孟凡超 崔 巖 張?jiān)混o 王 林 杜 青 劉浩毅 左耿超 田雨露

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院3.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

松遼盆地是我國(guó)東北最大的中—新生代陸相含油氣盆地。在該盆地深層下白堊統(tǒng)營(yíng)城組火山巖中發(fā)現(xiàn)了千億立方米大氣田——慶深氣田，展示了松遼盆地深層火山巖天然氣具有廣闊的勘探前景。前人的研究成果表明，松遼盆地深層天然氣包括烷烴氣、二氧化碳以及其他少量稀有氣體[1-4]，對(duì)于該深層氣藏中是否存在無(wú)機(jī)成因烷烴氣一直存在著爭(zhēng)議[4-10]。前人除了對(duì)深層氣藏的天然氣地球化學(xué)特征進(jìn)行研究以獲得氣體成因信息以外，也一直在尋找地球內(nèi)部無(wú)機(jī)氣來(lái)源的直接地質(zhì)證據(jù)。例如，王力等[11]在火山巖儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了較多的純甲烷包裹體，并認(rèn)為這些包裹體為伴隨營(yíng)城組火山噴發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的無(wú)機(jī)成因甲烷包裹體。Wang等[12]也在營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)現(xiàn)原生流體包裹體，也認(rèn)為包裹體中烴類具有無(wú)機(jī)成因特征，溫壓數(shù)據(jù)表明這些包裹體形成深度約20 km，在幔源巖漿活動(dòng)過(guò)程中捕獲。肖駿等[13]在營(yíng)城組儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了均一溫度明顯高于下白堊統(tǒng)沙河子組溫度的高溫含氣包裹體，推測(cè)其可能來(lái)源于深部。如果營(yíng)城組氣藏中的無(wú)機(jī)成因氣體來(lái)自深部，從流體運(yùn)移路徑的角度考慮，該盆地基底巖石中有可能保留著深部氣體向盆地淺層運(yùn)移的流體記錄，并且受淺部有機(jī)氣的影響較小。為此，筆者以該盆地基底巖石中晚期石英脈體為研究對(duì)象，對(duì)石英脈體及其內(nèi)部流體開展地球化學(xué)研究，以期尋找深部氣體向淺部運(yùn)移的流體記錄。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

我國(guó)東北地區(qū)巖石圈板塊為額爾古納地塊、興安地塊、松嫩—張廣才嶺地塊和佳木斯地塊等微陸塊拼接形成的古陸塊[14]。松遼盆地位于松嫩—張廣才嶺地塊之上，東、北、西3面為張廣才嶺、小興安嶺和大興安嶺圍繞[15-16]（圖1-a）。盆地基底變形作用明顯，主要由古生代以來(lái)的中深變質(zhì)巖系、淺變質(zhì)巖系、花崗巖系組成[18-20]，前寒武系結(jié)晶基底較少[21-23]。松遼盆地是一個(gè)斷坳雙重結(jié)構(gòu)的大型疊合盆地（圖1-b），盆地共發(fā)育43個(gè)斷陷[1]；下部斷陷內(nèi)發(fā)育火山巖夾煤系地層[24]，包括上侏羅統(tǒng)火石嶺組、下白堊統(tǒng)沙河子組及營(yíng)城組3套地層，火山巖主要發(fā)育于火石嶺組和的營(yíng)城組（圖1-c），火石嶺組以中基性巖為主，營(yíng)城組以中酸性巖為主[25-27]，火山巖是深層天然氣主要儲(chǔ)集層；上部坳陷為沉積蓋層，由下白堊統(tǒng)登婁庫(kù)組、泉頭組和上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)、明水組構(gòu)成，以產(chǎn)油為主。

