羌塘盆地?zé)嵊X(jué)茶卡—藏夏河地區(qū)泉水水化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

曾勝?gòu)?qiáng),陳文彬,2,馮興雷,2

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081；2.自然資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610081）

0 引言

含油氣盆地內(nèi)所發(fā)生的一切地質(zhì)-地球化學(xué)作用都是在水的參與下進(jìn)行的,因此,水化學(xué)是沉積盆地流體研究中不可分割的一部分,也是油氣地球化學(xué)勘查的主要方法之一。從水文地質(zhì)觀點(diǎn)探討石油與天然氣的成藏規(guī)律,查明油田的水文地球化學(xué)特征,可為正確地認(rèn)識(shí)油氣富集規(guī)律、地層流體的性質(zhì)和加速油氣勘探步伐提供依據(jù)。水文地球化學(xué)研究方法在石油、天然氣找礦方面應(yīng)用十分廣泛,而且取得了較好的效果（張志攀等,2011）。

水動(dòng)力場(chǎng)與水化學(xué)場(chǎng)時(shí)空變化的一致性和連續(xù)性,是盆地水文地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)；沉積凹陷控制著水化學(xué)成分演變的方向,形成不同風(fēng)貌的水文地質(zhì)單元,地下水鋒面內(nèi)側(cè),由于滯流的還原環(huán)境,是油氣成藏的主要場(chǎng)所；近地表水化學(xué)異常的形成是深部油氣水影響和作用的結(jié)果。因此,根據(jù)水化學(xué)異常的分布規(guī)律,可以預(yù)測(cè)盆地含油氣遠(yuǎn)景,指示油氣富集有利地區(qū)（趙克斌等,2008）。

2014—2015 年期間,筆者等人在羌塘盆地北部熱覺(jué)茶卡—藏夏河一帶開(kāi)展天然氣水合物調(diào)查過(guò)程中,在該區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的泉點(diǎn)（圖1,圖2）,共計(jì)37 處,均為冷泉,大多以下降泉為主,這些泉眼主要分布在熱覺(jué)茶卡、瑪爾果茶卡、白云湖和藏夏河一帶,這為評(píng)價(jià)該區(qū)的油氣及天然氣水合物的保存條件提供了良好的研究素材。另外,為了更好地進(jìn)行參數(shù)對(duì)比,還采集了13 處地下水樣品,包括熱融洼地、溝水和湖水。本文在對(duì)該區(qū)泉水和地下水開(kāi)展水化學(xué)特征、水中烴類(lèi)氣體特征以及水中氫氧同位素特征研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合該區(qū)的烴源巖發(fā)育條件等,探討羌塘盆地?zé)嵊X(jué)茶卡—藏夏河地區(qū)油氣保存條件,并初步預(yù)測(cè)油氣和天然氣水合物有利遠(yuǎn)景區(qū)。

圖1 羌塘盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨把芯繀^(qū)位置圖Fig.1 Tectonic units of the Qiangtang Basin and the location of study area

圖2 羌塘盆地?zé)嵊X(jué)茶卡—藏夏河地區(qū)泉水及地表水取樣位置圖Fig.2 Sampling sites of spring water and surface water in the Rejue Chaka-Zangxiahe area，Qiangtang Basin

1 地質(zhì)背景

羌塘盆地位于青藏高原腹地，屬青海省和西藏自治區(qū)管轄，地理坐標(biāo)為北緯32°～35°，東經(jīng)84°～93°，大地構(gòu)造位于可可西里-金沙江縫合帶和班公湖-怒江縫合帶之間，為一個(gè)呈東西向展布的長(zhǎng)條形盆地，其南北寬約300km，長(zhǎng)約650 km，面積約22×104km2（圖1）。羌塘盆地具有兩坳一隆的構(gòu)造格局，北部為北羌塘坳陷，中部為中央隆起，南部為南羌塘坳陷（李忠雄等，2019）。羌塘盆地是建立在前奧陶系結(jié)晶基底之上發(fā)育形成的一個(gè)大型疊合盆地，是我國(guó)目前陸域新區(qū)油氣勘探程度最低、面積最大、地層沉積序列最完整的中生代海相含油氣盆地（王劍等，2020；付修根等，2020）。羌塘盆地在中生代時(shí)期經(jīng)歷了前陸盆地、裂谷盆地、被動(dòng)大陸邊緣盆地、活動(dòng)大陸邊緣盆地的演化階段，最后在早白堊世萎縮消亡（王劍和付修根，2018）。

