水化學(xué)及氫氧同位素組成指示的澀北氣田地層水成因

李建森，凌智永，李雷明，袁小龍

(1.中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；2.青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008)

柴達(dá)木盆地是青藏高原天然氣開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，其中盆地中部三湖地區(qū)(因周邊分布著東西臺(tái)吉乃爾湖、澀聶湖和達(dá)布遜湖3個(gè)大型鹽湖而得名)探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量約占青藏高原的80 %，是目前世界上極為典型的規(guī)模最大且最為年輕的第四系生物氣田。三湖地區(qū)自1958 年實(shí)施鹽深1 井鉆探發(fā)現(xiàn)第一個(gè)生物氣田——鹽湖氣田以來(lái)，在第四系7個(gè)泉組(Q)先后發(fā)現(xiàn)了澀北1號(hào)(1964 年)、澀北2 號(hào)(1975 年)、臺(tái)南(1987 年)三大主力生物氣田，具有巨大的資源潛力。近年來(lái)，圍繞生物氣田實(shí)施大批擴(kuò)邊鉆探，但一直未獲突破，生物氣勘探遇到了瓶頸。在生物氣成因上，早期研究認(rèn)為這些生物氣田均由成巖作用經(jīng)過(guò)生物化學(xué)作用產(chǎn)生，并以游離相就近垂向運(yùn)聚成藏，并得到了沉積學(xué)和同位素方面的驗(yàn)證。但通過(guò)生物氣田水文地質(zhì)條件對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，三湖地區(qū)生物氣首先會(huì)以水溶氣方式發(fā)生遠(yuǎn)距離橫向運(yùn)移，后在有利位置以游離相垂向運(yùn)移成藏，在國(guó)外個(gè)別大型生物氣田中也出現(xiàn)此成藏規(guī)律。還有研究認(rèn)為，三湖地區(qū)第四系生物氣在形成后皆以水平運(yùn)移進(jìn)入氣藏，基本不存在垂向運(yùn)移。可見(jiàn)，對(duì)于三湖地區(qū)生物氣起源還存在極大爭(zhēng)議。同時(shí)，三湖地區(qū)澀北氣田位于中國(guó)最大的鹵水鋰鹽礦床——東西臺(tái)吉乃爾鹽湖和最大的鹵水鉀鹽礦床——察爾汗鹽湖中間，上游有東昆侖發(fā)育的大型河流——那棱格勒河的補(bǔ)給，水文地質(zhì)條件總體上較復(fù)雜，而且生物氣的生成、運(yùn)移和富集與地層水密切相關(guān)。然而，目前針對(duì)澀北氣田地層水開(kāi)展的專門(mén)研究極少，尤其是鉀(K)、硼(B)、鋰(Li)、鍶(Sr)、溴(Br)等微量元素礦種資源的分布特征和地層水的水文地球化學(xué)成因問(wèn)題，尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，系統(tǒng)地分析澀北氣田地層水的水化學(xué)組成，并借助同位素水文學(xué)手段查明水體的起源和演化，有助于深化對(duì)青藏高原生物氣成因的認(rèn)識(shí)，科學(xué)支撐三湖地區(qū)生物氣勘探。

1 研究區(qū)概況

青藏高原第四系生物氣分布在中國(guó)西部中新生代大型內(nèi)陸山間盆地的湖相沉積中。三湖坳陷在距今約2.5 Ma的地質(zhì)時(shí)期以來(lái)強(qiáng)烈沉降，快速沉積了巨厚的咸水湖夾沼澤相地層，地層厚度一般為300～3 500 m，其中厚度大于2 000 m的面積約為2.5 萬(wàn)km，氣源巖中心地層厚度大于1 km，主要分布在臺(tái)吉乃爾—澀聶湖一帶，呈NWW展布。第四紀(jì)暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖沉積中以陸源生物的腐殖型和含腐泥腐殖型有機(jī)質(zhì)為主，有機(jī)母質(zhì)主要為陸生草本植物、水生植物和藻類。三湖地區(qū)第四紀(jì)具有成巖作用弱、砂泥巖互層、源儲(chǔ)不分明、接替接力生氣、由南向北水動(dòng)力條件較強(qiáng)等獨(dú)有的地質(zhì)特征，氣層埋深在65～1 828 m之間，且發(fā)育有多個(gè)水層，共同成為第四紀(jì)生物氣大規(guī)模富集的基礎(chǔ)條件。

