沉積盆地深層—超深層成巖動(dòng)力學(xué)：若干研究進(jìn)展與專屬問題

李忠

1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

0 引言

沉積成巖動(dòng)力學(xué)，即有關(guān)盆地沉積物埋藏成巖（或流體—巖石作用）過程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制的分支學(xué)科，是盆地動(dòng)力學(xué)的重要內(nèi)容[1]，至今方興未艾。另一方面，化石能源及諸多礦產(chǎn)資源的形成分布與成巖過程密切相關(guān)，尤以油氣資源最為典型，相關(guān)研究吸引了大量成巖學(xué)家（diageneticist）的關(guān)注和投入，這不僅開拓了成巖作用研究的新領(lǐng)域，并由此促使分別始于20 世紀(jì)70 年代中期的“現(xiàn)代成巖作用”和20 世紀(jì)90年代的“流體—成巖動(dòng)力學(xué)”研究的興起[2-3]。

近二十年來，盆地深層—超深層愈來愈多的發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)出了極好的油氣及相關(guān)資源勘探潛力[4-8]，并已成為中國油氣勘探開發(fā)的重要戰(zhàn)場[9-12]。然而，深層—超深層涉及大量成巖動(dòng)力學(xué)未知領(lǐng)域，理論認(rèn)識(shí)滯后，勘探風(fēng)險(xiǎn)加劇。換言之，與成巖相關(guān)的成烴—成儲(chǔ)—成藏等油氣形成分布的理論認(rèn)識(shí)問題已經(jīng)成為進(jìn)一步深層勘探的瓶頸[13]。為此，近年來相關(guān)研究持續(xù)投入，進(jìn)展顯著，但任重道遠(yuǎn)。在《沉積學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊40 周年之際，就（油氣）盆地深層—超深層沉積成巖作用研究作一分析和評(píng)述，探討研究對策及發(fā)展趨向，這無疑具有學(xué)術(shù)和應(yīng)用意義。應(yīng)該指出，在深層—超深層沉積成巖領(lǐng)域，近年來的研究工作是多方面的，以下主要結(jié)合作者及合作者的工作，針對具有深層—超深層（具體界定參見文獻(xiàn)[13]和表1）特色的、與動(dòng)力學(xué)研究和認(rèn)識(shí)密切相關(guān)的領(lǐng)域進(jìn)行梳理，并對前沿問題即深層—超深層專屬性問題提出我們的思考。

表1 深層—超深層盆地疊合樣式與構(gòu)造—熱演化效應(yīng)Table 1 Superimposed styles and tectonic-thermal evolution effects of deeply to ultra-deeply buried basins

1 深層—超深層油氣盆地類型及源—儲(chǔ)巖石特征認(rèn)識(shí)進(jìn)展

1.1 盆地類型及產(chǎn)出特征

統(tǒng)計(jì)表明（圖1），全球最具油氣勘探潛力的盆地，其對應(yīng)充填厚度一般較大，主要為被動(dòng)陸緣、前陸/撓曲、內(nèi)克拉通（疊合）盆地，這也是目前認(rèn)知深層—超深層油氣產(chǎn)出的主要盆地類型，而其他諸如裂谷/裂陷、走滑等盆地也有少量深層—超深層油氣產(chǎn)出。

圖1 全球各類盆地最大沉積厚度分布（灰圓圈）及其與我國主要盆地（紅五星）的對比最大沉積厚度分布據(jù)[14]；注意我國主要油氣盆地因其疊合屬性相關(guān)歸類僅供參考Fig.1 Distribution of maximum depositional thickness in various basin types (gray circle) and its comparison with major basins in China (red star)

總體上看，深層—超深層盆地類型和油氣產(chǎn)層時(shí)代具有如下特征：（1）新元古界等古老層系的深層—超深層儲(chǔ)層，主要產(chǎn)出于克拉通（疊合）盆地，極少見于前陸盆地、裂谷/裂陷盆地、走滑盆地、被動(dòng)陸緣盆地；（2）古生界深層—超深層儲(chǔ)層，主要產(chǎn)出于克拉通（疊合）盆地及前陸盆地，極少見于裂谷/裂陷盆地、走滑盆地、被動(dòng)陸緣盆地；（3）中—新生代的深層—超深層儲(chǔ)層，主要產(chǎn)出于前陸沖斷帶、被動(dòng)陸緣，以及裂谷/裂陷和走滑盆地；極少見于克拉通（疊合）盆地[15]。這說明，深層—超深層油氣與盆地世代和類型有關(guān)，究其本質(zhì)就是有機(jī)—無機(jī)物對一定盆地溫度—壓力/應(yīng)力—流體—時(shí)間演變耦合作用的成巖響應(yīng)。

與全球不同類型盆地統(tǒng)計(jì)對比（圖1），我國相關(guān)盆地充填厚度總體偏大。究其原因，可能與地域構(gòu)造特色有關(guān)，即多期疊合埋藏特征顯著，盆地存在明顯歸類問題，如塔里木盆地并非單一的內(nèi)克拉通盆地。但也正是上述疊合及其相關(guān)延遲成烴—多期成儲(chǔ)—多期/晚期成藏特點(diǎn)，造就了我國部分盆地的深層—超深層存在巨大油氣勘探潛力。

1.2 油氣源—儲(chǔ)巖石組構(gòu)特征

碳酸鹽巖、碎屑巖/砂巖、泥質(zhì)巖是油氣源—儲(chǔ)巖石的主要端元類型（組成和物性演變分類），其總體組成分別對應(yīng)物理（性質(zhì)）穩(wěn)定—化學(xué)（性質(zhì)）不穩(wěn)定、物理穩(wěn)定—化學(xué)穩(wěn)定、物理不穩(wěn)定—化學(xué)不穩(wěn)定特征，但實(shí)際組構(gòu)或成因類型要復(fù)雜得多，并制約成巖物性演變。

