準(zhǔn)噶爾盆地南緣白楊溝泥火山群地質(zhì)流體的地球化學(xué)特征

馬 勇, 馬向賢, 張 力, 胥 旺, 李小雅, 盧昌順, 傅慶州, 鄭國(guó)東

準(zhǔn)噶爾盆地南緣白楊溝泥火山群地質(zhì)流體的地球化學(xué)特征

馬 勇1, 2, 3, 馬向賢1, 2*, 張 力1, 2, 3, 胥 旺1, 4, 李小雅5, 盧昌順5, 傅慶州6, 鄭國(guó)東1, 2*

(1. 中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州 730000; 2. 甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院, 四川 成都 610059; 5. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 6. 臺(tái)灣“中研院” 地球科學(xué)研究所, 臺(tái)灣 臺(tái)北 115)

泥火山溢出地質(zhì)流體的地球化學(xué)特征有助于解釋泥火山的物質(zhì)來(lái)源、油氣水巖相互作用以及區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)性等。目前白楊溝泥火山群至少有75個(gè)仍在活動(dòng)的噴口, 其中有明顯泥水溢出的噴口約40個(gè)。釋放氣體主要成分為甲烷, 并含有少量的二氧化碳和氮?dú)獾?。甲烷的?3C值為?51.1‰ ～ ?44.3‰, 二氧化碳的δ13C值為?21.8‰ ～ 10.7‰, 具有熱成因原油伴生氣特征, 但也可能經(jīng)歷了微生物的改造作用。噴口泥水富集Na+、Cl?、HCO? 3等離子, 水化學(xué)類型為NaCl型和NaHCO3型, 可能是地下油氣藏中的油田水與儲(chǔ)存在深部地層中的古大氣降水的混合流體, 并經(jīng)歷過(guò)比較復(fù)雜的油氣水巖相互作用。白楊溝泥火山的活動(dòng)強(qiáng)度整體上自西向東逐漸減弱, 噴口氣體的宏觀滲漏強(qiáng)度和泥水pH值也明顯降低, 二氧化碳的δ13C逐漸偏重, 甲烷的δ13C變輕, 揭示西側(cè)區(qū)域泥火山與地下深部的連通性較好, 地下地質(zhì)流體向地表的運(yùn)移速率較快, 遭受的微生物改造程度相對(duì)較低, 對(duì)流體碳同位素分餾的影響較小。

泥火山; 地質(zhì)流體; 碳同位素; 水巖相互作用

0 引 言

泥火山是特定地質(zhì)構(gòu)造和水文環(huán)境條件下的地質(zhì)流體活動(dòng)現(xiàn)象(王道等, 1997; Kopf, 2002), 可以把大量的地下深部物質(zhì)攜帶到地表。對(duì)泥火山噴發(fā)物進(jìn)行系統(tǒng)研究有助于了解地下深部物質(zhì)的組成和循環(huán), 其中與油氣系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的泥火山還可以為深部油氣藏的探查研究提供佐證。目前, 世界上發(fā)現(xiàn)的大部分泥火山都與含油氣盆地密切相關(guān), 例如我國(guó)的準(zhǔn)噶爾盆地和羌塘盆地、阿塞拜疆kura盆地和South Caspian盆地等都分布有大量與油氣藏相關(guān)的泥火山(范衛(wèi)平等, 2007; 余琪祥, 2016; 顏澤等, 2018; Lavrushin et al., 2019; Baldermann et al., 2020)。泥火山還通過(guò)各種復(fù)雜的輸導(dǎo)格架向大氣釋放大量以甲烷為主的溫室氣體。Etiope et al. (2011)對(duì)全球27處泥火山噴口甲烷的宏觀滲漏及其周圍土壤微滲漏通量進(jìn)行測(cè)量, 初步估算得出全球泥火山每年釋放到大氣的甲烷大約為10～30 Mt。泥火山系統(tǒng)的油氣水巖相互作用可以改變圍巖的很多特征, 其中最為突出的現(xiàn)象就是引起圍巖顏色和成分的明顯變化(Zheng et al., 2010)。因此, 對(duì)泥火山釋放各類流體的研究具有多方面的重要科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

