鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水化學特征及其成因

孔 為，周鑫宇

（成都理工大學，四川成都 610059）

鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水化學特征及其成因

孔 為，周鑫宇

（成都理工大學，四川成都 610059）

鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界區(qū)地層水化學組成主要以（K＋＋Na＋）、Cl-離子為主，總礦化度為14 442～61 243 mg／L，屬于鹽水和鹵水的范疇，p H值在5.15～7.01，屬偏酸性-弱堿性，地層水水型基本為CaCl2型水。地層水中Cl-和Ca2＋、Mg2＋的濃度與（K＋＋Na＋）和Ca2＋的濃度的關(guān)系表明，研究區(qū)地層水受沉積環(huán)境、流體-巖石相互作用、流體混合作用及蒸發(fā)濃縮作用共同控制，而含鈣礦物的溶蝕及鈉長石化作用等導(dǎo)致了Ca2＋離子的富集、Mg2＋離子和Na＋離子的虧損。地層水特征系數(shù)與油氣特征的關(guān)系顯示有利于油氣聚集和保存。

鄂爾多斯盆地；鎮(zhèn)涇地區(qū)；地層水；化學特征

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國中部中、新生代大型陸相沉積盆地之一，中生界三疊系延長組是該區(qū)油氣勘探的主要目的層，具有烴源巖發(fā)育，生儲蓋組合配套，勘探領(lǐng)域廣及潛力大的特點。鎮(zhèn)原-涇川（鎮(zhèn)涇）區(qū)塊在構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷南段，面積約為2 511.15 m2（圖1）。由于印支運動末期構(gòu)造抬升，研究區(qū)普遍缺失長4＋5段以上地層，部分井區(qū)缺失長6段；上覆侏羅系延安組沉積完全受控于前侏羅紀古地形，延安組自南向北依次超覆［1-2］。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界構(gòu)造平緩，為一簡單的單斜，發(fā)育一系列低幅鼻狀構(gòu)造。鎮(zhèn)涇地區(qū)三疊系延長組發(fā)育大型辮狀河三角洲前緣沉積，分流河道砂體極為發(fā)育［3-4］。三疊系延長組、侏羅系均構(gòu)成了河流-湖泊-河流的完整旋回。每一旋回的中部為湖盆發(fā)育的鼎盛時期，發(fā)育了較厚的烴源巖。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界烴源巖主要發(fā)育在三疊系延長組三段及二段，其次為侏羅系延安組二段。長8、長7及長6的烴源巖分布廣、厚度大、有機質(zhì)豐度高，有機質(zhì)類型中-好且成熟度適中，為中生界油氣藏的形成提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)長8層砂巖類型主要為長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，其中碎屑顆粒含量較高，一般占巖石總體的90%以上。碎屑長石主要由鉀長石和斜長石組成，以斜長石居多。巖屑主要由火成巖和變質(zhì)巖巖屑組成，沉積巖屑含量較低。火成巖屑成分主要為噴發(fā)巖屑，且含量較高；變質(zhì)巖屑成分較復(fù)雜，主要有石英巖、高變巖、片巖、千枚巖和板巖等，含少量云母碎屑。填隙物含量較少，由方解石、綠泥石、水云母、高嶺石、硅質(zhì)、白云石、黃鐵礦等組成，以方解石和綠泥石為主。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 地層水分布特征

2.1 地層水化學組成

通過對鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界產(chǎn)出的24個地層水樣的常規(guī)無機化學分析可知，（K＋＋Na＋）、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、HCO3-、SO42-等鹽類離子占了地層水的90%以上。長8地層水中含量最多的是Cl-，其次是（K＋＋Na＋）、Ca2＋，主要離子濃度組合是：Cl-＞ （K＋＋Na＋）＞Ca2＋＞Mg2＋＞HCO3-＞SO42-＞CO32-（圖2）。這種離子濃度組合特征可能是延長組碳酸鹽巖地層水埋藏、演化過程中，受多種因素作用的結(jié)果，地層水鹽類離子濃度普遍比現(xiàn)代海水離子濃度平均值要高，但是（K＋＋Na＋）、Mg2＋和SO42-的濃度要比海水的低，這可能與地層水演變過程中 Ca2＋，Cl-離子的富集與（K＋＋Na＋）、Mg2＋和SO42-離子的虧損有關(guān)；而 HCO3-離子的濃度比正常海水的要高，這可能與該地區(qū)存在大量的天然氣有關(guān)。

