四川盆地上三叠统须家河组稳定同位素演化特征及其成因探讨

四川盆地上三叠统须家河组稳定同位素演化特征及其成因探讨

1下伏地层水特征四川盆地自印支末期以来进入内湖盆的发展阶段，其中，晚印支期的徐家河群主要集中在潮湿环境下的河流沼泽和湖泊群。华蓥山以西的川中斜坡区,须家河组自下而上呈泥岩与砂岩厚层间互式发育,须一段、须三段、须五段及须六段上部主要为泥岩,须二段、须四段与须六段下部主要为砂岩,各砂岩段厚约80~180m,埋深2200~5500m;川西地区须家河组的沉积特征与川中斜坡区相似,只是须二段、须四段、须六段下部不仅存在砂岩,也存在较厚的泥岩,特别是须一段还发育海相碳酸盐岩,埋深2000~8500m。须家河组的下伏地层是中三叠统雷口坡组—下三叠统嘉陵江组(图1),其中营山—遂宁—乐山及其东南地区,雷口坡组三段—四段的膏岩、盐岩及白云岩与上覆须家河组直接接触。利用离子色谱法及化学滴定法,对四川盆地12口井46个埋深为2300~3700m的雷口坡组地层水,以及39口井62个埋深为1600~3600m的须家河组地层水的常量组分及钡离子含量分析表明(表1),雷口坡组地层水具有典型的盐卤水特征;须家河组虽是潮湿环境下的陆相含煤碎屑岩沉积,但其地层水具有很高的矿化度,多为150~280g/L,最高可达350g/L,具典型高含盐卤水特征;地层水中钡离子含量较高且不存在硫酸根离子是其与下伏中三叠统雷口坡组地层水特征的最大不同,但它们的盐度却又十分相近,尤其在川中东南部地区,形成了与原始沉积环境不符的高矿化度地层水。由此推断,须家河组与下伏雷口坡组的地层水之间很可能有密切的关系,但很难用地层水的常量组分来说清楚。为此,笔者尝试利用地层水微量元素与氢氧同位素等来探讨须家河组地层水的成因特征。2地层水样品等离子体分析利用中国石化石油勘探开发研究院合肥培训测试中心高频电感耦合等离子体多道光电直读光谱仪(96—750型,美国JARREH-ASH公司生产,误差小于0.05ng/L),在高频发生器频率27.12MHz,输入功率1.15kW,反射功率<5W,入射狭缝25μm的条件下,对四川盆地37口井(图1)的须家河组地层水样品进行了等离子体发射光谱法分析。结果表明,其含有较多的微量元素,如钡(Ba)、硼(B)、钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、钨(W)、锶(Sr)、镉(Cd)、镍(Ni)、银(Ag)、金(Au)等。由表2可见,须家河组地层水微量元素中,锶、钡的含量较高,大部分样品在1000mg/L以上,而其他微量元素的含量较低,多在30mg/L以下。2.1地层水特征与沉析水矿化度锶和钡是地表水及地下水中非常微量的元素,开阔海域海水中的锶含量为0.1mg/L,钡含量也为0.1mg/L;开阔海域的海底软泥及海湾沉积物中的锶含量较高,也仅分别达6.6mg/L和13mg/L。而四川盆地须家河组地层水中钡含量约为600~3780mg/L,锶含量约为200~1600mg/L,远大于海水和海底软泥中的钡、锶含量,且其分布与层段关系不大,而与发育区带关系密切,尤其是锶的含量在川西地区的中坝、邛西、平落坝等相对偏低,在川中地区相对偏高。四川盆地须家河组地层水锶、钡含量高可能是由须家河组沉积早期雷口坡组三段—四段的膏盐段剥蚀而造成的局部高浓度沉积水所致,也可能是由须家河组沉积后雷口坡组三段—四段的膏盐成岩埋藏压实水替换须家河组地层水而成,即须家河组地层水具有很高的锶、钡含量特征,很可能与高浓缩的海相地层水有关。高含量锶元素主要发育于高浓缩的海相地层水中,或赋存于膏盐岩发育的地层中,最富集于膏盐岩层的泥岩中(其锶元素含量可超过1000mg/L)。而高含量的钡元素多富集于含盐度较高的半封闭海湾或水体较深的浅海陆棚沉积环境的软泥中,如Galapagos裂谷附近的软泥中钡含量最高可达3160mg/L。