岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (3): 939-948   PDF    
中国东部CO2气地球化学特征及其气藏分布
廖凤蓉, 吴小奇, 黄士鹏     
中国石油勘探开发研究院,北京 100083
摘要: 中国东部CO2气田(藏)发育广泛,分布复杂。本文对中国东部松辽、渤海湾、苏北、三水、东海、珠江口、莺琼、北部湾等盆地和内蒙古商都地区以及部分现代构造岩浆活动区CO2气田(藏)和气苗中CO2的地球化学特征进行了分析和研究,探讨了中国东部CO2气的成因、来源及分布。中国东部CO2气的含量主要分布区间为0~10%,其次为90%~100%,呈现典型的U字型。δ13CCO2值则呈现典型的单峰式分布,峰值区间为-6‰~-4‰。CO2含量、δ13CCO2值和R/Ra值综合表明,中国东部高含CO2气以幔源无机成因为主,混有部分有机成因气和(或)壳源无机气。中国东部已发现的36个无机成因CO2气田(藏)在空间分布上与新近纪及第四纪北西西向玄武岩活动带展布一致,深大断裂和岩浆活动是无机成因CO2富集、运移和分布最重要、最直接的两大主控因素。
关键词: CO2     无机成因气     碳、氦同位素     玄武岩带     分布    
Geochemical characteristics of CO2 gases in eastern China and the distribution patterns of their accumulations
LIAO FengRong, WU XiaoQi, HUANG ShiPeng     
Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Petrochina, Beijing 100083, China
Abstract: CO2 gas accumulations are distributed widely and complexly in eastern China. This study focuses on the origin and distribution of CO2 gases in eastern China based on the geochemical analyses of samples from some basins in the eastern China, such as Songliao, Bohai Bay, Subei, Sanshui, East China Sea, Pearl River Mouth, Yinggehai-Qingdongnan and Beibuwan, as well as Shangdu area in Inner Mongolia and some modern tectonomagmatic activity regions. The distribution pattern of CO2 contents in natural gases is similar to the typical “U” type. The CO2 contents mainly range from 0~10%, and secondarily 90%~100%. The δ13CCO2 values show a notable unimodal distribution, with the peak interval ranging from -6‰~-4‰. Combined analyses of CO2 contents, δ13CCO2 values and R/Ra values indicate that high-content CO2 in gases is dominated by mantle-derived abiogenic gases and mixed with some biogenic and crust-derived abiogenic ones. The distribution of 36 CO2 gas accumulations is in accordance with the Neogene-Quaternary north-northwest-trending basalt belts in eastern China. The deep faults and magmatism are the most important and direct controlling factors on the accumulation, migration and distribution of abiogenic CO2 gases.
Key words: CO2     Abiogenic gas     Carbon and helium isotopes     Basalt belt     Distribution    

CO2是一类重要的非烃气体,具有很高的热稳定性,只有温度超过2000℃时,CO2才会发生分解,因此CO2能在地球深部高温高压环境下稳定存在,如我国东部地幔岩中的包裹体内就发现了CO2(杨晓勇等,1999)。

CO2是天然气的重要组分之一,具有一定的经济价值,用途较广泛。CO2的成因和来源是天然气研究的重要课题,国内外很多学者对其进行了广泛而深入的研究,取得了一系列成果(Smith and Ehrenberg,1989Baker et al.,1995Clayton,1995戴金星等,1995Dai et al.,1996Wycherley et al.,1999Zhang et al.,2008) 。根据CO2来源不同可以将其分为两大类:(1) 有机成因,主要指有机质在演化过程中生成的CO2。近年来的研究表明,有机质受硫酸盐热还原(TSR)和细菌硫还原(BSR)作用会产生大量的CO2,如我国四川盆地飞仙关组天然气(Cai et al.,20032004; 谢增业等,2004)和加拿大阿尔伯达盆地泥盆系尼斯库组天然气(Hutcheon et al.,1995) 中的部分CO2来源于硫酸盐热还原反应。(2) 无机成因,其又可以分为壳源和幔源成因两种。壳源无机成因CO2主要来自碳酸盐岩受热分解,而幔源CO2则与火山岩浆作用紧密相关,主要来自地幔脱气。

无机成因CO2的释放主要集中于大洋中脊、大陆裂谷及地幔柱热点活动的地区,与深断裂及岩浆活动关系密切(戴春森等,1995)。目前全球已发现的高含CO2的天然气气田(藏)主要分布在岩浆和断裂活动十分频繁的环太平洋地区,如日本、中国东部、印度尼西亚、新西兰、菲律宾、越南、泰国、马来西亚、澳大利亚、墨西哥、美国和加拿大等地(朱岳年,1994),其中中国东部已发现的高含CO2天然气主要分布在松辽、渤海湾等盆地以及部分现代构造岩浆活动区,如东北五大连池及长白山天池等(戴金星等,1995)。最近在北部湾盆地福山凹陷(Li et al.,2008) 和内蒙古商都地区(非含油气盆地)(薛军民等,2010)均发现了无机成因CO2气藏,表明中国东部CO2气的成因类型和分布特征较为复杂。

