幔源CO_2演化及CO_2气成藏实例分析

幔源CO2是当今地球科学研究中的前沿领域之一,具有重要的研究价值。处于超临界态的地幔流体具有很强的溶解和扩散能力,是地球内部能量与物质向外传输的重要载体。地幔流体中的挥发分以H2O和CO2为主,全球许多CO2气藏中的气体具有幔源特征,与地幔流体密切相关,但地幔流体与CO2气藏之间的关系研究则显得不够。本文分析了地幔流体的组成、性质与影响因素,结合济阳坳陷断裂构造、岩浆发育特征,阐述地幔流体上升和演化过程,认为地幔流体中溶解各种形式CO2气为气藏形成提供物质来源,断裂活动则为岩浆上侵和气体的运移、聚集提供了通道和空间。CO2气藏勘探的有利区块应该不仅仅局限于坳陷内,在坳陷边缘或者外部,新生代晚期的碱性岩浆侵入活动,不同方向断裂发育交汇地区均是气藏勘探的有利地区。     

四川省鲜水河断裂带温泉的CO_2释放量的定量化研究

通过对四川西部鲜水河深大活动断裂带温泉的观测和分析 ,得出了温泉的幔源 CO2 年释放量 ,由此推断深大活动断裂的 CO2 释放作用对碳循环具有重大影响     

火山岩吸附CO_2气的成藏潜力及实例分析

火山岩的脱气实验和对昌德东CO2气藏气源的分析结果表明:加热火山岩到250℃时,脱出挥发分总量为0.0299～0.0790mL/g,其中CO2脱出量为0.0218～0.0706mL/g(0.429～1.387wt%);挥发组分以CO2为主,还含有H2、CO、CH4等还原性气体,以及少量低碳烷烃,CO2含量和总烃呈现反比关系;基性岩的CO2脱出量、脱出率高于中、酸性岩;CO2脱出量与岩石碱质含量正相关。松辽盆地北部昌德东CO2气藏成藏模式为“自生自储”,成藏CO2气主要来自深部被火山岩吸附的气。随岩浆上升,在岩浆冷凝成火山岩的过程中被吸附于火山岩的节理、劈理和晶体位错之中的CO2气,连同火山岩包体中的残留气,成为高纯CO2气藏的主要补给源,并非地幔气体沿大断裂上来直接充注成藏。     

上地幔流体的性质和作用——从女山幔源二辉橄榄岩捕虏体获得的证据

玄武岩浆从地幔深处挟带上来的超镁铁质捕虏体含有地幔流体的直接证据,它们对于阐明地幔深部地质作用(部分熔融作用、地幔交代作用)的机制十分重要。女山幔源二辉橄榄岩的研究结果表明,初始的地幔流体除富含CO_2外,尚含有H_2O和少量CO、CH_4、SO_2、C1、F。地幔中的初始流体(挥发组分)在源部是溶解于地幔橄揽岩的高压固体矿物相中,它们在地幔上隆减压时出溶,形成细小的最早期流体包裹体。这些自由流体相在一定部应聚集,使得地幔固相线(和液相线)下降,引起上地幔发生减压部分熔融。初始的部分熔融主要发生于矿物边界,以单斜辉石最易遭受,形成矿物边缘的海绵状部分熔融带。当地幔剪切流动时,初始的部分熔融体珠滴联合成大的珠滴,并开始渗透,在变形橄榄岩中相连成脉状网络,晚期含C0_2岩浆包裹体及填隙玻璃即为其代表。由于剪裂作用,熔体(和流体)压裂开上覆橄榄岩,产生岩墙状通道,并在上地幔的某些低压区聚集成岩浆库。流体和熔体均为地幔交代作用的介质。在流体参与下,上地幔低度部分熔融产生的熔体将高度富集不相容元素。这些熔体和流体与亏损地幔间的相互作用,可以带来不相容元素重大的局部富集。当流体(和熔体)中H_2O浓度低时,仅发生隐交代作用;当H_2O浓度较高时,部分熔融程度也较高,相应有含水相(如角闪石等)成核,出现矿物交代作用。     

