張銅磊，陳踐發(fā)，朱德豐，趙興齊

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249;2.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;3.大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

海拉爾－塔木查格盆地中部斷陷帶CO2氣藏中CO2成因分析

張銅磊1，2，陳踐發(fā)1，2，朱德豐3，趙興齊1，2

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249;2.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;3.大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

以海拉爾－塔木察格盆地中部斷陷帶CO2氣藏中的CO2為研究對象，通過組分分析、碳同位素及氦、氬同位素分析，結(jié)合研究區(qū)CO2含量和同位素?cái)?shù)據(jù)及他人研究成果，利用排除法探討研究區(qū)CO2的成因及來源。結(jié)果表明：研究區(qū)CO2平均含量大于85%，CO2穩(wěn)定碳同位素偏輕，δ13CCO2為－13.1‰～－8.8‰，為目前已發(fā)現(xiàn)的具有較為特殊碳同位素組成特征的CO2氣藏;盡管CO2穩(wěn)定碳同位素偏輕，但通過排除法可以證明該區(qū)CO2為無機(jī)成因氣的結(jié)論最為合理，且CO2應(yīng)來源于上地幔巖漿脫氣。

海拉爾－塔木察格盆地;中部斷陷帶;二氧化碳;成因;排除法

在海拉爾－塔木查格盆地的油氣勘探中，發(fā)現(xiàn)了許多高含CO2的天然氣氣藏。盆地中CO2的成因、分布規(guī)律和成藏特征受到了油氣地質(zhì)工作者的極大關(guān)注［1］。然而，研究區(qū)CO2氣藏中的CO2碳同位素值普遍小于 －10‰，而 CO2含量平均高達(dá)85%，這在國內(nèi)外所發(fā)現(xiàn)的CO2氣藏中較為獨(dú)特。自然界中CO2的來源有兩種，即有機(jī)成因和無機(jī)成因，也要考慮混合成因。筆者利用排除法分析研究區(qū)CO2的成因及來源。

1 地質(zhì)背景

海拉爾－塔木察格盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾盟西南部，東起伊敏河，西達(dá)呼倫湖西岸及巴彥呼舒一線，北至海拉爾河以北，南至貝爾湖并向南延伸入蒙古人民共和國境內(nèi)塔姆察格盆地［2］。地理位置處于東經(jīng) 115°30'～120°00'，北緯 46°00'～49°40'，總面積達(dá)67670 km2，在中國境內(nèi)面積為40550 km2。盆地內(nèi)部平坦，大部分被第四系覆蓋，海拔在600～700 m，大體呈東高西低趨勢。

海拉爾－塔木察格盆地是在內(nèi)蒙－大興安嶺晚古生代基底上發(fā)育起來的中－新生代多旋回、疊合式、斷陷－坳陷型盆地，其中中國境內(nèi)的海拉爾盆地可劃分為“三坳兩隆”5個(gè)一級構(gòu)造單元，進(jìn)一步劃分為16個(gè)凹陷、4個(gè)凸起，共20個(gè)二級構(gòu)造單元，凹陷面積為25260 km2。塔木察格盆地所發(fā)現(xiàn)的2個(gè)主要凹陷，即巴音博德－桑布爾凹陷和塔木察格凹陷，實(shí)際是海拉爾盆地的呼和湖凹陷和查干諾爾凹陷往蒙古國的延伸部分，因此塔木察格盆地與海拉爾盆地在形成原因、構(gòu)造模式、演化歷史、地層發(fā)育以及沉積巖性等方面幾乎是完全相同的，其中盆地的中部斷陷帶為重點(diǎn)勘探地區(qū)(圖1)。

圖1 海拉爾－塔木察格盆地中部斷陷帶位置Fig.1 Location of the middle fault zone in Hailaer-Tamtsag Basin

海拉爾－塔木察格盆地基底為海西－印支期花崗巖以及布達(dá)特群，蓋層充填自下而上依次為下白堊統(tǒng)興安嶺群，扎賚諾爾群的銅缽廟組、南屯組、大磨拐河組、伊敏組，上白堊統(tǒng)貝爾湖群的青元崗組及古近系、新近系。海拉爾盆地沉積厚度超過6 km，塔木察格盆地總厚度為4～5 km(圖2)。