因此,本文拟通过对中国东部松辽、渤海湾、苏北、三水、东海、珠江口、北部湾、莺琼等盆地和内蒙古商都地区以及部分现代构造岩浆活动区(温/冷泉)天然气中CO2地球化学特征进行分析和研究,探讨中国东部CO2气的成因、来源和分布。前人对我国东部地区含CO2气藏的成因和分布已经进行了深入研究,本文在前人研究的基础上补充了近年来新发现的CO2气藏(如北部湾福山凹陷和内蒙古商都地区CO2气藏等),丰富和完善了中国东部CO2气藏的分布特征,为预测CO2富集有利区提供依据;同时利用δ13CCO2值和R/Ra值将CO2气分为三个成因端元(有机成因,幔源无机成因及壳源无机成因),根据各自所占比例的不同来划分中国东部CO2气的成因类型,进一步深化对中国东部CO2气的成因认识。

1 地质背景

中国东部主要是指大兴安岭-太行山-武陵山-雪峰山一线以东部分,分布有松辽、渤海湾、苏北、三水、珠江口及莺琼等盆地(戴金星等,1995)。在大地构造特征上,中国东部主要表现为地幔隆起,幅度为2~4km;地壳较薄,约为22~35km;发育一条大型超壳断裂带——郯庐断裂带(国家地震局地质研究所,1987),沿该断裂带壳幔连通性显著较高,幔源岩浆活动强烈,有利于幔源CO2气的导出(陈永见等,1999)。中国东部在伸展作用下,形成了一系列断陷盆地,盆地流体中普遍含有丰度较高的幔源挥发分,且地温梯度普遍较高(徐永昌等,1998)。

自三叠纪起,中国东部在亚洲东缘库拉-太平洋板块北北西向持续俯冲作用下,北西-南东向挤压应力场奠定了以北北东向构造占主导的分布格局。自早、中侏罗世起中国东部经历了三期主要的岩浆活动:(1) 晚侏罗世至早白垩世裂谷及火山活动期;(2) 古近纪盆地伸展与岩浆活动期;(3) 新近纪至第四纪岩浆活动期。其中第三期岩浆活动范围最为广泛,此时中国东部构造应力场以近东西或北东东-南西西的挤压应力为主,导致深部熔融碱性玄武岩浆沿北西西向断裂裂隙喷溢,形成了中国东部北西西向展布的九条含幔源包体的构造-岩浆岩带(图 1)(国家地震局地质研究所,1987)。

图 1 中国东部新近纪和第四纪玄武岩带与无机成因CO2气分布图 1. 商都;2.农安村;3.乾安;4.万金塔;5.孤店;6.长岭;7.旺21;8.旺古1;9.友爱村;10.翟庄子;11.齐家务;12.阳25;13.八里泊;14.平方王;15.平南;16.花沟;17.高53-高气3;18.丁家垛;19.纪1;20.黄桥;21.高岗;22.沙头圩;23.坑田;24.石门潭;25.温州13-1;26.惠州18-1;27.惠州22-1;28.番禺28-2;29.文昌15-1;30.乐东15-1;31.乐东21-1;32.乐东8-1;33.东方1-1;34.宝岛19-2;35.宝岛15-3;36.福山 Fig. 1 Distribution of the Neogene(N)and Quaternary(Q)basalt belts and abiogenic CO2 gases in eastern China

受多期次构造岩浆作用影响,中国东部一方面广泛发育高含CO2的天然气田(藏),其储集层自奥陶系到新近系均有分布,储集岩主要为砂岩、碳酸盐岩及火山岩(戴春森等,1995),且不存在TSR等后期改造而造成CO2含量的增加;另一方面在部分现代构造岩浆活动区发育温泉和冷泉,且CO2常常是温(冷)泉气中的主要组分(戴金星等,1995)。

2 中国东部CO2气地球化学特征

中国东部CO2气的地球化学特征较为复杂,通过对其组分、稳定碳同位素组成和氦同位素特征的分析,为揭示其地球化学特征提供有益的信息。中国东部一些典型高含CO2气的地球化学数据见表 1

表 1 中国东部一些高含CO2天然气的地球化学数据 Table 1 Geochemical characteristics of some gases with high CO2 content in eastern China
2.1 组分特征

统计结果表明,中国东部CO2气的含量分布范围较广,为0.02%~99.92%,平均值为36.93%,主要分布区间为0~10%,其次为90%~100%,而CO2含量在40%~50%之间的样品数明显较少,在分布图上呈现典型的U字型特征(图 2)。松辽、三水、珠江口、苏北等盆地CO2气含量主要分布于0~20%和80%~100%两个区间,而莺琼盆地和渤海湾盆地则有相当一部分样品CO2含量分布于50%~80%,与上述盆地有所差异。

图 2 中国东部CO2气含量分布图 Fig. 2 Histogram of CO2 contents in natural gases in eastern China
2.2 稳定碳同位素特征

