松辽盆地南部无机二氧化碳成因新认识——以长岭地区为例

王冬燕

(中国石化东北油气分公司，吉林 长春 130062)

长岭地区断陷层天然气丰富，已成为天然气勘探的重要领域。这些天然气中二氧化碳含量很高，主要分布于红岗、乾安和长岭3个区。其中，红岗和乾安地区二氧化碳发育于泉头组泉三段、泉四段以及青山口组砂岩中；而长深2井、长深4井、长深6井、长深7井、长深1区块二氧化碳发育于营城组火山岩中。

图1 松辽盆地长岭地区无机二氧化碳平面分布图

二氧化碳是天然气中最重要的非烃组分，对天然气成因研究具有重要意义。最新研究认为长岭地区无机二氧化碳属于岩石化学成因，而非幔源成因。希望本文对松南地区乃至整个松辽盆地深层油气成因研究以及勘探有一定的指导作用。

1 区域地质概况

松辽盆地位于华北板块北部，兴安地块东缘，为一北东向展布的宽广断陷盆地。构造复杂，分为西部斜坡带、中央断陷区、东南隆起区、西南隆起区和开鲁断陷五个一级构造单元。盖层以火山岩-陆相沉积为主，分为中生界白垩系、新生界古近系和新近系。白垩系为主要的含油气层系，包括明水、四方台、嫩江、姚家、青山口、泉头、登娄库、营城、沙河子及火石岭组。

长岭断陷位于南部中央断陷区，面积约1.3×104km2，构造复杂，包括乾安次凹、黑帝庙次凹、孤店次凹、伏龙泉次凹、大安-海坨次凹和孤西次凹5个次级断陷，其间被隆起带和斜坡带相隔。

松辽盆地发育于海西期褶皱之上，基底发育上古生界石炭系～二叠系、下古生界以及前古生界地层。其中，上古生界分布广泛、厚度巨大，厚度一般为 3.0～4.5 km，最厚达6 km，自下而上分为石炭系巴彦敖包组 (C1b) 、本巴图组(C2b) 、阿木山组(C2a)、下二叠统寿山沟组(P1s)、中二叠统大石寨组( P2d )、哲斯组 ( P2z ) 及上二叠统林西组( P3l)。上古生界主要属于海相、海陆交互相沉积，岩性以砂岩、泥岩、灰岩、粉砂质泥岩、碎屑砂岩为主，且多发生浅变质。

下古生界岩性以绢云母片岩、绿泥石片岩、石英片岩及绿泥石千枚岩为主；前古生界变质程度较高，岩性以花岗片麻岩、片麻状花岗岩为主。

松辽盆地深大断裂发育、构造运动频繁，岩浆活动强烈。研究表明，松辽盆地中、新生代发生了两大旋回、七期岩浆活动，侵入岩分布广泛——约占上古生界总面积1/3(表1，图2，图3)。

岩浆活动是裂谷盆地重要的地质事件，对油气形成和演化具有重要影响[6-7]。

表1 松辽盆地中、新生代岩浆活动特征

中生代岩浆来自下地壳，包括4期，分别为火石岭沉积时期(158-146Ma)、营城组一段沉积时期(130-126Ma)、营城组三段沉积时期(120-113Ma)和泉头组四段-青山口组一段沉积时期(92Ma)。

新生代岩浆为基性，来自幔源。该旋回分为3期(时间分别为35Ma、9-15Ma和第四纪)，如附近的伊通-舒兰地堑发现约16 座火山，活动时间为31 Ma和9.9 Ma～15 Ma(古近-新近纪)(表1)[8]。

图2 松辽盆地长岭及附近地区上古生界顶面岩性分布图

图3 松辽盆地南部长岭地区北西-南东向G6重力剖面解释

2 二氧化碳成因机理

按成因，天然气中二氧化碳可分为有机和无机两大类。其中，有机成因二氧化碳是烃源岩中有机质在生物及低温作用下产生的[9]，主要特征是δ13CCO2小于-10‰，且含量较低(多在4.0%以下，甚至1.0%以下)[11]，如鄂整个尔多斯盆地天然气δ13CCO2在-10.1‰～-24.2‰之间，二氧化碳含量大多数小于1.0%(平均只有0.72%)。

无机成因二氧化碳可进一步分为岩浆-火山成因(即幔源成因)和岩石化学成因2种。幔源成因是岩浆在上升过程中由于温度、压力降低而析出的二氧化碳。岩石化学成因是地层中碳酸钙矿物在高温下(如岩浆或热流体)分解而成的二氧化碳。无机成因二氧化碳的δ13CCO2大于-8‰，主要在-8‰～+3‰之间，且含量往往很高(最高可达99%以上)。有机和无机混合成因二氧化碳δ13CCO2在-10‰～-8‰之间[10-12]。

