摘要：目前全球有100多个国家或地区发现了与火山岩有关的油气藏或油气显示，火山岩已经从油气勘探的“禁区”逐渐转变为“靶区”。火山活动伴随的热液和气液可以明显提高有机质的生烃量和转化率，有效地加快油气运移速率，而且无机成因烃的来源可能也与火山作用有关。火山岩本身可以成为油气的有利聚集场所，同时火山作用与沉积作用相匹配还有助于形成一系列与火山岩有关的油气圈闭。孔隙度、渗透率较差的火山灰或厚层玄武岩具有良好的封闭性能，可成为油气藏的局部盖层。火山岩油气藏的研究需将火山作用、构造作用、沉积作用、成烃作用有机结合起来，缺一不可。
关键词：火山作用；油气成藏；火山岩储集层；生烃量；有机质转化率；无机成因；生储盖组合；油气聚集
0 引言
火山岩油气藏包括火山岩本身直接作为油气储层和与火山岩或火山作用有关的油气藏。有机成油理论认为，石油天然气是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的烃类化合物。过去全球所发现的油气藏几乎都存在于海相或陆相盆地的沉积地层内，盆地基底或火山岩分布区一直被认为是寻找油气藏的“禁区”。然而这一观念随着美国加利福尼亚州圣华达盆地内第一个火山岩油气藏的发现而得以转变，从而掀开了火山岩勘探和研究的序幕。随后全球有100多个国家或地区发现了与火山岩有关的油气藏或油气显示[1]。近年来，我国火山岩油气藏勘探取得了重要进展，相继在准噶尔、松辽、辽河、三塘湖等盆地内发现了储量丰富的火山岩油气藏[2]。火山岩是盆地早期充填的重要组成部分，体积约占整个盆地充填物的25%[3]，但目前火山岩油气探明储量仅占全球油气总探明储量的1%左右，其勘探潜力巨大。随着研究的深入，火山岩油气成藏理论可能会成为继海相和陆相生油理论后，油气勘探领域的第三次认识飞跃。，一个完整的油气系统需具备油气的生成、运移、聚集、保存等要素，而火山作用对它们均会产生一定的影响。本文从火山作用的角度入手，分析了火山作用与烃类的生成、油气运移、圈闭的形成、油气藏的保存与破坏等之间的关系，以期推动火山岩油气藏的勘探和成藏机理的研究。
1 火山作用与烃的生成
火山岩油气勘探表明[4～5]，与火山岩或火山作用有关的油气既有有机成因的，也有无机成因的。目前具有工业开采价值的火山岩油气藏以有机成因的为主，烃源岩内有机质成熟后运移至火山岩储层或火山岩/火山作用形成的相关圈闭内聚集成藏。无机成因的油气则主要表现为少量低碳烷烃气显示，很少能形成有商业价值的油气藏[1]。火山作用与这两类成因烃的生成都存在密切关系。
1.1 火山作用与有机成因烃的生成
有机质生成烃的方式主要包括3种：CO2还原、发酵、热降解。近年来国内外学者通过对侵入体围岩内的有机质成熟度Ro的测试发现，Ro值的大小与围岩和侵入体之间的距离成正比[6～7]，即靠近侵入体的Ro最高，远离侵入体Ro逐渐降低，表明侵入体对围岩有机质的成熟度起到积极作用。究其原因有：①热量，无论是侵入还是喷出作用，火山活动都伴随着巨大的热量，使局部地温梯度明显增高，加快了有机质的成熟；②矿物催化剂，火山作用过程中的热液物质含有大量的Ni、Co、Cu、Mn等金属元素。金强(2001)的模拟实验表明，有机质热降解过程中，如果加入富含这些金属元素的矿物时，有机质的生烃量和氢气都会显著提高(见表1)；③火山气体，火山作用过程中常伴有CO2、H2和CH4等气体，这些气体除可以作为火山岩气藏的气源外，还能提高有机质转化率，如CO2可以促使湖盆水体沉淀出碳酸盐矿物，H2可以促进生油岩有机质产生更多的烃类[8]。
表1 有机质生烃模拟实验表[9]
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矿物类型
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产物类型
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产物生成量(cm3/g)
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||||
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300℃
|
350℃
|
400℃
|
450℃
|
500℃
|
||
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无火山矿物加入
|
氢气
|
0.41
|
8.74
|
67.52
|
76.34
|
87.58
|
|
烃类
|
3.10
|
6.54
|
58.37
|
138.49
|
168.45
|
|
|
加入火山成因沸石
|
氢气
|
0.66
|
9.13
|
68.46
|
79.10
|
90.47
|
|
烃类
|
9.83
|
30.21
|
103.67
|
177.41
|
201.95
|
|
|
加入橄榄石
|
氢气
|
79.82
|
217.66
