地球深部流體的基本特性及其能源效應

羅 群 李 靖 雷祥輝 許 倩 代 兵馬文彧 秦 偉 袁珍珠

1.中國石油大學（北京）非常規(guī)科學技術(shù)研究院 2.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局202地質(zhì)隊

0 引言

地球是一個富含流體的行星，整個地球系統(tǒng)由固體地球和流體地球組成，流體地球主宰固體地球，是整個地球系統(tǒng)的靈魂，這是地球科學的最新認識，也是流體地球科學觀的基本思想[1-2]。地球深部存在大量的各類流體，正是它們的形成、演化、賦存和活動，維持著地球生命的活力，也是礦產(chǎn)形成、地質(zhì)災害引發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)和基本原因。但是限于人類的技術(shù)和認識能力，對地球深部流體的認識一直比較膚淺，尤其是深部流體對能源（包括油氣資源、氫能源等）的成藏效應，目前的認識還比較薄弱。

近年來，油氣勘探開發(fā)過程中找到了越來越多深部流體證據(jù)，例如四川盆地、松遼盆地等都在鉆探中發(fā)現(xiàn)了深部天然氣[3-7]，僅在東營凹陷就發(fā)現(xiàn)了4個具有商業(yè)價值的CO2氣藏，均分布在切穿基底的高青—平南斷裂帶一線[8]。國外的許多天然氣藏中也發(fā)現(xiàn)有深源氣體的加入。隨著全球能源需求的劇增，油氣勘探除了深掘化石能源，還應關(guān)注來自地球深部的可利用能源。

1 地球深部流體的基本特征

1.1 深部流體的定義

美國國家研究委員會（1993）在《固體地球科學與社會》報告中對流體的定義是：地殼中常見流體包括水、烴和來自地球極深處的巖漿，地幔中也可見到溶液和氣體。杜樂天是最早將深部流體（地幔流體）系統(tǒng)地與成礦和成藏聯(lián)系在一起的學者，1987年提出了幔汁說，將地幔流體（深部流體）概括為HACONS化合物（H代表氫、鹵素和熱，A代表堿金屬，C代表碳，O代表氧，N代表氮，S代表硫，簡稱為幔汁）[2]。目前對深部流體的界定和認識差異較大，主要有如下4種看法：①將地下某一深度以下所有能流動的物質(zhì)都叫深部流體[3-4]；②將進入沉積盆地的地幔流體叫深部流體，也稱幔源流體[5]；③將盆地以下的流體統(tǒng)稱深部流體，包括中、下地殼、地幔甚至地核的流體[7-10]；④還有的學者將巖漿也算入深部流體[11-12]。

筆者將地球深部流體定義為沉積盆地基底之下和沉積盆地外的所有來源于中下地殼、地幔和地核的能夠流動的物質(zhì)，包括液體、氣體、塑性流體（如巖漿、超臨界流體），都歸于深部流體的范疇。盆地內(nèi)自身存在和產(chǎn)生的流體，包括烴源熱流體，不屬于深部流體。

1.2 深部流體的類型

由于分類指標和標準的差異，深部流體也具有不同的分類方案和分類結(jié)果：①萬叢禮等[11]按成因，將深部流體可分為巖漿流體、變質(zhì)流體和地幔流體 ；②許多學者將深部流體定義為地幔流體[5,13-15]，并將其分為富氫流體和富碳流體2種類型，在眾多的含油氣盆地之中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幔源富CO2流體甚至幔源CO2氣藏，如我國的松遼、黃弊、濟陽、蘇北、三水、塔里木等；③杜樂天先生也將深部流體定義為地幔流體，并根據(jù)地幔流體在地球的垂向分布，將其分為4種類型[2]，即來自核幔邊界或液態(tài)外地核的氫流、氫流流經(jīng)中—下地幔演化形成的氫型幔汁、氫流流經(jīng)上地幔演化形成堿型幔汁及堿型幔汁侵入地殼演化而形成的氧型幔汁。

其中，第3種分類方式，即“氫流、氫型幔汁、堿型幔汁、氧型幔汁”的深部流體分類方案與能源、礦產(chǎn)的形成與開發(fā)密切相關(guān)，筆者采用了該分類方案。

