松遼盆地北部地層水同位素特征及其地質意義①

史婷婷 成建梅 解習農 張曉宇

(1.中國地質大學環境學院 武漢 430074;2.中國地質大學 構造與油氣資源教育部重點實驗室 武漢 430074; 3.中鐵第一勘察設計院集團地路處 西安 710043)

松遼盆地北部地層水同位素特征及其地質意義①

史婷婷1成建梅1解習農2張曉宇3

(1.中國地質大學環境學院 武漢 430074;2.中國地質大學 構造與油氣資源教育部重點實驗室 武漢 430074; 3.中鐵第一勘察設計院集團地路處 西安 710043)

盆地流體是沉積盆地中非常活躍的因子,盆地流體的水文地球化學特征主要是受控于流體-巖石相互作用。本文以松遼盆地北部為研究對象,基于地層水的水文地球化學特征、鍶-氫-氧同位素數據分析,初步探討了水-巖反應與鍶-氫-氧同位素的關系。這一研究對于豐富同位素示蹤、水-巖相互作用等基礎理論具有重要研究意義。分析表明,位于盆地西部地區地層水明顯受到古大氣降水的影響,中央凹陷地區δ18O正偏移可能是由水巖作用加強引起的。地層水為大氣水與原生沉積水的混合,較輕的δD值反映出原始沉積水屬陸相沉積水。地層水的87Sr/86Sr值略低而Sr2+含量又較高,是高87Sr/86Sr值流體端元與低87Sr/86Sr值流體端元的混合,即地表來源水與深部水的混合,也更多地受到高Sr2+含量低87Sr/86Sr值的火山-地熱水等幔源深部水的補給。

地層水 水-巖相互作用 鍶-氫-氧同位素 松遼盆地

0 引言

應用同位素化學研究地層水,可得出水的來源,確定水巖作用的強度,追蹤流體流向,計算古溫度以及盆地流體的年齡和滯留時間。地下水同位素組分的改變主要有以下幾個作用:(1)地層水和礦物之間的同位素交換,(2)蒸發濃縮作用,(3)由于巖石膜滲透特性引起的同位素分餾,(4)地層水與其它流體特別是石油的同位素交換[1].haunoy地層水的δD主要分布在–25‰和–30‰之間,反映出古大氣降水的影響,δ18O同位素值反映出水巖相互作用[2]。隨著水–巖反應的增強,δD增大;成巖改造水δDSMOW為–35‰～–17‰、δ18O為+0.2‰～+4‰。烴與水間可直接發生氫同位素交換,使水具有很輕的氫同位素組成[3]。

地層水中氫、氧、鍶(δD、δ18O、87Sr/86Sr)同位素被廣泛用于地層水的成因研究。鍶同位素對證明地層水中鍶的來源有著巨大的作用,同時說明了水巖相互作用的強度,以及區域地下水在流動過程中的混合程度。自從前寒武紀以來,海水中87Sr/86Sr比值在0.707 0和0.709 2之間變化,其中,鍶中87Sr的富集主要是由于大陸侵蝕風化引起的,而其貧乏來自于地幔[4].arnaby等[5]分析了新墨西哥賓夕法尼亞系碳酸鹽儲層地層水87Sr/86Sr比值,西部下傾巖層的比值達到了0.710 129,而東部上傾巖層比值較小為0.708 903,咸水中較高鹽度和鹽巖溶解的增加暗示著放射性87Sr來源于蒸發。海水和大氣降水的δD差別較大,判斷地層水成因時可將δD作為重要依據;相反地層水中氧同位素與圍巖會發生同位素交換而變化較大[6],因此不能反映原始地層水的氧同位素特征。

地層水的來源及成因是非常復雜的,僅僅討論常規組分離子的含量和離子之間的關系難以確定其成因與來源。因此,結合微量元素和同位素組分綜合分析來解釋地層水的成因與來源是必要的手段。