2 樣品和分析方法

2.1 樣品采集與處理

松遼盆地北部共有200多口井鉆遇基底，取心井100余口。結(jié)合盆地深層天然氣藏位置，從發(fā)現(xiàn)有碳同位素倒轉(zhuǎn)氣藏的周圍選擇6口井（ZS3、D403、L53、CS5、J34、XS33 井）進(jìn)行基底巖心觀察與取樣（圖1-a）。共采集了 8塊樣品（ZS3-1、ZS3-2、ZS3-3、D403-1、L53-1、CS5-1、J34-1、XS33-1）。巖石樣品均為古生代花崗質(zhì)巖石，普遍含晚期石英脈體（圖2）。

先將巖心樣品中石英脈體部分磨制厚約0.2 mm的包裹體薄片，用于流體包裹體相態(tài)、形態(tài)、類型、期次及分布的巖相學(xué)觀察。用切割機(jī)將石英脈體與圍巖分離，將石英脈樣品碎至60～80目，雙目鏡下手工挑選純凈的石英，用0.5 mol/L的稀鹽酸浸泡24 h后進(jìn)行超聲震蕩，然后用蒸餾水反復(fù)沖洗至中性，以去除礦物顆粒表面及縫隙內(nèi)的碳酸鹽礦物等雜質(zhì)；再利用二氯甲烷浸泡12 h并進(jìn)行超聲震蕩，重復(fù)浸泡3次后置于100 ℃下烘干，以去除礦物表面附著的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)上述處理后的礦物顆粒用于流體包裹體揮發(fā)分組成及碳同位素的分析。

2.2 樣品分析測(cè)試方法

流體包裹體巖相學(xué)觀察由中國(guó)石油大學(xué)（華東）地質(zhì)流體實(shí)驗(yàn)室完成。

包裹體均一溫度、激光拉曼的測(cè)試由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。包裹體均一溫度采用THMS600型冷熱臺(tái)，溫度范圍為－196～600 ℃，30℃以下測(cè)試精度為±0.2 ℃，30 ℃以上測(cè)試精度為±2 ℃；激光拉曼探針測(cè)試采用法國(guó)生產(chǎn)的LabRam HR激光共焦顯微拉曼光譜儀，配置532 nm激光，分析誤差±0.65波數(shù)，光譜范圍為100～4 000 cm－1。

熱液石英脈內(nèi)流體揮發(fā)分化學(xué)組成分析由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源中心完成。采用真空在線加熱質(zhì)譜法，首先將礦物樣品置于200 ℃條件下真空去氣2 h，以去除顆粒表面及縫隙內(nèi)的吸附氣，后對(duì)樣品800 ℃加熱1 h，釋放出的揮發(fā)分通過(guò)液氮冷井收集，再經(jīng)加熱過(guò)程進(jìn)入MAT 271質(zhì)譜，通過(guò)計(jì)算獲得流體揮發(fā)分的化學(xué)組成及含量。組分提取裝置及詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟見本文參考文獻(xiàn)[28]。CO2和CO等主要揮發(fā)分測(cè)量相對(duì)誤差小于1%，H2O的測(cè)量誤差小于5%。

圖1 松遼盆地構(gòu)造剖面、地層及取樣井位置圖

圖2 基底石英脈體及巖心微觀照片

流體包裹體中CO2和烷烴碳同位素分析由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源中心完成。烷烴類碳同位素采用在線分步加熱氦載氣—分子篩—GC-C-MS方法測(cè)試完成，首先樣品在氦載氣200 ℃環(huán)境中加熱去氣2 h，以去除顆粒表面及縫隙內(nèi)的吸附氣，后在氦氣流中將樣品在800 ℃條件下加熱1 h，使礦物內(nèi)流體揮發(fā)分充分釋放，并利用分子篩—液氮體系收集釋出揮發(fā)分，后通過(guò)加熱過(guò)程將揮發(fā)分引入GC-C-MS系統(tǒng)進(jìn)行碳同位素測(cè)定。GCC-MS系統(tǒng)使用C-2000型毛細(xì)管柱進(jìn)行組分的分離，氦載氣流速為4 mL/min，柱升溫范圍為15～200 ℃，升溫速率為15 ℃/min；分離的組分經(jīng)燃燒系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為CO2，進(jìn)入Delta Plus XP穩(wěn)定同位素質(zhì)譜計(jì)測(cè)量碳同位素組成。δ13C采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，分析精度為±0.5‰，詳細(xì)分析步驟見本文參考文獻(xiàn)[28]。