中国东部CO2气的δ13CCO2值分布区间为-30.73‰~4.92‰,一般大于-20‰,在分布图上呈现典型的单峰式特征,峰值区间为-8‰~-2‰(图 3)。δ13CCO2值大于0的样品较少,仅有5个,且全都分布于渤海湾盆地。中国东部各个盆地CO2气的δ13CCO2值分布区间有所不同,渤海湾盆地δ13CCO2值分布区间较广,为-29.1‰~4.92‰;松辽盆地δ13CCO2值分布区间为-9.97‰~-2.65‰;苏北盆地δ13CCO2值主要分布区间为-16.36‰~-2.65‰,仅单个样品δ13CCO2值为-30.73‰(富31井,戴金星等,1995);北部湾盆地δ13CCO2值分布范围为-10.08‰~-5.01‰;东海盆地δ13CCO2值主要分布区间为-5.03‰~-4‰,仅有个别样品δ13CCO2值为-22.2‰(LF-1井,Chen et al.,2008) ;珠江口盆地δ13CCO2值分布区间为-9.97‰~-2.65‰;莺琼盆地δ13CCO2值分布区间为-20.7‰~-0.56‰;三水盆地δ13CCO2值分布区间为-19.5‰~-4.6‰。

图 3 中国东部CO2δ13CCO2值分布图 Fig. 3 Histogram of δ13CCO2 values of CO2 in eastern China
2.3 氦同位素特征

中国东部高含CO2天然气伴生的氦其R/Ra值(R指样品的3He/4He值,Ra指空气的3He/4He值,一般取1.4×10-6Mamyrin et al.,1970) 最大可达8.79(东海盆地丽水凹陷WZ13-1-1井,Chen et al.,2008) ,表现出典型幔源氦的特征。R/Ra值最小为0.011(云南省盘溪盘3温泉气,戴金星等,1995),显示壳源氦的特征。莺琼盆地天然气中R/Ra值除宝岛凹陷普遍较大(>4) 外,其他区域R/Ra值均较小,最大仅为1.56。东海盆地R/Ra值普遍较高,所有样品皆大于4,渤海湾盆地天然气中R/Ra值主要分布于0~1和2~4两个区间,松辽、苏北、三水、珠江口等盆地R/Ra值主要分布区间为2~4。总体上看,R/Ra值介于0~1之间的样品数最多,其次为2~3之间(图 4)。

图 4 中国东部高含CO2天然气伴生的氦同位素R/Ra值分布图 Fig. 4 Histogram of R/Ra values of helium accompanying with natural gases of high CO2 contents in eastern China
3 中国东部CO2气成因鉴别 3.1 CO2气鉴别指标

CO2含量、碳同位素值(δ13CCO2)及伴生氦的同位素特征等是鉴别CO2成因的有利工具。有机成因的CO2含量一般小于20%;当CO2含量大于60%时,都是无机成因(戴金星等,1992)。

不同来源的CO2具有不同的δ13C值分布区间,国内外学者对此做过很多研究:Gould et al.,(1981) 认为岩浆来源的CO2δ13C值虽多变,但一般在-7±2‰;上官志冠和张培仁(1990) 指出,变质成因CO2δ13C值应与沉积碳酸盐岩的δ13C值相近,即-3‰~1‰,而幔源成因CO2δ13C值平均为-8.5‰~-5‰;Baker et al.,(1995) 认为幔源成因CO2δ13C值为-7‰~-4‰,Ⅲ型干酪根降解形成的CO2δ13C值为-25‰~-10‰,而碳酸盐岩接触变质成因CO2δ13C值为-2‰~2‰;综合国内外各学者数据,戴金星等(1995) 归纳为有机成因CO2δ13CCO2值<-10‰,主要分布在-30‰~-10‰区间;无机成因δ13CCO2值>-8‰,主要在-8‰~+3‰之间。无机成因CO2中,由碳酸盐岩变质成因CO2δ13CCO2值接近于碳酸盐岩的δ13C值,在0±3‰左右;火山—岩浆成因和幔源CO2δ13CCO2值大多在-6±2‰。这些指标在近年来也被许多学者引用并证实(Li et al.,2008Chen et al.,2008Zhang et al.,2008)。

氦同位素值是鉴别天然气中是否有幔源组分参与的重要指标,一般认为当R/Ra<1时,天然气主要为壳源成因;R/Ra>1则表明天然气中有显著幔源氦的加入(戴金星等,1995徐永昌等,1998)。因此,可以根据氦同位素值来判断天然气中的CO2是否有幔源组分的加入。

3.2 中国东部CO2气成因鉴别

在CO2含量与δ13CCO2值相关图(图 5)上可以看出,中国东部高含CO2天然气大部分为无机成因,占所有样品数的69.58%,且CO2含量大于90%的样品分布最为密集;其余样品主要为有机成因,其CO2含量普遍较低;少部分气样落入有机和无机成因共存区和混合区;三水盆地水深3井天然气样品较为特殊(δ13CCO2值为-16.9‰,CO2含量为15.59%,徐永昌等,1996),落在典型有机成因区的右侧。

图 5 中国东部CO2气含量与δ13CCO2值相关图(底图据戴金星等,1992) 数据来源:向凤典,1994戴金星等,199520032009徐永昌等,1996; 徐永昌,1997Huang et al.,2003何家雄和刘全稳,2004Chen et al.,2008Li et al.,2008薛军民等,2010 Fig. 5 Correlation diagram of CO2 contents and δ13CCO2 values in eastern China(after Dai et al.,1992) Data sources: Xiang,1994;Dai et al.,199520032009;Xu et al.,1996; Xu,1997;Huang et al.,2003;He and Liu,2004;Chen et al.,2008;Li et al.,2008;Xue et al.,2010