南屯組和大磨拐河組為海拉爾盆地主要的烴源層，銅缽廟組和布達(dá)特群為局部烴源層。母質(zhì)類型較差，主要為Ⅱ型，其次為Ⅲ型，其中南屯組Ⅰ+Ⅱ型達(dá)70%。儲層主要分布在南屯組和大磨拐河組，其次為銅缽廟組。巖性主要為砂巖，次為砂礫巖及變質(zhì)巖和泥巖裂縫①華北石油恒業(yè)技術(shù)服務(wù)中心.烏爾遜－貝爾凹陷構(gòu)造特征與油氣富集規(guī)律.大慶油田有限責(zé)任公司勘探分公司(內(nèi)部報(bào)告)，2003.。塔木察格盆地同樣具有兩套主要的烴源巖，即上侏羅—下白堊統(tǒng)查干組頁巖段湖相深灰、黑色泥巖和下白堊統(tǒng)下宗巴音組淺湖相灰、灰褐色泥巖、頁巖②蒙古國塔木察格盆地勘探開發(fā)潛力與經(jīng)濟(jì)評價(jià).大慶油田有限責(zé)任公司勘探分公司(內(nèi)部報(bào)告)，2004.。

圖2 海拉爾盆地地層綜合柱狀圖(大慶研究院，2006)Fig.2 Synthetic histogram of formations in Hailaer-Tamtsag Basin(Daqing Research Institute，2006)

海拉爾－塔木查格盆地是在古生代褶皺基底上發(fā)展而成的中新生代拉張伸展型盆地。中生代早期受華力西運(yùn)動高地溫場的影響，引起上地幔物質(zhì)上隆產(chǎn)生斷裂;早－中侏羅世時(shí)期受燕山運(yùn)動的影響，區(qū)內(nèi)斷裂活動加劇，晚侏羅世－早白堊世時(shí)期，在張應(yīng)力作用下，在古構(gòu)造基礎(chǔ)上形成了海拉爾盆地下部沉積蓋層。在斷陷孕育和早期的拉張階段始終伴隨著強(qiáng)烈的火山活動和巖漿沿著深大斷裂帶的侵入，侏羅世時(shí)期這種強(qiáng)烈的巖漿和斷裂活動，一方面提供了CO2通道，含有大量CO2的巖漿沿深大斷裂由深部上涌，并由于壓力降低釋放出CO2。氣體繼續(xù)沿深大斷裂向上運(yùn)移至淺部的有利圈閉中聚集成藏。整個(gè)盆地到早白堊世后期應(yīng)力場表現(xiàn)為左旋壓扭，在這種應(yīng)力場作用下，早期為CO2運(yùn)移通道的深大斷裂以擠壓為主，這種早期以張性為主、晚期具有擠壓性質(zhì)的斷裂，在圈閉形成時(shí)，對于油氣的保存無疑又起到遮擋作用，對CO2的運(yùn)移和聚集成藏十分有利［3］。

2 CO2氣藏分布

到目前在海拉爾－塔木查格盆地中部斷陷帶已發(fā)現(xiàn)3個(gè)高CO2富集區(qū)，分別為蘇仁諾爾斷裂構(gòu)造帶、烏南洼槽和巴彥塔拉斷裂構(gòu)造帶。其中蘇仁諾爾斷裂構(gòu)造帶是最富集CO2的區(qū)塊，先后發(fā)現(xiàn)了蘇2、蘇3等7口高含 CO2氣井，CO2平均含量大于90%;烏南洼槽地區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)了1口高含CO2的氣井，即烏208－54;巴彥塔拉斷裂構(gòu)造帶發(fā)現(xiàn)了2口高含CO2的氣井，烏10和烏13井，CO2平均含量大于85%(圖3)。

圖3 海－塔盆地中部斷陷帶CO2富集區(qū)塊Fig.3 Sketch map of blocks with high content of CO2 in middle fault zone of Hailaer-Tamtsag Basin

