松遼盆地水化學(xué)的時(shí)空演化特征

松遼盆地水化學(xué)的時(shí)空演化特征

0水巖相互作用地質(zhì)流量可以為地殼、水動(dòng)力、地殼和構(gòu)造發(fā)育提供科學(xué)的依據(jù)。地層水化學(xué)還能為油氣勘探與開(kāi)發(fā)的一系列重要應(yīng)用問(wèn)題提供線索,特別是流體及油氣運(yùn)移。松遼盆地是研究油田水化學(xué)特征的典型的地區(qū),但是這些研究注重流體化學(xué)場(chǎng)平面分區(qū)及垂向分帶的描述,而對(duì)流體化學(xué)中所包含的水巖相互作用信息及其控制因素缺少深入剖析,而這正是控制流體性質(zhì)演化的關(guān)鍵所在。本文通過(guò)對(duì)松遼盆地1000多個(gè)水化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析,探討了水化學(xué)所反應(yīng)的成巖作用過(guò)程,揭示了流體動(dòng)力場(chǎng)控制水化學(xué)的空間分布特征,而流體-巖石相互作用控制著水化學(xué)時(shí)間演化過(guò)程的規(guī)律。1/地下水采集深度松遼盆地地層水化學(xué)的垂向分布明顯表現(xiàn)出分帶性(圖1)。垂向上至少出現(xiàn)了3個(gè)礦化度和各種離子含量升-降旋回,第4個(gè)旋回由于鉆井深度的限制沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。這體現(xiàn)了松遼盆地內(nèi)部區(qū)域性的隔水層對(duì)盆地內(nèi)部不同含水系統(tǒng)之間物質(zhì)與能量交換的強(qiáng)烈分隔作用。3個(gè)旋回的分帶深度大概在1650m、2500m和4000m左右。從地層流體與大氣降水的可交換程度來(lái)說(shuō),分帶的垂向深度大致位于800m和1350m。埋藏深度小于800m時(shí),地層水總礦化度及各種離子含量明顯隨著埋藏深度的增加而增加,主要反映了大氣降水對(duì)地層水化學(xué)的影響,因此該深度反映了大氣降水的影響深度范圍。埋藏深度位于800~1350m之間時(shí),地層水礦化度及各種離子的含量分布穩(wěn)定,反映了在該埋藏深度條件下流體-巖石相互作用基本達(dá)到了平衡狀態(tài),進(jìn)一步的流體巖石相互作用既不會(huì)增加地層水的礦化度,也不會(huì)減少地層水的礦化度,但是流體巖石相互作用會(huì)改變離子的含量和離子組合。埋藏深度1350~1650m之間存在一段礦化度減小的區(qū)域,這與該區(qū)大規(guī)模的粘土礦物脫水作用所導(dǎo)致的淡化作用有關(guān),此時(shí)礦化度降低,離子類型和含量都將發(fā)生改變,反映隔水層內(nèi)部的地層水化學(xué)特征。埋藏深度大于1650m時(shí),地層水礦化度隨著埋藏深度的增加迅速增大,反映了地層水遭受了進(jìn)一步的濃縮和水巖相互作用,礦化度進(jìn)一步增加。因此3個(gè)深度點(diǎn)的地質(zhì)意義分別是:①800m,大氣降水下滲影響的深度范圍;②1350m,超壓頂界面,粘土礦物大規(guī)模脫水的上限深度,可能與蒙脫石向伊蒙混層的轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng);③1650m,粘土礦物大規(guī)模脫水的下限深度范圍,可能與伊蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)。