中国东部温(冷)泉气中的CO2与各盆地CO2气田(藏)中CO2的特征基本一致(图 5),大部分为无机成因。少部分温(冷)泉气中的CO2表现出有机成因的特征,主要是由于人为的开发或自然的溶解使原有的无机成因气散失,混入了有机成因气(戴金星等,1994)。

根据R/Ra值和δ13CCO2值可将CO2气分为三个成因端元:有机成因,幔源无机成因(地幔脱气)和壳源无机成因(碳酸盐岩变质成因)。根据各自所占比例的不同,可以在R/Ra值和δ13CCO2值相关图(图 6)上将中国东部CO2气分为4个区。

图 6 中国东部CO2碳同位素与R/Ra关系图 数据来源:向凤典,1994戴金星等,199520032009徐永昌等,1996; 徐永昌,1997Huang et al.,2003何家雄和刘全稳,2004Chen et al.,2008Li et al.,2008薛军民等,2010 Fig. 6 Correlation diagram of δ13CCO2 of CO2 and R/Ra values of natural gases in eastern China Data sources:Xiang,1994;Dai et al.,1995,2003,2009;Xu et al.,1996; Xu,1997;Huang et al.,2003;He and Liu,2004;Chen et al.,2008;Li et al.,2008;Xue et al.,2010

A区:δ13CCO2值均小于-8‰,R/Ra值最大为4.54,表明该区CO2以有机成因为主,混有部分幔源或壳源无机成因。这种类型的CO2主要见于渤海湾、莺琼等盆地和部分温(冷)泉区。在图 5中落在典型有机成因区右侧的三水盆地水深3井天然气样品(δ13CCO2值为-16.9‰),其R/Ra值为4.09,在图 6中落入A区左上方。R/Ra值指示了显著幔源氦的参与,而δ13CCO2值却表明CO2主要为有机成因,推测CO2和He为不同时期形成的。由于He散失能力很强,结合三水盆地断裂发育、新生代火山活动强烈,因此,有机成因CO2可能为先期生成,后期又充注了部分幔源He和CO2,导致了CO2和He表现出不同源的特征,这可能也是该样品CO2含量高于一般有机成因CO2的原因(图 5)。

B区:δ13CCO2值为-8‰~-3‰,R/Ra值大于1,表明该区CO2以幔源无机成因为主,混有部分有机成因或壳源无机成因气。松辽盆地和内蒙古商都地区所有数据点都落在该区,渤海湾、三水、苏北、东海、北部湾等盆地及温(冷)泉大部分天然气样品也落在该区。东海盆地丽水凹陷天然气中CO2δ13CCO2值介于-5.03‰~-4‰,伴生He的R/Ra值介于4.62~8.79,表明这些CO2主要为幔源无机成因。莺琼盆地宝岛地区R/Ra值介于4.25~6.25之间,表明幔源组分占据主导。

C区:δ13CCO2值大于-8‰,R/Ra值小于1,表明该区CO2以壳源无机成因为主,即碳酸盐岩变质成因,可能混有部分有机成因或幔源无机成因气。渤海湾盆地黄骅凹陷和莺琼盆地一些气样以及部分温(冷)泉气体都分布在本区,如落入该区的黄骅凹陷天然气样品其δ13CCO2值介于-7.72‰~4.92‰之间,分布范围较广,R/Ra值略小于1,表明气样中可能混入了少量的幔源无机成因CO2。该区莺琼盆地CO2δ13CCO2值介于-7.8‰~-0.56‰之间,R/Ra值均明显较小(图 6),幔源He的贡献不显著,表明这些CO2主要为碳酸盐岩变质成因,混入了部分有机成因气。

D区:δ13CCO2值均大于-3‰,R/Ra值大于1,表明该区CO2以幔源成因为主,混有部分壳源无机成因。渤海湾黄骅凹陷部分CO2气、三水盆地个别气样和部分温(冷)泉气体表现出这种特征。

总体上看,中国东部CO2气在图 6中主要分布在B区,表明中国东部CO2气以幔源无机成因为主,混有部分有机成因和(或)壳源无机成因气。

4 中国东部CO2气田(藏)的分布特征及成藏主控因素

中国东部CO2资源较为丰富,截至2009年共发现35个气田(藏),主要为无机成因(戴金星等,2009)。近年来,内蒙古商都地区也发现了无机成因CO2气藏(薛军民等,2010),该气藏位于非含油气盆地中,说明CO2气在含油气盆地以外的有利区域也可成藏。因此,弄清楚中国东部CO2气田(藏)的分布特征可以为预测CO2富集有利区提供理论依据。综合分析表明,中国东部CO2气田(藏)的分布与高地温场、断裂分布及岩浆作用具有规律性关系,理清这些规律可为预测CO2富集有利区提供依据。

4.1 中国东部CO2气田(藏)的分布特征

中国东部CO2气田(藏)通常分布在大地热流值较高的区域。高热-热构造区是无机成因气发育的有利区域,一个盆地或地区的热状态是深部物质浅部入侵状态的直接反映,是量度无机成因气是否发育的一个标志(戴金星等,1995)。中国大陆除青藏高原外,整体上存在东热西冷的趋势,构造热状态的变化与无机成因气藏的区域展布,具有良好的相关关系,如表 2所示,CO2气田(藏)均分布于热流值均值大于60mWm-2的盆地中,而热流值小于60mWm-2的盆地中则无CO2气田(藏)。

