Distribution and Main Controlling Factors of CO2 in Santos Basin, Brazil
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摘要: 桑托斯盆地盐下油气田中发现了大量CO2，给油气勘探开发和生产都带来诸多困难和挑战.利用地层测试、样品分析及文献资料等，明确了CO2成因及来源，统计分析了其区域分布特征，并基于区域重磁和深源地震等资料，剖析了控制CO2分布的地质因素.盆内CO2主要为幔源—岩浆成因，且幔源CO2贡献了至少92%的CO2总量.区域上，CO2自陆向海呈增加趋势，并相对集中在盆地东部隆起带上.地壳减薄和地幔局部隆升是控制CO2宏观分布最重要的背景因素.极端的地壳伸展造成了圣保罗地台下部陆壳强烈拉伸减薄，形成了一个面积约5.1×104 km2的地壳减薄区，造成了富含CO2的地幔物质上拱进入陆壳，宏观上决定了盆内CO2区域分布.此区域之外，出现高含量CO2的可能性大幅降低.岩浆侵入和活动断层都是沟通隆升地幔和浅部储层的重要路径，但以断裂沟通最常见.NW-SE向区域走滑断裂和NE-SW向I-II级正断层对CO2在浅部地层中的分配起控制作用，两组断裂交汇部位或周缘是幔源岩浆或CO2最集中发育区.Abstract: An extraordinarily high amount of CO2found in pre-salt section in Santos basin poses great challenges to the oil and gas exploration and development. In this study, combining regional gravity and magnetic database, deep-seismic lines, well drilling, formation test and samples dataset of the basin, the origin of CO2 was clarified firstly, and its regional distribution patterns were statistically analyzed and their main controlling factors were explored as well. The widely distributed CO2 in pre-salt reservoirs in Santos basin is mainly sourced from mantle, and mantle-derived CO2 contributes at least 92% of the total volume of CO2. Regionally, CO2 abundance gradually increases from continent to ocean, and is relatively concentrated in the eastern uplift of the basin. On its margin usually occurs the current maximum CO2 content values. The extra-high CO2 abundance in Santos basin is the result of the combined action of various geological factors such as crust & mantle transition, regional tectonic evolution, magma events and fault activity. Among them, continental crust thinning and mantle uplifting are the most important background factors, controlling the regional distribution of CO2. The intensive extension of crust caused a strong stretching and thinning of the lower continental crust of Sao Paulo platform, forming a crustal thinning area, around 5.1×104 km2, which caused the CO2-rich mantle material to intrude upward into the continental crust. This uplifted mantle has directly controlled the regional distribution of CO2 in Santos basin. Outside this area, the risk of CO2 is significantly reduced. Magma injection or active faults are both important pathways for CO2 migration and accumulation, with most common cases involving active faults leading CO2 from "uplifted" mantle to shallower reservoirs. The NW-SE strike-slip faults and the NE-SW class I-II normal faults have an obvious control effect on distribution of CO2 in shallower formation: NW-SE strike-slip fault could extend into deep mantle, while the NE-SW normal faults distribute these CO2 in shallower layers. So that their intersection points or periphery areas are the most favorable areas for accumulation of magma and CO2.
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0. 引言
近年来大量CO2在桑托斯盆地盐下油气藏中被发现，降低了油气藏内烃类含量和经济效益，增加了深海勘探风险，也给油藏开发过程中伴生气处理和深海管线腐蚀等带来诸多挑战.勘探已证实，桑托斯盆地盐下CO2比巴西陆上盆地分布范围更广、含量更高，甚至比其北侧毗邻的坎波斯盆地也明显偏高（Gamboa et al., 2019），但盆内CO2分布又极不均匀：不同构造位置圈闭中的CO2含量不同；位置毗邻、地质条件相似的圈闭中CO2含量也不同；甚至同一圈闭不同构造高点内CO2含量也存在明显差异，这为研究CO2成因及来源，分析其不均匀分布的主控因素提出了巨大挑战.
