沉积盆地流体地质学第四章-2地下水化学

GeofluidsGeofluidsinSedimentary第四章主主讲教师：曾溅辉教 CentralMississippi,IllinoisBasin,MichiganBasin,NorthernGulfCoast,OffshoreLoursiana,SanJoaquinBasin,SouthwestLousiana盆 AlbertaBasin，法国Paris盆地，东南亚♣含油气盆 水的盐度变化范围可达五个数量级 目前 ♣许多沉积盆地地层水的盐度都超过平均海水含盐度，即35g/l，但是也有一些盆地的含盐度接近海水盐度或主要阴离子(Major 1）在盐度超过的Cl-2）很少有卤水以

CH3COO为主要阴离主要阳离子(Major 地层水中阳离子则随盐度的增加而发生渐进式盐度低到中等的地层2），a的相对比例减少，而、加 3（4）（4）有机 溶解烃类：芳香烃>环烷烃>链状烷大多数烃类溶解度随温度升高而增大，有机♣其它有机酸的浓度通常<100mg/l11（二）沉积地层水化学成分成因及影响因 1.高盐度的成因（Originofhigh ★研究了海水 在盐度为在盐度为★海水蒸发能够形成盐度不同的水并使Cl富集，虽能解释大多数 卤水的盐度范围，但不能解释 卤水中主要阴、阳离子组成，44——蒸发海水中的SO2-为主要阴离子，而大 卤水中的SO2-较少；44 ★Br与Cl的含量变化ClBr/Cl和时，Cl以岩盐的形式沉淀，少量的Br合进入Na(Cl-Br)等盐类晶格中，大多数仍残留于溶液中，故随蒸发作用不断进行，残余卤水中Br/Cl值开当l盐类达到饱和时Cl曲线斜率理论上：陆上蒸发而形成的卤水具有高Br/Cl比值。大陆水蒸发作比海水蒸发作用复杂。与海水蒸发卤水之——含盐度变化很大（27个盐水湖在——除一些富含的卤水之外，Na为最丰富的阳离子，浓度超过已蒸发海水的盐——阴离子可以有ClSO4甚至HCO33——的含量差异较蒸发岩 溶解作 野外研究证实，产生 高盐度卤水的另一种形 蒸发岩的不一致溶解作用（Incongruentdissolutionof 为止还未发现形成于薄膜过滤作用的卤水实 解释贫为止还未发现形成于薄膜过滤作用的卤水实在一些结晶岩地区如地盾裂缝性岩云母、角闪石水解作用的结果。2.主要阳离子和值的形成作用及影响因 地球化学模拟地球化学模拟Geochemical Cl和Br主要受控于溶对流和弥散作用之类相有关的热动力平衡作用Cl和Br为保守组分，故可用Cl/Br比值研究地层（2）HCO（2）HCO-和SO34大多数地层水的碱度受控于HCO-或有机酸阴离子。通常3碱度随盐度的增加而降低，其①有机碳酸阴离子最初与由富含有机质泥岩的脱水而来的低②在CaCO3缓冲系统中，碳酸盐的碱度随溶解Ca的增加而减SO4含量随TDS变—般地层水中的SO4①盐类溶解导致的SO2-释4②溶质运③还原作用（导致其它组 ♣由海水蒸发成的岩盐远离海水蒸发或岩盐Na-Cl-Br图可以用来区分不 的溶换而都失去了Na（Banks等

Na/K可能是由古流体与碱性长石和（或）白云母★卤水与围岩发生各种反应而不断演化，Ca/Mg摩 270g/L。在800m之下TDS与深度之间不存330g/L）远远高于 DAC1：古近纪-晚三叠纪地层水DAC4：早二叠纪地层 ♣第一组以Na+和Cl-为主，其浓度分别可达3300meq/L和♣第二组，Na浓度可达meq/L,但不再是最主要的阳离子，Mg2+和Ca2+的浓度范围分别为24meq/L~9700meq/L和26meq/L~3400meq/L。在第二组中有两个样品尤为突出，它们的Mg2+占据阳离子的4HCO3-浓度较低（＜15meq/L）可以忽略不计，SO2-4也很少超过150meq/LN+/C-当量比与C-当量交会图。图中虚线表FonteMt） 海水蒸发线。曲线、、3和是分别代表下列元：现代海水和岩盐沉淀初期的海水（曲线）初蒸（曲线2），杂盐（曲线3）和水氯镁石（线4）（Tesmer等

Ca2+和Mg2+的交会图（Tesmer等excess图6.1.9（Ca2++Mg2+）/（Na++K+）量比与Cl-excess的交会图（Tesmer2007）。代表了除NaCl和 ♣第一组样品数据终止于海水的Br-/Cl-当量比，而第二组的数 根据不同的SO

