松辽盆地深层天然气运移通道研究

印长海 杨步增 崔永强

大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆，163712

松辽盆地徐家围子断陷近南北向延伸，断陷东西最宽处40km，南北长约80km。断陷周边高程－2500 －3500m，断陷内高程低于-5000m，断陷最深处－8500m，总体呈现为西断东超的构造格局，西与古中央隆起带以徐西断裂相隔，东侧与尚家-朝阳沟隆起带呈斜坡过渡。地层自下而上发育晚侏罗世火石岭组、早白垩世沙河子组、营城组、登娄库组及泉头组。

关于松辽盆地徐家围子断陷深层烃类气藏的来源可谓众说纷纭，随着研究的逐渐深入，研究者思路不断得到解放，不同源有机气相互混合出现幔源气地化特征的思路得到扭转，无机合成气极少显示幔源气特征的现象得到合理的解释。烃类气藏的地幔来源得到越来越多的承认。

粗略指出深大断裂是幔源气向上运移通道，是远远不够的。其一，深大断裂作为断穿整个地壳和刚性上地幔的岩石圈断裂，在松辽盆地并不存在。其二，盆地的形成和演化作为幔源气向上运移的地质背景，必须得到清楚的认识。

徐家围子断陷深层天然气藏赋存于下白垩统营城组火山岩储层，火山岩分布规律、火山岩形成与演化研究、火山岩气藏三维地震图像与海底泥火山三维地震图像对比研究，将有助于深入理解幔源深部流体对深层天然气成藏的重要作用。

松辽盆地深层气CH4气藏与CO2气藏分布问题，一直困绕着勘探和开发地质人员。通过对深层天然气地幔来源的研究，将引导我们得出更为合理的解释。

1 松辽盆地深层天然气的地幔来源

戴金星等【1】根据天然气地球化学特征将中国东部天然气分为三种成因类型， 分别为有机成因的烷烃气、无机成因的烷烃气和无机成因的CO2气。徐家围子断陷深层烃类气和CO2气均为无机成因。

关于徐家围子断陷烃类气的判别，曾存在较大的分歧，认为不同类型有机成因气的混合，也可以形成甲烷及其同系物碳同位素反序。这种利用不同来源有机成因气混合的数值模拟来实现碳同位素反序的做法【2】，是把徐家围子断陷“可能的气源岩包括登娄库组、营城组、沙河子组、火石岭组以及石炭二叠系”，“以各套源岩吸附气近似作为单中一来源的天然气，根据C5一C7重烃化合物组成指标，分析了深层混合气的来源特征”。其一，从前提上排斥了天然气地幔来源的可能，这就偏离了讨论的客观前提。其二，利用天然气组分含量中微量甚至并不存在的C5一C7重烃化合物来分析烃类气体的来源，其结论的可靠性无法验证。

徐家围子深层所有主要生产井的气样分析数据均表现为甲烷及其同系物碳同位素反序特征（表1），烃类气和二氧化碳气均符合幔源气判别指标【3】。中国东部CO2气的地幔来源已经得到普遍承认。在此前提下，承认烃类气体的地幔来源是顺理成章的。因为在上地幔物理化学环境中，气体主要以H2和CH4为主（表2），CO和CO2含量小于前者2 4个数量级【4】。幔源工业CO2气只能来源于地幔中大规模存在的CH4。

2 徐家围子断陷上地壳断裂特征

松辽盆地有没有深大断裂是一个重大的理论原则问题。松辽盆地15s深反射研究清楚地表明了这样的事实：松辽盆地没有深大断裂❶。深大断裂即岩石圈断裂的存在意味着板块的存在。这个地质事实意味着松辽盆地不是板块，而是上地壳正断层沉降的产物。根据大陆层控构造思想【10】，控制断陷盆地的断裂是上地壳断裂（图1）。

表1 松辽盆地幔源无机烃类气体的地球化学特征Table 1 Geochemical parameters of mantle-derived inorganic hydrocarbon gas

表 2 碳质球粒陨石中的相平衡（Saxena and Fei，1998a）【9】Table 2 Pha se equilibrium in a carbonaceous chondrite

晚侏罗世—早白垩世时期，松辽地区在NNW向挤压力和上地壳重力共同作用下，于海西—印支褶皱逆冲带的准平原化夷平面上，所产生的NNE—NE向和NW向两组上地壳压剪性正断层，共同控制盆地基底地层的分布。

徐家围子断陷深层发育于左行 NNE向上地壳压剪性正断层孙吴-双辽断裂带内部，南北以右行的NW向上地壳压剪性正断层滨洲断裂带和扎赉特-吉林断裂带为界。形成平面X型断裂体系。现今构造格局受控于近NNW向的徐中断裂、近SN向的徐西断裂、近NW向的徐东断裂带和四组近NE向的断裂。徐中断裂带与孙吴-双辽断裂带、滨洲断裂带、扎赉特-吉林断裂带同属来自太平洋的NNW向挤压力场，但形成时间晚于后者。后者形成动力以重力为主，水平挤压力为辅。而徐中断裂带的形成以水平力为主，重力为辅。徐中断裂倾角近于 90°，平行于最大主应力方向，张剪特征明显。占据最短的运移距离和最大断裂开启程度两个方面优势，因此成为岩浆和幔源气自中地壳向上运移的最佳路径。