1.3 深部流體的溫度、壓力條件和狀態(tài)特征

地球深部的溫壓條件是流體相態(tài)的決定性因素，由于埋藏深度大（超過10～15 km），深部流體總體處于超高溫、超高壓的地質(zhì)條件，尤其是地幔以下，溫度3 000℃以上，壓力在50 104MPa以上，流體都呈現(xiàn)出超臨界狀態(tài)，具有巨大的能量。超臨界流體具有獨特的性質(zhì)：①超臨界環(huán)境下，常溫下難溶的化合物在超臨界流體中變得易溶，能提高有機物的溶解和富集；②超臨界流體的密度介于氣體和液體之間，因而其許多物理性質(zhì)也介于二者之間，是一種理想的輸運媒介，有利于對烴類物質(zhì)的運載；③催化加快反應效應，包括無機烴形成的費—托合成反應和有機烴生成的干酪根熱解反應，以及對儲層的溶蝕擴容[1]。

1.4 深部流體的運動學與動力學特征

1.4.1 動力機制

目前普遍認為推動深部流體流動的動力有4種，即浮力、水動力、熱力和構(gòu)造應力[1,16]。陳豐[17]認為，氫作為地幔羽中的原始熱物質(zhì)，核幔邊界或地幔中氫化物的氫被釋放出來，然后發(fā)生化學反應，最后形成地幔流體，推動地球演化。劉顯凡等[18]認為地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的離心力，以及核幔間的溫度差、壓力差、密度差、黏度差、速度差和放封性蛻變熱等動熱機制，均是導致深部流體流動及推動地球深部能量和成烴物質(zhì)向淺部運移的重要機制和動力。

1.4.2 運移途徑

深部流體的運移途徑可能有3種：①沿深大斷裂向上運移；②孔隙裂縫系統(tǒng)滲透；③沿自身的水壓破裂帶向上運移。其中沿深大斷裂向上運移已被眾多地質(zhì)觀測所證實，這也是大型油氣田多分布在裂谷帶上的主要原因；高溫高壓下巖石的孔隙度非常低,深部流體以孔隙滲透方式運移應該是次要的；第3種運移方式由Spera提出，他認為幔源流體大多沿厘米級寬度的裂隙運移，并建立了該運移方式的動力學機制[1]。

1.4.3 運移機制

地幔流體多通過侵位或噴溢方式向地殼或表殼遷移，同時地幔流體通常呈現(xiàn)出超臨界狀態(tài)，具有高密度、高擴散特征[14]。

1.4.4 深部（地幔）流體與圍巖相互作用

圍巖與地幔流體主要反應方式為交代作用，有3種類型[14]：①地幔原地交代作用；②地幔流體在上升過程中與地幔巖包體發(fā)生的交代作用；③地幔流體穿過莫霍面與地殼物質(zhì)的交代和成巖作用。

1.5 地球深部流體能源效應研究存在問題

以往深部流體的研究多與內(nèi)生礦藏相聯(lián)系，認識到深部流體運移及其對金屬礦床形成與分布有重要的控制作用[6,14,16,19,20]。近年來，隨著地球科學的不斷發(fā)展和國家對油氣等能源的需求增加，針對深部流體與油氣、氫能等能源的成藏效應的研究逐漸豐富起來[1,5,8,10,12,15,17,19-31]，內(nèi)容主要涉及深部流體與烴類和氫的形成、運移、聚集、成藏與富集各個方面，尤其是深部流體對生烴作用的促進（加氫增能效應）和對儲集條件的改善（溶蝕增孔效應）取得了豐富的成果，但仍然存在以下問題：

1）深部流體的成藏效應研究主要集中在盆地內(nèi)深部流體對有機成因油氣藏的作用與效應，很少涉及盆地外（包括基底下）深部流體與無機成因油氣形成與分布的作用及其成藏效應，對尋找無機成因烴藏幾乎沒有預測價值。

2）研究與討論主要集中在深部流體的加氫增能的生烴效應和溶蝕擴容改善儲層2個方面，對深部流體其他方面的成藏效應研究較少。

3）雖然對深部流體與油氣、H2等能源的形成、運移、聚集成藏的關(guān)系都進行了研究，并取得一系列重要成果與認識，但這些成果與認識比較分散、不系統(tǒng)，未成一個有機體系。

2 深部流體的能源效應

筆者以深部流體形成演化及其對油氣、H2藏的作用和影響為線索，將前人(前面引用作者)成果進一步分析、歸類、提升和整合，最終歸結(jié)為深部流體與能源（油氣、H2等）富集關(guān)系的系統(tǒng)認識，即深部流體的十大能源效應。這十大效應是一個連續(xù)、有序、有機、完整的能源效應鏈系統(tǒng)，深部流體對油氣、氫等能源的形成、運聚、富集和分布有絕對的控制作用。