表 2 中国一些盆地大地热流值与CO2气田(藏)分布 Table 2 The crust heat flow values and distribution of CO2 gas accumulations in some basins of China

中国东部CO2气田(藏)通常分布在深大断裂附近,断裂交汇部位。位于中国东部的郯庐断裂是一条深达莫霍面的活动性断裂带,在部分地段切入地幔(徐永昌,1997),且正好穿越或切过北部的五条NW至NWW向断裂,两者交汇部位构成了幔源-岩浆气对浅部的释放窗口,为幔源无机CO2向地壳层运移提供了有利通道,使无机CO2在一定条件下聚集成藏,因此郯庐断裂带及其附近是无机成因CO2气成藏的有利区域(陈永见等,1999),中国东部松辽、渤海湾、苏北等盆地幔源无机成因CO2气田(藏)分布在郯庐断裂带附近(图 1)。与此不同的是,位于中国东部区与特提斯构造域交汇的海南岛西南红河大断裂西侧的莺歌海盆地,主要分布壳源无机成因CO2气田(藏),这是由于红河大断裂在该区的深度和活动强度较郯庐断裂小和低,因此提供的幔源组分较少(徐永昌,1997)。

中国东部CO2气田(藏)通常与岩浆岩伴生,这是因为一则岩浆活动总是伴随着CO2的释放,二则岩浆活动也为碳酸盐岩热分解提供了热源。中国东部目前分布的36个无机成因CO2气田(藏)和多处气苗中的CO2主要为幔源无机成因(图 6),其在空间上与新近纪及第四纪北西西向玄武岩分布带展布一致,多发育于北西西向玄武岩分布带与北东-北北东向断裂带交汇处(图 1表 3)。

表 3 新近纪和第四纪北西西向玄武岩分布带及其CO2气田(藏)、气苗分布 Table 3 Distribution of the Neogene(N)and Quaternary(Q)basalt belts and CO2 gas accumulations and seeps in eastern China
4.2 中国东部CO2气田(藏)成藏主控因素

影响中国东部CO2气田(藏)成藏的因素有很多,其中深大断裂和岩浆活动是无机CO2气富集、运聚和分布最重要、最直接的两大主控因素。

断裂带特别是向深部具有良好贯通性和开启性好的断裂,对于无机成因气的释放,运移和生成有多种功能。一方面深大断裂是幔源岩浆上升的有利通道,而且也是幔源气体的运移通道。如松辽盆地南部地区在地质历史时期经历了多期的构造运动和火山活动,基底断裂发育,数量多,延伸长,断距大,主要断裂延伸长度10~80km,断距400~5000m,且断裂长期活动,万金塔气田的7条主要断裂主要形成于晚侏罗世,并延续活动到侏罗纪末或早白垩世(吉林石油地调指挥部,1980);渤海湾盆地徐庄子断裂与港西断裂、柏各庄断裂和北堡断裂交汇带,断裂规模大,贯通与开启性好,存在大量幔源-岩浆成因CO2气;苏北盆地无机成因气田(藏)含气构造都分布在北东向和北西向两组断裂的交汇点附近,黄桥气田位于北西向的嘉山-崇明断裂与一条北东向的断裂交汇处(戴金星等,1995)。

① 吉林石油地调指挥部.1980.松辽盆地南部德惠凹陷侏罗系内幕勘探成果报告

另一方面,断裂产生的热效应会使得碳酸盐岩发生分解产生壳源无机成因CO2。压性或压扭性断裂具增温效应,一种是断裂活动的机械生热,另一种是动力学剪切生热,地震活动时剪切热可以在断裂面产生上千度高温,这可能是碳酸盐岩变质分解产生CO2气的根本原因(戴春森等,1994)。中国东部壳源无机成因CO2主要分布在莺歌海盆地和渤海湾盆地黄骅坳陷(图 6)。莺歌海盆地为红河断裂南段莺歌海断裂走滑活动控制的盆地,其在新生代经历了多期压扭性活动,沿盆地NNW向轴部形成一组SN向展布的雁列泥拱带,泥拱带的发育与轴部次生剪切断裂长期剪切活动形成的高热流有关,这种高热流导致泥岩产生塑性流动并软化底辟,使岩石中碳酸盐矿物分解释出CO2,并于上部泥拱背斜中富集成藏(戴春森等,1995)。渤海湾盆地港西断裂东北段向深部产状变缓,具铲式断层特征,断裂深部贯通性及开启性差,呈压性断裂的应力特征,断面产生的高温使碳酸盐矿物分解从而释出CO2(戴春森等,1994)。

岩浆活动为无机成因气的形成创造了物质条件,一是岩浆本身在上升、冷却过程中释放出大量CO2;二是岩浆在途经碳酸盐岩地层时,碳酸盐岩由于岩浆烘烤而发生变质产生大量CO2。因此,一次岩浆的侵入或喷出实际上是一次CO2气的成气或生气高峰期。如渤海湾盆地济阳凹陷新生代岩浆活动期次多,至少有始新世、渐新世、中新世早期、上新世和全新世五期,且前三期活动范围较广,时间相对较长,成气强度较大,因此至今已发现了4个无机成因CO2气藏;苏北盆地各凹陷古近纪发育多期岩浆活动,区内玄武岩沿两组断裂分布,在二者交汇处最为发育,在此处发育无机CO2气田(戴金星等,1995)。北部湾盆地新生代具有4期岩浆活动,共有4期9个旋回,33次喷发,始新世流沙港组沉积时期的岩浆活动是造成该区CO2产生和聚集的主要原因(Li et al.,2008) 。