對全球儲(chǔ)集空間類型的半定量統(tǒng)計(jì)表明，碳酸鹽巖孔、洞、縫等多介質(zhì)儲(chǔ)集結(jié)構(gòu)類型發(fā)育，而碎屑巖（砂巖為主）相對單一（圖2）。相比較中淺層，深層—超深層儲(chǔ)集空間結(jié)構(gòu)類型存在特殊性。總體上，隨深度增大，大孔、洞明顯衰減，而與裂縫（含擴(kuò)溶）有關(guān)的儲(chǔ)集結(jié)構(gòu)類型增多，尤以巖溶型碳酸鹽巖最為典型（圖2a）。非巖溶型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集結(jié)構(gòu)類型相對單一，其深埋演化與砂巖類似，只是在成因上次生溶蝕孔、裂縫及擴(kuò)溶孔隙占比可能相對略高（圖2b），其壓溶—蠕變相關(guān)的成巖產(chǎn)物豐度較高。

圖2 巖溶型碳酸鹽巖（a）、砂巖（b）與泥質(zhì)巖（c）孔隙類型和豐度的深埋演變示意圖以低地溫盆地為例；礫間粗孔與細(xì)孔（a）的孔徑分界線定為6 cm[16]Fig.2 Schematic diagrams showing deeply buried evolution of pore types and abundance in (a) karst carbonate;(b) sandstone;and (c) mudstone rocks

雖然大多數(shù)深層—超深層碎屑巖始終以粒間孔為主，但與裂縫（含擴(kuò)溶）有關(guān)的儲(chǔ)集結(jié)構(gòu)類型顯然不容小覷（圖2b），尤其在超深層，這類儲(chǔ)集結(jié)構(gòu)類型對巖石滲透性的作用至關(guān)重要。需要說明的是，圖2給出的孔隙相對豐度是一個(gè)半定量的、綜合性的巖石大類評(píng)估，不針對特定地區(qū)的儲(chǔ)層巖石類型（亞類或種類）。

對于不同時(shí)代的盆地而言，深層—超深層儲(chǔ)層產(chǎn)出的巖石和儲(chǔ)集空間基本類型具有如下特征：（1）新元古代等古老層系的深層—超深層儲(chǔ)層，以碳酸鹽巖為主，孔、洞、縫多介質(zhì)儲(chǔ)集類型組合發(fā)育，極少見碎屑巖類型；（2）古生代的深層—超深層儲(chǔ)層，碳酸鹽巖、碎屑巖（砂巖為主）兼有，前者多介質(zhì)儲(chǔ)集類型組合發(fā)育；但碎屑巖主要產(chǎn)出于克拉通（疊合）盆地及前陸盆地，孔隙型儲(chǔ)集類型發(fā)育；（3）中—新生代（特別是晚中生代—新生代）的深層—超深層儲(chǔ)層，碳酸鹽巖、碎屑巖（砂巖為主）兼有，前者多介質(zhì)儲(chǔ)集類型組合發(fā)育，局部克拉通、伸展盆地中可發(fā)育孔隙型儲(chǔ)集類型；但前陸沖斷帶、裂谷/裂陷以及走滑盆地深層—超深層以碎屑巖儲(chǔ)層居多，縫孔型、孔隙型儲(chǔ)集類型發(fā)育[15]。

另一方面，作為源—儲(chǔ)一體的巖石類型，泥質(zhì)巖/頁巖已經(jīng)愈來愈受到學(xué)界關(guān)注。已有大量巖石學(xué)與巖相學(xué)研究表明，泥質(zhì)巖/頁巖由多種源于盆外和盆內(nèi)的組分構(gòu)成，盆外來源的成分主要包括富含鉀的黏土礦物、碎屑石英、鈉長石、鉀長石、云母和巖屑碎片等，其中砂質(zhì)到泥質(zhì)大小的頁巖碎屑（頁巖巖屑）可以在數(shù)百至數(shù)千千米的推移質(zhì)運(yùn)輸中保存下來。而盆內(nèi)組分主要包括生物硅質(zhì)異化粒（海綿骨針和放射蟲）、凝集有孔蟲、磷酸鈣類球粒、富含黏土的球粒、有機(jī)礦物集合體、內(nèi)殼和其他生物鈣質(zhì)異化粒等。值得一提的是，還有一系列成因復(fù)雜的高含水量懸浮絮體、底質(zhì)凝絮體、撕裂內(nèi)碎屑、成土團(tuán)聚體等。顯然，主要由泥質(zhì)巖/頁巖構(gòu)成的烴源巖具有復(fù)雜的沉積機(jī)理和組構(gòu)類型，不僅如此，愈來愈多的研究指出，烴源巖除了其特色的有機(jī)成巖作用外，也存在與儲(chǔ)集巖類似的諸多無機(jī)成巖作用以及相關(guān)有機(jī)—無機(jī)成巖過程，前者是以往關(guān)注研究的焦點(diǎn)，后者大部分研究主要針對中淺層（多小于3 000 m）頁巖氣或頁巖油開展[17-20]，對深層—超深層則認(rèn)知缺乏。

