2018, Vol. 34
2. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871
2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
塔里木溢流玄武岩具有“短时、巨量”的特征，其残余面积超过25万平方千米，露头区最大残余厚度达780m (杨树锋等, 2013), 覆盖区最大厚度超过2500m (Tian et al., 2010)。如此巨量的岩浆喷发至地表时，将形成比喷出岩浆体积更大的火山通道网络(volcanic conduit network)。这是因为岩浆的上升能力受中性浮力带(neutral buoyancy zone)控制(Ryan, 1988, 1993)，当岩浆上升到距地表深度2~5km的浅层地壳时，岩浆密度将接近上地壳围岩，因此会形成横向展布范围巨大的岩床-岩墙网络(Thomson and Hutton, 2004)。据估计，North Atlantic Igneous Province (NAIP)大陆溢流玄武岩省侵位于地壳的岩床-岩墙网络总体积可达地表喷发体积的3~10倍(Eldholm and Grue, 1994; White et al., 2009; White and McKenzie, 1989)。实际火山学观察确认的单次玄武质岩墙侵位(dyking)可沿走向推进45km (Sigmundsson et al., 2015)，利用火山学方法推测的岩床网络可以横向展布4100km (Cartwright and Hansen, 2006; Leat, 2008)。由于体积巨大且与上地壳围岩广泛接触，大陆溢流玄武岩火山通道的加入可以使上地壳的物质组成发生明显改变、影响沉积盆地内的油气系统，其热效应引发的热成因气体(Thermogenic gas)释放甚至可以导致全球环境变化和大规模生物灭绝(Svensen et al., 2015)。
本文选择塔里木溢流玄武岩两个代表性区域的三维地震数据体，对其中火山通道的形态和结构进行了详细解释，建立了溢流玄武岩岩浆通道的三维模型。在三维火山通道模型的基础上，利用有限元方法模拟了火山通道对盆地烃源岩和油藏的热烘烤效应，进而估算了塔里木溢流玄武岩火山通道导致的热成因气体释放量和油藏破坏效应。
1 区域地质塔里木早二叠世玄武岩广泛分布于盆地内的二叠系地层中(图 1)，构成一个具有“短时、巨量喷发”特征的大陆溢流玄武岩省(杨树锋等, 2013; Ernst, 2014)。由于玄武岩分布区与塔里木油田重合，勘探地震成为塔里木溢流玄武岩火山通道的主要研究手段。Wang et al. (2015)利用中石油塔里木油田公司的工业三维反射地震数据，对塔中47井区火山机构进行解释，发现了一种新的溢流玄武岩省岩浆运移形式：塔中巨量玄武岩通过近垂直的岩筒状火山通道向上运移，然后从相互分离的中心式火山机构喷出地表。Yang et al. (2016)根据中石化在相邻区块的三维反射地震数据进行火山学解释，也揭示出大量岩筒状火山通道的存在。在巨量玄武岩喷发的同时，大量岩床侵入到奥陶系-泥盆系地层中，形成规模巨大的岩床-岩墙网络，勘探反射地震揭示这些岩床-岩墙网络在塔里木盆地内广泛存在(Gao et al., 2017; 高中博等, 2018)。
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图 1 塔里木溢流玄武岩地质简图及研究区位置 玄武岩分布据Chen et al. (2014).1-塔里木板块范围；2-沙漠覆盖区；3-主断层；4-溢流玄武岩分布区；5-三维地震数据体位置 Fig. 1 Sketch geological map of the Tarim flood basalt and the location of the study area |
本研究主要涉及的两块三维地震数据体分别来自塔里木盆地北部的英买2工区和盆地中部的塔中47工区(图 1)。英买2工区有3口评价井在4900~5100m深度钻遇二叠系玄武岩，7口井在二叠系以下的不同层位钻遇基性岩床；塔中47工区有20口井在3300~3800m深度钻遇二叠系玄武岩，5口井钻遇基性侵入岩。地震数据显示，在二叠系玄武岩之下发育大量清晰且连续的强反射界面并与玄武岩反射界面相沟通，钻井和测井数据表明这些强反射界面为近水平岩床与沉积围岩的接触界面，因此可以用三维地震方法解释溢流玄武岩火山通道的形态和结构。