羌塘盆地具有較好的成烴條件，主力的烴源巖包括：早白堊世含油頁(yè)巖層系、早中侏羅世黑色巖系、晚三疊世含煤系地層以及古生代二疊紀(jì)—石炭紀(jì)泥頁(yè)巖，其中，晚三疊世含煤系地層，氣源條件最為有利，地層厚度大，資源量雄厚，是羌塘盆地常規(guī)油氣有望取得突破的層位。本次研究的地區(qū)涉及了有早白堊世、晚三疊世和古生代二疊紀(jì)—石炭紀(jì)烴源巖地層，這些烴源巖大多具有有機(jī)質(zhì)含量高、熱演化程度中等的特點(diǎn)（陳文彬等，2015；馮興雷等，2018），為盆地內(nèi)油氣的成藏提供了良好的基礎(chǔ)。另外，近年來(lái)，很多學(xué)者認(rèn)為羌塘盆地的多年凍土區(qū)具備天然氣水合物形成的溫壓條件（張立新，2001；黃朋等，2002；陳多福等，2005；祝有海等，2010，2011；馮興雷等，2015），因此，這些烴源巖的發(fā)育還為天然氣水合物成藏提供了良好的物源條件。油氣的保存條件一直是羌塘盆地常規(guī)和非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中研究的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，而且相關(guān)研究較少。研究表明，地下水可以反映氧化-還原環(huán)境和水動(dòng)力條件，其水化學(xué)特征、水溶性烴類(lèi)氣體特征和水中氫氧同位素特征等對(duì)于盆地內(nèi)油氣的保存條件具有很好的指示意義。本文試圖通過(guò)地下水（主要為泉水）的水化學(xué)特征的分析，對(duì)研究區(qū)的油氣保存條件進(jìn)行初步的討論，以對(duì)該區(qū)的油氣和天然氣水合物的成藏條件提供輔助的地質(zhì)證據(jù)。

羌塘盆地泉點(diǎn)星羅棋布，主要有冷泉（0～10℃）、低溫溫泉（10～20℃）、中低溫溫泉（20～30℃）、中溫溫泉（30～40℃）、中高溫溫泉（40～50℃）溫泉和高溫溫泉（溫度＞50℃，包括噴泉；成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，2014）。此外，該盆地還發(fā)育鈣華等溫泉遺跡，反映該區(qū)昔日水熱活動(dòng)強(qiáng)烈。區(qū)域上，羌塘盆地水溫＞10℃的溫泉以南羌塘坳陷最發(fā)育，中央隆起帶次之，北羌塘坳陷最少且主要集中于其南部地區(qū)。橫向上，總體表現(xiàn)為西部地區(qū)相對(duì)冷泉集中，向東溫泉逐步增多的特點(diǎn)。從局部構(gòu)造上來(lái)看，區(qū)內(nèi)大多數(shù)溫泉主要發(fā)育于斷裂帶上，尤其以南北向斷層最為發(fā)育。本次研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的泉點(diǎn)主要為冷泉，分布在熱覺(jué)茶卡、瑪爾果茶卡、白云湖和藏夏河一帶，以下降泉為主，其次為斷層上升泉。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

羌塘盆地?zé)嵊X(jué)茶卡—藏夏河地區(qū)泉水豐富，大都以下降泉為主，見(jiàn)表1。其中，泉水共37 處，大多為冷泉，溫度在4～16℃之間，另外還采集了13 處地下水，包括熱融洼地、溝水和湖水。這些水樣主要采集于羌塘盆地北部的熱覺(jué)茶卡、瑪爾果茶卡、白云湖和藏夏河一帶，取樣位置見(jiàn)圖2。采樣前，先用泉水將空礦泉水瓶清洗3～5 遍，再將泉水裝入瓶中密封保存等待測(cè)試。樣品的分析測(cè)試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)室完成。

表1 研究區(qū)水樣采集統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of the water samples from study area

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)特征

表2 研究區(qū)水樣水化學(xué)特征表Table 2 Chemical compositions of the water samples from study area