1 研究區地質背景

松遼盆地位于中國東北部,長750 km,寬330～ 370 km,總面積約26萬km2,是一個大中型的、呈北北東向展布的菱形沉積盆地(圖1)[7]。盆地周圍為山脈和丘陵所環繞,東部為張廣才嶺、西鄰大興安嶺,南部接康平-法庫丘陵地帶,北與小興安嶺為界。盆地內部是嫩江-松花江和遼河兩大水系的大平原和沼澤。盆地周圍主要是古生代和前古生代的變質巖和火山巖。盆地內部的新生代地層下面,廣泛分布著白堊紀地層。因此,松遼盆地即是一個地質上的沉積盆地,也是四周高中間低凹的地形上的盆地[8]。

圖1 松遼盆地拗陷層構造單元劃分[7](I:龍虎泊階地;II:齊家-古龍凹陷;III:大慶長垣;IV:三肇凹陷;V:朝陽溝階地;VI:長春嶺背斜;VII:賓縣-王府凹陷;康泰隆起和西部超覆帶位于西部斜坡區)Fig.1 Tectonic unit division of Songliao Basin depression layer(Modified from Gao and Cai,1997)(I.Longhupo Terrace;II.Qijia-gulong Depression,III:Daqing Placanticline;IV:Sanzhao Depression;V:Chaoyanggou Terrace; VI:Changchunling Anticline;VII:Binxian-Wangfu Depression; Kangtai Upliftand Western Overlap Terrain are in thewestern slope area)

本文的研究區主要包括松遼盆地北部西部斜坡區、中央凹陷區、東南隆起區主要的二級構造單元,包括西部超覆帶、康泰隆起、龍虎泊階地、齊家-古龍凹陷、大慶長垣、三肇凹陷、朝陽溝階地、長春嶺背斜、賓縣凹陷等,這些構造單元統稱為松遼盆地北部。盆地基底主要由侏羅紀以前的變質巖、巖漿巖和火山巖組成。研究區下部和中部構造單元總共分為5個地層單元,依次是:上侏羅統和下白堊統為一層(JD),泉頭組(K2q),青山口組(K2qn),姚家組(K2y)和嫩江組(K2n)。白堊系下統登婁庫組(K1d)屬于JD,主要是砂巖、砂礫巖、泥質粉砂巖夾泥巖;K2q主要是泥巖、砂質泥巖與砂巖、泥質砂巖組成;K2qn下部為泥巖、頁巖夾油頁巖,上部為泥巖夾砂巖;K2y主要為砂巖、粉砂巖互層;K2n下部為頁巖夾油頁巖,上部為泥巖夾砂巖。

2 樣品采集和分析結果

在松遼盆地共采集D、O同位素樣品三件,均為水樣,同位素測試工作由中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成,采集23件Sr同位素樣品,其中3件樣品為水樣,20件樣品為巖樣,Sr同位素測試由宜昌地質礦產研究所完成。將松遼盆地同位素樣品分析結果列入表1、表2。另外,還采集了13件水樣,其陰陽離子的測試工作由中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質教育部重點實驗室完成。

3 地層水同位素組成

3.1 氫、氧同位素組成

研究表明[9,10],利用油田水的氫、氧同位素組成闡釋油田水的起源與形成機制及分類也是有效的,例如冀中坳陷不同成因類型地下氫氧同位素組成具有迥然不同的特征,新近系地層水主要為滲入-沉積混合水;古近系沉積水未受大氣降水影響,屬沉積成因的地下水等。

本次研究,松遼盆地地層水樣的氫、氧同位素測試結果(見表1),其中江76-I和江76-II的δD、δ18O值非常接近,與金84井相比更接近全球大氣降水線,受大氣降水影響明顯;而金84井的δD、δ18O值與江76-I和江76-II相比,兩者的值都發生正偏移,δ18O的正偏移與油田水中鋁硅酸鹽、碳酸鹽礦物之間的氧同位素交換有關,即與增強的水-巖相互作用有關。另外收集了松遼盆地十屋斷陷三個地層水樣的氫氧同位素的值,其中十屋1和十屋2水樣的δD、δ18O值接近大氣降水線,十屋3地層水樣的δ18O為-10‰,說明其受水巖反應的影響,取自封閉性較好的地下水。十屋斷陷地層水的δD大于西部斜坡帶和三肇凹陷地層水的值,分析其原因,可能是由于蒸發作用引起地層水重氫氧同位素富集。地層水樣的δD值都非常的小,相對海水氘同位素組成(δD=-0.17‰, δ18O=-1.4‰)而言極度貧氘,而影響海水氘同位素分餾因素一般只產生40%的變化幅度,故可判別其原始沉積水屬于陸相沉積水。