地球化學(xué)研究結(jié)果顯示, 泥火山溢出的流體往往具有多種來(lái)源, 運(yùn)移過(guò)程非常復(fù)雜(Li et al., 2014; Mazzini and Etiope, 2017)。泥火山溢出的流體可能是深層地下水和淺層水與油氣的混合物(Planke et al., 2003), 在向地表運(yùn)移的過(guò)程中其化學(xué)組成和同位素特征可能會(huì)發(fā)生極為復(fù)雜的系統(tǒng)變化, 到目前為止, 對(duì)該過(guò)程仍然缺乏令人信服的系統(tǒng)解釋, 尤其是干旱環(huán)境區(qū)的泥火山(Planke et al., 2003)。新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣發(fā)育一些與油氣藏相關(guān)聯(lián)的泥火山, 主要位于北天山前緣的背斜構(gòu)造上, 區(qū)域斷裂帶與背斜核部斷裂相交, 各種裂隙錯(cuò)綜復(fù)雜, 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍, 成為深部地質(zhì)流體運(yùn)移和溢出的良好通道。此外, 準(zhǔn)噶爾盆地南側(cè)高聳的北天山常年積雪, 山前坡地降雨充沛, 再加上冰雪消融等, 為這些泥火山的強(qiáng)烈活動(dòng)提供了豐富的水源。前人對(duì)該地區(qū)泥火山的研究主要集中在地震前兆判識(shí)、微生物種群及其多樣性、氣體和流體地球化學(xué)特征、溫室氣體釋放、泥漿元素組成及含量變化等方面(Nakada et al., 2011; Dai et al., 2012; 楊曉芳等, 2014; 馬向賢等, 2014; 覃千山等, 2015; 高小其等, 2015; 尹兆明等, 2017; Chen et al., 2018), 但對(duì)白楊溝泥火山群流體地球化學(xué)特征的綜合研究還相對(duì)欠缺。因此, 通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣白楊溝泥火山噴口泥漿水和釋放氣體的系統(tǒng)測(cè)試分析, 可以探討泥漿水陰陽(yáng)離子的分布特征及其來(lái)源, 判識(shí)釋放氣體的成因類型與運(yùn)移過(guò)程, 綜合分析泥火山地質(zhì)流體地球化學(xué)特征的區(qū)域變化規(guī)律, 為加深認(rèn)識(shí)泥火山系統(tǒng)油氣水巖相互作用等提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣的北天山山前沖斷帶上。由于受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的深刻影響, 特別是北天山構(gòu)造帶向北的推覆擠壓作用, 準(zhǔn)噶爾盆地南緣在南北方向上發(fā)育了三到四排展布方向?yàn)镾EE-NWW的逆沖斷裂–背斜帶, 從南向北依次為: ①清水河–齊古逆斷裂–背斜帶; ②霍爾果斯–瑪納斯–吐谷魯逆斷裂–背斜帶; ③獨(dú)山子–安集海逆斷裂–背斜帶(張培震等, 1996; 鄧起東等, 1999; 趙瑞斌等, 2000)。此外, 在獨(dú)山子–安集海逆斷裂–背斜帶的西北部還發(fā)育了一個(gè)最新活動(dòng)的隆起幅度更小的西湖隆起(趙瑞斌等, 2000)。這些背斜–斷裂帶的形成與活動(dòng)為泥火山的發(fā)育提供了基本條件。目前, 該地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的泥火山群由西向東分別是白楊溝、艾其溝、獨(dú)山子、安集海等(王道, 2000; 高小其等, 2008; 杜建國(guó)等, 2013; Wan et al., 2013; 楊曉芳等, 2014)。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沉積了巨厚的古生代、中生代和新生代地層, 累計(jì)最大厚度可達(dá)17 km(宋巖等, 1993;鄧起東等, 2000)。其中, 二疊系、三疊系、侏羅系和白堊系主要由砂巖和泥巖組成, 并且有機(jī)質(zhì)豐度較高, 有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ-Ⅲ為主, 是準(zhǔn)噶爾盆地南部區(qū)域烴源巖的主要賦存層位(孫平安等, 2015); 古近系和新近系主要是由膏泥巖、灰?guī)r、砂巖和礫巖等組成, 而第四系以砂質(zhì)黃土和礫石沉積物等為主要組成(白斌, 2008; Chen et al., 2018)。

