深部流体作用下油气成藏机理(精)

第1章概论 自地球形成开始，地球各圈层之间便发生广泛的相互作用，尤其是板块俯冲、深大断裂、岩浆火山活动等深部地质作用过程会触发广泛的深部流体活动。深部流体是指沉积盆地基底以下地壳至地幔来源挥发性的流体，以及板块俯冲过程中岩石脱水所产生的流体、深变质过程中脱水作用形成的流体或者受幔源热源驱动的深循环流体。深部流体的温度一般高于其所穿越的沉积盆地围岩地层温度；富含C、H、O、N、S、P、Si等生命元素，Al、Fe、Mn、Mg、Cu、Mo、V、Cr等金属元素，也包含He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn稀有气体。因此，深部流体是深部能量和物质的重要载体，是联系盆地内、外因素的纽带。全球范围内，深部流体源源不断地向浅表盆地传输物质和能量，与盆地围岩介质发生广泛有机-无机相互作用，从而对盆内油气形成和聚集成藏全过程施加显著的影响。 深部流体携带的C、H组分可以在盆地圈闭中直接富集成藏。世界范围内前寒武层系中H2生成量高达2.27×1011mol/a（Sherwood Lollar et al.，2014）。自从20世纪80年代起，美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)在堪萨斯（Kansas）盆地发现氢气藏，日产H2约370m3，持续时间超过30年（Newell et al.，2007）。我国东部郯庐断裂带附近亦富含H2，仅济阳拗陷夏38井区一个侵入岩体可带来8600×108m3 H2（孟庆强等，2011），金之钧等（2007）计算东营-惠民凹陷H2量约441×108m3。目前已证实松辽盆地甲烷具有深部幔源和费-托合成非生物成因气的贡献，其中庆深气田非生物甲烷的探明储量超过500×108m3，对气藏贡献率大于25%（Liu et al.，2016a）。金之钧院士从圈层相互作用的视角，首次提出壳幔有机-无机复合生烃理论，并得到了实验证实（Jin et al.，2004）。干酪根生烃是一个逐渐富碳贫氢的过程，深部流体能通过提供额外C、H组分补偿盆地深层高演化烃源岩生烃潜力的不足，大幅提高盆地深部油气资源潜力（Jin et al.，2001）。 深部流体携带的物质和能量也影响盆地中石油的形成演化和聚集成藏。在加拿大前寒武系结晶地盾中除发现非生物烷烃气（Sherwood Lollar et al.，2002）之外，还发现无机元素参与下石油的形成（Seewald，2003）。深部流体携带的能量还能够引起烃源岩热催熟生烃（Schimmelmann et al.，2009）、富含芳烃的热液石油的形成（Kvenvolden and Simoneit，1990）、液态烃热裂解气、含膏层系热化学硫酸盐还原作用(thermochemical sulfate reduction，TSR)、烃源岩二次生烃，以及储层沥青（含分散有机质）二次裂解。同时，深部富CO2热液流体对深层碳酸盐岩、碎屑岩和火山岩储集体也具有建设性改造作用，尤其是对深层碳酸盐岩储层溶蚀改造作用尤为显著（Jin et al.，2006），对泥岩盖层也具有溶蚀或充填等作用（Kaszuba et al.，2005；Khler et al.，2009）。在对石油运移成藏方面，富CO2等不同类型深部流体自深部向上运移过程可以有效地将深层烃源岩中残留烃类和致密储层中烃类携带，从而提高烃类聚集效率。2012年中石油把深部油气“补给”作为当年石油勘探十大科技进展之一，凸显出深部流体活动对油气补给已经引起石油工业界的高度关注，但深部流体对油气补给机制尚存争议。 我国许多含油气盆地，包括东部中-新生代新构造体制影响盆地和中西部古老克拉通盆地，都经历了多期次深大断裂、岩浆火山活动等深部地质作用，所触发的强烈的深部流体活动也在不同盆地中对油气成藏产生了不同的影响。