中国东部多圈层相互作用与地质资源效应

Interactions of multiple spheres and geological resource effects in eastern China

摘要

受西太平洋板块俯冲、深大断裂发育、岩浆火山活动等深部地质作用影响,中国东部裂谷盆地发育广泛的深部流体活动,流体携带大量深部物质和能量从深部圈层向浅表圈层运移,触发多圈层相互作用,对盆地无机甲烷、氢气、氦气、地热等资源的富集产生显著的影响。东部不同盆地深部地质背景具有显著的差异,松辽盆地处于拆沉的深部结构环境,渤海湾盆地受俯冲和碳酸盐化岩浆作用影响,苏北盆地处于俯冲后撤相关的弧后减压熔融背景,南海海域莺歌海等盆地则受深大断裂、底辟等作用影响显著。火山岩加热释气表明玄武岩中以CO₂、SO₂、N₂等为主,含有少量CH₄、He等;地幔橄榄岩中含有较多的CH₄、H₂、He等;它们分别代表地壳和地幔圈层来源地质资源类型。从莺歌海、苏北、渤海湾至松辽盆地,无机气体从以CO₂为主逐渐变为含有较多的无机CH₄、H₂等组分。除莺歌海盆地之外,³He/⁴He比值普遍大于1 R_a,表明受地幔圈层流体影响较为显著。南海海域盆地氦气含量相对较低,多数低于100×10^-6(体积分数),以壳源氦为主;苏北、渤海湾、松辽盆地部分气藏中氦气含量较高,其中黄桥气藏达1.42%,花沟气藏达3.08%,幔源氦气贡献较大。松辽盆地有一定量的无机甲烷的贡献。松辽盆地和渤海湾盆地氢气以幔源来源、水岩反应、放射性水分解氢气为主。基于深部地质作用背景、断裂发育、火山活动、储层、盖层与保存条件等,优选松辽盆地长岭、徐家围子和林甸断陷深部火石岭组火山岩层系、渤海湾盆地济阳坳陷博兴洼陷为无机CH₄、H₂和He富集有利区,苏北盆地金湖、溱潼、溪桥构造为氦气有利富集区域;评价优选渤海湾盆地济阳坳陷为东部地区地热有利利用区域,发育新生界馆陶组至沙河街组砂岩、下古生界碳酸盐岩和太古宇变质岩潜山等多套热储;在孤东潜山评价部署科学探井并探索深部地热、油气、氢气、氦气等资源。

Abstract

The rift basins in eastern China have experienced extensive deep fluid activities, driven by deep geological processes such as the subduction of the western Pacific plate, the development of deep faults, and magmatic-volcanic activities. These fluids transport abundant deep-seated materials and energy upward, triggering multi-sphere interactions and significantly influencing the enrichment of geological resources such as inorganic methane, hydrogen, helium, and geothermal energy. The deep geological settings vary significantly among the eastern basins: the Songliao Basin is in a delamination tectonic environment; the Bohai Bay Basin is influenced by subduction and carbonate magmatism; the Subei Basin lies in a back-arc decompression melting setting related to subduction retreat; and the Yinggehai Basin in the South China Sea is strongly affected by diapirism. Heating experiments on basalts from eastern China show that released gases are dominated by CO₂, SO₂, and N₂, with minor CH₄ and He. In contrast, mantle peridotite releases gases rich in CH₄ and H₂, representing crustal and mantle sources, respectively. From the Yinggehai Basin to the Songliao Basin via the Subei and Bohai Bay Basins, inorganic gas compositions shift from CO₂-rich to CH₄- and H₂-bearing. Except in the Yinggehai Basin, ³He/⁴He ratios generally exceed 1 R_a, indicating significant mantle-derived contributions. Helium contents are relatively low in the South China Sea basins (<100×10^-6, volume fraction), dominated by crustal sources, whereas higher concentrations occur in the Subei, Bohai Bay, and Songliao Basins (e.g., 1.42% in Huangqiao and 3.08% in Huagou), with substantial mantle-derived contributions. The Songliao Basin also shows notable inorganic methane input. Hydrogen in the Songliao and Bohai Bay Basins is mainly sourced from the mantle, water-rock reactions, and radiogenic water decomposition. Based on deep geological setting, fault development, volcanic activity, and reservoir-caprock conditions, favorable enrichment zones for inorganic methane, hydrogen, and helium are identified in volcanic rocks of the Huoshiling Formation in the Songliao Basin (e.g., Changling, Xujiaweizi, and Lindian fault depressions) and the Boxing Sag in the Bohai Bay Basin. Favorable zones for helium enrichment are proposed in the Subei Basin (Jinhu Sag, Qintong Sag, and Xiqiao structure). The Jiyang Depression is evaluated as a promising geothermal area, with multiple thermal reservoirs developed from the Guantao Formation to the Shahejie Formation sandstones, Lower Paleozoic carbonate rocks, and Archean metamorphic buried hills. A scientific exploration well for deep geothermal energy and coexisting oil-gas-hydrogen-helium resources is proposed in the Gudong buried hill area.

Graphical abstract

关键词

中国东部 / 圈层相互作用 / 地质资源 / 无机甲烷、氢气、氦气 / 地热

Key words

eastern China / interactions among multiple spheres / geological resource / inorganic CH₄, H₂, He / geothermal

0 引言

在地球形成与演化过程中,地球多圈层之间的物质和能量传输及相互作用显著影响了多种资源形成富集^[1],如驱动了盆地中油气的形成富集^[2]、促使了聚煤作用^[3]、影响了金属矿产资源的形成^[4]。跨越多圈层的深大断裂、岩浆火山活动等深部地质作用一直在源源不断地进行,触发广泛的深部流体活动^[5-7]。深部流体可以是来源于地幔脱溶的流体组分,也可以是来自俯冲板片脱水脱碳释放的挥发组分、深部岩浆的挥发性成分、或者是地壳深部循环的流体。深部流体携带大量深部热能,富含碳、氢、氦等挥发组分,源源不断向地球浅表输出,是联系深部和浅部圈层的纽带^[8],对地球表层沉积环境、生命演化以及油气、氢气和氦气稀贵气体、地热等多种类型资源形成与聚集产生重要的影响。在洋中脊、温泉、火山喷口等现今深部地质作用和深部流体活跃的构造位置,已发现无机甲烷、氢气、氦气、地热等资源的广泛产出^[9-10],成为国际研究的前沿领域,为相关资源探索和利用奠定了基础。本文重点关注跨越多圈层的深部流体影响下的烷烃、氢气、氦气、地热等地质资源效应。

深部流体进入沉积盆地后,会与盆地物质发生显著的物理化学作用,不但影响盆内油气成藏过程,也促使无机甲烷、氢气、氦气的形成与富集成藏^[11-13]。伴随岩浆火山活动,盆地内也是地热资源广泛形成的区域。因此,沉积盆地是规模性无机甲烷、氢气、氦气、地热资源富集和综合开发利用的区域。

我国中西部和东部盆地深部地质作用和深部流体属性具有显著的差异性,其引起的资源效应也具有显著的差异性。中西部的塔里木、四川盆地等古老克拉通盆地,主要受二叠纪大火山岩省、挤压、走滑等深部地质作用影响,触发广泛的壳源流体活动,影响了深部油气储层的溶蚀发育、热液白云岩化、油气相态转化、壳源氦气等资源的形成和富集。如四川盆地二叠系热液白云岩储层的形成^[14]、塔里木盆地顺北—富满超深层断裂耦合流体改造的缝洞储层和多种相态油气形成转化^[15]、威远、雅克拉和和田河等富氦气田的形成^[16]。