3 松辽盆地上地幔软流层隆起与中地壳侧向运移的耦合关系

去除了深大断裂简单模式的依赖，需要我们重新认识幔源气自下而上运移的复杂过程。盆地形成地幔隆起拉张说与盆地形成自上而下发展的思想的差异，表现在对松辽盆地上地幔软流层隆起和松辽盆地上地壳断裂形成的不同认识，何者在先，何者在后，何者主动，何者被动，不同学者【1117】给出了不同的回答。明确提出地幔隆起在先，导致盆地形成的论述有张元高等（2009）、刘学锋等（2002）、蔡周荣等（2009）、张尔华等（2010）、夏斌等（2011）。李扬鉴（1988）、崔永强等（2004）则强调后者的客观存在。通过对地幔隆起和断陷盆地的关系的考察，我们发现，断陷盆地的分布远较地幔隆起广泛的多。晋北第四纪小型断陷盆地，深部并无地幔隆起【18】。著名的东非大裂谷南段，处于裂谷发展初期，地幔尚未隆起，向北随着裂谷的发展，地幔才逐渐上拱❶❶ Girdler R W, 见于非洲裂谷及破裂中的行星裂谷作用, 何洁生，译, 1983，地质研究, 武汉地质学院北京研究生部编。所以，地幔隆起是断陷盆地形成的结果，而不是断陷盆地形成的原因。断陷盆地的控陷断裂是上地壳压剪性正断层，而非上地幔软流层隆起顶部的张性断裂；控陷断裂从上到下断距逐渐增大，说明断层是从下向上生长，而非地幔隆起顶部张性断裂自上而下生长；断陷盆地在剖面上以箕状产出，而非拉张作用形成的对称地堑；中国东部地应力测量至今没有发现张应力存在，几乎所有方向均受挤压应力控制。这些事实是断陷盆地地幔隆起拉张说无法回答的。

断陷盆地非地幔隆起拉张所致，控陷断裂亦非断穿岩石圈的深大断裂。松辽盆地断陷盆地的形成，是由于晚侏罗世—早白垩世【10】，在太平洋伊泽奈崎板块低角度高速度NNW斜向俯冲下【18】，东亚大陆边缘受到强烈的挤压作用，产生一系列平面X型断裂【19】。这些平面X型断裂在重力作用下，垂向上也呈X型产出，成为正断层（图2）【20】。由于它们的断层面与水平挤压力和重力都斜交，断层面受到两者派生的法向分力和切向分力的共同作用，而呈压剪性，以走滑正断层形式出现。这些上地壳压剪性走滑正断层上盘的沉降，成为箕状断陷盆地。其中左行的NNE—NE向断裂，剪切方向与斜向俯冲导生的区域性扭动方向一致，NNE—NE向大型断裂压剪作用最强，成为箕状断陷盆地的控陷断裂。由于岩石发生强烈的构造变形变质，甚至出现糜棱岩化现象，如孙吴-双辽断裂带和嫩江断裂带等。

在水平挤压力和重力共同作用下所产生的上地壳走滑正断层，其底部是刚硬的结晶基底，它驮着整个上地壳沿中地壳塑性层进行顺层滑动和垂向错动。在上地壳正断层上盘箕状断陷盆地沉降过程中，在强大的上地壳正断层下降端迫使下伏中地壳塑性层物质向两侧流动，其中部分发生熔融，熔融物质沿断裂面等薄弱带上侵、喷溢，成为中酸性侵入岩和火山岩。大部分中地壳塑性层物质，将顺层流入该上地壳正断层下盘，促使该盘向上掀斜成断隆山（见图1）。故断隆山的中地壳塑性层厚度，比其上盘断陷盆地的中地壳塑性层厚度大得多。随着徐家围子断陷徐西断裂上盘的沉降，徐西断裂下盘即古中央隆起带强烈上隆。故中央隆起带已大面积出露变质核杂岩，变质核杂岩是中地壳成分，说明其原始上地壳已被剥蚀殆尽。

由于上地壳正断层上盘的下降是周期性的，当该盘暂停下降时，或因断层面歪斜得很平缓，其有效下滑力趋近于零而不再下降时，它对下伏中地壳塑性层的压力也随之减弱。这时塑性层被压薄部位的深部异常地幔或软流层，在重力均衡作中下便向上隆起，并把下地壳及地幔顶部的部分物质压向两侧，造成软流层（或异常地幔）顶面及莫霍面与盆地的上地壳底面的构造形态呈镜像关系，而偏离盆地沉降中心。

