松遼盆地北部地層水同位素特征及其地質(zhì)意義①

史婷婷 成建梅 解習(xí)農(nóng) 張曉宇

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院 武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074; 3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)地路處 西安 710043)

松遼盆地北部地層水同位素特征及其地質(zhì)意義①

史婷婷1成建梅1解習(xí)農(nóng)2張曉宇3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院 武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074; 3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)地路處 西安 710043)

盆地流體是沉積盆地中非?；钴S的因子,盆地流體的水文地球化學(xué)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(duì)象,基于地層水的水文地球化學(xué)特征、鍶-氫-氧同位素?cái)?shù)據(jù)分析,初步探討了水-巖反應(yīng)與鍶-氫-氧同位素的關(guān)系。這一研究對(duì)于豐富同位素示蹤、水-巖相互作用等基礎(chǔ)理論具有重要研究意義。分析表明,位于盆地西部地區(qū)地層水明顯受到古大氣降水的影響,中央凹陷地區(qū)δ18O正偏移可能是由水巖作用加強(qiáng)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(lái)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?zé)崴柔Ｔ瓷畈克难a(bǔ)給。

地層水 水-巖相互作用 鍶-氫-氧同位素 松遼盆地

0 引言

應(yīng)用同位素化學(xué)研究地層水,可得出水的來(lái)源,確定水巖作用的強(qiáng)度,追蹤流體流向,計(jì)算古溫度以及盆地流體的年齡和滯留時(shí)間。地下水同位素組分的改變主要有以下幾個(gè)作用:(1)地層水和礦物之間的同位素交換,(2)蒸發(fā)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(yīng)的增強(qiáng),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(fā)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(duì)證明地層水中鍶的來(lái)源有著巨大的作用,同時(shí)說(shuō)明了水巖相互作用的強(qiáng)度,以及區(qū)域地下水在流動(dòng)過(guò)程中的混合程度。自從前寒武紀(jì)以來(lái),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(fēng)化引起的,而其貧乏來(lái)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(chǔ)層地層水87Sr/86Sr比值,西部下傾巖層的比值達(dá)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(lái)源于蒸發(fā)。海水和大氣降水的δD差別較大,判斷地層水成因時(shí)可將δD作為重要依據(jù);相反地層水中氧同位素與圍巖會(huì)發(fā)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(lái)源及成因是非常復(fù)雜的,僅僅討論常規(guī)組分離子的含量和離子之間的關(guān)系難以確定其成因與來(lái)源。因此,結(jié)合微量元素和同位素組分綜合分析來(lái)解釋地層水的成因與來(lái)源是必要的手段。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

松遼盆地位于中國(guó)東北部,長(zhǎng)750 km,寬330～ 370 km,總面積約26萬(wàn)km2,是一個(gè)大中型的、呈北北東向展布的菱形沉積盆地(圖1)[7]。盆地周?chē)鸀樯矫}和丘陵所環(huán)繞,東部為張廣才嶺、西鄰大興安嶺,南部接康平-法庫(kù)丘陵地帶,北與小興安嶺為界。盆地內(nèi)部是嫩江-松花江和遼河兩大水系的大平原和沼澤。盆地周?chē)饕枪派颓肮派淖冑|(zhì)巖和火山巖。盆地內(nèi)部的新生代地層下面,廣泛分布著白堊紀(jì)地層。因此,松遼盆地即是一個(gè)地質(zhì)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(gòu)造單元?jiǎng)澐諿7](I:龍虎泊階地;II:齊家-古龍凹陷;III:大慶長(zhǎng)垣;IV:三肇凹陷;V:朝陽(yáng)溝階地;VI:長(zhǎng)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(qū))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(qū)主要包括松遼盆地北部西部斜坡區(qū)、中央凹陷區(qū)、東南隆起區(qū)主要的二級(jí)構(gòu)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(zhǎng)垣、三肇凹陷、朝陽(yáng)溝階地、長(zhǎng)春嶺背斜、賓縣凹陷等,這些構(gòu)造單元統(tǒng)稱(chēng)為松遼盆地北部。盆地基底主要由侏羅紀(jì)以前的變質(zhì)巖、巖漿巖和火山巖組成。研究區(qū)下部和中部構(gòu)造單元總共分為5個(gè)地層單元,依次是:上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)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(tǒng)登婁庫(kù)組(K1d)屬于JD,主要是砂巖、砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖;K2q主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖與砂巖、泥質(zhì)砂巖組成;K2qn下部為泥巖、頁(yè)巖夾油頁(yè)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(yè)巖夾油頁(yè)巖,上部為泥巖夾砂巖。

