柴達木西部南翼山構造富鉀深層鹵水礦的控制因素及水化學特征

李洪普 ,鄭綿平 *,侯獻華 ,閆立娟

1)中國地質科學院礦產資源研究所,國土資源部鹽湖資源與環境重點實驗室,北京 100037;2)青海省柴達木綜合地質礦產勘查院,青海格爾木 816000;3)中國地質科學院鹽湖與熱水資源研究發展中心,北京 100037

近期,中國地質科學院、青海省柴達木綜合地質礦產勘查院對柴達木盆地西部實施油鉀兼探工作時,對南翼山背斜構造區油井內水層射孔、水井調查等成果顯示,部分油井深度 2000～3000 m段單井涌(噴)水量在680 m3/d以上,KCl含量為 0.83%～1.27%,B2O3含量為 2741～3804 mg/L,Li含量為144～262 mg/L,依此估算,KCl孔隙度資源量較大,顯示富鉀鹵水有較大儲藏潛力。同時,南翼山背斜構造區發育著 6套烴源巖(路俊剛等,2008),現已探明、控制的石油地質儲量超過 3000×104t,是截至目前柴西北地區發現的大型油氣藏之一。由于深層富鉀鹵水在干旱、有鹽類沉積、封閉的地質環境下形成,儲層巖性一般為鹽巖、膏巖等。油氣在濕潤、富含有機質、封閉的地質環境下形成,儲層巖性一般為富含有機質的泥晶灰(云)巖、藻灰巖、顆粒灰(云)巖等灰巖類,泥巖類等(甘貴元等,2002;曹海防等,2007;劉菲等,2007;姚熙海等,2008);油氣、鹵水目前儲集空間一般皆為裂隙、孔隙、縫洞、微縫、裂隙等,在構造運動影響下,可以賦存于同一個封閉的構造中,因二者的比重不同,油氣一般存在于構造的上部,鹵水一般存在于構造的下部。許多研究者對南翼山地區富含有機質的碳酸鹽等巖相古地理及其基質孔隙、粒間孔隙等進行了大量研究,而針對該區富鉀深層鹵水控制因素及化學特征方面研究不足。付建龍等(2006)認為南翼山背斜構造區地層的巖性控制深層富鉀鹵水。樊啟順等(2007)、譚紅兵等(2007)、李廷偉等(2006)等對南翼山背斜構造水化學特征在采集于地表鹵水湖樣品的基礎上進行了初步研究。本次首次利用 2011年以來南翼山油井射孔、水文地質調查、水文地質鉆孔中采集的樣品及油井資料,將南翼山深層鹵水地球化學特征及其分布與巖性、沉積環境、構造的關系等方面進行了分析研究。

1 地質背景

1.1 區域地質背景

研究區位于柴達木盆地西部拗陷區的三級背斜構造(圖1),北東為柴北緣褶皺帶,北西為阿爾金構造帶,南緣為昆北斷裂帶(湯良杰等,2002)。大地構造位置屬柴達木板內裂陷盆地,地貌上屬封閉、半封閉的凹地間的低山區。盆地四周隆起區地層為元古界、古生界、中生界及新生界,基底地層為晚元古界、零星分布的中生界及加里東期花崗巖,蓋層地層為新生界。背斜構造呈北西南東向平行分布于柴達木盆地北西部,其間為第四紀向斜凹地。南翼山背斜構造是其中之一,為富鉀深層鹵水的儲集區。

