水化學及氫氧同位素組成指示的澀北氣田地層水成因

2021-06-09 10:02:06李建森凌智永李雷明袁小龍

安全與環境工程 2021年3期

關鍵詞：生物

李建森，凌智永，李雷明，袁小龍

(1.中國科學院青海鹽湖研究所鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室，青海西寧 810008；2.青海省鹽湖地質與環境重點實驗室，青海西寧 810008)

柴達木盆地是青藏高原天然氣開發的主戰場，其中盆地中部三湖地區(因周邊分布著東西臺吉乃爾湖、澀聶湖和達布遜湖3個大型鹽湖而得名)探明天然氣地質儲量約占青藏高原的80 %，是目前世界上極為典型的規模最大且最為年輕的第四系生物氣田。三湖地區自1958 年實施鹽深1 井鉆探發現第一個生物氣田——鹽湖氣田以來，在第四系7個泉組(Q)先后發現了澀北1號(1964 年)、澀北2 號(1975 年)、臺南(1987 年)三大主力生物氣田，具有巨大的資源潛力。近年來，圍繞生物氣田實施大批擴邊鉆探，但一直未獲突破，生物氣勘探遇到了瓶頸。在生物氣成因上，早期研究認為這些生物氣田均由成巖作用經過生物化學作用產生，并以游離相就近垂向運聚成藏，并得到了沉積學和同位素方面的驗證。但通過生物氣田水文地質條件對比分析發現，三湖地區生物氣首先會以水溶氣方式發生遠距離橫向運移，后在有利位置以游離相垂向運移成藏，在國外個別大型生物氣田中也出現此成藏規律。還有研究認為，三湖地區第四系生物氣在形成后皆以水平運移進入氣藏，基本不存在垂向運移。可見，對于三湖地區生物氣起源還存在極大爭議。同時，三湖地區澀北氣田位于中國最大的鹵水鋰鹽礦床——東西臺吉乃爾鹽湖和最大的鹵水鉀鹽礦床——察爾汗鹽湖中間，上游有東昆侖發育的大型河流——那棱格勒河的補給，水文地質條件總體上較復雜，而且生物氣的生成、運移和富集與地層水密切相關。然而，目前針對澀北氣田地層水開展的專門研究極少，尤其是鉀(K)、硼(B)、鋰(Li)、鍶(Sr)、溴(Br)等微量元素礦種資源的分布特征和地層水的水文地球化學成因問題，尚未見報道。因此，系統地分析澀北氣田地層水的水化學組成，并借助同位素水文學手段查明水體的起源和演化，有助于深化對青藏高原生物氣成因的認識，科學支撐三湖地區生物氣勘探。

1 研究區概況

青藏高原第四系生物氣分布在中國西部中新生代大型內陸山間盆地的湖相沉積中。三湖坳陷在距今約2.5 Ma的地質時期以來強烈沉降，快速沉積了巨厚的咸水湖夾沼澤相地層，地層厚度一般為300～3 500 m，其中厚度大于2 000 m的面積約為2.5 萬km，氣源巖中心地層厚度大于1 km，主要分布在臺吉乃爾—澀聶湖一帶，呈NWW展布。第四紀暗色泥巖、碳質泥巖沉積中以陸源生物的腐殖型和含腐泥腐殖型有機質為主，有機母質主要為陸生草本植物、水生植物和藻類。三湖地區第四紀具有成巖作用弱、砂泥巖互層、源儲不分明、接替接力生氣、由南向北水動力條件較強等獨有的地質特征，氣層埋深在65～1 828 m之間，且發育有多個水層，共同成為第四紀生物氣大規模富集的基礎條件。

本次研究選取柴達木地三湖坳陷為研究區。研究區(36°4′N～38°3′N，92°47′E～95°26′E)西起西臺鹽湖，東至達布遜鹽湖，南起東昆侖山前，北至駱駝山，山系、水系、湖泊及氣田分布與地質構造概況見圖1。

圖1 三湖坳陷山系、水系、湖泊及氣田分布與地質構造圖Fig.1 Distribution of mountains,water systems,lakes, and gas fields and geological structure in Sanhu Depression

2 樣品采集與測試

表1 澀北氣田地層水及周邊水體水化學組分的測試結果Table 1 Hydrochemical composition of formation water and surrounding water in Sebei gas field