白楊溝(BYG)泥火山群位于新疆維吾爾自治區(qū)烏蘇市白楊溝鎮(zhèn)西南2.5 km處, 地理坐標(biāo)為84°23′09″～84°23′20″E, 44°10′52″～44°11′06″N, 海拔高度1031～1280 m。白楊溝泥火山分布區(qū)屬于北天山山前的第一排斷裂–背斜帶, 即清水河–齊古逆斷裂–背斜帶, 地表出露地層雜亂無(wú)章, 新老地層相互交錯(cuò), 構(gòu)造斷層錯(cuò)綜復(fù)雜, 巖石破碎嚴(yán)重?？傮w上, 西部區(qū)域具有典型的構(gòu)造斷裂破碎帶特征, 中部和東部區(qū)域的地層相對(duì)連續(xù), 巖石破碎程度較低。白楊溝泥火山是亞洲最大的泥火山群(楊曉芳等, 2014; 高小其等, 2015), 泥漿噴口主要分布在山頂平臺(tái)和半山坡及溝谷內(nèi)。資料顯示, 白楊溝泥火山群活動(dòng)噴口最多的時(shí)候有200多個(gè)(高小其等, 2015), 自2002年開(kāi)始, 泥火山噴口逐步減少(楊曉芳等, 2014)。筆者于2019年1月、4月和7月先后3次對(duì)白楊溝泥火山群進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)白楊溝泥火山群現(xiàn)存的泥火山噴口至少有75個(gè)(圖1), 其中噴口有明顯泥水氣溢出的40個(gè)左右。這些噴口的形狀多為圓形或者橢圓形, 噴口的規(guī)模大小不一, 最大的噴口直徑有3.5 m, 小的如蠶豆(圖2), 分布很不均勻, 有些噴口單獨(dú)出現(xiàn), 有些則集中成群分布。泥漿池內(nèi)不時(shí)地有氣泡冒出, 溢出泥漿從池邊流出, 沿著山坡蜿蜒而下, 形成多條泥流溝谷。噴口的氣泡冒出多具有間歇性, 活動(dòng)強(qiáng)的噴口每分鐘冒泡超過(guò)120次, 而活動(dòng)弱的噴口隔幾分鐘甚至數(shù)十分鐘才冒泡1次。

白楊溝泥火山群噴口發(fā)育特征和地表圍巖自西向東有明顯差異。西側(cè)的泥火山活動(dòng)強(qiáng)烈, 噴出泥漿的顏色為灰黑色, 噴出氣體有強(qiáng)烈的硫化氫氣味, 其圍巖主要為砂巖與泥巖, 暴露地表被風(fēng)化后多呈灰綠色。而中部區(qū)域的泥火山噴口大小不一, 很多噴口成群出現(xiàn), 有些噴口則零散分布, 流體噴出強(qiáng)度多變, 泥漿顏色多為淺灰色–深灰色, 地表出露圍巖的顏色多為綠色–淺紅色。東側(cè)的泥火山活動(dòng)較弱, 泥漿顏色為淺紅色(圖2d), 地表巖土以紅色為基調(diào), 尤其是在沒(méi)有明顯泥漿噴口的區(qū)域地表顏色呈棕紅色。

圖1 白楊溝泥火山群噴口分布圖

(a) 西側(cè)區(qū)域泥火山活動(dòng)噴口, 泥漿顏色為深灰黑色; (b)、(c) 中部區(qū)域泥火山活動(dòng)噴口, 泥漿顏色為灰色–淺灰色; (d) 最東側(cè)區(qū)域泥火山活動(dòng)噴口, 泥漿顏色為淺紅色。

