地球深部流体的基本特性及其能源效应

2021-12-23雷祥辉兵马文彧袁珍珠

天然气勘探与开发 2021年4期

罗群李靖雷祥辉许倩代兵马文彧秦伟袁珍珠

1.中国石油大学（北京）非常规科学技术研究院 2.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院3.四川省地质矿产勘查开发局202地质队

0 引言

地球是一个富含流体的行星，整个地球系统由固体地球和流体地球组成，流体地球主宰固体地球，是整个地球系统的灵魂，这是地球科学的最新认识，也是流体地球科学观的基本思想[1-2]。地球深部存在大量的各类流体，正是它们的形成、演化、赋存和活动，维持着地球生命的活力，也是矿产形成、地质灾害引发的物质基础和基本原因。但是限于人类的技术和认识能力，对地球深部流体的认识一直比较肤浅，尤其是深部流体对能源（包括油气资源、氢能源等）的成藏效应，目前的认识还比较薄弱。

近年来，油气勘探开发过程中找到了越来越多深部流体证据，例如四川盆地、松辽盆地等都在钻探中发现了深部天然气[3-7]，仅在东营凹陷就发现了4个具有商业价值的CO2气藏，均分布在切穿基底的高青—平南断裂带一线[8]。国外的许多天然气藏中也发现有深源气体的加入。随着全球能源需求的剧增，油气勘探除了深掘化石能源，还应关注来自地球深部的可利用能源。

1 地球深部流体的基本特征

1.1 深部流体的定义

美国国家研究委员会（1993）在《固体地球科学与社会》报告中对流体的定义是：地壳中常见流体包括水、烃和来自地球极深处的岩浆，地幔中也可见到溶液和气体。杜乐天是最早将深部流体（地幔流体）系统地与成矿和成藏联系在一起的学者，1987年提出了幔汁说，将地幔流体（深部流体）概括为HACONS化合物（H代表氢、卤素和热，A代表碱金属，C代表碳，O代表氧，N代表氮，S代表硫，简称为幔汁）[2]。目前对深部流体的界定和认识差异较大，主要有如下4种看法：①将地下某一深度以下所有能流动的物质都叫深部流体[3-4]；②将进入沉积盆地的地幔流体叫深部流体，也称幔源流体[5]；③将盆地以下的流体统称深部流体，包括中、下地壳、地幔甚至地核的流体[7-10]；④还有的学者将岩浆也算入深部流体[11-12]。

笔者将地球深部流体定义为沉积盆地基底之下和沉积盆地外的所有来源于中下地壳、地幔和地核的能够流动的物质，包括液体、气体、塑性流体（如岩浆、超临界流体），都归于深部流体的范畴。盆地内自身存在和产生的流体，包括烃源热流体，不属于深部流体。

1.2 深部流体的类型

由于分类指标和标准的差异，深部流体也具有不同的分类方案和分类结果：①万丛礼等[11]按成因，将深部流体可分为岩浆流体、变质流体和地幔流体；②许多学者将深部流体定义为地幔流体[5,13-15]，并将其分为富氢流体和富碳流体2种类型，在众多的含油气盆地之中，已经发现了幔源富CO2流体甚至幔源CO2气藏，如我国的松辽、黄弊、济阳、苏北、三水、塔里木等；③杜乐天先生也将深部流体定义为地幔流体，并根据地幔流体在地球的垂向分布，将其分为4种类型[2]，即来自核幔边界或液态外地核的氢流、氢流流经中—下地幔演化形成的氢型幔汁、氢流流经上地幔演化形成碱型幔汁及碱型幔汁侵入地壳演化而形成的氧型幔汁。

其中，第3种分类方式，即“氢流、氢型幔汁、碱型幔汁、氧型幔汁”的深部流体分类方案与能源、矿产的形成与开发密切相关，笔者采用了该分类方案。

1.3 深部流体的温度、压力条件和状态特征

地球深部的温压条件是流体相态的决定性因素，由于埋藏深度大（超过10～15 km），深部流体总体处于超高温、超高压的地质条件，尤其是地幔以下，温度3 000℃以上，压力在50 104MPa以上，流体都呈现出超临界状态，具有巨大的能量。超临界流体具有独特的性质：①超临界环境下，常温下难溶的化合物在超临界流体中变得易溶，能提高有机物的溶解和富集；②超临界流体的密度介于气体和液体之间，因而其许多物理性质也介于二者之间，是一种理想的输运媒介，有利于对烃类物质的运载；③催化加快反应效应，包括无机烃形成的费—托合成反应和有机烃生成的干酪根热解反应，以及对储层的溶蚀扩容[1]。