CO2作为含油气盆地内一种常见伴生气，其含量、成因、来源及分布一直是盆地分析和地质勘探研究的重要内容.气体同位素地球化学方法可有效解决CO2成因及来源问题（Sherwood-Lollar et al., 1997；Graham，2002；Gilfillan et al., 2008）.随着盆内同位素测试数据的丰富，人们对CO2成因和起源认识日益清楚（Santos et al., 2012；马安来等，2015；贾怀存等，2020）.关于CO2区域分布预测，国内外有诸多经验认识和成功做法，譬如识别侵入火成岩和深部断层，识别高于30.0 ℃/km地热梯度异常区（Clayton，1995；Thrasher and Fleet, 1995；Dinh，1997），探寻一定温压条件下的特定岩石类型和特定年龄的基底（Imbus et al., 1998）以及识别具特定地壳厚度的构造单元等（Tao et al., 2005）.在桑托斯盆地，Gamboa et al.（2019）对高含量CO2的Jp油田研究后认为CO2的富集与深部幔源物质向浅层地壳侵入有关，并利用重磁资料证实了Jp周缘幔源物质的存在和分布范围.马安来等（2015）则认为Jp油田CO2的富集主要受沟通气源的断裂体系所控制，并指出NE-NNE向深大断裂是CO2主要运移通道.同样是Jp油田，但前人对CO2富集的主控因素有两种不同认识，反映了控制CO2分布地质因素的多样性.除此之外，是否还有其他地质因素尚不清楚（Gamboa et al., 2019, 贾怀存等，2020）.关于盆地深部地壳结构变化，Zalán et al.（2011）通过区域深源地震揭示了莫霍界面深度区域变化和局部地质体异常，并将其归为剥露地幔.Kumar et al.（2012）也认同盆内地壳厚度的区域变化，但将Zalán et al.（2011）认定的剥露地幔归为陆壳-洋壳过渡带.Evain et al.（2015）不仅发现了盆地陆壳、洋壳性质差异，还根据地震速度将盆地划分为7个微区块.由于这些研究绝大多数并非针对CO2，因此，关于岩石圈尺度的壳-幔变化和陆壳-洋壳边界划分等无法与沉积盆地尺度或圈闭尺度地质要素有效匹配，更无法回答不同圈闭CO2差异性富集的实际问题.尽管如此，这些研究都提供了重要的区域基础资料和相关地质认识.综合来看，目前对盆内CO2分布和主控因素研究通常只局限于某单一要素，缺乏对各种不同尺度地质要素的综合研究并厘清它们之间的相关性和从属地位等，最终造成了对盆内CO2区域分布主控因素认识不清楚、不统一，制约了深海油气勘探的科学决策和风险防控.
基于此，本文将结合盆地钻探、地层测试和实验样品分析等，在明确CO2成因及来源基础上，通过对已发现油气藏的解剖和统计，明确盆内CO2的宏观分布特征，充分利用公开的全球重磁数据库，并重点结合巴西当地科研机构和科研人员报道的区域深源地震资料，将区域地质和具体油气藏（或圈闭）结合起来，剖析CO2区域分布主控因素，以增强钻前可预测性，最大程度降低深海油气勘探开发中因CO2造成的风险.
1. 地质背景
桑托斯盆地位于巴西东南沿海，面积35.2× 104 km2，为典型的被动大陆边缘盆地，其形成演化与中-新生代以来冈瓦纳大陆解体和南大西洋开裂有关（Dickson et al., 2003, 2005）.受区域构造演化影响，盆地先后经历了裂陷期、过渡期和漂移期3大构造演化阶段（Norvick and Schaller, 1998；Modica and Brush, 2004），其中受拉张应力形成的NE-SW向正断层在裂陷期活动强烈，过渡期和漂移期明显减弱（Zhao et al., 2019）.
与南大西洋洋中脊扩展有关的斜向走滑剪切应力是桑托斯盆地另一重要区域应力场，洋中脊“Z”字形走滑断裂是盆内又一重要和典型的构造样式（图 1a）.这些走滑断裂始于盆地东侧大洋中脊，不同程度地延伸或尖灭于南美大陆内部，属岩石圈尺度的深大断裂，不仅直接影响着盆地基底而且也影响着基底之上的沉积地层.盆地东北部和南部边界断层南克鲁塞罗走滑断裂带（CSL）和弗洛里亚诺波利斯破裂带（FOFZ）即属此类断层（Evain et al., 2015；Dehler et al., 2016）.除此之外，盆内还至少发育有5~6条类似走滑断裂（或断裂带）（Meisling et al., 2001；Evain et al., 2015）（图 1b）.正是这些断层持续走滑活动才形成了桑托斯盆地宽缓边缘，与大洋对岸的西非窄边缘型盆地形成鲜明对比（Cobbold et al., 2001；Meisling et al., 2001）.