2 方法 2.1 三维地震解释方法两个区块的地震数据采集和偏移成像均由中国石油东方地球物理勘探有限责任公司按照塔里木油田公司工业标准完成。英买2区块三维地震数据体位于塔里木盆地塔北隆起构造分区，面积为480km2，面元：20m×20m；采样间隔：2ms，三维地震成像方法为叠前时间偏移(PSTM)成像，数据体总长度为6s。塔中47区块三维地震数据体位于塔中隆起构造带，面积为2300km2，面元：25m×25m；采样间隔：2ms，三维地震成像方法为叠前深度偏移(PSDM)成像。数据体总长度为8s。
两区块勘探目标层均为埋深5000~7000m的中上奥陶统碳酸盐岩，均位于二叠系火山岩之下。区内多口穿过二叠系的钻井都证明火山岩相关层位三维地震数据解释成果的准确性。为了获得更高的极限分辨力(maximum resolving power)，通过滤波处理，从实际地震数据中挑选出50~80Hz的高频分量对火山岩体进行解释。按照80Hz的最高子波频率计算，对速度为5500m/s的基性火山岩成像时，极限分辨力为λ/8 (Widess, 1973)，约为9m，因此可以利用本数据体分辨出厚度小于10m的岩浆体。
利用三维地震数据解释盆地中火山通道主要根据火山岩与沉积围岩反射面的振幅强度和形态特征进行。从振幅强度上看，火山岩与围岩的阻抗差异导致高反射系数(Smallwood and Maresh, 2002)，会导致更多的地震能量从火山岩-围岩界面反射回地面，因此火山岩体与沉积围岩的界面在地震剖面中常表现为强振幅反射(Planke et al., 2005; Symonds et al., 1998)。在形态上，火山岩相关界面反射具有以下两个典型特征：1)受岩浆体横向展布范围的制约，岩浆体相关强振幅反射在水平方向上通常仅延续数百米至数千米，不会像沉积地层那样在盆地内形成连续且广泛分布的强反射层(可达几十至上百千米)；2)岩浆体常穿插围岩，形成与地层产状相交的强振幅反射界面(Magee et al., 2013, 2014; Mihut and Muller, 1998)。
根据薄夹层下反射振幅能量与薄层厚度的线性关系(Widess, 1973)，岩浆体在三维空间的厚度分布可以利用三维地震数据体振幅渲染方法获得。通过设置最小振幅阈值，将低振幅部分的数据体透明化，获得高振幅岩浆体的“Geobody”。阈值选择和透明化的具体方法参见Wang et al. (2017)。
2.2 有限元热模拟利用三维地震数据和钻井、测井数据建立了英买2井区岩浆侵位时的三维地质模型，并用有限元方法进行了热模拟。热模拟的具体参数见表 1。
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表 1 有限元热模拟模型参数表 Table 1 Finite element thermal simulation model parameters |
岩浆在英买2井区侵位时，该区主要有三种岩石(岩浆)类型：中下奥陶统碳酸盐岩、志留-泥盆系以泥岩为主的碎屑岩和辉绿岩床对应的基性岩浆体。为简化起见，将岩性分为：灰岩、泥岩和基性岩浆体三种。基性岩浆体的边界根据岩浆冷却后形成岩床的地震数据换算得到。由于大部分岩浆近平行侵入围岩层中，无钻井钻遇的岩床边界厚度误差相当于最大分辨力，即9m (高中博等, 2018)。有钻井钻遇的岩床其厚度误差与测井误差相同，即小于0.1m。岩床形态的水平误差约等于地震数据体面元尺寸(高中博等, 2018)。考虑到液态岩浆凝固会导致密度增大体积减小，需要将现已固结的岩床厚度转换为未固结的岩浆厚度，具体计算公式为：
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其中Lrock为现今实测岩床厚度，ρrock为已固结辉绿岩的密度，ρmagma为未固结玄武质岩浆的密度(Tian et al., 2010; Ghiorso et al., 2013)。
热模拟采用ANSYS软件内嵌的瞬态二维有限元模型，并考虑了岩浆就位后的热传导、岩浆相变潜热以及原油分解时的反应热等因素。因为流体排出量小于10%的低渗系统中热对流的影响可以忽略(Aarnes et al., 2010)，所以，不考虑岩层中流体流动导致的热对流对系统散热的影响。
由于缺乏可使用的泥岩随温度变化的热力学参数实验数据，近似认为泥岩的热力学性质不随温度改变。泥岩的比热容取400J/(kg·K)，热传导系数取1.6W/(m·K)，密度为2500kg/m3 (Midttømme et al., 1998)。岩浆的热力学性质随温度的变化如图 2a, b，灰岩热力学性质随温度的变化如图 2c, d。焓值的含义为：