1.4 深部流体的运动学与动力学特征

1.4.1 动力机制

目前普遍认为推动深部流体流动的动力有4种，即浮力、水动力、热力和构造应力[1,16]。陈丰[17]认为，氢作为地幔羽中的原始热物质，核幔边界或地幔中氢化物的氢被释放出来，然后发生化学反应，最后形成地幔流体，推动地球演化。刘显凡等[18]认为地球自转和公转的离心力，以及核幔间的温度差、压力差、密度差、黏度差、速度差和放封性蜕变热等动热机制，均是导致深部流体流动及推动地球深部能量和成烃物质向浅部运移的重要机制和动力。

1.4.2 运移途径

深部流体的运移途径可能有3种：①沿深大断裂向上运移；②孔隙裂缝系统渗透；③沿自身的水压破裂带向上运移。其中沿深大断裂向上运移已被众多地质观测所证实，这也是大型油气田多分布在裂谷带上的主要原因；高温高压下岩石的孔隙度非常低,深部流体以孔隙渗透方式运移应该是次要的；第3种运移方式由Spera提出，他认为幔源流体大多沿厘米级宽度的裂隙运移，并建立了该运移方式的动力学机制[1]。

1.4.3 运移机制

地幔流体多通过侵位或喷溢方式向地壳或表壳迁移，同时地幔流体通常呈现出超临界状态，具有高密度、高扩散特征[14]。

1.4.4 深部（地幔）流体与围岩相互作用

围岩与地幔流体主要反应方式为交代作用，有3种类型[14]：①地幔原地交代作用；②地幔流体在上升过程中与地幔岩包体发生的交代作用；③地幔流体穿过莫霍面与地壳物质的交代和成岩作用。

1.5 地球深部流体能源效应研究存在问题

以往深部流体的研究多与内生矿藏相联系，认识到深部流体运移及其对金属矿床形成与分布有重要的控制作用[6,14,16,19,20]。近年来，随着地球科学的不断发展和国家对油气等能源的需求增加，针对深部流体与油气、氢能等能源的成藏效应的研究逐渐丰富起来[1,5,8,10,12,15,17,19-31]，内容主要涉及深部流体与烃类和氢的形成、运移、聚集、成藏与富集各个方面，尤其是深部流体对生烃作用的促进（加氢增能效应）和对储集条件的改善（溶蚀增孔效应）取得了丰富的成果，但仍然存在以下问题：

1）深部流体的成藏效应研究主要集中在盆地内深部流体对有机成因油气藏的作用与效应，很少涉及盆地外（包括基底下）深部流体与无机成因油气形成与分布的作用及其成藏效应，对寻找无机成因烃藏几乎没有预测价值。

2）研究与讨论主要集中在深部流体的加氢增能的生烃效应和溶蚀扩容改善储层2个方面，对深部流体其他方面的成藏效应研究较少。

3）虽然对深部流体与油气、H2等能源的形成、运移、聚集成藏的关系都进行了研究，并取得一系列重要成果与认识，但这些成果与认识比较分散、不系统，未成一个有机体系。

2 深部流体的能源效应

笔者以深部流体形成演化及其对油气、H2藏的作用和影响为线索，将前人(前面引用作者)成果进一步分析、归类、提升和整合，最终归结为深部流体与能源（油气、H2等）富集关系的系统认识，即深部流体的十大能源效应。这十大效应是一个连续、有序、有机、完整的能源效应链系统，深部流体对油气、氢等能源的形成、运聚、富集和分布有绝对的控制作用。

2.1 拆离成盆效应

分布于地球的深部流体（包括地核及核幔过边界氢流、中下地幔的氢型幔汁、上地幔的碳型幔汁），由于其极强的活动性和穿透性，在从地心向地壳的辐射过程中不均衡膨胀，导致地幔差异隆起，另外洋壳的俯冲也会造成大陆区地幔上拱，在地幔隆起区，由于地幔上涌，其上方对应地壳产生扩张效应，进而形成上陡下缓并最终消失于低速层的拆离断裂系统，断裂系统的下降盘形成一系列的沉积盆地，为后来油气的生成、运移、聚集奠定了地质基础。我国的松辽盆地、渤海湾盆地是典型的因地幔隆起引发地壳拆离形成的富含油气盆地，图1是依据韩江涛提供的二维电性结构得到的松辽盆地拆离成盆模式[31]，明显受控于地幔流体的活动。盆地是有机成因油气的聚集单元，深部流体的差异活动导致地幔向上隆起，引发地壳产生拆离而形成盆地的作用与后果，称之为深部流体的拆离成盆效应。世界上许多大型含油气盆地都对应着地幔的异常隆起。

