松遼盆地深層天然氣運移通道研究

印長海 楊步增 崔永強

大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶，163712

松遼盆地徐家圍子斷陷近南北向延伸，斷陷東西最寬處40km，南北長約80km。斷陷周邊高程－2500 －3500m，斷陷內(nèi)高程低于-5000m，斷陷最深處－8500m，總體呈現(xiàn)為西斷東超的構(gòu)造格局，西與古中央隆起帶以徐西斷裂相隔，東側(cè)與尚家-朝陽溝隆起帶呈斜坡過渡。地層自下而上發(fā)育晚侏羅世火石嶺組、早白堊世沙河子組、營城組、登婁庫組及泉頭組。

關于松遼盆地徐家圍子斷陷深層烴類氣藏的來源可謂眾說紛紜，隨著研究的逐漸深入，研究者思路不斷得到解放，不同源有機氣相互混合出現(xiàn)幔源氣地化特征的思路得到扭轉(zhuǎn)，無機合成氣極少顯示幔源氣特征的現(xiàn)象得到合理的解釋。烴類氣藏的地幔來源得到越來越多的承認。

粗略指出深大斷裂是幔源氣向上運移通道，是遠遠不夠的。其一，深大斷裂作為斷穿整個地殼和剛性上地幔的巖石圈斷裂，在松遼盆地并不存在。其二，盆地的形成和演化作為幔源氣向上運移的地質(zhì)背景，必須得到清楚的認識。

徐家圍子斷陷深層天然氣藏賦存于下白堊統(tǒng)營城組火山巖儲層，火山巖分布規(guī)律、火山巖形成與演化研究、火山巖氣藏三維地震圖像與海底泥火山三維地震圖像對比研究，將有助于深入理解幔源深部流體對深層天然氣成藏的重要作用。

松遼盆地深層氣CH4氣藏與CO2氣藏分布問題，一直困繞著勘探和開發(fā)地質(zhì)人員。通過對深層天然氣地幔來源的研究，將引導我們得出更為合理的解釋。

1 松遼盆地深層天然氣的地幔來源

戴金星等【1】根據(jù)天然氣地球化學特征將中國東部天然氣分為三種成因類型， 分別為有機成因的烷烴氣、無機成因的烷烴氣和無機成因的CO2氣。徐家圍子斷陷深層烴類氣和CO2氣均為無機成因。

關于徐家圍子斷陷烴類氣的判別，曾存在較大的分歧，認為不同類型有機成因氣的混合，也可以形成甲烷及其同系物碳同位素反序。這種利用不同來源有機成因氣混合的數(shù)值模擬來實現(xiàn)碳同位素反序的做法【2】，是把徐家圍子斷陷“可能的氣源巖包括登婁庫組、營城組、沙河子組、火石嶺組以及石炭二疊系”，“以各套源巖吸附氣近似作為單中一來源的天然氣，根據(jù)C5一C7重烴化合物組成指標，分析了深層混合氣的來源特征”。其一，從前提上排斥了天然氣地幔來源的可能，這就偏離了討論的客觀前提。其二，利用天然氣組分含量中微量甚至并不存在的C5一C7重烴化合物來分析烴類氣體的來源，其結(jié)論的可靠性無法驗證。

徐家圍子深層所有主要生產(chǎn)井的氣樣分析數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為甲烷及其同系物碳同位素反序特征（表1），烴類氣和二氧化碳氣均符合幔源氣判別指標【3】。中國東部CO2氣的地幔來源已經(jīng)得到普遍承認。在此前提下，承認烴類氣體的地幔來源是順理成章的。因為在上地幔物理化學環(huán)境中，氣體主要以H2和CH4為主（表2），CO和CO2含量小于前者2 4個數(shù)量級【4】。幔源工業(yè)CO2氣只能來源于地幔中大規(guī)模存在的CH4。