图 1 桑托斯盆地构造单元划分及综合地层柱状简图图a据Sandwell and Smith(2009)编绘; 走滑断裂体系据Cobbold et al.(2001)、Meisling et al.(2001)和Evain et al.(2015)编绘; 地层柱状图据Moreira et al.(2007)编绘Fig. 1. Structural unit division and integrated stratum column of Santos basin受区域拉张和斜向走滑应力场共同控制，桑托斯盆内NE-SW向正断层（图 1b中红色断层为部分代表性I级断层）和NW-SE向走滑断裂（图 1b中浅灰色虚线）相互交切.前者活动时间早，晚期活动强度变弱；后者活动时间长，至今仍在活动，造成盆内正断层被不同程度地错断，呈右阶雁列排列（图 1b），并最终形成了盆地“东西分带、南北分块”的构造格局，二者将盆地分为西部隆起带、中央坳陷带、东部隆起带和东部坳陷带4个构造单元（图 1b）.根据现场勘探习惯，东部隆起带中夹在CSL和CL（Capricornio Lineament）两个走滑断裂中间的区域被称为圣保罗地台，是桑托斯盆地目前油气发现最集中的区域.
2. CO2成因及区域分布
本文对Lb区块61个气样（来自6口井）和Jp区块27个气样（来自4口井）进行δ13CCO2测试分析，其分布范围为-8.64‰~-5.32‰，再结合各样品中CO2含量，利用Dai et al.（1996）建立的CO2分类图版判识其成因，这些CO2落在无机成因区（图 2a）.Santos et al.（2012）测试盆内气样（未标明取样位置），发现δ13CCO2在-7.0‰~-5.0‰之间，并认为这些CO2为幔源无机成因气.随着越来越多区块样品测试结果的报道，盆内CO2的无机幔源-岩浆成因已得到基本确定，并获得广泛认可（Santos et al., 2012；Gamboa et al., 2019）.不仅如此，研究表明随地层中CO2含量增加，地幔信号会变得更强，直接表现为伴生稀有气体He含量升高（Wycherley et al., 1999；Ballentine and Burnard, 2002）.若定义R为油气田气相中3He/4He比值，而Ra为大气的3He/4He比值，那么R/Ra与幔源CO2含量所占比例呈函数关系（图 2b）（Santos et al., 2012）.将本研究实测的Lb区块2个气样R/Ra数据和Santos et al.（2012）测试数据进行统一投图，结果显示R/Ra分布范围为1.81~5.60，最高值达5.60，意味着幔源CO2贡献了地层内CO2总量的92%~98%（图 2b），明显高于坎波斯盆地R/Ra的0.08~2.26，反映出幔源CO2贡献量的巨大差异和桑托斯盆地CO2总量的极端特殊性.
图 2 桑托斯盆地CO2同位素特征及幔源CO2含量估算a. CO2成因判识图，据Dai et al.（1996）；b.幔源CO2含量估算图，据Santos et al.（2012）Fig. 2. Carbon isotope of CO2 and mantle derived CO2 content estimation通过对桑托斯盆地已发现的Lu、Jp、Lb、Ab西区块、Pb等近30个油气藏（或圈闭）内流体闪蒸实验中CO2含量（闪蒸气体，摩尔百分比）统计，结果表明其区域变化较大.为便于相互对比，体现差异，以盆内区块为最小统计单元（若同一区块含多个油气藏，再进一步细分），将CO2含量分别按照 < 20%、20%~40%、40%~60%和 > 60%这4个等级进行标注（图 3），可以发现西部隆起带和中央坳陷带绝大部分区块内CO2含量 < 20%，以深绿色表征；而东部隆起带上绝大部分圈闭CO2含量在40%以上，以橙色和粉红色表征（图 3）.
图 3 桑托斯盆地CO2分布及盆地深部地壳结构简图Fig. 3. Sketch map of CO2 distribution and deep crustal structure in Santos basin进一步统计表明，即使在东部隆起带上，CO2含量从西向东亦呈增加趋势，高值通常出现在隆起带东部边界，Pb构造和Jp构造为迄今盆内发现的CO2含量最高值和次高值，明显高于其西侧Lu构造（图 3）.不仅如此，同一圈闭不同高点内CO2含量也呈现由西向东升高的现象，如Lb构造3个CO2高值点从西向东分别从45%增加到67%（图 3）.统计中还发现了例外情况，在东部隆起带南端（非边界区域）Ab西区块构造也出现了CO2高值，以粉红色表征.