在δD-δ18O關系圖中(圖2)金84、江76-I和江76-II地層水樣都偏離全球大氣降水線(δD=8 Xδ18O +10)[11],哈爾濱地區大氣降水線(δD=6.42 Xδ18O-9.89)[12],中國大氣降水線(δD=7.96 Xδ18O+8.2),為沉積盆地地層水的特點,并嚴重受古大氣降水的影響,使地層水的氫同位素降低,表現為大氣水與原生沉積水的混合。

表1 松遼盆地北部地層水D、O同位素測試結果Table1 δD,δ18O values of formation water in the north of Songliao Basin

表2 松遼盆地北部地層水Sr同位素測試結果Table2 87 Sr/86 Sr ratios of formation water and rock in the north of Songliao Basin

圖2 松遼盆地北部地層水δD和δ18O關系圖Fig.2 Variations ofδ18 O withδD of formation water in the north of Songliao Basin

盡管測試氫(δD)、氧(δ18O)同位素的地層水樣量有限,不能完全對地層水的來源給予準確的解釋,但從現有水樣測試數據的分析可知,地層水處于不同地區和層位其來源存在一定的差異。

3.2 鍶同位素組成

鍶在化學和生物學過程中不會產生同位素分餾,因而在研究物質遷移和變化過程中,87Sr/86Sr值是有效的示蹤劑。雖然蒸發等地質作用可以改變鍶同位素的濃度,但鍶同位素在同一地質時期、同一水域組分87Sr/86Sr值幾乎不變[13]。因此,Sr是判斷水體的補給來源、古沉積環境的有效地球化學參數。

受Sr的地球化學性質的控制,地下水中Sr主要來源于含Ca礦物和含K礦物的溶解。在白堊系地層中方解石、白云石、石膏、鉀長石和白云母均可能為地下水提供Sr。在總溶解固體(TDS,Total Dissolved Solids)與Sr關系圖上(圖3),地下水中Sr的濃度隨TDS的增加而增加,表明地下水中Sr來源于地下水對巖石的溶解作用。

從Sr、Mn、Zn元素組成的三角圖(圖4)分析表明,松遼盆地北部地層水中這三種微量元素分布范圍不集中,其中,姚家組(K2y)、青山口組(K2qn)和沙河子組(K1sh)的地層水富集于Sr端元,貧乏Zn(< 20%),這是由本身的沉積條件所決定。蔡春芳等[14]對塔里木盆地油田水研究認為,沉積于海相環境下的儲層油田水富Sr、貧Mn,陸相環境下的儲層油田水富Mn。從微量元素Sr、Mn、Zn元素組成三角圖中可見,青山口組的地層水明顯具有沉積于海相環境下的地層水特征,泉頭組(K2q)和營城組(K1yc)的部分地層水樣顯示出較高的Mn(>50%),則是受陸相沉積環境影響的緣故。

圖3 松遼盆地北部地層水TDS-Sr關系圖Fig.3 Variations of TDS with Sr concentration of formation water in the north of Songliao Basin

圖4 松遼盆地北部地層水中Sr、Mn、Zn元素組成三角圖Fig.4 Triangular plot of Sr,Mn and Zn element composition of formation water in the north of Songliao Basin

目前普遍認為,海水的鍶和巖石的鍶同位素組成主要是受殼源和幔源兩種來源鍶的控制。殼源鍶主要由大陸古老巖石風化提供,殼源的硅鋁質巖石具高的87Sr/86Sr值(平均為0.720±0.005),但鍶濃度較低;幔源鍶主要由洋中脊熱液系統提供,幔源的鎂鐵質巖石具低的87Sr/86Sr值,全球87Sr/86Sr平均值為0.7035[15]。因此,87Sr/86Sr值的大小是反映不同源區物質的標記特征。