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图 2 热学参数随温度的变化 (a)岩浆的热传导系数(Birch and Clark, 1940)；(b)岩浆的焓值(Bouhifd et al., 2007)；(c)灰岩的热传导系数(Mirkovich, 1968)；(d)考虑孔隙中原油分解的灰岩比热容曲线(Lindroth and Krawza, 1971) Fig. 2 The variations of thermal parameters at different temperature |
其中ρ为密度，C为比热容，T为温度。
岩浆从T1降温至T2所释放的热量为：
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岩浆在凝固过程中会发生相变，释放相变潜热。按照Bouhifd et al. (2007)的处理方法，将潜热释放量包括在dq中。潜热以及岩浆和固态岩石的比热容差异共同导致了焓值随温度变化的曲线在1000~1200K之间明显的斜率变化(图 2b)。
根据热力学第二定律，热量会从高温物体自发传向低温物体，微分形式的傅里叶定理可表示为：
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其中dQ为热流密度(单位时间通过单位面积的热量，W/m2)，K为热传导系数(W/m/K)，Δ T为温度的梯度。认为岩石为各向同性，各个方向的热传导系数K相同。对应非稳态的热传导方程为：
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其中C为比热容，ρ为密度，T为温度，t为时间，K为热传导系数，F为内部热源的产热效率(W/m3)。
灰岩比热容随温度的变化曲线在180~250℃区间存在的跳跃(图 2d)是为了模拟含油灰岩中原油裂解所需反应热而添加的虚拟热荷载。参数选择，设灰岩中的原油从180℃开始裂解，至250℃完全裂解(柳广弟, 2009)，且原油分解量与温度成正比。根据Barker(1990)，原油热裂解反应为：
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塔里木奥陶系灰岩孔隙主要由溶洞、裂缝为主，实验室手段难以获得准确的孔隙度特征(朱光有等，2009)，这里采用塔北碳酸盐岩油藏油气储量计算中使用的等效孔隙度：3%(赵健等，2015)。原油平均密度900kg/m3，并假设孔隙中全部充填原油，计算可得灰岩中原油含量为27kg/m3。据此，将原油在180~250℃区间的裂解反应热转换为含油灰岩的比热容，得到图 2(d)所示曲线。
根据中性浮力理论(Neutral Buoyancy)，基性岩浆的横向侵入主要发生在约2~5km深的中性浮力带(Ryan, 1988)。因岩浆侵位后英买2隆起已遭到剥蚀，原始岩浆侵位深度已无法直接测量，模拟时将岩浆平均侵位深度设为中性浮力带的中值3km。假定地表温度为15℃(288K)，围岩温度与深度成正比，由此计算得出岩浆侵入前的围岩温度。由于依据现今镜质体反射率所恢复的岩浆作用发生时的古地温梯度是原始地温梯度在岩浆烘烤热扰动作用下的结果(李佳蔚等, 2016)，因此，本模拟分别采用15℃/km和30℃/km作为原始地温梯度。岩浆温度采用Tian et al. (2010)报道的英买201辉绿岩岩心化学成分，根据pMELTS热力学模型(Ghiorso et al., 2013)求解岩浆液相线温度(1600K)而得出的。该温度为岩浆温度的最小估计，因为实际岩浆温度要高于其液相线温度。
2.3 热成因气体释放量计算从ANSYS热模拟计算结果中读取每一个时间点的温度场分布，假定有机质分解反应的启动对温度变化的响应是瞬时的，模拟计算了甲烷释放量分布、原油破坏量分布等数据。根据英买2井区的完井报告，岩浆侵入前上奥陶统泥岩的有机碳质量分数约为3%。泥岩中有机质转化为甲烷的过程采用Aarnes et al. (2010)模型，岩石中有机物在温度高于85℃时开始裂解(Tissot and Welte, 1984)，在高于180℃时，泥岩有机碳全部转化为甲烷(Aarnes et al., 2010)。在温度低于180℃时，有机碳的转化产物复杂，不能认为全部转化为甲烷，据此，在模拟中直接将温度低于180℃时地层的甲烷产率设为零，以保证模拟结果是对甲烷释放量的最小估计。高于180℃时有机质的分解可表示为一级反应，反应速率的表达式为：
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其中A=1013s-1为指前因子(Sweeney and Burnham, 1990)，E=226035J/mol为泥岩中干酪根的活化能(Ungerer and Pelet, 1987)，R=8.31J/K/mol为理想气体常数，T为反应温度(K)。一段时间内(温度在这段时间内不变)有机碳的反应量为：