松辽盆地南部无机CO2成藏机理与分布

松辽盆地南部的幔源CO₂气主要存在3种脱气方式：热底辟体脱气、岩浆房脱气和地幔热底垫体脱气。古近纪末-新近纪时期的岩浆活动和岩石圈断裂是无机CO₂气藏形成的主控因素;属于岩石圈断裂的郯庐断裂北部断裂系,当处于活动期时,诱导幔源岩浆上涌,促使无机CO₂气从幔源岩浆脱出,先期富集在下地壳底部,并沿着下地壳的网状剪切带迂回向上运移到达拆离带;当断至拆离带的低角度基底断裂处于活动期时,无机CO₂气体沿着壳源断裂上移进入地壳浅层圈闭富集成藏。气源断裂体系的展布与幔源火成岩活动脱气是无机CO₂气运聚成藏的两大主控因素。幔源CO₂气藏主要分布在长岭断陷和德惠断陷:前者主要沿着孙吴-双辽断裂带分布,后者受控于哈尔滨-四平断裂带。长岭断陷的幔源CO₂气藏埋藏较深,由于向北西的红岗阶地和东部的德惠断陷层位在变新,导致CO₂气藏埋藏深度逐渐变浅。     

断裂及岩浆活动对幔源CO2气成藏的作用--以济阳坳陷为例

尽管CO2气在地壳浅层运聚成藏与常规的烃气相似,都要求有丰富的源、储层、圈闭、输导系统和盖层,但在成因或来源上与烃气有天壤之别．通过对与CO2气田(藏)有关的深大断裂、火成岩进行综合研究认为,岩浆是CO2运移的载体,火成岩的发育则是断裂时空同步活动的重要标志,幔源CO2气的成藏要素最为重要的是“运”,即要有直接或间接与地幔相连的深大断裂,而且,作为一条断裂通道的活动要时空同步．故而CO2气田(藏)的形成,同断裂活动和岩浆活动有着密切的关系．断裂对CO2气田(藏)形成的控制作用表现为：(1)深大断裂控制CO2成藏带;(2)边界断裂及其派生的不同方向、不同级别的断裂控制了盆地内CO2气田(藏)的形成与分布．     

松辽盆地幔源成因CO2气藏分布规律及控制因素

通过深部15s大剖面解译和典型CO₂气藏解剖,深入剖析了松辽盆地幔源成因CO₂气藏分布规律及控制因素。纵向上CO₂气主要富集在营城组火山岩和泉头组三、四段砂岩储层中。与深部热流体（热流底辟体和侵入体）直接相连的、控陷的、控制火山通道的铲式基底断裂控制着CO₂气藏呈串珠状分布的特征,断裂走向拐点、端点和侧列叠覆区控制了CO₂气出气点。深部热流体是CO₂气藏主要的气源。与之相衔接的基底断裂活动导致幔源岩浆充注盆地,同时携带的CO₂气释放进入早期喷发的火山岩中形成营城组火山岩CO₂气藏。基于控藏断裂多为断陷期和泉头组晚期-青山口组早期活动的基底断裂,推测营城组CO₂气藏主要成藏时期为泉头组晚期-青山口组早期。松辽盆地强烈的构造反转发生在明水组末期,挤压应力自南南东向北北西方向衰减的过程中,基底断裂复活形成正反转断层,CO₂气从热流底辟体中脱出上运而聚集在反转构造带上,断层式反转构造南部比北部发育,西部比东部发育,因此松辽盆地南部比北部、西部比东部CO₂气更富集。     

济阳坳陷高青-平南断裂带CO_2气藏中稀有气体地球化学特征

济阳坳陷高青-平南发育多个CO_2气藏,对气藏组分、同位素以及组分同位索相关组合进行分析,认为气藏中CO_2主要是幔源-岩浆成因.气藏同时具有高~(40)Ar/~(36)Ar和高~3He/~4He值表明:气藏中稀有气体主要来自幔源,同时有部分壳源混入;气藏中~4He/~(40)Ar~*平均值为2.15,说明该地区气藏形成主要以岩浆缓慢脱气为主,大规模CO_2及稀有气体是岩浆冷却结晶阶段所释放.其形成机理为:在随岩浆上升的过程中,随着压力和温度不断下降以及岩浆成分的变化,岩浆中CO_2及稀有气体溶解度也随之降低并析出,产生的大量CO_2及稀有气体沿着深大断裂及一些二、三级断裂交汇处输送至地层的各类圈闭中,并在适当的位置聚集成藏.     