3 與國內(nèi)外無機(jī)成因CO2氣藏形成條件對比

含二氧化碳的天然氣遍布全球，但高含CO2的天然氣主要分布在地幔隆起區(qū)、火山巖漿活動區(qū)、斷裂系十分發(fā)育的地殼活動區(qū)、地?zé)岙惓５奶妓猁}巖分布區(qū)、油氣富集區(qū)和含煤盆地中。目前，全球已發(fā)現(xiàn)的高含二氧化碳天然氣主要分布在環(huán)太平洋國家和地區(qū)。這是由于自中—新生代以來，環(huán)太平洋地區(qū)火山、巖漿、斷裂活動十分頻繁，所以目前在環(huán)太平洋的國家和地區(qū)，如日本、中國東部、南中國海、印度尼西亞、新西蘭、菲律賓、越南、泰國、馬來西亞、澳大利亞、墨西哥、美國和加拿大等均發(fā)現(xiàn)了高含CO2的天然氣氣田(藏)群(帶)。

綜觀無機(jī)CO2氣田(藏)在全球的分布情況及地質(zhì)、地球化學(xué)背景，可以發(fā)現(xiàn)諸多可循的規(guī)律［4］。研究區(qū)無機(jī)CO2氣藏的形成地質(zhì)條件大多符合這些規(guī)律。

(1)CO2生成帶與火山巖活動帶有關(guān)。研究區(qū)的CO2氣井均分布于沿區(qū)域性深斷裂展布的花崗巖分布區(qū)及其附近，這說明沿花崗巖分布帶由構(gòu)造運(yùn)動引起的巖漿侵入或火山巖噴發(fā)是研究區(qū)無機(jī)CO2的主要成氣時(shí)期。著名的墨西哥坦皮哥、美國洛基山東麓、意大利西西里島和中國的東部中—新生代陸相盆地發(fā)現(xiàn)的高含CO2氣藏區(qū)，均是巖漿活動區(qū)。已發(fā)現(xiàn)的CO2氣藏和古代火山口或巨大的巖漿侵入體距離很近。有的氣藏下面就是侵入體，有的則距火山口僅幾公里遠(yuǎn)。

(2)CO2的聚集與深大斷裂帶的展布關(guān)系密切。CO2的分布明顯地受控于區(qū)域性大斷裂。斷裂的作用主要是控制CO2氣藏成帶出現(xiàn)和形成斷層遮擋的CO2氣藏。研究區(qū)的所有CO2氣藏均直接或間接與深大斷裂溝通，這表明研究區(qū)CO2氣藏的形成與深大斷裂密切相關(guān)③陳踐發(fā)，唐友軍，張銅磊.海拉爾—塔木察格盆地中部斷陷帶CO2氣成因與成藏控制因素研究.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院(內(nèi)部報(bào)告)，2009.。亞利桑納黑彌撒盆地的CO2氣田中的CO2就是來源于沿北西向斷層運(yùn)移來的深部火山巖漿。中國東部松遼盆地［5］、渤海灣盆地［6］、蘇北盆地［7］、三水盆地［8］和南海北部大陸架邊緣盆地［9］等均發(fā)現(xiàn)了高含CO2的天然氣藏，且大都為巖漿-幔源成因，這些CO2氣藏的聚集大都與斷層或巖脈伴生，或者附近有巖漿侵入或火山活動［9－11］，表明巖漿活動和斷裂分布特征是控制這些地區(qū)CO2形成和聚集成藏的主要因素。

(3)富含CO2氣藏往往與地?zé)崃髦递^大和地溫梯度較高的含油氣盆地有關(guān)。熱流值大于1.3 HFU，地溫梯度大于3.5℃/(100 m)的高熱—熱構(gòu)造區(qū)帶是無機(jī)CO2發(fā)育的有利區(qū)。如鶯歌海盆地東方1－1氣田，其二氧化碳?xì)獠責(zé)崃髦岛芨撸販靥荻冗_(dá)4.49～4.79℃/(100 m)。海拉爾－塔木查格盆地在中新生代經(jīng)歷了強(qiáng)烈的伸展活動和多期的巖漿作用，盆地古莫霍面的形態(tài)起伏較大，基本上呈北東向和北北東向展布，在巴彥山－貝爾凹陷等莫霍面隆起，莫霍面隆起上伴有高低溫度梯度異常(如烏爾遜凹陷北部古地溫梯度為4.84℃/(100 m)，南部古地溫梯度為5.12℃/(100 m)，為無機(jī)成因CO2的發(fā)育創(chuàng)造了條件。