3.1.1 水型

水化學(xué)成分的形成主要取決于它所處的環(huán)境，在不同的環(huán)境中，可以形成各種不同性質(zhì)的水，其中含有不同的鹽類(lèi)。反之，某些典型鹽類(lèi)或特有組分的出現(xiàn)，可以反映水所形成的環(huán)境。根據(jù)水中Na＋、Cl-、Mg2＋、SO42-四種離子之間的當(dāng)量比例，蘇林將水劃分為硫酸鈉型（Na2SO4）、重碳酸鈉型（NaHCO3）、氯化鎂型（MgCl2）、氯化鈣型（CaCl2）四種水型（B A.蘇林，王成義譯，1956）。

按照蘇林分類(lèi)的原則，對(duì)研究區(qū)水樣進(jìn)行化學(xué)類(lèi)型分類(lèi)，其中硫酸鈉型（Na2SO4）有31 件，占62%；氯化鎂型（MgCl2）14 件，占28%；重碳酸鈉型（NaHCO3）3 件，占6%；氯化鈣型（CaCl2）2 件，占4%。Na2SO4水型通常表示地殼的水文地質(zhì)封閉性差，CaCl2水型則常出現(xiàn)在水文地質(zhì)封閉性良好的地殼內(nèi)部；而NaHCO3和MgCl2水型則常為過(guò)渡型。油氣田的水型往往以CaCl2型和NaHCO3型為主。

研究區(qū)內(nèi)，Na2SO4型水占62%，可能與大部分水為地表水有關(guān)，也可能與該區(qū)廣泛分布的古近系嗩吶湖組的石膏層有關(guān)。MgCl2型水有14 件，礦化度均比較高，為咸水和鹽水，可能為海洋成因的地下水。NaHCO3型水有3 件，樣品采集自熱覺(jué)茶卡的西北側(cè)和東北側(cè)，可能與地下油氣藏有關(guān)。CaCl2型水有2 件（Sh-1 和Sh-2），位于研究區(qū)東北部藏夏河以東，反映藏夏河地區(qū)地下水良好的封閉性。

3.1.2 礦化度

一般來(lái)講，埋藏較深，水交替強(qiáng)度較弱，地層水礦化度較高，為油氣藏保存的有利環(huán)境，礦化度的評(píng)價(jià)對(duì)油氣遠(yuǎn)景方面具有一定指示意義。研究區(qū)礦化度平均值為6475mg／L，根據(jù)礦化度的大小，可以將熱覺(jué)茶卡—藏夏河地區(qū)的泉水類(lèi)型分為淡水、咸水和鹽水三類(lèi)，其中，淡水16 件，占32%；咸水23件，占46%；鹽水11 件，占22%。研究區(qū)的礦化度普遍較高，說(shuō)明該區(qū)具有較好的保存條件。

3.1.3 銨根離子

銨的來(lái)源主要來(lái)自于有機(jī)質(zhì)，為缺氧環(huán)境中形成的，且與油氣關(guān)系密切。研究區(qū)的銨根離子，平均含量為0.895μg／g，其中藏夏河?xùn)|部地區(qū)的樣品SH-02 的銨含量最高，達(dá)7.381μg／g，表明在該區(qū)有機(jī)質(zhì)相對(duì)豐富，這與在區(qū)域上的研究結(jié)果基本一致（Zeng et al.，2020）。

3.1.4 變質(zhì)系數(shù)、脫硫系數(shù)

變質(zhì)系數(shù)（Na＋／Cl-）、脫硫系數(shù)（SO42-／Cl-×100）可以反映地層水化學(xué)環(huán)境和水動(dòng)力條件，與油氣藏的分布和保存有密切關(guān)系。

現(xiàn)代海水變質(zhì)系數(shù)（γNa＋／γCl-）為0.87。地下水的變質(zhì)系數(shù)若小于此值，表明發(fā)生了濃縮變質(zhì)作用，代表保存條件好；反之，保存條件差（表3）。研究區(qū)有13 件水樣的變質(zhì)系數(shù)小于0.87，主要位于藏夏河以東和瑪爾果茶卡東部?jī)蓚€(gè)地區(qū)，說(shuō)明這兩個(gè)地區(qū)處于水交替停滯帶，對(duì)油氣保存有利；其它37 件樣品的變質(zhì)系數(shù)大于0.87，保存條件相對(duì)較差。

表3 地下水化學(xué)環(huán)境分區(qū)指標(biāo)Table 3 Discrimination index of the chemical environment of groundwater