受西太平洋板块俯冲、板内拉张裂陷、郯庐深大断裂发育、火山岩浆活动、底辟等深部地质作用影响,我国东部松辽、渤海湾、苏北、三水盆地以及南海海域莺歌海等盆地都经历了广泛的壳幔不同来源的深部流体活动。不同盆地关键深部地质作用背景的差异性、所引起无机甲烷、氢气、氦气、地热等资源效应的差异性以及不同资源的有利分布区域等,亟待深入的探索。本文基于东部地区不同盆地深部地质结构分析对比、典型油气藏解剖、实验测试和数据综合分析等,揭示不同地区深部地质作用和深部流体影响下的多种类型资源的成因机制和差异性,厘定有利富集区域。这些研究不但丰富完善多圈层相互作用下深部多类型资源形成和富集理论与评价方法,而且为深部新型共伴生资源潜力评价和勘探利用提供依据。

1 中国东部深部地质作用及差异性

中国东部地区主要指大兴安岭、太行山、武夷山重力梯度带以东的地区。自中新生代以来,中国东部一直受(古)太平洋板块俯冲作用影响^[17-21]。太平洋板块的俯冲促使了浅部岩石圈的拉张裂陷作用,导致了一系列拉张裂谷型盆地的发育^[22],如松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、三水盆地等(图1^[23-24])。受古新世以来的印度板块、欧亚板块等碰撞以及走滑挤出作用的影响,南海海域的莺歌海、珠江口等盆地逐渐形成演化^[25]。太平洋板块的俯冲、印度板块与欧亚板块碰撞作用也导致了一系列伸展、走滑等深大断裂带的发育,诱发了深部岩浆上涌和频繁的火山喷发活动。深部壳幔岩浆和相关深部流体自深部圈层向浅部圈层运移,促使了碳、氢、氦、地热等资源在盆地中富集。

太平洋板块俯冲作用自早白垩世(120 Ma)开始,至晚白垩世(90 Ma)、古新世(60 Ma)和中新世(25 Ma),其俯冲方向和影响范围不断变化^[23]。由于所处的构造位置的差异和受板块俯冲影响特征的差异,东部不同盆地经历的主体深部构造特征有着显著的差异性:松辽盆地基底发生显著的拆沉作用^[26-27];渤海湾盆地、苏北盆地等受俯冲和俯冲后撤作用影响;渤海湾盆地受俯冲碳酸盐化岩浆影响显著^[28-29];苏北盆地主要受弧后拉张减压熔融作用影响显著。这些深部作用过程的差异性导致资源效应的差异^[24]。

1.1 松辽盆地拆沉作用

拆沉作用是指岩石圈由于巨大的厚度或者高密度层(如榴辉岩相镁铁质岩石)的重力不稳定而部分拆离并沉入软流圈中的过程,拆沉减薄可以看作是短时间内岩石圈的一部分被机械地移去^[30]。自晚古生代以来,随着古亚洲洋的闭合、西伯利亚板块的碰撞拼合,松辽地块和众多微陆块发生拼合形成了东北地区的雏形^[31]。自侏罗纪以来,古太平洋板块向欧亚板块俯冲,松辽盆地经历板内伸展环境,发生地幔上涌和裂陷作用,形成了早侏罗世至早白垩世的火山喷发序列。岩石矿物学和地球化学结果表明火山岩的源区来源较深,显示有明确的地幔物质组分参与,可能是与板内地幔物质上涌有关^[32]。在板块俯冲及地幔熔流体上涌作用影响下,松辽盆地基底岩石圈发生大规模拆沉作用。

电性结构表明,松辽盆地裂谷坳陷幅度最大的部位对应着软流圈的上涌区,也指示了松辽盆地岩石圈曾经发生过岩石圈的减薄事件。与大兴安岭岩石圈厚度相比,松辽盆地岩石圈厚度减薄了近100 km,与张广才岭相比减薄了70 km,而与中生代华北地台100 km的岩石圈厚度^[33]相比,减薄了近50 km。这些结构特征与松辽盆地基底经历了岩石圈伸展期(T-J₃)、裂解期(J₃-K₁)、拆沉期(K₁-K₂)和增长期(K₃-N)的动力学过程。软流圈内存在两个“哑铃状”中、高阻异常体,为拆沉后的岩石圈地幔。冷的、高密度下降物质流体的堆积以及拆沉块体下插到两侧山岭是促使大兴安岭与张广才岭在中生代伸展环境中快速隆升^[34]。

拆沉过程中,拆沉的岩石圈地幔携带大量的水,与深部含二价铁的基性-超基性岩石会发生蛇纹石化形成氢气,进一步与无机碳源发生费托合成形成无机CH₄(图2a)。深部幔源来源的无机H₂、CH₄、He等也随着岩浆活动向浅部运移,在浅部盆地地层中富集成藏。

1.2 渤海湾盆地碳酸盐化岩浆作用

西太平洋俯冲作用触发东部地区碳酸盐化岩浆活动,影响了深部与浅部圈层之间的碳氢循环(图2b)。渤海湾盆地及周缘地区见有大量的新生代碳酸盐化玄武岩,其岩石矿物组成、地球化学及金属同位素特征揭示了陆内岩浆活动与再循环碳酸盐之间的重要联系,岩浆受到了俯冲过程输入的碳酸盐成分的显著影响^[35]。俯冲板片将大洋板块的部分碳酸盐通过冷俯冲带入到地幔深部^[29],从而导致地表碳减少并促进地球深部碳的富集^[36]。携带碳酸盐的俯冲板片在上地幔底部或地幔转换带发生低程度部分熔融,会产生富含CO₂的碳酸盐熔体,并与俯冲板片分离^[36]。这些分离出的碳酸盐熔体在上地幔汇集。富CO₂的碳酸盐熔体在地幔熔融和岩浆形成中起着至关重要的作用。

山东蓬莱、栖霞一带出露的强碱性玄武岩在原始地幔标准化图上具有K、Pb、Zr、Hf、Ti负异常,并具有低SiO₂、低Al₂O₃、高CaO,与火成碳酸岩十分相似^[37-38]。Mg和Zn同位素也表明了东部新生代玄武岩源区为碳酸盐化地幔^[29,39],原始岩浆是由碳酸盐化橄榄岩和榴辉岩部分熔融而成^[29]。

渤海湾盆地及周缘新生代玄武岩地幔捕虏体和捕虏晶中的包裹体中常见CO₂、石墨、碳酸盐和烃类等富含碳物质,表明了深部富含碳氢流体的活动。受温度压力条件变化及外来流体混合作用,含碳氢物质的组成和相态不断转化,包括碳酸盐分解形成CO₂、石墨沉淀、橄榄石发生蛇纹石化产生H₂、费托合成生成烃类等过程,最终形成多种类型的含碳氢的物质,对盆地中无机CH₄、H₂等资源富集成藏产生显著影响。

1.3 苏北盆地减压熔融作用

苏北盆地处于苏鲁造山带、郯庐断裂带、秦岭—大别造山带、 张八岭隆起、苏南隆起等多个大型构造单元的中心区域,主要受到西太平洋俯冲和郯庐断裂活动的大地构造背景的影响,处于西太平洋板块俯冲构造域的弧后伸展拉张环境中^[40-41]。晚白垩世至早古近纪时期,太平洋板块沿北西向高速、低角度俯冲于东亚大陆之下。随着俯冲作用的继续进行,太平洋板块俯冲角度逐渐增大,速度逐渐降低,继而发生俯冲板片后撤回卷,造成海沟位置向大洋一侧后退,弧后的大陆岩石圈出现水平向的拉张伸展^[42]。地球物理研究揭示,随着俯冲后撤,滞留在地幔过渡带的俯冲板片的地幔楔可延长1 000多km^[43](图2c)。

苏北盆地及周缘新生代火山岩中锆石年龄多集中于45.3~40.5 Ma,而渤海湾盆地锆石年龄多集中于60~50 Ma。造成该现象的原因是太平洋板块俯冲后撤引起的弧后伸展区域变迁^[44],太平洋板块在60~50 Ma俯冲影响渤海湾盆地,在45.3~40.5 Ma俯冲后撤影响苏北盆地。由此认为,苏北盆地及邻区岩浆活动形成的主控因素是太平洋板块俯冲后撤引起的壳内拉张以及进而引起的减压熔融作用^[45](图2c),成盆以来的伸展拉张作用力来源于太平洋板块俯冲回卷导致的弧后伸展作用。岩浆活动的强弱、期次等受太平洋板块俯冲、回卷后撤的影响较为明显。

