(一)区域地质背景
南海北部位于华南地块南缘，为新生代的被动大陆边缘。边缘上的陆架较平坦，陆坡的地形复杂多变，海槽、海谷、海台、海山、海丘、陡坡和陡坎遍布，还分布一些岛屿，如东沙群岛、西沙群岛、中沙群岛。陆缘上分布有一系列盆地，如台西南、珠江口、琼东南、莺歌海、北部湾、西沙海槽、尖峰北、尖峰南、双峰北、笔架南、中建南等盆地。这些盆地的新生代沉积厚度达2～11km。目前证实，珠江口、北部湾、莺歌海和琼东南盆地油气资源相当丰富。
南海自中生代末以来，曾经历了3次构造运动:早期的神狐运动属张性构造运动，产生了一系列北东向张性断裂，形成地堑与半地堑，沉积了一套同张裂沉积系;此后的南海运动导致南海海底扩张，到早中新世时形成南海海盆;中中新世末的东沙运动造成盆地沉积层的挤压，并产生断裂和区域不整合，东沙运动之后，南海地区构造活动趋于平静，全区均发生区域性热沉降。在这一地质时期中，由于陆地的上升速率加快，全区沉降速率较大，致使大量的沉积物进入陆缘，从而使陆缘的沉积速率加大。根据ODP184航次钻井资料揭示，在东沙群岛东南地区，1144井位1×104a以来的沉积速率为400～1200m/104a，而1143井位晚中新世以来的沉积速率为150～210m/104a。南海西部莺歌海盆地在中中新世以来沉积速率很大，第四纪沉积超过2000m。在美国东海岸外布莱克海台地区，自中新世以来的平均沉积速率为350m/Ma，该区已发现有丰富的天然气水合物资源。上述分析表明，南海北部和西部陆坡的沉积速率和布莱克海台类似，沉积速率大，可以堆积大量有机质，为细菌将其降解为甲烷气提供物质条件。而中中新世末的东沙运动在下伏沉积中形成许多断裂，有利于下伏沉积中的有机气体沿断裂向上运移，从而为形成天然气水合物提供充足的气源。从天然气水合物成藏的区域构造条件来看，南海北部东沙－神狐隆起是在基底高地上发育起来的，中中新世后，开始沉于水下，并接受沉积，而且沉降速率相当大。美国东海岸外的布莱克海台在被动大陆边缘发育初期也是基底高地，后来沉于水下并接受一套碳酸盐岩沉积。这两地的构造环境和构造发育史基本相似，都是天然气水合物发育的优越地区。南海西沙海槽新生代以来的构造环境及构造发育史和美国墨西哥湾相似，也应有丰富的天然气水合物矿藏。南海东部通过马尼拉俯冲带和菲律宾地块相接，其增生楔和西太平洋活动大陆边缘相似，从已有的资料看，也有丰富的天然气水合物资源。
(二)勘探及研究现状
我国于1990年首次在兰州进行了天然气水合物实验研究，而中国石油大学(北京)的科学家们在20世纪90年代初就已经对天然气水合物开展了基础研究。至今，全国有近20个研究小组积极参与到证实天然气水合物存在的各种各样的研究工作当中。2004年，广州天然气水合物研究中心(CGHR)成立，其目的就在于扩大天然气水合物的实验室研究和进行海上实地研究，以评估中国近海天然气水合物资源潜力。
我国天然气水合物调查始于1999年，广州海洋地质调查局首次在南海北部陆坡西沙海槽区进行了天然气水合物资源前期调查，完成多道高分辨率地震测线534.3km，首次在西沙海域发现存在天然气水合物的重要地球物理标志———似海底反射层(BSR)。2000年9月至11月，广州海洋地质调查局再赴西沙海槽开展天然气水合物地质地球物理调查。这次调查的主要内容包括:多道地震、地质、地球化学取样、气态烃现场快速测定、多波束海底地形测量等。发现BSR分布面积约5700km2，初步预测西沙海槽区天然气水合物资源量约45.5×108t油当量。取样分析证实，西沙海槽区海底沉积物中Mn、Fe、Sr元素明显异常，这是深部油气藏的间接指示。2001年，广州海洋地质调查局先后在南海北部东沙陆坡区开展高分辨率多道地震调查及相应的海底测深调查，在西沙海槽区开展地质、地球化学调查，在西沙海槽区首次发现了碳酸盐结壳的存在。该结壳的发现，不仅为天然气水合物的存在提供了又一有力证据，而且为天然气水合物今后的调查乃至研究工作带来了新的思路。2002年1月，国务院批准和启动了“我国天然气水合物的资源调查与评价”国家专项。自专项实施以来，广州海洋地质调查局相继在我国南海北部陆坡的东沙群岛、神狐海域、西沙海槽、琼东南海域开展了综合调查及相关的研究工作，调查手段包括高分辨率多道地震、三维地震、单道地震、浅层剖面、多波束、地质取样、地球化学、海底摄像等，发现我国南海北部陆坡存在非常有利的天然气水合物赋存条件，并取得了一系列地球物理学、地球化学、地质学、生物学等明显证据。从南海北部陆坡的地震数据显示，我国已在东沙群岛东部、神狐隆起、西沙海槽、中建南盆地、笔架盆地及南沙海域发现了天然气水合物的地震反射层BSR显示。这些初步数据表明，南海海域存在天然气水合物矿藏是不容置疑的。
