中国东部沿郯庐断裂带含油气盆地中大量幔源CO₂气藏的发现已成为一个不争的事实(戴金星，1995; 郑乐平等，1995)，低He/(U-Th)和低³He/⁴He，使得He含量和同位素组成成为幔源流体和幔源CO₂气的源区和气体地球化学行为的指示剂。断层活动是地幔物质脱气的动力，断层和幔源二氧化碳气藏的时空分布与成因关系已有不少研究和共识(戴金星，1995; 戴春森等，1996; 陶明信等，2005; 朱岳年，1994)。如，位于渤海湾盆地东南隅的济阳坳陷，已发现6个幔源CO₂气藏均与断层有关(图 1)。研究表明(郑乐平等，1995; 赫英等，1995; 王兴谋，2005; 许多等，1999)，这些气体具有高CO₂含量(74.92%~99.50%)、低CH₄含量(5%~20%左右)、高He气(0.03%~0.08%)、低δ¹³C含量(-5.90‰~-3.35‰)和低³He/⁴He(3.55×l0^-6~5.22×l0^-6，即R/Ra为2.54~3.73)、低CO₂/³He等特征(表 1)，指示气体为幔源气。不同级别的断层控制CO₂气藏的形成和分布(曹忠祥等，2001; 王兴谋，2005; 林松辉，2005; 李理等，2008)，详细研究得出气源断层平面上的活动差异决定着CO₂气藏的平面分布，CO₂气藏分布在断层活动性强的区段(张建锋等，2008)，与CO₂气藏有关的火山岩源自更深、更为还原环境的富集地幔(赫英等，1997)。但是上述研究较少涉及不同层次断层及其活动时间与幔源CO₂气藏的来源、形成、运移与分布之间的详尽关系，本文以渤海湾盆地济阳坳陷为研究对象进行研究和探讨。

表 1 (Table 1)

表 1 渤海湾盆地济阳坳陷幔源二氧化碳气藏主要气体成分及地化特征 Table 1 Gas contents and geochemical characteristics of mantle derived CO2 in Jiyang Depression，Bohai Bay Basin 气田名称 气田产层 气体主要组分(%) δ13C(PDB·‰) 氦同位素 CO2/3He(×108) 层位 岩性 CO2 CH4 He N2 δ13CCO2 δ13CC1 3He/4He(×10-6) R/Ra Ⅰ E2s4 灰岩、细砂岩 79.17 17.13 0.0084 0.38 -4.50 -51.80 3.87±0.10 2.58 74.92 19.04 0.0238 1.21 -4.43 -51.74 3.55±0.19 2.54 8.87 77.93 18.17 - 0.61 -4.32 -51.82 4.47±0.14 3.19 7.85 75.33 20.89 0.0237 0.46 -4.52 -51.67 3.85±0.11 2.75 8.26 Ⅱ O2 灰岩 97.32 1.31 0.30 -5.90 74.65 17.11 0.88 -4.64 -46.42 5.22±0.13 3.73 5.89 Ⅲ E2s3 砂岩 93.78 3.89 0.358 1.60 -3.41 -54.39 4.45±0.12 3.18 5.89 93.54 3.86 0.0847 2.06 -3.35 -53.98 4.49±0.12 3.18 2.46 Ⅳ N1g 砂泥岩 94.36 0.14 5.43 -4.41 -35.00 99.50 0.50 Ⅴ 3 灰岩 98.00 1.35 0.06 97.37 2.48 97.76 0.94 Ⅵ E2s4 砂泥岩 96.50 0.44 3.06 -4.38 -42.51 4.12±0.12 2.94 注：资料来源：贾俊德和李昌谷(1997)，许多等(1999)；气田(藏)名称对应图 1的Ⅰ~Ⅵ

表 1 渤海湾盆地济阳坳陷幔源二氧化碳气藏主要气体成分及地化特征 Table 1 Gas contents and geochemical characteristics of mantle derived CO2 in Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

断层按照切割深度分为岩石圈断层、地壳断层、基底断层和盖层断层四个级别，此外还有顺层滑脱断层(张文佑，1984)。其中岩石圈断层与地幔去气作用产生的幔源CO₂密切相关，而地壳断层则主要与地幔岩浆去气作用产生的幔源CO₂相关。