2 徐家圍子斷陷上地殼斷裂特征

松遼盆地有沒有深大斷裂是一個重大的理論原則問題。松遼盆地15s深反射研究清楚地表明了這樣的事實：松遼盆地沒有深大斷裂?。深大斷裂即巖石圈斷裂的存在意味著板塊的存在。這個地質(zhì)事實意味著松遼盆地不是板塊，而是上地殼正斷層沉降的產(chǎn)物。根據(jù)大陸層控構(gòu)造思想【10】，控制斷陷盆地的斷裂是上地殼斷裂（圖1）。

表1 松遼盆地幔源無機烴類氣體的地球化學特征Table 1 Geochemical parameters of mantle-derived inorganic hydrocarbon gas

表 2 碳質(zhì)球粒隕石中的相平衡（Saxena and Fei，1998a）【9】Table 2 Pha se equilibrium in a carbonaceous chondrite

晚侏羅世—早白堊世時期，松遼地區(qū)在NNW向擠壓力和上地殼重力共同作用下，于海西—印支褶皺逆沖帶的準平原化夷平面上，所產(chǎn)生的NNE—NE向和NW向兩組上地殼壓剪性正斷層，共同控制盆地基底地層的分布。

徐家圍子斷陷深層發(fā)育于左行 NNE向上地殼壓剪性正斷層孫吳-雙遼斷裂帶內(nèi)部，南北以右行的NW向上地殼壓剪性正斷層濱洲斷裂帶和扎賚特-吉林斷裂帶為界。形成平面X型斷裂體系。現(xiàn)今構(gòu)造格局受控于近NNW向的徐中斷裂、近SN向的徐西斷裂、近NW向的徐東斷裂帶和四組近NE向的斷裂。徐中斷裂帶與孫吳-雙遼斷裂帶、濱洲斷裂帶、扎賚特-吉林斷裂帶同屬來自太平洋的NNW向擠壓力場，但形成時間晚于后者。后者形成動力以重力為主，水平擠壓力為輔。而徐中斷裂帶的形成以水平力為主，重力為輔。徐中斷裂傾角近于 90°，平行于最大主應力方向，張剪特征明顯。占據(jù)最短的運移距離和最大斷裂開啟程度兩個方面優(yōu)勢，因此成為巖漿和幔源氣自中地殼向上運移的最佳路徑。

3 松遼盆地上地幔軟流層隆起與中地殼側(cè)向運移的耦合關系

去除了深大斷裂簡單模式的依賴，需要我們重新認識幔源氣自下而上運移的復雜過程。盆地形成地幔隆起拉張說與盆地形成自上而下發(fā)展的思想的差異，表現(xiàn)在對松遼盆地上地幔軟流層隆起和松遼盆地上地殼斷裂形成的不同認識，何者在先，何者在后，何者主動，何者被動，不同學者【1117】給出了不同的回答。明確提出地幔隆起在先，導致盆地形成的論述有張元高等（2009）、劉學鋒等（2002）、蔡周榮等（2009）、張爾華等（2010）、夏斌等（2011）。李揚鑒（1988）、崔永強等（2004）則強調(diào)后者的客觀存在。通過對地幔隆起和斷陷盆地的關系的考察，我們發(fā)現(xiàn)，斷陷盆地的分布遠較地幔隆起廣泛的多。晉北第四紀小型斷陷盆地，深部并無地幔隆起【18】。著名的東非大裂谷南段，處于裂谷發(fā)展初期，地幔尚未隆起，向北隨著裂谷的發(fā)展，地幔才逐漸上拱?? Girdler R W, 見于非洲裂谷及破裂中的行星裂谷作用, 何潔生，譯, 1983，地質(zhì)研究, 武漢地質(zhì)學院北京研究生部編。所以，地幔隆起是斷陷盆地形成的結(jié)果，而不是斷陷盆地形成的原因。斷陷盆地的控陷斷裂是上地殼壓剪性正斷層，而非上地幔軟流層隆起頂部的張性斷裂；控陷斷裂從上到下斷距逐漸增大，說明斷層是從下向上生長，而非地幔隆起頂部張性斷裂自上而下生長；斷陷盆地在剖面上以箕狀產(chǎn)出，而非拉張作用形成的對稱地塹；中國東部地應力測量至今沒有發(fā)現(xiàn)張應力存在，幾乎所有方向均受擠壓應力控制。這些事實是斷陷盆地地幔隆起拉張說無法回答的。