2.1 拆離成盆效應

分布于地球的深部流體（包括地核及核幔過邊界氫流、中下地幔的氫型幔汁、上地幔的碳型幔汁），由于其極強的活動性和穿透性，在從地心向地殼的輻射過程中不均衡膨脹，導致地幔差異隆起，另外洋殼的俯沖也會造成大陸區(qū)地幔上拱，在地幔隆起區(qū)，由于地幔上涌，其上方對應地殼產(chǎn)生擴張效應，進而形成上陡下緩并最終消失于低速層的拆離斷裂系統(tǒng)，斷裂系統(tǒng)的下降盤形成一系列的沉積盆地，為后來油氣的生成、運移、聚集奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。我國的松遼盆地、渤海灣盆地是典型的因地幔隆起引發(fā)地殼拆離形成的富含油氣盆地，圖1是依據(jù)韓江濤提供的二維電性結(jié)構(gòu)得到的松遼盆地拆離成盆模式[31]，明顯受控于地幔流體的活動。盆地是有機成因油氣的聚集單元，深部流體的差異活動導致地幔向上隆起，引發(fā)地殼產(chǎn)生拆離而形成盆地的作用與后果，稱之為深部流體的拆離成盆效應。世界上許多大型含油氣盆地都對應著地幔的異常隆起。

圖1 松遼盆地二維電性結(jié)構(gòu)及其拆離成盆效應模式圖（據(jù)韓江濤等[31]）

2.2 促進產(chǎn)力效應

盆地中成油生物的大量繁殖是形成有機油氣聚集的前提條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，盆地演化過程中古生產(chǎn)力的提高有利于生物的發(fā)育，而源源不斷通過深大斷裂進入盆地的深部流體為成油生物的生長發(fā)育帶來了豐富的C、H、O和其他的礦物質(zhì)等營養(yǎng)，有效地促進了成油生物的大量繁殖和發(fā)育，有利于大大提升古生產(chǎn)力，為以后干酪根的巨量堆積奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。深部流體為成油生物的大量繁殖提供C、H、O和其他礦物質(zhì)等營養(yǎng)，從而進一步提高古生產(chǎn)力的作用和結(jié)果，稱之為深部流體的促進生產(chǎn)力效應，簡稱促進產(chǎn)力效應。

2.3 破裂開道效應

由于成盆斷裂系統(tǒng)是上陡下緩的拆離斷裂，這些斷裂向下都變緩并消失于低速帶中，沒有直接連通深部流體。因此，深部流體難以直接進入深大斷裂（拆離斷裂）而進入盆地中，它們是通過低速帶與地幔之間的高壓破裂帶，與深大斷裂連通，才從深大斷裂系統(tǒng)進入盆地。這些高壓破裂帶，正是深部流體（尤其是堿性幔汁）由于其強大的力量（包括膨脹力、地球離心力等）和溶蝕穿透力將巖石圈和低速帶破裂而形成通向低速層的破裂帶，深部流體的這種破裂開道作用和結(jié)果（圖2），稱之為深部流體的破裂開道效應（類似頁巖油氣開發(fā)中的人工壓裂）。破裂開道效應為深部流體（包括各種無機烴類、氫等能源）從地球深部進入地殼中淺層和沉積盆地開辟的道路。

圖2 幔汁膨脹破裂構(gòu)造形成模式圖（據(jù)牛樹根等[32]）

2.4 運載輸導效應

由于深部流體具有巨大的能量（熱能、超壓、勢能等），因而具有巨大的運載輸導能力，能夠?qū)⒌厍蛏畈康母鞣N物質(zhì)（包括碳氫化合物、H2O、CO2、CO、H2、堿金屬、各種金屬礦物等等）甚至巨大的捕虜體運載到地殼、盆地甚至到地表及以上的圈層。地球深部的烴類、氫等能源以及有利于烴類合成的其他相關(guān)物質(zhì)隨著深部流體被運載、輸導到地殼、盆地甚至地表。深部流體的這種作用和結(jié)果稱為深部流體的運載輸導效應。