泥質(zhì)巖/頁巖孔隙類型主要包括與原生礦物基質(zhì)相關(guān)的粒間和粒內(nèi)孔隙、與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的有機(jī)質(zhì)孔隙、橫切基質(zhì)和顆粒的裂縫孔隙，以及成巖改造和/或次生孔縫，其深埋演變顯然不能完全獨(dú)立于碳酸鹽巖和碎屑巖（砂巖為主），但也具有諸多特性：（1）與砂巖相比，更多盆內(nèi)成因組分特別是（微）生物/有機(jī)組分介入成巖作用；與碳酸鹽巖相比，更多盆外成因碎屑組分介入成巖作用，相關(guān)物質(zhì)來源、交換和反應(yīng)機(jī)制特殊；（2）與砂巖相比，原生基質(zhì)孔隙（含有機(jī)孔）、裂縫及擴(kuò)溶孔一般更為發(fā)育，但因巖石中黏土礦物組分總體偏高，抗壓實(shí)性能弱，因而原生粒間孔隨深埋更快速地減少（圖2c）；（3）由于源—儲(chǔ)一體，相關(guān)尺度的有機(jī)—無機(jī)成巖作用類型豐富，層內(nèi)溶蝕和膠結(jié)作用較強(qiáng)，穿層流體—巖石作用相對偏弱。此外，深層—超深層條件即多源—多相態(tài)流體介入、高溫高壓對有機(jī)質(zhì)演變和生烴的影響是不可忽視的，加之體系組分和邊界條件的特殊性[21-22]，相關(guān)有機(jī)—無機(jī)成巖機(jī)制和效應(yīng)研究遠(yuǎn)未認(rèn)識(shí)。

2 深層—超深層流體活動(dòng)屬性和效應(yīng)認(rèn)識(shí)

深層—超深層流體（含烴流體）屬性？是否存在有效的流體活動(dòng)？深層—超深層是否存在顯著的成巖和物性建設(shè)性改造？這是成巖動(dòng)力學(xué)研究的基本問題。

2.1 流體活動(dòng)屬性

盆地深埋演化中溫壓增大會(huì)導(dǎo)致地層骨架壓縮，滲透率顯著降低，從而影響地質(zhì)介質(zhì)的水力特性；另一方面，隨地層埋深增加，溫壓不斷上升，地質(zhì)流體本身的物理屬性將發(fā)生變化。就水而言，在溫度和壓力不斷增大且共同影響的環(huán)境條件下，至少在盆地尺度將始終保持液態(tài)而無相態(tài)變化，但密度和水動(dòng)力黏度顯著減小，因此在深部地層環(huán)境中流體運(yùn)動(dòng)所需克服的黏滯力大大降低（圖3）。

圖3 塔里木盆地中部奧陶系碳酸鹽巖孔隙流體物理性質(zhì)隨埋深的變化（數(shù)據(jù)源自文獻(xiàn)[15]）（a）流體密度；（b）流體動(dòng)力黏滯系數(shù)；（c）滲透率；（d）等效滲透系數(shù)；滲透率快速、慢速衰減公式分別參考文獻(xiàn)[23-24]的經(jīng)驗(yàn)公式Fig.3 Changes of pore fluid properties of Ordovician carbonate rocks with burial depth in the central Tarim Basin (data from reference[15])

結(jié)合流體屬性與介質(zhì)特征分析不同埋藏階段的儲(chǔ)層流體滲流特性（圖3），發(fā)現(xiàn)滲透率快速衰減情況下[23]，等效滲透系數(shù)在淺埋階段急劇降低；埋深進(jìn)一步增大后等效滲透系數(shù)緩慢增加，但由于地層介質(zhì)本身的滲透性很低，因此深層—超深層中地下流體的流動(dòng)性仍弱于淺部地層。而當(dāng)滲透率慢速衰減情況下[24]，深層—超深層流體等效滲透系數(shù)將在相當(dāng)空間范圍內(nèi)出現(xiàn)增大趨勢，即流體滲流由于運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)的減小而增強(qiáng)。

應(yīng)該指出，大部分砂巖等效滲透系數(shù)隨埋深的變化與上述“慢速衰減”模式類似[15]，因此其深層—超深層也不乏較強(qiáng)的流體活動(dòng)性。

2.2 流體化學(xué)類型及其活動(dòng)效應(yīng)

盆地流體類型可以按照來源、活動(dòng)方式、化學(xué)組分以及溫壓/埋深環(huán)境進(jìn)行分類[13]。就化學(xué)組分而言，深層—超深層酸性流體的產(chǎn)率問題一直是油氣盆地關(guān)注的熱點(diǎn)，因?yàn)樗侵萍s成巖流體環(huán)境并導(dǎo)致原生孔隙（洞）深埋保持和次生孔隙生成的關(guān)鍵。

烴源巖中干酪根被認(rèn)為是儲(chǔ)層油田水中有機(jī)酸的主要母源，干酪根受熱脫羧基是有機(jī)酸形成的主要方式。依據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段[15]，新的研究考慮了三類生烴有機(jī)質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)差異，構(gòu)建了分類有機(jī)酸生成模型（圖4a，b）。I 型和II 型有機(jī)質(zhì)生成有機(jī)酸高峰在生油窗晚期、凝析氣—濕氣生成階段之前；III型有機(jī)質(zhì)生成有機(jī)酸時(shí)間略早，遠(yuǎn)早于生氣高峰。相對于Surdamet al.[25]和Mazzullo[26]提出的概念模型，這一研究實(shí)測數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。

圖4 烴源巖和儲(chǔ)層內(nèi)有機(jī)酸及無機(jī)酸生成的綜合模式（據(jù)文獻(xiàn)[15]修改）（a）烴類演化定量模式；（b）烴源層有機(jī)酸演化的定量模式；（c）碎屑巖儲(chǔ)層中有機(jī)酸及無機(jī)酸的生成演化序列；（d）碳酸鹽巖儲(chǔ)層中有機(jī)酸及無機(jī)酸的生成演化序列Fig.4 Integrated models of organic and inorganic acid generation in source rocks and reservoirs (modified from reference [15])