3. CO2区域分布主控因素
3.1 岩浆活动为油气藏提供了无机CO2气源
地幔中CO2含量极其丰富，但通常会被大陆地壳封盖，难以运移至地球浅层.桑托斯盆地CO2既然来自深部地幔，那么它是如何突破地壳封盖进入浅部沉积储层中的呢？岩浆侵入带来的地幔脱气是最常被用来解释储层中幔源CO2问题的地质假说（Clayton，1995；Thrasher and Fleet, 1995；Imbus et al., 1998；林松辉，2005；Li et al., 2008）.事实上，盆内至少发育豪特里维-巴雷姆期（~130 Ma？）、阿普特期（~120 Ma）、圣通-坎潘期（~80 Ma）和始新世（~50 Ma）4期岩浆活动，其中前两期多以喷发溢流为主，后两期则以侵入岩为主（Moreira et al., 2007）.盆内CO2究竟是单期岩浆活动伴生产物，还是多期岩浆活动累积的结果；是幕式充注还是连续充注，目前尚无统一明确的认识.
笔者以世界数字磁异常数据库（http://www.geomag.us/）和美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所公布的海洋重力异常数据库（卫星测高数据；http://topex.ucsd.edu）等两个公开的全球重、磁数据库为基础，借鉴Gamboa et al.（2019）利用重磁资料对Jp构造周缘岩浆侵入体识别实例，分析了岩浆作用与CO2分布的关系.图 4a磁力图一阶导数揭示的侵位岩浆（其中黑色区域或黑色虚线）和图 4b剩余布格重力异常揭示的侵位岩浆（图中红色和粉红色区域）均分布在Lb-Lu一线以东区域，明显受NE-SW向正断层控制，呈条带状注入上地壳；Lb-Lu一线西侧，岩浆活动明显减弱，岩体面积显著减小.从图 4a和4b中均可看出，Jp区块东南部可见明显磁异常及可能的大型岩浆体.Lb区块中部、东南部和Lu构造西北翼、东北翼可见小规模岩浆体.Gamboa et al.（2019）对高含量CO2的Jp构造附近侵入体建立了二维地质解释模型（图 4c），并指出该岩浆体可能是Jp构造高CO2含量的主要贡献者.
图 4 Jp构造及周缘预测岩浆体与CO2分布对应关系据Gamboa et al.（2019）改编；a. 磁力图一阶导数；b. 剩余布格重力图；c. 二维地质解释模型（位置见图a和b中黄色箭头）Fig. 4. Distribution maps of predicted igneous rocks and CO2 around the Jp structure基于图 4重磁异常和地质剖面可发现毗邻Jp圈闭的Lu构造西北和东北翼部也发育一定规模岩浆体，但圈闭钻探却并未发现大量CO2（含量约1%~16%）.另外，图 4a、4b中Pb构造似乎并不发育大规模岩浆，但却出现了全盆地最高的CO2含量，所有这些都表明CO2形成和分布与岩浆活动可能有关系，但却不能简单一一对应.不难理解，岩浆运移路径和产出状态会对CO2富集产生重大影响，岩浆运移聚集区未必能封闭CO2，另外喷发溢流相岩浆会造成其携带CO2的散失，难以有效保存；唯有那些以侵入状产出的岩浆，其携带的CO2才能被储层捕捉，造成CO2的局部富集，但重磁资料只能识别出岩浆体，却无法有效区分其是侵入岩还是喷发岩.
由上可见，在岩浆发育的地方，尤其是侵入岩岩浆发育的地方，很可能出现高含量CO2，但在岩浆不活动区域未必就不出现CO2，表明岩浆侵入只是储层高CO2含量的一种情况，而不是控制CO2分布的核心地质要素.