图1 松辽盆地二维电性结构及其拆离成盆效应模式图（据韩江涛等[31]）

2.2 促进产力效应

盆地中成油生物的大量繁殖是形成有机油气聚集的前提条件和物质基础，盆地演化过程中古生产力的提高有利于生物的发育，而源源不断通过深大断裂进入盆地的深部流体为成油生物的生长发育带来了丰富的C、H、O和其他的矿物质等营养，有效地促进了成油生物的大量繁殖和发育，有利于大大提升古生产力，为以后干酪根的巨量堆积奠定物质基础。深部流体为成油生物的大量繁殖提供C、H、O和其他矿物质等营养，从而进一步提高古生产力的作用和结果，称之为深部流体的促进生产力效应，简称促进产力效应。

2.3 破裂开道效应

由于成盆断裂系统是上陡下缓的拆离断裂，这些断裂向下都变缓并消失于低速带中，没有直接连通深部流体。因此，深部流体难以直接进入深大断裂（拆离断裂）而进入盆地中，它们是通过低速带与地幔之间的高压破裂带，与深大断裂连通，才从深大断裂系统进入盆地。这些高压破裂带，正是深部流体（尤其是碱性幔汁）由于其强大的力量（包括膨胀力、地球离心力等）和溶蚀穿透力将岩石圈和低速带破裂而形成通向低速层的破裂带，深部流体的这种破裂开道作用和结果（图2），称之为深部流体的破裂开道效应（类似页岩油气开发中的人工压裂）。破裂开道效应为深部流体（包括各种无机烃类、氢等能源）从地球深部进入地壳中浅层和沉积盆地开辟的道路。

图2 幔汁膨胀破裂构造形成模式图（据牛树根等[32]）

2.4 运载输导效应

由于深部流体具有巨大的能量（热能、超压、势能等），因而具有巨大的运载输导能力，能够将地球深部的各种物质（包括碳氢化合物、H2O、CO2、CO、H2、碱金属、各种金属矿物等等）甚至巨大的捕虏体运载到地壳、盆地甚至到地表及以上的圈层。地球深部的烃类、氢等能源以及有利于烃类合成的其他相关物质随着深部流体被运载、输导到地壳、盆地甚至地表。深部流体的这种作用和结果称为深部流体的运载输导效应。

2.5 深部流体的增能传能效应

深部流体不仅是地球深部物质的运载体，也是地球深部能量的传递媒介。地球深部的高温（热能）、高压（势能）、化学能以及由超临界状态形成的各种能量，通过深部流体从地球深部向地球浅层甚至地表的运移，传递到中浅层地壳和沉积盆地，必然对中浅层地壳和沉积盆地起到显著的增能效应，包括增强盆地的热能、增强油气运移的动能、增强干酪根向烃类转换的化学能（活化能）等。如增强沉积盆地的热能有利于生油母质干酪根的成熟和热解生烃。将深部流体向中浅层地壳和沉积盆地增加能量、传递能量的作用与效果称为深部流体的增能传能效应。

2.6 深部流体的加氢催化效应

从物质平衡定律角度，目前盆地中氢的数量不足以产生已经开发的油气的数量，最合理的解释是深部流体带入盆地的氢弥补了这个缺口。大量的实验和综合研究证实和论证了深部流体的加氢和催化效应大大增加了盆地中干酪根向油气的转化率。深部流体中含有大量的氢，以H2、H2O、OH-等形式溶于深部流体中，另外，深部流体中还含有大量的Fe、Au等金属，它们是干酪根热解生烃的有利的催化剂，深部流体将氢和这些催化剂带入盆地中的烃源岩，大大补充了干酪根热解生烃过程中氢的数量，同时催化剂的催化作用大大提高了干酪根热解生烃的效率。

2.7 深部流体的溶蚀扩容效应

深部流体是超临界流体，富含大量的挥发性成分和催化剂，化学活动性特别强，穿透能力特别强，溶蚀能力也特别强，能量也特别大，因此，对其流经领域的岩石的溶解能力也应该特别强，无论是在盆地内还是在盆地外（如盆地基底），只要深部流体流经过的区域，多会产生溶蚀作用，增大孔隙空间，改善孔隙结构，为油气的聚集准备了更多的空间，有利于油气的聚集，这种现象在塔里木盆地深层下古生界碳酸盐岩非常典型。深部流体对围岩的溶蚀作用和结果称之为溶蚀扩容效应。