(4)富含CO2天然氣聚集區(qū)與地?zé)崃髦递^大和地溫梯度較高的碳酸鹽巖分布區(qū)有關(guān)。

(5)富含CO2的天然氣也往往聚集于含煤盆地。海拉爾－塔木查格盆地屬于典型的中生代聚煤盆地。

(6)CO2氣藏主要形成于中、新生代。研究區(qū)CO2主要成藏期在燕山期－伊敏組沉積末期。

(7)CO2的儲集巖主要是海相灰?guī)r，其次是砂巖。海塔盆地中部斷陷帶儲層主要分布在南屯組，其次為銅缽廟組。巖性主要為砂巖，次為砂礫巖及變質(zhì)巖和泥巖裂縫。

4 CO2同位素組成特征及成因

4.1 CO2同位素組成特征

海－塔盆地中部斷陷帶CO2氣藏中各組分及碳、氫同位素組成特征見表1，稀有氣體氦、氬同位素組成特征見表2。

海－塔盆地中部斷陷帶CO2氣藏中CO2碳同位素值大多小于－10‰，CH4碳同位素值均小于－30‰，C2H6碳同位素值均小于－28‰。CO2氣藏中稀有氣體氦同位素值一般為大氣氦的1～1.5倍。

表1 海－塔盆地CO2氣藏中CO2及烴類氣碳同位素組成特征Table 1 Carbon isotope characteristic of CO2and hydrocarbon gas in CO2reservoir of Hailaer-Tamtsag Basin

表2 海－塔盆地CO2氣藏中氦、氬同位素組成特征Table 2 Isotoic composition of noble gas(helium，argon)in CO2reservoir of Hailaer-Tamtsag Basin

4.2 CO2成因探討

CO2碳同位素δ13CCO2是一種鑒別有機(jī)成因和無機(jī)成因 CO2的有效方法［12－19］：有機(jī)成因的 δ13CCO2值小于 －10‰，主要分布于－30‰～ －10‰;無機(jī)成因的 δ13CCO2值大于－8‰，主要分布于－8‰～3‰。無機(jī)成因CO2中，由碳酸鹽巖熱變質(zhì)形成的CO2的δ13CCO2接近于碳酸巖的δ13C值，為－3‰～3‰;火山－巖漿成因和幔源CO2的 δ13CCO2值大多為 －8‰ ～ －4‰［20］。

不同成因類型的CO2的含量及其碳同位素組合特征有明顯差異，據(jù)此可區(qū)分有機(jī)成因和無機(jī)成因CO2。宋巖根據(jù)國內(nèi)外已知的不同成因CO2的碳同位素組成及其對應(yīng)的天然氣中的CO2組分含量繪制的雙因素圖，可以很好地區(qū)分無機(jī)成因和有機(jī)成因的CO2

［21］。戴金星根據(jù)中國212個(gè)不同成因的CO2的含量，并利用澳大利亞、泰國、新西蘭、菲律賓、加拿大、日本和原蘇聯(lián)100多個(gè)不同成因CO2的δ13CCO2與對應(yīng)的CO2含量資料編繪了CO2成因鑒別圖版［20］。從整體上看，當(dāng)CO2含量小于15%，δ13CCO2＜－10‰時(shí)是有機(jī)成因二氧化碳;當(dāng)δ13CCO2≥－8‰都是無機(jī)成因二氧化碳;當(dāng)CO2含量大于60%時(shí)，其δ13CCO2值都高于－8‰，均屬于無機(jī)成因二氧化碳。

自然界中的大氣氦的w(3He)/w(4He)為1.40×10－6［22］;幔源氦 w(3He)/w(4He)為(1.1 ～ 2.0)×10－5，通常取 1.1 ×10－5作為表征值。典型殼源的 w(3He)/w(4He)平均值是(2 ～3) ×10－8［23］。大氣氬的w(40Ar)/w(36Ar)為295.5，上地幔的 w(40Ar)/w(36Ar)值分布范圍很廣，從接近大氣氬值的295.5到高達(dá)104;下地幔的w(40Ar)/w(36Ar)則遠(yuǎn)低于上地幔。