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W为有机碳的剩余量，dt为该段反应时间的长度。泥岩中有机质分解产生的甲烷量为：
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Mf=M(CH4)/M(C)为有机碳向甲烷的转化系数。
3 结果 3.1 地震解释结果对火山通道的地震解释模型主要参考全球研究程度较高的几个大火成岩省中经典的火山通道模型。这些模型包括野外实际测量结果，也包括三维地震解释。具体有：1)南极洲显生宙Ferrar大火成岩省的岩浆在上部地壳中会通过大致平行的多条近水平岩床进行远距离横向运移(Dragoni et al., 1997; Elliot and Fleming, 2004; Elliot et al., 1999; Leat, 2008; Muirhead et al., 2014)；2) North Atlantic Igneous Province (NAIP)大陆伸展边缘盆地的火山通道以水平延伸10~1000km的岩床群网络为主，单个岩床厚度一般小于100m (Button and Cawthorn, 2015; Cartwright and Hansen, 2006)；3)非洲Karoo大火成岩省的岩浆通道以“碟状岩床(saucer-like sill)”为主(Chevallier and Woodford, 1999; Duraiswami and Shaikh, 2013; Polteau et al., 2008a, b; Thomson and Hutton, 2004) (图 3a)；4) NAIP在覆盖区也有大量三维地震数据揭示的“碟状岩床”产出(图 3b)。
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图 3 碟状岩床的形态结构 (a) Karoo盆地根据露头和遥感数据建立的“碟状岩床”模型(Chevallier and Woodford, 1999)；(b)三维地震数据揭示的NAIP“碟状岩床”形态(Polteau et al., 2008b) Fig. 3 Morpho-structural diagrams of typical saucer-shaped sills |
对照经典岩床模型，塔北和塔中两个三维地震数据体中解释出大量近水平发育的岩床。以塔北英买2区块为例，在上寒武统至志留系碎屑岩地层中均可见清晰的近顺层、强振幅反射(图 4)。反射面水平方向上可以延续超过5km，局部呈低角度与围岩地层相交。如图 4中绿色井段所示，多口钻井在强反射界面处钻遇基性岩(实为玄武岩的“浅成侵入相”)，证实了强振幅反射与基性岩床的对应关系。
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图 4 英买2井区反射地震剖面及钻遇基性岩脉的分布 地震及测井数据引自Gao et al. (2017)的BB′剖面；白色虚线代表英买2碟状岩床三维地震数据体(图 7)在本剖面上的投影 Fig. 4 Seismic profile from the Yingmai 2 area, showing the occurrence of basic sills |
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图 5 塔中47井区三维地震数据体中提取的碟状岩床地质体 三维地质体对应碟状岩床顶面与碎屑岩围岩之间的强振幅反射界面.塔中47井的伽马测井数据的三维可视化效果图也标于图中，低Gamma井段对应基性侵入岩 Fig. 5 Geobody of saucer-shaped sill extracted from the Tazhong-47 3D seismic data cube |
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图 6 塔中47井区碟状岩床 (a)二维反射地震剖面显示碟状岩床的截面特征，近垂直的结构可能与岩墙有关；(b)二维剖面反射界面与图 5中三维碟状岩床的对应关系；(c)钻遇碟状岩床的T47井柱状图，绿色代表钻遇基性岩的井段，4100~4180m处的玄武岩的顶面与图b的碟状岩床地震影像相对应 Fig. 6 Saucer-shaped sills from Tazhong-47 area |