2002年3月，广州海洋地质调查局再赴东沙群岛作业，该航次一个引人注目的收获是，地球化学测试结果表明:取样站位甲烷含量自浅表层向深层增高，最高含量高出非异常值的几百倍。由于该海域位于地震资料圈定的BSR范围内，海底摄像发现的断裂陡坎，拖网获得的成岩极好深层沉积岩，均表明该海域存在一东西向的断裂，推测高含量的甲烷气来源于天然气水合物。2003年12月底，广州海洋地质调查局首次在南海北部海域，利用海底摄像技术在3000m深海底发现了灰白色团块状的沉积物质，分析认为，这种灰白色团块状物质是深部地层中的可燃冰分解后，甲烷气沿海底断裂喷溢出海底后形成的。该结论得到国际可燃冰权威专家的认同。这一发现证实，中国南海北部海域有可燃冰。2004～2006年，在2001年、2002年、2003年3个调查航次成果基础上，在南海北部东沙海域优选出重点目标区开展高分辨率多道地震调查和似三维地震调查，同时进行地质－地球化学取样、海底摄像和海底多波束等海底浅表层综合调查，旨在优选天然气水合物钻探井位。2006年6月2日，广州海洋地质调查局与德国基尔(Kiel)大学合作，使用德国“太阳号”船对南海北部进行了42天的综合地质考察。通过海底电视观测和海底电视监测抓斗取样，首次发现了面积约430km2的巨型碳酸盐岩。中德科学家一致建议，将该自生碳酸盐岩区中最典型的一个构造体命名为“九龙甲烷礁”。同位素测年分析表明，“九龙甲烷礁”区域的碳酸盐结壳最早形成于大约4.5×104a前，至今仍在释放甲烷气。探测证据表明，仅南海北部的可燃冰储量，就相当于我国陆上石油总量的一半左右;此外，在西沙海槽已初步圈出可燃冰分布面积5242km2，其资源估算达4.1×1012m3(姚永坚，2007)。到目前为止，经过近9年18个航次的综合调查及相关的研究，在南海北部陆坡基本形成包括地球物理、地质、地球化学等项目在内的天然气水合物综合调查测网，共获得3×104km的高分辨率地震资料，取得了一系列重要勘探成果和地质认识:①运用深水高分辨率多道地震探测技术，首次发现我国海域天然气水合物的地震标志，对其在南海北部陆缘的分布状况有了初步的了解;②在南海北部西沙海槽、神狐、东沙和琼东南海域发现了清晰的BSR、振幅空白带(BZ)、BSR波形极性反转和地震高速带等反映天然气水合物存在的地震异常标志;③初步圈出南海北部陆坡天然气水合物远景区，并对天然气水合物资源前景进行了初步评价;④运用海底地质－地球化学取样技术、多波束测深、海底摄像、浅层剖面以及气态烃现场测试等多学科调查手段，进一步证实在我国西沙海槽、东沙海域和神狐海域存在与天然气水合物相关的海底地质、地球化学异常以及矿物学和古生物学等方面的标志。
2007年4月21日至6月12日，我国正式启动南海神狐海域天然气水合物钻探工作。有来自9个国家的外国科学家和工程技术人员参与此项工作。在航次钻探开始前，广州海洋地质调查局专家们经过地球物理数据的精细处理和反复研究，圈定出2个重要目标区，确定了8个站位钻探和测井，对5个站位进行了取心取样，其中3个站位获得天然气水合物样品，岩心发现天然气水合物的成功率达60%。航次最终测试和分析结果显示:第一航次第1个站位获取的样品取自海底以下183～201m，水深1245m天然气水合物饱和度丰度达25%，含天然气水合物沉积层厚度10m;第4个站位取自海底以下191～225m，水深1230m，天然气水合物饱和度达48%，含天然气水合物沉积层厚度25m。第二航次第1站位在水深1108m获得天然气水合物样品，天然气水合物饱和度达44%，含天然气水合物沉积层厚度25m。3个站位天然气水合物样品中释放的气体中甲烷含量高达99.4%以上，点燃即可燃烧。在获取海底多段沉积物岩心之后，现场对岩心进行X射线影像、红外扫描等18项测试分析。科学家初步认为，我国南海神狐海域天然气水合物是以均匀分散的状态、成层分布，已发现天然气水合物沉积层厚度大，饱和度高。据初步预测，南海北部陆坡天然气水合物远景资源量可达上百亿吨油当量，展示了我国南海北部海域巨大的天然气水合物资源远景。中国在南海北部神狐海域发现天然气水合物，成为世界上第24个采到天然气水合物实物样品的地区，继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家，使我国天然气水合物的调查研究水平一举步入世界先进行列。
2009年9月26日，中国煤炭地质总局承担的“祁连山冻土区天然气水合物DK－1科学钻探试验孔”工程，成功钻获天然气水合物实物样品。经过初步勘查，目前在青藏高原中纬度大陆地区，蕴藏着2.97×1011m3～2.99×1011m3天然气当量的天然气水合物，预计10a左右能投入使用。这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。