另外，脫硫系數(shù)（SO42-／Cl-×100）越小，表示地下水脫硫作用越強(qiáng)，處于還原環(huán)境。樣品Sh-1、Sh-2的脫硫系數(shù)小于1，表明藏夏河?xùn)|部一帶處于還原環(huán)境；8 件樣品為弱還原環(huán)境，大多位于熱覺(jué)茶卡以西；40 件樣品脫硫系數(shù)大于15，表明研究區(qū)主要為弱氧化—氧化環(huán)境。

續(xù)表2

3.2 水中烴類(lèi)氣體特征

挑選部分水樣的水溶性烴類(lèi)氣體進(jìn)行測(cè)試分析，為了更好地進(jìn)行對(duì)比，還采集了嗩吶湖泥火山湖中的樣品SC-10 樣品，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)水樣烴類(lèi)氣體含量Table 4 Hydrocarbon gas contents of the water samples from study area

在測(cè)試的水樣中，甲烷平均含量0.42μL／kg，以平均含量作為研究區(qū)甲烷含量的背景值，以背景值的兩倍作為異常值。從圖3 可以看出，研究的水樣中僅SC-04、SC-05 達(dá)到了異常，位于白云湖一帶，表明該地區(qū)甲烷含量相對(duì)較高。烴類(lèi)氣體以甲烷為主，其它組分含量極少，且各組分之間無(wú)明顯規(guī)律。相對(duì)于嗩吶湖組泥火山群中泥漿樣品的459～2279μL／kg之間（平均為1042μL／kg）的數(shù)值還是較低。

圖3 研究區(qū)水樣甲烷含量對(duì)比圖Fig.3 Methane contents of the water samples from study area

3.3 水中氫氧同位素特征

地下水的穩(wěn)定同位素，主要為地下水組成元素氫和氧的穩(wěn)定同位素氘（D）和18O，可以很好地反映地下水的起源及形成過(guò)程（尹觀等，2001）。研究區(qū)的各類(lèi)地下水樣品的氘（D）和18O 同位素的分析結(jié)果如表5。

結(jié)果表明，研究區(qū)所采水樣的氫氧同位素變化較大，氫同位素δD 值的變化范圍為-108.0‰～-61.3‰之間，平均值為-81.7‰；氧同位素δ18O值（‰）的變化范圍為-12.9‰～-6.7‰之間，平均值為-9.9‰。如圖4，對(duì)比各種水體的氫氧同位素分布范圍可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的氫氧同位素落在了大氣降水線附近，說(shuō)明受到降水補(bǔ)給。

如圖4，樣品氫氧同位素分區(qū)明顯，ST-01、ST-02、ST-03、ST-04、ST-05、ST-06 等6 件樣品同位素偏正；ST-01、ST-02、ST-03、ST-04 等4 件樣品同位素偏負(fù)。偏正的樣品除了ST-06 外，其他均取自研究區(qū)中部，偏負(fù)的樣品均取自研究區(qū)的南部，說(shuō)明中部相對(duì)于南部蒸發(fā)量更大一些。

圖4 研究區(qū)水樣氫氧同位素組成Fig.4 Constitute of hydrogen and oxygen isotopes of the water samples in study area

氘過(guò)量參數(shù)的大小可以直觀地反映不同地區(qū)的分餾不平衡程度，計(jì)算公式為d ＝δD-8 δ18O（王恒純，1991；尹觀等，2001）。對(duì)所采集樣品的氘過(guò)量參數(shù)進(jìn)行分析（表5），10 個(gè)樣品的d 值均小于10，d值總體變化范圍在-18.7～9.4 之間，表明當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓谙聺B過(guò)程中與地表碳酸鹽巖發(fā)生了廣泛的同位素交換反應(yīng)（張志攀等，2011）。

表5 水樣氫氧同位素測(cè)試結(jié)果Table 5 Analysis results of isotopes of H and O of water samples