重力均衡作用是软流层上隆的根本动力。由于软流层密度与刚性上地幔密度之差远小于断陷盆地充填物密度与中地壳密度之差，所以软流层隆起幅度远远大于盆地沉降的幅度。地幔上拱是断陷盆地发展到一定阶段的产物，而且盆地沉降愈深，中地壳物质压出愈多，地幔上隆也愈高，软流层上升幅度越大。松辽盆地中央坳陷区沉积厚度8km，但其软流层隆起幅度却达70km【21】。

4 松辽盆地深层火山岩气藏分布特征

徐家围子断陷深层烃类天然气藏分布受控于近于垂直、张剪性徐中断裂。另一个突出特点是烃类气藏与二氧化碳气藏近距离共处于同一断陷。2007年3月至2009年1月，中石油开设重大专项《吉林油田含CO2天然气开发和CO2埋存及资源综合利用研究》，其中《松辽盆地含CO2天然气分布规律和资源潜力研究》❶❶中国石油勘探开发研究院、吉林油田分公司、大庆油田有限责任公司，编，松辽盆地含CO2天然气分布规律及资源潜力研究，2009，1专门就此进行研究。但由于没有摆脱唯有机论的束缚，对烃类气藏的成因认识不清，加之受深大断裂模式的影响，得出“在有断裂沟通的火山岩体中形成烃类气藏或以烃类气为主的混合气藏，在无断裂沟通的火山岩体中则形成CO2气藏”的结论。

事实上，徐家围子深层天然气的地幔来源已经非常清楚，工业CO2气来自地幔，工业烃类气亦来自地幔。幔源CO2来自幔源CH4。徐家围子断陷深层火山岩的分布本身受控于深断裂体系。这套深断裂并非断穿整个岩石圈地幔的深大断裂，而是上壳断裂。因为中地壳塑性层对能量的吸收作用，上地壳断裂能量无法传递到下地壳和刚性上地幔。所以，徐家围子断陷火山岩储层不是有没有断裂沟通的问题，而是必须有断裂沟通。把断裂与火山通道相割裂的认识，并不符合地质事实。

地球物理剖面更加直观地说明了这个问题（图3）。图3中的芳深701井是工业性CO2气藏，而徐深1井是工业性的CH4气藏，两井地表相距约10km，在深部8km深处其供气断裂合二为一。这个无可争议的地质事实说明甲烷和CO2具有相同的深部来源。Saxena and Fei（1998a）的碳质球粒陨石中的相平衡实验指出，地幔条件下的气体以H2和CH4为主，与CO2的摩尔数相差几个数量级。承认CO2的地幔来源而否认相同地质环境中甲烷的地幔来源是没有道理的。

来自上地幔软流层的甲烷如何演变为CO2，则同样是勘探理论需要研究的问题。从图3可见，徐深1井CH4气藏坐落在徐中断裂控制的火山通道上，而芳深701井CO2气藏则坐落于徐西断裂糜棱岩带之上。可以设想，幔源甲烷沿张剪性徐中断裂自中地壳快速上升的过程中，部分CH4进入徐西断裂向上运移，由于糜棱岩带的氧化还原条件，致使幔源甲烷氧化。徐西断裂带上气藏的CO2含量受深度控制，气体组成向上以CH4为主，向下以CO2为主。深度控制的本质是重力分异，或称密度分异。这说明整个徐西断裂带具有较好的连通性。

5 结论

上地壳正断层上盘断陷盆地，在沉降过程中把下伏中地壳塑性层物质压向下盘，促使该盘向上掀斜成断隆山，两者组成盆-山系，并产生中酸性岩浆活动。中地壳塑性层压薄部位重力失衡，引起软流层隆起。软流层在隆起过程中促使岩石圈地幔和下地壳横弯隆起，产生张性断裂，导致软流层物质涌入中地壳塑性层使其基性化，随后玄武岩浆沿上地壳断裂上侵、喷溢。

断裂作为运移通道并控制油气藏分布，这是含油气盆地总的规律。对碎屑岩储层和火山岩储层同样适用，对页岩油气藏和砂岩透镜体油气藏也不例外。

确定松辽盆地徐家围子断陷深层天然气的地幔来源，具有重大意义。工业化费-托合成实验表明，来自地幔的H2、CH4等气体可以在中地壳温压和催化条件下，发生费-托合成，形成高分子烃类。由此提出了松辽盆地石油的地幔来源问题。

此次研究在松辽盆地普遍发育上地壳压剪性正断层的 X性断裂体系中确定了棱形体内平行NNE最大水平主压力的徐中断裂的张剪性特征。该张剪性断裂剖面上近于垂直，是中地壳幔源气体上升的最佳通道，距离最近、阻力最小。松辽盆地类似断裂将是火山岩气藏勘探的有利区域。

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