川西新場地區(qū)上三疊統(tǒng)須二段和四段地層水的水巖反應(yīng)

川西新場地區(qū)上三疊統(tǒng)須二段和四段地層水的水巖反應(yīng)

液體是最直接、最活躍的結(jié)合因素和過程的手段。液體流動是油氣田的運移和聚集的動力、路徑和場所（徐國生等，2005）。川西坳陷新場地區(qū)須家河組地層水的研究目前主要集中在水文地質(zhì)系統(tǒng)、地球化學特征及其動力場特征等方面。工區(qū)地層水有多個含水系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)地層水發(fā)生多期次跨層運動,從而使得上三疊統(tǒng)須家河組二段(T3x2)和四段(T3x4)地層水地球化學特征有一定的相似性(李巨初等,2001;鄭榮才等,2003;汪珊等,2007)。研究區(qū)關(guān)于地層水的起源和演化的研究較少,地層水(H2O)和水中溶解物的來源,及其類型和性質(zhì)對沉積巖成巖演化起到?jīng)Q定性作用,因此,對地層水的成因及演化的研究是十分必要的(Edmunds,1996;李鵬春等,2007)。工區(qū)地層水多期次跨層流動不僅掩蓋了不同源地層水的原始化學特征,而且使地層水化學特征具有一定相似性,進而模糊了兩者不同的成巖演化過程。本文試圖通過須二段和須四段地層水的地球化學特征分析,闡明地層水成因及其基本演化過程,為研究區(qū)地層水類型及成巖過程研究提供基本依據(jù)。1地層水的端元認識川西坳陷是四川盆地西部晚三疊世以來陸相盆地的深坳陷部分,為龍門山推覆構(gòu)造帶的前陸盆地(羅志立,1979;何登發(fā)等,1996;沈忠民等,2009),其基底為中三疊統(tǒng)海相灰?guī)r,其上依次充填上三疊統(tǒng)馬鞍塘組海相地層,小塘子組和須家河組海陸交互相與陸相煤系地層,以及侏羅系至白堊系陸相紅層(鄭榮才等,2008,2009)。新場地區(qū)位于坳陷中部孝泉—新場—豐谷NEE向構(gòu)造隆起帶,在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中,須家河組地層經(jīng)歷了沉積埋藏、熱液侵入以及抬升剝蝕等多次水文地質(zhì)事件(李巨初等,2001;鄭榮才等,2003;汪珊等,2007)。因此,理論上,可以清楚區(qū)分出關(guān)于地層水來源的三個主要相應(yīng)端元:原始沉積水、海相地層水和后期滲入淡水,并建立基本的判斷模型,地層水的端元是指不同時空來源的地球化學特征上存在差別的來源水。如其地球化學特征所顯示的一樣,由于地層水的混合作用和水巖反應(yīng),很難直接區(qū)分出這三個代表端元。雖然并不能準確標定各端元的原始基準值,但可以根據(jù)現(xiàn)今條件下的端元值合理地推斷各個原始端元的混合作用,因此下面主要介紹主要端元組成以及證據(jù)。1.1不同層系地層水的氧同位素特征雖然大氣降水的氘、氧同位素值隨氣候、溫度、地理環(huán)境等的不同變化很大,但其氘、氧同位素值落點位于大氣降水線附近。就地層水而言,其受大氣降水影響的程度越大、時間越晚,氘、氧同位素距降水線越近。海水來源的地層水和大氣降水的氘同位素特征有較大差異,可以很好區(qū)分兩者,而氧同位素與圍巖會發(fā)生同位素交換而變化較大,可以反映水巖反應(yīng)的程度(周文斌等,1997;McIntoshetal.,2004)。川西晚三疊世煤系地層的發(fā)育說明其古氣候相對溫暖潮濕,因此,根據(jù)川西的古氣候和地區(qū)特征,選取平均溫度在15℃以上的西南地區(qū)大氣降水作為該地區(qū)大氣降水δD和δ18O的基準值,同時為判斷淡水的影響程度,也給出侏羅系地層水氘、氧同位素值,侏羅系地層水更靠近大氣降水線(圖1),標準海水的δD和δ18O(SMOW)均為0‰,須家河地層水的分布有以下特征:(1)須二段地層水δD值分布在-57‰～-38‰之間,δ18O值分布在-10.6‰～-1.2‰之間,其中兩個樣品(聯(lián)150、新853井)位于大氣降水線左邊,相對于區(qū)域基準值,δD值略有升高,δ18O值基本無變化,但在區(qū)域大氣降水的范圍內(nèi),其它樣品點位于大氣降水線右邊,δD值相對前兩個樣品基本不變,δ18O值增大,表明聯(lián)150、新853井保持了原始大氣淡水的同位素特征,其它井則表現(xiàn)出混合特征和不同程度的水巖反應(yīng)。