3.2 区域性的地壳减薄控制了CO2的宏观分布
国内外越来越多对高幔源CO2油气藏的解剖表明其形成可能与深部地壳结构变化相关（Clayton，1995；Thrasher and Fleet, 1995；Imbus et al., 1998；Li et al., 2008；Santos et al., 2012；张进江和黄天立，2019；刘子龙等，2019）.考虑到桑托斯盆地几乎所有高含量CO2油气藏都位于东部隆起带上，因而，东部隆起带深部地壳结构和性质等正引起越来越多关注.
不同类型的深源地震首先被用来探索盆地深部结构和性质.对基底开展区域二维地震成像揭示地壳厚度从陆向海快速减薄，整体为楔形（Zalán et al., 2011）.大偏移距（10 km）、深记录（18 s）叠前深度偏移地震成像资料（包括地震反射和折射成像）揭示莫霍界面深度从陆向海快速升高，地壳厚度从陆缘30~40 km快速减薄至10~15 km以下（Kumar et al., 2012）.最新的宽方位角地震剖面及地震速度模型（San Ba宽方位角剖面，即SB实验）不仅能揭示盆地深部结构垂向变化，而且能揭示平面上一定“宽度”范围内的地壳横向变化，产生类似“三维”成像效果.基于San Ba剖面，Evain et al.（2015）在盆内共识别出7个速度不同的微区块，其中6个区块表现为正常陆壳或正常洋壳速度特征，但在圣保罗地台附近发现了一个速度表现出陆壳和洋壳双重特征的区域（图 3中蓝灰色虚线）.
地壳结构变化带来的深部物质变化在重磁数据上会有反映.Zalán et al.（2011）利用区域重磁数据发现盆地东部和南部边缘存在明显的条带状重磁异常，该异常带内15 km厚的大陆壳被一个4 km厚的火山物质所覆盖，并将这个异常带解释为剥露地幔（exhumed mantle）.基于同样数据，Kumar and Gamboa（1979）、Kumar et al.（2012）虽认同Zalán et al.（2011）提出的地壳结构变化，但认为该异常带除了在盆地南部Florianópolis边界走滑断裂带附近可能为剥露地幔外，其他地方并未有地幔证据；根据Thybo and Nielsen（2009）以及Aslanian et al.（2009）的观点，他们指出该异常带绝大部分可能为陆壳-洋壳过渡带（图 3）.
值得注意的是，在陆壳-洋壳过渡带靠陆一侧莫霍面埋深存在一个低值区域，即地幔隆起区域.Zalán et al.（2011）利用地震剖面解释出莫霍面并对其埋深进行成图.笔者依据15~18 km埋深等值线勾绘出该隆起区包络线（图 3紫色虚线）.Gamboa et al.（2019）结合地质、地球物理和气体地球化学等资料也指出圣保罗地台周缘存在一个明显地壳减薄区（图 3中黄色虚线），且在晚白垩纪至早始新世时期经历了几次强烈的幔源物质上升事件，形成了非常明显的重力和磁力异常，该异常几乎到达了基底岩石顶部的大陆壳内.
为直观展示上述大陆壳-洋壳转换、壳-幔边界埋深变化，笔者在综合对比前人研究的区域地震剖面后选取了其中4条进行统一编绘（图 5）.图 5a和5d是区内最常见、也是最具代表性的大剖面，莫霍面埋深从陆缘30~40 km，向海方向快速降至10~20 km，直至出现大洋洋壳，在地壳厚度整体快速减薄的同时，局部地壳厚度减薄更明显，造成地幔明显隆升.图 5b和5c是区内另外两条十分重要的区域剖面，对其重复进行了二维地震和San Ba地震数据采集，可为本研究直观对比两种解释方案提供便利.Evain et al.（2015）基于San Ba剖面将壳幔过渡带解释为深部地幔在浅层的延续，附近的火成岩体多位于过渡带西侧陆壳一侧，而不是直接覆盖在过渡带顶部，造成陆壳-洋壳过渡带整体向陆方向偏移.同时，其对洋壳解释厚度较大，对应的莫霍界面埋深更大.与该解释方案相比，Zalán et al.（2011）基于二维地震剖面解释的最大差别体现在对莫霍顶的解释和陆壳-洋壳过渡带附近的地壳构成，其莫霍界面整体偏浅，陆壳-洋壳过渡带归属更倾向于靠洋，洋壳厚度更小.从地震资料品质上讲，San Ba剖面清晰度更高，对深部构造和断裂系统等成像更清晰、更细致，具有更高的可信度.