2.8 深部流体的萃取富集效应

与常温条件下相比,超临界水的介电常数很低，使其表现出类似非极性溶剂的性质,所以有机物在其内的溶解度较高，而盐的溶解度较小。深部流体为超临界流体，因为富含地幔中Si、Al、Na、K、Cl、P、S等常量元素和多种活动很强的挥发份元素，具有极强的溶解和萃取能力，能够溶解和萃取流经地区分散不溶的烃类物质、甚至成烃元素和H2，并使之富集，随深部流体一起向地球浅层甚至盆地中运移。深部流体对分散难溶的烃类物质、成烃元素以及H2的溶解和富集作用与结果，称之为深部流体的萃取富集效应。

2.9 深部流体的聚烃（氢）成藏效应

地球深部的烃类物质（CH4、C2H6、C2H8等）、H2等，本身就是流体，它们在向地球浅层、盆地运移过程中，一方面进一步凝聚流经地区的分散的烃和氢，另一方面，CO、CO2等与H2、H2O在催化剂作用下发生费—托合成烃反应，形成新的烃类，并随其他深部流体一起在深、浅层压差作用下向浅层和沉积盆地运移，途中遇到适合的圈闭，就在圈闭中聚集成藏。我国东部地区的松辽盆地、渤海湾盆地都发现一些无机成因的烃类气藏，就是这种成藏效应的结果。深部流体中本身存在的烃类物质、H2以及在适宜条件下C、H物质合成的烃在随深部流体向上运移过程中遇到适宜的圈闭而聚集成藏的效应，称之为深部流体的聚烃（氢）成藏效应。

2.10 深部流体的保存破坏效应

深部流体的活动对已经形成的能源矿藏（油气藏、氢藏等）进行的保存作用和破坏作用称为深部流体的保存破坏效应。这里的保存效应主要指岩浆活动、火山喷发形成的致密岩石如致密的玄武岩、安山岩、流纹岩、致密的火山碎屑岩作为油气藏的封盖层，对油气散失的阻止作用；破坏效应指后期深部流体或岩浆的侵入或火山喷发对已经形成的油气藏进行的破坏作用，如直接进入油气藏，破坏油气藏的储盖层，全部或部分烧毁油气藏或导致油气的散失。

3 深部流体能源效应综合模式

通过上述分析，得出4点认识。

1）深部流体对能源矿藏的成藏效应的控制是多方面的、全方位的、主导性的和系统性的，以建设性的效应为主，破坏性的效应主要表现在局部情况下对储层孔隙的影响，如沉淀作用、重结晶作用会降低孔隙度，而后期岩浆作用、火山活动也会对油气藏产生破坏。

2）深部流体对能源矿藏成藏效应的控制是一个连续的、有序的、环环相扣的、系统的效应链。

3）深部流体的成藏效应序次是：深部流体的差异活动导致地幔隆起、诱导深大断裂(拆离断裂)系统的活动并控制沉积盆地的形成（拆离成盆效应）；深部流体辐射和强烈活动，破裂上地幔和深部地壳的岩层（破裂开道效应），并与深大断裂系统相连，强大的能量将深部流体（包括烃类和H2的幔汁等）沿破裂带和深大断裂运送到地壳浅层或沉积盆地之中（运载输导效应），沿途凝聚萃取分散的烃类物质（萃取富集效应），或通过费—托反应合成无机成因烃，并与地球深部随流体带来的烃和H2一起向上运移并进入盆地，在适合的圈闭中聚集成藏，在盆地内可单独成藏或与有机成因油气混合成藏。

4）深部流体在向上运移过程中沿途溶蚀围岩，为能源矿藏的成藏准备好空间（溶蚀扩容效应）；随深部流体进入沉积盆地，带去了大量深部物质和巨大能量，一方面作为营养物质提高了成油物质的古生产力（促进产力效应），另一方面对干酪根生烃加氢增能并提供催化剂，大大提高了盆地有机质的生烃效率和生烃量（加氢催化效应和增能传能效应）；岩浆侵入、火山喷发等深部流体的活动，一方面可能为油气藏的形成提供封盖条件，另一方面也可能破坏已经形成的油气藏或氢藏，导致能源矿藏的部分破坏或全面破坏（保存破坏效应）。

深部流体对能源的综合效应可总结为如图3所示的模式。由图3可知：①石油成因有3种，即有机成因、无机成因和混合成因；②盆地浅部，油气以有机成因为主，盆地深部，油气的无机成因可能较多，盆地中深层，应该是混合成因的油气，总量上，无机成因油气要远远多于混合成因和有机成因；③地幔隆起与盆地形成的耦合作用、深部流体与浅部流体的混合、深大断裂的输导与桥梁作用，是深刻影响和控制能源效应的主要因素。