尽管深大断裂与岩浆活动是无机CO2气成藏的两大主控因素,但不同地区无机CO2气藏的形成可能还有一些其它特定的地质因素。如莺歌海盆地古近系和新近系厚度大、沉降速率大、地温梯度大(4.5℃/km)(戴金星等,1997),在盆地中央发育独具特色的中央底辟构造带,底辟带发育20多个底辟构造,最大面积达350km2,最小的也超过10km2,并伴有大规模的超压流体活动(解习农等,1999),莺歌海盆地的东方1-1气田和乐东大气田都位于该泥底辟带上。内蒙古商都地区位于郯庐断裂带之外,盆地内未发现烃类显示,该区与华北陆块北缘深断裂带相接,又与大兴安岭-太行山-武陵山深断裂系相邻,位于特殊的大地构造位置,火山活动发育,商都地区的CO2气藏是在郯庐断裂带以外发现的为数不多的CO2气藏之一,是在非含油气盆地中目前发现的唯一CO2气藏,说明无机成因CO2气藏成藏具有一定的广泛性,在类似地质背景区域均具有勘探无机成因CO2气藏的远景(薛军民等,2010)。

5 结论

(1) 中国东部CO2气的含量在分布图上呈现典型的U字型,主要分布区间为0~10%,其次为90%~100%;δ13CCO2值则呈现典型的单峰式分布,峰值为-6‰~-4‰;R/Ra值介于0~1之间的样品数最多,其次为2~3之间。

(2) 根据CO2含量、δ13CCO2值以及R/Ra值将中国东部CO2气分为四种类型,结果表明中国东部CO2气以幔源无机成因为主,混有部分有机成因气和(或)壳源无机气。

(3) 中国东部已发现的36个CO2气田(藏)在空间分布上与新近纪及第四纪北西西向玄武岩活动带展布一致,深大断裂和岩浆活动是无机成因CO2气富集、运聚和分布最重要、最直接的两大主控因素。