根據(jù)上述地層水化學(xué)的垂向分布規(guī)律,可以將松遼盆地的含水系統(tǒng)初步分為自由交替帶(埋藏深度0~800m);交替阻滯帶(埋藏深度800~1350m)和交替停滯帶(埋藏深度>1350m)。2層水化學(xué)的平面分布特征2.1高礦化度地層水現(xiàn)有的上部含水系統(tǒng)的水化學(xué)資料多集中分布于研究區(qū)齊家-古龍凹陷地區(qū),而其它地區(qū)的資料相對(duì)較少。從現(xiàn)有資料看,上部含水系統(tǒng)的地層水為NaHCO3型水(圖2a),高礦化度地層水主要分布在齊家-古龍凹陷,并有向盆地邊緣逐漸降低的趨勢(shì),平面上存在北部、東北部、東南部3個(gè)明顯的地層水礦化度下降方向。上部含水系統(tǒng)缺少區(qū)域蓋層,地層水的淡化現(xiàn)象反映了大氣降水下滲的方向。2.2主要離子的聚類距離中部含水系統(tǒng)包含3個(gè)油層,從上至下為薩爾圖油層、葡萄花油層、高臺(tái)子油層,其水型具有一致性,均為NaHCO3型流體(圖2b、圖2c、圖2d)。但是3個(gè)油層主要離子之間的聚類水平存在規(guī)律性的變化,即薩爾圖油層和高臺(tái)子油層各主要離子的聚類距離明顯的大于葡萄化油層各離子之間的聚類距離。從實(shí)測(cè)水型上可見(jiàn)薩爾圖油層主體為NaHCO3型流體,開(kāi)始部分出現(xiàn)了CaCl2-MgCl2型流體,但是數(shù)量較少,向下至葡萄花油層,CaCl2型流體逐漸增多,至高臺(tái)子油層基本上為CaCl2-Na2SO4型流體,反映了流體的封存性逐漸變好的總體規(guī)律。從礦化度的平面分布規(guī)律來(lái)看,其基本延續(xù)了上部含水系統(tǒng)的特征,其中東南隆起帶地層水化學(xué)淡化的趨勢(shì)非常明顯,與該地區(qū)嫩江組區(qū)域遭受大規(guī)模抬升剝蝕密切相關(guān)。盆地大部分常壓-高壓-異常高壓地區(qū)的礦化度較高,集中分布于6000~9000mg/L,反映了含水系統(tǒng)的封閉性較好,而低壓地區(qū)的地層水化學(xué)礦化度偏低,明顯受地層水下滲影響。2.3礦化度的對(duì)比下部含水系統(tǒng)總體為CaCl2型流體,局部存在NaHCO3型流體,表現(xiàn)出CaCl2-NaHCO3型流體共存的特點(diǎn)(圖3)。結(jié)合本地區(qū)的地質(zhì)特征,NaHCO3型流體的出現(xiàn)并不是含水系統(tǒng)封閉性不好,而主要是由于深部烴類在高溫作用下進(jìn)一步過(guò)成熟,有機(jī)質(zhì)在熱的作用下變?yōu)镃O2所致。從礦化度的角度來(lái)說(shuō),下部含水系統(tǒng)的礦化度與中部含水系統(tǒng)相比普遍存在明顯的差別,差別集中表現(xiàn)在東南隆起區(qū)的地層水礦化度明顯偏高,局部地區(qū)甚至比高壓-異常高壓系統(tǒng)的地層水礦化度還要高。這至少說(shuō)明了兩個(gè)方面的問(wèn)題,其一是該地區(qū)雖然是異常低壓系統(tǒng),但是大氣降水下滲作用并沒(méi)有穿越盆地內(nèi)部的第二套區(qū)域隔水層,其二是該區(qū)雖然斷裂系統(tǒng)很發(fā)育,但是斷層的垂向封閉性能良好。上述地層水的空間分布規(guī)律說(shuō)明地層水化學(xué)的空間分布特征主要受控于盆地的流體動(dòng)力場(chǎng),而地層水化學(xué)特征最終仍然是流體-巖石相互作用在地層水上的反映。為了區(qū)分流體動(dòng)力場(chǎng)與流體-巖石相互作用對(duì)地層水化學(xué)的不同影響結(jié)果,有必要分析地層水化學(xué)特征所反映出的流體-巖石相互作用過(guò)程。