流體包裹體中氫同位素測(cè)試由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。首先將石英顆粒在600 ℃真空加熱15 min，釋放流體包裹體中的水，然后在800 ℃下與鉻還原反應(yīng)將水轉(zhuǎn)化為氫進(jìn)行氫同位素測(cè)試[29]，測(cè)試精度為±2%。

石英氧同位素測(cè)試工作由北京核工業(yè)研究所完成，將石英顆粒與BrF5在500～600 ℃條件下反應(yīng)14 h，將石英中的氧轉(zhuǎn)化為二氧化碳，進(jìn)行石英氧同位素測(cè)試，測(cè)試精度為±0.2%。流體包裹體中的氧同位素通過(guò)平衡方程，利用石英氧同位素計(jì)算得出[30]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 流體包裹體巖相學(xué)特征

石英脈體中包裹體主要為原生流體包裹體，極少量為次生包裹體。激光拉曼探針對(duì)原生包裹體測(cè)試顯示，包裹體一共有3種類型（圖3）：H2O包裹體、H2O—CO2包裹體和H2O—CO2—CH4包裹體。H2O包裹體幾乎在所有樣品里都可以見到，大小介于2～15 μm，主要為兩相H2O包裹體（液態(tài)H2O＋氣態(tài)H2O）（圖3-a）。H2O—CO2包裹體分布廣泛，大小介于4～20 μm，形狀不規(guī)則，包括液態(tài)H2O＋氣態(tài)（CO2＋H2O）兩相包裹體（圖3-b）和液態(tài)H2O＋液態(tài)CO2＋氣態(tài)CO2三相包裹體（圖3-c），CO2體積變化較大，占比介于30%～70%。H2O—CO2—CH4包裹體在ZS3-1樣品中最為常見，其他樣品少量出現(xiàn)，形狀大小與H2O—CO2包裹體類似，主要是液態(tài)H2O＋氣態(tài)（CO2＋CH4）兩相包裹體（圖3-d）。

3.2 化學(xué)組成

石英脈中原生流體包裹體的化學(xué)成分組成如表1所示。不同類型包裹體成分差別較大。摩爾體積百分含量最高的組分為CO2，介于71.6%～89.1%，其 次 是 N2（4.0%～7.6%）、CH4（2.0% ～ 11.1%）、H2（0～5.1%）。CO 只 在 ZS3-1、ZS3-2、ZS3-3和CS5-1等樣品中可見，O2和C2H6含量很低。

圖3 基底石英脈體中流體包裹體特征圖

3.3 流體包裹體中流體的碳、氫、氧同位素特征

表1 石英脈中原生流體包裹體中揮發(fā)份及碳同位素組成表

表2 石英脈氧同位素值與流體包裹體中水的氧、氘同位素值統(tǒng)計(jì)表

4 討論

4.1 石英脈成因

石英是自然界中普遍存在的礦物之一，石英的形成條件簡(jiǎn)單，成因多樣。巖漿熱液、變質(zhì)熱液、地層水、大氣水等流體在一定條件下都可以結(jié)晶析出石英。松遼盆地基底中石英脈形成在巖石裂縫中，具有典型晚期充填特征。脈體內(nèi)原生包裹體的均一溫度介于320～360 ℃（表2），均一溫度較高，基本可以排除了大氣水和地層水的形成環(huán)境。石英的氧同位素值通常能夠保存其形成地質(zhì)環(huán)境的相關(guān)信息，可以作為石英成因的指示劑，石英形成溫度越高，氧同位素值越低。如花崗巖中石英的氧同位素值介于6.4‰～12.5‰，頁(yè)巖中的石英氧同位素值介于15.1‰～23.9‰[31]。筆者研究的石英氧同位素值介于8.1‰～9.5‰，與巖漿和變質(zhì)作用形成的石英一致（圖4）。所有石英脈樣品采自松遼盆地基底的花崗質(zhì)巖石中，花崗質(zhì)巖石未發(fā)生明顯的變質(zhì)作用和混合巖化作用（圖2），變質(zhì)熱液形成石英的可能性較小，石英脈是巖漿熱液的產(chǎn)物。