3.4 有利區(qū)優(yōu)選

研究區(qū)的圖中湖—拉熊錯(cuò)一帶的二疊系紅脊山組深灰—黑色泥頁(yè)巖、熱覺(jué)茶卡—嗩吶湖一帶上二疊統(tǒng)熱覺(jué)茶卡組的含煤系泥巖以及多色梁子—藏夏河一帶的上三疊統(tǒng)藏夏河組泥巖，以及分布于沃若山—江愛(ài)達(dá)日那一帶上三疊統(tǒng)土門(mén)格拉組含煤系泥巖是研究區(qū)中最有潛力的氣源巖。其中，上三疊統(tǒng)藏夏河組和上二疊統(tǒng)熱覺(jué)茶卡組有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較高，上三疊統(tǒng)藏夏河組有機(jī)碳含量平均為1.2%、S1＋S2平均為1.11mg ／g；上二疊統(tǒng)熱覺(jué)茶卡組有機(jī)碳平均為0.9%、S1＋S2平均為0.4mg／g，按殘余有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到較好—好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。二疊系紅脊山組泥頁(yè)巖TOC ＞0.4%、S1＋S2＞0.2mg／g，也達(dá)標(biāo)烴源巖標(biāo)準(zhǔn)（待發(fā)數(shù)據(jù)）。

結(jié)合上述水化學(xué)特征的分析，在研究區(qū)東北部的藏夏河一帶，采集的3 件水樣中，有兩件（Sh-01、Sh-02）為CaCl2水型，礦化度較高，為鹽水，反映良好的保存條件，且樣品Sh-02 含有相對(duì)富集的銨根離子，說(shuō)明研究區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較高；水樣的變質(zhì)系數(shù)和脫硫系數(shù)，均反映該有利區(qū)整體處于比較封閉的環(huán)境，為該區(qū)的油氣的保存和天然氣水合物的形成提供有利環(huán)境。在藏夏河一帶，地層主要為中—下侏羅統(tǒng)雀莫錯(cuò)組、古近系康托組，上三疊統(tǒng)藏夏河組的露頭零星分布，其中藏夏河組頁(yè)巖為較好烴源巖，可為天然氣水合物的形成提供氣源（Zeng et al.，2020）。另外，該區(qū)凍土廣泛分布，為大片連續(xù)多年凍土，主要凍土地貌特征為凍脹草丘、熱融洼地、凍脹丘、凍拔石等，手指湖、前進(jìn)湖周?chē)植嫉暮e物，可以作為較好的天然氣水合物蓋層。因此，藏夏河一帶可能成為有利的天然氣水合物勘探區(qū)。另外，在研究區(qū)的白云湖一帶，水樣中SC-04、SC-05達(dá)到了異常，表明該地區(qū)甲烷含量相對(duì)較高，該區(qū)的凍土分布范圍較廣，也可能成為潛在的天然氣水合物有利區(qū)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)羌塘盆地?zé)嵊X(jué)茶卡—藏夏河地區(qū)的水化學(xué)分析表明，該區(qū)的水型主要為硫酸鈉型和氯化鎂型，其次為重碳酸鈉型和氯化鈣型，礦化度普遍較高，說(shuō)明該區(qū)具有較好的保存條件。

（2）研究區(qū)水樣中均檢測(cè)出一定含量的水溶甲烷，以白云湖地區(qū)的甲烷含量相對(duì)較高，其它烴類(lèi)氣體含量極低，并且各組分之間無(wú)明顯的規(guī)律性。

（3）氫氧同位素結(jié)果表明，氫同位素δD 值的變化范圍為-108.0‰～-61.3‰之間，氧同位素δ18O值（‰）的變化范圍為-12.9‰～-6.7‰之間，氫氧同位素落在了大氣降水線附近，說(shuō)明受到降水補(bǔ)給。氘過(guò)量參數(shù)（d）結(jié)果顯示大氣降水在下滲過(guò)程中與地表碳酸鹽巖發(fā)生了廣泛的同位素交換反應(yīng)。

（4）研究區(qū)藏夏河以東的水樣具CaCl2（或NaHCO3）水型，礦化度高，變質(zhì)系數(shù)較低，硫酸鹽含量低，銨根含量高等特征，對(duì)油氣保存條件最好，結(jié)合該區(qū)的發(fā)育的終年凍土地貌，可能為天然氣水合物形成的有利地區(qū)；白云湖一帶水樣的水溶性烴類(lèi)氣體的異常結(jié)果也說(shuō)明該區(qū)可能預(yù)示天然氣水合物的存在。

致謝：在野外地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中得到了核工業(yè)二八〇研究所李金鋒、劉君豪等高級(jí)工程師和楊開(kāi)濤駕駛員的大力幫助，審稿專(zhuān)家和編輯部老師對(duì)本文提出了寶貴的修改意見(jiàn)，在此一并表示衷心感謝。