川西坳陷上侏羅統(tǒng)川西坳陷中段陸相地層水縱向變化特征及水巖相互作用初探

0地層水地球化學(xué)特征盆地地質(zhì)沉積層（包括水、油、氣和成礦溶液）的研究是現(xiàn)代地質(zhì)調(diào)查的向前建議。地層水作為地質(zhì)流體的重要組成部分存在于任何一個油氣藏的流體系統(tǒng)中,它以不同的形式與油氣共存于地下巖石孔隙空間中。地層水不僅是油氣運移的驅(qū)動力,而且還是油氣運移、聚集的載體,它和油氣之間存在著經(jīng)常性的物質(zhì)成分交換,其形成及其運動規(guī)律與油氣的生成、運聚及油氣藏的形成、保存和破壞有著十分密切的聯(lián)系。在含油氣盆地中,地層水作為盆地流體的一個主要組成部分,其活動與循環(huán)樣式直接涉及油氣與成礦物質(zhì)運移的方向。地層水的活動及其性質(zhì)直接或間接指示盆地流體系統(tǒng)的開放性和封閉性。從水文地質(zhì)的觀點看,水總是與生烴母巖和油氣相伴生的,它們在地史過程中互相依存、相伴演化:油氣運聚成藏是水在地史進程中循環(huán)活動的結(jié)果;水也是油氣現(xiàn)代分布和保存條件評價預(yù)測的重要內(nèi)容。地層水化學(xué)組成特征及其同位素構(gòu)成是沉積盆地地層水研究的重要內(nèi)容。它是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綜合反映,而這些作用過程與礦床的形成和油氣聚集緊密相關(guān)。地層水的地球化學(xué)特征主要受一定地質(zhì)條件下的流體—巖石相互作用所制約,因此,一定地球化學(xué)特征的地層水具有特定的地質(zhì)意義。川西坳陷上三疊統(tǒng)縱向上發(fā)育多套生儲蓋組合,形成了多套含氣層系。目前的勘探開發(fā)現(xiàn)狀表明,各套含氣層系均不同程度的見水,是研究地層水特征的典型地區(qū)。前人研究表明,研究區(qū)地層水有多個含水系統(tǒng),這些系統(tǒng)內(nèi)地層水發(fā)生了多期次跨層運動,從而使得地層水地球化學(xué)特征有一定的相似性,但這些研究基本集中在水文地質(zhì)系統(tǒng)、地球化學(xué)特征及其動力場特征等方面,而有關(guān)地層水的成因及其水—巖相互作用方面則研究較少。本文通過系統(tǒng)分析涉及研究區(qū)各產(chǎn)氣層的大量氣田水?dāng)?shù)據(jù),分析了其縱向變化特征、初步探討了水化學(xué)特征所反映的水—巖作用過程。1地層水礦化度及水型特征本次研究采集和收集了研究區(qū)各主要產(chǎn)水層共計300余個地層水?dāng)?shù)據(jù),樣品深度分布在530～5592m之間。涉及的主要層位有上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)、上侏羅統(tǒng)遂寧組(J3sn)、中侏羅統(tǒng)沙溪廟組(J2s)以及須家河組第五段、四段和二段(T3x5、T3x4、T3x2)等,其中侏羅系為一套以紅色為主的河流相、湖相砂巖及泥巖巖系,缺乏有機物質(zhì),須家河組同樣以砂泥巖沉積為主,同時含有薄層的碳質(zhì)頁巖和煤層,有機碳含量高,其中須三段和須五段以泥巖為主,是須家河組氣藏和侏羅系氣藏的主力烴源巖。樣品覆蓋了川西坳陷中段各主要氣藏,工區(qū)分布位置見(圖1)。從樣品化學(xué)特征的統(tǒng)計情況來看,研究區(qū)地層水陽離子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+,陰離子主要有Cl-、SO2?442-和HCO-3。地層水總礦化度主要分布在20～200g/L之間,平均值55g/L左右,K++Na+平均值為17.8g/L左右,Ca2+平均值為3.03g/L左右,Mg2+平均值為0.29g/L左右,Cl-平均值為32.3g/L左右,陽離子以Na+為主,陰離子以Cl-占絕對優(yōu)勢,不同樣品離子含量差別很大。水型以CaCl2型為主,Na2SO4和NaHCO3型為輔。各層地層水性質(zhì)有一定的差異,具體統(tǒng)計特征見(表1)?？v向上川西坳陷地層水明顯可分為2個水化學(xué)特征帶(圖2)。