除了干酪根脫羧機(jī)制，有模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在高溫條件下烴類與砂巖中含鐵氧化物的反應(yīng)能將烴類氧化成小分子有機(jī)酸[27]；熱化學(xué)硫酸鹽還原反應(yīng)（TSR）改造原油和天然氣，也可產(chǎn)生大量的H2S 和CO2。此外，深層儲(chǔ)層內(nèi)還存在水解歧化反應(yīng)，該反應(yīng)利用水作為電子接受體，在高溫環(huán)境下緩慢氧化烴類產(chǎn)生有機(jī)酸，使得深層有機(jī)酸產(chǎn)量可以維持一定水平[28-29]。

研究指出，碳酸鹽巖和碎屑巖的組構(gòu)特征差異顯著，其烴水巖反應(yīng)生成有機(jī)酸存在不同序列（圖4c，d）。當(dāng)儲(chǔ)層抬升暴露地表時(shí)，喜氧細(xì)菌是控制有機(jī)酸生成的主要因素，此時(shí)烴類被大量降解成有機(jī)酸。隨儲(chǔ)層埋深增加，厭氧細(xì)菌開始發(fā)揮作用，但整體而言厭氧細(xì)菌對烴類的改造效果較弱。這兩種方式在碳酸鹽巖和碎屑巖儲(chǔ)層理應(yīng)沒有大的差異。在深層各類烴水巖反應(yīng)包括礦物氧化、TSR和水解歧化作用主導(dǎo)了有機(jī)酸的生成。顯然，充注原油和巖石礦物的氧化還原反應(yīng)主要發(fā)生在氧化性礦物豐富的砂巖中，熱化學(xué)硫酸鹽還原反應(yīng)主要發(fā)生在靠近膏巖層位的碳酸鹽巖中。而水解歧化反應(yīng)從模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，反應(yīng)速率受制于圍巖中含鐵礦物的組成和含量，其產(chǎn)生的有機(jī)酸及無機(jī)酸在砂巖中相對較高。

另一方面，對于碳酸鹽巖而言，流體—巖石作用對溫壓環(huán)境及封閉性條件極其敏感，因此深層—超深層流體活動(dòng)效應(yīng)與中淺層明顯不同。與壓力相比，溫度對化學(xué)反應(yīng)的影響更加顯著（圖5a）。此外，溫度還直接影響碳酸鹽巖礦物或氣體等組分在地質(zhì)流體中的溶解度，并驅(qū)動(dòng)礦物溶蝕或沉淀直至新的平衡狀態(tài)。

圖5 （a）方解石溶解/沉淀反應(yīng)平衡常數(shù)（K）隨溫度、壓力的變化關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)[30]修改）；（b）塔里木盆地鷹山組碳酸鹽巖孔隙流體在不同pH 條件下Ca2+平衡濃度與埋深的關(guān)系（數(shù)據(jù)源自文獻(xiàn)[15]）Fig.5 (a) Relationship between the equilibrium constant (K) of calcite dissolution/precipitation reaction with temperature and pressure (modified from reference [30]);(b) relationship between pore fluid Ca2+ equilibrium concentration and burial depth of the Yingshan Formation carbonate rocks,Tarim Basin,for different pH conditions (data from reference [15])

對于淺部來源的大氣降水、沉積流體，在流體向下運(yùn)移過程中，升高的溫度使得Ca2+平衡濃度降低，從而導(dǎo)致碳酸鈣沉淀析出；但當(dāng)該流體遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)時(shí)，即使溫度升高，流體仍具備對碳酸鈣的溶蝕能力，此時(shí)外來流體的注入會(huì)導(dǎo)致孔隙度的增加。而深部來源的流體溫度較地層相對較高，即使該流體為碳酸鈣飽和狀態(tài)，在流體上移過程中仍具備一定的侵蝕性。以大氣水對塔里木盆地鷹山組碳酸鹽巖影響為例（圖5b），鈣離子平衡濃度在1 000 m 內(nèi)呈指數(shù)衰減，而從1 000 m 至6 000 m 范圍內(nèi)的減小程度有限；一般在埋深不超過400 m 時(shí)，不同pH 條件鈣離子的平衡濃度差異較大，但隨著埋深增大，不同pH 的鈣離子平衡濃度差異較小。換句話說，大氣水巖溶的有效、規(guī)模發(fā)育深度（距地表或不整合面）一般不超過400 m，深層發(fā)育大氣水巖溶作用的可能性極小；但深層—超深層對淺層巖溶的保存則取決于前述深埋過程中的平衡狀態(tài)和反應(yīng)速率，特別是外源流體的介入將使得這一過程復(fù)雜化，而這又恰恰是深層—超深層疊合盆地普遍發(fā)育的特征過程。

3 深層—超深層成巖動(dòng)力體制認(rèn)識(shí)

流體活動(dòng)是盆地沉積成巖及其非均質(zhì)演變的核心動(dòng)力，而其動(dòng)力體制的驅(qū)動(dòng)要素包括熱場、應(yīng)力場（含重力場）、化學(xué)場[13]，與盆地類型及其演化階段密切相關(guān)。

3.1 盆地（構(gòu)造）應(yīng)力—熱體制

（構(gòu)造）應(yīng)力—熱體制是決定盆地尺度深層—超深層成巖效應(yīng)的基礎(chǔ)，前人對單旋回（單型）盆地的應(yīng)力—熱體制已有較多論述[31-32]。研究認(rèn)為，深層—超深層油氣藏發(fā)育的單旋回盆地主要為被動(dòng)陸緣、前陸/撓曲成因，且基本為中新生代盆地[15]；單旋回的克拉通盆地沉積一般不可能形成深層—超深層埋藏，但古老的克拉通往往呈現(xiàn)多期、多類型疊加復(fù)合的特點(diǎn)。