郯庐断裂带是东亚一条非常著名的断裂带，其走向NNE，近直立，切割至岩石圈60~80km，早白垩世143Ma、124Ma存在两期左行走滑(朱光等，2016)，新生代~60Ma、45Ma、32~28Ma、13Ma、8Ma有五期张扭/压扭活动(Grimmer et al., 2002; 万京林等，1997)。带内地幔岩流体包裹体中发现了丰富的CO₂、CH₄以及个别样品中高含量的H₂等气体资源，且CO₂相对富集(杨晓勇等，1999; 马锦龙，2002)，表明郯庐断裂沟通了上地幔CO₂气源。此外，在渤海海域环渤中地区发现的油气藏中CO₂气主要为幔源无机成因(李军等，2012)，同样沿郯庐断裂带分布。毋庸置疑，断层切割地幔之处，压力会明显降低，地幔强烈的脱气作用使幔源CO₂气沿破裂带运移上升，因此，郯庐断裂带是对幔源CO₂气最主要的成气断层。

研究区地壳断层包括拆离断层和走滑断层(图 1)，其中拆离断层走向NE、近EW和NW向，总体倾向S，上陡下缓，倾角约50°~10°，在12~15km拆离滑脱，平面上向南延伸20~58km；切穿上地壳的走滑断层或变换断层走向近SN，倾向W或E，倾角约70°~80°，切割深度达15~22km。二者活动时间为163~103Ma、65~49Ma、42~25Ma、16Ma和5~2Ma(李理等，2012; Li et al., 2013)。两组断层在中、上地壳15km或22km处相交(李理等，2012)。当地幔岩浆到达此处，就会因去气作用产生幔源CO₂。因此，地壳断层也是幔源CO₂的成气断层。注意到拆离断层在中、上地壳15km或22km拆离滑脱，这恰恰也是低速体发育的深度，而低速体很可能因软流圈地幔部分熔融岩浆释放幔源CO₂气形成(史卜庆等，2011)，研究区幔源CO₂气藏无一例外均分布在低速带范围印证了这点(图 1)。与此同时，地壳断层与岩石圈断层相连、活动时间相同，起“承上启下”的作用，是幔源CO₂非常重要的运移通道。

级别更小的基底断层和盖层断层在平面上相互交切、纵向上相互叠加，与深部岩石圈断层和地壳断层相互连通，构成了幔源CO₂气形成、运移和储集的必要因素，并控制着气藏的分布(图 1)。

图 1

Fig. 1

图 1 渤海湾盆地济阳坳陷构造简图及幔源CO2气藏分布 F1-齐河-广饶断层；F2-陈南断层；F3-宁南断层；F4-无南断层；F5-滨南断层；F6-高青-平方王断层；F7-石村断层；F8-夏口断层；F9-临邑断层；F10-林南断层；F11-白桥-文祖断层；F12-惠东-磁村断层；F13-上五井断层；F14-八面河断层；F15-义南断层；F16-埕南断层；F17-广南断层.气田(藏)名称：Ⅰ-平方王；Ⅱ-平南；Ⅲ-花17；Ⅳ-青城凸起西部；Ⅴ-八里泊；Ⅵ-商店 Fig. 1 Simplified tectonic map and CO2 pools in Jiyang Depression of Bohai Bay Basin

值得注意的还有顺层滑脱断层，它们沿岩石圈与软流圈之间的滑脱断层、壳-幔之间的莫霍层、中、上地壳的低速层和盖层中假整合面或不整合面等沉积界面发育，晚中生代以来~123Ma、44Ma和23Ma及5Ma活动(Li et al., 2009，2013)，是幔源CO₂气成藏中非常重要横向运移通道和/或储集空间。

幔源CO₂形成气藏有两种方式：地幔脱气和地幔岩浆脱气。前者由地幔中的气体或挥发分发生脱气作用、经岩石圈断层和与之连通的地壳断层而运移到圈闭形成；后者地幔岩浆脱气指幔源气体随碱性幔源岩浆侵入或喷发冷却过程中释放的气体沿上地幔断层进入地壳形成。