2 樣品和方法

針對(duì)白楊溝泥火山群地質(zhì)流體溢出的基本特征以及實(shí)驗(yàn)條件的限制, 需要選擇適當(dāng)?shù)姆椒ê腿萜鬟M(jìn)行氣樣和水樣的采集。氣體樣品是用100 mL的玻璃瓶通過(guò)排水法采集的。在每個(gè)采樣點(diǎn)位收集氣樣時(shí), 需要將采氣瓶預(yù)先裝滿相應(yīng)噴口的泥漿水, 然后瓶口向下倒置在泥漿中, 再把倒置在泥漿中漏斗的出氣口放進(jìn)預(yù)先裝滿泥漿水的采氣瓶瓶口內(nèi), 集氣漏斗和采氣樣瓶都需浸入到泥漿中進(jìn)行操作。泥火山釋放的氣體通過(guò)漏斗進(jìn)入采氣瓶, 當(dāng)收集的氣體聚集到玻璃瓶的3/4容積時(shí), 停止收氣, 并在水下將實(shí)心的橡膠塞塞進(jìn)瓶口, 然后現(xiàn)場(chǎng)用封口膜將瓶口密封。從泥火山噴口采集的水樣, 須用0.45 μm的過(guò)濾器現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾后封裝在20 mL的聚乙烯塑料瓶中, 瓶口用封口膜密封。

泥火山噴口的泥漿溫度、酸堿度(pH)、鹽度、氧化還原電位(Eh)等物理化學(xué)參數(shù)使用便攜式多功能水化學(xué)參數(shù)儀(Handylab multi 12, SCHOTT, Germany)野外進(jìn)行原位檢測(cè)。泥火山釋放氣體的化學(xué)組分和碳同位素、泥漿水離子組成等測(cè)試分析均在中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心完成。氣體組分分析采用德國(guó)菲尼克根公司生產(chǎn)的MAT 271高分辨率氣體組分質(zhì)譜計(jì)和色譜聯(lián)用儀(Agilent 5973 GC/MS), 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<0.5%, 碳同位素分析采用Delta Plus XP穩(wěn)定碳同位素質(zhì)譜計(jì), 分析精度為±0.5‰。水樣的HCO? 3含量采用滴定法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè), 滴定水樣經(jīng)過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾, 其他陰陽(yáng)離子組成在實(shí)驗(yàn)室用DIONEX ICS-600離子色譜儀分析, 主要陰陽(yáng)離子的檢測(cè)下限為0.05 mg/L。

泥火山活動(dòng)噴口宏觀氣體滲漏強(qiáng)度測(cè)量采用北京捷思達(dá)儀分析儀器研發(fā)中心生產(chǎn)的GL-103B型數(shù)字皂膜流量計(jì)。其工作原理是通過(guò)上下傳感器感應(yīng)檢測(cè)玻璃管內(nèi)氣體的流量, 并通過(guò)內(nèi)置微處理器計(jì)算得出, 測(cè)量誤差小于±1%。

3 結(jié) 果

白楊溝泥火山群釋放氣體的分析結(jié)果(表1)顯示: 白楊溝泥火山釋放氣體與世界上大部分泥火山基本相似(Dimitrov, 2002; Etiope et al., 2009), 主要成分是甲烷, 并含有少量的氮?dú)夂投趸嫉? 相應(yīng)的體積含量分別為82.4%～90.6%、3.3%～9.8%和0.1%～0.9%。泥火山釋放氣體中甲烷和二氧化碳的δ13C值變化很大, 根據(jù)噴口甲烷的δ13C(δ13C1)變化, 可以將其分為兩組, 第一組: BYG-01、BYG-02、BYG-05和BYG-07, 這些噴口的δ13C1相近, 分別為?45.8‰、?44.8‰、?45.3‰、?45.5‰; 第二組: BYG-32、BYG-60和BYG-68, 它們的δ13C1相近, 分別為?51.1‰、?49.4‰和?48.7‰。δ13C(CO2)變化范圍在?21.8‰ ～ 10.7‰之間, BYG-32、BYG-60和BYG-68噴口的δ13C(CO2)相對(duì)其他噴口明顯偏重, 分別為10.7‰、4.1‰和5.5‰, 其平均δ13C(CO2)為6.8‰。乙烷的δ13C(δ13C2)變化與δ13C1變化趨勢(shì)相似, 同樣可以分作兩組, 第一組: BYG-01、BYG-02和BYG-07, 這些噴口的δ13C2相近, 分別為?21.3‰、?21.7‰和?22.8‰; 第二組: BYG-05、BYG-32、BYG-60和BYG-68, 它們的δ13C2相近, 分別為?25.6‰、?24.8‰、?24.7‰和?24.3‰。