3化學(xué)反應(yīng)分類流體化學(xué)特征是流體在輸導(dǎo)體系中運(yùn)移時(shí)流體-巖石相互作用的結(jié)果,這種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)被劃分成氧化還原反應(yīng)、礦物的水解、流體間的交換及酸堿反應(yīng)。本文的目的不在于詳細(xì)列舉各類反應(yīng)方程,而在于通過(guò)剖析陰離子Cl--HCO-2與陽(yáng)離子Ca2+-Na++K+的關(guān)系來(lái)反映研究區(qū)系統(tǒng)的流體-巖石相互作用信息。3.1不同一次壓縮帶地層水3松遼盆地RCl-/RHCO-3值(摩爾當(dāng)量濃度比)隨深度的變化規(guī)律在不同的水文地質(zhì)單元中表現(xiàn)不一樣(圖1)。在水文地質(zhì)自由交替帶與交替阻滯帶,RCl-/RHCO-3值隨流體總礦化度的增加而快速增加。地表處RCl-/RHCO-3值小說(shuō)明地層水為受大氣降水影響的以NaHCO-3為主要組成的地層水特征。隨著埋藏深度的增加,RCl-/RHCO-3值快速增大,代表流體中Cl-的含量在快速增加,說(shuō)明存在氯化物的溶解作用。同時(shí)流體中的HCO-3的含量也在增加(圖1),表明存在碳酸鹽礦物的溶解或者有機(jī)質(zhì)生烴所產(chǎn)生的CO2的影響。在交替停滯帶RCl-/RHCO-3值明顯隨埋藏深度的增加而減小(圖1),表明在最初Cl-對(duì)HCO-3的優(yōu)勢(shì)隨著埋藏深度的進(jìn)一步增加而逐漸消失了。這一點(diǎn)顯然不是簡(jiǎn)單的由于氯化物與碳酸鹽的溶解造成的。松遼盆地深層以氣藏為主,沙河子組與營(yíng)城組的烴源巖已進(jìn)入了過(guò)成熟演化階段,有機(jī)質(zhì)過(guò)成熟所產(chǎn)生的CO2進(jìn)入流體中,極大地增加了溶液中HCO-3的濃度,導(dǎo)致了RCl-/RHCO-3值減小。3.2統(tǒng)一相系統(tǒng)的層析學(xué)過(guò)程計(jì)算Ca相對(duì)海水富集和Na相對(duì)海水虧損的方法被證明是一種有效反映陽(yáng)離子相互關(guān)系的途徑。其計(jì)算方法是:Caexcess=[Cameas-(Ca/Cl)SW×Clmeas]×2/40.08Nadeficit=[(Na/Cl)SW×Clmeas-Nameas]/22.99其中下標(biāo)“sw”和“meas”分別表示海水和測(cè)量的溶液中離子的濃度(mg/L),(Ca/Cl)SW、(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(guò)分析溶液中陽(yáng)離子相對(duì)于海水的富集與虧損關(guān)系來(lái)反映總的流體-巖石相互作用過(guò)程。松遼盆地自由交替帶地層水Caexcess與Nadeficit關(guān)系(圖4a)顯示流體中普遍存在Na+離子的富集,故為含鈉礦物的溶解。由于Na+與Cl-的物質(zhì)的量成正比,且比例接近1,結(jié)合前文分析推測(cè)為氯化鈉礦物的溶解。同時(shí)鈣離子也有微弱富集,推測(cè)為少量的碳酸鹽礦物的溶解造成。盆地交替阻滯帶和交替停滯帶地層水中表現(xiàn)出系統(tǒng)的鈣富集與鈉虧損現(xiàn)象(圖4b),而且這種變化是等摩爾當(dāng)量,即2Na+→Ca2+。在自然界中只有鈉長(zhǎng)石化過(guò)程才能出現(xiàn)這種置換規(guī)律:CaAl2Si2O8+4SiO2+2Na+→2NaAlSi3O8+Ca2+即在營(yíng)城組-沙河子組地層中主要的流體-巖石相互反應(yīng)是斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化過(guò)程。