图 5 桑托斯盆地深源地震剖面及深部壳幔结构剖面剖面位置见图 3；图 5a和5d中二维地震剖面底图据Kumar et al.（2012）修编；图 5b和5c中San Ba地震剖面底图据Evain et al.（2015）修编，其中白色虚线为Zalán et al.（2011）解释出的基底构造和莫霍顶面Fig. 5. Deep crustal structure profiles from deep-source seismic data in Santos basin笔者将上述各种方法获得的地幔隆起区进行平面统一叠图（图 3），可以看出尽管隆起区边界存在一定差异，但整体上存在大面积重叠区：在圣保罗地台附近形成了一个面积约5.1×104 km2的地壳减薄区，东部隆起带就位于该减薄区西侧边缘，且隆起带东部边界与该减薄带西侧边缘走向高度一致.剖面上，将4条地震剖面首先按照盆地构造单元进行标注，然后再利用黑色三角对地幔隆起区边界进一步标注.同样可见，地壳减薄带整体位于东部隆起带和东部坳陷带之间（图 5）.
结合盆地构造演化不难判断，桑托斯盆地裂陷期经历的强烈地壳拉伸减薄，不仅造成了大陆地壳向海方向快速减薄呈楔形，在盆地东部、南部边缘形成了一类特殊的陆-洋壳过渡带，而且造成了圣保罗地台周缘莫霍界面埋深大幅变浅，富含CO2的地幔物质侵入到地壳上部，宏观上决定了CO2分布范围.笔者进一步分析认为，大陆地壳减薄的极端情况就是地幔的直接裸露或剥露，其周缘即为地壳极度减薄区，易成为CO2富集区.至此就不难理解前文谈到的位于剥露地幔附近的Ab西区块构造CO2含量局部富集这一“异常现象”了.另一方面，在大陆壳伸展程度低的地区缺乏CO2同样具有普遍性：在桑托斯盆地近端的陆上盆地因发育较厚的大陆壳，盆内则基本不含CO2.同样地，位于桑托斯盆地北部的坎波斯盆地，地壳伸展程度要小得多，在油田中也没有发现大量CO2（Gamboa et al., 2019）.正反两方面例子均佐证了地壳拉伸减薄、地幔隆升“局部送（CO2）气”观点.
上述认识宏观上揭示了CO2区域分布主控因素，但同样无法解释前文提到的Lu和Jp两毗邻圈闭内CO2含量的巨大差异，更无法解释Lb构造同一圈闭不同构造高点CO2含量的差异，这表明除此宏观控制因素外，肯定还存在其他地质要素控制着CO2差异化进入储层.
3.3 I、II级断裂及走滑断裂的耦合作用决定了CO2的最终分布
在地幔CO2和地壳浅部储层之间，能架起沟通桥梁的除了岩浆侵位，就是断裂系统了.事实上，断裂活动与岩浆侵位很多时候互为因果，岩浆与CO2的关系前文已论述，这里重点探讨断裂系统与CO2分布的关系.
以Lb区块为例，对区内三维地震资料精细解释和对断层识别后发现I级大断层之间还有大量II级甚至更小规模断层，其中4条II级断裂（图 6中标注II-①~④）控制着圈闭西北区、中区和东南区3个构造高点.断层活动性分析表明，这些I、II级断裂主要在阿普特期及以前活动，阿普特期之后活动性很弱，仅I级断裂和部分II级断裂在晚白垩世发生再活化.除此之外，区内还发育一条NW-SE向ZTL（Lb transfer zone）走滑断裂.和盆内其他区域走滑断层一样，不仅在盆地浅层发育，在基底深部同样发育，其活动始于大西洋开裂，一直伴随着盆地的形成和演化，持续时间长，且活动强度从陆向海方向明显增强（Rancan et al., 2018；Zhao et al., 2019）（图 6a）.持续活动的ZTL走滑断层和I、II级断层活动性的耦合最终造成了后者早白垩世活动为阿普特期岩浆喷发提供通道，晚白垩世的局部活化为圣通期-坎潘期岩浆侵入提供了条件（Zhao et al., 2019）.