白楊溝泥火山群噴口泥漿水物理化學(xué)參數(shù)和陰陽(yáng)離子組成分析結(jié)果見(jiàn)表2。噴口泥漿水pH值主要在8.3～9.5之間, 顯示弱堿性–堿性的特點(diǎn); 鹽度在5.5‰～8.2‰之間, 指示微咸水–半咸水環(huán)境; 氧化還原電位在?350 ～ –115 mV之間, 顯示強(qiáng)烈的還原性。噴口泥漿水中的陽(yáng)離子主要是Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+; 陰離子主要是Cl?、F?、NO? 3、SO2? 4、HCO? 3。其中, 優(yōu)勢(shì)離子主要是Na+、Cl?和HCO? 3, 其濃度分別是120.3～263.1 mmol/L, 116.5～196.7 mmol/L和21.8～93.0 mmol/L。另外, 白楊溝泥火山群西側(cè)溝谷河水的陰陽(yáng)離子濃度均小于10 mmol/L, 明顯低于泥火山噴口泥漿水的陰陽(yáng)離子濃度。泥火山噴口宏觀氣體滲漏強(qiáng)度在1186～3240 mL/min之間, 平均2274 mL/min。

表1 泥火山釋放氣體化學(xué)組分和δ13C

注: “/”代表無(wú)測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 泥火山噴口泥漿水陰陽(yáng)離子組成

注: n.a. 低于檢測(cè)限; BYG. 白楊溝泥火山; BYG-River. 白楊溝河水; “/”代表無(wú)數(shù)據(jù)。

4 討 論

4.1 氣體碳同位素特征與成因

氣體化學(xué)成分和C、H同位素是判識(shí)天然氣成因類型、示蹤氣體來(lái)源等最為有效和實(shí)用的地球化學(xué)指標(biāo)。根據(jù)Milkov and Etiope (2018)對(duì)全球76個(gè)國(guó)家20621個(gè)氣體樣品的δ13C數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果而修改制作的天然氣成因類型圖版, 白楊溝泥火山群的氣體樣品大部分都落在熱成因的原油伴生氣分布區(qū)域, 其中有4個(gè)樣品落在了熱成因氣和非生物成因氣的重疊范圍(圖3a、b) , 但白楊溝泥火山釋放氣體的δ13C均具有δ13C1<δ13C2<δ13C3的分布規(guī)律(表1), 表明白楊溝泥火山釋放氣體屬于有機(jī)成因的烷烴氣。甲烷和乙烷的δ13C值可以用來(lái)區(qū)分油型氣和煤型氣(張士亞等, 1988; Dai et al., 2009), δ13C1處于?55‰ ～ ?10‰之間, 油型氣δ13C2值小于?28.8‰, 煤型氣δ13C2值大于?25.1‰。研究區(qū)δ13C1值在?51.1‰ ～ ?44.3‰之間, δ13C2值在?25.6‰ ～ ?21.3‰之間, 均值為?23.3‰, 具有典型的煤型氣特征(Dai et al., 2009)。準(zhǔn)噶爾盆地南部油氣勘探結(jié)果證實(shí), 該區(qū)存在三套主力烴源巖,包括: ①中二疊統(tǒng)過(guò)成熟烴源巖, 主要產(chǎn)油型裂解氣; ②中、下侏羅統(tǒng)的成熟–過(guò)成熟煤系烴源巖, 主要產(chǎn)煤型氣; ③古近系未成熟–低成熟的烴源巖, 主要生成生物氣和低成熟天然氣(Pan and Yang, 2000; Ding et al., 2003; Qiu et al., 2008; 鮑志東等, 2011; Wan et al., 2013)。綜上所述, 白楊溝泥火山群釋放的氣體可能主要來(lái)源于所在地區(qū)的中、下侏羅統(tǒng)煤系烴源巖。