|
430.55
|
144.78
|
75.46
|
|
烃类
|
41.08
|
45.31
|
148.59
|
268.97
|
309.66
|
|
|
同时加入沸石、橄榄石
|
氢气
|
86.50
|
506.44
|
760.33
|
648.97
|
298.67
|
|
烃类
|
57.62
|
90.21
|
166.98
|
346.46
|
416.58
|
|
1.2 火山作用与无机成因烃的产生
上个世纪50年代以来，世界上先后在前苏联Kola半岛的希比内山碱性火成岩体、菲律宾Zambales蛇绿岩套基性一超基性岩、西南印度洋中脊和芬诺斯坎底亚玄武岩、加拿大Quebee地区StrangeLake碱性花岗岩、格陵兰Ilimaussaq碱性霞石正长岩、东非乌干达Sukulu碳酸盐岩等发现了无机成因的低碳烷烃类[10]。我国在无机成因气藏方面也取得了令人瞩目的成就，松辽盆地徐家围子昌德气田首个无机成因火山岩气藏的发现[11]，引起了国内外石油地质工作者的极大兴趣。无机成因烃的来源主要有以下3个途径：
1) 直接地幔来源。Gold[12]首次提出非生物成因烷烃气可能主要来自原始地幔的观点，他发现火成岩体内的烷烃气具有一致的护C值(-25‰～-28‰)，表明这些烃可能来自一个巨大的均一体——原始地幔。某些火山气体、温泉或天池的溶解气被认为是经火山作用由深部地幔而来，如我国五大连池内气体的δ13C和稀有气体同位素均具有幔源岩浆特征(见表2)，是幔源排气的直接表现。此外，辉石、尖晶石等幔源包体内通常含有低碳的烷烃[13]，也表明地幔含有无机成因烃。
表2 五大连池气体组成及同位素特征表[14]
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组成和同位素值
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北饮泉
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地震台
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二龙眼
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桦林沸泉
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翻花泉
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老黑山
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南饮泉
|
温泊
|
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CO2(%)
|
98.47
|
96.64
|
13.37
|
85
|
84.51
|
0.51
|
97.8
|
2.12
|
|
N2(%)
|
1.47
|
2.76
|
67.51
|
11.98
|
10.65
|
77.87
|
2.13
|
88
|
|
Ar(%)
|
0.044
|
0.05
|
1.53
|
0.16
|
0.24
|
0.93
|
0.066
|
1.49
|
|
O2(%)
|
|
0.53
|
17.59
|
2.84
|
4.55
|
20.69
|
0.0027
|
8.39
|
|
He(10-6)
|
0.7
|
110
|
5
|
150
|
380
|
4
|
8
|
4
|
|
CH4(10-6)
|
180
|
74
|
4
|
29
|
150
|
1
|
47
|
4
|
|
3He/4He
|
2.17
|
3.87
|
1.71
|
4.55
|
4.53
|
1.48
|
4.52
|
1.61
|
|
4He/20Ne
|
0.85
|
1011
|
1.09
|
103
|
207
|
0.35
|
55.4
|
1.51
|
|
δD(SMOW，‰)
|
-88.4
|
-87.2
|
-87.8
|
-77.9
|
|
|
-90.1
|
|
|
δ18O(SMOW，‰)
|
-12.2
|
-12.5
|
-12.1
|
-10
|
|
|
-12.2
|
|
|
δ13C(PDB，‰)
|
-7.7
|
|
-5.5
|
-4.2
|
-9.6
|
|
|
|
2) 晚岩浆期成因烃。在压力、温度、氧逸度适当的情况下，封闭体系内C-O-H流体可以重新平衡后形成CH4为主的流体[10]。比如：①当温度(500℃)和压力(2×108Pa)固定时，在较低的氧逸度条件下，原始CO2-CH4-H20流体可以转化为CH4-H2O流体或CH4-H20-H2流体组合；②在体系温度下降并低于400℃过程中，根据初始流体O/(O+H)比值不同，流体将重新平衡至CO2为主、CH4为主或H2O为主的流体。
