柴西地區(qū)古近系和新近系地層水化學(xué)特征及其成因

張汪明　曾濺輝　李飛　趙蕓黎　張譯丹

摘 要：在系統(tǒng)收集柴達木盆地西部地區(qū)各主要油田古近系和新近系油田地層水化學(xué)測試分析資料后，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地層水礦化度很高，均值為166 g·L-1，最低值達到390 g·L-1，具有高濃縮地層水特征，屬鹵水級，且主要是由Na++K+組成的CaCl2型水，反映封閉條件好。各主要離子在縱向上呈增加和減小交替變化的趨勢，礦化度隨深度的增加表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，這與中國東部盆地明顯不同。各離子比值（鈉氯系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)和脫硫酸系數(shù)）均反映出該地區(qū)地層整體封閉性好。上、下油砂山組Ca2+富集主要由白云石化作用導(dǎo)致，其次是方解石溶解，白云石化同時也使其Mg2+貧乏。上、下干柴溝組僅有少數(shù)數(shù)據(jù)點表現(xiàn)出Ca2+富集，應(yīng)是方解石溶解導(dǎo)致的，綠泥石化是其Mg2+貧乏的主要原因。SO2-4虧損主要是由大量膏巖的沉淀和油藏中大量硫酸鹽還原細菌的還原作用導(dǎo)致。除了SO2-4被還原會產(chǎn)生HCO-3之外，有機質(zhì)成熟過程中CO2及有機酸的加入也可造成地層水中HCO-3質(zhì)量濃度的增加。

關(guān)鍵詞：地球化學(xué)；地層水；水化學(xué)；成因；水巖作用；白云石化；綠泥石化；柴達木盆地

中圖分類號：TE122；TE133；P641.4+62 文獻標(biāo)志碼：A

Abstract： The chemical data collected from oilfield water of Paleogene and Neogene in the western Qaidam Basin were analyzed and summarized， and the characteristics and origin of formation water were discussed. The results show that the type of formation water is mainly CaCl2 composed of Na++K+； the salinity is high with the average of 166 g·L-1， and the lowest reaches 3.90 g·L-1； the formation water is highly concentrated， belonging to brine level； the main ions present increase-decrease alternately trends， and salinity firstly decreases and then increases with the increase of depth， which is significantly different from the eastern basins of China； various major ion ratios including Na-Cl coefficient， metamorphic coefficient and desulphidation coefficient all reflect that the formation of western Qaidam Basin overall are closed well； the Ca2+ accumulation at Upper and Lower Youshashan Formations is caused by dolomitization， which results in the poor of Mg2+， followed by calcite dissolution； there are only a few data points at Upper and Lower Ganchaigou Formations showing Ca2+ accumulation， which is caused by calcite dissolution and chloritization， is the main reason for the lack of Mg2+； the precipitation of a lot of gypsum and the reduction of large amounts of sulfate reducing bacteria result in a loss of SO2-4； besides the HCO-3 produced by the reduction of SO2-4， CO2 and organic acids can be added to cause an increase of HCO-3 of formation water in the process of organic maturation.

Key words： geochemistry； formation water； hydrochemistry； origin； water-rock interaction； dolomitization； chloritization； Qaidam Basin

0 引 言

地層水是沉積盆地演化過程中水文地質(zhì)、流體巖石相互作用、流體流動及其混合作用等的一個綜合反映[1]。因此，地層水對于揭示沉積盆地油氣的生成和分布、金屬礦床的成藏以及儲層巖石的白云化作用等具有重要意義[2]。目前已有眾多學(xué)者對柴達木盆地西部（以下簡稱“柴西”）地區(qū)的油田地層水化學(xué)特征進行了分析和總結(jié)[3-6]，認(rèn)為其礦化度，Na+、K+、Ca2+、Cl-、HCO-3質(zhì)量濃度均高于海水?dāng)?shù)倍，有的可達數(shù)十倍，如Ca2+質(zhì)量濃度可高于海水30倍。同時也有關(guān)于地層水成因和演化方面的研究[7-9]，比如淺層鹵水主要是由大氣降水匯聚而形成的。但是，前人受到樣品數(shù)量和分布位置的限制，部分結(jié)論具有局限性。本次研究依靠油田大量的地層水分析數(shù)據(jù)，結(jié)合本地區(qū)構(gòu)造、沉積特征，探討柴西地區(qū)總體地層水化學(xué)特征；同時，采用國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的海水蒸發(fā)軌跡線來研究地層水成因。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