本次研究選取柴達(dá)木地三湖坳陷為研究區(qū)。研究區(qū)(36°4′N～38°3′N，92°47′E～95°26′E)西起西臺(tái)鹽湖，東至達(dá)布遜鹽湖，南起東昆侖山前，北至駱駝山，山系、水系、湖泊及氣田分布與地質(zhì)構(gòu)造概況見(jiàn)圖1。

圖1 三湖坳陷山系、水系、湖泊及氣田分布與地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Distribution of mountains,water systems,lakes, and gas fields and geological structure in Sanhu Depression

2 樣品采集與測(cè)試

表1 澀北氣田地層水及周邊水體水化學(xué)組分的測(cè)試結(jié)果Table 1 Hydrochemical composition of formation water and surrounding water in Sebei gas field

3 結(jié)果與討論

3.1 澀北氣田地層水的水化學(xué)特征

三湖坳陷巨厚的第四系沉積，是柴達(dá)木古大湖在第三系末期解體東遷的結(jié)果，在物質(zhì)組分上無(wú)疑會(huì)繼承盆地西北部古大湖的元素特征，尤其是作為深埋于地下的地層水，在長(zhǎng)期與地層發(fā)生水-巖反應(yīng)過(guò)程中，會(huì)使沉積物中的部分元素釋放到水體中，成為地層水的成鹽元素。對(duì)澀北氣田北部10km處駱駝山背斜上新世和更新世出露的地層化學(xué)分析表明：地層中NaCl含量分別為5.6%和4.2%，K、B、Li、Sr、Br元素含量分別為0.26%、0.011%、0.002 1%、0.08%、0.016%和0.3%、0.006%、0.001 6%、0.062%、0.015%，這幾乎可與澀北氣田地層水中的元素含量相對(duì)應(yīng)。澀北氣田地層水中相對(duì)較高含量的Sr元素主要來(lái)源于更新世地層，富鍶水體和沉積物在整個(gè)柴達(dá)木盆地中較為常見(jiàn)，比較典型的是盆地西部早更新世大型天青石礦(SrSO)。雖然地殼中Br元素的平均含量?jī)H為0.000 16%，但是澀北氣田地層水中Br元素的含量為地殼的100倍，早有研究指出：在柴達(dá)木盆地中Br元素主要參與了沉積作用，從而造成鹽湖鹵水中Br元素含量不高，而新生代沉積物中具有極高的Br元素含量。東臺(tái)鹽湖，作為那棱格勒河的尾閭湖，在地表主要依靠強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用富集元素礦種，由于那棱格勒河中Br元素含量極低，導(dǎo)致鹽湖鹵水中Br元素含量不高，甚至低于澀北氣田水。

3.2 澀北氣田地層水的氫氧同位素特征

水體的氫氧同位素對(duì)于蒸發(fā)作用極為敏感，極易在蒸發(fā)過(guò)程中富集重同位素，這在柴達(dá)木盆地咸水湖中表現(xiàn)得尤為明顯。澀北氣田地層水及周邊水體的氫氧同位素分布圖，見(jiàn)圖2。

圖2 澀北氣田地層水及周邊水體的氫氧同位素分布圖Fig.2 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in formation water and surrounding water in Sebei gas field(東昆侖山北坡冰川雪水及部分那棱格勒河河水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自 文獻(xiàn)[20]；那棱格勒地下水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[21]；盆地咸水 湖水來(lái)自文獻(xiàn)[14])

由表1和圖2可見(jiàn)，茫崖湖、希里溝湖、尕海湖、托素湖作為水文過(guò)程相對(duì)單一的干旱區(qū)封閉湖盆，湖水中TDS含量分布在18.6～46.5 g/L之間，補(bǔ)給水體以周?chē)竟?jié)性河流匯入為主，從補(bǔ)給水體到湖盆，

δ

D值可從-62.0‰增至28.2‰，而

δ

O值可從-8.6‰增至7.9‰，4個(gè)咸水湖中

δ

D平均值為14.5‰、

δ

O平均值為5.8‰，體現(xiàn)了蒸發(fā)作用對(duì)于水體氫氧同位素的巨大影響；那棱格勒河發(fā)源于東昆侖山，以冰雪融水補(bǔ)給為主，在東臺(tái)鹽湖人工大壩的阻擋下目前主要匯聚至鴨湖，鴨湖湖盆底部含有較多的鹽分物質(zhì)，易于溶解進(jìn)入湖水中，加之一定的蒸發(fā)作用，使得湖水中TDS含量上升至8.6 g/L，