另外,在生物活动频繁的海洋地区及深海地区沉积物中富含钡。钡的母源物质主要为中酸性火山岩、含碳硅质岩及酸性火山凝灰岩等,这些岩石中钡元素含量较高,多为1000~2000mg/L,尤其是生物成因的碳硅质岩中可达50000mg/L。这一类母岩于城口—秦巴山区的寒武系鲁家坪组黑色硅质岩系中有大规模发现,而晚三叠世时期以此为母源的地区,就可以形成高钡含量的地层水。川西地区地层水矿化度与锶含量相对偏低(图2),可能与地层抬升后气藏凝析水的加入及开采过程中井口凝析水的加入有关,而不是近期大气淡水的影响。川西地区须家河组位于山前冲断带深层,受喜山期强烈褶皱与抬升作用影响,地层经历了减压降温过程,应有较多气藏凝析水的形成。地层的强烈抬升,不仅可使地层中的水溶气脱溶形成气藏,而且可使储层或气藏在地下产生凝析水,凝析水的加入会使微量元素含量显著降低,地层水矿化度也会明显降低。八角场气藏是典型的以脱溶气为主的气藏,其地层水总矿化度明显低于邻区同层位的地层水,只有50~70mg/L,有明显的凝析水影响,其锶、钡等微量元素的含量也明显低于邻区地层水,如角33井地层水锶的含量降到了0.83mg/L,远低于海相沉积物中的锶含量水平;钡的含量也降到了605mg/L,只有邻区地层水的1/3。川西须家河组地层的强烈抬升,也从凝析油存在的“蒸发分馏”蚀变现象得到证实。根据四川盆地须家河组天然气开采过程中井口凝析水的统计,产气量为(3~10)×104m3/d的气井,凝析水产量为0.1~0.15m3/d。其矿化度多为70~150g/L,约为邻区水井地层水矿化度的1/2。角33、金2、包16、岳6等井产水量小于2m3/d,受井口凝析水影响较大,而其他井产水量多为4~90m3/d,井口凝析水产量只占其产水量的1/(40~900)。因此川西地区大多数矿化度较低的地层水,主要受气藏凝析水的影响,个别井受天然气开采过程中井口凝析水影响较大。2.2不同层系须家河组各段硼含量比较硼元素主要赋存于海相泥岩或浓缩的膏盐岩地层水中,海相沉积中硼含量多为1.5~4.4mg/L。须家河组地层水的硼含量相对较高,多为0.5~30mg/L。并且须家河组各段相比,须二段硼含量相对较高,多为5~30mg/L,最高可达52mg/L;须四—须六段硼含量相对较低,多为0.2~1.5mg/L,仅个别可达2~4.66mg/L。须家河组较高的硼含量以及其纵向变化特征显示须家河组下部受到来自下伏海相浓缩地层水的影响,进一步证明雷口坡组高浓度盐水对须家河组地层水的影响明显。2.3须家河组各层段之间的对比钴元素主要赋存于地壳深部,多由火山喷发作用带到地表或地壳浅层。须家河组地层水中钴含量很低,多为0.001~0.02mg/L,这显示须家河组地层受火山喷发物质的影响很小。虽然如此,但还是可以看到须家河组各层段之间钴元素含量的差异,即须二段较低,为0.001~0.012mg/L,而须四—须六段略高,为0.01~0.02mg/L。这一特征与四川盆地在须四段沉积早期有一次强烈的构造运动,即安县运动相对应。自安县运动之后,以火山物质为母岩的碎屑物质有所增多,如广安地区须六段发现了一定含量的凝灰质岩屑,证明须家河组沉积中晚期火山物质的输入确有增加。因此,钴元素的发育揭示了火山物质通过对须四段—须六段有较弱的影响,也影响到了地层水中微量元素的微弱变化。2.4地层中锰的主要来源锰元素主要来源于地壳深部,在地壳浅层主要富集于火山喷发岩和含锰的海相碳酸盐岩地层中,锰在海洋沉积物中的含量为0.1~1mg/L。在四川盆地周缘的滇东南、滇西北、滇西南、湘中、桂西南、秦巴等地区发育了中三叠世、中—晚奥陶世、中—晚元古代的大型海相沉积锰矿,而四川盆地须家河组沉积时没有火山喷发事件发生,只在须四—须六段发育时有远距离的局限火山碎屑物质输入,其对须家河组锰的贡献远小于海相地层与海相锰矿藏的输入影响。