對于多數(shù)前中生代古老的深層—超深層油氣藏而言，其盆地成因類型及應(yīng)力—熱體制實(shí)際上很難簡單界定，因此一些諸如復(fù)合、疊合等含有復(fù)雜成因含義的術(shù)語被用來描述這類盆地，但這種描述對于深層—超深層成巖—成藏動(dòng)力體制而言顯然是籠統(tǒng)的。有鑒于此，主要針對盆地中下構(gòu)造層，依據(jù)盆地深埋路徑和熱流、構(gòu)造應(yīng)變過程、時(shí)間等變量的歸納分析，可將主要疊合盆地的深層構(gòu)造—熱演化環(huán)境劃分為穩(wěn)定、低、中、高熱流深埋等四種基本類型（表1）。一般而言（尤其砂巖），低熱流深埋型盆地最有利于深層—超深層油氣儲(chǔ)層規(guī)模發(fā)育，中熱流深埋型盆地次之，高熱流深埋型盆地罕見（圖6）。

圖6 不同地溫與世代背景下砂巖儲(chǔ)層孔隙度深埋演化路徑分異樣品選擇構(gòu)造應(yīng)變較弱的、不發(fā)育早期基底式膠結(jié)的中細(xì)粒長石石英砂巖或巖屑石英砂巖；孔隙度數(shù)據(jù)引自作者未刊和前人[15]資料；地溫梯度取晚中生代以來平均最高值；注意地溫梯度近似背景下孔隙度深埋演化分異與盆地世代的可能關(guān)系（時(shí)間效應(yīng)）Fig.6 Variation of deep burial evolution path of sandstone reservoir porosity for different geothermal and time frameworks

埋藏中晚期構(gòu)造—熱活動(dòng)趨于活躍，這是我國三個(gè)主要克拉通單元（塔里木、揚(yáng)子、華北）及相關(guān)克拉通疊合盆地的深層—超深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層構(gòu)造演化的共性，但其活動(dòng)屬性、構(gòu)造—流體作用過程又各具特色。這類盆地中晚期構(gòu)造—熱活動(dòng)雖有趨于活躍的因素，但大多以轉(zhuǎn)換構(gòu)造呈現(xiàn)（尤其盆地中部），應(yīng)變表現(xiàn)不明顯，加之資料分辨率等問題，制約了對深層—超深層構(gòu)造疊加效應(yīng)、主控過程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)；此外，與深層—超深層溫壓環(huán)境有關(guān)，如異常流體壓力導(dǎo)致巖石應(yīng)變強(qiáng)度的銳減[33]將顯著影響巖石破裂和構(gòu)造變形樣式，而這方面的解析實(shí)例和認(rèn)知也非常有限。

大量研究顯示，深層—超深層規(guī)模油氣藏既有層控成因特征，也與埋藏中晚期構(gòu)造活動(dòng)趨于活躍、斷裂改造/構(gòu)造成巖發(fā)育密切相關(guān)。事實(shí)上，無論是盆地尺度還是局域尺度，構(gòu)造應(yīng)變與巖石非均質(zhì)性的成因關(guān)系均普遍存在[34-38]。因此，構(gòu)造應(yīng)變與流體—巖石作用相互關(guān)系認(rèn)識(shí)的缺乏，將難于完整揭示盆地流體—巖石作用的時(shí)空結(jié)構(gòu)[39]。

3.2 盆地差異成巖效應(yīng)

有機(jī)—無機(jī)成巖作用可以簡單地劃分為封閉、開放兩類端元體系，盡管自然界半封閉—半開放體系比比皆是。基于地質(zhì)解析和地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)—數(shù)值模擬，以往對封閉或相對封閉體系的有機(jī)—無機(jī)成巖—成儲(chǔ)模型的認(rèn)識(shí)相對成熟，但大多是針對中淺層的；而對于開放或相對開放體系，其復(fù)雜性和認(rèn)識(shí)難度顯而易見，雖然也有諸多研究[40-42]，但總體上多數(shù)模型在系統(tǒng)性和實(shí)證性等方面仍有待完善，其爭議或論證焦點(diǎn)表現(xiàn)如下。

（1）盆地深層—超深層是否存在大規(guī)模流體活動(dòng)和作用效應(yīng)？坦率地說，目前多數(shù)的認(rèn)識(shí)是否定的[43-44]，即多數(shù)研究認(rèn)為深層—超深層規(guī)模儲(chǔ)層發(fā)育主要緣于“保持機(jī)制”，而非“次生改造”，其最主要的推論依據(jù)就是對深層存在大規(guī)模流體源、充足有機(jī)酸及其輸運(yùn)效應(yīng)的質(zhì)疑。

（2）深層—超深層如果存在大規(guī)模流體活動(dòng)，其活動(dòng)方式和流體—巖石作用機(jī)制是什么？顯然，也有相當(dāng)數(shù)量的研究成果提出了深層—超深層存在重要流體活動(dòng)和有機(jī)—無機(jī)作用效應(yīng)的證據(jù)[25,34,45-47]，其中斷裂構(gòu)造活動(dòng)、異常高壓囊（振蕩性）開啟等被認(rèn)為是重要驅(qū)動(dòng)力，但對其盆地動(dòng)力學(xué)屬性、演變類型、構(gòu)造—流體輸導(dǎo)作用的規(guī)模及相關(guān)質(zhì)量平衡考量，目前仍然缺乏有效評(píng)估。

盡管爭議尚存，但基于前人及作者的研究，有兩點(diǎn)基本事實(shí)理應(yīng)給予重視：其一，盆地深層儲(chǔ)層內(nèi)有機(jī)酸含量可以維持一定水平；其二，深層—超深層高溫高壓條件下流體的動(dòng)力黏度將發(fā)生顯著變化，不僅如此，深層可能發(fā)育超臨界流體，其活動(dòng)性和溶解度的顯著增大已經(jīng)得到部分實(shí)驗(yàn)?zāi)M證實(shí)[48-49]。因此，針對實(shí)際地質(zhì)記錄重新解析和考量深層—超深層流體活動(dòng)規(guī)模是必要的。