δ

D和

δ

O值分別增至-11‰和0.13‰；澀北氣田地層水中

δ

D值分布在-65.2‰～-51.0‰之間，

δ

O值分布在-6.6‰～-3.2‰之間，

δ

D平均值為-55.1‰，

δ

O平均值為-5.3‰，

δ

O值略高于那棱格勒河水(-7.6‰)，而

δ

D值略低于那棱格勒河水(-53.5 ‰)，但遠(yuǎn)低于鴨湖、東臺(tái)鹽湖以及盆地咸水湖水體，如此低的氫氧同位素充分表明水體受到的蒸發(fā)作用極其微弱。此外，由圖2可見(jiàn)，東昆侖山北坡的冰川雪水、那棱格勒河地下水及河水中的氫氧同位素皆分布在全球大氣降水線上，冰川雪水具有最低的氫氧同位素組成，那棱格勒河地下水次之；將澀北氣田地層水中氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其演化線與全球大氣降水線相交于

δ

D=-66.0‰、

δ

O=-8.1‰，位于冰川雪水與地下水之間，說(shuō)明澀北氣田地層水起源于大氣降水，極有可能與東昆侖山北坡的冰雪融水和山前的地下水有直接關(guān)系。近年來(lái)，有研究指出：地下水深循環(huán)是一種極為重要的水循環(huán)方式，甚至可能控制著更為宏觀的地下水平衡系統(tǒng)。東昆侖北緣發(fā)育有昆北深大斷裂，部分冰雪融水可以沿?cái)嗔严聺B至數(shù)千米的深部地層，參與地下水深循環(huán)，由于從昆侖山體至山前斜坡再到三湖坳陷整體為南高北低，深部地下水在顯著的高勢(shì)差下形成水力梯度，進(jìn)一步地沿山前斜坡帶順層驅(qū)替至三湖坳陷，到達(dá)滯水區(qū)，被封存在地層中。澀北氣田地層水中TDS含量的平均值可達(dá)117.7 g/L，一般而言，如此高的溶解性總固體的水體，往往會(huì)具有相對(duì)高的氫氧同位素組成，尤其是在干旱荒漠戈壁區(qū)。而較為特殊的是，澀北氣田地層水卻有著極低的氫氧同位素組成，這恰恰說(shuō)明其中的鹽分物質(zhì)幾乎完全來(lái)自于地層元素的物理溶解過(guò)程。

δ

O往往會(huì)在水體溶解碳酸鹽過(guò)程中發(fā)生交換，而碳酸鹽的

δ

O值一般都相對(duì)偏高，從而導(dǎo)致水體中

δ

O值升高，澀北氣田地層水中

δ

O值相對(duì)于冰川融水正向飄移3.5 ‰左右，進(jìn)一步地指示了氣田水在溶解地層鹽類物質(zhì)過(guò)程中發(fā)生的水-巖反應(yīng)。

可以確定的是：澀北氣田地層水起源于東昆侖山冰川雪水，為冰川雪水轉(zhuǎn)換為地下水沿山前斜坡帶滲入三湖坳陷地層形成，并在地下水入滲、匯聚過(guò)程中溶解了地層中大量的鹽類物質(zhì)以及Sr、Br、B等微量元素，使得水體鹽度逐步增加，運(yùn)移至坳陷北部的背斜帶，最終形成鹽度較高的地層水，見(jiàn)圖3。實(shí)際上，澀北氣田地層水的物理化學(xué)性質(zhì)是非常獨(dú)特的，在整個(gè)柴達(dá)木盆地中高鹽度、低氫氧同位素組成的水體并不多見(jiàn)，有些典型元素的成因依然值得進(jìn)一步深入探討。

圖3 三湖坳陷地層水運(yùn)移剖面圖Fig.3 Profile of formation water transport in Sanhu depression

3.3 地層水特征及成因?qū)τ跐睔馓锷餁庑纬梢?guī)律和勘探開(kāi)發(fā)的啟示

澀北第四系生物成因氣田除地層新、規(guī)模大以外，還具有多方面的獨(dú)特性。在成因上，三湖坳陷第四系氣源巖有機(jī)質(zhì)豐度偏低，單靠本地生成的生物氣，顯然不能滿足成藏要求，為何仍能形成如此規(guī)模的氣田？在富集構(gòu)造上，理論上地層水較高的鹽度會(huì)大大抑制甲烷菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)氣，而昆北斷階山前斜坡帶地層水較為淡化，有利于生物氣的生成，因此山前南部斜坡帶曾一度被作為勘探靶區(qū)，并實(shí)施生物氣鉆井十余口，但是幾乎未見(jiàn)氣藏異常顯示，那么生物氣為何富集在北部凹陷背斜帶內(nèi)成藏？

