火山作用與油氣成藏

摘 要

摘要：目前全球有100多個國家或地區(qū)發(fā)現(xiàn)了與火山巖有關的油氣藏或油氣顯示，火山巖已經從油氣勘探的“禁區(qū)”逐漸轉變?yōu)?ldquo;靶區(qū)”?；鹕交顒影殡S的熱液和氣
摘要：目前全球有100多個國家或地區(qū)發(fā)現(xiàn)了與火山巖有關的油氣藏或油氣顯示，火山巖已經從油氣勘探的“禁區(qū)”逐漸轉變?yōu)?ldquo;靶區(qū)”?；鹕交顒影殡S的熱液和氣液可以明顯提高有機質的生烴量和轉化率，有效地加快油氣運移速率，而且無機成因烴的來源可能也與火山作用有關。火山巖本身可以成為油氣的有利聚集場所，同時火山作用與沉積作用相匹配還有助于形成一系列與火山巖有關的油氣圈閉?？紫抖?、滲透率較差的火山灰或厚層玄武巖具有良好的封閉性能，可成為油氣藏的局部蓋層。火山巖油氣藏的研究需將火山作用、構造作用、沉積作用、成烴作用有機結合起來，缺一不可。
關鍵詞：火山作用；油氣成藏；火山巖儲集層；生烴量；有機質轉化率；無機成因；生儲蓋組合；油氣聚集
0 引言
火山巖油氣藏包括火山巖本身直接作為油氣儲層和與火山巖或火山作用有關的油氣藏。有機成油理論認為，石油天然氣是古代海洋或湖泊中的生物經過漫長的演化形成的烴類化合物。過去全球所發(fā)現(xiàn)的油氣藏幾乎都存在于海相或陸相盆地的沉積地層內，盆地基底或火山巖分布區(qū)一直被認為是尋找油氣藏的“禁區(qū)”。然而這一觀念隨著美國加利福尼亞州圣華達盆地內第一個火山巖油氣藏的發(fā)現(xiàn)而得以轉變，從而掀開了火山巖勘探和研究的序幕。隨后全球有100多個國家或地區(qū)發(fā)現(xiàn)了與火山巖有關的油氣藏或油氣顯示[1]。近年來，我國火山巖油氣藏勘探取得了重要進展，相繼在準噶爾、松遼、遼河、三塘湖等盆地內發(fā)現(xiàn)了儲量豐富的火山巖油氣藏[2]?；鹕綆r是盆地早期充填的重要組成部分，體積約占整個盆地充填物的25%[3]，但目前火山巖油氣探明儲量僅占全球油氣總探明儲量的1%左右，其勘探潛力巨大。隨著研究的深入，火山巖油氣成藏理論可能會成為繼海相和陸相生油理論后，油氣勘探領域的第三次認識飛躍。，一個完整的油氣系統(tǒng)需具備油氣的生成、運移、聚集、保存等要素，而火山作用對它們均會產生一定的影響。本文從火山作用的角度入手，分析了火山作用與烴類的生成、油氣運移、圈閉的形成、油氣藏的保存與破壞等之間的關系，以期推動火山巖油氣藏的勘探和成藏機理的研究。
1 火山作用與烴的生成
    火山巖油氣勘探表明[4～5]，與火山巖或火山作用有關的油氣既有有機成因的，也有無機成因的。目前具有工業(yè)開采價值的火山巖油氣藏以有機成因的為主，烴源巖內有機質成熟后運移至火山巖儲層或火山巖/火山作用形成的相關圈閉內聚集成藏。無機成因的油氣則主要表現(xiàn)為少量低碳烷烴氣顯示，很少能形成有商業(yè)價值的油氣藏[1]?；鹕阶饔门c這兩類成因烴的生成都存在密切關系。
1.1 火山作用與有機成因烴的生成