如圖5所示,按不同層位、不同深度作87Sr/86Sr值分布圖,整體上,87Sr/86Sr值與層位和深度并沒有表現出顯著的相關性,這也說明了流體活動及其與巖石相互作用的復雜性。(1)地層水江76-Ⅰ、江76-Ⅱ和金84樣品地層水的均較小且遠遠小于現代海洋的0.709 073,甚至還低于顯生宙以來海洋中87Sr/86Sr演化的最低值0.707[16,17];嫩江組地層水中,江76-Ⅰ的87Sr/86Sr為 0.707 04,江76-Ⅱ的87Sr/86Sr值為0.706 62,二者相差較大,反映出這兩口井區的水動力體系相關性較差或成因不同。另外,金84的87Sr/86Sr與江76-Ⅱ相差不大,賦存于不同時代地層中的地層具有相似的鍶同位素組成,這表明在分析地層水成因時,不能簡單地將地層水按不同地質時代劃分對比,而應考慮其水文地質旋回或與儲層相關的流動單元等因素。(2)巖樣的87Sr/86Sr值為0.707 94～0.713 24,皆集中在0.7092附近,介于殼源(平均為0.720±0.005)與幔源(0.703 5)[15]之間,大于地層水的87Sr/86Sr值。從各個層位來看,嫩江組(K2q)巖樣的87Sr/86Sr值最接近于現代海水鍶同位素值(87Sr/86Sr=0.709 073)[18]。

圖5 松遼盆地北部地層水與巖石87 Sr/86 Sr值分布圖Fig.5 Variations of 87 Sr/86 Sr ratios of formation water and rock with depth in the north of Songliao Basin

地層水的87Sr/86Sr值分布范圍較集中,說明具有同源性,而對于巖鹽,除泉頭組巖樣的87Sr/86Sr值稍高外,其他層位巖樣的87Sr/86Sr值分布范圍也較集中,說明都具有同源性,而泉頭組巖樣則不同源。殼源的硅鋁質巖石具有較高的87Sr/86Sr值(平均為0.720±0.005),對于泉頭組巖鹽的高87Sr/86Sr值應是殼源硅鋁質巖石影響的結果。地層水的87Sr/86Sr值略低而Sr2+含量又較高,說明存在高Sr2+含量低87Sr/86Sr值流體端元的影響,而這一端元只可能是幔源的深部水。在對松遼盆地北部地層水微量元素進行分析得到,松遼盆地北部地層水中,地層水富集于Sr端元,貧乏Zn,故松遼盆地北部地層水應該是高87Sr/86Sr值流體端元與低87Sr/86Sr值流體端元的混合,即地表來源水與深部水的混合。松遼盆地深部地層為火山成因,松遼盆地地層水可能也更多地受到高Sr2+含量低87Sr/86Sr值的火山-地熱水(87Sr/86Sr值)等幔源深部水的補給。

總之,地層水的形成,應主要以地表水(大氣降水)為主,通過深大斷裂循環,淋濾溶解地表以及地下各種巖石、礦物,發生水-巖相互作用,形成高87Sr/86Sr值流體與深部來源的低87Sr/86Sr值地質流體(火山-地熱水)混合而成。

4 結論

(1)地層水氫、氧同位素分析結果表明,位于盆地西部地區地層水明顯受到古大氣降水的影響,中央凹陷地區δ18O正偏移可能是由水巖作用加強引起的。地層水為大氣水與原生沉積水的混合,較輕的δD值反映出原始沉積水屬陸相沉積水。

(2)地下水中Sr的濃度隨TDS的增加而增加, Sr來源于地下水對巖石的溶解作用。泉頭組(K2q)和營城組(K1yc)的地層水具有陸相沉積環境下的地層水特征。青山口組的地層水明顯具有沉積于海相環境下的地層水特征,泉頭組和營城組的地層水顯示出陸相沉積環境下的地層水特征。