幔源岩中的流体和稀有气体地球化学特征研究表明，郯庐断裂带沂沭段幔源流体CO₂/He值介于壳(大气)-幔源区之间的³He/⁴He和CO₂/He值，与板块俯冲地区更相近。这一中国东部地幔包体中的普遍现象，表明中国东部幔源流体具有类似的板块俯冲成因机制(马锦龙，2002)，而渤海湾盆地白垩纪火山岩低Th/La-Ta/La值暗示更可能是俯冲带流体交代后的地幔楔部分熔融的产物(李理等，2015)。早白垩世，太平洋板块以低角度俯冲于欧亚板块之下，在小于125km深度、小于3GPa和600℃时，较热俯冲板块即可发生脱水脱气(Thompson，1992; 张鸿翔等，2000)。火山岩REE反演也得出济阳坳陷中生代火山岩为石榴石-尖晶石转换带熔融的产物，熔融深度为80~120km(章大港，2003)。世界各地65个尖晶石二辉橄榄岩样品的分析结果表明，其碳含量为15×10^-6，其中以CO₂形式存在的碳元素占绝大部分，而地幔高温将促使洋壳携带的有机组分快速热解并形成大量幔源CO₂和H₂O，N₂及烃等(张鸿翔等，2000)。济阳坳陷中CO₂中δ¹³C含量为(-5.90‰~-3.35‰)，说明它们源自地幔脱气(-8‰~-4‰)(朱岳年，1994)，这些气体沿切割至壳幔边界的郯庐断裂带向上分散。由于俯冲板块携带有大量O₂，气体最终组成除CO₂、H₂O外，还有低分子稳定烃(主要是CH₄)(表 1)。

晚白至世-古近纪早期，库拉板块俯冲消亡。估算库拉板块在中国东部陆下软流圈深度可浅至100余千米，这样的深度及相应温度、加之地幔的缓慢对流，不足以造成洋壳板块的快速融化及壳-幔物质的完全混合(马锦龙，2002)，因而未能产生幔源CO₂。始新世43Ma，太平洋板块向西低速(55mm/y)俯冲(Maruyama，1997)，板块后撤，加上西部印欧板块碰撞的远程效应，地幔楔的吸引导致软流圈物质东移、部分熔融上涌，存在于地幔环境中的H₂O、CO₂等会逃逸出来(张鸿翔等，2000)，而西部这种低速体起源于更深处，可能为1700km或2900km，与下地幔有关(Liu et al., 2004; Niu，2005)。渤海湾盆地新生代火山岩微量元素图解揭示其在富集地幔与亏损地幔之间，接近洋岛玄武岩(OIB)范围(李理等，2015)，表明岩浆主要来自于亏损的软流圈地幔。这种未脱气的下地幔含气密度大，有大量幔源CO₂(或上涌进入地壳形成岩浆房，岩浆房中的岩浆经过组份分异在其上部形成更富气的岩浆)。另外，俯冲带流体脱气作用也会形成幔源CO₂。这些源自地幔脱气的CO₂沿郯庐断裂带向上分散。新近纪23~15Ma，太平洋板块以NW向高速94mm/y俯冲导致西部软流层东移、减压分熔(Niu，2005)，是东部幔源CO₂气形成主要时期。8~4Ma，太平洋板块NWW向高速(90mm/y)俯冲(Maruyama，1997)，印欧板块碰撞导致青藏高原快速隆升(钟大赉等，2001)，再次使西部软流层东移、减压分熔，是东部幔源CO₂气形成另一个主要时期。这两个时期形成的幔源CO₂气沿对应时期活动的郯庐断裂带向上分散聚集。

地幔岩浆脱气始于早白垩世，郯庐断裂带的左行走滑活动已切割至壳幔边界(牛漫兰等，2002)，火山岩指示岩浆源区为富集地幔，说明高温软流圈物质的对流上升导致地幔橄榄岩降压熔融，地幔岩浆脱气形成的幔源CO₂，向上沿郯庐断裂带分散聚集。新生代地幔岩浆脱气与郯庐断裂带碱性玄武岩的活动密切相关。65~53Ma郯庐断裂带向下切入上地幔上部，断裂带出现了第一次玄武岩喷发，拉斑玄武岩说明此时尚无幔源CO₂气；始新世43Ma，切割深度加大的郯庐断裂带出现了碱性玄武岩喷发，岩浆房中的幔源CO₂气体与玄武岩浆一起喷溢和侵入到沉积壳层中，并且岩浆在不断冷却过程中会进一步释放出其中溶解的幔源CO₂气体。25~15Ma，郯庐断裂带出现大量碱性橄榄玄武岩喷发，表明郯庐断裂带已切至上地幔中部，济阳坳陷的幔源岩浆CO₂气主要来自该时期。8~4Ma时郯庐断裂带切割深度进一步加大，随后出现了碱性橄榄玄武岩喷发，成为东部幔源岩浆CO₂气形成的第二个主要时期。济阳坳陷南部于40.4Ma、24.94Ma和5Ma也出现了碱性玄武岩(曾广策等，1997; 章大港，2003)，它们沿NW、NE向地壳断层分布(图 1)，将地幔岩浆脱气形成的幔源CO₂气分散、聚集。