在碳氢物质循环方面,与松辽盆地和渤海湾盆地有着一定的差异,由于处于西太平洋板块俯冲后撤的背景中,苏北盆地深部原地壳幔发生减压熔融形成岩浆,因此缺少俯冲所携带水的持续供给,致使深部岩浆火山活动伴生的气体组分以CO₂为主。此外,深部幔源的无机H₂、CH₄、He等也随着岩浆活动向浅部运移,在盆地浅部地层中富集成藏。

1.4 莺歌海盆地底辟作用

尽管莺歌海盆地的形成从构造背景上不同于东部松辽、渤海湾、苏北及三水盆地,但其仍然发育沟通基底深大断裂和岩浆火山活动,从而促使深部地壳和幔源流体向浅部运移,导致深部无机CO₂富集成藏,如珠江口盆地珠三南断裂带、琼东南盆地宝岛凹陷北部断阶带在40 Ma以来发育强烈的断裂和火山活动。另外一个代表性的深部地质作用是底辟的活动(图2d),也促使了深部流体的活动,典型的区域是莺歌海盆地乐东和东方地区。

5.5 Ma以来,印澳板块开始以北移为主,使红河断裂由早期的左行变为右行,北西向莺东断裂、东方断裂等活动,诱发了莺歌海盆地底辟活动。底辟构造指地层泥岩层发生塑性流动,沿地层薄弱区挤入或上侵的构造活动。莺歌海盆地的泥底辟构造主要在盆地中部坳陷的中央泥底辟带。根据常见的底辟形态共划分为微裂隙型、浅埋型、塌陷型。微裂隙型底辟构造上侵的幅度较低,未刺穿或基本上未刺穿上覆泥岩盖层,底辟内能或活动能量较弱,因此伴生断裂系统不发育,但微裂隙极发育。浅埋型底辟构造底辟活动能量强,上侵拱起挤入的幅度较高,但未能完全刺穿上覆地层,导致底辟顶部上覆地层张断裂发育。塌陷型底辟构造能量极强,穿刺幅度高,底辟喷口已达海底,泥类物质喷出,类似火山喷发样,形成下凹形喷口。

底辟构造的发育为深部流体的活动以及深部CO₂的活动和运移提供了通道和动力。莺歌海盆地CO₂成藏主要受控于底辟构造类型、距离与活动性。通常底辟活动强度大,近底辟区的CO₂含量高,如乐东22-1南区块的CO₂含量平均达到80.38%,东方29-1底辟区CO₂含量可达70%以上。基于少量钻井样品测试,乐东地区天然气中含有一定量无机CH₄,但He含量普遍很低。

2 深部火山岩中气体组分

西太平洋板块俯冲作用引起东部裂谷盆地中广泛岩浆活动和火山喷发,对新生代喷发的玄武岩和地幔橄榄岩捕虏体开展加热释气分析,是揭示地壳、地幔等不同源区深部流体组分的重要手段。

2.1 火山岩释气分析方法与结果

对苏北盆地南缘南京六合盘山和练山、渤海湾盆地南缘山东迎口山和栖霞方山、松辽盆地周缘张北汉诺坝、辽宁双辽、汪清等地区新生代玄武岩、玄武岩中的橄榄石斑晶和玄武岩中的地幔橄榄岩捕虏体分别进行了取样。对玄武岩样品,通过显微镜观察确保其中没有橄榄石等矿物斑晶,并且结构均匀、没有发生次生蚀变,破碎后挑选新鲜的颗粒,粉碎至60~80目。对玄武岩中的地幔橄榄岩捕虏体,破碎后手工挑选其中的橄榄石矿物。所挑选出来的橄榄石矿物粉碎至60~80目。共挑选出玄武岩样品8个,橄榄石样品11个。

玄武岩和橄榄石矿物样品先经5%盐酸浸泡48 h,以去除次生碳酸盐岩矿物,再用CH₂Cl₂浸泡以去除表面有机质污染。用蒸馏水清洗3~5遍,再在100 ℃下烘干。称取约0.5 g样品放入双真空炉中,于常温抽真空12 h,升温到250 ℃,再抽真空约5 h,关阀并升温收集气体约26 min升温到1 200 ℃,保持40 min。把所释放的气体送入MAT253质谱仪进行气体组分的测定,送入MM5400质谱仪进行稀有气体含量和He、Ar等稀有气体同位素测定,详细的实验测试方法见文献[46-47]。

玄武岩和橄榄石加热释气获得气体组分测试的结果见图3。玄武岩加热释气量在标准温度和压强(STP)下为0.088 2~3.859 8 mL/g,平均为0.575 9 mL/g。所得到的气体组分中则以CO₂和CO为主,CO₂的含量为78.43%~93.55%,平均为87.69%,CO的含量为1.43%~10.70%,平均为4.47%。部分样品含有较多的SO₂,高达17.10%,平均为4.50%。此外,含有少量的H₂、CH₄等,其中H₂含量位于0.20%~3.72%,平均为1.09%,CH₄含量位于0.05%~1.68%,平均为0.78%。

橄榄石加热释气量位于0.051 5~0.468 3 mL/g,平均为0.230 0 mL/g。所得到的气体中都含有较多的CH₄和H₂,其中CH₄的含量为0.66%~4.98%,平均为2.61%,H₂含量为17.20%~62.24%,平均为36.18%。气组分中还含有较多的CO₂和CO,其中CO₂含量为4.80%~55.07%,平均为30.99%,CO含量为17.98%~52.09%,平均为29.00%。气体组分中含有少量的N₂,几乎不含SO₂。

玄武岩加热释气得到的He气含量为(0.13~4.91)×10^-6 mL/g,平均为2.44×10^-6 mL/g;³He/⁴He 比值位于0.01~1.67 R_a,平均为0.24 R_a。橄榄石加热释气得到的He气含量为(0.50~4.54)×10^-8 mL/g,平均为1.44×10^-8 mL/g;³He/⁴He比值位于0.84~12.29 R_a,平均为6.28 R_a。橄榄石所释放气体的³He/⁴He比值明显比玄武岩高(图3)。

2.2 火山岩释气成因

岩浆和火山活动过程中释放的气体的属性特征与火山岩浆性质本身有着密切的关系。对中国东部地区来说,岩浆火山活动受西太平洋板块俯冲直接影响,因此岩浆火山所释放出的气体受到俯冲板块所携带的C、H、N、S、He等挥发分物质循环的影响。洋壳俯冲过程中,部分俯冲物质熔融以火山岩浆的形式喷发至地表,所携带的C、H、N、S、He等物质会以挥发分的形式随岩浆喷发释放出来,形成H₂O、CO₂、CH₄、H₂、N₂、SO₂、He等气体。除受俯冲物质影响之外,岩浆侵入和火山喷发过程中,地幔物质和地幔流体组分会随岩浆向浅部释放,也会影响浅部所释放的气体组分和属性。

稀有气体氦同位素,即³He/⁴He比值,是识别火山岩浆活动释放的流体挥发分是否受到地幔影响的可靠指标。大气氦的³He/⁴He 值为1.4×10^-6,壳源的³He/⁴He值一般为10^-8量级,公认其端员值为2×10^-8,幔源的³He/⁴He值为1.1×10^{-5 [48-52]}。通常采用地质体中氦气的³He/⁴He比值(R)与大气的³He/⁴He比值(R_a)之间的相对比值(R/R_a)作为判识氦气来源的指标。代表上地幔来源的大洋中脊玄武岩的R/R_a比值多在7.0~9.0左右^[53],而洋岛热点区玄武岩的R/R_a比值变化较大,如Galapagos地区位于6.9~27.0,Iceland地区最高,可达36.8^[54]。地壳放射性来源氦的R/R_a比值为0.01~0.1。通常认为R/R_a比值>1即指示地幔来源氦有重要贡献^[55]。

