水化学及氢氧同位素组成指示的涩北气田地层水成因

李建森，凌智永，李雷明，袁小龙

(1.中国科学院青海盐湖研究所盐湖资源综合高效利用重点实验室，青海 西宁 810008；2.青海省盐湖地质与环境重点实验室，青海 西宁 810008)

柴达木盆地是青藏高原天然气开发的主战场，其中盆地中部三湖地区(因周边分布着东西台吉乃尔湖、涩聂湖和达布逊湖3个大型盐湖而得名)探明天然气地质储量约占青藏高原的80 %，是目前世界上极为典型的规模最大且最为年轻的第四系生物气田。三湖地区自1958 年实施盐深1 井钻探发现第一个生物气田——盐湖气田以来，在第四系7个泉组(Q)先后发现了涩北1号(1964 年)、涩北2 号(1975 年)、台南(1987 年)三大主力生物气田，具有巨大的资源潜力。近年来，围绕生物气田实施大批扩边钻探，但一直未获突破，生物气勘探遇到了瓶颈。在生物气成因上，早期研究认为这些生物气田均由成岩作用经过生物化学作用产生，并以游离相就近垂向运聚成藏，并得到了沉积学和同位素方面的验证。但通过生物气田水文地质条件对比分析发现，三湖地区生物气首先会以水溶气方式发生远距离横向运移，后在有利位置以游离相垂向运移成藏，在国外个别大型生物气田中也出现此成藏规律。还有研究认为，三湖地区第四系生物气在形成后皆以水平运移进入气藏，基本不存在垂向运移。可见，对于三湖地区生物气起源还存在极大争议。同时，三湖地区涩北气田位于中国最大的卤水锂盐矿床——东西台吉乃尔盐湖和最大的卤水钾盐矿床——察尔汗盐湖中间，上游有东昆仑发育的大型河流——那棱格勒河的补给，水文地质条件总体上较复杂，而且生物气的生成、运移和富集与地层水密切相关。然而，目前针对涩北气田地层水开展的专门研究极少，尤其是钾(K)、硼(B)、锂(Li)、锶(Sr)、溴(Br)等微量元素矿种资源的分布特征和地层水的水文地球化学成因问题，尚未见报道。因此，系统地分析涩北气田地层水的水化学组成，并借助同位素水文学手段查明水体的起源和演化，有助于深化对青藏高原生物气成因的认识，科学支撑三湖地区生物气勘探。

1 研究区概况

青藏高原第四系生物气分布在中国西部中新生代大型内陆山间盆地的湖相沉积中。三湖坳陷在距今约2.5 Ma的地质时期以来强烈沉降，快速沉积了巨厚的咸水湖夹沼泽相地层，地层厚度一般为300～3 500 m，其中厚度大于2 000 m的面积约为2.5 万km，气源岩中心地层厚度大于1 km，主要分布在台吉乃尔—涩聂湖一带，呈NWW展布。第四纪暗色泥岩、碳质泥岩沉积中以陆源生物的腐殖型和含腐泥腐殖型有机质为主，有机母质主要为陆生草本植物、水生植物和藻类。三湖地区第四纪具有成岩作用弱、砂泥岩互层、源储不分明、接替接力生气、由南向北水动力条件较强等独有的地质特征，气层埋深在65～1 828 m之间，且发育有多个水层，共同成为第四纪生物气大规模富集的基础条件。

本次研究选取柴达木地三湖坳陷为研究区。研究区(36°4′N～38°3′N，92°47′E～95°26′E)西起西台盐湖，东至达布逊盐湖，南起东昆仑山前，北至骆驼山，山系、水系、湖泊及气田分布与地质构造概况见图1。

图1 三湖坳陷山系、水系、湖泊及气田分布与地质构造图Fig.1 Distribution of mountains,water systems,lakes, and gas fields and geological structure in Sanhu Depression

2 样品采集与测试

表1 涩北气田地层水及周边水体水化学组分的测试结果Table 1 Hydrochemical composition of formation water and surrounding water in Sebei gas field