1.2 南翼山背斜地質特征

南翼山背斜構造為一個典型的大而平緩的長軸箱狀背斜,軸線近北西西向,其長軸軸線呈“S”形,長50 km,短軸15 km,閉合面積620 km2,閉合高度820 m(圖2)。構造上鉆遇地層為漸新世下干柴溝組(E3g)、中新世上干柴溝組(N1g)和下油砂山組(N1y)、上新世上油砂山組(N2y)和獅子溝組(N2s),其上覆蓋著更新世七個泉組(Q1q)。因剝蝕程度高,地表出露地層僅為獅子溝組和七個泉組(圖3)。下干柴溝組(E3g)底界深度在 3000 m 及以下,厚度大于500 m,巖石以深灰色及灰色泥巖、鈣質泥巖、砂質泥巖為主,夾少量的灰色、深灰色鈣質粉砂巖,呈泥質結構、粉砂泥質結構,粒序層理構造、塊狀層理構造,亦見砂泥紋層層理構造,反映了深湖沉積環境下的機械沉積或物理沉積。上干柴溝組(N1g)底界深度2950 m,厚度693 m,以深灰色鈣質泥巖為主,與不等厚灰色泥質粉砂巖、泥灰巖互層,呈泥質粉砂狀結構,水平-塊狀層理構造,亦見砂泥紋層層理,反映了淺湖沉積環境下的機械沉積和化學沉積,與下伏下干柴溝組整合接觸。下油砂山組(N1y)底界深度2257 m,厚836 m,巖性以灰色鈣質泥巖、泥巖和泥晶灰巖互層為主,夾泥質粉砂巖,局部出現薄層狀石膏,呈隱晶質結構,水平層理構造,反映了淺湖-半深湖沉積環境下的機械沉積、化學沉積、生物沉積和混合沉積,與下伏上干柴溝組整合接觸。上油砂山組(N2y)底界深度1421 m,厚度1416 m,未見頂,巖性以灰色泥巖夾泥晶灰巖為主,呈隱晶質結構,水平層理構造,反映了較淺湖沉積環境下的機械沉積或物理沉積、生物沉積,或混合沉積,與下伏下油砂山組整合接觸。獅子溝組(N2s)底界深度 734 m,厚度728 m,巖性以灰色泥巖為主,上部夾有少量白色石膏和巖鹽,下部夾有灰色砂巖和泥質粉砂巖,呈隱晶質結構,交錯層理構造,反映了潮坪沉積環境下的機械沉積或物理沉積、化學沉積,與下伏上油砂山組整合接觸(魏成章等,2001;陳國俊等,2011;郭澤清等,2005;段宏亮,2007)。

圖1 柴達木構造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Qaidam Basin

圖2 南翼山地面構造分布圖(據童亨茂等,2004)Fig.2 Distribution of fractures in Nanyishan area(after TONG et al.,2004)

背斜構造兩翼傾角20°以上,北翼部位產狀略陡,圖2、圖3反映了南翼山背斜構造核部構造特征。從圖4可以看出,南翼山背斜構造由深部、淺部兩個背斜構造疊合而成,兩個背斜的構造核部(高點)基本一致,淺部背斜是一個典型的滑脫褶皺形態。兩個斷層(F1、F2)上盤的逆沖作用使地層重復(劉志宏等2008),導致淺部褶皺的對稱隆升,形成淺部的南翼山背斜構造。斷層 F3上盤(T6反射層之下、斷層 F3之上的地層)屬南翼山深部背斜構造。控制背斜形成的逆沖斷層(F3)發育在下中生界之中,而早更新世七個泉組是伴隨南翼山背斜的隆升作用的生長地層。因此認為,南翼山褶皺的形成可能始于上新世、經早更新世(七個泉沉積期),至今仍在隆升。

1.3 南翼山背斜構造裂縫分布特征

南翼山背斜構造地面有多條斷層,延伸 1.5～2 km,最長4 km,伴生張性節理。背斜構造的頂部、東北端和西段的中深部發育橫斷層、縱斷層、順層(層間斷層),這些斷層產生相應的構造裂縫。李元奎(2000)從南翼山 8口取芯井中測定出豎直裂縫、斜交裂縫(傾角為75°～85°)和水平裂縫三種類型,這些與斷層內出現的共軛剪切裂縫(壓性縫、扭性縫)、張性橫裂縫、張性縱裂縫、層間滑脫裂縫等相對應。在碳酸鹽巖地層中發育大量的成巖-構造縫、溶孔、粒間孔、微孔隙、晶間孔等孔隙。這些孔隙在構造作用下產生復雜的裂隙-孔隙系統,組成了油、汽、水的有利儲層(吳興錄,2003;童亨茂等,2004;余一欣等,2006;高長海等,2007;劉志宏等,2009;郭璞等,2010;臧士賓等,2012)。甘貴元等(2002)利用充填于裂隙的方解石裂變徑跡測得E3g地層裂縫形成年齡為(20.8±2.17) Ma,時代為N2g。對該地層經含烴包裹體均一溫度測定及利用地溫梯度推算的深度為 2800～3300 m,該深度為南翼山深部構造裂縫發育并富集油、氣、水的地段。