圖4 不同類型巖石中石英和基底石英脈氧同位素值對(duì)比圖

4.2 石英脈中原生流體包裹體內(nèi)水和無(wú)機(jī)氣的成因

流體包裹體內(nèi)流體包括H2O、CO2、CH4、C2H6、CO、H2、N2、O2、Ar。流體成分以H2O 為主，其次為CO2，烷烴和其他氣體含量較低。氧、氘同位素能很好指示熱液流體成因[32]，氧、氘同位素值可以通過(guò)對(duì)與甲烷共生水的實(shí)驗(yàn)分析和計(jì)算得到（表2），從表2和圖5可以看出，石英脈中水的δ18O和δD變化范圍較小，投影點(diǎn)落在巖漿排氣后殘余水附近（圖5），說(shuō)明流體的來(lái)源與晚期巖漿熱液作用有關(guān)，這與石英脈氧同位素分析結(jié)果一致（圖4）。熱液流體中δ13C1介于－30.6‰～－24.1‰，絕大部分樣品大于有機(jī)與無(wú)機(jī)的界限值－30‰[5,8]；δ13C2介于－33.2‰～－25.7‰，且δ13C1＞δ13C2，呈現(xiàn)典型的負(fù)碳同位素系列特征（圖6），屬于無(wú)機(jī)成因烷烴氣。CO2的δ13C變化范圍較大，介于－13.8‰～－9.7‰，與長(zhǎng)白山天池和五大連池火山區(qū)排放CO2的δ13C可以類比[33]，屬于無(wú)機(jī)成因CO2。

圖5 石英脈原生流體包裹體中水的δ18O—δD相關(guān)圖

圖6 石英脈原生流體包裹體中烷烴氣的碳同位素組成系列圖

4.3 基底石英脈中無(wú)機(jī)成因氣的指示意義

前人提出松遼盆地?zé)o機(jī)成因氣（幔源/殼源）沿著盆地深大斷裂向淺部運(yùn)移聚集的觀點(diǎn)主要基于兩點(diǎn)：①松遼盆地深層具有無(wú)機(jī)特征的天然氣分布與深大斷裂關(guān)系密切[7]；②地球物理資料顯示松遼盆地下部存在殼源巖漿房[5]。中生代晚期—新生代，受巖石圈拉張減薄和太平洋板塊俯沖影響，東北地區(qū)火山活動(dòng)依然比較活躍。如，盆地內(nèi)部青山口組見有火山巖夾層，40Ar/39Ar年齡為距今88 Ma[34]；營(yíng)城組火山巖中發(fā)育晚白堊世熱液活動(dòng)脈體，K/Ar年齡為距今73 Ma[35]。松遼盆地周緣還發(fā)育雙遼、伊通、五大連池等新生代幔源巖漿活動(dòng)，五大連池泉水中含有CO2、H2和CH4等氣體的δ13C和稀有氣體同位素均具有幔源—巖漿特征[36]，這些都說(shuō)明，在營(yíng)城組火山活動(dòng)之后，松遼盆地及周緣仍發(fā)生過(guò)頻繁的巖漿活動(dòng)。巖漿熱液流體沿著深大斷裂向盆地內(nèi)部運(yùn)移聚集，在盆地基底裂縫中形成了石英脈體，與此相伴生的無(wú)機(jī)成因氣則向盆地內(nèi)部聚集。然而，一直沒(méi)有確鑿證據(jù)證明深部無(wú)機(jī)氣能夠向淺部運(yùn)移。盡管許多學(xué)者利用天然氣藏中烷烴組成和碳同位素判斷無(wú)機(jī)成因氣的存在，但很多因素都可以導(dǎo)致碳同位素部分倒轉(zhuǎn)，諸如：①非生物成因氣[5-6,9]；②不同成因天然氣混合，包括有機(jī)氣與無(wú)機(jī)氣、油型氣與煤成氣、熱成因與生物成因、同源但不同成熟度天然氣混合等[10,37-38]；③天然氣運(yùn)移或氣藏滲漏導(dǎo)致的碳同位素分餾[36]，不能簡(jiǎn)單運(yùn)用碳同位素部分倒轉(zhuǎn)判斷無(wú)機(jī)氣的存在。筆者收集了取樣井周圍具有碳同位素完全倒轉(zhuǎn)特征的天然氣地球化學(xué)數(shù)據(jù)，并與包裹體中甲烷和乙烷的碳同位素進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石英脈中烷烴與盆地內(nèi)碳同位素完全倒轉(zhuǎn)的烷烴具有相似特征（圖7），暗示兩者可能具有相同的成因，而且還能說(shuō)明C1—C4烷烴碳同位素完全倒轉(zhuǎn)可以作為無(wú)機(jī)成因氣的鑒定特征，這與前人的認(rèn)識(shí)一致[9-10]。