斷陷盆地非地幔隆起拉張所致，控陷斷裂亦非斷穿巖石圈的深大斷裂。松遼盆地斷陷盆地的形成，是由于晚侏羅世—早白堊世【10】，在太平洋伊澤奈崎板塊低角度高速度NNW斜向俯沖下【18】，東亞大陸邊緣受到強烈的擠壓作用，產(chǎn)生一系列平面X型斷裂【19】。這些平面X型斷裂在重力作用下，垂向上也呈X型產(chǎn)出，成為正斷層（圖2）【20】。由于它們的斷層面與水平擠壓力和重力都斜交，斷層面受到兩者派生的法向分力和切向分力的共同作用，而呈壓剪性，以走滑正斷層形式出現(xiàn)。這些上地殼壓剪性走滑正斷層上盤的沉降，成為箕狀斷陷盆地。其中左行的NNE—NE向斷裂，剪切方向與斜向俯沖導生的區(qū)域性扭動方向一致，NNE—NE向大型斷裂壓剪作用最強，成為箕狀斷陷盆地的控陷斷裂。由于巖石發(fā)生強烈的構(gòu)造變形變質(zhì)，甚至出現(xiàn)糜棱巖化現(xiàn)象，如孫吳-雙遼斷裂帶和嫩江斷裂帶等。

在水平擠壓力和重力共同作用下所產(chǎn)生的上地殼走滑正斷層，其底部是剛硬的結(jié)晶基底，它馱著整個上地殼沿中地殼塑性層進行順層滑動和垂向錯動。在上地殼正斷層上盤箕狀斷陷盆地沉降過程中，在強大的上地殼正斷層下降端迫使下伏中地殼塑性層物質(zhì)向兩側(cè)流動，其中部分發(fā)生熔融，熔融物質(zhì)沿斷裂面等薄弱帶上侵、噴溢，成為中酸性侵入巖和火山巖。大部分中地殼塑性層物質(zhì)，將順層流入該上地殼正斷層下盤，促使該盤向上掀斜成斷隆山（見圖1）。故斷隆山的中地殼塑性層厚度，比其上盤斷陷盆地的中地殼塑性層厚度大得多。隨著徐家圍子斷陷徐西斷裂上盤的沉降，徐西斷裂下盤即古中央隆起帶強烈上隆。故中央隆起帶已大面積出露變質(zhì)核雜巖，變質(zhì)核雜巖是中地殼成分，說明其原始上地殼已被剝蝕殆盡。

由于上地殼正斷層上盤的下降是周期性的，當該盤暫停下降時，或因斷層面歪斜得很平緩，其有效下滑力趨近于零而不再下降時，它對下伏中地殼塑性層的壓力也隨之減弱。這時塑性層被壓薄部位的深部異常地?；蜍浟鲗?，在重力均衡作中下便向上隆起，并把下地殼及地幔頂部的部分物質(zhì)壓向兩側(cè)，造成軟流層（或異常地幔）頂面及莫霍面與盆地的上地殼底面的構(gòu)造形態(tài)呈鏡像關系，而偏離盆地沉降中心。

重力均衡作用是軟流層上隆的根本動力。由于軟流層密度與剛性上地幔密度之差遠小于斷陷盆地充填物密度與中地殼密度之差，所以軟流層隆起幅度遠遠大于盆地沉降的幅度。地幔上拱是斷陷盆地發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，而且盆地沉降愈深，中地殼物質(zhì)壓出愈多，地幔上隆也愈高，軟流層上升幅度越大。松遼盆地中央坳陷區(qū)沉積厚度8km，但其軟流層隆起幅度卻達70km【21】。