- -HCO -SO

3 3 类型S1a：Casw＞HCO 3 类型S1b：Casw≤HCO ＜SO 3

3 该类型以Casw＜HCO 3 3 类型S4：HCO-3 似，R类

岩中Sr同位素 岩中Sr同位素比例的典型范可以划分为三（i）同位素比约为水与淡水样两组数据是与灰岩或富碳泥两组数据是与灰岩或富碳泥了不同Sr含量的灰岩的5.5.盆地流体的Na-Ca-Cl关系及其成 ♣盆地流体为圈闭在沉积盆地的古海水，同时发生了♣盆地流体均来自大气降水，并且发生了一系列从浅1DavissonM.L.,PresserT.S.,andCrissR.E.(1994)GeochemistryoftectonicallyexpelledfluidsfromthenorthernCoastRanges,RumseyHills,California,USA.Geochim.2DavissonM.L.andCrissR.E.(1995)ReplytothecommentE.Merino"GeochemistryoftectonicallyexpelledfluidsfromthenorthernCoastRanges,RumseyHills,California,USA".Geochim.Cosmochim.Acta59,1873.（3）M.L.DAVISSONandR.E.CRISS.(1996)Na-Ca-relationsinbasinalfluids,Geochim.Cosmochim.(1)(1)盆地流体的Ca-Cl关 =-]= [(Na/Cl)-](2)(2)盆地流体线（BasinFluid CaexcessCaexcess=0.967（Nadeficit♣♣涉及到很多盆地的800♣Cl的浓度分布在近似1-♣♣Caexcess和Nadeficit与(b)Excess-deficit(b)Excess-deficitplotshowingthattheordinarybasinalfluidsthatconstitutetheBFL(soliddotsfromFig.la)differfromhalitefluidinclusions(see*itemsinTablelb).Manyfluidinclusionsfollowtheseawaterevaporationtrajectory,orplotbetweenthetrendsforseawaterevaporationandbasinalfluids.典型的热液流和饮 水为的Caexcess和★★Caexcess和Caexcess和Nadeficit 海水蒸发作用流海水蒸发作用流进一步的蒸发作用，由于Ca的沉淀，将垂直向下变化。然后♣化，随着岩盐沉淀作用的进行，Nadeficit♣♣CaCO3和CaSO4（+H2O）的溶解和方解石的白云化作用，将增加CaexcessNadeficit此时，随着CaCO3的沉淀，Caexcess将降低。♣斜长石的钠长 发生1:1的Na交换Ca，导致Caexcess和CaAl2Si2O8（an)+SiO2+Na++4H+=NaAlSi3O8(ab)+Ca2++AI3++2SiO2+1/2H2O+H++Na++=NaAlSi3O8(ab)+1/2Al2Si2O5(OH)4+Ca，导致Caexcess和an)+4SiO2+2Na=2NaAlSi3O8(ab)

♣混合作用在Caexcess和Nadeficit♣若岩盐的溶解作用伴♣混合作用在Caexcess和Nadeficit上出现正的截距。y轴 数据点均分布在BFL与海水蒸发线之间，同时表现出Na+缺失♣图中数据点分布呈现出两段式:当Nadeficit值小于400meq/LTDS约为55g/L)时，数据点分布基本平行于海水蒸发线，说明蒸发浓缩作用参与了TDS<55g/L的地层水的形成♣♣混合作用在Caexcess和♣当Nadeficit值大于400meq/L(TDS>55g/1)时，数据点落表明该区高矿化度水(TDS55g/1)的形成是湖水蒸发/岩盐沉淀和斜长石的钠长作用共同作用的结果。♣♣♣发生（♣主要反应为：CaAl2Si2O8（an4SiO2+2NaAlSi3O8(ab)+ⅠⅠⅡⅢⅣ1.中国含油气盆地地层水化学基本特 ①地层水有较高的矿化度，但波动幅度较大（0.5-2）地层水的离子分异现象明2）地层水的离子分异现象明 ①就常量组分(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、

2- 阴离子：多数为Cl-

->SO 生物地化作用较强，以及母岩为火成岩的含3气盆地内，HCO的含量剧增，甚至超过Cl-3而跃居首位SO2-在一般情况下缺失或含量甚低，但4）。地层水中含有较多的——较大，其含量由淡水湖盆的河湖沉积相－半咸水湖盆——与矿化度、pH值等具有一定的消长关4）地层水中有机质组分比较丰4）地层水中有机质组分比较丰 ①可溶气态天然水中可溶气态烃主要以甲烷系列、甲烷－重烃系列及甲烷－重烃－不饱和烃系列苯、酚在水中的含量与水化学类型、 ①由HCO3－Ca(Mg) ③随 ③二环及稠环芳④地层水中可溶有机质的含量较高，皮克和霍水的监检范围值达80-140ppm，其组成为：非烃≥烷烃≥芳烃≥沥青质。有机酸与脂肪酸等地层水的同位素特地层水的δD57.95—69.88‰，δ18D值为-地层水其它组分特（2）地层水化学成分的演变规（2）地层水化学成分的演变规 地层水化学成分与地球化学环境之关 水