由澀北氣田地層水的起源推測(cè)：生物氣確實(shí)可以在昆侖山前南斜坡帶大量生成，但是南斜坡背斜圈閉極少，所產(chǎn)的生物氣難以保存，同時(shí)盆地自南向北極好的地下水動(dòng)力條件使得生物氣被大量向北沖刷，運(yùn)移至凹陷背斜帶內(nèi)由于壓力釋放加之水體鹽度大幅升高，使生物氣的溶解度降低，水溶氣大量析出，并在有利位置與地層原生氣體混合富集動(dòng)態(tài)成藏(見(jiàn)圖3)。地層水的成因演化進(jìn)一步指示澀北氣田具有生物氣橫向運(yùn)移、水溶氣動(dòng)態(tài)成藏的富集規(guī)律。

2014年，青海油田在柴達(dá)木盆地三湖坳陷鹽湖構(gòu)造西南翼實(shí)施3 500 m的氣鉀1井(位置見(jiàn)圖1)，鉆探層位為7個(gè)泉組和獅子溝組、上油砂山組，進(jìn)行鉀鹽和生物氣資源的雙重勘探，但是未見(jiàn)油氣顯示。經(jīng)評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)：該區(qū)地層烴源巖與區(qū)域地層烴源巖發(fā)育情況一致，其整體有機(jī)質(zhì)含量較低，且蓋層的封蓋性較差。澀北生物氣獨(dú)特的運(yùn)聚成藏規(guī)律提示：在三湖地區(qū)進(jìn)行生物氣勘探過(guò)程中，除地層烴源巖和蓋層因素外，應(yīng)當(dāng)十分重視地下水流體系和水文地質(zhì)過(guò)程的研究。已有大量研究強(qiáng)調(diào)，地層水在生物氣生產(chǎn)和聚集過(guò)程中可能發(fā)揮著關(guān)鍵作用，地層水的起源、運(yùn)移和咸化過(guò)程在某種程度上決定著生物氣的生成、運(yùn)移和聚集。因此，在三湖地區(qū)進(jìn)行生物氣勘探過(guò)程中，應(yīng)著重查明三湖地區(qū)深部地層水的來(lái)源和咸化成因，并在三湖地區(qū)及外圍深部富鋰鹵水勘探過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)生物氣資源的關(guān)注。

4 結(jié) 論

(2) 澀北氣田地層水中

δ

D值分布在-65.2～-51.0‰之間，

δ

O值分布在-6.6‰～-3.2‰之間，

δ

D平均值為-55.1‰，

δ

O平均值為-5.3‰，相對(duì)低的氫氧同位素充分表明水體受到的蒸發(fā)作用極其微弱，相對(duì)于冰川融水正向飄移3.5‰左右的

δ

O值則指示了澀北氣田地層水在溶解地層鹽類物質(zhì)過(guò)程中發(fā)生的水-巖反應(yīng)。

(3) 結(jié)合水化學(xué)組分和氫氧同位素特征推斷：澀北氣田地層水起源于東昆侖山冰川雪水，為冰川雪水轉(zhuǎn)換為地下水沿山前斜坡帶滲入三湖坳陷地層形成,并在地下水入滲、匯聚過(guò)程中溶解了地層中大量的鹽類物質(zhì)以及Sr、Br、B等微量元素，使得水體鹽度逐步增加，運(yùn)移至坳陷北部的背斜帶，最終形成鹽度較高的地層水。

(4) 地層水的成因演化進(jìn)一步指示澀北氣田具有生物氣橫向運(yùn)移、水溶氣動(dòng)態(tài)成藏的富集規(guī)律，也證明地層水的起源、運(yùn)移和咸化過(guò)程在一定程度上決定著生物氣的生成、運(yùn)移和富集。因此，在三湖地區(qū)進(jìn)行生物氣勘探過(guò)程中，除地層烴源巖和蓋層因素外，應(yīng)當(dāng)重視地下水流體系和水文地質(zhì)過(guò)程的研究。