2 樣品采集和分析結(jié)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(cè)試工作由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)試由宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所完成。將松遼盆地同位素樣品分析結(jié)果列入表1、表2。另外,還采集了13件水樣,其陰陽(yáng)離子的測(cè)試工作由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)制及分類(lèi)也是有效的,例如冀中坳陷不同成因類(lèi)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(cè)試結(jié)果(見(jiàn)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(fā)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(guān),即與增強(qiáng)的水-巖相互作用有關(guān)。另外收集了松遼盆地十屋斷陷三個(gè)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(shuō)明其受水巖反應(yīng)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(fā)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(duì)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(chǎn)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(guān)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(qū)大氣降水線(δD=6.42 Xδ18O-9.89)[12],中國(guó)大氣降水線(δD=7.96 Xδ18O+8.2),為沉積盆地地層水的特點(diǎn),并嚴(yán)重受古大氣降水的影響,使地層水的氫同位素降低,表現(xiàn)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(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)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(guān)系圖Fig.2 Variations ofδ18 O withδD of formation water in the north of Songliao Basin

盡管測(cè)試氫(δD)、氧(δ18O)同位素的地層水樣量有限,不能完全對(duì)地層水的來(lái)源給予準(zhǔn)確的解釋,但從現(xiàn)有水樣測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可知,地層水處于不同地區(qū)和層位其來(lái)源存在一定的差異。

3.2 鍶同位素組成

鍶在化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生同位素分餾,因而在研究物質(zhì)遷移和變化過(guò)程中,87Sr/86Sr值是有效的示蹤劑。雖然蒸發(fā)等地質(zhì)作用可以改變鍶同位素的濃度,但鍶同位素在同一地質(zhì)時(shí)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(bǔ)給來(lái)源、古沉積環(huán)境的有效地球化學(xué)參數(shù)。

受Sr的地球化學(xué)性質(zhì)的控制,地下水中Sr主要來(lái)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(zhǎng)石和白云母均可能為地下水提供Sr。在總?cè)芙夤腆w(TDS,Total Dissolved Solids)與Sr關(guān)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(lái)源于地下水對(duì)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(duì)塔里木盆地油田水研究認(rèn)為,沉積于海相環(huán)境下的儲(chǔ)層油田水富Sr、貧Mn,陸相環(huán)境下的儲(chǔ)層油田水富Mn。從微量元素Sr、Mn、Zn元素組成三角圖中可見(jiàn),青山口組的地層水明顯具有沉積于海相環(huán)境下的地層水特征,泉頭組(K2q)和營(yíng)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(huán)境影響的緣故。

圖3 松遼盆地北部地層水TDS-Sr關(guān)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(rèn)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(lái)源鍶的控制。殼源鍶主要由大陸古老巖石風(fēng)化提供,殼源的硅鋁質(zhì)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(tǒng)提供,幔源的鎂鐵質(zhì)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(qū)物質(zhì)的標(biāo)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(méi)有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,這也說(shuō)明了流體活動(dòng)及其與巖石相互作用的復(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)代海洋的0.709 073,甚至還低于顯生宙以來(lái)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(qū)的水動(dòng)力體系相關(guān)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(shí)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(shí),不能簡(jiǎn)單地將地層水按不同地質(zhì)時(shí)代劃分對(duì)比,而應(yīng)考慮其水文地質(zhì)旋回或與儲(chǔ)層相關(guān)的流動(dòng)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(gè)層位來(lái)看,嫩江組(K2q)巖樣的87Sr/86Sr值最接近于現(xiàn)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(shuō)明具有同源性,而對(duì)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(shuō)明都具有同源性,而泉頭組巖樣則不同源。殼源的硅鋁質(zhì)巖石具有較高的87Sr/86Sr值(平均為0.720±0.005),對(duì)于泉頭組巖鹽的高87Sr/86Sr值應(yīng)是殼源硅鋁質(zhì)巖石影響的結(jié)果。地層水的87Sr/86Sr值略低而Sr2+含量又較高,說(shuō)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(duì)松遼盆地北部地層水微量元素進(jìn)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(yīng)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(lái)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?zé)崴?87Sr/86Sr值)等幔源深部水的補(bǔ)給。

總之,地層水的形成,應(yīng)主要以地表水(大氣降水)為主,通過(guò)深大斷裂循環(huán),淋濾溶解地表以及地下各種巖石、礦物,發(fā)生水-巖相互作用,形成高87Sr/86Sr值流體與深部來(lái)源的低87Sr/86Sr值地質(zhì)流體(火山-地?zé)崴?混合而成。

4 結(jié)論

(1)地層水氫、氧同位素分析結(jié)果表明,位于盆地西部地區(qū)地層水明顯受到古大氣降水的影響,中央凹陷地區(qū)δ18O正偏移可能是由水巖作用加強(qiáng)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(lái)源于地下水對(duì)巖石的溶解作用。泉頭組(K2q)和營(yíng)城組(K1yc)的地層水具有陸相沉積環(huán)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(huán)境下的地層水特征,泉頭組和營(yíng)城組的地層水顯示出陸相沉積環(huán)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(duì)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(yīng)是殼源硅鋁質(zhì)巖石影響的結(jié)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(lái)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?zé)崴?87Sr/86Sr值)等幔源深部水的補(bǔ)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(xué) E-mail:stt_0801@yahoo.cn

成建梅 E-mail:jmcheng@cug.edu.cn

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A

1000-0550(2012)02-0399-00

①國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40772154,40872076)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項(xiàng)目(編號(hào):NCET-06-0659)資助。

2011-01-20;收修改稿日期:2011-04-21