(2)相對于須二段,須四段地層水δD值略有升高,在-38‰～-46‰之間,須四段地層水的δ18O值偏高,且有兩個樣品δ18O值為正(豐谷1,新884)(圖1),反映了地層水的混合特征和強烈的水巖反應(yīng)。一般而言,地層水埋藏時間越長,其氧同位素的值越大,但就本次研究所取得的數(shù)據(jù)而言,埋藏較深的須二地層水淡化程度反要比須四的大。須二段、須四段及侏羅系地層水基本的線性關(guān)系反映了地層水(H2O)的原始大氣淡水起源(圖1),這和工區(qū)基本沉積背景吻合。須二段兩個水樣(聯(lián)150、新853井)保持原始的大氣降水的同位素特征,其原因可能有兩種:(1)其為后期滲入的淡水,由于滲入時間很晚,來不及發(fā)生水巖反應(yīng);(2)其為未發(fā)生水巖反應(yīng)或混合作用的原始沉積賦存水,由于某種因素阻止了水巖反應(yīng)的發(fā)生?？紤]到其伴隨天然氣一起產(chǎn)出,認為天然氣穩(wěn)定的化學性質(zhì)阻止了水巖反應(yīng)的進行,從而保存了初始同位素值,因此代表原始沉積賦存水的端元。另外,這兩個低礦化度(<10g/L)地層水中Br-和HCO3-含量相對高,Ca2+的含量很低(圖2,3),離子的組合又區(qū)別于淡水,即有含Br-、HCO3-(CO2)流體的進入,這種氣、水關(guān)系正好與天然氣的充注相符,天然氣中二氧化碳的溶解可提供大量HCO3-,而Br-的富集與煤層或泥頁成巖壓釋水有關(guān)(見1.3小節(jié)),這表明天然氣進入氣藏的時間很早,至少在發(fā)生明顯水巖反應(yīng)之前,成藏后次生水的沖刷影響也很小,該氣藏很可能代表未被構(gòu)造運動破壞的原生氣藏。1.2須二和須片段地層水的離子組合須家河二段地層水總的溶解物(TDS)在0.12～119g/L之間,鹽度變化很大,同層段相同井的不同生產(chǎn)階段,產(chǎn)出水的地球化學特征也存在很大差別。在派伯(PIPER)分類圖上,低產(chǎn)水階段產(chǎn)出的低礦化度地層水屬于HCO3-—Na+或HCO3-—Na+—Ca2+(新851)型水,高產(chǎn)水階段產(chǎn)出水的礦化度明顯增高(>10g/L),主要為Cl-—Na+型水,和海水點相距很近,具有海水(SW)的離子組合特征,少數(shù)屬于Cl-—Na+—Ca2+(川高561)型水;須四段地層水的TDS值在50～92g/L之間,平均59.9g/L,各階段產(chǎn)出水的化學特征接近,如圖2所示,須二和須四段高礦化度地層水的主要離子組合具有一定的相似性,例如,須四段的川孝93、豐谷1、新882和須二段的新2、新3、川孝565、川孝560、新856、新884,說明其同樣具有海水的特點,但相對須二段高礦化度地層水,須四段地層水Ca2+相對富集,主要為Cl-—Na+—Ca2+型地層水,兩者地層水的SO42-含量都十分低。海水的蒸發(fā)實驗證實,在Cl-—Na+—Br-體系中,隨鹽類的析出,Cl-和Na+進入礦物晶格中,而Br-殘存在海水中,即使進入埋藏階段后,成巖作用也不對Br-產(chǎn)生影響,因此,Br-可以作為示蹤元素,區(qū)分地層水的來源、混合及成巖作用(Mccaffreyetal.,1987;Birkleetal.,2002)。