4 深層—超深層高分辨成巖記錄表征和判識(shí)技術(shù)進(jìn)展

與中淺層相比，深層—超深層成巖研究面臨諸多技術(shù)瓶頸，如多期次疊加改造、多介質(zhì)孔洞縫或孔縫強(qiáng)非均質(zhì)體系發(fā)育、連續(xù)巖心極少、大樣品難以獲取、直接探測難以實(shí)施、常規(guī)處理效果失真等。因此，技術(shù)進(jìn)步是推動(dòng)深層—超深層成巖研究的必由路徑。

4.1 高分辨成巖記錄表征

針對深層—超深層多期次疊加成巖改造、樣品稀缺等問題，一系列無損、原位、高分辨成巖記錄檢測技術(shù)已經(jīng)得到開發(fā)應(yīng)用。

在常規(guī)光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測基礎(chǔ)上，多光譜連用技術(shù)和（整合式）光電關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高分辨成巖記錄表征。例如，將X 射線能量色散光譜與陰極射線發(fā)光成像對比檢測硅質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)等成巖礦物組構(gòu)細(xì)節(jié)；激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）和掃描電子顯微鏡（SEM）相結(jié)合，檢測細(xì)粒巖石的納米至毫米級(jí)的微結(jié)構(gòu)；采用微傅里葉變換紅外光譜（micro-FTIR）識(shí)別黏土和極細(xì)粒成巖組構(gòu)[50]；在白光、藍(lán)光、二次電子（SE）和背散射電子（BSE）條件下使用熒光—電鏡關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)（CLEM），改進(jìn)極細(xì)粒基質(zhì)（含有機(jī)質(zhì)）組構(gòu)的高分辨光學(xué)和SEM圖像識(shí)別[51]。

多尺度數(shù)字巖心技術(shù)，特別是3D 微米X 射線顯微鏡（微米CT）、場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）、自動(dòng)礦物分析電鏡、聚焦離子束—掃描電鏡（FIB-SEM）雙束系統(tǒng)、聚焦離子束—氦（氖）離子顯微鏡（FIB-HIM）三束系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了巖石組構(gòu)檢測的無損化，分辨率也實(shí)現(xiàn)了從1 mm到0.5 nm、從二維到三維的跨越，并有助于多尺度成巖組構(gòu)表征。另一方面，發(fā)展基于人工智能的不同分辨率的CT圖像的組分識(shí)別，結(jié)合多尺度數(shù)字巖心組構(gòu)表征[15]，將可能實(shí)現(xiàn)快速、升尺度的成巖非均質(zhì)性建模。

4.2 古成巖環(huán)境原位檢測分析

原位同位素和微量元素示蹤、原位同位素年代學(xué)檢測技術(shù)，大大提高了深層—超深層古流體—成巖環(huán)境分析的精度，并使得成巖事件定量化分析水平顯著提高。如基于雙離子源多接收器二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）的原位硫同位素測試，有助于刻畫混合成因的黃鐵礦的流體環(huán)境和形成機(jī)制；基于SIMS 的原位微區(qū)碳氧同位素檢測，以及基于激光剝蝕等離子質(zhì)譜儀的U-Pb 同位素和微量元素檢測，正在逐步實(shí)現(xiàn)碳酸鹽礦物成巖世代和古流體屬性的快速認(rèn)知；而將原位U-Pb同位素年代學(xué)與團(tuán)簇同位素?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)結(jié)合，還可以定量識(shí)別碳酸鹽礦物重結(jié)晶過程[52]。

此外，激光拉曼光譜為分子振動(dòng)光譜，是物質(zhì)分子成分及結(jié)構(gòu)分析有效的非破壞性分析技術(shù)。顯微共聚焦激光拉曼光譜具有微觀、原位、分辨率高等特點(diǎn)，在油氣盆地成巖記錄中，拉曼光譜分析可以應(yīng)用在原位流體包裹體成分分析、固體有機(jī)質(zhì)熱演化程度、白云石有序度及其成巖溫度、壓力恢復(fù)等研究中[15]。

5 深層—超深層成巖動(dòng)力學(xué)的研究前沿及展望

埋藏—熱演化、構(gòu)造應(yīng)變、介質(zhì)物理化學(xué)屬性是決定盆地充填物演變流體動(dòng)力環(huán)境的基本地質(zhì)要素（圖7）。然而，深層—超深層沉積巖經(jīng)歷了相對高溫高壓環(huán)境的洗禮，其專屬性基礎(chǔ)問題才是相關(guān)成巖動(dòng)力學(xué)值得探究的前沿。

圖7 沉積盆地成巖動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)框架（關(guān)注構(gòu)造—熱體制驅(qū)動(dòng)的多源流體—巖石相互作用）Fig.7 A framework of diagenetic geodynamic systems in sedimentary basins (focussing on structurally and thermally driven multi-source fluid-rock interactions)

1）流體相態(tài)問題

盆地深層存在多種流體來源，有機(jī)—無機(jī)成因疊加，特別是含油氣盆地，在“油氣窗”深度范圍內(nèi)的多組分、多相態(tài)或多介質(zhì)流體問題，一直是學(xué)界熱議的話題。然而，由于其復(fù)雜性和流體復(fù)原技術(shù)的瓶頸，認(rèn)識(shí)的局限性突出，爭議不斷。

目前的實(shí)驗(yàn)研究跡象顯示，盆地深層多相流體化學(xué)親和力增大[53]、界面張力減小，均一相可能發(fā)育，這無疑將抵消或部分抵消物性變差對流體活動(dòng)性的不利影響。換句話說，由于深層油—?dú)狻烊堋ざ冉档停瑢⒖赡芨淖兩顚佑蜌獾倪\(yùn)聚形式[13]。