在松辽盆地庆深气田发现非生物烷烃富集，而松南气田则主要发现非生物CO2富集；渤海湾盆地济阳拗陷发现丰富H2、CO2等。苏北盆地黄桥地区多口钻井发现CO2天然气与原油共生，其中华泰3井产油1.3t/d，产气2.5×104m3/d；溪3井产油1.4t/d，产气3.76×104m3/d；溪平1井产油5.51t/d，产气5.56×104m3/d；溪平5井产油3.0t/d，产气1.1×104m3/d，产水18m3/d。黄桥地区原油密度为0.7933～0.8255g/cm3，为轻质油或凝析油；而临近的句容油藏无深部CO2，只有少量稠油产出。同时，随着塔中北坡勘探不断取得进展，顺托1、顺南5等井油气无阻流量大于100×104m3/d。塔北北坡为稠油（艾丁、英买2等）、塔北南坡与塔中北坡（跃进、顺北、顺托等）为正常-凝析油，而紧邻环满加尔凹陷西斜坡（吉拉克、顺南、古城等）为天然气，甚至干气。由此可知，不同地区油气成藏有着显著的差异。广泛活跃的深部流体是否对这些不同区域油气形成和成藏过程产生影响，发生何种物理化学作用，如何鉴别，如何开展油源评价和成藏过程示踪等，有待深入探索。 针对上述科学问题，以深部流体携带物质与能量为主线，开展深部流体作用下富有机质烃源岩发育、油气形成以及聚集成藏的研究，探讨深部流体携带物质与能量对沉积盆地油气形成与后期改造机理，阐明深部流体作用下油气成藏过程，建立深部流体作用下深层油气形成、运移、聚集的地球化学示踪指标体系。 将深部流体对沉积盆地的作用概括为“优源”、“增烃”、“成储”和“促聚”，分别指示深部流体在有机质富集、烃源岩催化加氢生烃演化、形成有利于油气保存的储盖层条件、驱替深层油气成藏及次生蚀变中的作用。具体来说，深部流体携带的营养物质促进了成烃生物的勃发和碳氢源的额外补充，有利于优质烃源岩的发育和烃源岩生烃潜力的提高，其携带的能量促进了烃源岩早熟和高成熟烃源活化加氢生烃。深部富CO2流体对碳酸盐岩、碎屑岩储层的溶蚀改造，改善了深层储集空间，使得优质储层能向更深方向延伸。深部超临界CO2对深层滞留原油的萃取和泥页岩中CH4的驱替，提高了深层和致密储层中烃类流动性。同时，深部流体携带的物质（C、H、催化物质）和能量不仅能够促使费-托合成无机CH4、有机质热演化生烃形成“热液石油”，而且使得有机来源的原油发生热蚀变。从地球层圈相互作用的视角看，深部流体不仅对沉积盆地输入了大量的外源C和H，改善了油气赋存空间，同时也提高了油气富集聚集效率。 1.1深部流体在富有机质烃源岩形成中的“优源”作用 “优源”是指在深部流体作用下，将NO-3、PO3-4、NH+4等营养盐类，Fe、Mn、Zn等生源要素和古细菌、嗜热细菌等携带至盆地，促进盆地中生物的繁盛和沉积有机质的富集。深部流体的“优源”通过提高水体初级生产力和形成有利的有机质保存环境两个方面实现。生产力方面，深部流体携带了大量NO-3、PO3-4、NH+4等营养盐类，CH4、CO2、H2、NH3等热液气体和Fe、Mn、Zn、Co、Cu等微量金属元素，以及来自地球内部的古细菌、嗜热细菌等微生物；它们的注入促进了水体生物的繁盛和初级生产力的提高，为有机质的形成和富集创造了首要条件。保存环境方面，深部流体的喷发，向大气和海洋中输送了大量的CO2，与水体中的Ca2+、Mg2+等离子结合，形成碳酸盐类，增加了水体的盐度，促进了水体的分层和水体循环的静止，为水体环境中有机质的富集创造了有利的水体动力学条件和氧化还原状态。而岩浆热液活动向大气和水体输送的H2S、CO等还原性气体溶解于水中，同样可以促进水体还原环境的形成。 深部流体对沉积物中有机质的富集具有重要作用，其作用的机理主要体现在对沉积环境的影响和对沉积盆地的物质供应两个方面。 在沉积环境方面，大规模的岩浆及热液喷发，向大气和水体输送了大量的CO2，引发了温室效应和水体循环的静止，造成如白垩纪中期的大洋缺氧等事件的发生。Demaison和Moore（1979）指出与富氧水体不同，缺氧的底层水避免了有机质在下降沉积过程中氧化分解的损耗，是有机质富集的极佳环境。