除穿层的郯庐断裂带、拆离断层等之外，前述沿岩石圈与软流圈之间的滑脱断层、壳-幔之间的莫霍层、中、上地壳的低速层等发育的顺层滑脱断层于晚中生代以来~123Ma、44Ma和23Ma及5Ma活动(Li et al., 2009，2013)也影响着地幔脱气形成的幔源CO₂气的分散和聚集。岩石圈与软流圈之间存在强烈构造拆离(Li et al., 2009)，导致岩石圈发生底侵作用和原始碱性玄武岩浆的上涌，使位于壳-幔边界由高、低速互层的物质所组成的莫霍层发生强烈构造滑脱作用，强烈的同伸展幔源岩浆活动在诱发上地壳伸展的同时，还可以在下地壳形成幔源岩浆垫(Gans and Mahood， 1989)。岩浆的初次脱气主要是在中、下地壳内进行，在压力降低和不断冷却会进一步释放出其中溶解的幔源CO₂气体，且因断层带内氧逸度比断裂带外高，有利于幔源CO₂气的形成，主要出现在350~500℃的低温阶段(马锦龙，2002)。

在地幔脱气作用中，CO₂气体的运移经扩散、对流或者两种方式，或通过岩石圈断层由地幔运移至地表，形成“近源”气藏；或通过岩石圈断裂进而地壳断裂、基底断裂、盖层断裂形成“远源”气藏。尽管CO₂在运移过程中与断层破碎带的接触会降低CO₂的浓度(Arai et al., 2001)，但断层仍然是CO₂气体非常重要的运移通道。其中在扩散过程中，CO₂气体由深到浅扩散速度加快，碰到渗透性高的岩石其扩散速度加快；或因应力、岩石静压力的变化、岩石破裂、局部气体产生等因素产生对流，由此由深部运移至浅部。另一方面，断层的错动蠕动，还可引起气体运移的发生。因此，断层、尤其是岩石圈断层和地壳断层的活动，与幔源CO₂气的形成和运移密切相关。济阳坳陷CO₂/³He比率(表 1)低于10⁹，明显低于幔源气体脱离玄武岩浆时的比率，从这方面说明CO₂气主要源自地幔脱气。这是因为在地幔脱气过程中，没有幔源岩浆的喷发和侵入，断裂活动导致高扩散能力的He优先释放，导致研究区CO₂/³He比率相对于地幔脱气并伴随岩浆活动脱气得到的值要低(许多等，1999)。

经地幔岩浆脱气形成的幔源CO₂气藏，也是在岩石圈断层、地壳断层等四个不同级别断层的单独或“联合”下运移聚集形成。总体上通过以下路径完成：岩石圈/软流圈地幔上涌→顺层岩石圈断层活动→原始碱性玄武岩浆上涌→壳幔断层活动→幔源CO₂气形成→基底断层、盖层断层活动→幔源CO₂气成藏。

综上，地幔脱气形成的幔源CO₂通过郯庐断裂带向上聚集在壳-幔过渡带或壳内低速带岩浆房中，与岩浆在不断冷却过程中释放出其中溶解的幔源CO₂气体一起，沿基底断裂、盖层断裂向上运移至盖层圈闭中形成气藏。

对研究区而言，地幔脱气形成的幔源CO₂气，与携带CO₂的幔源岩浆沿郯庐断裂西侧扩散、对流上升，通过与郯庐断裂交汇、切割较深的EW向广南断层(F₁₇)、NW向石村断裂(F₇)，滨南断层(F₅)、高青-平南断层(F₆)、无南断层(F₄)等向中、上地壳间的低速层因岩石圈最大剪应力集中(Suvorov，2000)而拆离层滑作近水平运移，并与低速体处因软流圈地幔部分熔融岩浆释放幔源CO₂气汇合，沿惠东-磁村断层(F₁₂)、文祖-白桥断层(F₁₁)等近SN向走滑断层继续向上运移。运移到浅层中的CO₂气，再通过浅层陡倾斜断层作纵向运移和Pz₂/Pz₁假整合面、Pz₁/Pt(Ar)不整合面等转换成的构造滑脱面(Li et al., 2009)进行横向运移，在与伸展断层有关的鼻状构造、古风化壳，以及沉积岩中的滑脱面附近等圈闭中聚集起来，并通过封气断层、泥岩等使气藏得以保存(图 2)。