圖2 鎮(zhèn)涇地區(qū)長8層地層水各離子含量

地層水主要離子濃度隨總礦化度（TDS）的變化情況見圖3。Cl-濃度隨總礦化度的增大而增高，約占總礦化度的60%，相關(guān)系數(shù)達0.96，而高的Cl-濃度一般被認為是地層水蒸發(fā)濃縮的產(chǎn)物或鹽類礦物溶解的結(jié)果。因此，研究區(qū)鹽類的溶解是地層水富含Ca2＋、Cl-離子的主要原因，進而可以推測地層水的高礦化度也應(yīng)該與鹽類礦物的溶解作用有關(guān)。（K＋＋Na＋）、Ca2＋、Mg2＋濃度也隨著礦化度增大而升高，其相關(guān)性較Cl-差，HCO3-濃度隨總礦化度升高而減小。需要指出的是（K＋＋Na＋）、Ca2＋與礦化度的關(guān)系分為兩段式，先是隨著礦化度的增加，（K＋＋Na＋）增加的速率更快，隨著礦化度的進一步升高，Ca2＋增速大于（K＋＋Na＋）增速。這是因為在地下深處，沿著水巖作用和生物化學作用加強的方向，Ca2＋、Cl-離子增加，而 Na＋離子逐漸被Ca2＋離子置換，且這種置換是2個Na＋離子對應(yīng)一個Ca2＋離子。

圖3 鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水主要離子濃度隨總礦化度（TDS）的變化情況

2.2 地層水礦化度

對鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水樣的統(tǒng)計分析表明，其總礦化度為14 442～61 242 mg／L，平均礦化度達33 435.87 mg／L，略低于海水的鹽度35 000 mg／L。根據(jù)礦化度的劃分標準，鎮(zhèn)涇地區(qū)長8地層水屬于鹽水和鹵水的范疇［5］，為中、高濃度，是長期的地層內(nèi)循環(huán)、水-巖相互作用和經(jīng)濃縮變質(zhì)作用的綜合結(jié)果。研究區(qū)地層水主要來自海相或海陸過渡相環(huán)境，盡管經(jīng)歷過多次構(gòu)造運動，因其埋藏深，封閉條件較好，仍保存了較多的原始殘余海水的特征，并且在漫長的地質(zhì)發(fā)展過程中不斷濃縮和堿化，受大氣降水影響較小，從而造成現(xiàn)今地層水總礦化度高的特征。

2.3 地層水水型特征

通過對鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水樣的統(tǒng)計分析，并根據(jù)蘇林水型分類方案［6］可知，其主要為CaCl2型水，個別為 MgCl2型（H H26-10井）；其中，CaCl2型水是油氣田水中最有利的標志水型，一般被認為是深盆地滯留型水。從層位上看，少量MgCl2型水可能與鄰近地表水的入侵或其他因素有關(guān)（例如鉆井過程中淡水的加入）。MgCl2型的水可能與壓實成巖作用下硫酸鹽的溶解有關(guān)，不利于油氣的保存。中生界各層段地層水水型整體上均屬CaCl2型水。這表明延長組地層水在縱向水文地質(zhì)剖面上具有深層交替停滯狀態(tài)特征，地層水處于還原環(huán)境，反映儲層良好的封閉條件，有利于油氣聚集和保存。需指出的是，水型僅反映水文地質(zhì)封閉條件，并不意味著凡是CaCl2型水分布就能發(fā)現(xiàn)油氣藏。

2.4 酸堿度

對鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8測得p H值的24個地層水樣品的統(tǒng)計分析表明，其p H值介于5.1 5～7.01，多數(shù)在5.0～6.8，屬于偏酸性-弱堿性，這可能與該區(qū)總礦化度高有關(guān)。Hanor等認為（1994）：總礦化度高會使H＋活度增高，導(dǎo)致地層水變得偏酸性［7］。

3 地層水特征系數(shù)

與油氣儲層關(guān)系較大的地下水化學特征值，包括鈉氯系數(shù)、氯鎂系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)和脫硫系數(shù)等。這些指標通常用來判斷地層內(nèi)流體移動的方向、地層水活動的強弱和封閉性等情況，與油氣運聚有一定的成因關(guān)系。但是由于水化學參數(shù)受多種地質(zhì)作用的影響，只有在綜合考慮各種參數(shù)變化規(guī)律和相互對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，才能科學合理的利用這些參數(shù)。

（1）鈉氯系數(shù)（Na＋／Cl-）。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水鈉氯系數(shù)平均為0.57。按照博雅爾斯基分類（1970），研究區(qū)長8地層水屬于氯化鈣型水的三、四、五型，是有利于油氣聚集和保存的區(qū)域。