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图 7 英买2碟状岩床的反射特征和空间形态 (a)二维剖面上碟状岩床的强振幅反射特征；(b)三维地震数据体与二维剖面上强振幅反射的对应关系 Fig. 7 Geobody of saucer-shaped sills and basalts extracted from the Yingmai-2 3D seismic data cube |
碟状岩床除了在Karoo和NAIP两个大火成岩省有报导(Chevallier and Woodford, 1999; Polteau et al., 2008b; Schofield et al., 2010)，在其它大火成岩省尚未发现。我们通过三维地震影像解释，在塔中47井区发现了典型的碟状岩床(图 5)。在三维地震数据体中识别出的碟状岩床直径约为2500m，从中央的内部岩床(Inner sill)到边缘的外部岩床(Outer sill)高差约300m，与野外实际测量的Karoo碟状岩床的形态(Chevallier and Woodford, 1999; Schofield et al., 2010)类似。由于三维地震难以精确识别产状近直立的界面，近垂直的岩墙难以在图 5中表现出来。不过，从地震剖面上(图 6a)可以看到碟状岩床下部存在一些近垂直的结构，可能是岩墙上升导致地层错动的结果。
在塔北英买2井区发现的碟状岩床形态比较复杂。多个不完整碟状岩床发育在志留系碎屑岩中，并通过岩墙与深部近水平岩床联通(图 7)。在地震剖面上，这些碟状岩床表现为相互叠置、联通，并穿切沉积岩层的强振幅反射(图 7a)。处于最高位置的碟状岩床(图 7b中绿色三维地质体)通过近垂直的岩墙与地表玄武岩相连，证明这些碟状岩床确实是玄武质岩浆的上升通道，而不是尖灭的盲枝。图 8中展示了四组碟状岩床(S1~S4)和位于二叠系内部的地表玄武岩流(basalt)的三维地质体形态，可以清楚地看到最高处绿色碟状岩床(S4)与地表绿色玄武岩层(图 8中B, 也用绿色表示)之间通过不连续的绿色线条(dykes)连接。由于近垂直产状的岩墙与围岩界面所反射的地震波能量较少且反射方向难以返回地面被检波器接收，因此岩墙的地震影像信噪比较低，在三维地震数据体中仅能勉强与围岩区分。所以，在解释岩墙时，相对于岩床解释采用的全自动机器追踪方法，我们采取了一定的人工干预，沿地震测线方向对岩墙反射进行逐道人工追索，利用解释专家经验提取可靠的反射界面，形成图 8中的岩墙影像。
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图 8 英买2碟状岩床及二叠系玄武岩的三维形态 四个碟状岩床分别标为S1~S4；二叠系地表的玄武岩标为“B”.岩墙(dykes)采用人工拾取方法获得 Fig. 8 Geobody of saucer-shaped sills and the Permian basalts rendered from the Yingmai-2 3D seismic data cube |
ANSYS有限元热模拟的二维数值模型包括两个部分：一个长20000m，宽1900m的矩形研究区域，两顶点坐标分别为(0, 800)、(20000, -1100)，单元类型为PLANE55，并认为在此区域以外按照矩形各个边界的物质性质延伸至无限远；周围的矩形无限远包围区域，四个顶点坐标分别为(-18000, 2300)、(38000, 2300)、(38000, -2600)、(-18000, -2600)，单元类型为INFIN110。PLANE55可用于四边形或三角形单元，具有二维热传导属性，每个顶点拥有一个自由度、温度等性质；INFIN110为无限边界的二维模型建立一个开放边界，这一边界由一层代表半无限延伸的单元组成(图 9)。
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图 9 英买2井区根据三维地震数据和测井约束建立的岩床与围岩几何形态模型 模型与图 4二维地震剖面相对应，红色部分为岩浆，灰色为泥岩，蓝色为灰岩 Fig. 9 Morpho-structure model of the sills and wall rocks in the Yingmai-2 area constrained by 3D seismic data interpretation and down well logging data |