玄武岩加热释放稀有气体³He/⁴He比值普遍小于1.0 R_a。除迎口山一个样品为1.7 R_a之外,其他样品的值均小于0.1 R_a,位于0.01~0.1 R_a,平均值为0.04 R_a,表明玄武岩中的气体组分基本不受地幔影响,以壳源挥发性组分的循环来源为主。因此,玄武岩加热释放气体代表了俯冲地壳携带的循环的流体组分,以CO₂为主,同时含有少量的SO₂、H₂和CH₄等。

地幔橄榄石加热释放稀有气体³He/⁴He比值普遍大于1 R_a。除练山的一个样品为0.8 R_a之外,其他值均大于1.0 R_a,位于0.8~12.3 R_a,平均值为6.3 R_a,表明橄榄石所释放的气体组分反映了地幔来源的挥发性组分,主要包括CO₂、CO、H₂、CH₄、N₂等组分。

研究表明地球内部地幔圈层中保存了地球的原始流体组分^[56]。由于地幔上隆或者以捕虏体的形式被玄武质岩浆携带着向浅部地层迁移,地幔流体组分随着橄榄岩结晶逐渐分异出来,或以流体包裹体的形式捕获在橄榄石等矿物中,或束缚在矿物晶格内及晶体之间。东部地幔橄榄岩中存在大小、形状各异的流体包裹体,激光拉曼表明这些流体包裹体的气相组分大多是CO₂^[57],少数可见含CH₄、H₂等组分^[58]。通过加热方法释放气体的量随着颗粒粒度减小和温度增加而显著增加,表明流体包裹体中流体组分含量相对较低,流体组分主要赋存在矿物晶格中。

张铭杰等^[59]针对地幔橄榄石开展分步加热释气研究,结果表明在400 ℃左右的释气峰的化学组成主要为CO₂,含有少量的H₂和CH₄,与单个流体包裹体激光拉曼测定的主要是CO₂的结果一致,反映其受到了俯冲再循环地壳流体的影响。800 ℃左右的释气峰的化学组成主要为CO、CO₂和H₂,含有少量的CH₄和N₂,代表了上地幔原始流体组成。

玄武岩释放气体总量位于0.088 2~3.859 8 mL/g之间,平均为0.575 9 mL/g,平均比橄榄石加热释放气体量高约1倍。从总规模上来看,无论钻井和野外发现的火山岩都以玄武岩为主,而仅见少量的地幔橄榄岩,因此喷发的玄武岩量远远大于地幔橄榄岩捕虏体的量。由此,随玄武岩喷发释放出的气体总量也要远远大于直接来自地幔流体释放的量。根据释气测试结果,伴随火山活动释放的气体的量以CO₂为主。这些气体导致我国东部地区许多气藏以高纯度CO₂为主。

3 东部无机气组分含量差异性

3.1 无机气组分

中国东部气藏中,天然气组分发生了显著变化(图4^[9,60-67])。南海海域莺歌海、珠江口等盆地、苏北盆地黄桥气藏、渤海湾盆地花沟气藏,至松辽盆地松南和庆深气田,天然气组分逐渐由CO₂为主转变为含有较多的CH₄、H₂等组分(图4a和b)。南海海域莺歌海盆地东方、乐东地区部分钻井CO₂含量可达80%或90%以上;琼东南盆地宝岛地区BD19区块钻井中CO₂含量可达95%之上^[68]。黄桥气藏溪3、苏174、华泰2等钻井揭示的三叠系青龙组、二叠系龙潭组、志留系等地层中的天然气以CO₂为主,含有少量的CH₄、N₂和He等。花沟气藏中的天然气以CO₂为主,部分钻井含有一定量的CH₄。松南到庆深气田钻井的天然气由以CO₂为主逐渐变为以CH₄为主,含有一定量的H₂、N₂、He等组分,如庆深气田芳深2井CH₄、H₂含量分别为91.92%和2.05%,徐深6井CH₄、H₂含量分别为94.52%和6.78%,升深2-1井CH₄、H₂含量分别为94.74%和1.13%。

大量研究发现洋中脊、火山或温泉等构造和热液流体活跃的区域其气体组分中含有较多的CH₄、H₂和He等组分(图4)。如印度洋中脊Kairei点位两个橄长岩样品中的气体中CH₄和H₂的含量分别为1.31%和49.03%以及1.51%和22.38%^[69]。大西洋中脊Rainbow热液体系中气体CH₄和H₂含量分别为6.61%和42.33%;Logatchev热液体系中气体CH₄和H₂含量分别为8.4%和48.0%;土耳其Kizildag Kurtbagi位置处的蛇绿混杂岩体产出气体的中的CH₄含量为38.55%~59.85%,H₂含量为17.86%~37.86% ^[62]。

3.2 无机气成因

(1)氦气成因来源。世界上现今的构造活跃位置和我国东部盆地天然气中都有一定含量的氦气,除莺歌海盆地乐东地区之外,³He/⁴He比值多数大于1 R_a(图4d),表明受幔源来源氦气影响显著。印度洋中脊Kairei位置的³He/⁴He的比值为7.18~7.8 R_a^[63]。大西洋中脊Rainbow和Logatchev热液体系中的³He/⁴He比值为7.75和6.48 R_a^[62]。土耳其Kizildag Kurtbagi位置处的蛇绿混杂岩体产出气体的中³He/⁴He比值为1.24~1.39 R_a^[70]。

松辽盆地庆深气田氦气含量总体比较低,多数含量小于0.05%,仅个别钻井可达0.1%以上,如万11井含量为0.18%,双17井含量为0.14%。³He/⁴He值为0.91~5.84 R_a,平均为1.67 R_a。松南气田氦气含量位于0.002%~0.046%之间,平均为0.019%,³He/⁴He值为0.91~5.84 R_a,平均为1.67 R_a。渤海湾盆地平方王和花沟气藏中有着较高的氦气含量,位于0.008%~3.08%,平均为0.578%,³He/⁴He值为2.0~3.2 R_a,平均为2.81 R_a。氦气含量最高的钻井为花501井,含量为3.08%,³He/⁴He值为3.2 R_a。苏北盆地在金湖凹陷发现的富氦的钻井主要有闵7、卞9-2、天深6、天深33、天深45、欧101等井。氦气含量位于0.004%~0.096%,³He/⁴He值分别1.25和3.14 R_a。溪桥构造上的黄桥油气藏在浅层中发现高含氦气的天然气,主要有黄浅1、黄浅2、黄浅14等井,储层为中新统盐城组的碎屑岩。氦的含量高达1.05%~1.42%,³He/⁴He比值为2.65~3.90 R_a。黄桥油气藏深层也越来越多的钻井发现富氦天然气,如苏174、华泰2、华泰3、溪平1、溪3等井。富氦天然气的主要产出层位为二叠系栖霞组生屑灰岩、龙潭组砂岩、泥盆系五通组砂岩等。这些钻井中氮气含量位于0.009 6%~0.570 9%,³He/⁴He比值为1.88~4.9 R_a。

南海海域盆地天然气中氦气含量普遍较低,很少钻井天然气样品中的氦气含量超过0.05%。莺歌海盆地乐东底辟区是深部流体活跃的区域,但产于莺歌海组地层的天然气中氦气含量普遍较低,为0.001 1%~0.002 6%,平均值为0.001 6%。³He/⁴He值为0.01~1.52 R_a,多数小于0.1 R_a,表明以壳源氦气为主;高值主要分布在LD8-1含气构造,范围为0.60~1.52 R_a,指示存在幔源氦的贡献。计算幔源He贡献占比总体较小,为0.09%~19.84%;而壳源贡献占比则高达80%以上^[71]。