（2）脫硫系數(shù)（100×SO42-／Cl-）。脫硫系數(shù)（100×SO42-／Cl-）越小，表明地層水封閉性越好，有利于油氣的保存。據(jù)國內(nèi)外對油氣田的大量研究，脫硫系數(shù)為1可以作為還原條件好壞的界限指標。脫硫系數(shù)小于1的地層水，通常標明地層水還原徹底，埋藏于封閉良好的地區(qū)；反之，則認為還原不徹底，可能受到淺表層氧化作用的影響。鎮(zhèn)涇地區(qū)長8地層水脫硫系數(shù)平均值為0.3，說明該地區(qū)地層水封閉性好，有利于油氣的保存。

（3）氯鎂系數(shù)（Cl-／Mg2＋）和變質(zhì)系數(shù)（Cl--Na＋／Mg2＋）。據(jù)國內(nèi)外眾多油氣田研究，與油氣伴生的地層水氯鎂系數(shù)＞5.13，變質(zhì)系數(shù)＞1。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8層地層水Cl-／Mg2＋比值和Cl--Na＋／Mg2＋變化范圍較大，但二個系數(shù)絕大多數(shù)均在油氣田水指標范圍內(nèi)，說明研究區(qū)儲層總體封閉良好。

4 地層水成因分析

4.1 分析方法

影響地層水化學成分變化的主要機制包括溶釋溶解作用、蒸發(fā)濃縮作用、混合作用、陽離子交替吸附作用、滲析作用、脫硫酸作用和流體-巖相互作用等［8-9］。

沉積盆地中，原始沉積物及流體的組成是流體相互作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。前人對原始沉積水為海水的水化學特征的研究表明，其化學水特征演變遵從海水蒸發(fā)濃縮線［10］。海水蒸發(fā)曲線常被用于判斷各種離子富集或虧損，進而提供礦物溶解-沉淀及地層水化學演化信息［11-13］。

海水蒸發(fā)實驗資料表明，Cl-離子化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易被吸附和沉淀，在海水蒸發(fā)曲線上，當Cl-的濃度低于100 g／L 時，lg（Cl-濃度）與lg（Br-濃度）呈斜率為1的直線關(guān)系［13］，表明Cl-在濃度增加到100 g／L之前不會發(fā)生沉淀。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8層地層水中的Cl-與礦化度有較好的線性關(guān)系，Cl-的最高濃度低于90 g／L，并且中生界沒有發(fā)現(xiàn)鹽層，由此可以認為在地層水演化過程中，Cl-沒有發(fā)生沉淀，其含量變化主要是地層水蒸發(fā)濃縮的結(jié)果。因此，可以利用其它離子組分含量相對于Cl-含量的變化，來判斷地層水中各種離子的富集或虧損，從而分析地層水化學演化。

4.2 Ca2＋-Cl-、Mg2＋-Cl-的關(guān)系

通過分析鎮(zhèn)涇地區(qū)長8層地層水中Ca2＋-Cl-、Mg2＋-Cl-關(guān)系（圖4），可得到以下地層水化學特征：①在Ca2＋-Cl-雙對數(shù)關(guān)系圖上（圖4a），數(shù)據(jù)點比較散亂，且基本位于海水濃縮線左上方，而且地層水Ca2＋／Cl-值（平均為0.19）遠高于海水值（0.02），表現(xiàn)為Ca2＋富集特征。②Mg2＋-Cl-在雙對數(shù)關(guān)系圖上（圖4b），數(shù)據(jù)點同樣比較散亂，且基本位于海水濃縮線右下側(cè)，而且地層水 Mg2＋／Cl-值（平均為0.011）低于海水值（0.066），表現(xiàn)為Mg2＋虧損特征。③Mg2＋、Ca2＋離子濃度隨Cl-離子濃度的增加均呈現(xiàn)增加的趨勢。在雙對數(shù)坐標上雖然呈線性關(guān)系，且大致平行于海水濃縮，但其演化線卻明顯偏離海水蒸發(fā)濃縮線。表明鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8層地層水與海水蒸發(fā)濃縮來源水的差別。該區(qū)地層水可能受到了不同程度的蒸發(fā)濃縮作用或流體混合作用控制。