顯然，流體作用貫穿于成烴—成儲(chǔ)—成藏全過程，盆地深層演化時(shí)期長，不同尺度的流體活動(dòng)樣式復(fù)雜[54]，而我們對深部流體相態(tài)、屬性與作用類型知之甚少，極大地制約了對深層規(guī)模高效儲(chǔ)層改造機(jī)制與形成分布的認(rèn)識(shí)。因此，相關(guān)前沿基礎(chǔ)研究值得重視。

2）巖石物理屬性演變問題

沉積巖在其成巖演變過程中大多是介于固體與液體之間的黏彈體，其巖石物理屬性（彈性、塑性、黏性等），特別是應(yīng)力—應(yīng)變或流變學(xué)行為顯然會(huì)受到溫壓流等環(huán)境因素的影響，并呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性特征或線性—非線性轉(zhuǎn)換。但以往相當(dāng)長的研究中，這種影響在盆地尺度并未獲得重視，或者說在此尺度上的環(huán)境因素效應(yīng)（特別是溫—壓方面）多認(rèn)為是可以忽略不計(jì)的。

然而，相關(guān)領(lǐng)域的一些認(rèn)識(shí)仍然值得關(guān)注。Connollyet al.[55]結(jié)合實(shí)例對溫度相關(guān)的黏彈性壓實(shí)開展了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為大多數(shù)沉積盆地的近地表壓實(shí)狀態(tài)以靜水流體壓力為特征，因此完全由沉積物基質(zhì)流變學(xué)決定。在這種情況下，壓實(shí)最初由黏彈性流變模型很好地描述。隨著深度的增加，沉淀—溶解過程則將導(dǎo)致熱激活的黏性變形的發(fā)育（圖8）；在潘諾尼亞（Pannonian）盆地的研究表明，頁巖和砂巖孔隙度分別低于10%和25%時(shí)，黏性壓實(shí)就可能起主導(dǎo)作用。

圖8 沉積巖孔隙度Φ（a）、有效壓力Pe（b）、局域Deborah 數(shù)De 和水力參數(shù)ω（c）、e 倍黏性長度ι（d）的深度剖面示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[55]修改）pe是負(fù)載壓力與流體壓力之差；De是黏性和黏彈性機(jī)制對壓實(shí)相對影響的測度，當(dāng)De約等于1時(shí)兩個(gè)分量相當(dāng)，而De→0和De→∞分別指示黏性和黏彈性極限；ω＜＜1對應(yīng)正常靜水壓力梯度；ι的有限正值增加了黏性剖面的曲率，ι＞0表示黏性壓實(shí)Fig.8 Depth profiles of sedimentary rock: (a) porosity Φ;(b) effective pressure Pe;(c) the local Deborah number De;and (d) local hydraulic parameter ω and viscous e-fold length ι (modified from reference [55])

在盆地尺度，流體超壓對巖石應(yīng)力—應(yīng)變行為的影響近年來已受到關(guān)注，這得益于Suppeet al.[33]的工作。研究表明，流體超壓可以大大降低巖石脆性破裂強(qiáng)度，并顯著延緩了巖石地層深埋過程中的脆—塑性轉(zhuǎn)變。換言之，從盆地中淺層到深層—超深層，由于溫—壓—流—時(shí)變化，特別是熱激活效應(yīng)、超壓環(huán)境的出現(xiàn)，深層—超深層儲(chǔ)層巖石流變行為與物性演變存在明顯差異。但問題在于，這種熱激活效應(yīng)與巖石非均質(zhì)性、流體活動(dòng)密切相關(guān)，其機(jī)制遠(yuǎn)未認(rèn)識(shí)；而超壓環(huán)境本身成因機(jī)制復(fù)雜，且活動(dòng)多變，其形成分布更是受巖石非均質(zhì)性制約，因此巖石應(yīng)力—應(yīng)變行為與埋藏深度之間并非簡單的對應(yīng)關(guān)系。

3）流體—巖石作用專屬動(dòng)力機(jī)制問題

除化學(xué)體系、封閉性等因素外，由于上述流體相態(tài)、巖石物理屬性的演變，同一流體—巖石體系的成巖行為，從中淺層到深層—超深層存在明顯分異（圖7）。

關(guān)于深層—超深層溫—壓—流態(tài)下的流體—巖石作用行為，即成巖反應(yīng)類型、速率和效應(yīng)等，坦率地說現(xiàn)有的認(rèn)知是比較貧乏的。一些研究跡象顯示，快速膠結(jié)—溶蝕反應(yīng)可能在深層—超深層比較發(fā)育[43,56-57]。但是，也有相反的觀點(diǎn)提出，其基本依據(jù)比較多地提及了深層—超深層致密層發(fā)育，它們對流體活動(dòng)速度和效率具有嚴(yán)重阻礙作用。

模擬研究指出，孔縫結(jié)構(gòu)對流體—巖石作用的影響顯著，大孔—裂縫（微米級(jí)）中溶蝕、膠結(jié)速率較大，小孔—縫反之，因此深層—超深層多數(shù)小孔—縫得以保持的概率較大；另一方面，無外源流體介入系統(tǒng)，裂縫溶質(zhì)濃度高、表面張力小、易沉淀，因此外源含烴熱流體或酸性流體介入，是深層裂縫擴(kuò)溶的必要條件，特別是深層—超深層埋藏期裂隙流體具有更為快速、高效的傳輸效應(yīng)[15]。但目前的模擬總體缺乏前述流體相態(tài)和巖石物理屬性演變的研究基礎(chǔ)，因此有關(guān)流體—巖石作用類型與效應(yīng)問題的認(rèn)識(shí)還很初略，更不必談實(shí)踐應(yīng)用了。