2 富鉀深層鹵水水文地質及水化學特征

2.1 區域水文地質特征

柴達木盆地周緣隆起區地層受巖漿巖破壞,顯得支離破碎,巖性為灰、深灰色混合巖化片麻巖、麻粒巖、角閃巖、輝石巖、斜長角閃巖和大理巖等,一般賦存基巖裂隙水,接受大氣降水補給,大部以地下潛流形式進行運動,地下水逕流強,向山下的沖洪積扇以地下潛流形式進行排泄,另外少量地下水以蒸發形式進行垂直排泄。盆地之中的古近系和新近系碎屑巖和灰巖賦存裂隙孔隙水,埋藏深度大于 200 m,屬高承壓自流水,補給和向外界的排泄量小。第四系覆蓋于背斜構造和凹地內,賦存孔隙鹵水和晶間鹵水,一部分來源于大氣降水,另一部分來源于北部的基巖裂隙水的地下潛流補給,地下水大都具有承壓性,逕流條件差,排泄方式主要為蒸發排泄,外圍的沖洪積平原孔隙水有少部分溢出地表,形成沼澤地。

圖3 南翼山地區AB剖面圖(據余一欣等,2006;吳興錄,2003修編)Fig.3 Geological section along line AB in Nanyishan area(modified after YU et al.,2006;WU et al,2003)

2.2 南翼山深層鹵水水文地質特征

(1)深層鹵水的空間分布

從表1、圖2、圖3、圖5可以看出,南2-3井、南6井、南13井、南5井及南14井分布于南翼山背斜構造核部偏北,油井揭露的地層從上到下為N2s、N2y、N1y、N1g和 E3g,通過對石油局老井的射孔、放水試驗顯示,不同的油井單井涌(噴)水量各不相同。南13井巖性為泥巖,巖石較破碎,單井涌(自噴)水量最高,為690.5 m3;南2-3井巖性為泥巖,巖石局部破碎,單井(涌)噴水量 39.4 m3;南 ZK01孔巖性為泥巖和泥灰巖,無破碎現象,單井涌(自流)水量最低,僅1.9 m3/d。從南翼山油井射孔結果看,該區富鉀鹵水層分布范圍為南翼山背斜構造,深度一般在1200 m以下,在2200～3500 m較集中;時間上,厚大的鹵水層主要分布于N2y和E3g地層。這一點和李元奎(2000)、方向等(2006)、馮進來等(2011)提出的裂隙發育部位較一致。

圖4 柴達木盆地南翼山背斜構造I-I’地震剖面解釋圖(據劉志宏等,2009)Fig.4 Geological interpretation of seismic profile line I-I’of Nanyishan anticline in Qaiam Basin(after LIU et al.,2009)

(2)深層鹵水的補給、徑流和排泄

該深層鹵水埋藏深度大,屬高承壓自流水,是地層沉積時的封存水,且上部覆蓋著第四系粉砂粘土和粘土層,處于封閉狀態,基本上不接受外界的補給,向外界的排泄量也很有限,僅局部由于斷裂構造的溝通,深層鹵水沿斷裂上升,以泉水或越流補給的形式排泄,同時油井開采等人類活動,也是深層鹵水通過鉆進排泄到地表的主要途徑。

2.3 南翼山深層鹵水水化學特征

2.3.1 樣品采集及分析

本次對南翼山南6、南13、南2-3石油井水層射孔時,采集鹵水樣品采樣量500 mL,樣品代表深度2200～3500 m,每4小時采集一個水樣。樣品及時送實驗室分析。分析測試方法采用電感耦合等離子體發射光譜法原子吸收光譜法,Br–和I–采用比色法。

2.3.2 鹵水水化學特征

(1)常量離子水化學特征與水化學類型

南翼山背斜構造鹵水為無色、灰色、褐色,無嗅,味咸、微苦、澀,密度1.18～1.19 g/L。從南6、南2-3及南 13井水化學分析結果看,鹵水礦化度279.9～293.0 g/L。常量離子中,Na+含量82.95～90.4 g/L,Cl–含量 167.3～176.2 g/L,占絕對優勢,Ca2+含量14.73～16.09 g/L,SO42–含量小于 0.36 g/L,HCO3–、CO32–含量非常低。水化學類型按蘇林分類為氯化鈣型。K+含量一般為5.21～7.66 g/L,在工業品位以上。