須二段和須四段共13個水樣的Na+—Br-和Cl-—Br-關(guān)系有以下特點(圖3):(1)須四段地層水礦化度最大等于海水的4.05倍,但Br-平均含量是海水的15.4倍;須二地層水也具有這一特點,低礦化度的凝析水除外,須二段地層水Br-的平均含量是海水的17.6倍;(2)Br-/Cl-和Br-/Na+值都位于海水蒸發(fā)曲線的下方,與海水的蒸發(fā)曲線基本平行,表明無論地層水礦化度大小,地層水中Cl-—Na+—Br-離子組合具有海水的組合特征,溴離子異常富集;(3)數(shù)據(jù)呈高、低礦化度區(qū)兩組分布,高礦化度點位于近平行的析出線下方,雖然Br-含量已過氯化鈉析出點,但Cl-和Na+含量并未達到析出點;低礦化度地層水的Br-/Na+和Br-/Cl-值分別沿2%和3%等值線左右分布,兩者的Br-相對含量(Br-/Cl-)都很高,表明有富Br-流體的侵入。在派伯圖上和Cl-—Na+—Br-體系中,地層水的離子組合特征都顯示出海水的特點,尤其在Cl-—Na+—Br-體系中,如果忽略其它來源溴的影響,則與海水的蒸發(fā)曲線相吻合。須二段和須四段以河流、湖泊和沼澤為主,缺少海相環(huán)境,說明Br-來源于下伏海相地層的可能性很大。1.3須家河組地層水系統(tǒng)的氧同位素背景泥頁巖或煤層壓釋水雖然與原始的沉積水屬于同源,但由于泥頁巖及煤層的影響巨大,故單獨考慮。須二段和須四段地層水有富Br-流體混合,且高、低礦化度明顯具有一定的繼承性,這說明淡水進入使得氯和鈉離子濃度降低,但伴隨溴的富集。要說明上述現(xiàn)象必須解決淡水中溴來源問題和富集機制。據(jù)Edmunds(1996)的研究發(fā)現(xiàn),高溴離子含量除了與濃縮的海水有關(guān)外,大氣降水的Br-/Cl-相對海水較高,同時某些植物對溴也有富集作用,這些溴元素可以在有機質(zhì)成巖演化階段進入地層水,從而造成高于海水的Br-/Cl-。早在1982,GrafD.L.說明當流體處于異常高壓狀態(tài)的具有半滲透膜作用的泥頁巖時,泥頁巖的反滲透作用(hyperfiltration)可使地層水富集離子(Graf,1982)。因此,溴的富集不僅與海水有關(guān),其更為重要的來源是須家河組的煤系地層或泥巖層壓釋水,這預示地層水與泥頁巖層和煤層壓釋水的混合。水中富集18O被認為是水巖反應(yīng)平衡的結(jié)果,特別是方解石溶解后發(fā)生氧同位素交換(McIntoshetal.,2004);也有作者認為是富18O而貧D的粘土礦物溶蝕或轉(zhuǎn)化所排出水的混合作用(Jeanetal.,2002);此外,海水的加入也會增高δ18O值,但δD值同時明顯升高。根據(jù)上述觀點,地層水同位素值的變化是上述三個原因共同作用的結(jié)果,特別是前兩者,可以很好地解釋在δD值基本不變的情況下,δ18O值明顯增高這一現(xiàn)象,地層水的離子組合特征說明有海相地層水的侵入,但海相地層水對同位素影響并不明顯,這可能由于:(1)工區(qū)須家河組整體的淡水沉積背景;(2)泥頁巖壓釋水對地層水貢獻巨大,從而對海水的D值產(chǎn)生稀釋,可以認為泥頁巖及煤層壓釋水對須家河組地層水有廣泛的影響。須家河組水(H2O)的淡水特征和離子組合的海水特征似乎表明海水的影響僅限于提供水中的溶解物,而富Br的泥頁巖排出水對海相地層水產(chǎn)生了廣泛稀釋,后經(jīng)濃縮和成巖作用達到目前狀態(tài),從而使海水中穩(wěn)定元素的相對比值不受影響,而易受成巖演化影響的K+、Mg2+、Ca2+、Fe2+等發(fā)生變化。1.4須片段和須片段地層水據(jù)前人研究,如果Br-/Na+和Br-/Cl-的值高于海水的值則表明地層水源于蒸發(fā)海水,低于正常海水的值則說明有溶解鹽巖的淡水滲入(Birkleetal.,2009),即對須二段和須四段地層水而言,如果有溶解鹽巖的淡水滲入,隨著Na+和Cl-的增加,將抵消Br-增高的影響,使得其與海水的蒸發(fā)線重合,須二段和須四段地層水Br-/Cl-和Br-/Na+的值都位于海水蒸發(fā)線下方,因此可以排除鹽巖溶解水影響。須家河組原始沉積水淡水背景,使后期滲入的純淡水的淋濾作用難以區(qū)分,相對侏羅系地層水,須二段和須四段的氧同位素值增大,表明發(fā)生了不同程度的水巖反應(yīng),據(jù)此可以推斷工區(qū)淡水的影響時間很早,即使后期有淡水的滲入,其影響也是有限的。