以上為判斷CO2成因最有效的幾種方法，然而利用這些方法判識研究區(qū)的CO2的成因時(shí)，卻無法得出合理的結(jié)論：研究區(qū)CO2碳同位素普遍小于－10‰，CO2含量普遍大于85%;僅以碳同位素可以判定研究區(qū)CO2為有機(jī)成因，若以CO2含量及CO2伴生稀有氣體He和Ar同位素特征判定，研究區(qū)CO2則為無機(jī)成因。

鑒于此，筆者嘗試?yán)门懦▉矸治鲅芯繀^(qū)的CO2成因。

4.2.1 假定研究區(qū)CO2為有機(jī)成因

有機(jī)成因CO2是指沉積有機(jī)質(zhì)(腐泥型和腐殖型)在成巖作用和深成熱解作用以及烴類氧化作用過程中生成的CO2。通常有機(jī)成因的CO2包括：①有機(jī)質(zhì)被氧化產(chǎn)生的CO2;②有機(jī)質(zhì)裂解生成的CO2;③有機(jī)質(zhì)熱降解生成的CO2;④有機(jī)質(zhì)微生物降解作用生成的CO2。

(1)有機(jī)物被氧化產(chǎn)生的CO2。有機(jī)質(zhì)在地下被礦物化溶液作用往往可生成CO2。Farmer［24］認(rèn)為，地下含烴沉積層如與礦化水接觸，則烴被氧化生成CO2。Barke等［25］認(rèn)為地下礦化水中的赤鐵礦(Fe2O3)可與烴類(CH4)作用生成CO2，其反應(yīng)方程為

他們通過熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著地層埋深增加，赤鐵礦和黃鐵礦以及甲烷含量減少，而磁鐵礦和二氧化碳含量增大。

由于這類成因的CO2主要是由地殼表層沉積有機(jī)質(zhì)氧化形成的，故其 δ13C值為 －20‰ ～ －10‰，其所含氦的w(3He)/w(4He)一般為10－8～10－6。

(2)有機(jī)質(zhì)裂解生成的 CO2。Cooles等［26］實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在250～360℃條件下，烴源巖加水裂解可產(chǎn)生大量的CO2，其反應(yīng)方程為

事實(shí)上，這一反應(yīng)中間過程經(jīng)過了許多復(fù)雜的化學(xué)作用［26］。Barker等［25］也進(jìn)行過類似的熱力學(xué)計(jì)算，認(rèn)為超深砂巖儲層(3.048～12.192 km)天然氣組分中CO2占有很重要的比重。

由于這類成因的CO2是有機(jī)質(zhì)在深部高溫條件下裂解生成的，其δ13C值一般為－15‰～－9‰，氦的w(3He)/w(4He)一般為10－8數(shù)量級。

(3)有機(jī)質(zhì)熱降解生成的CO2。有機(jī)質(zhì)特別是腐殖煤類，含氧官能團(tuán)豐富，CO2的產(chǎn)率相當(dāng)高。據(jù)計(jì)算［27］，從褐煤到無煙煤的整個(gè)熱演化作用過程中，1 kg煤能生成751 L的CO2。因此，有機(jī)質(zhì)特別是腐殖型干酪根的熱降解作用，常常是CO2的重要來源。

另外，有機(jī)質(zhì)在熱降解過程中能產(chǎn)生大的揮發(fā)性脂肪酸根離子，而這些酸根離子在熱力作用下可通過加氫而生成CO2：

由于這種成因的CO2是有機(jī)質(zhì)在較低溫度條件下(70～150℃)發(fā)生的熱降解產(chǎn)物之一，且發(fā)生在典型的沉積殼層中，故 δ13C值較小，一般為 －25‰ ～ －15‰;氦的 w(3He)/w(4He)為 10－8數(shù)量級。

(4)有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物降解作用生成的CO2。在低溫(＜70℃)條件下，微生物對有機(jī)質(zhì)的降解作用也可生成部分CO2。Pankina等［28］認(rèn)為由這種作用生成的CO2在油氣藏CO2中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，這類成因CO2的δ13C值較小，一般小于－20‰，氦的w(3He)/w(4He)為10－8數(shù)量級。