(3)不同層位地層水的87Sr/86Sr值分布范圍較集中,具有同源性;對于除泉頭組的巖鹽外,其他層位巖樣的87Sr/86Sr值分布范圍也較集中,都具有同源性,而泉頭組巖樣則不同源,泉頭組巖鹽的高87Sr/86Sr值應是殼源硅鋁質巖石影響的結果。

(4)地層水的87Sr/86Sr值略低而Sr2+含量又較高,地層水富集于Sr端元,貧乏Zn,為高87Sr/86Sr值流體端元與低87Sr/86Sr值流體端元的混合,即地表來源水與深部水的混合,可能也更多地受到高Sr2+含量低87Sr/86Sr值的火山-地熱水(87Sr/86Sr值)等幔源深部水的補給。

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Isotopic Characteristics of Formation W aters in the North of Songliao Basin and Its Geological Significances

SHITing-ting1CHENG Jian-mei1XIE Xi-nong2ZHANG Xiao-yu3
(1.School of Environmental Studies,China University of Geosciences(W uhan),W uhan 430074; 2.Key Laboratory of Tectonicsand Petroleum Resourcesof M inistry of Education,China University of Geosciences(W uhan),W uhan 430074; 3.Department of Geological Prospecting&Roadbed Design,China Railway First Survey and Design Institute,Xi'an 71004)

The basin fluid is the very active factor in the sedimentary basins.The hydrogeochemistry ismainly controlled by fluid rock interaction.The source and genesis of the formation water are very complex.It is difficult to determine the genesis and source just according to the general component ions concentration and the interrelationship of ions.In this case,it is necessary to combine the trace elements and isotopic components to explain the genesis and source of the formation water.Applying isotopic chemistrymethod to research the formation water,in order to find the source,carry out the intensity ofwater-rock interaction,trace fluid flow direction,and compute the paleotemperature, age and residence time of the basin fluid.Based on hydrogeochemical characters of formation water and analysis of Sr-D-O isotope data,this article researches on the northern area of Songliao Basin,discusses the relationship of waterrock interaction and Sr-D-O isotope.It is of great theoretical significance for the isotope tracers in the enrichment of water-rock interaction.The result of the hydrogen-oxygen isotope testing suggests that formation water in the western area is evidently influenced by the ancient precipitation,and the positive excursion of theδ18O in the central depression is probably caused by the strengthing ofwater-rock interaction.The formation water is amixture ofmeteoric water and primary sedimentary water,the slight value of theδD reflects the original sediment belongs to the continent depositionalwater.In the groundwater,the concentration of Sr2+increaseswith TDS,Sr comes from the dissolution of rock dissolved by groundwater.The groundwater from Quantou Group(K2q)and Yingcheng Group(K1yc)has same character as the continent depositionalwater.Meanwhile,the groundwater from Qingkoushan Group shows the character of the sea depositional water obviously.The groundwater from Quantou Group and Yingcheng Group shows the character of the continent depositional water obviously.The distribution range of87Sr/86Sr values from different formation water is concentrated,and has homologue.In all salt rocks,except those from Quantou Group,the distribution range of87Sr/86Sr values from different formation rock is also concentrated,and has the same type of source.The salt rocks from Quantou Group are from distinct source and the higher value of87Sr/86Sr should be inflected by the silicon-aluminium rock from the crust source.The87Sr/86Sr value of formation water is slightly lower but the concentration of Sr2+is higher,the formation water is amixture of high87Sr/86Sr value fluid end member and low87Sr/86Sr value fluid end member-amixture of surface sourcewater and deep formation water,which is also obtained from mantle deep water like high Sr2+value and low87Sr/86Sr value volcanic geothermalwater.

formation water;water-rock interaction;Sr-D-O isotope;Songliao Basin

史婷婷 女 1984年出生 博士研究生 沉積學 E-mail:stt_0801@yahoo.cn

成建梅 E-mail:jmcheng@cug.edu.cn

P593

A

1000-0550(2012)02-0399-00

①國家自然科學基金項目(批準號:40772154,40872076)和教育部新世紀優秀人才項目(編號:NCET-06-0659)資助。

2011-01-20;收修改稿日期:2011-04-21