2須片段地層水的k+及堿土金屬酶研究表明,須四段溶蝕相發(fā)育,孔隙為方解石、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、高嶺石等粘土礦物充填;須二段主要成巖作用為方解石、含鐵方解石(白云石)、白云石、石英等膠結(jié),伊利石、綠泥石等粘土礦物充填(呂正祥,2005;孫治雷等,2008;徐樟有等,2008)。成巖過程中,由于K+、Ca2+、Mg2+、和Fe2+等易受成巖演化影響,因此它們可以反映水巖反應(yīng)變化,其結(jié)果是水中和相應(yīng)的礦物中物質(zhì)含量出現(xiàn)相反的變化趨勢K+的主要來源為鉀長石的溶解,伊利石化和鉀長石化則導致K+的消耗;Ca2+的變化主要與方解石、石膏等的溶解和沉淀有關(guān);Fe2+和Mg2+轉(zhuǎn)化主要與含F(xiàn)e2+和Mg2+礦物溶解、綠泥石化、鐵方解石化(白云石化)以及白云石化等有關(guān)(Birkleetal.,2009)。從本次研究的須家河組地層水的地球化學特征來看,須二段地層水的K+—Cl-變化和海水的蒸發(fā)線基本吻合,高礦化點與海水的濃縮方向一致,部分點K+相對富集,低礦化度點和海水的稀釋方向一致,高、低礦化度地層水對海相地層水的繼承性說明須二段的K+受海相地層水的控制,其含量與來源水基本一致。說明該段長石溶解產(chǎn)生的K+與伊利石化消耗的K+數(shù)量基本相當;須四段地層水中K+含量隨著Cl-含量的增加,基本不變且都小于正常海水組分(圖4)。但從地層水來源來看,有理由認為須四段K+含量也應(yīng)與海水蒸發(fā)曲線一致。地層水中K+的理論含量與實際的差別反映出地層水中K+的丟失,而K+的丟失與須四段伊利石的發(fā)育和溶蝕作用有很好的對應(yīng)關(guān)系:一方面,該段粘土礦物中相對豐富的伊利石含量說明伊利石化消耗了大量K+;另一方面,須四段溶蝕作用產(chǎn)生K+被溶蝕水本身帶走,從而造成須四段很低的K+含量。地層水中Ca2+/Mg2+和Ca2+/Fe2+的變化與海水濃縮方向完全相反,Ca2+/Mg2+和Ca2+/Fe2+的增高由于白云巖化作用、含鐵方解石(白云石)化及綠泥石化。須二段地層水的Ca2+/Fe2+和Ca2+/Mg2+沿含鐵方解石方向和白云石化方向增大;須四段地層水的Ca2+/Fe2+和Ca2+/Mg2+位于鐵白云石化和白云石化方向上(圖5),Ca2+的富集,而Mg2+、Fe2+的消耗說明白云巖化、含鐵方解石(白云石)化及綠泥石化消耗了Mg2+、Fe2+,須四段Fe2+相對變化較小與該段自生綠泥石含量小,而須二段綠泥石含量相對較高,且綠泥石含鐵量高有關(guān)(孫治雷,2008),以上成巖假設(shè)與須二和須四段成巖礦物有很好的對應(yīng)關(guān)系。水巖反應(yīng)是成巖礦物演化和地層水離子變化之間對應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié),后兩者之間通過水巖反應(yīng)達到成巖體系的平衡,圖4、5所提出的成巖假設(shè)與前人的成巖研究及地層水離子變化的對應(yīng)關(guān)系一致,這證明文中提出的成巖假設(shè)的正確性。另外,前面說到,δ18O增大是水巖反應(yīng)的結(jié)果,其中重要的一點就是地層水與方解石溶解產(chǎn)生的富18O的碳酸根或重碳酸根之間的同位素交換,須四段地層水的δD值與須二段地層水的變化一致情況下,δ18O反而比須二段地層水高,這一反常現(xiàn)象與其較強的方解石溶解有很好的對應(yīng)關(guān)系,即須四段方解石等碳酸鹽巖溶解產(chǎn)生的CO32-(HCO3-)為地層水提供了18O,須四段地層水相對高的Ca2+含量也支持這一推斷(圖2)。水巖反應(yīng)、成巖礦物和地層水這三者之間關(guān)系表明水巖反應(yīng)對地層水的重大影響,雖然須二段和須四段有共同地層水來源背景,但同位素和離子變化所反映出的地層水特征說明