(2)CO₂成因来源。依据CO₂碳同位素和CO₂含量可以对不同地区CO₂成因来源进行判识^[72]。稳定的克拉通沉积盆地中的CO₂以有机成因为主^[29],如塔里木盆地、鄂尔多斯盆地中的油气藏中的CO₂一般较低,大多低于5%,并具有较轻的碳同位素组成,其δ¹³C_CO2大多低于-10.0‰,表明CO₂为有机成因。受岩浆火山活动影响的温泉热液中的CO₂多是无机成因^[29],如美国黄石公园、中国腾冲、菲律宾Zambales、土耳其Cirali、意大利Elba等区域的温泉热液,Central Indian Ridge、Mid-Cayman Rise、Lost City等洋中脊温泉热液中具有较高的CO₂含量,多数高于60%。CO₂具有较重的碳同位素组成,其δ¹³C_CO2大多高于-8.0‰,表明这些构造位置的CO₂以无机成因为主。

中国东部黄桥和济阳坳陷花沟、平方王气藏中,CO₂含量普遍大于60%,δ¹³C_CO2大多高于-8.0‰,表明为无机成因的CO₂。松辽盆地松南和庆深气田中,CO₂含量差别较大。部分钻井产出天然气中的CO₂含量小于1%,这些钻井的δ¹³C_CO2多低于-8.0‰,表明为有机成因。部分钻井的CO₂含量大于10%,甚至高于80%,其δ¹³C_CO2多普遍大于-8.0‰,表明为无机成因。莺歌海盆地乐东底辟区CO₂含量0.13%~78.9%(平均值为31.67%),越靠近底辟区含量越高;CO₂主要来自梅山组和三亚组的钙质泥岩中的碳酸盐矿物热分解,并存在深部幔源来源的贡献,少部分为有机成因^[71]。

(3)CH₄成因来源。对于深部来源无机成因CH₄等烷烃气体的鉴别,主要的地化指标为CH₄碳氢同位素组成、烷烃气系列碳同位素组成(δ¹³C_CH4,δ¹³C_C2H6,δ¹³C_C3H8,δ¹³C_C4H10)、稀有气体³He/⁴He比值等^[73-74]。通常认为,有机热成因CH₄的δ¹³C_CH4范围为-55.0‰~-30.0‰,深部来源无机CH₄的δ¹³C_CH4>-30.0‰,浅部生物成因CH₄的δ¹³C_CH4多小于-55.0‰。有机成因烷烃气体碳同位素组成具有正序特征,即δ¹³C_CH4 <δ¹³C_C2H6 <δ¹³C_C3H8 <δ¹³C_C4H10,而无机成因烷烃气体碳同位素组成具有反序特征,即δ¹³C_CH4 >δ¹³C_C2H6 >δ¹³C_C3H8 >$\delta^{13} \mathrm{C}_{\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10}}$ ^[75]。松辽盆地松南气田腰登3HF和腰登9HF以及庆深气田芳深2、升深1等钻井天然气中的CH₄等烷烃含量相对较高,δ¹³C_CH4值分别为-19.6‰、-23.7‰、-17.4‰和-25.8%,且烷烃碳同位素序列表现出了典型的反序特征,与大西洋中脊Lost City热液喷泉产出的无机烷烃气体一致^[75],表明为无机成因的烷烃气体。依据CH₄/³He、CO₂/³He与³He/⁴He关系,松辽盆地庆深和松南气田中的无机甲烷既有幔源的也有费托合成形成的,针对庆深气田芳深2井计算得到地幔和费托合成甲烷的比例分别为84%和16%^[76]。

甲烷碳氢同位素与³He/⁴He比值关系图能较好的识别区分不同成因类型的天然气^[24]。现今构造活跃位置处,包括土耳其Kizildag^[70]和Cirali蛇绿混杂岩体(奥运圣火取火点)^[77]、大西洋中脊Lost City^[75]、菲律宾Zambales蛇绿岩^[78]、中印度洋中脊^[69]、意大利Elba岛橄榄岩体^[79]、西加勒比海Mid-Cayman隆起热液^[80]等。这些地区无机成因CH₄的碳氢同位素δ¹³C和δD分别大于-20.0‰和-150.0‰,稀有气体同位素³He/⁴He比值多数大于1.0 R_a,最大可达18.0 R_a,表明地幔物质影响非常显著,一方面会有地幔来源无机甲烷的贡献,另一方面地幔基性-超基性岩上涌至浅表圈层通过蛇纹石化和费托合成生成无机甲烷。

中国东部地区黄桥、花沟、松南、庆深等气藏的³He/⁴He比值大多大于0.5 R_a,多数>1 R_a(图4d),表明受到了显著的幔源流体的影响。这些气藏中CH₄的碳同位素与稀有气体He同位素关系图^[24]中位于无机成因气和有机成因气之间,这些特征表明无机成因CH₄具有一定的贡献^[24]。

(4)H₂成因来源。松辽盆地和渤海湾盆地中采集和测试的天然气样品中氢气含量分别位于0%~39.5%和0%~4.5%,平均分别为1.0%和0.3%。西非马里氢气藏中氢气含量可达97.4%,美国Kansas盆地氢气含量位于0.1%~91.8%,平均17.4%。依据H₂/³He与R/R_a的关系等地球化学参数,氢气主要包括水岩反应(蛇纹石化)、辐射性水分解、深部幔源、有机成因、生物成因等多种类型^[81-82],其中水岩反应(蛇纹石化)、辐射性水分解、有机成因、生物成因的氢气为壳源氢气。松辽盆地和渤海湾盆地天然氢气均属于壳-幔混合成因,且相比于松辽盆地,渤海湾盆地中壳源成因氢气更为显著。氢气氢同位素在一定程度上也可以指示天然氢气来源^[82-84],不同成因氢气其氢同位素值范围具有一定差异,如幔源氢气其氢同位素值往往大于-650‰(如大西洋中脊Lost City部分幔源天然气),而壳源氢气其氢同位素值多数小于-650‰^[84],如美国Kansas盆地天然气中氢气的氢同位素值介于-818‰~-717‰,平均为-763‰^[85]。松辽盆地天然气的³He/⁴He比值较高,如庆深气田介于0.8~2.2 R_a,平均为1.5 R_a,表明有显著幔源组分的参与,且氢气氢同位素值较高,介于-698‰~-522‰^[86],主体具有偏向幔源氢气的特点,其中部分氢同位素值较小的氢气样品可能为地壳环境下近似费托合成所形成;而渤海湾盆地天然气的³He/⁴He比值介于0.001~3.3 R_a,多数样品小于0.7 R_a,表明其以壳源组分为主,且氢气氢同位素值普遍较低,介于-798‰~-626‰,多数小于-650‰^[87],与低温水岩反应形成的氢气一致。由此判断松辽盆地和渤海湾盆地天然氢气分别有幔源和壳源^[81,86],当然,由于不同生氢过程产生的氢气其氢同位素值具有一定程度的重叠^[82],因此其他一些来源氢气的贡献也不能排除,后续有待结合更多地球化学指标进行综合判识。岩石学特征表明松辽盆地基底岩石发生了高温水岩反应,可产生一定量的氢气^[88]。松科2井钻探发现了数层富含放射性元素的沉积地层,其中的地层水受辐射分解也可以产生氢气^[89]。

受蛇纹石化作用的影响,国内外众多构造位置的温泉区的热液通常具有较高的pH值和一定含量的氢气。例如,在Lost City热液喷口,热液的pH值范围为9至11^[90]。同样,在黄石国家公园,pH值范围为7.51至9.34^[91]。在Othrys地区,pH值范围为10.7至11.3,而在波斯尼亚和黑塞哥维那的温泉中,pH值范围为10至12.8^[92]。根据大庆油田地层水和天然气组分的测试结果,松辽盆地庆深气田XS6、XS9和XS18井地层水pH值分别为9.8、9.7和9.3;邻近井XS902、XS7和XS10中H₂含量分别为0.25%、0.82%和6.92%。FS10、FS2和FS801井地层水pH值分别为9.8、10.9和10.2;邻近井FS701和FS10中H₂含量分别为0.11%和0.01%。CS7井地层水pH值为11.2~13.2;附近CS8井H₂含量为0.05%~0.07%。这些结果表明松辽盆地部分氢气形成与水岩反应(蛇纹石化作用)密切相关^[24]。