热模拟从岩浆就位开始，假定岩浆就位是一次性和瞬时的，就位后没有岩浆的流入流出。总模拟时长为2.5×1011s(约7927a)，起始和最短步长为0.1s，最大步长为3×106s，由ANSYS按照响应频率和非线性效果自动调整模拟步长。在不同时间点模拟的温度场如图 10。由结果可见，岩浆自就位到完全凝固成岩(~800℃)经历的时间约为450~500a。初始阶段由于单元之间的温度梯度大，热传导速率高，温度场变化很快。随着时间推移，温度梯度降低，热传导速率下降，温度场变化减慢。大于180℃(453K)和大于250℃(523K)的温度范围展布均较广，表明研究区岩浆侵入作用对油藏和烃源岩中有机质的影响范围较大。温度场的纵向扩展范围较大，大于180℃的温度范围能扩展到碟状岩床S1之上500m，S6之下200m，而横向扩展不明显。
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图 10 英买2井区岩浆侵位后温度场随时间的变化 Fig. 10 Covariation of temperature and time since the emplacement of magma in Yingmai-2 area |
模型中的围岩分为碳酸盐岩和泥岩两类。碳酸盐岩是英买2井区的主力储集层，对其热烘烤会导致油藏原油的分解。其次，含有机质的泥岩受到烘烤，其有机质也会分解，转化为甲烷。根据热模拟结果可以对碳酸盐岩中油藏破坏和泥岩中有机质的分解作用进行约束和估计。
对于碳酸盐岩，根据ANSYS模拟计算得到的各灰岩节点温度、坐标及每一步的步长等信息，得到了单位体积碳酸盐岩储层中原油分解量的分布图(图 11)。由结果可见，从岩浆侵入储层至岩浆完全冷却期间，岩浆释放的热量使围岩维持高温，足以使灰岩古隆起顶部的原油全部裂解，单位体积破坏量达27kg/m3(碳酸盐岩储层非均质性强，油藏中储层孔隙度的变化很大，本模拟采取保守的估计，取碳酸盐岩层平均孔隙度为3%并充满原油)。古隆起下部油藏的受影响程度受控于地温梯度和其距岩床的距离。设二维模型厚度为1m，当地温梯度为15℃/km，距古隆起顶部300m之下的油藏未受明显影响，整个区域原油破坏总量为1.98×107kg(图 11a)；当地温梯度为30℃/km时，距古隆起顶部500~600m的油藏仍可受到岩浆热烘烤影响，原油破坏总量可达4.12×107kg(图 11b)。
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图 11 英买2井区碳酸盐岩储层中单位体积原油破坏量 (a)设地温梯度15℃/km，孔隙度为3%；(b)地温梯度30℃/km，孔隙度为3% Fig. 11 Intensity of petroleum oil decomposition in the Yingmai-2 carbonate reservoir modelled by finite element method |
原油裂解与含有机质泥岩、灰岩受热分解均生成大量甲烷(Svensen et al., 2004)。利用ANSYS模拟获得的温度场，计算了碳酸盐岩油藏和泥岩中有机质分解形成甲烷的量(图 12)。计算结果显示，与多条岩床互层的泥岩区域有机质已全部转化为甲烷，在TOC=3%时，甲烷释放量达100kg/m3。甲烷释放区域的横向延展不明显，数条岩脉的叠加效应使得高温区域垂向扩展显著(图 12)。该模拟结果与Aarnes et al. (2011)对单条与数条岩床侵入热影响的对比结果一致。
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图 12 有限元热模拟计算的英买2井区单位体积甲烷释放量 Fig. 12 Methane release capacity of the Yingmai-2 area modelled by finite element method |
根据图 12所示，甲烷释放的主要来源是上奥陶统泥岩，灰岩储层中原油裂解产生的甲烷最高只能达到16kg/m3。当地温梯度为15℃/km，TOC=3%时，本研究区(设模型厚度为1m)甲烷释放总量为4.71×108kg，其中来源于泥岩的部分为4.59×108kg，是甲烷的主要来源；来源于原油裂解的部分为1.18×107kg；当地温梯度为15℃/km，TOC=2%时，甲烷释放量为3.18×108kg，其中来源于泥岩的部分为3.06×108kg，来源于原油裂解的部分为1.18×107kg。