因此四川盆地须家河组地层水中锰的主要来源应该是海相锰矿藏风化后的输入或下伏地层的影响。如果是海相锰矿藏风化搬运输入的影响,须家河组地层中的锰含量应是相对稳定的;如果是下伏海相地层的影响,则应该是下部地层中的锰含量高于上部地层。须家河组地层水中锰含量很少,仅为0.2~8mg/L。但也能发现须二段的锰含量略高,多为2~8mg/L;须四—须六段地层水中的锰含量很低,多为0.2~0.8mg/L。这表明锰的相对富集主要与下伏雷口坡组海相高浓度地层水的直接影响有关。2.5须家河组地层水的含量铁元素也主要来源于地壳深部,在地壳浅层主要富集于火山喷发岩、高浓缩的膏盐岩地层,及咸化湖盆与海盆的泥页岩中,其含量多在100mg/L以上,铁在湖水中的含量低于27mg/L,在海洋沉积物中的含量为0.1~7mg/L。四川盆地须家河组地层水中铁的含量多为2~30mg/L,没有显示出沉积时浓缩地层水的特点,而具湖相泥岩地层水的特点。这充分证明须家河组沉积时没有局部高浓缩地表水的存在,须家河组现在的高矿化度地层水主要受埋藏成岩过程中下伏海相地层水的直接影响。须家河组各段的铁含量不同,即须二段铁含量较高,为6~30mg/L,最高可达130mg/L;须四段—须六段含量较低,为3~8mg/L,个别为15mg/L。这一须家河组铁含量纵向分布特征进一步表明下伏雷口坡组高浓缩的海相沉积地层水对须家河组下部地层影响明显。2.6地层水的地球化学特征本次采集的37个水样因分析内容多,以致没有水样再来进行对应的碘、溴含量的分析。这里所用的碘与溴含量数据,来源于中国石油西南油气田公司地质年报,是油田常规分析的一部分。地层水中的碘主要来自海相沉积中的海生植物,而溴虽然可来源于海相沉积的高浓缩膏盐岩,但更多地来源于陆生植物所形成的富含有机质的泥岩与页岩。须家河组溴含量高(图3),达到400~1600mg/L,远大于海水中的含量(65mg/L),应主要是来源于陆相生物体堆积所形成的富含有机质的泥岩、页岩、碳质泥岩在成岩埋藏过程中的压实排泄水;而碘含量主要为20~40mg/L,应该主要来源于海水的浓缩。因此,碘与溴含量特征显示须家河组地层水可能主要来源于雷口坡组膏盐层附近的地层水及须家河组泥页岩压释水。另外,须二—须六段地层水中镍与铜含量十分低,分别仅为0.001~0.008mg/L与0.001~0.01mg/L,远低于海水沉积物中的镍含量(0.01~0.08mg/L)与铜含量(0.02~0.09mg/L)。因此,须二段及以上的地层应为典型陆相沉积,而非海相沉积。而代表深层来源的还有金、银、镉等,其含量也很低,多为0.1mg/L以下,表明须家河组基本没有来自深层地壳的地层水。总之,微量元素展示须家河组地层水具有高钡、高锶、高溴及较高碘含量特征,证明须家河组高矿化度地层水主要来自于下伏海相地层雷口坡组上段高浓缩的地层水,同时也存在须家河组埋藏演化过程中的压释水、凝析水及母源成分的影响;并且还证明须二段及以上的上三叠统应为典型的陆相沉积。3地层水氢氧同位素变化规律地层水的氢氧稳定同位素主要是指2H(D)及18O,他们的天然平均丰度分别为0.0156%及0.2%。海水的氢氧稳定同位素基本保持不变,常被用作基值0。由于蒸发分馏效应,大气降水的氢氧稳定同位素往往较轻,而原生水、封闭地层水氢氧稳定同位素较重,且随温度的升高而加重。大气降水中的氢氧稳定同位素也会因温度及纬度的差异而发生变化,一般在高纬度地区氢氧稳定同位素较轻,而在低纬度或赤道附近氢氧稳定同位素较重。雨水氢氧同位素变化规律遵循全球大气降水直线方程(图4);塔北地区的地层水氢氧稳定同位素蒸发分馏趋势线,与大气降水的氢氧同位素趋势线呈约30°的夹角;而冀中地区由于主要受第三系与第四系地层水的影响,其地层水氢氧稳定同位素蒸发分馏趋势线,仅与大气降水氢氧同位素趋势线呈约1°~2°的夹角。但是,四川盆地中西部地层水的氢氧稳定同位素蒸发分馏趋势线明显不同。