3 结果与讨论

3.1 涩北气田地层水的水化学特征

三湖坳陷巨厚的第四系沉积，是柴达木古大湖在第三系末期解体东迁的结果，在物质组分上无疑会继承盆地西北部古大湖的元素特征，尤其是作为深埋于地下的地层水，在长期与地层发生水-岩反应过程中，会使沉积物中的部分元素释放到水体中，成为地层水的成盐元素。对涩北气田北部10km处骆驼山背斜上新世和更新世出露的地层化学分析表明：地层中NaCl含量分别为5.6%和4.2%，K、B、Li、Sr、Br元素含量分别为0.26%、0.011%、0.002 1%、0.08%、0.016%和0.3%、0.006%、0.001 6%、0.062%、0.015%，这几乎可与涩北气田地层水中的元素含量相对应。涩北气田地层水中相对较高含量的Sr元素主要来源于更新世地层，富锶水体和沉积物在整个柴达木盆地中较为常见，比较典型的是盆地西部早更新世大型天青石矿(SrSO)。虽然地壳中Br元素的平均含量仅为0.000 16%，但是涩北气田地层水中Br元素的含量为地壳的100倍，早有研究指出：在柴达木盆地中Br元素主要参与了沉积作用，从而造成盐湖卤水中Br元素含量不高，而新生代沉积物中具有极高的Br元素含量。东台盐湖，作为那棱格勒河的尾闾湖，在地表主要依靠强烈的蒸发浓缩作用富集元素矿种，由于那棱格勒河中Br元素含量极低，导致盐湖卤水中Br元素含量不高，甚至低于涩北气田水。

3.2 涩北气田地层水的氢氧同位素特征

水体的氢氧同位素对于蒸发作用极为敏感，极易在蒸发过程中富集重同位素，这在柴达木盆地咸水湖中表现得尤为明显。涩北气田地层水及周边水体的氢氧同位素分布图，见图2。

图2 涩北气田地层水及周边水体的氢氧同位素分布图Fig.2 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in formation water and surrounding water in Sebei gas field(东昆仑山北坡冰川雪水及部分那棱格勒河河水数据来自 文献[20]；那棱格勒地下水数据来自文献[21]；盆地咸水 湖水来自文献[14])

由表1和图2可见，茫崖湖、希里沟湖、尕海湖、托素湖作为水文过程相对单一的干旱区封闭湖盆，湖水中TDS含量分布在18.6～46.5 g/L之间，补给水体以周围季节性河流汇入为主，从补给水体到湖盆，

δ

D值可从-62.0‰增至28.2‰，而

δ

O值可从-8.6‰增至7.9‰，4个咸水湖中

δ

D平均值为14.5‰、

δ

O平均值为5.8‰，体现了蒸发作用对于水体氢氧同位素的巨大影响；那棱格勒河发源于东昆仑山，以冰雪融水补给为主，在东台盐湖人工大坝的阻挡下目前主要汇聚至鸭湖，鸭湖湖盆底部含有较多的盐分物质，易于溶解进入湖水中，加之一定的蒸发作用，使得湖水中TDS含量上升至8.6 g/L，

δ

D和

δ

O值分别增至-11‰和0.13‰；涩北气田地层水中

δ

D值分布在-65.2‰～-51.0‰之间，

δ

O值分布在-6.6‰～-3.2‰之间，

δ

D平均值为-55.1‰，

δ

O平均值为-5.3‰，

δ

O值略高于那棱格勒河水(-7.6‰)，而

δ

D值略低于那棱格勒河水(-53.5 ‰)，但远低于鸭湖、东台盐湖以及盆地咸水湖水体，如此低的氢氧同位素充分表明水体受到的蒸发作用极其微弱。此外，由图2可见，东昆仑山北坡的冰川雪水、那棱格勒河地下水及河水中的氢氧同位素皆分布在全球大气降水线上，冰川雪水具有最低的氢氧同位素组成，那棱格勒河地下水次之；将涩北气田地层水中氢氧同位素数据进行拟合，其演化线与全球大气降水线相交于

δ

D=-66.0‰、

δ

O=-8.1‰，位于冰川雪水与地下水之间，说明涩北气田地层水起源于大气降水，极有可能与东昆仑山北坡的冰雪融水和山前的地下水有直接关系。近年来，有研究指出：地下水深循环是一种极为重要的水循环方式，甚至可能控制着更为宏观的地下水平衡系统。东昆仑北缘发育有昆北深大断裂，部分冰雪融水可以沿断裂下渗至数千米的深部地层，参与地下水深循环，由于从昆仑山体至山前斜坡再到三湖坳陷整体为南高北低，深部地下水在显著的高势差下形成水力梯度，进一步地沿山前斜坡带顺层驱替至三湖坳陷，到达滞水区，被封存在地层中。涩北气田地层水中TDS含量的平均值可达117.7 g/L，一般而言，如此高的溶解性总固体的水体，往往会具有相对高的氢氧同位素组成，尤其是在干旱荒漠戈壁区。而较为特殊的是，涩北气田地层水却有着极低的氢氧同位素组成，这恰恰说明其中的盐分物质几乎完全来自于地层元素的物理溶解过程。