圖7 基底石英脈內(nèi)甲烷和乙烷碳同位素相關(guān)圖

松遼盆地作為一個(gè)典型斷坳雙層結(jié)構(gòu)盆地，斷陷期火山活動(dòng)非常頻繁，斷陷內(nèi)火石嶺組和營(yíng)城組被大量火山巖充填，但火山活動(dòng)時(shí)盆地沒(méi)有上覆地層，伴隨火山活動(dòng)而來(lái)的深部氣體無(wú)法保存形成氣藏。在盆地坳陷期，松遼盆地及周邊也發(fā)育多期火山活動(dòng)，深部巖漿侵入或噴出后，殘余巖漿熱液沿深大斷裂向上運(yùn)移，巖漿熱液中含有大量水、二氧化碳、無(wú)機(jī)烷烴以及其他稀有氣體，成為盆地深層內(nèi)無(wú)機(jī)天然氣的主要來(lái)源。熱液向上運(yùn)移經(jīng)過(guò)盆地基底，在基底裂縫中結(jié)晶形成石英脈體，并捕獲部分無(wú)機(jī)成因氣體，而其余大規(guī)模的無(wú)機(jī)氣體則沿著斷裂上升進(jìn)入斷陷期或坳陷期圈閉中，形成了無(wú)機(jī)二氧化碳?xì)獠鼗蛘邽橛袡C(jī)烷烴氣藏補(bǔ)充無(wú)機(jī)成因烷烴氣體（圖8）。然而，由于流體記錄中烷烴氣含量很低，這些無(wú)機(jī)烷烴氣能否單獨(dú)聚集成藏，需要進(jìn)一步研究。

圖8 松遼盆地深層無(wú)機(jī)成因氣運(yùn)聚模式圖

5 結(jié)論

1）松遼盆地基底裂縫中發(fā)育的石英脈體為巖漿期后熱液作用的產(chǎn)物，形成于營(yíng)城組火山活動(dòng)之后。石英脈中發(fā)育大量原生流體包裹體，其內(nèi)部流體為無(wú)機(jī)成因。

2）流體包裹體內(nèi)的水為巖漿脫氣殘余水，CO2和烷烴具有典型無(wú)機(jī)成因特征，烷烴與深層具有完全倒轉(zhuǎn)碳同位素系列的天然氣具有同源性。

3）晚白堊世末期，松遼盆地基底之下的巖漿期后熱液攜帶無(wú)機(jī)氣體沿深大斷裂向上運(yùn)移，在基底裂縫中形成石英脈體并捕獲相應(yīng)的無(wú)機(jī)氣體，其余無(wú)機(jī)氣體則向上運(yùn)移注入盆地氣藏圈閉，為天然氣藏的形成做出了貢獻(xiàn)。