研究區(qū)主力烴源巖為大磨拐河組和南屯組，海拉爾盆地大磨拐河組熱演化程度具有南高北低的特點(diǎn)，海拉爾盆地北部絕大部分地區(qū)大磨拐河組烴源巖處于未成熟階段，海拉爾盆地南部大磨拐河組烴源巖普遍進(jìn)入低成熟生油階段，在烏爾遜凹陷西部凹陷中心部位大磨拐河組熱演化程度最高，大磨拐河組烴源巖進(jìn)入低成熟－成熟生油階段。南屯組熱演化程度同樣具有南高北低的特點(diǎn)，盆地北部絕大部分地區(qū)南屯組的RO小于0.7，地層溫度小于80℃，表明海拉爾盆地北部絕大部分地區(qū)南屯組烴源巖處于低成熟－成熟生油階段。海拉爾盆地南部凹陷南屯組的RO值及地層溫度普遍較高，RO值普遍可達(dá)0.7，最高可達(dá)1.3，地層溫度可達(dá)70～90℃，說明海拉爾盆地南部凹陷南屯組烴源巖普遍處于成熟生油階段，局部已處于高成熟生油階段④任戰(zhàn)利，蒲仁海.海拉爾盆地油氣富集規(guī)律及有利區(qū)帶預(yù)測研究.大慶油田有限責(zé)任公司勘探分公司(內(nèi)部報(bào)告)，2003.。研究區(qū)烴類氣中的甲烷同位素值均小于－30‰，乙烷同位素值大多小于－28‰，說明研究區(qū)的烴類氣為典型的油型氣(據(jù)表2)。以上研究資料表明，如果研究區(qū)的CO2為有機(jī)來源，那只能是有機(jī)質(zhì)熱降解成因。然而，目前國內(nèi)外均未發(fā)現(xiàn)含量較高的有機(jī)成因CO2，主要是由于CO2極易溶于水，低溫條件下生成的有機(jī)成因的CO2大量溶于水中、被水帶走而散失或因成巖作用而消耗掉，因而在天然氣中雖然普遍含有CO2，但其含量一般很低，CO2的含量一般小于20%⑤宋巖，柳少波.松遼盆地含CO2天然氣成藏機(jī)制與分布規(guī)律研究.大慶油田有限責(zé)任公司勘探分公司(內(nèi)部報(bào)告)，2008.。

程有義［29］指出，有機(jī)成因的CO2在含油氣盆地很普遍，但是一般不能成為含油氣盆地CO2氣藏的有效氣源。Hunt［30］提到有機(jī)成因CO2是指沉積有機(jī)質(zhì)(腐泥型和腐殖型)在成巖作用和深成熱解作用以及烴類氧化作用過程中生成的CO2。但是，除在熱演化初期及腐殖型有機(jī)質(zhì)在深成熱解作用階段前后產(chǎn)生較多的CO2外，有機(jī)成因CO2多是以低含量形式伴隨有機(jī)烷烴氣的生成而產(chǎn)生的。戴金星等［31］對中國1 266個(gè)天然氣樣品的研究表明，有1198個(gè)樣品中含有不等量的CO2，其中含量低于2%的樣品占68%，絕大部分樣品的CO2含量低于12%，這些CO2主要是有機(jī)成因的，它們難以形成工業(yè)聚集。

通過以上學(xué)者對國內(nèi)外CO2的研究分析，結(jié)合研究區(qū)CO2含量和伴生稀有氣體He和Ar同位素特征，可以斷定研究區(qū)CO2為有機(jī)成因來源的假設(shè)是不成立的(表3)。

表3 研究區(qū)CO2氣與典型有機(jī)、無機(jī)成因CO2氣判識指標(biāo)對比Table 3 Identification criterions of CO2in researching region comparing with typical organic CO2and inorganic CO2

4.2.2 假定研究區(qū)CO2為無機(jī)成因

無機(jī)成因又可分為地幔－巖漿成因和巖石化學(xué)成因。其中地幔－巖漿成因CO2又可進(jìn)一步分為上地幔巖漿脫氣和中下地殼或消減帯上地幔楔形體中的巖石熔融脫氣。巖石化學(xué)成因包括碳酸鹽巖熱分解成因和巖石中的碳酸鹽巖礦物的熱分解成因。