此外，Van Cappellen和Ingall（1994）提出缺氧海底环境可以促进活性磷的再生与循环。磷是细胞膜和遗传物质的重要组成，参与水生植物的生命代谢活动，为植物细胞提供能量，对浮游植物的生长和群落结构的发展具有重要的影响，是生态系统初级生产力的重要限制因子。因此，磷元素的活化与再循环对沉积盆地藻类、浮游植物等生物的繁盛和沉积物中有机质的富集具有积极的作用。 在物质供应方面，深部流体的上涌喷发过程中还可以释放大量的C、N、Si、P等营养物质和Zn、Fe、Mn、Ni、V等重要的微量金属元素。其中，氮是植物体内蛋白质、磷脂和叶绿素的重要组成，对促进植物细胞的分裂增长具有重要的作用，在深部流体中氮主要以NO-3、NH+4、NO-2等形式存在。硅是藻类细胞壁的重要成分，主要以SiO2-4的形式存在。铁是除N、P、Si等常量元素外，大洋水体中浮游植物生长的又一重要限制因素，在植物光合作用、呼吸作用，氧的新陈代谢，碳的固定，氮的吸收利用，以及蛋白质、叶绿素的合成等生命过程中均起到不可替代的作用。Martin和Fitzwater（1988）提出“铁假说”，认为Fe是控制海洋浮游植物生长和大洋初级生产力的重要因素。“铁假说”理论得到大洋施铁巡航观测和加富铁培养模拟实验研究的支持（Price and Wenger，1992；Frogner et al.，2001；Olgun et al.，2013）。Fe或富Fe火山灰等物质的加入，将促进赤道太平洋等高营养盐低叶绿素(high nutrient low chlorophy，HNLC）水域中NO-3、NO-2的吸收利用和浮游植物的生长繁盛。当火山灰与大洋表层水接触，吸附于火山灰颗粒表面的酸性气溶胶开始溶解，并向大洋水体释放大量的Fe。伴随Fe元素的释放，水体中N、P等营养盐类利用率提高，生物产率和生物总量大幅升高。Fe在控制海洋浮游植物生长和提高大洋初级生产力方面起重要作用，而海水-玄武岩反应和火山灰沉降作为海洋生态系统中铁元素的两个重要来源，均与岩浆热液流体活动密切相关。Browning等（2014）在火山灰加入对浮游植物响应的研究中发现，当可溶性铁单独施加到南大洋水体中时，作为典型的HNLC水域，南大洋水体未检测到应有的浮游植物响应。在对南大洋水体成分进行检测时发现，其部分水域中Mn含量极低。Mn是浮游植物新陈代谢中不可或缺的微量元素，对硝酸盐还原酶、羧化酶等酶的活化、光合作用中水的光解、叶绿素的合成等过程具有重要的影响。在南大洋等低Mn水体中，其浮游植物的生长受到Fe、Mn的共同限制（Morel et al.，2003；Middag et al.，2011；Moore et al.，2013）。除了作为限制因子，Mn在被植物细胞吸收过程中还起到了毒害元素缓冲剂的作用。Hoffmann等（2012）研究发现，Mn在被植物细胞吸收过程中与Cu、Cd、Zn等元素处于拮抗关系，由于竞争运输载体，水体Mn含量的提高将抑制植物细胞对Cu、Cd等有毒元素的吸收。火山喷发（黑烟囱）过程中携带各类营养物质和生命必需元素，使得水体中生物产生多样性和异常勃发（Dick and Tebo，2010；Dick et al.，2013；Li et al.，2017a），黑烟囱伴随的羽状物可以将深部化学物质和海洋微生物搬运距离喷发口大于4000km的位置（Fitzsimmons et al.，2017）。深部流体的注入，为水体生物的生长提供了必需的生命元素和营养物质，为大洋水体初级生产力的提高提供了重要的物质基础（Lee et al.，2018）。放射性元素（如铀）也能促进生物大量繁殖和变异，从而提高有机生物生成通量（Algeo and Rowe，2012；蔡郁文等，2017a）。 1.2深部流体在有机质生烃中的“增烃”作用 高温是有机质成熟生烃的一个重要因素。深部流体携带了大量的物质和能量，是除深埋热作