大庆长垣以东地区深层天然气成藏的控制因素及成藏模式

通过长垣以东地区深层天然气分布特征研究,提出了深层天然气成藏的 4种控制因素,即气源条件、盖层条件、断裂和不整合面,并对它们在气藏形成中所起作用进行了深入分析。在此基础上,提出了该区深层天然气成藏的4种模式。即天然气沿不整合面短距离运移基岩风化壳成藏模式,天然气沿裂缝运移源岩区内火山岩成藏模式,天然气沿不整合面或砂体和断层长距离运移古隆起之上各种类型圈闭成藏模式,天然气沿砂体侧向运移地层超覆圈闭成藏模式。最后指出了该区深层有利钻探靶区。     

碳酸盐倒退溶解模式的化学热力学基础——与H_2S有关的溶解介质及其与CO_2的对比

以化学热力学中的吉布斯自由能增量为基础,计算了与H2S(g)/ H2S(aq) /HS-/ H+/S2-系统有关反应在不同温度下的平衡常数,同时根据方解石和白云石在酸性条件下的溶解过程,获得了这两种碳酸盐矿物溶解过程中地层中流体pH值与PCO2、地层压力和埋藏深度的关系。在此基础上,对比了从地表到深埋藏的温度和压力条件下,与CO2和H2S有关的酸性介质对流体\[H+\]贡献的差异性,以及对于碳酸盐溶解作用的差异性。计算结果表明:1）无论以CO2还是以H2S作为溶解介质,温度增加和（或）PCO2增加,都会造成方解石和白云石溶解所需要的\[H+\]增加,在深埋藏相对高温和高压条件下,高PCO2条件会使得碳酸盐矿物的溶解更加困难,如果\[H+\]受到缓冲,CO2的增加不仅不能造成碳酸盐矿物的溶解,反而会造成碳酸盐矿物的沉淀;2）无论在何种酸性介质中,碳酸盐矿物的倒退溶解模式在化学上都是成立的,低温的成岩环境,深部地层中高温流体的向上运移、构造抬升所造成的温度降低（-ΔT）都会提高H2S和（或）CO2流体（也包括其它酸性介质）对碳酸盐矿物溶解能力;3）在地表和近地表条件下（几百米深度范围内）,在同时存在CO2和H2S的环境中,CO2对应酸的电离提供的\[H+\]略多于H2S对应酸的电离,与CO2有关的酸性流体对碳酸盐矿物溶解相对重要,而在深埋藏条件下、尤其是深度大于4 000 m的深埋藏地层中,H2S对应酸的电离提供的\[H+\]显著大于CO2,其对碳酸盐矿物的溶解更为重要,在存在硫酸盐还原作用的深埋藏地层中,碳酸盐的深部溶解作用会更为发育,这可能是川东北地区深埋藏条件下次生孔隙发育的重要原因之一。     

Calculation of the CO2 Degassing during Contact Metamorphism and Its Geological Significance: The Model and Example from the Shuanshan Area of the South Tan–Lu Fault Belt

The paper studies CO2 degassing and controlling factors under the condition of contact metamorphism in the Shuangshan area, southern Tan-Lu fault belt and the method of calculating the amount of CO2 degassing. The results show that the amount of CO2 degassing is controlled by the characteristics of the country rocks, including the thermal conductivity, penetrability, porosity and connectivity. Compositions, size and depth of intrusive rock also have an important influence on CO2 degassing, i.e., they generated numerous cracks in the country rocks, and thus allowed the easy flow and accumulation of fluids. The amount of CO2 flux in contact metamorphism is calculated quantitatively based on the metamorphic reaction and time-integrated fluid flux. The value （0.729- 2.446×10^4 mol/cm^2） of CO2 flux suggests that CO2 was provided mainly by the contact metamorphic reaction. The generation and releasing of CO2 are positively correlated with the degree of metamorphism, and XCO2 in fluids gradually increases from dolomite zone to calcite zone, but in the zone of grossular, fluid flux is the largest and XCO2 sharply decreases due to involvement of magmatic water. This study presents evidence that a large amount of industrial-scale CO2 can be produced during contact metamorphism. On the basis of theoretical and practical studies, a cone model has been proposed to response CO2 degassing for the contact metamorphism, and it can be used to explore CO2 accumulations beyond the oil-gas basins. This model can also be applied to the study of inorganic genesis of CO2 accumulations.     