4 深层地热资源形成条件

中国东部处于环太平洋高温地热带波及区,整体热背景值较高。以渤海湾盆地为代表的中新生代沉积盆地区和以东南沿海丘陵区为代表的隆起山地区,发育了不同类型的地热系统;热源、热储、盖层等地质要素联合控制了地热系统的形成和地热资源的富集。热源条件决定了有多少热能进入地热系统,热储条件决定地热资源的规模和可开发性,盖层条件决定地热资源是否能保存下来,是进行深层地热系统分析的重点。

4.1 热源条件

深层地热资源的热源包括地壳正常增温、花岗岩放射性生热、熔融体附加热源等多个来源。这些单个或多个热源的叠加形成构造单元内部的热流分布特征,促进适当构造部位控制地热资源的形成富集。

(1)地壳正常增温。地球深部温度高、浅部温度低,存在正常的地温梯度。地幔热量向上逸散的过程中,使地壳的岩石和流体被加热,可以称为地壳正常增温热源。这是板内地热域中各类地热系统最为广泛的热源,所以在正常增温形成的地热系统中,地壳越薄的地方,地温梯度越大,形成高温地热系统的机率越大。

(2)花岗岩放射性生热。铀、钍、钾等放射性物质衰变生热对地热资源的形成具有一定贡献。2 877个大陆地壳花岗岩U、Th、K数据计算的放射性产热率(RHP)数据表明花岗岩的RHP随花岗岩的年龄越年轻,其数值越大^[93]。其中太古宙和古元古代花岗岩的RHP分别为(2.40±2.01)和(2.92±1.82) μW/m³,中元古界呈明显的低谷值(1.65±1.69 μW/m³),新元古代的RHP为(2.41±1.09) μW/m³。随着花岗岩侵位时间的年轻化,RHP逐渐增大,古生代花岗岩达到(2.98±1.59) μW/m³,中生代花岗岩RHP值最大(3.30±2.17) μW/m³,新生代花岗岩RHP为3.15 μW/m³,略低于中生代的。

(3)熔融体附加热源。存在火山、侵入体或熔融体等岩浆活动的地区包括:①地壳(包括洋壳)开裂处,即洋中脊大裂谷;②板块俯冲消亡带,即海沟岛弧系;③两个大陆板块相撞处,虽然也有岩浆活动,但由于地壳厚度大,岩浆以侵入岩的形式冷却,很少有火山喷发。由于岩浆温度可达900~1 200 ℃,存在岩浆活动的地区有利于上部地热资源富集。

(4)典型构造单元的高热流。地球内部的热能通过岩层传导和地热流体对流作用不断向地球表面散失,表现为各种类型构造单元呈现不同的热流状况(图5)。部分构造单元中会有异常高热流,对地热的形成和富集具有重要的意义。活动洋脊和火山区热流值最高,达到120 mW/m²以上;其次为裂谷盆地、造山带;前陆盆地最低^[94]。不同热流强度的地区,在同样埋深下,温度场会有较大的区别。

4.2 储层条件

(1)砂岩孔隙型热储。砂岩孔隙型热储广泛分布在我国中东部沉积盆地,主要发育于古近纪-新近纪(E-N)地层,蕴藏了丰富的中低温地热资源,是我国北方地热供暖的主要储层类型之一。砂岩孔隙型热储孔隙度分布在10%~30%之间,最大可达40%,其中渤海湾盆地Ed-Ng碎屑岩热储孔隙度相对较大,介于15%~40%,平均孔隙度为27.5%。砂岩孔隙型热储渗透率在不同盆地以及同一盆地不同层系间差别都较大,如南襄盆地砂岩孔隙型热储渗透率值介于10~6 000 mD;松辽盆地砂岩孔隙型热储渗透率介于0.02~138.6 mD。

(2)碳酸盐岩岩溶型热储。我国碳酸盐岩岩溶热储地热田具有地热水流量大、易回灌等特征,是目前地热开发的重点。我国目前开发最成功的地热田—雄县地热田,即以碳酸盐岩地层为主要热储层。我国东部的渤海湾盆地、南华北盆地和苏北盆地发育了多套碳酸盐岩层系。以华北地台为例,碳酸盐岩在整个地质历史时期至少经历过八次大的表生岩溶作用,为我国岩溶型地热资源的形成提供了必要的地质条件。目前发现的主要碳酸盐岩岩溶热储为中元古界雾迷山组和下古生界寒武系-奥陶系,埋深一般大于500 m,最深可达4 000 m,单井地热水产量为几百至数千m³,温度较高、矿化度较低,属于优质地热资源。

(3)火成岩与变质岩基岩裂隙型热储。火成岩与变质岩类型多样,其中以花岗岩热储分布最为广泛。花岗岩裂隙性热储是华南火成岩地区最为常见的热储类型^[95],温泉主要出露在花岗岩体节理发育处或花岗岩体与围岩接触的断裂中。大多数温泉沿两组方向不同的断裂交汇处出露,其中约70%的温泉与北西向断裂有关,特别是一些张剪性断裂往往成为地下热水上涌的良好通道。

4.3 盖层条件

盖层是热储层上方、能够阻止热量向外散失的岩层,是地热系统(尤其是沉积盆地型地热系统)的重要组成部分。为了保存好储层中的能量,防止大气降水渗入冷却储层岩体,需要在之上覆盖有低导热率的盖层,这种盖层通常主要是沉积岩(沉积物)。遍布于广大沉积盆地或坳陷地区,厚度大、面积广且分布较稳定的区域性盖层,对盆地或坳陷的热量聚集起着重要的作用。不同岩性岩石之间热导率存在较大差异,泥岩、泥页岩等热导率较低,不利于热量的传导,在地热系统中可以作为盖层,有效阻止热量的散失。砂岩热导率也较低,尤其是饱含水、油、气等地质流体时,所以浅部砂岩热储可以作为深部地热系统的盖层。而灰岩、白云岩等碳酸盐岩热导率较高,有利于热的传导。

4.4 东部深层地热资源富集特征

中国东部地区整体位于欧亚板块板内地热域,但受邻近的西太平洋汇聚板缘型地热域影响。西太平洋板块俯冲引起东部地区中新生代以来大规模壳内岩浆熔融体侵入、喷发等作用,促使深部热流向浅部传输,为地热资源富集典型基础。由于整体热背景值较高,形成了广泛分布的地热异常区。其中华北地区深部热源及地温分布主要与青藏高原东向挤出、太平洋俯冲后撤导致的盆地伸展、断陷以及深大断裂带走滑活动有关^[96-97]。

结合区域构造演化、岩石地层结构、温度场、热储、盖层等特征,综合分析我国用能需求,东部松辽、渤海湾、苏北、三水等裂谷盆地中深大断裂、火山活动发育区域是深部地热资源富集区域。这些盆地中普遍发育有砂岩热储、碳酸盐岩或变质岩潜山热储、火山岩热储等类型,是规模化深层地热勘探开发的有利位置。华北地区碳酸盐岩和变质岩热储发育广、深层地热资源潜力大,是深层地热勘探最重要的热储类型。考虑热储性质、深层地热资源的可开采性、地热利用的经济性等因素,渤海湾盆地碳酸盐岩潜山型热储值得关注。

5 地质资源有利区分布

西太平洋板块俯冲、岩浆火山活动、深部流体活动等促使了深部圈层与浅部圈层之间的物质和能量的传输和多种物理化学过程,促使了无机甲烷、氢气、氦气、地热等地质资源的富集。因此,岩浆火山活动区域为深部无机甲烷等资源形成的有利区域。受西太平洋板块俯冲作用影响,东部的松辽、渤海湾、苏北等一系列裂谷盆地为拉张背景下形成的拉分断陷盆地^[98],盆地内部的深大断裂以拉张性质的正断层为主,能作为深部流体和气体向浅部运移的通道体系。深大断裂发育区域通常是无机甲烷等地质资源富集成藏的有利区域。由此,评价优选松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地地质资源有利富集区域。