3 結果與討論

3.1 澀北氣田地層水的水化學特征

三湖坳陷巨厚的第四系沉積，是柴達木古大湖在第三系末期解體東遷的結果，在物質組分上無疑會繼承盆地西北部古大湖的元素特征，尤其是作為深埋于地下的地層水，在長期與地層發生水-巖反應過程中，會使沉積物中的部分元素釋放到水體中，成為地層水的成鹽元素。對澀北氣田北部10km處駱駝山背斜上新世和更新世出露的地層化學分析表明：地層中NaCl含量分別為5.6%和4.2%，K、B、Li、Sr、Br元素含量分別為0.26%、0.011%、0.002 1%、0.08%、0.016%和0.3%、0.006%、0.001 6%、0.062%、0.015%，這幾乎可與澀北氣田地層水中的元素含量相對應。澀北氣田地層水中相對較高含量的Sr元素主要來源于更新世地層，富鍶水體和沉積物在整個柴達木盆地中較為常見，比較典型的是盆地西部早更新世大型天青石礦(SrSO)。雖然地殼中Br元素的平均含量僅為0.000 16%，但是澀北氣田地層水中Br元素的含量為地殼的100倍，早有研究指出：在柴達木盆地中Br元素主要參與了沉積作用，從而造成鹽湖鹵水中Br元素含量不高，而新生代沉積物中具有極高的Br元素含量。東臺鹽湖，作為那棱格勒河的尾閭湖，在地表主要依靠強烈的蒸發濃縮作用富集元素礦種，由于那棱格勒河中Br元素含量極低，導致鹽湖鹵水中Br元素含量不高，甚至低于澀北氣田水。

3.2 澀北氣田地層水的氫氧同位素特征

水體的氫氧同位素對于蒸發作用極為敏感，極易在蒸發過程中富集重同位素，這在柴達木盆地咸水湖中表現得尤為明顯。澀北氣田地層水及周邊水體的氫氧同位素分布圖，見圖2。

圖2 澀北氣田地層水及周邊水體的氫氧同位素分布圖Fig.2 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in formation water and surrounding water in Sebei gas field(東昆侖山北坡冰川雪水及部分那棱格勒河河水數據來自文獻[20]；那棱格勒地下水數據來自文獻[21]；盆地咸水湖水來自文獻[14])

由表1和圖2可見，茫崖湖、希里溝湖、尕海湖、托素湖作為水文過程相對單一的干旱區封閉湖盆，湖水中TDS含量分布在18.6～46.5 g/L之間，補給水體以周圍季節性河流匯入為主，從補給水體到湖盆，

D值可從-62.0‰增至28.2‰，而

O值可從-8.6‰增至7.9‰，4個咸水湖中

D平均值為14.5‰、

O平均值為5.8‰，體現了蒸發作用對于水體氫氧同位素的巨大影響；那棱格勒河發源于東昆侖山，以冰雪融水補給為主，在東臺鹽湖人工大壩的阻擋下目前主要匯聚至鴨湖，鴨湖湖盆底部含有較多的鹽分物質，易于溶解進入湖水中，加之一定的蒸發作用，使得湖水中TDS含量上升至8.6 g/L，

D和

O值分別增至-11‰和0.13‰；澀北氣田地層水中

D值分布在-65.2‰～-51.0‰之間，

O值分布在-6.6‰～-3.2‰之間，

D平均值為-55.1‰，

O平均值為-5.3‰，

O值略高于那棱格勒河水(-7.6‰)，而

D值略低于那棱格勒河水(-53.5 ‰)，但遠低于鴨湖、東臺鹽湖以及盆地咸水湖水體，如此低的氫氧同位素充分表明水體受到的蒸發作用極其微弱。此外，由圖2可見，東昆侖山北坡的冰川雪水、那棱格勒河地下水及河水中的氫氧同位素皆分布在全球大氣降水線上，冰川雪水具有最低的氫氧同位素組成，那棱格勒河地下水次之；將澀北氣田地層水中氫氧同位素數據進行擬合，其演化線與全球大氣降水線相交于

D=-66.0‰、

O=-8.1‰，位于冰川雪水與地下水之間，說明澀北氣田地層水起源于大氣降水，極有可能與東昆侖山北坡的冰雪融水和山前的地下水有直接關系。近年來，有研究指出：地下水深循環是一種極為重要的水循環方式，甚至可能控制著更為宏觀的地下水平衡系統。東昆侖北緣發育有昆北深大斷裂，部分冰雪融水可以沿斷裂下滲至數千米的深部地層，參與地下水深循環，由于從昆侖山體至山前斜坡再到三湖坳陷整體為南高北低，深部地下水在顯著的高勢差下形成水力梯度，進一步地沿山前斜坡帶順層驅替至三湖坳陷，到達滯水區，被封存在地層中。澀北氣田地層水中TDS含量的平均值可達117.7 g/L，一般而言，如此高的溶解性總固體的水體，往往會具有相對高的氫氧同位素組成，尤其是在干旱荒漠戈壁區。而較為特殊的是，澀北氣田地層水卻有著極低的氫氧同位素組成，這恰恰說明其中的鹽分物質幾乎完全來自于地層元素的物理溶解過程。