在進(jìn)行成巖作用研究時(shí),觀察到了系統(tǒng)的斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化作用過(guò)程,直接證明了這一結(jié)論?？梢?jiàn)水文地質(zhì)自由交替帶與交替阻滯帶地層中流體-巖石相互作用表現(xiàn)為氯化鈉礦物與碳酸鹽礦物的溶解作用過(guò)程,而交替停滯帶為斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化作用過(guò)程。流體動(dòng)力場(chǎng)在垂向上分為3個(gè)帶,它不僅控制了地層水化學(xué)的空間分布特征,而且每一個(gè)水文地質(zhì)帶中的流體-巖石相互作用過(guò)程也不一樣。由于研究區(qū)原始沉積水始終為淡水,孔隙流體埋藏深度的增加和流體鹽度的增加也是流體演化時(shí)間的延長(zhǎng),因此自由交替帶-交替阻滯帶-交替停滯帶的流體-巖石相互作用過(guò)程也代表了地層水的時(shí)間演化過(guò)程,即地層水早期的流體-巖石相互作用過(guò)程為氯化鈉礦物與碳酸鹽礦物的溶解或有機(jī)質(zhì)成熟產(chǎn)生的CO2所控制,隨后的流體-巖石相互作用過(guò)程為斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化作用過(guò)程。地層水化學(xué)在空間分布上受控于流體動(dòng)力場(chǎng),在時(shí)間演化上受控于流體-巖石相互作用過(guò)程,因此,影響流體動(dòng)力場(chǎng)或流體-巖石相互作用過(guò)程的各種因素都會(huì)導(dǎo)致地層水化學(xué)特征在空間或時(shí)間上的改變。研究中所發(fā)現(xiàn)的半透膜作用(影響流體動(dòng)力場(chǎng))、初始流體和沉積物的組成(影響流體-巖石相互作用過(guò)程)和成巖作用(同時(shí)影響流體動(dòng)力場(chǎng)和流體-巖石相互作用過(guò)程)都會(huì)影響地層水的化學(xué)特征。3.3影響其他地質(zhì)作用的地層水化學(xué)過(guò)程3.3.1低鹽度帶的形成原因滲析作用與反滲析作用這對(duì)互相矛盾的過(guò)程一直是地質(zhì)學(xué)家討論的焦點(diǎn)。有人認(rèn)為兩者的發(fā)生不依賴環(huán)境的溫度與壓力條件,但是最新研究表明反滲析作用一定要有非滲析作用(欠壓實(shí)作用,生烴作用)形成的能克服滲析壓力的超壓。滲析作用是由于泥質(zhì)巖和粘土中Al3+、Si4+被大量的一價(jià)或二價(jià)的離子置換,使巖石吼道帶正電,吸引一價(jià)或二價(jià)的陰離子,阻礙了Cl-、HCO-3等陰離子的通過(guò),由于缺少陰離子,使陽(yáng)離子在喉道表面聚集,從而形成“水可以自由通過(guò),而離子被阻滯”的現(xiàn)象。松遼盆地在深度為1650m處的低鹽度特征可用滲析作用更好地解釋,因?yàn)闈B析作用在泥巖上部形成高鹽度帶,而在下部形成低鹽度帶,從而形成圖1中的流體化學(xué)突變帶。相反,泥巖脫水作用會(huì)同時(shí)在泥巖的上、下部位形成低鹽度帶,而不會(huì)出現(xiàn)如圖1中的元素含量突變帶。當(dāng)然,交替阻滯帶鹽度在垂向上的降低也表明了存在部分泥巖脫水對(duì)水化學(xué)的淡化現(xiàn)象。3.3.2mg2+濃度與海水蒸發(fā)濃縮線對(duì)比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),必然強(qiáng)烈地影響流體的化學(xué)演化特征。