(2)微量離子水化學特征

鹵水樣品中 Br–含量 43.8～73 mg/L,B2O3含量2393～2591 mg/L,Li+含量 230～261 mg/L,I+含量多35.32～37.92 g/L以上(表2),LiCl和B2O3含量均達到最低工業指標要求,Br+和I+含量均達到或接近綜合評價指標要求。

(3)富鉀鹵水系數特征

從表2計算出南翼山背斜構造NNa+/NCl–系數為 0.75～0.8,K+×103/Cl–系數為 29.74～45.31,K+×103/Σ 鹽系數為 17.88～27.08,Mg2+/Cl–系數為0.01,Ca2+/Mg2+系數為 9.89～15.18,Br–×103/Cl–系數為 0.26～0.43,Br–/I–系數為 1.19～1.98,NSO42–/N(Cl–+SO42–)系數為 0。

表1 南翼山部分石油井出水情況一覽表Table 1 Water-yielding situation of some oil wells in Nanyishan area

圖5 南翼山CD剖面油井古近紀—新近紀地層柱狀對比圖及富鉀鹵水層縱向分布圖Fig.5 Columnar correlation of Paleocene–Pliocene strata and longitudinal distribution of potassium-rich brine beds in oil well along section CD in Nanyishan area

3 南翼山富鉀鹵水控制因素分析

3.1 地球化學特征值隱含的富鉀深層鹵水形成環境

首先,①表2中計算的鈉氯系數(NNa+/NCl–)為0.75～0.8。鹵水中的鈉氯系數和溴氯系數具有最大的穩定性。鈉氯系數在標準海洋水中的平均值為0.85,經陽離子交換吸附作用的沉積水中小于0.85。鹽巖溶濾形成的地下水如果接近于地表,Na在地殼風化作用下增高,Cl–除NaCl外無其它來源,鈉氯系數大于1(林耀庭等,2002)。可見,南翼山背斜構造區氯水的形成與原始沉積水具有一定的密切關系。②溴氯系數(Br–×103/Cl–)為 0.26～0.43。氯和溴化學性質接近,但是溴化物的溶解度比氯化物大。石鹽結晶區的石鹽中,溴氯系數為 0.1～0.3;鉀石鹽結晶區的石鹽中,溴氯系數為 0.3～0.6;光鹵石結晶區的石鹽中,溴氯系數為0.6～0.9。說明南翼山背斜構造區鹵水為沉積時古代鹽盆中鹽類礦物和其它造巖礦物沉積后遺留下來的,封存于鹽層之中的鹵水,無地表水或地下水滲入及流經含鹽地層時溶解鹽類礦物的混合作用(曾昭華等,2001)。③表2中計算的溴碘系數(Br–/I–)為 1.19～1.98。Br 與 I 同屬鹵族元素,在一般地下水質此系數很小,正常海水中由于海生生物體中濃集,含有大量海相淤泥沉積水中含碘量大為增加,溴碘系數減小。因此表 2中計算的溴碘系數說明沉積時地層中生物匱乏,含有機質淤泥少,反映陸相沉積的一種特性。④從表2計算結果可以看出,各樣品的鈣鎂系數(Ca2+/Mg2+)值為9.89～14.55。鈣鎂系數反映了地層水的變質程度,時間越長,封閉性越好,則變質程度越高,值就越高,深層水的鈣鎂系數一般大于 3。因此認為南翼山鹵水在封閉性好、變質程度高,形成時間相對長,這與富鉀鹵水層形成與漸新世—上新世較一致。④從表 2計算結果可知,所取樣品脫硫系數值為 0。脫硫作用主要發生在還原環境下,這種環境對保存油氣很有利,故脫硫作用作為一種環境指標,封閉性越好,其值越小(甘貴元等,2002)因此推斷南翼山深層鹵水由于硫酸鹽的還原,導致其內 SO42–含量較低。以上說明深部成因的鹵水封閉性較好,變質程度較高,不受地表水體或風化作用的影響,屬于沉積變質鹵水。