戴金星等［32］指出，巖漿－火山成因的CO2和地幔成因的CO2在天然氣中含量往往很高。幔源巖漿中富含H2O、CO2等揮發(fā)組分，已為地球表層各種方式的脫氣作用和幔源巖漿包體中賦存的大量含CO2的流體包裹體所證實(shí)，如科拉帕克活火山在噴發(fā)期每年釋放出109m3的CO2，中國東部中新生代伸展盆地帶以及現(xiàn)代構(gòu)造巖漿活動區(qū)，如五大連池、廣東平遠(yuǎn)及云南騰沖等，均有幔源－巖漿成因CO2產(chǎn)出［20］。程有義［29］認(rèn)為只有未脫氣地幔巖漿作用提供的CO2氣源才具有形成高純CO2氣藏的可能性。唐忠馭［33］指出，已知的巨大的天然CO2氣田中的CO2主要來源于巖漿活動及碳酸鹽巖熱分解。朱岳年［4］指出，天然氣中高濃度CO2往往是無機(jī)成因的，且通常產(chǎn)在火山巖漿巖發(fā)育地區(qū)，地?zé)岙惓８叩奶妓猁}巖分布區(qū)及有熱水伴生的以鈣質(zhì)膠結(jié)為主的砂巖分布區(qū)、煤田區(qū)及油氣聚集區(qū)。

區(qū)域地質(zhì)資料表明研究區(qū)前興安嶺群發(fā)育碳酸鹽巖，由碳酸鹽巖分解生成CO2的δ13CCO2值一般分布在 －3.7‰ ～3.7‰，而研究區(qū) δ13CCO2值位于 －8.2‰～－13.1‰，相差甚大，因此可以排除研究區(qū)CO2來自于碳酸鹽巖分解的可能性。

綜合其他學(xué)者對CO2的研究成果和研究區(qū)CO2氣藏中CO2的含量及伴生稀有氣體同位素的組成特征，可以判定：研究區(qū)CO2若為無機(jī)成因，則應(yīng)來源于上地幔巖漿脫氣，唯有CO2碳同位素值不符合無機(jī)氣的標(biāo)準(zhǔn)。因此暫認(rèn)為研究區(qū)CO2來源為無機(jī)成因(表3)。

4.2.3 假定研究區(qū)CO2為有機(jī)無機(jī)CO2混合成因

研究區(qū) δ13CCO2值分布于 －8.2‰ ～ －13.1‰，若該CO2碳同位素值為有機(jī)CO2和無機(jī)CO2混合的結(jié)果，那研究區(qū)的CO2理論上就應(yīng)該存在2種混合模式：①有機(jī)成因CO2與變質(zhì)成因CO2混合模式;②有機(jī)成因CO2與幔源－巖漿成因CO2混合模式。

變質(zhì)成因CO2來自碳酸鹽巖和碳酸鹽礦物的動力變質(zhì)、接觸變質(zhì)和區(qū)域變質(zhì)作用。接觸變質(zhì)源于巖漿巖對圍巖的熱作用。中國東部伸展盆地中主要發(fā)育基性及中基性巖，它們或以火山巖形式噴出地表，熱能急速釋入大氣，或沿?cái)嗔褞纬蓭r墻及巖席等，所能產(chǎn)生的接觸變質(zhì)作用一般很弱且影響范圍小。動力變質(zhì)作用主要發(fā)育于壓性及壓扭性構(gòu)造帶，多與韌性剪切作用有關(guān)，而張性構(gòu)造區(qū)動力變質(zhì)作用弱。中國東部伸展盆地雖存在走滑作用，產(chǎn)生局部的壓應(yīng)力效應(yīng)，但總的構(gòu)造背景是張性，難以形成大量的動力變質(zhì)成因CO2。區(qū)域變質(zhì)作用多發(fā)育于擠壓造山帶，顯然，以伸展作用為主的中國東部在中、新生代不具備區(qū)域變質(zhì)作用條件［34］。Irwint和Barnes［35］對全球CO2分布特點(diǎn)與構(gòu)造活動性關(guān)系的研究表明，變質(zhì)成因CO2多發(fā)育于擠壓構(gòu)造背景，張性構(gòu)造區(qū)則主要形成慢源－巖漿成因CO2，中國2類CO2的分布與此一致。