從圖3b和表1中可以看出, 研究區(qū)各噴口δ13C(CO2)變化范圍很大, 為?21.8‰ ～ 10.7‰。一方面可能與該區(qū)烴類化合物在地下運(yùn)移過(guò)程中遭受氧化以及后期的微生物改造作用有關(guān)。白楊溝泥火山群溢出泥漿含有十分復(fù)雜多樣的微生物種群, 特別是產(chǎn)甲烷古菌非常豐富, 其相對(duì)豐度為34.6%～49.4%(覃千山等, 2015), 可以導(dǎo)致次生甲烷的形成。就白楊溝泥火山系統(tǒng)來(lái)講, 烴類化合物在地下運(yùn)移過(guò)程中, 尤其是經(jīng)過(guò)中新生代紅層巖石很容易遭受氧化產(chǎn)生二氧化碳, 這些二氧化碳在微生物作用下部分地還原生成甲烷, 從而導(dǎo)致殘留的二氧化碳傾向于富集重C, 使其δ13C偏重(Pallasser, 2000; Nakada et al., 2011), 世界上其他地區(qū)的泥火山也存在類似現(xiàn)象(Milkov and Etiope, 2018; Babadi et al., 2019)。另一方面也可能受該地區(qū)烴源巖較高有機(jī)質(zhì)成熟度的影響。一般來(lái)講, 隨著有機(jī)質(zhì)成熟度的增加, 所生成的油氣會(huì)更加富集C2+, 當(dāng)烴源巖達(dá)到高成熟階段以后, C2+裂解所形成的二氧化碳一般富集重C, 從而導(dǎo)致其δ13C偏重(Larter et al., 2005; Milkov and Etiope, 2018)。準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)的侏羅系烴源巖的成熟度o在0.57%～2.1%之間, 屬于成熟–過(guò)成熟階段(孫平安, 2012; 龍華山等, 2013), 很有可能產(chǎn)生一定量富重C的二氧化碳。另外, 白楊溝泥火山群由西向東二氧化碳具有逐漸富集重C的趨勢(shì)(表1; 圖3b), 可能與該地區(qū)的特殊構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。白楊溝泥火山群的活動(dòng)強(qiáng)度整體上由西向東是逐漸減弱的, 泥漿池氣體宏觀滲漏強(qiáng)度和泥水pH值也明顯降低(表2; 圖4), δ13C1變輕, 反映了泥火山群西側(cè)區(qū)域地表與深部的連通性較好, 地下流體向地表運(yùn)移速度較快, 所遭受的地球化學(xué)變化程度可能相對(duì)較低, 從而導(dǎo)致西側(cè)區(qū)域δ13C(CO2)偏輕, 而東側(cè)區(qū)域的情況則恰好相反。泥漿水pH值整體上由西向東逐漸降低的現(xiàn)象可能揭示了泥火山系統(tǒng)微生物的發(fā)育和活動(dòng)強(qiáng)度由西向東變得更強(qiáng), 從而導(dǎo)致δ13C(CO2)偏重, δ13C1反而偏輕。此外, 白楊溝泥火山群分布區(qū)附近地表基巖顏色和泥漿顏色由西向東的變化, 可能與泥火山系統(tǒng)的圍巖性質(zhì)、局部構(gòu)造以及物質(zhì)來(lái)源等地質(zhì)條件有關(guān), 其中, 含有烴類化合物的還原性地質(zhì)流體在運(yùn)移釋放過(guò)程中對(duì)圍巖的去色蝕變作用可能具有重要的制約意義(Zheng et al., 2010; Xu et al., 2020)。

Primary microbial. 原始微生物氣; Thermogenic gas. 熱成因氣; Abiotic gas. 非生物成因氣; SM. 次生微生物氣; EMT. 早期熱成因氣; OA. 熱成因原油伴生氣; LMT. 晚期熱成因氣; CR. 二氧化碳還原; F. 甲基化作用; Biodegradation. 生物降解作用。

圖4 白楊溝泥火山群部分噴口的氣體宏觀滲漏通量變化圖

4.2 泥漿水化學(xué)特征

白楊溝泥火山群的所有采樣噴口泥漿水都富集HCO? 3、 Cl?以及 Na+, 且Na+與(HCO? 3+Cl?)濃度變化具有很強(qiáng)的相關(guān)性, 其相關(guān)系數(shù)2=0.98(圖5a)。這和世界上其他地區(qū)發(fā)育的泥火山流體成分特征基本一致(Dia et al., 1999; Liu et al., 2009; Chao et al., 2011)。同時(shí), 白楊溝泥火山群取樣噴口泥漿水離子組成特征具有相似的分布規(guī)律(表2), Na+、Cl?和HCO? 3濃度偏高, Mg2+和Ca2+次之, SO2? 4濃度偏低, 說(shuō)明研究區(qū)各噴口的流體來(lái)源可能是相同的。噴口泥漿水的化學(xué)類型主要是NaCl型和NaHCO3型, 與比鄰泥火山的白楊溝河水的化學(xué)類型明顯不同(圖6)。