其次,①表2中B2O3含量2393～2591 mg/L,比較高。B是易溶元素,在自然界主要存在于水圈及上地殼沉積巖系中,對于沉積環境及各種地質作用具有明顯的指示意義,是判別沉積環境、物源的有效地球化學參數(肖榮閣等,1999)。據此認為深層鹵水與新近紀以來的沉積地層關系密切。②Li+含量230～261 mg/L,Br–43.8～73 mg/L,都比較高。鄭綿平(2001)認為,柴達木西部高Li、Br等有益組分不僅與中、晚新生代以來陸-陸碰撞導致深部再熔巖漿形成及熱水二次淋濾富集與補給有關,而且還與漫長的地史演化過程,經歷了沉積、深埋、變質、溶解等發展階段,經過多次復雜的改造,水化學組成發生改變,朝著深度變質及高礦化方向發展,使其離子含量較高。因此,從南翼山背斜構造區Li+、Br–判斷,該區氯水經歷了沉積、深埋、變質、溶解等漫長的演化歷程。③從表 2可以看出,Ca2+含量為14.73～16.09,較高,且水化學類型為CaCl2型,說明南翼山地區鹵水可能來源于深部 CaCl2型循環水,與柴達木盆地鹽湖鉀鹽礦床形成的鹵水部分源于深部CaCl2型水成因相似(張彭熹等,1991),也與射孔結果相吻合。

因此,南翼山背斜構造區越往深部封閉程度越高,致使變質作用的發生,從而產生了該區高礦化度的富鉀深層鹵水。

3.2 巖性對富鉀深層鹵水的影響

3.2.1 地層的巖性決定著原始深層鹵水的水性與水質

漸新世至上新世,不同沉積環境下不同沉積地層中原始地下水的性質和水質不同。漸新世沉積地層巖性主要為泥質巖類,碳酸鹽巖類次之,此外可見粉砂巖類、砂巖類與化學沉積鹽巖類(石膏與石鹽)等。泥巖類因構造作用產生構造裂隙而存在重力水外,一般作為隔水層,限制了背斜構造區鹵水的運動空間。碳酸鹽類內主要有晶間孔、溶蝕孔、溶洞等,存在著大量的重力水、少量的毛細水等。粉砂巖、砂巖類粒間孔主要受沉積和成巖作用控制而發育微弱,存在吸附水、薄膜水、毛細水及少量的重力水,只要有構造影響,產生次生孔隙作為儲水空間才產生大量的重力水。化學沉積鹽巖類(石膏和石鹽)中主要有晶間孔洞、孔隙,存在著含鉀晶間鹵水。因此,不同沉積環境下的沉積地層的巖性,決定著研究區不同的儲水系統。地層內的含鹽(鉀)程度控制著鹵水的含鉀濃度。

3.2.2 巖相影響著富鉀深層鹵水的儲水空間的形成

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(1)南翼山背斜構造區相同沉積環境下的沉積地層中裂縫發育程度看,在碳酸鹽巖中裂縫(也含溶孔)最發育,砂巖較少,粉砂巖中更少,泥質巖中最少。這是因為不同沉積環境下的巖相不同,產生明顯的巖性差異,這種巖性差異在同一褶皺構造運動的變形條件下,表現為不同的能干性,可發生不同的變形,能干性強的巖石易發育斷層構造及相關裂隙(縫)。研究表明,以下巖石中,長石砂巖—細粒灰巖—粉砂巖—泥灰巖—頁巖(泥巖)—石鹽—硬石膏,能干性依次從強變弱。因此可以推斷,上新世晚期潮坪沉積環境下的沉積地層為以灰色泥巖為主,上部夾有少量白色石膏和巖鹽,下部夾有灰色砂巖和泥質粉砂巖,其能干性相對較弱,不利于構造裂縫發育。上新世早期較淺湖沉積環境下的沉積地層為以灰色泥巖夾泥晶灰巖為主,較前者有利于構造裂縫的發育。中新世晚期淺湖-半深湖沉積環境下的沉積地層為灰色以鈣質泥巖、泥巖和泥晶灰巖互層為主,夾泥質粉砂巖,較前者有利于構造裂縫的發育。中新世早期淺湖沉積環境下的沉積地層為以深灰色鈣質泥巖與不等厚灰色泥質粉砂巖、泥灰巖的互層,為混合沉積巖,較利于構造裂縫發育。