4 松遼盆地深層火山巖氣藏分布特征

徐家圍子斷陷深層烴類天然氣藏分布受控于近于垂直、張剪性徐中斷裂。另一個突出特點是烴類氣藏與二氧化碳氣藏近距離共處于同一斷陷。2007年3月至2009年1月，中石油開設重大專項《吉林油田含CO2天然氣開發(fā)和CO2埋存及資源綜合利用研究》，其中《松遼盆地含CO2天然氣分布規(guī)律和資源潛力研究》??中國石油勘探開發(fā)研究院、吉林油田分公司、大慶油田有限責任公司，編，松遼盆地含CO2天然氣分布規(guī)律及資源潛力研究，2009，1專門就此進行研究。但由于沒有擺脫唯有機論的束縛，對烴類氣藏的成因認識不清，加之受深大斷裂模式的影響，得出“在有斷裂溝通的火山巖體中形成烴類氣藏或以烴類氣為主的混合氣藏，在無斷裂溝通的火山巖體中則形成CO2氣藏”的結(jié)論。

事實上，徐家圍子深層天然氣的地幔來源已經(jīng)非常清楚，工業(yè)CO2氣來自地幔，工業(yè)烴類氣亦來自地幔。幔源CO2來自幔源CH4。徐家圍子斷陷深層火山巖的分布本身受控于深斷裂體系。這套深斷裂并非斷穿整個巖石圈地幔的深大斷裂，而是上殼斷裂。因為中地殼塑性層對能量的吸收作用，上地殼斷裂能量無法傳遞到下地殼和剛性上地幔。所以，徐家圍子斷陷火山巖儲層不是有沒有斷裂溝通的問題，而是必須有斷裂溝通。把斷裂與火山通道相割裂的認識，并不符合地質(zhì)事實。

地球物理剖面更加直觀地說明了這個問題（圖3）。圖3中的芳深701井是工業(yè)性CO2氣藏，而徐深1井是工業(yè)性的CH4氣藏，兩井地表相距約10km，在深部8km深處其供氣斷裂合二為一。這個無可爭議的地質(zhì)事實說明甲烷和CO2具有相同的深部來源。Saxena and Fei（1998a）的碳質(zhì)球粒隕石中的相平衡實驗指出，地幔條件下的氣體以H2和CH4為主，與CO2的摩爾數(shù)相差幾個數(shù)量級。承認CO2的地幔來源而否認相同地質(zhì)環(huán)境中甲烷的地幔來源是沒有道理的。

來自上地幔軟流層的甲烷如何演變?yōu)镃O2，則同樣是勘探理論需要研究的問題。從圖3可見，徐深1井CH4氣藏坐落在徐中斷裂控制的火山通道上，而芳深701井CO2氣藏則坐落于徐西斷裂糜棱巖帶之上。可以設想，幔源甲烷沿張剪性徐中斷裂自中地殼快速上升的過程中，部分CH4進入徐西斷裂向上運移，由于糜棱巖帶的氧化還原條件，致使幔源甲烷氧化。徐西斷裂帶上氣藏的CO2含量受深度控制，氣體組成向上以CH4為主，向下以CO2為主。深度控制的本質(zhì)是重力分異，或稱密度分異。這說明整個徐西斷裂帶具有較好的連通性。

5 結(jié)論

上地殼正斷層上盤斷陷盆地，在沉降過程中把下伏中地殼塑性層物質(zhì)壓向下盤，促使該盤向上掀斜成斷隆山，兩者組成盆-山系，并產(chǎn)生中酸性巖漿活動。中地殼塑性層壓薄部位重力失衡，引起軟流層隆起。軟流層在隆起過程中促使巖石圈地幔和下地殼橫彎隆起，產(chǎn)生張性斷裂，導致軟流層物質(zhì)涌入中地殼塑性層使其基性化，隨后玄武巖漿沿上地殼斷裂上侵、噴溢。

斷裂作為運移通道并控制油氣藏分布，這是含油氣盆地總的規(guī)律。對碎屑巖儲層和火山巖儲層同樣適用，對頁巖油氣藏和砂巖透鏡體油氣藏也不例外。

確定松遼盆地徐家圍子斷陷深層天然氣的地幔來源，具有重大意義。工業(yè)化費-托合成實驗表明，來自地幔的H2、CH4等氣體可以在中地殼溫壓和催化條件下，發(fā)生費-托合成，形成高分子烴類。由此提出了松遼盆地石油的地幔來源問題。