截至目前，中国已发现了30多个二氧化碳气藏，它们绝大多数分布于东部裂谷盆地。其中一些被证实为地层中碳酸盐岩矿物分解而成，如渤海湾盆地济阳坳陷滨南地区古近系沙四段和奥陶系二氧化碳气藏；莺歌海盆地二氧化碳气藏，黄骅坳陷港西断裂带东北段二氧化碳气藏以及三水盆地中沙头圩构造区二氧化碳气藏等[12-16]。

3 长岭地区二氧化碳成因分析

长岭地区二氧化碳气主要发育于下白垩统营城组和泉头组，空间上变化很大，不同构造带或不同井区之间差异明显。二氧化碳含量在22.5%～97.05%之间，伴生的甲烷含量在0.9%～71.3%之间，氮气含量在4.21%～16.16%之间。另外，δ13CCO2在-3.73‰～-8.44‰之间，大多数高于-8.0‰(表1)，属于无机成因。

由于这些天然气中3He/4 He较高(多在2.65×10-6以上)，R/Ra在1.9～4.54之间。所以，米敬奎等认为其中的二氧化碳来自地幔[1-5]。

表2 松辽盆地长岭地区二氧化碳气藏地球化学特征[1]

作者认为这种观点是错误的。首先，研究区地幔中是否存在大量的二氧化碳以及晚期岩浆活动是否从中携带了大量二氧化碳均缺乏可靠的证据。

另外，根据天然气中氦推测二氧化碳来自地幔也是不可靠的，原因是岩浆具有重要的同化混染作用。

所谓的同化混染作用是由于岩浆温度很高及很强的化学活动性——可以熔化或溶解与之相接触的围岩或所捕虏的围岩块，从而改变原来岩浆的成分。若岩浆把围岩彻底熔化或溶解，使之同岩浆完全均一，则称同化作用；若熔化或溶解不彻底，不同程度的保留有围岩的痕迹(如斑杂构造等)，则称混染作用。同化混染作用强度与围岩的成分密切相关，其中碳酸盐岩、泥质岩、基性岩、超基性岩更易被花岗岩岩浆同化。同化混染作用是岩浆的基本及重要作用，也是火成岩多样化及复杂化的根源。所以，火成岩区天然气中各种组分是不同源的，根据一种组分推测其它组分的来源是极不可靠的。

如上所述，松辽盆地及周边中生代以来曾经发生过两大岩浆旋回(主要为酸性和基性，温度在650～1300℃之间)。钻井及重磁资料均表明，研究区上古生界地层中侵入岩非常发育，甚至呈现上古生界被侵入岩包裹格局，地层变形强烈(图2，图3)，表明岩浆侵入对上古生界重要的影响。

中生代及新生代岩浆从深部下地壳或地幔出来后，运移30～40km达到地表或近地表，穿过太古界、元古界、下古生界、上古生界、中生界等地层。资料表明，松辽盆地深部碳酸盐岩非常发育(如寒武系、泥盆系和二叠系碳酸盐岩总厚度分别大于250 m、103 m和518 m[13]；另外泥岩或砂岩中也往往含有一定量的碳酸盐岩矿物。由于碳酸盐岩性脆，往往裂缝发育，泥页岩层理发育且性软，所以它们均易被岩浆侵入(即岩浆侵入具有很强的选择性)。当岩浆与碳酸盐岩矿物相遇时，必然发生同化混染作用——使之生成大量的无机二氧化碳(甚至烃等)，其中一些二氧化碳沿深大断裂运移至中生界。如李振生等研究认为，松辽盆地东北缘孙家窑地区无机二氧化碳就是深部地层中碳酸盐岩经岩浆热变质而成[18]。

尤其需强调的是，杨春等通过模拟实验发现松辽盆地上古生界二叠系泥板岩和灰岩在500℃左右生成许多无机二氧化碳，而且δ13CCO2在-8.0‰左右[19]——与研究区已白垩系发现的二氧化碳特征极为相似，从而进一步证明这些二氧化碳主要是碳酸盐岩高温分解而成，并非幔源。

由于中生代末期的构造运动非常强烈，所以该期生成的二氧化碳难以保存。相比之下，新生代岩浆活动热变质生成的二氧化碳易于保存，即目前发现的无机二氧化碳气主要是新生代形成的。

4 结论

(1)松辽盆地南部长岭地区下白垩系二氧化碳含量高、碳同位素重，空间变化较大。

(2)长岭地区古生界发育大量的碳酸盐岩，并经历了中、新生代两大岩浆旋回。高温岩浆使地层中碳酸盐岩矿物分解，生成大量的二氧化碳，并沿断层运移至中生界。其中，新生代岩浆活动生成的二氧化碳易于保存。