致谢 戴金星院士和胡国艺高工在本文撰写过程中给予悉心指导,审稿专家提出了宝贵的修改意见,在此深表感谢!
参考文献
[] Baker JC, Bai GP, Hamilton PJ, Golding SD and Keene JB. 1995. Continental-scale magmatic carbon dioxide seepage recorded by dawsonite in the Bowen-Gunnedah-Sydney Basin system, eastern Australia. Journal of Sedimentary Research , A65 (3) :522–530.
[] Cai CF, Worden RH, Bottrell SH, Wang LS and Yang CC. 2003. Thermochemical sulphate reduction and the generation of hydrogen sulphide and thiols (mercaptans) in Triassic carbonate reservoirs from the Sichuan Basin, China. Chemical Geology , 202 :39–57. DOI:10.1016/S0009-2541(03)00209-2
[] Cai CF, Xie ZY, Worden RH, Hu GY, Wang LS and He H. 2004. Methane-dominated thermochemical sulphate reduction in the Triassic Feixianguan Formation East Sichuan Basin, China: Towards prediction of fatal H2S concentrations. Marine and Petroleum Geology , 21 :1265–1279. DOI:10.1016/j.marpetgeo.2004.09.003
[] Chen JP, Ge HP, Chen XD, Deng CP and Liang DG. 2008. Classification and origin of natural gases from Lishui Sag, the East China Sea Basin. Science in China (Series D) , 51 (1) :122–130.
[] Chen YJ, Liu DL, Yang XY and Dai JX. 1999. A primary study on the relationship between the Tancheng-Lujiang fault system and mantle-derived magmatogenetic. Geology Geochemistry , 27 (1) :38–48.
[] Clayton CJ. 1995. Controls on the carbon isotope ratio of carbon dioxide in oil and gas fields. In: Grimalt JO and Dorronsoro C (eds.). Organic Geochemistry: Developments and Applications to Energy, Climate, Environment and Human History. Proceedings 17th International Meeting on Organic Geochemistry, San Sebastian, Spain, 1073-1074
[] Dai CS, Dai JX, Yang CY, Wang J and Han PL. 1994. Tectonic geochemistry characteristics of inorganic CO2 in Gangxi fault belt of Huanghua Depression. Chinese Science Bulletin , 39 (7) :639–643.
[] Dai CS, Song Y and Sun Y. 1995. Origin and distribution of carbon dioxide gas pools in eastern China. Science in China (Series B) , 38 (10) :1270–1279.
[] Dai JX, Pei XG and Qi HF.1992. Natural Gas Geology in China (Volume 1). Beijing: Petroleum Industry Press : 1 -149.
[] Dai JX, Dai CS, Song Y and Liao YS. 1994. Geochemical characters, carbon and helium isotopic compositions of natural gas from hot springs of some areas in China. Science in China (Series B) , 37 (6) :758–767.
[] Dai JX, Song Y, Dai CS, Chen AF, Sun ML and Liao YS.1995. Forming Conditions of Inorganic Gas and Gas Reservoirs in Eastern China. Beijing: Science Press : 1 -212.
[] Dai JX, Song Y, Dai CS and Wang DR. 1996. Geochemistry and accumulation of carbon dioxide gases in China. AAPG Bulletin , 80 (10) :1615–1626.
[] Dai JX, Song Y and Zhang HF.1997. Natural Gas Accumulation Belts and Zones in China. Beijing: Science Press : 172 .
[] Dai JX, Chen JF, Zhong NN, Pang XQ and Qin SF.2003. Giant Gas Fields in China and Their Genesis. Beijing: Petroleum Industry Press : 126 -152.
[] Dai JX, Hu GY, Ni YY, Li J, Luo X, Yang C, Hu AP and Zhou QH. 2009. Distribution characteristics of natural gas in eastern China. Natural Gas Geoscience , 20 (4) :471–487.
[] Gould KW, Hart GN and Smith JW. 1981. Technical note: Carbon dioxide in the southern coalfields N. S.W.: A factor in the evaluation of natural gas potential. Proceeding of Australasian Institute of Mining and Metallurgy , 279 :41–42.
[] He JX and Liu QW. 2004. The analysis and discussion to the characters on generative cause, migration and distribution of CO2 in Ying-Qiong Basins in the north of the South China Sea. Natural Gas Geoscience , 15 (1) :12–19.
[] Huang BJ, Xiao XM and Li XX. 2003. Geochemistry and origins of natural gases in the Yinggehai and Qiongdongnan basins, offshore South China Sea. Organic Geochemistry , 34 (7) :1009–1025. DOI:10.1016/S0146-6380(03)00036-6
[] Hutcheon I, Krouse HR and Abercrombie HJ. 1995. Controls on the origin and distribution of elemental sulfur, H2S, and CO2 in Paleozoic hydrocarbon reservoirs in western Canada. In: Vairavamurthy A and Schoonen MAA (eds.). Geochemical Transformations of Sedimentary Sulfur. Washington D.C., American Chemical Society, 426-438
[] Institute of Geological, State Seismological Bureau.1987. The Tancheng-Lujiang Fault. Beijing: Seismological Press : 107 -116.
[] Li MJ, Wang TG, Liu J, Lu H, Wu WQ and Gao LH. 2008. Occurrence and origin of carbon dioxide in the Fushan Depression, Beibuwan Basin, South China Sea. Marine and Petroleum Geology , 25 (6) :500–513. DOI:10.1016/j.marpetgeo.2007.07.007
[] Mamyrin PA, Anutriyev GA, Kamenskii IL and Tolstikhin IN. 1970. Determination of the isotopic composition of atmospheric helium. Geochemistry International , 7 :498–505.