(2)巖性的改變,沉積物組分或氣候的季節性變化,巖石沉積微相改變,產生微細水平層理、平行層理,后期構造運動中有利于產生層間斷層、層間斷層裂縫等(魏莉等,2011;甘貴元等,2002),有利于儲鹵空間的產生。

3.3 斷層構造、構造裂縫對深層富鉀鹵水控制作用

漸新世晚期—上新世早期,不同地層因遭遇喜山期多次構造的影響,越早的巖石遭遇的構造活動越多,斷層構造及相應的裂縫(隙)越發育。因此,南翼山背斜構造反映下部地層(下干柴溝組)泥巖、粉砂質泥巖的南10、南14、南6、南13等鉆孔儲鹵層中發育橫斷層、縱斷層、順層(層間)斷層,構造裂縫發育,而反映上部地層(獅子溝組)中泥巖、粉砂質泥巖的南ZK01孔中巖芯完整,構造裂縫不發育。

從以上深層鹵水的分布范圍可以看出,斷層構造對深層鹵水的控制作用比較明顯,對于深層鹵水的儲集起主導作用,具體表現在兩個方面,一方面,斷裂構造為深層鹵水的通道和減壓帶,使深層鹵水上升或側向運移,并在這些部位富集,成為深層鹵水的重新分布帶。另一方面,在下干柴溝組至上油砂山組,在斷層作用下產生斷層裂隙和次生(張)節理裂隙,直接構成了龐大的深層鹵水的儲存系統;在上干柴溝組(N1g)和下油砂山組(N1y)中因以灰質泥巖和泥灰巖為主,碳酸鹽發育,溶洞更發育,在斷層和有機酸溶蝕的聯合作用下,使各類溶洞擴大,使其與微裂隙和各種孔隙聯在一起形成的復雜網絡儲水系統(吳興錄,2003)。

綜上所述,南翼山地區從上油砂山組以下至上干柴溝組,越往深部,各種裂縫、裂隙越發育,封閉程度越高,致使鹽溶溶濾和變質作用的發生,從而產生了該區高的礦化度(一般大于280 g/L)的富鉀深層鹵水。

4 結論

(1)漸新世—上新世,南翼山背斜構造經歷了深湖相—半深湖相—淺湖相—潮坪相沉積。南翼山背斜構造由深部侏羅紀和淺部古近紀—新近紀兩個背斜構造疊合而成。南翼山淺部背斜構造形成于上新世晚期,隨著南翼山淺部背斜構造的形成,產生縱斷層、橫斷層、斜斷層、順層斷層及相應的構造裂縫,為深部鹵水的儲存提供了賦存空間。因此,南翼山背斜構造深層鹵水層分布于淺部背斜構造下干柴溝組((E3g)、上干柴溝組(N2g)、下油砂山組(N2y)地層中裂縫比較發育的部位,一般集中于 2200～3500 m。

(2)南翼山淺部背斜構造區除有用組分 K+等含量高于工業品位,共生的NaCl與伴生的B2O3、Li+、Br–等達到綜合利用指標,且 NNa+/NCl–系數值0.75～0.8,K+×103/Cl–系數值 29.74～45.31,K+×103/Σ鹽系數 17.88～27.08,Mg2+/Cl–系數 0.01,Ca2+/Mg2+系數 9.89～15.18,Br–×103/Cl–系數值 0.26～0.43,Br–/I–系數 1.19～1.98,NSO42–/N(Cl–+SO42–)系數為 0,說明南翼山深層鹵水是封閉程度高的還原環境下沉積變質作用的產物。

(3)基于以上特征,在柴達木盆地西部淺部背斜構造區針對下干柴溝組(E3g)、上干柴溝組(N2g)、下油砂山組(N2y)進行深部富鉀鹵水勘查時,應先運用地震剖面進行精細的解譯,了解斷層及相應裂隙的分布情況后,再進行深部鉆探施工,或對石油局老井進行射孔工作。

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