前人對(duì)原始沉積水為海水的水化學(xué)特征有詳細(xì)的研究,指出其水化學(xué)特征演變遵從海水蒸發(fā)濃縮線。但是松遼盆地不同地層流體的組成與海水蒸發(fā)濃縮線存在較大的差異(圖5),表現(xiàn)在Cl-濃度小于1000mg/L時(shí),水化學(xué)特征明顯偏離海水蒸發(fā)濃縮線,Mg2+濃度與海水蒸發(fā)濃縮線也存在截然的差別。這也許說(shuō)明原始沉積水為淡水的陸相盆地的水化學(xué)演化并不是簡(jiǎn)單的蒸發(fā)濃縮過(guò)程,因而不遵從海水蒸發(fā)濃縮趨勢(shì)線。前文分析說(shuō)明本區(qū)的成巖作用過(guò)程首先表現(xiàn)為氯化鈉礦物與碳酸鹽礦物的溶解作用,只有在流體中離子濃度達(dá)到或超過(guò)海水的離子濃度之后才發(fā)生多數(shù)海相盆地所發(fā)生的鈉長(zhǎng)石化作用,而早期礦物的溶解過(guò)程正是導(dǎo)致這種差異的關(guān)鍵,它只取決于原始流體的性質(zhì)及其所賦存或流經(jīng)的巖石骨架的成分和性質(zhì)。由于碎屑巖盆地的巖石骨架大同小異,因此導(dǎo)致這種差異的只能是原始沉積水性質(zhì)的不同。3.3.3泥巖脫水試驗(yàn)結(jié)果成巖作用與流體-巖石相互作用的界限很難區(qū)分,有些成巖作用其實(shí)是流體-巖石相互作用的結(jié)果,如膠結(jié)物的形成與礦物的溶解。但是成巖作用也存在不是流體-巖石相互作用結(jié)果的情況,最明顯的就是壓實(shí)過(guò)程中的泥巖脫水。由于泥巖脫水導(dǎo)致大量孔隙流體的排出,因此會(huì)導(dǎo)致孔隙流體總礦化度的降低,如本區(qū)水文地質(zhì)交替阻滯帶的鹽度及其他離子含量隨埋藏深度的增加而出現(xiàn)的多旋回性(圖1)。沉積盆地中的成巖作用會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的成熟。有機(jī)質(zhì)的成熟作用為成巖作用的繼續(xù)提供了酸性環(huán)境,并為礦物的溶解提供了還原劑。同時(shí)有機(jī)質(zhì)被氧化或過(guò)成熟所產(chǎn)生的CO2是導(dǎo)致溶液中HCO-3隨埋藏深度的增加而不斷增加(圖1)的原因。4地層水化學(xué)特征(1)松遼盆地現(xiàn)今水化學(xué)空間分布特征受流體動(dòng)力場(chǎng)的控制。平面上盆地的邊部和斷層嚴(yán)重裂隙化的中央隆起帶部位為低鹽度,向盆地的中心,流體鹽度逐漸增大,流體封存性逐漸變好。垂向上可分為與水文地質(zhì)特征相對(duì)應(yīng)的3個(gè)帶,在地層水自由交替帶為NaHCO3型流體,在交替阻滯帶為Na2SO4型流體,而在交替停止帶為CaCl2型封存水。影響流體動(dòng)力場(chǎng)的局部斷層活動(dòng)和滲析作用對(duì)水化學(xué)的空間特征具有強(qiáng)烈的控制作用。(2)松遼盆地地層水中Cl--HCO-3和Na++K+-Ca2+的關(guān)系所反映地層水自由交替帶和交替阻滯帶內(nèi)主要的流體巖石相互作用過(guò)程為碳酸鹽礦物和氯化鈉礦物的溶解,而交替停滯帶內(nèi)主要的流體-巖石相互作用過(guò)程為斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化作用。由于埋藏深度的增加和流體鹽度的增加也意味著流體演化時(shí)間的延長(zhǎng),因此流體-巖石相互作用過(guò)程控制了地層水的時(shí)間演化過(guò)程。(3)盆地的地層水化學(xué)特征是流體-巖石相互作用與任一時(shí)刻流體動(dòng)力