4 讨论 4.1 塔里木溢流玄武岩岩浆运移方式对于大陆溢流玄武岩岩浆运移方式，早期研究工作认为“以岩墙网络为主的垂向通道主导了岩浆供给系统(图 13a)”，火山口的岩浆由位于火口下方的岩浆房供给(Corti, 2009; Keir et al., 2006; Tibaldi, 2015; Wright et al., 2006)。然而，近年来的野外观察、反射地震与实验模拟研究发现，盆地浅部的岩浆运移通道主要由横向延伸的碟状岩床网络提供(图 13b；Chevallier and Woodford, 1999; Cukur et al., 2010; Kavanagh et al., 2015; Lee et al., 2006; Smallwood and Maresh, 2002; Svensen et al., 2012)。横向延伸的水平岩床-碟状岩床群相比于垂直发育的岩墙网络，在盆地内部分布范围更广，与沉积岩围岩的接触面积更大，具有更加显著的岩浆-围岩相互作用(Schofield et al., 2017)。
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图 13 岩浆运移方式模型(据Magee et al., 2016) (a)传统的由垂直岩墙网络主导的岩浆运移方式模型；(b)在盆地内部发育的由横向延伸的岩床群主导的岩浆运移方式模型 Fig. 13 Schematic representation of magma plumbing systems (after Magee et al., 2016) |
大陆溢流玄武岩具有“短时、巨量”的喷发特征(Ernst, 2014)。在溢流熔岩喷发的同时，会有巨量的火山气体释放到大气，包括引起温室效应的甲烷、CO2，导致臭氧层破坏的HCl、HBr，以及产生气溶胶、引发冷室效应的SO2等。根据岩石学估计，仅考虑岩浆释气时，单个大陆溢流玄武岩省岩浆的温室气体释放强度可能还不如现代工业化过程的温室气体释放(Self et al., 2006)。但是，当考虑大陆溢流玄武岩火山通道中的巨量岩浆时，其气体释放可能将增加数倍。有研究估计，火山通道的CO2释放效率约为80% (Self et al., 2005)，因此巨量侵入岩浆的释气将会使岩浆气体释放总量增加约2~8倍。
除了单纯岩浆释气，围岩在岩浆热烘烤下也可以释放巨量气体。根据“热成因气体假说(thermogenic gas hypothesis)” (Svensen et al., 2004)，火山通道对盆地中含碳围岩热烘烤释放的甲烷、CO2等热成因气体可以远超溢流熔岩本身的气体释放量，而且热成因气体可能是导致大规模生物灭绝的主要原因(Svensen et al., 2004, 2009, 2015)。根据本文的热模拟计算，塔北英买2井区480km2火山活动区可以释放11.3Gt的热成因气体。如果全盆地3×105km2溢流玄武岩的火山通道具有与英买2井区相同的分布密度和热成因气体释放能力，则整个塔里木溢流玄武岩活动期间热成因气体总释放量可达7062.5Gt。这与NAIP的Vøring盆地和Møre盆地约3000Gt的热成因气体释放总量(Svensen et al., 2004)处于同一数量级，甚至会更高。
需要指出的是，本模型仅对钻井识别出的可靠岩脉进行建模，可能有相当数量的岩浆体未考虑在模型中，具体包括：
(1) 厚度小于勘探地震分辨力的岩床。这些小岩床由于无法进行可靠性检验而未被考虑。
(2) 勘探深度不足而未能精确建模的深部岩浆通道。英买2井区钻井仅钻至目的层奥陶系灰岩顶面下~100m即完钻，建模时未考虑灰岩顶面下100m以下的岩脉侵入体。事实上，已有证据表明，塔里木的奥陶系灰岩深部乃至寒武系都可能存在广泛的岩浆侵位。首先，巴楚和一间房地区的野外灰岩露头中广泛发育顺层侵入的二叠纪辉绿岩床，因此灰岩中存在岩脉的可能性很大，本模拟设定的深部灰岩中无岩浆侵位明显是低估了岩浆体积；其次，在英买2区块已经发现体积达170km3的岩盘侵入到中寒武统地层内(Gao et al., 2017)，其与寒武系沉积有机质反应的热成因气体释放量在本模拟中也没有考虑。
综上所述，英买2井区甲烷释放量的模拟结果可能明显地低于实际的释放量，模拟结果是对真实甲烷释放量的保守估计。
如果释放速率均匀稳定，大量温室气体不一定带来灾难性的全球气候剧变，而可能导致缓慢的气候变化。为了考量气体释放量随时间的变化，我们利用1m厚度的模型，计算了甲烷在不同时间点的释放速率(图 14a)。计算时，假定甲烷的生成和释放仅受控于温度场，且对温度场变化的响应是瞬时的。由图 14a可见，甲烷释放速率在岩浆侵位早期极高，可达106kg/a；随着时间的推移，侵入体及围岩温度降低，甲烷释放速率也迅速降低。在地温梯度15℃/km，TOC=3%的甲烷累积释放量模拟曲线(图 14b)中可见，岩浆就位7年时，甲烷释放量可以达到总释放量的21%；就位36年时，达到总释放量的50%；就位939年时，达到总释放量的90%。因此，甲烷释放对岩浆侵位的响应非常迅速，其时间间隔不超过千年。但考虑到塔里木溢流玄武岩可能存在多期喷发(Xu et al., 2014)，甲烷释放可能也存在多期脉冲，每一期的释放强度会有所减小，对环境的冲击效应也会相应减弱。