Ⅰ帶:2800m以上,為侏羅系,地層水以CaCl2型水為主,含有較多Na2SO4型水和少量NaHCO3型水,地層水礦化度均在80000mg/L以下,大部分樣品在50000mg/L以下。地層水總礦化度和各陽離子均隨深度的增大而變小,陰離子中,Cl-離子隨深度變大而變小,HCO-3隨深度增加而變大;Ⅱ帶:2800m以下,為三疊系須家河組,地層水以CaCl2型水占絕對優(yōu)勢,同時含有很少量NaHCO3型水,從其縱向變化特征看,該帶各離子的變化特征與2800m以上地層水的離子變化特征剛好相反,總體呈現(xiàn)隨深度增大逐漸變大的趨勢(圖2)。水文地質(zhì)研究表明,地層水在縱向上由淺至深一般可劃分為3個帶:地層水自由交替帶、地層水交替阻滯帶和地層水交替停滯帶,各帶均表現(xiàn)為特有的離子縱向變化特征,根據(jù)各帶的水化學(xué)特征,結(jié)合川西坳陷中段地層水的縱向變化情況,Ⅰ帶與地層水交替阻滯帶對應(yīng)、Ⅱ帶與地層水交替停滯帶對應(yīng),缺少地層水自由交替帶,可能與本次研究涉及的樣品中缺乏更淺地層(530m以上)中的樣品有關(guān)(圖2)。一般來說,地層水自由交替帶主要受大氣降水的影響,地層水活動較強,而地層水交替阻滯帶和地層水交替停滯帶則基本不受大氣降水的影響,地層水活動較弱,因此,對于研究區(qū)來說,大氣降水并未影響到530m以下的上侏羅統(tǒng)及其以下地層,反映了上侏羅統(tǒng)及其以下地層具有良好的天然氣保存條件。2hco-3地層水的濃縮特征及來源分析水—巖相互作用對地層水的性質(zhì)具有重大的影響,因此地層水離子及離子組合等特征也為可能的成巖作用提供了重要的信息。成巖過程中,K+的主要來源為鉀長石的溶解,伊利石化和鉀長石化則導(dǎo)致K+的消耗;Ca2+的變化主要與方解石、石膏的溶解和沉淀有關(guān);Fe2+和Mg2+轉(zhuǎn)化主要與含F(xiàn)e2+和Mg2+礦物如綠泥石、含鐵方解石、含鐵白云石、白云石、菱鎂礦及菱鐵礦等的溶解沉淀有關(guān);沉積盆地中Na+的轉(zhuǎn)化主要與斜長石和鉀長石的鈉長石化、鹽巖的溶解等有關(guān)。研究表明,川西坳陷中段侏羅系和上三疊統(tǒng)須家河組儲層成巖自生礦物較多,主要為方解石、含鐵方解石(白云石)、白云石、石英等膠結(jié)物和伊利石、綠泥石、高嶺石等。從川西坳陷地層水縱向變化特征來看(圖2),交替阻滯帶地層水總礦化度、陽離子和Cl-濃度均隨深度變大而變小。已有的研究表明,研究區(qū)上侏羅統(tǒng)到下侏羅統(tǒng)與蒙皂石向伊(綠)蒙混層和伊利石(綠泥石)的轉(zhuǎn)換基本對應(yīng),在這一過程中黏土礦物大規(guī)模脫水,從而導(dǎo)致地層水的淡化;相反,交替阻滯帶地層水中HCO-3濃度隨深度增加而變大(圖2)。一般來說,地層水中HCO-3的來源主要有大氣水來源、碳酸鹽礦物的溶解和有機質(zhì)成熟過程中CO2的加入,前文分析表明大氣降水并未影響到研究區(qū)530m以下的上侏羅統(tǒng)地層,因此HCO-3的第一種來源基本可以排除,而從實際的地質(zhì)背景來看,研究區(qū)侏羅系基本不發(fā)育烴源巖,有效烴源巖基本集中在下部須家河組地層中,在有機質(zhì)成熟過程中所生產(chǎn)的CO2更易進入與其相對更接近的中下侏羅統(tǒng)地層水中。因此,有機質(zhì)成熟過程中CO2的加入可能是該帶地層水往下HCO-3變大的主要原因,碳酸鹽礦物的溶解可能也有一定的影響。交替停滯帶地層水的變化特征基本體現(xiàn)了正常的地層水濃縮過程,隨深度變大,水—巖反應(yīng)越趨強烈,從而總礦化度和各離子濃度越大(圖2)。相對于交替阻滯帶地層水,該帶地層水具有含量明顯較高的Ca2+含量(圖2,圖3),說明下部儲層中存在有更多的Ca2+來源,鈣長石的鈉長石化可能是造成這一現(xiàn)象的重要原因,這一推論在后文中將進行詳細(xì)論述,碳酸鹽礦物的溶解對其可能有一定的影響。同時須家河組地層水表現(xiàn)出比較明顯的Mg2+丟失現(xiàn)象(圖3),應(yīng)與綠泥石化過程中大量消耗Mg2+有關(guān)。