2.5 深部流體的增能傳能效應

深部流體不僅是地球深部物質(zhì)的運載體，也是地球深部能量的傳遞媒介。地球深部的高溫（熱能）、高壓（勢能）、化學能以及由超臨界狀態(tài)形成的各種能量，通過深部流體從地球深部向地球淺層甚至地表的運移，傳遞到中淺層地殼和沉積盆地，必然對中淺層地殼和沉積盆地起到顯著的增能效應，包括增強盆地的熱能、增強油氣運移的動能、增強干酪根向烴類轉(zhuǎn)換的化學能（活化能）等。如增強沉積盆地的熱能有利于生油母質(zhì)干酪根的成熟和熱解生烴。將深部流體向中淺層地殼和沉積盆地增加能量、傳遞能量的作用與效果稱為深部流體的增能傳能效應。

2.6 深部流體的加氫催化效應

從物質(zhì)平衡定律角度，目前盆地中氫的數(shù)量不足以產(chǎn)生已經(jīng)開發(fā)的油氣的數(shù)量，最合理的解釋是深部流體帶入盆地的氫彌補了這個缺口。大量的實驗和綜合研究證實和論證了深部流體的加氫和催化效應大大增加了盆地中干酪根向油氣的轉(zhuǎn)化率。深部流體中含有大量的氫，以H2、H2O、OH-等形式溶于深部流體中，另外，深部流體中還含有大量的Fe、Au等金屬，它們是干酪根熱解生烴的有利的催化劑，深部流體將氫和這些催化劑帶入盆地中的烴源巖，大大補充了干酪根熱解生烴過程中氫的數(shù)量，同時催化劑的催化作用大大提高了干酪根熱解生烴的效率。

2.7 深部流體的溶蝕擴容效應

深部流體是超臨界流體，富含大量的揮發(fā)性成分和催化劑，化學活動性特別強，穿透能力特別強，溶蝕能力也特別強，能量也特別大，因此，對其流經(jīng)領(lǐng)域的巖石的溶解能力也應該特別強，無論是在盆地內(nèi)還是在盆地外（如盆地基底），只要深部流體流經(jīng)過的區(qū)域，多會產(chǎn)生溶蝕作用，增大孔隙空間，改善孔隙結(jié)構(gòu)，為油氣的聚集準備了更多的空間，有利于油氣的聚集，這種現(xiàn)象在塔里木盆地深層下古生界碳酸鹽巖非常典型。深部流體對圍巖的溶蝕作用和結(jié)果稱之為溶蝕擴容效應。

2.8 深部流體的萃取富集效應

與常溫條件下相比,超臨界水的介電常數(shù)很低，使其表現(xiàn)出類似非極性溶劑的性質(zhì),所以有機物在其內(nèi)的溶解度較高，而鹽的溶解度較小。深部流體為超臨界流體，因為富含地幔中Si、Al、Na、K、Cl、P、S等常量元素和多種活動很強的揮發(fā)份元素，具有極強的溶解和萃取能力，能夠溶解和萃取流經(jīng)地區(qū)分散不溶的烴類物質(zhì)、甚至成烴元素和H2，并使之富集，隨深部流體一起向地球淺層甚至盆地中運移。深部流體對分散難溶的烴類物質(zhì)、成烴元素以及H2的溶解和富集作用與結(jié)果，稱之為深部流體的萃取富集效應。

2.9 深部流體的聚烴（氫）成藏效應

地球深部的烴類物質(zhì)（CH4、C2H6、C2H8等）、H2等，本身就是流體，它們在向地球淺層、盆地運移過程中，一方面進一步凝聚流經(jīng)地區(qū)的分散的烴和氫，另一方面，CO、CO2等與H2、H2O在催化劑作用下發(fā)生費—托合成烴反應，形成新的烴類，并隨其他深部流體一起在深、淺層壓差作用下向淺層和沉積盆地運移，途中遇到適合的圈閉，就在圈閉中聚集成藏。我國東部地區(qū)的松遼盆地、渤海灣盆地都發(fā)現(xiàn)一些無機成因的烴類氣藏，就是這種成藏效應的結(jié)果。深部流體中本身存在的烴類物質(zhì)、H2以及在適宜條件下C、H物質(zhì)合成的烴在隨深部流體向上運移過程中遇到適宜的圈閉而聚集成藏的效應，稱之為深部流體的聚烴（氫）成藏效應。

2.10 深部流體的保存破壞效應

深部流體的活動對已經(jīng)形成的能源礦藏（油氣藏、氫藏等）進行的保存作用和破壞作用稱為深部流體的保存破壞效應。這里的保存效應主要指巖漿活動、火山噴發(fā)形成的致密巖石如致密的玄武巖、安山巖、流紋巖、致密的火山碎屑巖作為油氣藏的封蓋層，對油氣散失的阻止作用；破壞效應指后期深部流體或巖漿的侵入或火山噴發(fā)對已經(jīng)形成的油氣藏進行的破壞作用，如直接進入油氣藏，破壞油氣藏的儲蓋層，全部或部分燒毀油氣藏或?qū)е掠蜌獾纳⑹А?/p>

