晚的特点。南海南部的生物礁生成始于晚始新世, 主要成礁期早中新世晚期, 中中新世, 少数在上新世, 且自西向东生物礁初始形成时代逐渐变老。南海北部生物礁自晚渐新世— 中新世以后开始形成。总体来说, 南海盆地中新世以后为生物礁繁盛期, 并主要分布在北、西、南陆架和陆坡位置。

储层的孔隙度、渗透率等岩石物性是影响油气聚集的重要因素, 生物礁具有良好的储集物性, 是形成油气藏的良好载体。特别是当白云岩、膏盐作为储盖组合时有利于形成大型油气田。世界上, 早中新世至中中新世是新近纪生物礁发育的鼎盛期, 油气主要产于中中新世的生物礁储层中, 以真礁(即生态礁或骨架礁)的油气储集潜能最好。东南亚新近纪生物礁– 滩组合的主要成岩作用类型为近地表古岩溶、白垩化和白云化, 分别形成古岩溶储层、白垩化储层及白云化储层。南海新近纪生物礁也是南海沉积盆地的重要储层, 储层的发育和分布主要受控于洋流和海平面变化、地裂运动、礁的类型、礁的成岩相分区、礁的就地转移性和礁的沉积水深等诸多因素, 在深水区晚渐新世至中中新世地层中都有寻找礁型储层的前景。

南海广泛发育多种礁型储层及其良好的生储盖组合, 决定了南海生物礁油气藏具有广阔的勘探前景。据统计, 南海发现生物礁的含油气盆地包括北部陆架— 陆坡区的珠江口盆地、南海西部陆架的万安盆地、南部陆架— 陆坡区的曾母盆地、文莱— 沙巴盆地和东部陆架区的巴拉望盆地等。西沙海槽盆地是南海北部陆坡深水区的新生代沉积盆地之一, 接受了2 000~8 000 m厚沉积, 西沙海槽盆地的构造变形以拉张断陷为主, 盆地经历了古新世— 渐新世断陷和中新世— 第四纪坳陷2个主要发育阶段, 断陷阶段发育陆相河湖相沉积, 坳陷阶段发育浅海— 半深海沉积。盆地发育有始新统湖相烃源岩、渐新统及中新统海相烃源岩; 发育的圈闭类型包括构造圈闭、岩性圈闭和地层圈闭等^[25]。在中— 晚中新世, 在西沙海槽盆地西部地区广泛发育生物礁体, 这些礁体一般具有丘状外形、较杂乱的内部结构、较清晰的底面, 一些礁体边缘具有楔形的礁滩相裙边, 生物礁主要发育于海侵期并受海侵速度影响而可分不同阶段。这些生物礁上覆泥质碳酸岩层, 形成了优良的储盖组合, 因此具有极高的油气勘探前景^[26]。

南海南部的礁油气藏多数埋深2 000~3 000 m, 其盖层均为晚中新世和第四纪海相泥质岩; 礁油气藏具有良好的储集物性, 孔隙度大于10%, 最高可达35%, 渗透率1~10 000 md; 油气藏规模取决于礁体类型和规模, 块礁、塔礁规模较大, 点礁(补丁礁)较小。另外, 烃源运聚影响礁油气藏的充满度。目前, 南沙海域已发现200个生物礁、30余个礁型油气田。

南海北部勘探证实碳酸盐岩储层的地区, 包括珠江口东沙隆起碳酸盐台地和礁滩、神狐隆起西北缘台地礁、琼东南盆地中央隆起带上碳酸盐台地和礁灰岩、中建隆起上区域性碳酸盐台地及礁块, 其中已发现地质储量超亿吨的流花油田及惠州含油构造等。上世纪80年代初期南海石油公司在珠江口盆地发现和圈定了4.4× 10⁴km²的碳酸盐台地^[27] 。1987 年在珠江口盆地发现的生物礁油田流花11-1, 于1996 年3 月29日建成并投入生产, 第一批10口生产井日产原油6 500 t, 探明储量15 378× 10⁴ t^[23]。

南海富含油气的古礁体也具有重要的古环境(温度、盐度、海平面、构造运动等)指示意义. 如根据西沙隆起及周缘深水区的地震和钻井资料, 将西沙群岛碳酸盐台地历史划分为初始发育期(23.3 Ma)、全面发育期(15.5 Ma)、衰退期(10.5 Ma)、淹没期(5.5 Ma)等; 从23.3 Ma至5.5 Ma, 凹陷的构造沉降速率从0.08 mm/a上升至0.26 mm/a, 而隆起之上的沉降速率则从0.05 mm/a上升至0.1 mm/a, 这种差异沉降速率在一定程度上控制了台地的演化^[28]。从高分辨率环境记录的角度来看, 曾经通过流花4-1孔中澄黄滨珊瑚年生长率(约8 mm/ a)的研究, 估算其生长时的平均水温为26~27 ° C^[29]。

南海珊瑚礁极其重要, 一方面它直接服务于我国的实际需求, 如它几乎是我国南海唯一的陆地国土类型, 对于维护领土完整、行使国家主权和保障资源供给等方面都发挥着重要作用, 珊瑚礁区蕴藏的丰富的油气和生物资源, 将是缓解未来能源紧张、资源短缺的重要基地。另一方面, 以造礁珊瑚为核心的珊瑚礁生态系统具有丰富的生物多样性、极高的初级生产力、快速的物质循环等特点, 是重要的生命支持系统, 长期以来一直被视为生态关键区。珊瑚礁还具有科学研究以及防浪护堤、保护环境、休闲娱乐等众多功能。但长期以来我国对珊瑚礁的关注和认识都非常低下, 对珊瑚礁的利用缺乏科学理念的指导, 威胁到南海珊瑚礁的生态安全, 如南海珊瑚礁在过去50多年来急剧退化, 幅度高达80%以上, 不少区域现代活珊瑚的覆盖度< 20%。而工业革命以来加剧的海水污染、CO₂驱动的海水酸化、以及岛礁工程建设等环境压力, 则进一步威胁着南海残存的珊瑚礁的生存空间, 因此建议充分研究珊瑚礁区的工程地质特征、充分考虑珊瑚礁生态的脆弱性特点, 进行岛礁工程的合理规划和布局, 倡导“ 绿色工程” 。 生物礁型油气藏在世界油气储量中占有重要的地位, 全球已掀起了生物礁研究及油气勘探开发热潮, 南海中新世以来广泛发育的生物礁具有广阔的油气勘探前景。