    有機質生成烴的方式主要包括3種：CO2還原、發(fā)酵、熱降解。近年來國內外學者通過對侵入體圍巖內的有機質成熟度Ro的測試發(fā)現(xiàn)，Ro值的大小與圍巖和侵入體之間的距離成正比[6～7]，即靠近侵入體的Ro最高，遠離侵入體Ro逐漸降低，表明侵入體對圍巖有機質的成熟度起到積極作用。究其原因有：①熱量，無論是侵入還是噴出作用，火山活動都伴隨著巨大的熱量，使局部地溫梯度明顯增高，加快了有機質的成熟；②礦物催化劑，火山作用過程中的熱液物質含有大量的Ni、Co、Cu、Mn等金屬元素。金強(2001)的模擬實驗表明，有機質熱降解過程中，如果加入富含這些金屬元素的礦物時，有機質的生烴量和氫氣都會顯著提高(見表1)；③火山氣體，火山作用過程中常伴有CO2、H2和CH4等氣體，這些氣體除可以作為火山巖氣藏的氣源外，還能提高有機質轉化率，如CO2可以促使湖盆水體沉淀出碳酸鹽礦物，H2可以促進生油巖有機質產生更多的烴類[8]。
表1 有機質生烴模擬實驗表[9]
礦物類型
產物類型
產物生成量(cm3/g)
300℃
350℃
400℃
450℃
500℃
無火山礦物加入
氫氣
0.41
8.74
67.52
76.34
87.58
烴類
3.10
6.54
58.37
138.49
168.45
加入火山成因沸石
氫氣
0.66
9.13
68.46
79.10
90.47
烴類
9.83
30.21
103.67
177.41
201.95
加入橄欖石
氫氣
79.82
217.66
430.55
144.78
75.46
烴類
41.08
45.31
148.59
268.97
309.66
同時加入沸石、橄欖石
氫氣
86.50
506.44
760.33
648.97
298.67
烴類
57.62
90.21
166.98
346.46
416.58
1.2 火山作用與無機成因烴的產生
    上個世紀50年代以來，世界上先后在前蘇聯(lián)Kola半島的希比內山堿性火成巖體、菲律賓Zambales蛇綠巖套基性一超基性巖、西南印度洋中脊和芬諾斯坎底亞玄武巖、加拿大Quebee地區(qū)StrangeLake堿性花崗巖、格陵蘭Ilimaussaq堿性霞石正長巖、東非烏干達Sukulu碳酸鹽巖等發(fā)現(xiàn)了無機成因的低碳烷烴類[10]。我國在無機成因氣藏方面也取得了令人矚目的成就，松遼盆地徐家圍子昌德氣田首個無機成因火山巖氣藏的發(fā)現(xiàn)[11]，引起了國內外石油地質工作者的極大興趣。無機成因烴的來源主要有以下3個途徑：
1) 直接地幔來源。Gold[12]首次提出非生物成因烷烴氣可能主要來自原始地幔的觀點，他發(fā)現(xiàn)火成巖體內的烷烴氣具有一致的護C值(-25‰～-28‰)，表明這些烴可能來自一個巨大的均一體——原始地幔。某些火山氣體、溫泉或天池的溶解氣被認為是經火山作用由深部地幔而來，如我國五大連池內氣體的δ13C和稀有氣體同位素均具有幔源巖漿特征(見表2)，是幔源排氣的直接表現(xiàn)。此外，輝石、尖晶石等幔源包體內通常含有低碳的烷烴[13]，也表明地幔含有無機成因烴。
表2 五大連池氣體組成及同位素特征表[14]
組成和同位素值
北飲泉
地震臺
二龍眼
樺林沸泉
翻花泉
老黑山
南飲泉
溫泊
CO2(%)
98.47
96.64
13.37
85
84.51
0.51
97.8
2.12
N2(%)
1.47
2.76
67.51
11.98
10.65
77.87
2.13
88
Ar(%)
0.044
0.05
1.53
0.16
0.24
0.93
0.066
1.49
O2(%)
 