根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果, 世界上大多數(shù)的油田水都是NaHCO3型, 其NaHCO3型水可存在于地下淺層和深層, 但淺層水的礦化度一般較低(張志攀等, 2011)。白楊溝泥火山群各噴口的泥漿水礦化度都比較高, 而較高礦化度的NaHCO3型水與地下油氣田的存在密切相關(guān)(張志攀等, 2011)。因此, 研究區(qū)泥火山噴口的NaHCO3型水可能主要來(lái)源于地下油氣藏中的油田水。另外, 如果Na+與Cl?的比例接近1∶1的等值線, Na+與Cl?的富集可能主要來(lái)源于蒸發(fā)巖的溶解(Gibbs, 1970), 但是圖5b表明, 白楊溝泥火山群泥漿水的Na+與Cl?相關(guān)性較低(2=0.6618),而且點(diǎn)位分散, 同時(shí)研究區(qū)內(nèi)只有新近系底部塔西河組發(fā)育有蒸發(fā)巖(朱明等, 2020), 因此, 蒸發(fā)巖的溶解并不是引起白楊溝泥火山群噴口泥漿水中Na+和Cl?濃度偏高的主要原因。

白楊溝泥火山群噴口泥漿水的δD值為?72.5‰ ～ ?66.5‰, 與當(dāng)?shù)貓?bào)告的大氣降水δD值(?100‰ ～ ?55‰)相接近, 泥漿水δ18O值為?3.0‰ ～ ?1.5‰, 高于大氣降水的δ18O值(?14‰ ～ ?8‰)(Nakada et al., 2011; Chen et al., 2018), 說(shuō)明這些泥火山溢出流體可能部分來(lái)源于儲(chǔ)存在深部地層中或與油氣藏相關(guān)的古大氣降水。另外, 流體在地下運(yùn)移的過(guò)程中會(huì)與圍巖發(fā)生復(fù)雜的油氣水巖相互作用(Clayton et al., 1966; Corteel et al., 2005; Li et al., 2014), 從而導(dǎo)致流體的化學(xué)成分發(fā)生變化。Babadi et al. (2019)對(duì)伊朗東南部泥火山流體來(lái)源的研究發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)烈的油氣水巖相互作用會(huì)引起Na+、Cl?和HCO? 3等離子的異常富集和O同位素的交換。因此, 白楊溝泥火山噴口富集上述陰陽(yáng)離子的原因可能是強(qiáng)烈的油氣水巖相互作用的結(jié)果。

圖5 水樣Na+與HCO? 3+Cl?(a)、Na+與Cl?(b)濃度關(guān)系圖

圖6 泥火山各個(gè)噴口水樣Piper圖

5 結(jié) 論

(1) 白楊溝泥火山釋放氣體主要成分是甲烷, 并含有少量的二氧化碳和氮?dú)獾? δ13C1值為?51.1‰ ～ ?44.3‰, δ13C2值為?25.6‰ ～ ?21.3‰, δ13C(CO2)值為?21.8‰ ～ 10.7‰, 表明這些釋放氣體應(yīng)該是熱成因的原油伴生氣, 可能主要來(lái)源于中、下侏羅統(tǒng)的煤系烴源巖。泥火山釋放氣體中δ13C(CO2)偏重, 主要是受烴類化合物在地下運(yùn)移過(guò)程中遭受氧化以及后期微生物改造作用的影響。另外, 也可能與氣源有機(jī)質(zhì)成熟度過(guò)高有關(guān)。

(2) 白楊溝泥火山噴口泥漿水呈弱堿性–堿性, 泥漿水的陰陽(yáng)離子包括Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl?、F?、NO? 3、SO2? 4、HCO? 3, 其中優(yōu)勢(shì)離子為Na+、Cl?、HCO? 3, 水化學(xué)類型為NaCl和NaHCO3型, 其來(lái)源可能是地下油氣藏中的油田水與儲(chǔ)存在深部地層中的古大氣降水的混合流體。噴口泥漿水富集Na+、Cl?、HCO? 3等離子, 可能是流體與圍巖發(fā)生強(qiáng)烈的油氣水巖相互作用的結(jié)果。