柴達木盆地位于青藏高原東北隅青海省西北部，面積為12×104 km2，是中國西部一個重要的中新生界含油氣盆地。本次主要研究的區(qū)域是柴西地區(qū)。柴西地區(qū)夾持于東昆侖與阿爾金山之間（圖1），東界大致介于鄂博梁—紅山旱三號構(gòu)造—甘森泉湖一線，面積約為3×104 km2。自海西運動以來，柴達木地塊經(jīng)歷了多次造山運動，每次造山運動不僅使柴達木地塊脫離海相環(huán)境，而且加劇了盆地邊緣深大斷裂（帶）的活動。直到中生代末—新生代初，中央坳陷盆地主體才形成盆地西部“邊斷內(nèi)超、高山深盆”的沉積環(huán)境[10]，為盆地帶來了大量的鹽類與碎屑物質(zhì)，再加上新近紀(jì)干旱封閉的氣候環(huán)境加劇了成鹽作用的強度，沉積了巨厚的鹽層[11]。新生代地層在柴西地區(qū)普遍發(fā)育，沉積厚度巨大。根據(jù)地面資料、鉆井資料、古生物資料，結(jié)合巖性、含油性和地震反射特征，該地層自下至上分為路樂河組、下干柴溝組、上干柴溝組、下油砂山組、上油砂山組和獅子溝組6套地層[12]，具有由老至新巖性顆粒逐漸變粗的趨勢，底層以泥巖為主，上部以砂巖為主，泥質(zhì)和灰質(zhì)含量高，層系中夾有鹽巖層。油田鹵水賦存于各背斜構(gòu)造部位，地貌上表現(xiàn)為低山、丘陵區(qū)，含水層巖性主要為碎屑巖和灰?guī)r，與石油、天然氣共生。

2 地層水化學(xué)總體特征

2.1 主要化學(xué)組成

本次研究涉及的層系包括柴西地區(qū)上油砂山組（N22）、下油砂山組（N12）、上干柴溝組（N1）、下干柴溝組（E3），水樣主要取自柴西地區(qū)各主要油田的地層水。從主要陽離子組成來看，ρ（Na+）+ρ（K+）>ρ（Ca2+）>ρ（Mg2+），主要陰離子組成為ρ（Cl-）>ρ（SO2-4）>ρ（HCO-3）（圖2）。ρ（Na+）+ρ（K+）主要分布在50～100 g·L-1范圍內(nèi)，部分水樣質(zhì)量濃度超過100 g·L-1；Cl-質(zhì)量濃度主要出現(xiàn)在100～150 g·L-1范圍內(nèi)，上油砂山組部分水樣Cl-質(zhì)量濃度超過200 g·L-1；Ca2+質(zhì)量濃度主要分布在0～5 g·L-1內(nèi)；Mg2+、SO42-、HCO-3質(zhì)量濃度較小，與ρ（Na+）+ρ（K+）、ρ（Cl-）相差一個數(shù)量級以上。隨著深度的增加，各離子組分質(zhì)量濃度表現(xiàn)出了增大和減小交替變化的趨勢，增大和減小的深度分界點約為2 000 m。水化學(xué)組分質(zhì)量濃度在縱向上交替變化的特點受控于該區(qū)復(fù)雜的水動力環(huán)境。

2.2 水型及礦化度

按蘇林分類法，研究區(qū)水型主要為CaCl2型，其次為Na2SO4型，且主要出現(xiàn)在下干柴溝組。總體來看，地層水的礦化度很高，平均值達到166 g·L-1，最低值達到390 g·L-1，最大值接近420 g·L-1。各層系均值都遠遠大于海水均值（35 g·L-1），具有高濃縮地層水特征，屬鹵水級（表1）。如此高的礦化度在中國各沉積盆地中并不多見，相對于東部新生代盆地油田地層水礦化度高一個數(shù)量級以上。地層水的礦化度主要受ρ（Na+）+ρ（K+）、ρ（Cl-）的控制，二者與礦化度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都超過0.9（圖3）。從圖2可以看出，地層水礦化度整體呈現(xiàn)0～2 000 m深度先減小、2 000 m深度后增大的趨勢。總礦化度與地層埋深并無明顯的依賴關(guān)系，這與一般認(rèn)為的礦化度隨深度的增加而增加有所不同。這很可能與柴達木盆地高原咸化湖盆沉積環(huán)境有關(guān)，含鹽層、鹽丘或鹽類礦物的加入使得各層系水礦化度普遍升高，另外再加上各種水巖作用的溶解會形成大量離子。