此次研究在松遼盆地普遍發(fā)育上地殼壓剪性正斷層的 X性斷裂體系中確定了棱形體內(nèi)平行NNE最大水平主壓力的徐中斷裂的張剪性特征。該張剪性斷裂剖面上近于垂直，是中地殼幔源氣體上升的最佳通道，距離最近、阻力最小。松遼盆地類似斷裂將是火山巖氣藏勘探的有利區(qū)域。

1 戴金星，胡國藝，倪云燕，等.中國東部天然氣分布特征[J].天然氣地球科學，2009，20（4）: 471 487

2 馮子輝，劉偉.徐家圍子斷陷深層天然氣的成因類型研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26（6）：18 20

3 戴金星，鄒才能，張水昌，等.無機成因和有機成因烷烴氣的鑒別[J].中國科學D輯，2008，38（11）：1329 1341

4 崔永強，崔永勝.松遼盆地油氣無機成因與勘探方向[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2004，23（6）：129 133

5 侯啟軍，楊玉峰.松遼盆地無機成因天然氣及勘探方向探討[J].天然氣工業(yè)，2002，22（3）：5 10

6 郭占謙，王先彬，劉文龍.松遼盆地非生物成因氣的成藏特征[J].中國科學（D輯），1997，27（2）：143 148

7 郭占謙，王先彬.松遼盆地非生物成因探討[J].中國科學（B輯），1994，24（3）：303 305

8 郭占謙，楊步增，李星軍，等.松遼盆地無機成因氣藏模式[J].天然氣工業(yè)，2000，20（6）：30 33

9 Saxena，S.K.and Y.Fei.Phase equilibrium in a system of chondritic composition：implications for early mantle-fluid compositions[J].J.Geology ，1988，96：601 607

10 李揚鑒，張星亮，陳延成.大陸層控構(gòu)造導論[M].北京：地質(zhì)出版社，1996，1 148

11 張元高，陳樹民，張爾華，等.徐家圍子斷陷構(gòu)造地質(zhì)特征研究新進展[J].巖石學報，2010，26（1）：142 148

12 劉學鋒，王正允，孟令奎.徐家圍子斷陷深層構(gòu)造演化與天然氣聚集[J].江漢石油學報，2003，25（4）：9 11

13 蔡周榮，劉維亮，萬志峰，等.徐家圍子斷陷深層構(gòu)造樣式特征的成因機制分析[J].華南地震，2009，29（8）：38 43

14 張爾華，姜傳金，張元高，等.徐家圍子斷陷深層結(jié)構(gòu)形成與演化的探討[J].巖石學報，2010，26（1）：149 157

15 夏斌，邱亮斌，蔡周榮，等.徐家圍子斷陷應力場變化特征及“S”型構(gòu)造格局成因探討[J].天然氣地球科學，2011，22（3）：415 419

16 李揚鑒.中國東部中、新生代斷陷盆地成因機制新模式[J].石油天然氣地質(zhì)，1988，9（4）：334 345

17 崔永強，李揚鑒.軟流層、中地殼與盆-山系[J].地球物理學進展，2004，19（3）：554 559

18 高福紅，許文良，楊德彬，等.松遼盆地南部基底花崗質(zhì)巖石鋯石 LA-ICP-MSU-Pb定年：對盆地基底形成時代的制約[J].中國科學（D輯），2007，37（3）：331 335

19 Engebretson D C，Cox A，Gordon R G.Relative motions between oceanic and continental plates in the Pacific basin[A].In：Geol Soc Am，Spec Paper 206[C].1985.1 59

20 李揚鑒.壓剪性正斷屋的成因機制與能量破裂理論[J].構(gòu)造地質(zhì)論從，1985，（4）：150 161

21 楊寶俊.在地學斷面域內(nèi)用地震學方法研究大陸地殼——以中國滿洲里-綏芬河地學斷面為例[M].北京：地質(zhì)出版社，1999