超壓是指孔隙流體壓力超過靜水壓力的現象。一般認為,當孔隙流體壓力接近或略超過靜岩壓力時,岩石即發生破裂,從而引起超壓流體的釋放,是油氣運移和成礦流體遷移的重要機制。然而,流體超壓幅度與古應力狀態及構造環境密切相關,並不能簡單用靜岩壓力加以限制。理論上來講,孔隙流體壓力可以不斷累積並顯著超過靜岩壓力,但是异常高壓流體和構造環境之間的關係尚不明晰,主要在於缺少典型异常高壓流體活動的地質記錄。
王小林教授團隊以四川盆地東部志留系龍馬溪組黑色葉岩裂隙方解石和石英脈中的流體包裹體為研究對象,綜合地質—地球化學研究手段,包括包裹體岩相學觀察、顯微測溫、拉曼光譜定量分析、熱力學計算等科技,對含甲烷包裹體的捕獲溫度、壓力進行了準確厘定。研究發現,包裹體記錄了异常高壓含甲烷古流體的作用過程,甚至在室溫條件下即可觀察到甲烷水合物。包裹體异常高的內壓對傳統顯微測溫和壓力計算提出了巨大挑戰。本研究將熱液金剛石壓腔科技引入到油氣包裹體研究領域,通過對包裹體樣品施加外壓,保證了流體體系的等容性,進而獲得有效均一溫度(圖1);應用拉曼光譜定量分析科技獲取包裹體組成,基於CH4-CO2體系狀態方程確定與鹽水包裹體共生的純氣相包裹體捕獲壓力,以克服由於氣-液兩相包裹體均一壓力超過現有NaCl-H2O-CH4體系狀態方程壓力範圍而無法獲得有效均一壓力的難題。結果顯示,上述含甲烷古流體的作用壓力可達2310 bar,與埋藏史曲線對比後發現,已顯著超過靜岩壓力。石油地質學經典理論認為,乾酪根熱解和原油裂解產生甲烷等氣體導致孔隙流體體系顯著增大,是形成超壓的重要原因,然而相關證據主要來自數值模擬。顯然,本研究為生烴作用產生异常高壓流體提供了直接地質證據。
圖1.包裹體(FI)在傳統熱臺(a-b)和熱液金剛石壓腔(c-g)中測溫結果的對比
四川盆地東部在早-晚白堊世之交處於構造平靜期,弱擠壓構造環境是超壓流體得以不斷積聚和保存的關鍵因素,也說明葉岩氣在這一時期的保存條件較好。值得注意的是,同樣處於四川盆地東部的焦石壩(JSB)地區的流體壓力卻遠小於東溪(DX)和新店子(XDZ)背斜,這主要是因為其處於不同的構造位置(圖2)。白堊紀時期,構造變形從東向西傳播到盆地內部,形成以齊嶽山為界的西部隔檔式構造和東部隔槽式構造。圖2表明焦石壩地區位於深部前寒武紀滑脫層控制的東部隔槽式構造前端,而東溪和新店子地區則位於盆地內部淺部滑脫層控制的隔檔式構造。前寒武紀片岩和千枚岩的强度明顯高於寒武紀蒸發岩,加之構造動力來源於東部,導致構造應力在初始變形階段更容易集中於焦石壩地區,而盆地內部的東溪和新店子地區所受的構造應力則非常低,從而為超壓流體的保存提供了保障。囙此,本研究建立了微米尺度流體包裹體記錄和盆地尺度構造演化的關係,能够為古構造應力的約束提供一定的啟示,是今後重要的研究方向。
圖2.四川盆地東部地貌特徵和地下構造解釋
上述工作是實驗地球化學、石油地質學和構造地質學等學科方向交叉合作的結果。部分成果於2022年4月11日以“Fluid inclusion evidence for extreme overpressure induced by gas generation in sedimentary basins”為題線上發表於地質學領域頂級雜誌《Geology》上。我院王小林教授為第一兼通訊作者,共同作者包括胡文瑄教授、丘靨(2020級博士生)、劉一鋒副教授(浙江大學)、賈東教授、曹劍教授、劉顯(2018級碩士生)等,地理與海洋科學學院李一泉副教授為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金委重點專案、面上項目和南京大學關鍵地球物質迴圈前沿科學中心青年教師獨立團隊項目的資助。
附論文資訊:Wang Xiaolin*,Hu Wenxuan,Qiu Ye,Liu Yifeng,Jia Dong,Cao Jian,Liu Xian,Li Yiquan*(2022)Fluid inclusion evidence for extreme overpressure induced by gas generation in sedimentary basins.Geology,https://doi.org/10.1130/G49848.1