2.3 主要離子比值

地層水離子比值可以反映地層水所處的水文地球化學(xué)環(huán)境和水巖作用強度[6-8]。本文將主要采用鈉氯系數(shù)（r（Na+）/r（Cl-））、變質(zhì)系數(shù)（r（Cl-）-r（Na+）/r（Mg2+））和脫硫酸系數(shù)（r（SO2-4）×100/r（Cl-））對研究區(qū)地層水化學(xué)環(huán)境及特征進行分析。

鈉氯系數(shù)一般反映地層水濃縮變質(zhì)程度的大小，地層封閉性越好越有利于地層水濃縮及離子交換作用的發(fā)生[13]。在標(biāo)準(zhǔn)海水中，鈉氯系數(shù)平均值為0.85，沉積鹵水中該值一般小于0.85，而在溶濾鹵水中則一般較高，近于1或大于1。變質(zhì)系數(shù)可以用來表示地下流體的變質(zhì)程度。地下流體流速越慢，離子交換作用將越徹底，變質(zhì)系數(shù)就越大，封閉程度越好，該值為負值時表示受到大氣降水的影響[13-15]。脫硫酸系數(shù)是地下水氧化—還原環(huán)境的重要指標(biāo)。脫硫酸作用越完全，該系數(shù)越接近于0，表示封閉程度越好[14]。

柴西地區(qū)地層水鈉氯系數(shù)主要分布在085～100，在垂向上整體呈增大趨勢，大于100的樣品點主要分布在1 500 m深度以下，高值點主要集中在1 000～2 200 m深度區(qū)間。同時，同一深度的鈉氯系數(shù)分布范圍較廣，反映出同一深度地層水受滲入水影響程度的差異。變質(zhì)系數(shù)在0～5.0區(qū)間分布最多，在垂向上整體呈減小趨勢，在1 000～2 000 m深度和2 500～3 500 m深度區(qū)間出現(xiàn)小于0的值，且基本都位于下干柴溝組，說明其封閉性較差。脫硫酸系數(shù)比較小，多數(shù)分布在0～25范圍內(nèi)，在垂向上整體呈先增大后減小的趨勢，在1 000～2 500 m深度脫硫酸系數(shù)大于10，反映受大氣水淋濾作用的影響。在2 000 m深度脫硫酸系數(shù)達到最大，這與變質(zhì)系數(shù)和鈉氯系數(shù)具有很好的一致性（圖4）。

3 地層水成因

3.1 地層水來源

地層中的原始沉積水可能來自于海水或淡水，在地層埋藏過程中經(jīng)歷了蒸發(fā)、與地表水或其他地層水混合、流體巖石作用等變化過程，導(dǎo)致地層水性質(zhì)發(fā)生變化[16-17]。試驗研究證明，在陸相淡水湖盆中，蒸發(fā)濃縮使得地層水礦化度升高，但一般不會超過10 g·L-1，而對于陸相咸水、鹽水湖盆，其礦化度則可遠遠大于海水[18]。柴西地區(qū)地層水礦化度變化范圍較大，但基本都超過100 g·L-1，說明地層水中發(fā)生了其他作用，使礦化度升高。