3) 岩浆期后成因烃。CO2或CO与H2在催化剂作用下发生费托反应可生成低碳烷烃，催化剂包括第Ⅷ族金属(尤其是Fe)或其氧化物，Fe-硅酸盐和含水硅酸盐等[15]，反应方程式如下：
nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+nH2O
nCO2+(3n+1)H2→CnH2n+2+2nH2O
岩浆活动阶段伴随大量的幔源CO2释放，为反应提供了充足的CO2流体。岩浆期后阶段，矿物蚀变过程可产生一定量的氢气和钛铁氧化物[10]，如超基性岩中橄榄石转为蛇纹石和磁铁矿，碱性岩中霞石、普通辉石、钠铁闪石和钛磁铁矿等矿物集合体蚀变生成云母、磁铁矿、霓石和钠沸石。由于费托反应已在许多超基性岩体与过碱性岩体中得到证实，因此被认为是最具广泛性的无机成因烃生成方式[10]，具有重大的研究意义。
2 火山作用与油气圈闭的形成
火山作用对油气圈闭形成的影响可分为两类：①火山岩或侵入岩直接作为储集层，形成构造或岩性圈闭；②火成岩与沉积岩相互配置，形成侧向遮挡型、披盖背斜型和局部盖层型等圈闭。
2.1 火山岩或侵入岩直接形成油气圈闭
岩浆喷出地表后，随着温度压力下降，挥发份释放与矿物晶体溶解、破碎过程形成了火山岩储层的气孔、石泡空腔孔、杏仁孔等原生孔隙，火山角砾岩、凝灰岩在堆积过程中形成砾间孔[16]。这些火山岩原生孔隙受压实作用影响较小，基本不会随埋深而变化[17]，因此，在盆地深层的火山岩储集物性明显好于沉积岩，成为重要储层之一。埋于地下的火山岩或侵入岩受热液、淋滤等作用形成基质溶蚀孔、砾间溶蚀孔等次生孔隙，进一步提高火山岩的孔渗条件。后期构造作用常使火山岩形成构造裂缝，从而形成火山岩储层独特的裂缝孔隙结构。
国内外发现了众多火山岩或侵入岩直接作为储层的油气藏，如：日本新溻盆地新近纪火山岩油气藏[18]，我国松辽盆地庆深气田中酸性火山岩气藏[17]，下辽河盆地侵入岩储层[19]等。勘探表明，火山岩储层的岩性、岩相非常复杂，从基性玄武岩到酸性流纹岩均有发现，其中玄武岩储层所占比例最大[4]，岩相以爆发相为主，往往是岩相越复杂越有利于形成储层。爆发相堆积而成的火山锥，形成局部的构造高点，被其他孔渗稍差的岩石覆盖后即可形成背斜型圈闭。非均质性较强的不同岩性、岩相火山岩相互叠置便可构成岩性或岩相油气圈闭。
2.2 与火山岩或火山作用有关的油气圈闭
火山作用除产生大量火山岩外，还伴随浅成侵入岩，形成众多侵入体，如岩株、岩墙、岩盖、岩床等。侵入体与沉积岩相互作用，有的造成沉积地层的局部隆起，形成隆起背斜型圈闭，有的使地层发生倾斜，形成侧向遮挡型或岩性圈闭(见图1)。我国辽河盆地欧利坨子欧36井即为典型的岩墙侧向封闭型油气藏[19]。
3 火山作用与油气运移
油气一般是依靠断层或不整合面作垂向/侧向运移的。岩浆侵入到沉积地层时，热液、气液物质在一定程度上改变了沉积岩原有的性质，使围岩产生大量裂缝；侵入体的冷却收缩与交代作用和后期岩浆热液活动使其产生了大量裂缝和孔洞；长期暴露地表的火山熔岩形成孔渗较好的风化壳。这些都可以成为后期油气运移的良好通道。
侵入体侵入沉积岩时，温度、压力降低，一定程度上破坏了围岩的压力系统，导致围岩压力高于侵入体，在巨大的压力差作用下，烃源岩内的烃便可向外排出，从而完成油气的一次运移，之后油气沿着断裂或火山通道运移至储层内[18]。火山活动带来的CH4和H2等气体，可导致油气密度和黏度下降，促进油气的排出和运移，CO2流体可以溶解适量的低碳烷烃，成为运移载体，火山活动的高温、高压作用可使地下水失去氢而达到超临界状态[21]，从而更易溶解烃类物质，当流体运移至远离火山区或火山作用结束时，烃便从流体内分离出来形成油气藏。
4 火山作用与油气的保存
以往观点认为，火山作用对油气主要起破坏作用。油气藏形成之后的火山活动会破坏油气的保存，切穿油气藏的火山通道或伴生断裂破坏油气圈闭的完整性，导致油气泄漏。火山喷发形成的高温物质使烃类发生变质并对附近油气藏起破坏作用。然而如果火山活动早于油气运移，情况则完全不同：①大面积孔渗较好的火山岩可以形成良好的油气圈闭，成为油气的主要储集层；②火山活动伴随的断裂和切穿沉积岩的侵入体，形成油气运移的隔挡层，阻止油气侧向或垂向运移，形成侧向遮挡型油气藏；③颗粒微小的火山灰遇水发生膨胀，形成孔渗条件较差的沉火山凝灰岩[22]，成为良好的盖层，厚层的玄武岩层在泥岩封闭性较差地域也可以作为沉积储层的局部盖层。
5 结论
1) 火山作用对油气的生成、运移、存储、封盖均具有有利的贡献。不同时代，不同岩性、岩相的火山岩均具有成藏潜力。
2) 火山岩油气藏是寻找油气资源的新领域、新方向。在特定的盆地地质环境中，火山作用、构造作用、沉积作用、成烃作用的有机结合对寻找火山岩油气藏至关重要。
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(本文作者：刘嘉麒 孟凡超 中国科学院地质与地球物理研究所)
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