[] Rao CT and Li PL. 1991. Geothermal study on Pearl River Mouth Basin. China Offshore Oil and Gas (Geology) , 6 (5) :7–18.
[] Shangguan ZG and Zhang PR.1990. Active Faults in Northwest Yunnan. Beijing: Seismological Press : 162 -164.
[] Smith JT and Ehrenberg SN. 1989. Correlation of carbon dioxide abundance with temperature in clastic hydrocarbon reservoirs-relationship to inorganic chemical equilibrium. Marine and Petroleum Geology , 6 :129–135. DOI:10.1016/0264-8172(89)90016-0
[] Wang Y, Wang JY, Xiong LP and Deng JF. 2001. Lithospheric geothermics of major geotectonic units in China mainland. Acta Geoscientia Sinica , 22 (1) :17–22.
[] Wycherley H, Fleet A and Shaw H. 1999. Some observations on the origins of large volumes of carbon dioxide accumulations in sedimentary basins. Marine and Petroleum Geology , 16 (6) :489–494. DOI:10.1016/S0264-8172(99)00047-1
[] Xiang FD. 1994. Carbon dioxide reservoir and its significance to hydrocarbon accumulation in eastern Pearl River Mouth Basin. China Offshore Oil and Gas (Geology) , 8 (3) :155–162.
[] Xie XN, Li ST, Hu XY, Dong WL and Zhang MQ. 1999. Conduit system and formation mechanism of heat fluids in diapiric belt of Yinggehai basin, China. Science in China (Series D) , 42 (6) :561–571. DOI:10.1007/BF02877783
[] Xie ZY, Tian SC, Li J, Hu GY, Li ZS and Ma CH. 2004. Geochemical characteristics and origin of Feixianguan Formation oolitic shoal natural gases in northeastern Sichuan basin. Geochimica , 33 (6) :567–573.
[] Xu WL, Jiao RC, Le JY and Zhou DY. 1995. Geothermal study on the contient shelf of the East China Sea. Progress in Geophysics , 10 (2) :32–38.
[] Xu YC. 1997. Helium isotope distribution of natural gases and its structural setting. Earth Science Frontiers , 4 (3-4) :185–190.
[] Xu YC, Shen P, Tao MX and Liu WH. 1997. Geochemistry on mantle-derived volatiles in natural gases from eastern China oil/gas provinces (I): A novel helium resource-commercial accumulation of mantle-derived helium in the sedimentary crust. Science in China (Series D) , 40 (2) :120–129. DOI:10.1007/BF02878370
[] Xu YC, Shen P, Liu WH, Tao MX, Sun ML and Du JG.1998. Noble Gas Geochemistry in Natural Gas. Beijing: Petroleum Industry Press : 1 -227.
[] Xue JM, Li YH, Wei XX, Gao XJ and Ren ZL. 2010. The genesis and significance of carbon dioxide gas in the Shangdou region of Inner Mongolia, China. Journal of Jilin University (Earth Science Edition) , 40 (2) :245–252.
[] Yang XY, Liu DL and Tao SZ. 1999. Compositions and implications of inclusions in the typical mantle rocks from East China. Acta Petrolei Sinica , 20 (1) :19–23.
[] Zhang TW, Zhang MJ, Bai BJ, et al. 2008. Origin and accumulation of carbon dioxide in the Huanghua depression, Bohai Bay Basin, China. AAPG Bulletin , 92 (3) :341–358. DOI:10.1306/10230706141
[] Zhu YN. 1994. Research development of geochemistry of non-hydrocarbon components in natural gas. Natural Gas Geoscience , 5 (1) :1–29.
[] 陈永见, 刘德良, 杨晓勇, 戴金星.1999. 郯庐断裂系统与中国东部幔源岩浆成因CO2关系的初探. 地质地球化学 , 27 (1) :38–48.
[] 戴春森, 戴金星, 杨池银, 王吉, 韩品龙.1994. 黄骅坳陷,港西断裂带无机成因CO2气的构造地球化学特征. 科学通报 , 39 (7) :639–643.
[] 戴春森, 宋岩, 孙岩.1995. 中国东部二氧化碳气藏成因特点及分布规律. 中国科学(B辑) , 25 (7) :764–771.
[] 戴金星, 裴锡古, 戚厚发. 1992. 中国天然气地质学(卷一). 北京: 石油工业出版社 : 1 -149.
[] 戴金星, 戴春森, 宋岩, 廖永胜.1994. 中国一些地区温泉中天然气的地球化学特征及碳、氦同位素组成. 中国科学(B辑) , 24 (4) :426–433.
[] 戴金星, 宋岩, 戴春森, 陈安福, 孙明良, 廖永胜. 1995. 中国东部无机成因气及其气藏形成条件. 北京: 科学出版社 : 1 -212.
[] 戴金星, 宋岩, 张厚福. 1997. 中国天然气的聚集区带. 北京: 科学出版社 : 1 -172.
[] 戴金星, 陈践发, 钟宁宁, 庞雄奇, 秦胜飞. 2003. 中国大气田及其气源. 北京: 科学出版社 : 126 -152.
[] 戴金星, 胡国艺, 倪云燕, 李剑, 罗霞, 杨春, 胡安平, 周庆华.2009. 中国东部天然气分布特征. 天然气地球科学 , 20 (4) :471–487.
[] 国家地震局地质研究所. 1987. 郯庐断裂. 北京: 地震出版社 : 107 -116.
[] 何家雄, 刘全稳.2004. 南海北部大陆架边缘盆地CO2成因和运聚规律的分析和预测. 天然气地球科学 , 15 (1) :12–19.
[] 饶春涛, 李平鲁.1991. 珠江口盆地热流研究. 中国海上油气(地质) , 6 (5) :7–18.
[] 上官志冠, 张培仁. 1990. 滇西北地区活动断层. 北京: 地震出版社 : 162 -164.
[] 汪洋, 汪集旸, 雄亮萍, 邓晋福.2001. 中国大陆主要地质构造单元岩石圈地热特征. 地球学报 , 22 (1) :17–22.
[] 向凤典.1994. 珠江口盆地(东部)的CO2气藏及其对油气聚集的影响. 中国海上油气(地质) , 8 (3) :155–162.
[] 解习农, 李思田, 胡祥云, 董伟良, 张敏强.1999. 莺歌海盆地底辟带热流体输导系统及其成因机制. 中国科学(D辑) , 29 (3) :247–256.
[] 谢增业, 田世澄, 李剑, 胡国艺, 李志生, 马成华.2004. 川东北飞仙关组鲕滩天然气地球化学特征与成因. 地球化学 , 33 (6) :567–573.
[] 许薇龄, 焦荣昌, 乐俊英, 周德雨.1995. 东海陆架区地热研究. 地球物理学进展 , 10 (2) :32–38.
[] 徐永昌, 沈平, 陶明信, 刘文汇.1996. 东部油气区天然气中幔源挥发份的地球化学-I. 氦资源的新类型:沉积壳层幔源氦的工业储集. 中国科学(D辑) , 26 (1) :1–8.
[] 徐永昌.1997. 天然气中氦同位素分布及构造环境. 地学前缘 , 4 (3-4) :185–190.
[] 徐永昌, 沈平, 刘文汇, 陶明信, 孙明良, 杜建国. 1998. 天然气中稀有气体地球化学. 北京: 科学出版社 : 1 -227.
[] 薛军民, 李玉宏, 魏仙样, 高兴军, 任战利.2010. 内蒙古商都地区CO2气成因及其意义. 吉林大学学报(地球科学版) , 40 (2) :245–252.
[] 杨晓勇, 刘德良, 陶士振.1999. 中国东部典型地幔岩中包裹体成分研究及意义. 石油学报 , 20 (1) :19–23.
[] 朱岳年.1994. 天然气中非烃组分地球化学研究进展. 天然气地球科学 , 5 (1) :1–29.