3.2 水巖作用

由于海水是一個巨大的水庫，其主要陰、陽離子組成在一定程度上代表了全球水循環(huán)的平均化學(xué)成分[19]，所以目前國內(nèi)外學(xué)者普遍將海水蒸發(fā)軌跡線與現(xiàn)今地層水化學(xué)組分進行對比，來研究地層水成因[20-23]。為了更好地研究蒸發(fā)作用對柴西地區(qū)地層水化學(xué)組分的影響，本次研究除了引入現(xiàn)今海水蒸發(fā)軌跡線以外[24]，還考慮了青海湖湖水蒸發(fā)線[25]。Cl-在盆地中一般很穩(wěn)定，且對礦化度具有較好的指示作用，因此，本次研究將其作為與其他溶解組分進行對比的依據(jù)[26-27]。從圖5可以看出，Na+整體沿著海水蒸發(fā)軌跡線分布，說明蒸發(fā)濃縮作用參與了本區(qū)地層水的形成過程。上、下油砂山組在Cl-當(dāng)量濃度大于4 500 meq·L-1時開始偏離海水蒸發(fā)軌跡線，表現(xiàn)出Na+貧乏，說明除了蒸發(fā)濃縮作用以外還有其他作用的參與。其他主要離子（Ca2+、Mg2+及SO2-4）就沒有像Na+那樣明顯呈現(xiàn)出沿海水蒸發(fā)軌跡線分布的特征，分布散亂，總體上都表現(xiàn)出貧乏的特點。

Davisson等在1996年統(tǒng)計世界上幾十個盆地地層水Ca2+富集和Na+貧乏后，發(fā)現(xiàn)兩者有近似斜率為1的線性相關(guān)特征[28]。這種線性關(guān)系定義為盆地流體線（BFL），代表了2個Na+置換出1個Ca2+的水巖作用。這種作用在自然界中僅有斜長石的鈉長石化才能形成這種規(guī)律：CaAl2Si2O8+4SiO2+2Na+→2NaAlSi3O8+Ca2+。Davisson等由此提出了利用Caexcess-Nadeficit圖版來反映流體組成及流體巖石相互作用的方法[28]。這種表現(xiàn)陽離子間相互關(guān)系的方法在中國很多地方得到了很好的應(yīng)用[29-30]。

圖6（a）是柴西地區(qū)上、下油砂山組地層水Caexcess-Nadeficit圖解。從圖6（a）可以看出，地層水發(fā)生了強烈的水巖作用，數(shù)據(jù)點均分布在盆地流體線和海水蒸發(fā)軌跡線之間，表現(xiàn)為Na+貧乏和Ca2+富集的特點。圖6（a）中數(shù)據(jù)點的分布呈現(xiàn)出兩段式：當(dāng)γ（Na）deficit<1 500 meq·L-1時，數(shù)據(jù)點基本平行于海水蒸發(fā)軌跡線；在γ（Na）deficit值介于1 000～1 500 meq·L-1時，一小部分?jǐn)?shù)據(jù)點偏離海水蒸發(fā)軌跡線，幾乎都位于尕斯庫勒地區(qū)，可能發(fā)生了CaSO4溶解或白云石化導(dǎo)致的Ca2+質(zhì)量濃度升高；當(dāng)γ（Na）deficit>1 500 meq·L-1時，數(shù)據(jù)點呈一定斜率增長，近似平行于盆地流體線。但根據(jù)井溫實測數(shù)據(jù)來看，由于上、下油砂山組埋藏淺，且柴達木盆地屬于低溫型盆地，地溫達不到發(fā)生鈉長石化的溫度（100 ℃～150 ℃[31]），所以不太可能發(fā)生斜長石的鈉長石化作用，但是否發(fā)生其他水巖作用需進一步具體分析。圖6（b）為柴西地區(qū)上、下干柴溝組地層水Caexcess-Nadeficit圖解。

從圖6（b）可以看出，數(shù)據(jù)點基本沿著海水蒸發(fā)軌跡線分布。上、下油砂山組地層水相對于下部的上、下干柴溝組更趨近于海水蒸發(fā)軌跡線。柴西地區(qū)斷裂具有典型的“雙層結(jié)構(gòu)”，即在深層是基底卷入型，在淺層是滑脫型。由于斷裂作用，淺層易受到外界流體的滲入影響，在入滲過程中，它們在一定溫度下與圍巖就能發(fā)生水巖作用而影響離子質(zhì)量濃度的大小。