Immiscibility of high salinity fluids in volcanic rocks and the mechanism of magma degassing in the Dongying sag, eastern China

Fluid inclusions that bear halite daughter minerals were discovered in volcanic rocks at Pingnan area in the Dongying sag. The samples of the fluid inclusions collected from the BGX-15 well drill cores are hosted in quartz of diorite-porphyrite. The daughter minerals are identified as NaCl crystals after being observed under a microscope and analyzed by in situ Raman spectroscopy at −185°C. The results of micro-thermal analysis show that the homogenization temperatures of primary fluid inclusions are between 359 and 496°C, and the salinities of fluid inclusions are from 43.26 to 54.51 wt-%. All fluid inclusions in the studied samples can be divided into five types including primary fluid inclusions and secondary fluid inclusions. The fact that five types of fluid inclusions were symbiotic in the same quartz grain implies that immiscibility happened in magma. Due to the decrease in temperature and pressure during the ascent of magma, the fluids became intensively immiscible. This process accelerates the degassing of CO₂ from magma, but the remnant fluids with high salinity are preserved in fluid inclusions. Thus, the primary fluid inclusions are mainly in NaCl-H₂O fluids and poor in CO₂. The results of our study indicate that the degassing of magma and accumulation of CO₂ gas at the Pingnan area are relative to the immiscibility of high salinity fluids. This discovery is important because it can help us have a further understanding of the mechanism of magma degassing and accumulation of the inorganic CO₂ in eastern China. Translated from Acta Geologica Sinica, 2006, 80(11): 1699–1705 [译自: 地质学报]     

无机成因二氧化碳气的类型分布和成藏控制条件

从无机成因天然气成藏主控条件———气源断裂体系构造变形场的类型（收缩、伸展、走滑和旋转等）出发,综合分析了无机成因二氧化碳气藏的成因类型、分布规律和成藏控制条件等。结合实例对气源断裂体系结构作了剖析,指出二氧化碳气藏研究中值得重视的几个方面。     

Mantle-derived CO_2 in Hot Springs of the Rehai Geothermal Field,Tengchong,China

Gas concentrations and isotopic compositions of He and CO2 were determined on free gas samples from ten hot springs of the Rehai geothermal field, Tengchong, China. The results showed that hot-spring CO2 gas, together with He,was derived mainly from the mantle, indicating the accumulation of mantle-derived volatiles beneath the survey area. The δ^13C values of CO2, higher than those of the typical mantle-derived carbon and the isotopic composition of hot-spring-free CO2 in unequilibrium with dissolved CO2, are recognized only in the Rehai geothermal field, suggesting that there seems to be a still-degassing magmatic intrusion at depths, which provides mantle-derived volatiles to the hydrothermal system above. The accumulation of those volatiles has probably played an important role in triggering earthquakes in this region.In addition, the isotopic characteristics of He and C also indicate that the magmatic intrusion seems to have been derived from the MORB source, and could be contaminated by crustal materials during its upwelling through the continental crust.     

济阳坳陷CO0_2气藏同位素地球化学特征及成因

济阳坳陷CO2气藏主要发育在高青-平南深断裂中南段和阳信次级凹陷西北缘及商店火山岩穹隆构造内。气藏中CO2气体浓度为69%~97%,δ13CCO2值为-5.67‰~-3.35‰,CH4/3He值为(1.01~5.65)×108,3He/4He值为(2.80~4.49)×10-6,即R/Ra为2.00~3.21,40Ar/36Ar值为317~1791,CO2/3He值为(0.25~2.61)×109。以上地球化学数据表明,济阳坳陷气藏中CO2主要来源于地幔,且幔源CO2在成藏过程中有损失,或者有壳源CO2的加入,特别是部分碳酸盐岩变质成因CO2的加入。在对CO2气来源定性分析的基础上,还需要在各来源的定量区分和CO2气藏的成藏及其与岩浆活动的时空匹配关系等方面作进一步的研究。     

新疆双亚幔柱模式及其控矿机制

文章简述了新疆地区的地质理论研究成果、矿产地质特征,认为准噶尔、塔里木双亚幔柱是新疆金属矿产呈现"8"字型分布的主要控制因素;双亚幔拉主体形成时期分别为石炭纪和二叠纪。准噶尔亚幔柱斜向天山造山带,塔里木亚幔柱近垂直,前者作用强烈、短暂,后者温和而漫长。准噶尔、塔里木盆地周缘薄弱带与内部构造体制为地幔深源岩浆及后碰撞造山岩浆的上侵提供了通道。天山造山带形成于晚石炭世,它受双亚幔柱挤压隆起作用有限,成矿局部叠加;二叠纪以来,以相对南北向挤压为主,是能源矿产主要形成时期;阿尔金、昆仑等山脉在新近纪快速隆升。基于幔枝构造启示,建议金属矿产地质找矿勘查与石油、煤炭及铀矿地质勘查展开合作,在准噶尔、塔里木两盆地内进行金属矿产综合找矿。