O往往會在水體溶解碳酸鹽過程中發生交換，而碳酸鹽的

O值一般都相對偏高，從而導致水體中

O值升高，澀北氣田地層水中

O值相對于冰川融水正向飄移3.5 ‰左右，進一步地指示了氣田水在溶解地層鹽類物質過程中發生的水-巖反應。

可以確定的是：澀北氣田地層水起源于東昆侖山冰川雪水，為冰川雪水轉換為地下水沿山前斜坡帶滲入三湖坳陷地層形成，并在地下水入滲、匯聚過程中溶解了地層中大量的鹽類物質以及Sr、Br、B等微量元素，使得水體鹽度逐步增加，運移至坳陷北部的背斜帶，最終形成鹽度較高的地層水，見圖3。實際上，澀北氣田地層水的物理化學性質是非常獨特的，在整個柴達木盆地中高鹽度、低氫氧同位素組成的水體并不多見，有些典型元素的成因依然值得進一步深入探討。

圖3 三湖坳陷地層水運移剖面圖Fig.3 Profile of formation water transport in Sanhu depression

3.3 地層水特征及成因對于澀北氣田生物氣形成規律和勘探開發的啟示

澀北第四系生物成因氣田除地層新、規模大以外，還具有多方面的獨特性。在成因上，三湖坳陷第四系氣源巖有機質豐度偏低，單靠本地生成的生物氣，顯然不能滿足成藏要求，為何仍能形成如此規模的氣田？在富集構造上，理論上地層水較高的鹽度會大大抑制甲烷菌的生長和產氣，而昆北斷階山前斜坡帶地層水較為淡化，有利于生物氣的生成，因此山前南部斜坡帶曾一度被作為勘探靶區，并實施生物氣鉆井十余口，但是幾乎未見氣藏異常顯示，那么生物氣為何富集在北部凹陷背斜帶內成藏？

由澀北氣田地層水的起源推測：生物氣確實可以在昆侖山前南斜坡帶大量生成，但是南斜坡背斜圈閉極少，所產的生物氣難以保存，同時盆地自南向北極好的地下水動力條件使得生物氣被大量向北沖刷，運移至凹陷背斜帶內由于壓力釋放加之水體鹽度大幅升高，使生物氣的溶解度降低，水溶氣大量析出，并在有利位置與地層原生氣體混合富集動態成藏(見圖3)。地層水的成因演化進一步指示澀北氣田具有生物氣橫向運移、水溶氣動態成藏的富集規律。

2014年，青海油田在柴達木盆地三湖坳陷鹽湖構造西南翼實施3 500 m的氣鉀1井(位置見圖1)，鉆探層位為7個泉組和獅子溝組、上油砂山組，進行鉀鹽和生物氣資源的雙重勘探，但是未見油氣顯示。經評價研究發現：該區地層烴源巖與區域地層烴源巖發育情況一致，其整體有機質含量較低，且蓋層的封蓋性較差。澀北生物氣獨特的運聚成藏規律提示：在三湖地區進行生物氣勘探過程中，除地層烴源巖和蓋層因素外，應當十分重視地下水流體系和水文地質過程的研究。已有大量研究強調，地層水在生物氣生產和聚集過程中可能發揮著關鍵作用，地層水的起源、運移和咸化過程在某種程度上決定著生物氣的生成、運移和聚集。因此，在三湖地區進行生物氣勘探過程中，應著重查明三湖地區深部地層水的來源和咸化成因，并在三湖地區及外圍深部富鋰鹵水勘探過程中加強對生物氣資源的關注。

4 結論

(2) 澀北氣田地層水中

D值分布在-65.2～-51.0‰之間，

O值分布在-6.6‰～-3.2‰之間，

D平均值為-55.1‰，

O平均值為-5.3‰，相對低的氫氧同位素充分表明水體受到的蒸發作用極其微弱，相對于冰川融水正向飄移3.5‰左右的

O值則指示了澀北氣田地層水在溶解地層鹽類物質過程中發生的水-巖反應。

(3) 結合水化學組分和氫氧同位素特征推斷：澀北氣田地層水起源于東昆侖山冰川雪水，為冰川雪水轉換為地下水沿山前斜坡帶滲入三湖坳陷地層形成,并在地下水入滲、匯聚過程中溶解了地層中大量的鹽類物質以及Sr、Br、B等微量元素，使得水體鹽度逐步增加，運移至坳陷北部的背斜帶，最終形成鹽度較高的地層水。

(4) 地層水的成因演化進一步指示澀北氣田具有生物氣橫向運移、水溶氣動態成藏的富集規律，也證明地層水的起源、運移和咸化過程在一定程度上決定著生物氣的生成、運移和富集。因此，在三湖地區進行生物氣勘探過程中，除地層烴源巖和蓋層因素外，應當重視地下水流體系和水文地質過程的研究。