(3) 白楊溝泥火山的活動(dòng)強(qiáng)度整體上由西向東逐漸減弱, 各噴口的氣體宏觀滲漏強(qiáng)度和泥漿水的pH值也明顯降低, δ13C(CO2)逐漸變重, δ13C1變輕, 揭示泥火山群西側(cè)區(qū)域地表與地下深部連通性較好, 地下流體向地表運(yùn)移速率可能較快, 遭受的地球化學(xué)反應(yīng)程度相對(duì)較低, 而東側(cè)區(qū)域則相反。

致謝:上海海洋大學(xué)陳多福教授和另一位匿名審稿專家的建設(shè)性意見(jiàn)對(duì)本文質(zhì)量的提高起到重要作用; 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院杜麗高級(jí)工程師在氣體樣品化學(xué)組分, 閆燦燦博士和王威博士在碳同位素和陰陽(yáng)離子組成等分析測(cè)試方面提供了幫助, 在此表示衷心的感謝。

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Geochemical characteristics of geofluids in the Baiyanggou mud volcano group in the southern margin of the Junggar Basin

MA Yong1, 2, 3, MA Xiangxian1, 2*, ZHANG Li1, 2, 3, XU Wang1,4, LI Xiaoya5, LU Changshun5, FU Chingchou6, ZHENG Guodong1, 2*

(1. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China; 2. Provincial Key Laboratory of Petroleum Resources,Lanzhou 730000, Gansu, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China; 4. College of Energy,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China; 5. College of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu,China; 6. Institute of Earth Sciences, Academia Sinica, Taibei 115,Taiwan, China)

Explaining the source of mud volcanic materials, water-rock-oil-gas interactions in mud volcanic systems, and regional tectonic activities by geochemical characteristics of geofluids from mud volcanoes is crucial. Currently, at least 75 active vents are present in the Baiyanggou mud volcano group, among which approximately 40 vents clearly exhibit muddy water overflow. The primary components of the released gases are methane, accompaniedby a fraction of carbon dioxide and nitrogen. The carbon isotope values of methane and carbon dioxide ranged from ?51.1‰ to ?44.3‰ and ?21.8‰ to 10.7‰, respectively, implying that the gases are characterized by their association with thermogenic crude oils; however, microbial transformation cannot be ignored. The water overflow was predominantly enriched with Na+, Cl?, and HCO? 3, and belongs to the hydro-chemical types of NaCl and NaHCO3. The water overflow origin might be from the mixed oilfield water fluids in underground oil-gas reservoirs and the paleo-atmospheric precipitation in the deep strata that experiences complicated oil-gas-water-rock interactions. Mud volcanoes in the west of the study area were very active, with activity gradually decreasing to the east. The macro-seepage of the gases flux and the pH value of the water were significantly reduced from the west to east. Furthermore, the carbon isotopes in carbon dioxide became heavier and those of methane became lighter in the east, indicating that connectivity is better in the west than in the east. Geofluids can move towards the surface faster in the migration processes and less influenced by the microbial modifications, resulting in small carbon isotopic fractionation.

mud volcano; geofluids; carbon isotopes; water-rock interaction

P593

A

0379-1726(2022)04-0492-11

10.19700/j.0379-1726.2022.04.011

2020-07-17;

2020-09-20

中國(guó)科學(xué)院“西部之光”青年學(xué)者A類項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院臺(tái)灣青年學(xué)者(2018TWZ2ZA001)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFA708501)聯(lián)合資助。

馬勇(1997–), 男, 碩士研究生, 油氣地球化學(xué)方向。E-mail: mayong202108@163.com

馬向賢(1987–), 男, 副研究員, 主要從事氣體地球化學(xué)和油氣地質(zhì)研究。E-mail: maxxan@lzb.ac.cn

鄭國(guó)東(1961–), 男, 研究員, 主要從事油氣儲(chǔ)層地球化學(xué)和環(huán)境地球化學(xué)研究。E-mail: gdzhbj@mail.iggcas.ac.cn