HCO-3則由須四段到須二段逐漸變小,結(jié)合前文中有關(guān)HCO-3來源的分析,認(rèn)為HCO-3的第一種來源基本可以排除;而須二段和須四段均有相似的巨厚烴源巖發(fā)育,有機質(zhì)成熟過程中CO2的加入難以形成這一差異;因此須四段地層水中HCO-3含量相對較高應(yīng)主要是由于該地層中存在有更多的碳酸鹽礦物的溶解,這一解釋在Ca2+的濃度上得到了證實(須四段地層水具有相對更高的Ca2+濃度)。Davisson和Criss研究了全球范圍沉積盆地地層水的Na—Ca—Cl組合特征,提出Caexcess—Nadeficit近1∶1的斜率關(guān)系線:BFL(BasinalFluidLine),并提出了用Ca相對海水富集(Caexcess)和Na相對海水虧損(Nadeficit)反映陽離子相互關(guān)系的方法。其計算方法是:Caexcess=[Cameans-(Ca/Cl)SWClmeans]×2/40.08Nadeficit=[(Na/Cl)SWClmeans-Nameans]/22.99其中,下標(biāo)“SW”和“means”分別表示海水和測量的溶液中離子的濃度(mg/L),(Ca/Cl)SW和(Na/Cl)SW是海水中相應(yīng)離子的濃度比。該關(guān)系式將分析結(jié)果變換為離子的當(dāng)量濃度,其地質(zhì)意義是通過分析溶液中陽離子相對于海水的富集與虧損關(guān)系來反映總的流體—巖石相互作用過程。從川西坳陷地層水Na+虧損和Ca2+富集關(guān)系圖來看(圖4),研究區(qū)侏羅系地層水多數(shù)樣品表現(xiàn)為Na+富集,說明地層水有含鈉礦物的溶解來源,推測其可能主要來源于NaCl的溶解。同時,侏羅系地層水絕大部分都存在有Ca2+的富集,結(jié)合前文的研究,認(rèn)為蒙皂石的伊利石化(反應(yīng)1)和少量碳酸鹽巖的溶解可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因;研究區(qū)須二段和須四段地層水與侏羅系地層水有比較明顯的差別(圖4)。須二段地層水部分樣品與海水蒸發(fā)線趨于一致,顯示了其更趨近于海相來源水的特點,這與研究區(qū)的實際地質(zhì)背景是相符的。至于是由后期海相水的入侵造成或是其原始組分即具有這一特點還需進一步的研究;須四段地層水則基本沿BFL(BasinalFluidLine)線平行分布(圖4),除個別樣品外,絕大部分樣品具有Na+虧損和Ca2+富集的特征,且基本平行于1Ca和2Na交換線,須二段部分樣品也呈現(xiàn)出類似的特征,顯示研究區(qū)須家河組中鈣長石的鈉長石化是一項重要的水—巖作用過程(反應(yīng)2):4.5K++8Al3++蒙皂石=伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+…………(反應(yīng)1)CaAl2Si2O8+4SiO2+2Na+→2NaAlsSi2O8+Ca2+…………(反應(yīng)2)另外,須四段和須二段部分樣品表現(xiàn)為Na+和Ca2+均富集的特征,推測碳酸鹽巖和鈉長石的溶解可能是造成這一現(xiàn)象的主要因素。圖中的成巖假設(shè)與前人的成巖研究成果基本一致,同時,電鏡掃描也發(fā)現(xiàn),須家河組中存在有一定量的納長石,這也進一步證明了文中提出的成巖假設(shè)的正確性。3水—討論與結(jié)論礦物與孔隙流體之間的相互作用條件、方式及隨之發(fā)生的遷移方向、途徑、沉淀位置與流體流動是影響成巖作用的關(guān)鍵因素。地層水作為孔隙流體的重要組成部分,除了空間上受控于流體動力場外,時間演化上主要受控于流體—巖石相互作用過程。因此,在地層水離子可能存在的化學(xué)反應(yīng)基本清楚的條件下,通過地層水中離子變化及組合特征等對可能存在的水—巖作用進行反演是可行的。本次研究基于這一點,通過川西坳陷地層水化學(xué)特征的系統(tǒng)分析和水—巖作用過程的初步探討,得到如下結(jié)論:(1)縱向上,川西坳陷上侏羅統(tǒng)到須家河組可分為2個水化學(xué)作用帶:地層水交替阻滯帶和地層水交替停滯帶,大氣水作用范圍在530m以上地層;相對于交替阻滯帶,交替停滯帶中地層水經(jīng)歷了更長時間和更高演化程度的水—巖作用