图 6 桑托斯盆地Lb区块断裂与CO2分布区块位置见图 3；图a据Rancan et al.（2018）和Zhao et al.（2019）；图b为地震速度剖面；图c和d为常规地震剖面，其中c未带解释方案剖面，d为带解释方案剖面；黄色箭头指CO2，黑色箭头为岩浆Fig. 6. Distribution map of faults and CO2 in Lb block笔者制作了近东西向过井地震剖面（位置见图 6a），分别在地震速度剖面和常规振幅剖面上分析了不同高点内CO2含量的差异（图 6b~6d）.地震速度剖面对盆地基底和岩浆侵入体等高速层非常敏感，直观展示了剖面中至少有两个岩浆复合体（均被钻井证实）：井A东侧和井B深层基底附近（图 6b黄橙色区域，P波速度大于5 400 m/s）.前者呈不规则透镜状，其根部位于II-①号断层附近，向上侵位至盐下，向西北和东南两翼不均匀减薄；后者垂向上分两部分，底部被揭示出的规模偏小，完整形状难以判断，顶部呈不规则形状.两者之间有断层连接，且断层带附近地震有明显空白反射和波组翘倾现象，暗示岩浆运移通道（图 6b和6d中黑色箭头）.很显然，这些岩浆深部根源和运移路径均不同程度地取道于毗邻的正断层.由这些岩浆携带的CO2可以向两侧圈闭高点运移和富集（图 6中黄色箭头），其中井B位置更高，且位于地层上倾方向，利于CO2聚集.井筒取样也证实了这一点，样点1（井B）基本以CO2气为主，地层条件下含量可达65%左右，气油比为2 800~3 000 m3/m3；而西北区取样点2（井A）则仍然为液态油藏，CO2以溶解气形式存在，原位地层条件下CO2含量在37%左右，储层内气油比为436 m3/m3左右（表 1）.
表 1 Lb区块不同构造位置CO2含量及流体性质统计Table Supplementary Table Statistic table of CO2 content and fluid properties in Lb block样品位置 取样位置 样品类型 闪蒸气体中CO2（摩尔百分比) 原位地层中CO2（摩尔百分比) 气油比（m3/m3） 原油密度（°API） 样点1 ① 气 67.16 65.26 3 077.17 36.36 ② 气 67.55 65.37 2 834.43 37.67 ③ 气 67.58 65.51 2 954.30 37.25 ④ 气 67.32 65.31 2 958.99 37.01 ⑤ 气 66.95 64.88 2 931.61 37.57 样点2 ⑥ 油 43.40 37.29 436.13 27.28 ⑦ 油 43.37 37.25 438.64 27.15 注：取样位置见图 6c. 从图 5可看出盆内NE-SW向I级断层尽管对地壳拉伸减薄有贡献，但绝大多数无法断穿下地壳并沟通地幔.在此背景下，Lb区块内这些II级断裂直接沟通地幔的可能性几乎不存在.那么，这些断裂附近的岩浆从何而来呢？从两个岩浆复合体均位于走滑断裂与正断层交汇部位的事实看，最可能的情况就是ZTL走滑断裂沟通了幔源岩浆，然后II级断层“接力”将岩浆和伴生流体在浅层再分配.在此过程中，岩浆运移路径和最终聚集位置受多种因素影响，在浅层可能相对分散，似与断裂相关性不大，但其深部基本沿走滑断裂分布，且相对富集在走滑断裂和正断层交汇部位.
事实上，笔者对盆地Pb、Jp等其他多个含油气构造解剖后同样发现，CO2分布与走滑断裂存在极好的对应关系，并沿断层走向表现出明显的东西向差异，走滑断裂和I、II级正断层交汇部位往往是岩浆和CO2分布最集中的区域，这在圣保罗地台附近的地幔隆起区表现得最明显，因为地幔隆起区更容易被断层沟通.因此，盆内断裂系统是CO2在储层范围内差异性聚集最关键的控制要素.
4. 结论
桑托斯盆地高CO2含量是深部地壳结构、构造演化、岩浆和断层活动等多种地质要素综合作用的结果，其中地壳减薄和地幔隆起是控制CO2宏观分布最重要的背景因素，区域走滑断裂和I、II级正断层对CO2在浅部地层中的分配控制作用更明显，与油气成藏关系也最密切.具体而言，包括以下3方面结论认识.
（1）桑托斯盆地盐下油气藏中CO2分布广泛，其主要为幔源-岩浆成因.基于伴生气3He同位素含量估算幔源CO2贡献了至少92%的CO2量.区域上，CO2自陆向海呈逐渐增加趋势，并相对集中在盆地东部隆起带上，极高值多出现在东部隆起带东部边界上.