5.1 无机气有利区评价

5.1.1 松辽盆地火石岭组火山岩有利区域

受中生代以来(古)太平洋板块俯冲作用影响下,松辽盆地基底发生拆沉作用,促使深部地幔岩浆上涌。在盆地中央坳陷区之下存在低速高导层,对应着深部地幔岩浆上涌汇聚的区域^[99]。野外和钻井资料表明早白垩世火石岭组和营城组时期,岩浆和火山活动强烈,促使深部幔源无机甲烷、氢气、氦气等沿着深大断裂向浅部运移富集。除此之外,火山岩中含有大量幔源镁铁质、超镁铁质火成岩,如拉斑玄武岩、橄榄玄武岩、苦橄玄武岩等,经蛇纹石化生成大量的氢气,并进一步通过费托合成生成无机甲烷。这些深部作为过程为盆地中无机甲烷、氢气和氦气稀贵气体富集成藏奠定了基础。

火石岭组和营城组火山岩构成了良好的储集层^[100],与上覆沙河子组、营城组上部或登娄库组泥岩构成有效的储盖组合,成为深部无机甲烷和稀贵气体富集的有利层位(图6)。近年来松辽盆地部署了多口钻井在深部火石岭组和营城组火山岩中获得天然气的勘探突破:腰深1井在营城组火山岩中获日产气20万m³;长探1井在火石岭组火山岩中获日产气2.1万m³;腰深3井在营城组火山岩中获日产气4.1万m³,在火石岭组火山岩中获日产气4.6万m³;火探1井在火石岭组火山岩中获得天然气显示;查干花地区查1、查3、查5井均获天然气流,揭示火石岭组火山岩具有整体含气的特征。

由此,评价优选松辽盆地徐家围子断陷、长岭断陷、林甸断陷火石岭组火山岩为无机甲烷、氢气和氦气富集有利层位。除深部无机气之外,火石岭组之上的沙河子组烃源岩形成的有机成因天然气也能侧向进入火石岭组火山岩储层。这些无机和有机气共同在深部火石岭组等火山岩储层中富集成藏(图6)。在林甸断陷论证部署的新胜1井于2024年完钻,在从3 876 m钻遇火石岭组火山岩储层,钻遇厚度738 m。测井解释孔隙度3.89%至12.07%,平均为7.46%。取心段最高孔隙度达13.4%,岩石类型为发育大量气孔及杏仁孔的安山岩。测井解释气层3层24.6 m,差气层12层96.3 m;测试获日产4.09万m³的工业气流。

5.1.2 渤海湾盆地济阳坳陷博兴洼陷有利区域

渤海湾盆地济阳坳陷新生代以来深大断裂和火山岩发育为深部无机甲烷和稀贵气体形成富集奠定基础。从济阳坳陷重力上延图上看,该区深大断裂发育,走向主要以北西向、北北东向为主。北西向断裂有林樊家—青城断裂、郑店—青城断裂,北北东向的大断裂有高青—平南断裂,以及近东西走向的齐广断裂、博兴断裂等(图7a)。济阳坳陷中、新生代火成岩较为发育,其中新生代火山岩又可以分为三个活动期,即古近纪、新近纪和第四纪。新生代火山活动具有从老至新逐渐减弱的趋势,大部分地区火山活动最强的时期是古近纪,其中又以始新世和渐新世最为强烈。火山岩中含有较多的基性、超基性岩,如橄榄玄武岩、橄榄拉斑玄武岩、碱性玄武岩、霞石岩、霞石苦橄岩等。新生代侵入岩主要是辉绿岩,侵入时间主要为沙三段中晚期、沙一段以及东营组沉积期,侵入的地层以沙四及沙二为主。辉绿岩的产状一般呈岩床状、岩盆状及岩盖状产出,有时也可为岩墙状。

火山岩浆活动伴随广泛深部热液流体活动,从深部带来无机甲烷、氢气和氦气稀贵气体在浅部圈闭中聚集。从地震剖面上可以识别多个深部热液流体上涌形成的热液喷口(图7b)。热液喷口在凹陷边缘主干断裂和内部的次级断裂发育。热液上涌通道呈现不规则的杂乱反射,两侧以断裂作为界限。热液通道多起源于沙三段,在东营组顶部形成热液喷口。深部热液流体中会含有深部幔源来源的无机甲烷、氢气和氦气等组分。基性岩石所发生的低温蛇纹石化等水岩反应会产生高通量的天然氢气,进一步发生费托合成可形成无机甲烷。此外,基底富铀钍花岗岩等通过衰变可形成放射性成因的氦气和氢气。这些无机甲烷、稀贵气体等资源沿着热液通道在浅部圈闭中富集。

地层水、天然气的多个地质地球化学指标指示深部气体资源形成的有利条件。依据钻井地层水化学分析资料,博兴洼陷多口钻井底部/深部层系的pH值多大于8,最高可达11,表明地层水具有碱性的特征,且深部地层的pH值显著大于顶部。碱性地层水的特征指示深部基性-超基性火成岩发生水岩反应(蛇纹石化)作用。蛇纹石化水岩反应和进一步的费托合成作用促使大量无机H₂和CH₄的形成。在洋中脊、温泉热液等火山活动的构造位置也常见高pH值、高含量H₂和CH₄的现象^[90-92]。

无机CH₄的存在使得济阳坳陷花沟、平南、平方王等气藏多口钻井的CH₄具有碳同位素偏高的特征,尤其是是深大断裂和火山活动发育的部位(图7a)。距离火山岩区域较远的钻井其CH₄的碳同位素较轻,指示有机成因为主,如滨338-13井、纯26井和河159井等的CH₄的碳同位素δ¹³C值分别为-58.9‰、-56.0‰和-55.8‰。在断裂带和火山岩发育位置的钻井其CH₄的碳同位素较重,指示有无机成因气的贡献。如高气3井、滨73-X7井和花6井等的CH₄的碳同位素δ¹³C值分别为-35.0‰、-43.9‰和-46.3‰。据估算^[8],东营凹陷和惠民凹陷中幔源氢气输入量约为44.1×10⁹m³。根据目前所报道的渤海湾盆地天然气气体组分数据,东营凹陷博兴洼陷中稀贵气体资源明显富集。其中,平14-3和滨4-6-6井的天然氢气含量分别为4.47%和3.87%;花501井氦气含量为3.08%,这些数据表明博兴洼陷稀贵气体资源前景较为广阔。

由此可以看出,济阳坳陷具有无机气的形成和富集条件。博兴洼陷位于济阳坳陷南部相对稳定的地区,具有良好的保存条件。沙3段和沙4段地层水越往深处矿化度越高,表明保存条件越好^[81]。由此,选择博兴洼陷作为无机气富集的有利区域,其有利富集层位为东营组、沙河街组泥岩之下的砂岩储层,火山口和断裂沟通深部无机CH₄和稀贵气体在沙河街组等层位的圈闭中富集成藏(图7)。

5.1.3 苏北盆地氦气富集有利区域

根据大地构造、地球物理、岩浆活动和成藏的局部地质构造特征,对苏北盆地幔来源氦气形成工业储聚的主要地质条件包括地幔裂谷的构造背景、地幔岩浆携带流体物质的上涌、断裂沟通深部地幔和浅部地层、有利的储层和盖层条件^[101]。地幔裂谷的构造环境为苏北盆地幔源氦形成工业聚集提供了基础地质条件。苏北盆地基本大地构造特征为地幔凸起的背景,地壳厚小,同时断裂发育。断裂一般均为张性正断层,是深部气体向上运移的良好通道。不同构造层中的一些深大断裂长期继承性活动,连通盆地地层与上地幔。盆地南缘的沿江断裂带即为一典型的深大断裂,是黄桥幔源氦气富集成藏的重要条件。