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图 14 甲烷释放随时间的变化 (a)甲烷释放速率随时间的变化；(b)甲烷累计释放量随时间的变化 Fig. 14 Methane release over time |
另外，侵入碳酸盐岩中的岩浆可以同化围岩导致大规模CO2释放，也可能与甲烷一起影响全球气候的变化。在地壳浅部岩浆同化围岩的过程中，围岩分解释放出CO2的总量将远超过岩浆对CO2的溶解能力，因此，大量来源于碳酸盐岩围岩的CO2将通过火山机构喷出，并释放到大气中。对现代喷发火山的研究表明，一些富CO2火山中富含碳酸盐围岩捕虏体，根据C同位素平衡推算，高达96%~98%的CO2来自于玄武岩岩床与围岩碳酸盐岩的同化反应(Iacono-Marziano et al., 2009; Deegan et al., 2010)。与之类似，英买力井区的一些钻井岩心中也发现了大量来源于碳酸盐岩围岩的“球粒”(刘瑞娟等, 2013)。虽然根据有限的岩心资料还难以定量估计CO2释放的总量，但这些球粒的存在表明，塔里木溢流玄武岩在喷发过程中可能存在广泛的岩浆-碳酸盐岩相互作用，并导致额外的CO2释放。
值得注意的是，晚古生代存在一个全球性冰期向全球性暖化的明显转变(Heavens et al., 2015; Montañez, 2016; Poulsen et al., 2007; Yang et al., 2016)。这一巨大转变是否与塔里木溢流玄武岩活动导致的巨量温室气体释放有关？这将是今后塔里木盆地早二叠世火山活动研究的一个重要课题。
4.3 火山通道热效应对塔里木盆地油气系统的影响塔里木盆地火山岩与中国东部的松辽、渤海湾等盆地中火山岩具有本质差异。后者的火山岩均属盆地基底，即火山喷发之后沉积盆地才开始充填，而塔里木盆地的火山岩喷发和岩浆侵位是在盆地充填过程中发生，火山岩及其火山通道物质在盆地内幕区占据重要地位。这种火山物质占据较高体积百分比的沉积盆地称为“火山盆地”(Planke et al., 2014)。在火山盆地中，火山通道系统可以强烈地影响盆地油气系统，其热效应对油藏和烃源岩中有机质的转化具有重要的控制作用(Aarnes et al., 2010)。
一些盆地内幕区火山通道对烃源岩成熟有很大的促进作用。例如，Holford et al. (2010)发现厚度52m的基性岩床可以将北海Hebrides Basin中烃源岩地层加热到100~260℃，导致有机质成熟度大大提高；Fjeldskaar et al. (2008)发现Gjalla地区的岩床侵位导致其周围100m范围内有机质的镜质体反射率(Ro)提高了0.8%。
然而，盆地中火山通道对油气系统也会产生明显的不利影响。尽管天然油气的散失是沉积盆地普遍存在的现象(Zheng et al., 2018)，但是热模拟结果显示，岩浆通道的热量会导致油藏过成熟和烃源岩有机质大量损失。现有证据也支持塔里木溢流玄武岩火山活动可能导致古生代油藏大规模破坏：1)根据砂岩沥青样品分析，塔里木古生界储层中可能有多达133亿吨油藏被破坏(张俊等, 2004)，其中志留系油藏破坏量达86.3亿吨(姜振学等, 2008)；2)对储层沥青中自生伊利石的K-Ar定年表明这些储层沥青主要形成于293~277Ma(张有瑜和罗修泉, 2011)，与塔里木二叠纪大火成岩省的岩浆喷发主期时代~290Ma和~280Ma (Xu et al., 2014)基本一致；3)储层沥青拉曼光谱分析结果表明，古生代油藏在其形成后大都经历了高温热变质作用，并转化为富含高碳化合物的高成熟度储层沥青(张鼐等, 2013)，支持“火山活动导致油藏破坏”的模型；4)对塔里木志留系油藏油源的分析也表明这些油藏普遍经历了二次油源充注，现在进行工业化开采原油的油源均为火山活动之后的白垩纪-早第三纪充注的(李宇平等，2002)。因此，在塔里木盆地进行火山岩相关油气藏勘探时需要谨慎考虑二叠纪岩浆热烘烤的影响。
5 结论(1) 三维地震解释结果确定，塔里木溢流玄武岩广泛发育火山通道，具体形态包括岩床-岩墙网络及碟状岩床等。
(2) 有限元热模拟限定的温度场揭示，塔北英买2井区岩浆侵位导致的热成因气体释放量保守估计可达11.3Gt；如果全盆地玄武岩具有类似的气体释放能力，塔里木溢流玄武岩引起的总甲烷释放量可能达7062.5Gt，与NAIP两个盆地的甲烷释放量相当。
(3) 岩浆热烘烤可以破坏已有油藏，塔里木古生界百亿吨油藏的破坏可能与二叠纪岩浆活动具有密切联系。
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