（2）盆地在裂谷分离之后遭受了极端的地壳伸展，不仅在盆地东部、南部边缘形成了一类介于大陆壳和大洋洋壳之间的“混合地壳类型”，而且造成东部隆起带，尤其是圣保罗地台下部陆壳强烈拉伸减薄，造成富CO2的地幔物质上拱进入陆壳，宏观上控制了盆内CO2区域分布.此区域之外，出现高含量CO2的可能性会大幅降低.
（3）岩浆局部上涌或活动断裂都是CO2从地幔向浅部沉积地层中运移和聚集的重要路径，但以断裂沟通最常见.盆内NW-SE和NE-SW向两组断裂在沟通幔源岩浆和扩散CO2过程中作用不同：NW-SE向走滑断裂可沟通隆升地幔和岩浆，NE-SW向正断层则更多调整CO2在沉积地层中分配，两组断裂交汇部位或周缘是幔源岩浆或CO2最集中发育区.
致谢: 本文研究工作得到了中油国际（巴西）公司的大力支持，巴西国油研究中心（CENPES）对样品进行了测试分析，两位匿名审稿人对文稿提出了专业性和建设性的修改意见，在此表示衷心感谢！ -
图 1 桑托斯盆地构造单元划分及综合地层柱状简图
图a据Sandwell and Smith(2009)编绘; 走滑断裂体系据Cobbold et al.(2001)、Meisling et al.(2001)和Evain et al.(2015)编绘; 地层柱状图据Moreira et al.(2007)编绘
Fig. 1. Structural unit division and integrated stratum column of Santos basin
图 2 桑托斯盆地CO2同位素特征及幔源CO2含量估算
a. CO2成因判识图，据Dai et al.（1996）；b.幔源CO2含量估算图，据Santos et al.（2012）
Fig. 2. Carbon isotope of CO2 and mantle derived CO2 content estimation
图 3 桑托斯盆地CO2分布及盆地深部地壳结构简图
区块分布据http://rodadas.anp.gov.br/arquivos/Bienio/Mapas_LP7-8/R7_R8_LP_GERAL.pdf
Fig. 3. Sketch map of CO2 distribution and deep crustal structure in Santos basin
图 4 Jp构造及周缘预测岩浆体与CO2分布对应关系
据Gamboa et al.（2019）改编；a. 磁力图一阶导数；b. 剩余布格重力图；c. 二维地质解释模型（位置见图a和b中黄色箭头）
Fig. 4. Distribution maps of predicted igneous rocks and CO2 around the Jp structure
图 5 桑托斯盆地深源地震剖面及深部壳幔结构剖面
剖面位置见图 3；图 5a和5d中二维地震剖面底图据Kumar et al.（2012）修编；图 5b和5c中San Ba地震剖面底图据Evain et al.（2015）修编，其中白色虚线为Zalán et al.（2011）解释出的基底构造和莫霍顶面
Fig. 5. Deep crustal structure profiles from deep-source seismic data in Santos basin
图 6 桑托斯盆地Lb区块断裂与CO2分布
区块位置见图 3；图a据Rancan et al.（2018）和Zhao et al.（2019）；图b为地震速度剖面；图c和d为常规地震剖面，其中c未带解释方案剖面，d为带解释方案剖面；黄色箭头指CO2，黑色箭头为岩浆
Fig. 6. Distribution map of faults and CO2 in Lb block
表 1 Lb区块不同构造位置CO2含量及流体性质统计
Table 1. Statistic table of CO2 content and fluid properties in Lb block
样品位置 取样位置 样品类型 闪蒸气体中CO2（摩尔百分比) 原位地层中CO2（摩尔百分比) 气油比（m3/m3） 原油密度（°API） 样点1 ① 气 67.16 65.26 3 077.17 36.36 ② 气 67.55 65.37 2 834.43 37.67 ③ 气 67.58 65.51 2 954.30 37.25 ④ 气 67.32 65.31 2 958.99 37.01 ⑤ 气 66.95 64.88 2 931.61 37.57 样点2 ⑥ 油 43.40 37.29 436.13 27.28 ⑦ 油 43.37 37.25 438.64 27.15 注：取样位置见图 6c. 
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