3 深部流體能源效應綜合模式

通過上述分析，得出4點認識。

1）深部流體對能源礦藏的成藏效應的控制是多方面的、全方位的、主導性的和系統(tǒng)性的，以建設(shè)性的效應為主，破壞性的效應主要表現(xiàn)在局部情況下對儲層孔隙的影響，如沉淀作用、重結(jié)晶作用會降低孔隙度，而后期巖漿作用、火山活動也會對油氣藏產(chǎn)生破壞。

2）深部流體對能源礦藏成藏效應的控制是一個連續(xù)的、有序的、環(huán)環(huán)相扣的、系統(tǒng)的效應鏈。

3）深部流體的成藏效應序次是：深部流體的差異活動導致地幔隆起、誘導深大斷裂(拆離斷裂)系統(tǒng)的活動并控制沉積盆地的形成（拆離成盆效應）；深部流體輻射和強烈活動，破裂上地幔和深部地殼的巖層（破裂開道效應），并與深大斷裂系統(tǒng)相連，強大的能量將深部流體（包括烴類和H2的幔汁等）沿破裂帶和深大斷裂運送到地殼淺層或沉積盆地之中（運載輸導效應），沿途凝聚萃取分散的烴類物質(zhì)（萃取富集效應），或通過費—托反應合成無機成因烴，并與地球深部隨流體帶來的烴和H2一起向上運移并進入盆地，在適合的圈閉中聚集成藏，在盆地內(nèi)可單獨成藏或與有機成因油氣混合成藏。

4）深部流體在向上運移過程中沿途溶蝕圍巖，為能源礦藏的成藏準備好空間（溶蝕擴容效應）；隨深部流體進入沉積盆地，帶去了大量深部物質(zhì)和巨大能量，一方面作為營養(yǎng)物質(zhì)提高了成油物質(zhì)的古生產(chǎn)力（促進產(chǎn)力效應），另一方面對干酪根生烴加氫增能并提供催化劑，大大提高了盆地有機質(zhì)的生烴效率和生烴量（加氫催化效應和增能傳能效應）；巖漿侵入、火山噴發(fā)等深部流體的活動，一方面可能為油氣藏的形成提供封蓋條件，另一方面也可能破壞已經(jīng)形成的油氣藏或氫藏，導致能源礦藏的部分破壞或全面破壞（保存破壞效應）。

深部流體對能源的綜合效應可總結(jié)為如圖3所示的模式。由圖3可知：①石油成因有3種，即有機成因、無機成因和混合成因；②盆地淺部，油氣以有機成因為主，盆地深部，油氣的無機成因可能較多，盆地中深層，應該是混合成因的油氣，總量上，無機成因油氣要遠遠多于混合成因和有機成因；③地幔隆起與盆地形成的耦合作用、深部流體與淺部流體的混合、深大斷裂的輸導與橋梁作用，是深刻影響和控制能源效應的主要因素。

圖3 深部流體能源效應模式圖

4 結(jié)論

1）地球是一個富含流體的星球，整個地球系統(tǒng)由固體地球和流體地球組成，流體地球主宰固體地球。

2）地球深部流體為沉積盆地基底之下和沉積盆地外的所有來源于中下地殼、地幔和地核的能夠流動的物質(zhì)。根據(jù)流體富氫富碳的程度，地幔流體可分為富氫流體和富碳流體兩種。杜樂天先生根據(jù)地幔流體在地球的垂向分布，將其分為“氫流、氫型幔汁、堿型幔汁、氧型幔汁”4種類型，此分類與能源、礦產(chǎn)的形成與分布有密切關(guān)系。

3）深部流體具有十大能源效應，即拆離成盆、促進產(chǎn)力、破裂開道、運載輸導、增能傳能、加氫催化、溶蝕擴容、萃取富集、聚集成藏、保存破壞，深部流體控制著油氣、氫能、氦能等能源的形成、運聚、富集和分布。

4）深部流體對能源礦藏成藏效應的控制是一個連續(xù)的、有序的、環(huán)環(huán)相扣的、系統(tǒng)的效應鏈。地幔隆起與盆地形成的耦合作用、深部流體與淺部流體的混合、深大斷裂的輸導與橋梁作用，是深刻影響和控制能源效應的主要因素。