在地幔裂谷的构造环境中,上地幔的岩浆物质会沿着断裂运移乃至喷溢到地表。苏北盆地内大量发育的基性火山岩即是这一特定大地构造环境的产物,有关玄武岩中镁铁岩包体的研究成果证明其来自上地幔。上地幔岩浆物质在上侵的同时,会携带有上地幔中流体组分,包括氦气在内的挥发分。更为重要的是,上地幔岩浆物质上侵运移的途径可成为其后幔源氦继续向上运移的通道。苏北盆地在整个古近纪和新近纪均有基性岩浆活动,尤其在东台坳陷全区几乎都有发育,并呈裂隙式和中心式两种喷溢类型,表明在东台坳陷内有众多的断裂和构造部位与上地幔连通。

苏北盆地的形成与郯庐大断裂带的活动也有密切关系。由本区地壳厚度变化特征及本区构造线可知,苏北裂谷盆地的伸展轴相当于盆地的长轴,为北东向,其西南端以锐角与郯庐断裂带相交,而且地壳厚度也在近郯庐断裂带处收缩为喇叭型而趋于尖灭。应在苏北盆地在内的郯庐断裂带两侧的裂谷或地堑式构造中开展幔源氦气藏的研究与评价。类似于黄桥地区的箕状断陷与毗邻隆起区过渡的斜坡部位是很重要的有利构造部位。根据已发现的富氦钻井和气藏特征,评价优选苏北盆地金湖凹陷、溱潼凹陷、溪桥构造古近系和新近系浅层是富氦天然气的有利区域。近年在溪桥构造上论证部署氦气专属钻井溪浅1井,录井揭示盐城组(N₁y)370至400 m之间有30 m厚的高含氦气层,氦气含量最高达3.8%。钻井结果进一步揭示了苏北盆地浅层氦气的勘探潜力。

5.2 渤海湾盆地济阳坳陷深层地热有利区评价及科探井位建议

济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部,是在华北古生代基底上发育而成的中、新生代叠合盆地。北以埕宁隆起为界,南以鲁西隆起为界,西邻临清坳陷,东邻渤中坳陷,坳陷内呈现出北东东(NEE)向(近东西向(EW))凸凹相间的构造格局。济阳坳陷发育馆陶至沙河街组砂岩型、寒武-奥陶系碳酸盐岩潜山型和太古宇变质岩潜山型等多套热储,目前主要开采赋存在馆陶组和东营组砂岩热储中的地温水热型地热资源,而针对深层地热资源的研究较少。基于前期油气勘探开发积累的地质资料和钻探测试数据,开展深层地热系统分析,优选了深层地热有利区,提出科探井位部署建议。

5.2.1 渤海湾盆地济阳坳陷深层地热有利区

济阳坳陷现今平均大地热流值为(65.8±5.4) mW/m²,与中国大陆地区的平均热流(61±15.5) mW/m² 相当,具有较高的大地热流值背景。前人在济阳坳陷的综合物探研究结果显示,济阳坳陷莫霍面埋深28~32 km,居里面埋深25~29 km,二者较浅的埋深利于深部热能快速大量向上传导,坳陷东部居里面深度变浅反映了来自深部的热扰动。利用流变学模拟获得济阳坳陷地幔热流值达38.1~43.1 mW/m²,热岩石圈厚度为71~90 km,表明地幔热流在研究区的热流活动中扮演了重要角色。

济阳坳陷发育多套热储,对于深层地热而言,最重要的是下古生界碳酸盐岩和太古宇变质岩热储。渤海湾盆地寒武系(Є)和奥陶系(O)形成于大规模海侵的大陆边缘构造背景,碳酸盐岩台地分布广泛,受奥陶纪末期区域抬升剥蚀的构造作用影响,区内上奥陶统普遍缺失。寒武系和中下奥陶统以浅海相碳酸盐岩沉积为主,沉积厚度一般为450~850 m,部分地区因后期剥蚀而缺失^[102]。济阳坳陷太古宇潜山受多组断层的切割改造形成多个潜山带,主要由太古宙岩浆岩体所构成的块体,可分为残丘山和断块山。残丘山一般发育于断裂系统较为简单的盆地陡坡带,如陈家庄、埕东、埕南、郑家-王庄潜山;断块山一般发育于构造活动强烈、多组断裂交汇的区带,如桩西-埕岛、义和庄东部潜山。太古宇主要为低孔渗储集层,但长期遭受剥蚀,风化壳发育良好,可作为良好的热储层。

5.2.2 济阳坳陷孤东潜山科探井位部署建议

孤东潜山位于济阳坳陷东部埕岛-桩西-孤东-垦东潜山构造带,上覆的新生界地层中目前有油气在产,中生界和上古生界有油气显示但未实现商业性油气开发,发育代表深源岩浆活动的煌斑岩。孤东潜山内有两口井(孤东4、孤东古1)钻遇下古生界奥陶系热储。这两口井均处于潜山最高部位,碳酸盐岩岩溶热储物性好。近期孤东4井测试显示奥陶系热储日产水量超过1 000 m³,地热水中伴生产出的天然气以甲烷为主,氦气含量超过0.45%,揭示了多资源协同勘探开发潜力。由于孤东4井在下古生界仅钻揭奥陶系地层顶部风化壳,深部碳酸盐岩内幕热储和区域发育的寒武系地层及太古宙变质岩均未揭示,深部地层结构不清,地热、氦气等资源形成机理与富集规律不明确。由此,在孤东潜山区域设计部署深层多资源协同勘探科学探井,以揭示渤海湾盆地济阳坳陷深部油气、地热、氦气、氢气等多种能源/资源形成机理与富集规律,评价多种矿产资源协同开发利用潜力(图8)。

6 结论

(1)受西太平洋俯冲影响,松辽盆地主要经历了基底拆沉作用,渤海湾盆地经历了碳酸盐化岩浆作用,苏北盆地经历了减压熔融,莺歌海盆地经历了底辟作用;这些深部构造环境的差异性制约了东部不同地区圈层作用和资源效应的差异性。

(2)针对东部地区新生代玄武岩和玄武岩中的地幔橄榄岩捕虏体中的橄榄石开展加热释气分析,玄武岩中气体组分以CO₂、SO₂等为主,³He/⁴He比值一般小于0.1 R_a;与玄武岩相比,橄榄石中气体组分含有相对较多的CH₄和H₂,³He/⁴He比值大于1 R_a,分别代表受地壳影响和来自地幔圈层的气体组分。

(3)东部地区从莺歌海、苏北、渤海湾至松辽盆地,无机气体从以CO₂为主逐渐变为含有较多的无机CH₄、H₂、He等,除莺歌海盆地之外,³He/⁴He比值普遍大于1 R_a,表明受地幔圈层流体影响较为显著;优选松辽盆地长岭、徐家围子和林甸断陷等深部火石岭组火山岩以及渤海湾盆地博兴洼陷沙河街组等为无机CH₄以及H₂和He稀贵气体有利区,苏北盆地地金湖凹陷、溱潼凹陷、溪桥构造为氦气有利区域。

(4)热源、热储、盖层等地质要素联合控制了地热系统的形成和地热资源的富集,温度高、埋深浅、天然物性好或易改造的储集层可评价为热储甜点,明确济阳坳陷新生界馆陶-东营组砂岩、古生界和中元古界碳酸盐岩、太古宇变质岩潜山是深层地热主要勘探领域,建议在孤东潜山部署深层科学探井,主探高温地热,兼探深部油气、氢气、氦气等资源。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42488101)

国家自然科学基金项目(U2244209)

国家自然科学基金委-两院合作战略研究项目(L2424218)

中国科学院前沿交叉研判项目(5-XKC2025004)

国家重点研发计划项目课题(2021YFA0716004)

中国石化、中国石油勘探生产项目(YK-2023-10)

中国石化、中国石油勘探生产项目(KLP24015)

中国石化、中国石油勘探生产项目(JTGS-2022-JS-327)