除了斜長石的鈉長石化外，方解石的溶解、白云石化也會使Ca2+富集。方解石的白云石化是沉積盆地中較為普遍的成巖作用[17]，白云石化作用反應(yīng)式為2CaCO3+Mg2+→CaMg（CO3）2+Ca2+。水巖作用過程中，Mg2+和Ca2+以1∶1進行置換。由圖7（a）可以看出，上、下油砂山組大多數(shù)數(shù)據(jù)點都近似平行于“白云石化”軌跡線[32]。這與前人在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的白云石化很發(fā)育相一致[8，33-36]。下油砂山組部分?jǐn)?shù)據(jù)點偏離“白云石化”軌跡線，說明除了白云石化作用外，還有其他作用的影響，可能是方解石的溶解作用。而上、下干柴溝組數(shù)據(jù)點和“白云石化”軌跡線幾乎沒有相關(guān)關(guān)系[圖7（b）]，因此，沒有發(fā)生白云石化作用，主要是方解石的溶解作用形成了Ca2+。由于本區(qū)氣候干燥，蒸發(fā)作用強，往往形成大量的碳酸鹽巖沉淀[36-38]，所以這些巖石若受到流體的接觸，易發(fā)生溶解作用使Ca2+富集。

除了白云石化作用會消耗Mg2+外，還有其他作用也會消耗Mg2+。依據(jù)沈忠民等的研究[23]，繪制Ca-Ca/Mg圖解。從圖8可以看出，當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度一定時，上、下干柴溝組ρ（Ca2+）/ρ（Mg2+）值呈增大趨勢，而上、下油砂山組不明顯。崔俊等認(rèn)為綠泥石化是上、下干柴溝組Mg2+貧乏的原因，鏡下也觀察到普遍發(fā)育綠泥石[39-40]。而綠泥石化對上、下油砂山組Mg2+貧乏貢獻不大。

本區(qū)地層水中SO2-4貧乏，一方面原因可能是大量膏巖形成沉淀過程中SO2-4被大量消耗，另一方面，由于本區(qū)各地層封閉性好，使得還原作用可以很好地進行，油藏中大量硫酸鹽還原細菌將SO2-4還原成HCO-3和H2S[41]，反應(yīng)式為SO2-4+2C+2H2O→2HCO-3+H2S，這與采樣過程油井排出的大量臭雞蛋味氣體現(xiàn)象相符。圖2中HCO-3質(zhì)量濃度約在2 000 m時達到最大值，有機質(zhì)成熟過程中CO2及有機酸的加入可造成地層水中HCO-3質(zhì)量濃度的增加。上、下干柴溝組是本區(qū)的主力烴源巖，生烴過程中形成的CO2及有機酸很有可能進入本層及上層地層水中。另外，碳酸鹽礦物的溶解可能對此也有一定影響[42]。

4 結(jié) 語

（1）柴西地區(qū)地層水礦化度很高，均值達到166 g·L-1，具有高濃縮地層水特征，屬鹵水級，主要是CaCl2型水。各離子系數(shù)均反映地層封閉性好。

（2）當(dāng)Na+虧損不多（當(dāng)量濃度低于1 500 meq·L-1）時，地層水主要發(fā)生蒸發(fā)濃縮作用使Na+虧損，礦化度升高；當(dāng)Na+虧損較多時，上、下油砂山組表現(xiàn)為Ca2+富集，主要是白云石化作用導(dǎo)致的，其次是方解石溶解，白云石化致使Mg2+貧乏，而上、下干柴溝組僅有少數(shù)數(shù)據(jù)點表現(xiàn)為Ca2+富集，且主要是方解石溶解導(dǎo)致的。發(fā)生的綠泥石化是上、下干柴溝組Mg2+貧乏的主要原因，對上、下油砂山組貢獻不大。

（3）石膏的大量沉淀和油藏中大量硫酸鹽還原細菌都使地層水中SO2-4貧乏。HCO-3質(zhì)量濃度約在2 000 m深度時達到最大值，除了SO2-4被還原會產(chǎn)生HCO-3外，有機質(zhì)成熟過程中CO2及有機酸的加入也可造成地層水中HCO-3質(zhì)量濃度的增加。

（4）造成現(xiàn)今柴西地區(qū)地層水這種高礦化度和特殊的離子特征，一方面是由于蒸發(fā)作用，另一方面是由于發(fā)生多種水巖作用及細菌還原作用，包括方解石溶解、白云石化、綠泥石化。

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