图 2

Fig. 2

图 2 渤海湾盆地济阳坳陷及周边幔源CO2气藏的成因模式 Fig. 2 The mechanism model of the mantle derived CO2 pools in Jiyang Depression of Bohai Bay Basin and its adjacent area

地壳断层控制着气藏分布。研究区气藏位置基本在中地壳低速层分布范围之内(图 1)，说明中地壳低速层是幔源CO₂气“气源区”。6个气藏无一例外均分布在NE、NW拆离断层和近SN向走滑断层这些地壳断层的交汇处，且与新生代43Ma、23Ma和5Ma火山活动分布一致。盖层断层中，近水平的顺层滑脱断层是幔源CO₂气储集和保存的有利地区。如，平方王气藏(Ⅰ)主要位于始新统沙四段顶部滑脱面、平南气藏(Ⅱ)主要位于石炭系-二叠系/寒武系滑脱面、八里泊气藏(Ⅴ)位于古近系/寒武系滑脱面，花沟CO₂气藏(Ⅲ)位于始新统沙河街组第三段和沙河街组四段之间(E₂s₃/E₂s₄)的滑脱面处，这些不整合面在新生代约43Ma和23Ma都转换成了构造滑脱面(李理等，2007; Li et al., 2013)，其附近构造破碎，成为很好的储集空间，其上被盖层封闭成藏。

(1) 幔源CO₂气的分散和聚集主要受岩石圈断层和拆离断层的控制，郯庐断裂带在晚白垩世143Ma、124Ma两期左行走滑、新生代约44~40Ma、24~11Ma、8Ma和5Ma时期的张扭、压扭活动，拆离断层的伸展活动，以及随后的岩浆活动，控制了幔源CO₂气的形成和分布。

(2) 岩石圈断层和拆离断层既是成气断层又是纵向或横向运移通道，基底和盖层陡倾斜断层是纵向通道，Pz₂/Pz₁、Pz₁/Pt(Ar)等构造滑脱面是横向运移通道，不同级别断层空间上相互叠置，将幔源CO₂气由深至浅进行接力式传递。

(3) 幔源CO₂气的分布严格受不同类型、不同级别断层控制，浅层位于几组断层交叉部位，剖面上呈层状分布，对应深部的拆离滑脱之处(亦是低速体发育之处)。

(4) 幔源CO₂气的形成受控于早白垩世古太平洋板块俯冲脱气和新生代太平洋板块向欧亚板块俯冲速度和方向的改变以及始新世43Ma以来印度/欧亚板块碰撞的远程效应导致的地幔部分熔融以及碱性玄武岩浆活动。

黄骅坳陷幔源气藏与郯庐断裂带沂沭地区地幔岩包裹体气的关系研究得出二者接近，尽管苏北盆地与沂沭地幔岩包体流体关系相对松散，但也有某种亲和性(马锦龙，2002)。说明源自郯庐断裂带的幔源气体向西、东分别运移至黄骅坳陷和苏北盆地。可以预测，在东营凹陷西部郯庐断裂带内的青东东凹陷可能也有幔源CO₂气藏，甚至在鲁东隆起上的胶莱凹陷如果盖层条件好的话，也会有CO₂气藏(图 2)。

此外，近郯庐断裂带的辽河坳陷东部中央断裂背斜带中的原油样品³He/⁴He分布范围为2.61×l0^-6~3.50×10^-6，指示原油中含有幔源氦的特征，且幔源氦侵入份额达20.13%~30.24%(宋成鹏等，2009)。在辽河坳陷中原油中还发现含有地壳稀少而地球深部丰富的元素、较多的亲石元素、不显奇偶优势的原油，并沿基底断裂分布，说明原油可能是来自地球深部、从非岩石结构的地球深部流体中分异后聚集的无机成因原油(郭占谦，2001)，因为甲烷可以通过薄弱带、古构造带由深部向浅部迁移中的聚合作用形成高分子烃类气体和石油(Gold and Soter， 1980)。以济阳坳陷为例，油气集中分布在东部的东营凹陷、沾化凹陷；无独有偶，渤海湾盆地的油气富集凹陷也主要集中在东部的辽河坳陷、渤中坳陷、济阳坳陷，而远离郯庐断裂带的冀中坳陷、东濮坳陷，油气则要少得多。这一事实也说明，很有可能有无机成因原油的存在，并通过郯庐断裂带运移到浅层。研究认为，中地壳和上地幔也许存在大量的无机油气资源(杜乐天，2008)，沿深大断层运移至浅层形成的油气藏，仅仅可能是冰山一角。

致谢 感谢审稿人对本文提出的宝贵意见和建议。