Na 水水 分

HCO3-Cl•HCO3-

矿化度岩性、岩特地化 体中盐化 物质特

浅水－深水湖相，砂岩为主，岩性比较稳

20-Cl-含量为0.01-

2.2.海海相地层海相、海陆交互相和泻湖相地层1.研究区地质概

山天 天

拜 轮

库尔

山 北阿克

塔

起起 南叶 和仑

凸起陷南塔

隆 且 阿 于田民丰

75°

研究区地质概现C发展阶S形成阶前NNNNE民丰民 塔中塔中1 轮南轮南1 拜城拜NNNNE民丰民 塔中塔中1 轮南轮南1 拜城拜 D-AnAnZ - - ∈- PPz PPz AnAnZ ∈- ∈--110 AnAnZ112 AnAnZ塔中1轮南12P-2J-D4C6J-C∈-DS8J-∈-∈-∈-昆塔南南 尔凹陷满加尔凹陷))天 km 隆 （1）塔中地区（1）塔中地区温度场（2）（2）P（地层压力地层水化学

各层系矿化度特 频数(%)频数(%)0 塔中地区地层水矿化度频数一般大于60g/l,属于盐

0深度深度

矿化g

石炭系志留系奥陶3.地层水化学特

各层系水型特0Cl-Cl-Cl-Cl- Cl.SO4- 频数频数地层水化学特

各层系地层水组分特

矿化矿化度0Cl(g/l)Cl(g/l)0

CⅠCⅡ O海水CⅠCⅡ

12010080604020012000100000

CⅡ 海CⅠCⅡ O海3.地层水化学特 （4）各层系地层水离子比例系主要选用的离子比例系数子交替吸附和强烈水-岩相互作用的沉积水rNa/rCl小 盐层溶滤形成 水rNa/rCl大约为1.0，受大气降水滤作用影响 水rNa/rCl大于1.0。脱硫酸系数表脱硫酸作用程度，作用完全时此系数为0，表明封闭度好，水-岩相互作用强，大于表明受大气降水的淋滤作用。(rCl-rNa)/rMg系数越大表明封闭程度好，水-岩作用强，该系数为负值时，3.地层水化学特

各层系地层水离子比例系150水150水SSO86420SO钠氯系数脱硫酸系数变质系数变质系数在在

3.地层水化学特

3.地层水化学特

Ca2+Ca2+（g/l）0

总水 2

0

石炭12）

志留

奥陶1

0 矿化度

0 矿化度（g/l）3.地层水化学特 钠氯钠氯系0

ⅡⅢ

0

Ⅱ

石炭Ⅲ

志留ⅠⅡ

Ⅰ

ⅡⅢ

奥陶0

TDS(g/l)

200TDS(g/l)

3.地层水化学特

ⅢⅢ0Ⅱ0ⅡⅠ石炭 - 0Ⅲ0ⅡⅡⅠ0志留Ⅰ奥陶 0变质3.地层水化学特 Ⅰ类：沉积Ⅰ2强水-岩作用的沉积-埋藏Ⅱ类：古溶滤-入渗3.地层水化学特 3.地3.地层水化学特3.地3.地层水化学特3.中国典型陆相含油气盆地地层水化特征及成它成分，可将我国中 • ——离子比值NaHCO3,Cl•HCO-NarNa/rCl>1r(Cl-

4 ——类型：以CaCl2型，Cl-Na水为主，次为NaHCO3型或Cl-Na 在局部封闭好的地区：为CaCl2型，Cl-Na.Ca或Cl-Ca.Na水。Ca2+阴离子：Cl->SO2->HCO- 44NaHCO3型水：rNa/rCl>1,r(Cl-4

CaCl2rNa/rCl<0.96,r(Cl-4 分布特征：别是中 补偿性沉积盆地，如塔里木的塔里齐克 HCO-占3——

4 频数频数0 <5g/L<5g/L5～20g/L20～60g/L60～100g/L频数频数0孔店组沙四段沙三段沙二段沙一段东营组馆陶组明化镇组 孔店组沙四段沙三段沙二段沙一段东营组馆陶组明化镇组0100200300矿化g0100200300矿化gL4000100020003000400050006000明化镇组馆陶组东营组孔店组前第三系为主，CaCl2、CaCl2增加；而NaHCO3MgCl2和Na2SO4型水0总 0百分比总总百分比（2620个数据点百分比

10 离子含量（离子含量（gL平均含量（g/L50 平均含量（平均含量（gL43210（Na+K）离子含量0（Na+K）离子含量00前第三 孔店 沙四 沙三沙二段沙一 东营 馆陶 明化镇Cl含量0501502002500100020003000400050006000前第三 孔店 沙四沙一 东营 馆陶沙三段明化镇组沙二段HCO3离子含量02460100020003000400050006000前第三 孔店 沙四馆陶沙三明化镇沙二沙一东营0Ca离子含量 0Ca离子含量 0前第三 孔店沙一 东营沙三 沙二明化镇Mg离子含量0123450 深度深度SO4离子含量01234560SO4离子含量01234560 深度0 前第0