0.53
17.59
2.84
4.55
20.69
0.0027
8.39
He(10-6)
0.7
110
5
150
380
4
8
4
CH4(10-6)
180
74
4
29
150
1
47
4
3He/4He
2.17
3.87
1.71
4.55
4.53
1.48
4.52
1.61
4He/20Ne
0.85
1011
1.09
103
207
0.35
55.4
1.51
δD(SMOW，‰)
-88.4
-87.2
-87.8
-77.9
 
 
-90.1
 
δ18O(SMOW，‰)
-12.2
-12.5
-12.1
-10
 
 
-12.2
 
δ13C(PDB，‰)
-7.7
 
-5.5
-4.2
-9.6
 
 
 
2) 晚巖漿期成因烴。在壓力、溫度、氧逸度適當?shù)那闆r下，封閉體系內C-O-H流體可以重新平衡后形成CH4為主的流體[10]。比如：①當溫度(500℃)和壓力(2×108Pa)固定時，在較低的氧逸度條件下，原始CO2-CH4-H20流體可以轉化為CH4-H2O流體或CH4-H20-H2流體組合；②在體系溫度下降并低于400℃過程中，根據(jù)初始流體O/(O+H)比值不同，流體將重新平衡至CO2為主、CH4為主或H2O為主的流體。
   3) 巖漿期后成因烴。CO2或CO與H2在催化劑作用下發(fā)生費托反應可生成低碳烷烴，催化劑包括第Ⅷ族金屬(尤其是Fe)或其氧化物，F(xiàn)e-硅酸鹽和含水硅酸鹽等[15]，反應方程式如下：
    nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+nH2O
    nCO2+(3n+1)H2→CnH2n+2+2nH2O
    巖漿活動階段伴隨大量的幔源CO2釋放，為反應提供了充足的CO2流體。巖漿期后階段，礦物蝕變過程可產生一定量的氫氣和鈦鐵氧化物[10]，如超基性巖中橄欖石轉為蛇紋石和磁鐵礦，堿性巖中霞石、普通輝石、鈉鐵閃石和鈦磁鐵礦等礦物集合體蝕變生成云母、磁鐵礦、霓石和鈉沸石。由于費托反應已在許多超基性巖體與過堿性巖體中得到證實，因此被認為是最具廣泛性的無機成因烴生成方式[10]，具有重大的研究意義。
2 火山作用與油氣圈閉的形成
    火山作用對油氣圈閉形成的影響可分為兩類：①火山巖或侵入巖直接作為儲集層，形成構造或巖性圈閉；②火成巖與沉積巖相互配置，形成側向遮擋型、披蓋背斜型和局部蓋層型等圈閉。
2.1 火山巖或侵入巖直接形成油氣圈閉
   巖漿噴出地表后，隨著溫度壓力下降，揮發(fā)份釋放與礦物晶體溶解、破碎過程形成了火山巖儲層的氣孔、石泡空腔孔、杏仁孔等原生孔隙，火山角礫巖、凝灰?guī)r在堆積過程中形成礫間孔[16]。這些火山巖原生孔隙受壓實作用影響較小，基本不會隨埋深而變化[17]，因此，在盆地深層的火山巖儲集物性明顯好于沉積巖，成為重要儲層之一。埋于地下的火山巖或侵入巖受熱液、淋濾等作用形成基質溶蝕孔、礫間溶蝕孔等次生孔隙，進一步提高火山巖的孔滲條件。后期構造作用常使火山巖形成構造裂縫，從而形成火山巖儲層獨特的裂縫孔隙結構。
    國內外發(fā)現(xiàn)了眾多火山巖或侵入巖直接作為儲層的油氣藏，如：日本新溻盆地新近紀火山巖油氣藏[18]，我國松遼盆地慶深氣田中酸性火山巖氣藏[17]，下遼河盆地侵入巖儲層[19]等?？碧奖砻?，火山巖儲層的巖性、巖相非常復雜，從基性玄武巖到酸性流紋巖均有發(fā)現(xiàn)，其中玄武巖儲層所占比例最大[4]，巖相以爆發(fā)相為主，往往是巖相越復雜越有利于形成儲層。爆發(fā)相堆積而成的火山錐，形成局部的構造高點，被其他孔滲稍差的巖石覆蓋后即可形成背斜型圈閉。非均質性較強的不同巖性、巖相火山巖相互疊置便可構成巖性或巖相油氣圈閉。
2.2 與火山巖或火山作用有關的油氣圈閉
    火山作用除產生大量火山巖外，還伴隨淺成侵入巖，形成眾多侵入體，如巖株、巖墻、巖蓋、巖床等。侵入體與沉積巖相互作用，有的造成沉積地層的局部隆起，形成隆起背斜型圈閉，有的使地層發(fā)生傾斜，形成側向遮擋型或巖性圈閉(見圖1)。我國遼河盆地歐利坨子歐36井即為典型的巖墻側向封閉型油氣藏[19]。
 