4.3 （K＋＋Na＋）-Ca2＋關(guān)系

圖4 Cl-離子濃度與Ca2＋，Mg2＋離子濃度相關(guān)圖（底圖據(jù) Hanor J S，1944［10］）

不管盆地流體的來源是海水的蒸發(fā)濃縮還是鹽巖的分解，盆地流體一定會經(jīng)歷有意義的水-巖相互作用，這樣才能引起流體中Ca2＋離子濃度的增加［14］。Davission等計算Ca2＋濃度相對海水富集和Na＋濃度相對海水虧損的方法被證明是一種有效反映流體-巖石相互作用途徑的方法［2，3］。在圖5上，鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水出現(xiàn)Ca2＋富集和Na＋虧損現(xiàn)象，而且這種變化是等摩爾量的，即2Na＋→Ca2＋。根據(jù)Land和 Milliken（1981）等的研究［15-16］，在 自 然 界 中 只 有 斜 長 石 的 鈉 長 石 化 過程，才能導(dǎo)致Ca2＋相對海水富集和Na＋相對海水虧損，且置換比例為1∶2，這種置換規(guī)律［2-3］為：Ca Al2Si2O8＋4SiO2＋2Na＋＝2Na AlSi3O8＋Ca2＋，即鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8層中主要的流體-巖石相互反應(yīng)是斜長石的鈉長石化過程。雖然鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界地層水在中Nadeficit-Caexcess呈線性關(guān)系，但其分布比較散亂，均散布在鹽巖溶解和海水蒸發(fā)來源的地層水的范圍內(nèi)，可能的解釋為鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8地層水可能為鹽巖溶解和海水蒸發(fā)的混合物。

圖5 Nadeficit-Caexcess相關(guān)圖解（底圖據(jù) Davisson M L，1996［3］）

4.4 Ca2＋富集成因

沉積物中原始沉積水可能為海水或淡水，隨著沉積物不斷埋藏，沉積水經(jīng)歷蒸發(fā)、與地表水或其它地層水混合、或與巖石發(fā)生流體-巖石相互作用等一系列的變化過程，導(dǎo)致地層水性質(zhì)改變，從而引起流體中Ca2＋離子濃度的增加［14］。

研究區(qū)碎屑長石主要由鉀長石和斜長石組成，以斜長石居多。該區(qū)中地層中主要的水-巖相互反應(yīng)是斜長石的鈉長石化過程。通過計算被溶解的鈣長石的摩爾濃度可以進一步計算出地層水中從鈣長石中釋放的鈣離子質(zhì)量濃度。研究區(qū)儲層砂巖中，火山物質(zhì)較多，中-酸性火山碎屑常泥化或硅化，泥化或硅化的火山灰中含CaO。據(jù)克拉克研究表明，地球各洲巖漿巖的平均CaO 含量為5.08%［17］，而一般酸性巖漿巖CaO含量低于3%。研究區(qū)泥化或硅化的火山灰中CaO含量遠低于5.08%，因此，研究區(qū)火山灰中的Ca2＋已大量釋放，可能是地層水中Ca2＋富集的主要原因。通過研究可知，該區(qū)地層水中的Ca2＋富集，表明在水-巖相互作用過程中，從礦物中釋放了大量的Ca2＋，或者說，Ca2＋的富集與含鈣礦物的溶蝕有關(guān)。

4.5 Mg2＋與Na＋虧損成因

鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長8砂巖中含有綠泥石、菱鐵礦和白云石膠結(jié)物，這些礦物中富含鎂。因此，研究區(qū)地層水中Mg2＋虧損與菱鐵礦、白云石膠結(jié)物和綠泥石發(fā)育有關(guān)。

研究區(qū)地層水中Na＋虧損。該區(qū)碎屑長石中斜長石居多，且前已提及該區(qū)地層中主要的水-巖相互反應(yīng)為斜長石的鈉長石化過程。因此，本區(qū)的Na＋虧損是陽離子交換作用的結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界地層水總礦化度為14 442～61 242 mg／L，平均礦化度達33 435.87 mg／L，屬于鹽水和鹵水的范疇。p H值介于5.15～7.01，屬于偏酸性-弱堿性，絕大多數(shù)在5～6.8，為弱酸性。地層水水型整體上均屬有利油氣保存的CaCl2型水。

（2）鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界地層水并不是簡單受蒸發(fā)濃縮與大氣降水的影響，而可能為鹽巖溶解和蒸發(fā)的混合物。

（3）地層水特征系數(shù)顯示鎮(zhèn)涇地區(qū)是有利于油氣聚集和保存的區(qū)域。

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TE125.4

A

1673-8217（2012）06-0055-04

2012-07-13；改回日期：2012-09-10

孔為，1982年生，在讀碩士生，主要從事油氣藏地質(zhì)學及成藏動力學研究。

劉洪樹