海拉爾－塔木查格盆地屬于典型的伸展型盆地，因此既不具備形成大量變質(zhì)成因CO2的條件，更不具備這類CO2大規(guī)模聚集成藏的條件。

因此可以判定，研究區(qū)CO2若為有機(jī)無機(jī)CO2混合成因，那只能是有機(jī)成因CO2與幔源－巖漿成因CO2混合的結(jié)果。

應(yīng)用混合模式進(jìn)行碳同位素計(jì)算，關(guān)鍵在于選取合理的有機(jī)成因的δ13CCO2值和無機(jī)成因的δ13CCO2值進(jìn)行模擬計(jì)算。

前面已經(jīng)提到，研究區(qū)有機(jī)CO2應(yīng)主要來源于有機(jī)物熱降解作用，無機(jī)CO2應(yīng)源于上地幔巖漿脫氣作用。依據(jù)表3，選取研究區(qū)有機(jī)CO2的δ13C值為－18‰(有機(jī)質(zhì)熱解成因CO2的平均值)，無機(jī)成因CO2的δ13C值為－6‰(平均值)。依據(jù)表1，選取研究區(qū)混合后的CO2的δ13C值為－11‰(平均值)。根據(jù)Peters等(2004)兩個(gè)端元混合的同位素值計(jì)算公式：

δ13CCO2=δ13CAx+δ13CB(1－x).

式中，x為整個(gè)CO2中有機(jī)成因CO2所占的比例，1－x即為無機(jī)成因CO2所占的比例;δ13CA為有機(jī)成因CO2的碳同位素值，δ13CB為火山－幔源成因CO2的碳同位素值;δ13CCO2為混合后CO2的碳同位素值。

將數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得出x=36%，這表示研究區(qū)CO2氣藏若為有機(jī)、無機(jī)CO2混合來源，其中有機(jī)成因的CO2要達(dá)到氣藏中CO2總體積的36%，才能使氣藏的二氧化碳碳同位素值達(dá)到現(xiàn)在的實(shí)測值。而前面已經(jīng)提到，國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)含量較高的有機(jī)成因CO2氣藏。因此研究區(qū)CO2有機(jī)、無機(jī)混合成因的假設(shè)也是不成立的。

通過以上討論，可以判定研究區(qū)CO2為無機(jī)成因，源于地幔巖漿脫氣作用。而CO2碳同位素值普遍偏低的原因，很可能是母源(地幔和巖漿)本身碳同位素值偏低的緣故。

5 結(jié)論

(1)海拉爾－塔木查格盆地中部斷陷帶發(fā)現(xiàn)多個(gè)CO2氣藏，CO2平均含量高達(dá)85%，而CO2碳同位素值普遍小于－10‰，這是目前國內(nèi)外所發(fā)現(xiàn)的CO2氣藏中獨(dú)特的一例。

(2)研究區(qū)CO2為無機(jī)成因，來源于上地幔巖漿脫氣作用。至于CO2具有較低的碳同位素值，可能是產(chǎn)氣母源(地幔和巖漿)本身碳同位素值偏低的緣故。

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Genetic analysis of CO2in CO2gas reservoirs of middle fault zone of Hailaer-Tamtsag Basin

ZHANG Tong－lei1，2，CHEN Jian－fa1，2，ZHU De－feng3，ZHAO Xing－qi1，2
(1.College of Geosciences in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China;3.Exploration and Development Research Institute，Daqing Oilfield，Daqing 163712，China)

Based on the research of the CO2gas reservoir in the middle fault zone of Hailaer－Tamtsag Basin，the origin of CO2was researched using the exclusive method by composition analysis of carbon，helium and argon isotope，data of CO2amount and the research achievements of CO2gas by the scholars.The results show that the average content of CO2in the study area is more than 85%，and the value of the δ13CCO2ranges from －13.1‰ to －8.8‰.With the characteristic of light δ13CCO2，the gas reservoir is the scarce one with a special isotopic composition.Though carbon isotopic value is relatively light，the origin of CO2still can be identified as upper－mantle gas degassed from magma.

Hailaer－Tamtsag Basin;middle fault zone;CO2gas;origin;exclusive method

TE 132.1

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.02.011

1673－5005(2012)02－0068－08

2011－10－03

大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)院資助項(xiàng)目(2007－JS－10435)

張銅磊(1983－)，男(漢族)，天津人，博士研究生，從事油氣藏形成機(jī)制與分布規(guī)律研究。

(編輯 劉為清)