3 火山作用與油氣運移
    油氣一般是依靠斷層或不整合面作垂向/側向運移的。巖漿侵入到沉積地層時，熱液、氣液物質在一定程度上改變了沉積巖原有的性質，使圍巖產生大量裂縫；侵入體的冷卻收縮與交代作用和后期巖漿熱液活動使其產生了大量裂縫和孔洞；長期暴露地表的火山熔巖形成孔滲較好的風化殼。這些都可以成為后期油氣運移的良好通道。
    侵入體侵入沉積巖時，溫度、壓力降低，一定程度上破壞了圍巖的壓力系統(tǒng)，導致圍巖壓力高于侵入體，在巨大的壓力差作用下，烴源巖內的烴便可向外排出，從而完成油氣的一次運移，之后油氣沿著斷裂或火山通道運移至儲層內[18]?；鹕交顒訋淼腃H4和H2等氣體，可導致油氣密度和黏度下降，促進油氣的排出和運移，CO2流體可以溶解適量的低碳烷烴，成為運移載體，火山活動的高溫、高壓作用可使地下水失去氫而達到超臨界狀態(tài)[21]，從而更易溶解烴類物質，當流體運移至遠離火山區(qū)或火山作用結束時，烴便從流體內分離出來形成油氣藏。
4 火山作用與油氣的保存
    以往觀點認為，火山作用對油氣主要起破壞作用。油氣藏形成之后的火山活動會破壞油氣的保存，切穿油氣藏的火山通道或伴生斷裂破壞油氣圈閉的完整性，導致油氣泄漏?；鹕絿姲l(fā)形成的高溫物質使烴類發(fā)生變質并對附近油氣藏起破壞作用。然而如果火山活動早于油氣運移，情況則完全不同：①大面積孔滲較好的火山巖可以形成良好的油氣圈閉，成為油氣的主要儲集層；②火山活動伴隨的斷裂和切穿沉積巖的侵入體，形成油氣運移的隔擋層，阻止油氣側向或垂向運移，形成側向遮擋型油氣藏；③顆粒微小的火山灰遇水發(fā)生膨脹，形成孔滲條件較差的沉火山凝灰?guī)r[22]，成為良好的蓋層，厚層的玄武巖層在泥巖封閉性較差地域也可以作為沉積儲層的局部蓋層。
5 結論
    1) 火山作用對油氣的生成、運移、存儲、封蓋均具有有利的貢獻。不同時代，不同巖性、巖相的火山巖均具有成藏潛力。
    2) 火山巖油氣藏是尋找油氣資源的新領域、新方向。在特定的盆地地質環(huán)境中，火山作用、構造作用、沉積作用、成烴作用的有機結合對尋找火山巖油氣藏至關重要。
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(本文作者：劉嘉麒 孟凡超 中國科學院地質與地球物理研究所)