3.1稳定同位素的蒸发分馏趋势线利用中国科学院广州地球化学研究所GVIsoPrimeII型稳定同位素质谱仪,对四川盆地二叠系—侏罗系的地层水进行氢氧同位素的分析(在1~70AMU条件下,水的氢氧同位素组成的外部精度分别小于1‰和0.08‰)。通过对这些样品的分析数据进行相关分析,建立了川中—川西地区二叠系—侏罗系的稳定同位素蒸发分馏趋势线(图4)。由图4可见,四川盆地中西部地区地层水氢氧稳定同位素的蒸发分馏趋势线是一条曲线,并具有明显分段性,即雷口坡组三段—四段及以上的陆相地层水氢氧稳定同位素随着地层的变老与加深而逐渐变重,且主要以δD快速加重为特征;而雷口坡组二段及其以下的海相地层水氢氧稳定同位素虽然也随着地层的变老与埋深加大而加重,但却主要以δ18O快速加重为特征。另外,还有部分须家河组的数据点及震旦系的数据点远离该曲线。川中—川西地区地层水氢氧稳定同位素的蒸发分馏趋势线变成曲线,很可能是由中三叠统雷口坡组区域性盐膏层对下伏流体热封闭而形成的,即与盐膏层以下地层的热蒸发分馏更加显著有关。3.2地层水氢氧稳定同位素特征“”的特征根据,将有以下六段层点点和结四川盆地须家河组砂岩为致密储集体,致密砂岩中不仅流体发育存在非均质特点,而且其成因也较为复杂,受沉积、成岩等多方面的影响。有关四川盆地须家河组地层水的成因,已有多位学者讨论过,如林耀庭认为其为海源沉积—大气降水叠加型气田水;雍自权认为该地层水属混源水,既有陆相河湖淡水又有海相盐水;李伟认为其主要为外来海相地层水,并提出其高钡离子含量与陆源海相膏盐岩的剥蚀及富钡火山母岩有关等。但是对其详细的形成与演化讨论较少。本次笔者结合须家河组地层水微量元素及氢氧稳定同位素特征研究表明,须家河组地层水受雷口坡组上部盐膏层地层水的影响明显,同时受沉积、成岩与埋藏演化的影响。首先,氢氧稳定同位素显示须家河组地层水主要来自于雷口坡组三段—四段的地层水,同时也有须家河组的压实排泄水。图4显示须家河组地层水氢氧同位素值与雷口坡组三段地层水氢氧同位素(δ18O小于2‰的4个点)值基本处于一个区间,而与侏罗系、嘉陵江组、二叠系等地层水的氢氧同位素差别较大。这说明须家河组的高矿化度地层水主要与雷口坡组上部的地层水相关,而与嘉陵江组及雷口坡组一段—二段地层水(δ18O大于5‰的点)关系不大。须家河组各段的地层水氢氧稳定同位素也有差别,其中须六段最轻(但其仍比侏罗系地层水氢氧稳定同位素重),须四段次之,须二段最重(但比雷口坡组下部、嘉陵江组及二叠系地层水氢氧稳定同位素都轻),这显示须家河组地层水氢氧稳定同位素的蒸发分馏趋势是基本正常演化的,虽主要是外来水,但须家河组成岩压实排泄水的影响也存在。另外,微量元素也证明须家河组高矿化度地层水主要来自于下伏雷口坡组成岩过程中的压释水,同时也存在须家河组泥岩压实排泄水的贡献,即具有高溴离子特征和下伏雷口坡组地层水中不存在的高钡离子特征。雍自权也有这方面的认识与依据。其次,氢氧稳定同位素展示须家河组地层水没有大气淡水的影响。因为,不论古今大气淡水的影响,都是晚于地层的形成,在地理位置基本相近的地区,其大气降水氢氧同位素值都应该明显偏离该区地层水的氢氧同位素趋势线,并位于该趋势线的左上方,近邻国际标准雨水线,而图4中部分样品点却在趋势线的下方,因此这些地层水发育于封闭性很好的地层中,而不是地层破碎后大气淡水侵入造成的地层水矿化度降低。前人对气藏及其附近的地层水氢氧稳定同位素变化研究表明,气藏内部的凝析水氢氧稳定同位素较轻,气水过渡带的地层水次之,而气藏底水的氢氧稳定同位素较重。从须家河组地层水的氢氧稳定同位素特征来看,有部分地层水的氢氧稳定同位素值位于蒸发分馏趋势线的下方,且远离趋势线附近须家河组聚集区,显示出凝析水的影响。并且这些样品点所在的气藏分别是邛西、中坝、八角场、平落坝,这些气藏都存在喜山期的强烈构造抬升[1,2,4,20