值得提及的是，地質(zhì)時(shí)代或絕對時(shí)間對成巖效應(yīng)的影響。在前述的數(shù)值計(jì)算、模擬以及地質(zhì)推理中，時(shí)間對深層—超深層溫壓流環(huán)境和物性的制約都是一個(gè)繞不過去的問題（參見圖6）。根據(jù)熱蠕變效應(yīng)的普適性，一般而言，低熱流、快速深埋過程有利于深層—超深層沉積巖孔隙的保持和規(guī)模發(fā)育，也有利于有機(jī)巖成熟度的深度下延。但是，目前對古老沉積成巖時(shí)間效應(yīng)的理論認(rèn)識(shí)和實(shí)證還非常有限。

綜上，深層—超深層沉積巖經(jīng)歷了相對高溫高壓環(huán)境的洗禮，其流體、巖石/巖礦的演變行為存在特殊性，這是毋庸置疑的，但細(xì)節(jié)遠(yuǎn)未認(rèn)知。采用新技術(shù)，通過解析典型記錄，探究深層—超深層成巖演變的專屬性機(jī)制，這是現(xiàn)階段乃至未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)盆地動(dòng)力學(xué)研究的重要任務(wù)之一。

6 結(jié)論

（1）沉積成巖作用受控于沉積組構(gòu)、盆地溫度—壓力/應(yīng)力—流體—時(shí)間耦合演變兩方面。溫—壓—流—時(shí)與盆地世代和類型密切關(guān)聯(lián)，深層—超深層新元古界油氣主要產(chǎn)出于克拉通（疊合）盆地，古生界主要產(chǎn)出于克拉通（疊合）盆地及前陸盆地，中—新生界主要產(chǎn)出于前陸、沖斷帶、被動(dòng)陸緣盆地。不同有機(jī)—無機(jī)沉積組構(gòu)對其成巖路徑影響明顯，源—儲(chǔ)一體的頁巖/泥質(zhì)巖不乏較強(qiáng)的層內(nèi)膠結(jié)和溶蝕作用，但對其在深層—超深層的演變認(rèn)識(shí)目前非常有限。

（2）模擬證實(shí)，除了干酪根脫羧機(jī)制，深層各類烴水巖反應(yīng)包括礦物氧化、TSR和水解歧化作用主導(dǎo)了有機(jī)酸的生成。高溫壓環(huán)境流體運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)減小，滲透系數(shù)增大，因此深層—超深層存在大規(guī)模流體活動(dòng)與有效烴類—有機(jī)酸混合充注條件，具備可能的深層專屬性成巖和巖石物性改造/保持機(jī)制。

（3）壓力/應(yīng)力—熱體制是決定盆地尺度深層—超深層構(gòu)造成巖效應(yīng)的基礎(chǔ)，為此可將疊合盆地劃分為穩(wěn)定、低、中、高熱流深埋等四種基本類型；低、中熱流深埋型有利于自然界深層—超深層油氣規(guī)模形成，但其構(gòu)造—流體—巖石作用效應(yīng)因盆地世代和疊合方式而分異顯著，亟待深化。

（4）多光譜連用技術(shù)和（整合式）光電關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高分辨成巖記錄表征；原位同位素和微量元素示蹤、原位同位素年代學(xué)檢測技術(shù)，大大提高了深層—超深層古流體—成巖環(huán)境分析的精度，并有望結(jié)合人工智能實(shí)現(xiàn)完整、連續(xù)的成巖事件定量化分析水平的顯著提高。

（5）由于溫—壓—流—時(shí)變化，特別是熱激活效應(yīng)、超壓環(huán)境的出現(xiàn)，深層—超深層巖石流變行為和物性演變與中淺層存在明顯差異，但并非簡單的對應(yīng)關(guān)系。為此，深層—超深層沉積成巖環(huán)境的流體相態(tài)、巖石物理屬性演變及其控制的流體—巖石作用動(dòng)力機(jī)制等專屬性基礎(chǔ)問題，應(yīng)成為未來盆地成巖動(dòng)力學(xué)研究前沿的重點(diǎn)；而基于地質(zhì)模型認(rèn)識(shí)和基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬研究，將為相關(guān)問題（包括絕對時(shí)間影響）的解決提供可能的重要途徑。

【后記】《沉積學(xué)報(bào)》正式創(chuàng)刊于1983 年，筆者正值大學(xué)二年級(jí)，那時(shí)能及時(shí)閱讀到的原版專業(yè)刊物寥寥無幾，《沉積學(xué)報(bào)》無疑就成為了解書本之外沉積學(xué)研究的重要信息來源之一，因此當(dāng)時(shí)對該刊物的印象不能說深刻（緣于對沉積學(xué)科研究膚淺而朦朧的理解），但也是難忘的。八年之后筆者進(jìn)入《沉積學(xué)報(bào)》首屆和時(shí)任主編葉連俊院士的研究團(tuán)隊(duì)開展博士后研究，并得以進(jìn)一步接近學(xué)報(bào)。《沉積學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊20周年和30周年時(shí)出版的紀(jì)念特刊，筆者都有幸被邀約撰寫了相關(guān)論文[58-60]；如今學(xué)報(bào)已進(jìn)“不惑”之年，而我也近“耳順”，對一路走來的曲折歷程，不免心生諸多感慨而難以詳表！在學(xué)報(bào)創(chuàng)刊40周年之際，謹(jǐn)以拙文祝愿《沉積學(xué)報(bào)》堅(jiān)定初心，助力中國沉積學(xué)發(fā)展更上一層樓，也預(yù)祝其在不遠(yuǎn)的將來成為國際沉積學(xué)界交流的重要媒介和平臺(tái)。

致謝 本文流體活動(dòng)屬性和流體化學(xué)類型的研究分別得到中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所董艷輝副研究員、中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所陳健副研究員和彭平安院士等的鼎力支持，梁裳恣、周圓全、竇文超博士協(xié)助清繪部分圖件，在此一并感謝！