δ

O往往会在水体溶解碳酸盐过程中发生交换，而碳酸盐的

δ

O值一般都相对偏高，从而导致水体中

δ

O值升高，涩北气田地层水中

δ

O值相对于冰川融水正向飘移3.5 ‰左右，进一步地指示了气田水在溶解地层盐类物质过程中发生的水-岩反应。

可以确定的是：涩北气田地层水起源于东昆仑山冰川雪水，为冰川雪水转换为地下水沿山前斜坡带渗入三湖坳陷地层形成，并在地下水入渗、汇聚过程中溶解了地层中大量的盐类物质以及Sr、Br、B等微量元素，使得水体盐度逐步增加，运移至坳陷北部的背斜带，最终形成盐度较高的地层水，见图3。实际上，涩北气田地层水的物理化学性质是非常独特的，在整个柴达木盆地中高盐度、低氢氧同位素组成的水体并不多见，有些典型元素的成因依然值得进一步深入探讨。

图3 三湖坳陷地层水运移剖面图Fig.3 Profile of formation water transport in Sanhu depression

3.3 地层水特征及成因对于涩北气田生物气形成规律和勘探开发的启示

涩北第四系生物成因气田除地层新、规模大以外，还具有多方面的独特性。在成因上，三湖坳陷第四系气源岩有机质丰度偏低，单靠本地生成的生物气，显然不能满足成藏要求，为何仍能形成如此规模的气田？在富集构造上，理论上地层水较高的盐度会大大抑制甲烷菌的生长和产气，而昆北断阶山前斜坡带地层水较为淡化，有利于生物气的生成，因此山前南部斜坡带曾一度被作为勘探靶区，并实施生物气钻井十余口，但是几乎未见气藏异常显示，那么生物气为何富集在北部凹陷背斜带内成藏？

由涩北气田地层水的起源推测：生物气确实可以在昆仑山前南斜坡带大量生成，但是南斜坡背斜圈闭极少，所产的生物气难以保存，同时盆地自南向北极好的地下水动力条件使得生物气被大量向北冲刷，运移至凹陷背斜带内由于压力释放加之水体盐度大幅升高，使生物气的溶解度降低，水溶气大量析出，并在有利位置与地层原生气体混合富集动态成藏(见图3)。地层水的成因演化进一步指示涩北气田具有生物气横向运移、水溶气动态成藏的富集规律。

2014年，青海油田在柴达木盆地三湖坳陷盐湖构造西南翼实施3 500 m的气钾1井(位置见图1)，钻探层位为7个泉组和狮子沟组、上油砂山组，进行钾盐和生物气资源的双重勘探，但是未见油气显示。经评价研究发现：该区地层烃源岩与区域地层烃源岩发育情况一致，其整体有机质含量较低，且盖层的封盖性较差。涩北生物气独特的运聚成藏规律提示：在三湖地区进行生物气勘探过程中，除地层烃源岩和盖层因素外，应当十分重视地下水流体系和水文地质过程的研究。已有大量研究强调，地层水在生物气生产和聚集过程中可能发挥着关键作用，地层水的起源、运移和咸化过程在某种程度上决定着生物气的生成、运移和聚集。因此，在三湖地区进行生物气勘探过程中，应着重查明三湖地区深部地层水的来源和咸化成因，并在三湖地区及外围深部富锂卤水勘探过程中加强对生物气资源的关注。

4 结 论

(2) 涩北气田地层水中

δ

D值分布在-65.2～-51.0‰之间，

δ

O值分布在-6.6‰～-3.2‰之间，

δ

D平均值为-55.1‰，

δ

O平均值为-5.3‰，相对低的氢氧同位素充分表明水体受到的蒸发作用极其微弱，相对于冰川融水正向飘移3.5‰左右的

δ

O值则指示了涩北气田地层水在溶解地层盐类物质过程中发生的水-岩反应。

(3) 结合水化学组分和氢氧同位素特征推断：涩北气田地层水起源于东昆仑山冰川雪水，为冰川雪水转换为地下水沿山前斜坡带渗入三湖坳陷地层形成,并在地下水入渗、汇聚过程中溶解了地层中大量的盐类物质以及Sr、Br、B等微量元素，使得水体盐度逐步增加，运移至坳陷北部的背斜带，最终形成盐度较高的地层水。

(4) 地层水的成因演化进一步指示涩北气田具有生物气横向运移、水溶气动态成藏的富集规律，也证明地层水的起源、运移和咸化过程在一定程度上决定着生物气的生成、运移和富集。因此，在三湖地区进行生物气勘探过程中，除地层烃源岩和盖层因素外，应当重视地下水流体系和水文地质过程的研究。