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气体同位素组成与大地构造环境关系研究进展

陶明信  徐永昌  
【摘要】:对于天然气(包括煤层气)同位素的组成与变化,特别是对其中烃类及CO_2等组分的碳同位素组成与变化因素的研究,通常限于对其母质继承效应和热演化程度方面的研究,而对于其与大地构造环境关系的研究很少见。对于天然气中稀有气体同位素的研究也多在于有关气体成因与来源的示踪。因此,有关天然气的同位素组成及变化与大地构造环境关系的研究是一个富有重要科学意义而值得深入研究的科学问题。所谓大地构造环境,主要指某一构造单元或构造区在其形成演化过程中的构造动力学性质、深部与上部的联系与相互间的物质交换或作用等。例如含油气盆地的大地构造环境,主要指盆地形成演化过程期间的动力学性质、壳幔结构、盆地内的热状态及岩浆活动特征、后期的构造演变及构造形迹的力学性质等。地壳上部的构造类型虽然繁杂多样,但可归为相互对立发展的两类基本构造类型,正向构造区和负向构造区,即隆起(造山)带和构造盆地。近若干年来,对中国含油气盆地天然气及造山带地区沿断裂带发育气体中稀有气体同位素的组成与分布进行了较系统的研究,显示出其与大地构造环境之间具有密切的关系。现将这方面的研究进展做一简介,同时,对于不同大地构造环境中天然气甲烷的碳同位素组成与分布及其与大地构造环境的关系也做一初步探讨。经海西—印支运动,中国境内的主要海槽相继关闭,基本形成统一的大陆块体,其宏观构造格架可简单而形象的描述为棋盘状。即天山—阴山、昆仑—秦岭和南岭等近于东西向的构造带和大兴安岭—太行山—雪峰山、贺兰山—龙门山—川滇等近于南北向的构造带构成的"棋盘网格",而网格内夹持或分布着松辽、华北、塔里木、扬子等大小不等的地块或盆地。其中可划分出4个具有不同构造环境性质的中、新生代含油气区。(1)构造盆地区气体同位素的组成与构造环境示踪东部裂谷区:该区显著的特征为地幔隆起,地壳减薄,超壳深断裂发育,深部物质(基性岩浆和幔源挥发份)的上升活动强烈,形成一系列含氦的高浓度CO_2气藏。各类天然气中相关组分的同位素组成偏重。例如高浓度CO_2气藏的δ~(13)CCO_2值很高,主要在+2%o~-8‰之间;天然气的~3He/~4He值普遍大于Ra值甚至达到10Ra上下,~(40)Ar/~(36)Ar值偏高而~(40)Ar明显过剩。该区为高地温区,中新生界天常规天然气的δ~(13)C_1值相对于其它含油气区同时代的偏高。以上反映了该区壳幔连通程度高、幔源探发分上升的裂谷活动构造环境。中部克拉通构造稳定区(鄂尔多斯和四川盆地):其显著的大地构造特征为地层变形微弱,岩浆活动微弱,深断裂不发育,构造稳定。区内天然气的δ~(13)CCO_2值多低于-8‰,~3He/~4He值均为10~(-8)量级,中生界常规天然气的δ~(13)C_1值也相对偏低。以上表现为单一壳源组分的同位素组成特征,显示该区为壳幔连通程度很低的稳定构造环境。西北构造反转次稳定区:其最显著的特征为先张后压的构造反转演变过程,地温场先高后低。中生界烃源岩的热演化进程相对滞后,一般仅在盆缘有幔源气体活动的迹象,天然气中相关组分的同位素组成具有介于东部区与中部区之间的特征,例如~3He/~4He值为10~(-8)~10~(-7)量级,显示了构造反转的影响因素。构造反转研究是西北区油气勘探中的一个新的重要课题。青藏挤压—走滑构造区:此构造区以地壳巨厚、深断裂发育、岩浆活动强烈、地温梯度异常高、壳层强烈变形而大幅度缩短与隆升为突出特征。区内残留中生代盆地及第三纪拉分盆地,强烈的挤压作用可能不利于油气藏的保存,有限的资料显示,区内各类气体的同位素组成显示以壳源为主混有少量幔源挥发份的特征。(2)造山带或断裂带的气体同位素的组成与构造环境示踪天山造山带南北缘断裂带:天然气以壳源烃类为主,但含少量幔源挥发份,主要特征为~3He/~4He值达10~(-7)量级,CH_4/~3He值为10~(9~10),CO_2/~3He值为10~(6~8),部分气样的~(40)Ar/~(36)Ar值偏高,显示该断裂可能切入上地幔,但强烈挤压而封闭性较高,仅发生微弱地幔脱气。班公湖—怒江岩石圈断裂带:沿断裂带温泉气的R/Ra值为0.43~1.13,显示出较弱地幔脱气作用,说明断裂深度虽达上地幔但开启性程度较低。祁连山造山带内壳层断裂带:断裂带切过煤层中煤层气的~3He/~4He值均为10~(-8)量级,具有高CH_4/~3He值—低R值和高CO_2/~3He值—低R值体系,显示出壳层断裂无地幔脱气作用的特征。伸展性岩石圈(郯庐)断裂带:沿断裂带各类气体普遍含有以CO_2和He为代表的幔源挥发份,以具低CH_4/~3He—高R值和低CO_2/~3He值—高R值体系为特征,显示了断裂深达上地幔,开启性程度高而发生地幔强烈脱气的构造环境特征。

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