羌塘盆地热觉茶卡—藏夏河地区泉水水化学特征及其地质意义

曾胜强,陈文彬,2,冯兴雷,2

（1.中国地质调查局成都地质调查中心,四川 成都 610081；2.自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室,四川 成都 610081）

0 引言

含油气盆地内所发生的一切地质-地球化学作用都是在水的参与下进行的,因此,水化学是沉积盆地流体研究中不可分割的一部分,也是油气地球化学勘查的主要方法之一。从水文地质观点探讨石油与天然气的成藏规律,查明油田的水文地球化学特征,可为正确地认识油气富集规律、地层流体的性质和加速油气勘探步伐提供依据。水文地球化学研究方法在石油、天然气找矿方面应用十分广泛,而且取得了较好的效果（张志攀等,2011）。

水动力场与水化学场时空变化的一致性和连续性,是盆地水文地球化学研究的基础；沉积凹陷控制着水化学成分演变的方向,形成不同风貌的水文地质单元,地下水锋面内侧,由于滞流的还原环境,是油气成藏的主要场所；近地表水化学异常的形成是深部油气水影响和作用的结果。因此,根据水化学异常的分布规律,可以预测盆地含油气远景,指示油气富集有利地区（赵克斌等,2008）。

2014—2015 年期间,笔者等人在羌塘盆地北部热觉茶卡—藏夏河一带开展天然气水合物调查过程中,在该区发现了大量的泉点（图1,图2）,共计37 处,均为冷泉,大多以下降泉为主,这些泉眼主要分布在热觉茶卡、玛尔果茶卡、白云湖和藏夏河一带,这为评价该区的油气及天然气水合物的保存条件提供了良好的研究素材。另外,为了更好地进行参数对比,还采集了13 处地下水样品,包括热融洼地、沟水和湖水。本文在对该区泉水和地下水开展水化学特征、水中烃类气体特征以及水中氢氧同位素特征研究的基础上,结合该区的烃源岩发育条件等,探讨羌塘盆地热觉茶卡—藏夏河地区油气保存条件,并初步预测油气和天然气水合物有利远景区。

图1 羌塘盆地构造单元划分及研究区位置图Fig.1 Tectonic units of the Qiangtang Basin and the location of study area

图2 羌塘盆地热觉茶卡—藏夏河地区泉水及地表水取样位置图Fig.2 Sampling sites of spring water and surface water in the Rejue Chaka-Zangxiahe area，Qiangtang Basin

1 地质背景

羌塘盆地位于青藏高原腹地，属青海省和西藏自治区管辖，地理坐标为北纬32°～35°，东经84°～93°，大地构造位于可可西里-金沙江缝合带和班公湖-怒江缝合带之间，为一个呈东西向展布的长条形盆地，其南北宽约300km，长约650 km，面积约22×104km2（图1）。羌塘盆地具有两坳一隆的构造格局，北部为北羌塘坳陷，中部为中央隆起，南部为南羌塘坳陷（李忠雄等，2019）。羌塘盆地是建立在前奥陶系结晶基底之上发育形成的一个大型叠合盆地，是我国目前陆域新区油气勘探程度最低、面积最大、地层沉积序列最完整的中生代海相含油气盆地（王剑等，2020；付修根等，2020）。羌塘盆地在中生代时期经历了前陆盆地、裂谷盆地、被动大陆边缘盆地、活动大陆边缘盆地的演化阶段，最后在早白垩世萎缩消亡（王剑和付修根，2018）。

羌塘盆地具有较好的成烃条件，主力的烃源岩包括：早白垩世含油页岩层系、早中侏罗世黑色岩系、晚三叠世含煤系地层以及古生代二叠纪—石炭纪泥页岩，其中，晚三叠世含煤系地层，气源条件最为有利，地层厚度大，资源量雄厚，是羌塘盆地常规油气有望取得突破的层位。本次研究的地区涉及了有早白垩世、晚三叠世和古生代二叠纪—石炭纪烃源岩地层，这些烃源岩大多具有有机质含量高、热演化程度中等的特点（陈文彬等，2015；冯兴雷等，2018），为盆地内油气的成藏提供了良好的基础。另外，近年来，很多学者认为羌塘盆地的多年冻土区具备天然气水合物形成的温压条件（张立新，2001；黄朋等，2002；陈多福等，2005；祝有海等，2010，2011；冯兴雷等，2015），因此，这些烃源岩的发育还为天然气水合物成藏提供了良好的物源条件。油气的保存条件一直是羌塘盆地常规和非常规油气勘探开发过程中研究的难点和薄弱环节，而且相关研究较少。研究表明，地下水可以反映氧化-还原环境和水动力条件，其水化学特征、水溶性烃类气体特征和水中氢氧同位素特征等对于盆地内油气的保存条件具有很好的指示意义。本文试图通过地下水（主要为泉水）的水化学特征的分析，对研究区的油气保存条件进行初步的讨论，以对该区的油气和天然气水合物的成藏条件提供辅助的地质证据。

羌塘盆地泉点星罗棋布，主要有冷泉（0～10℃）、低温温泉（10～20℃）、中低温温泉（20～30℃）、中温温泉（30～40℃）、中高温温泉（40～50℃）温泉和高温温泉（温度＞50℃，包括喷泉；成都地质矿产研究所，2014）。此外，该盆地还发育钙华等温泉遗迹，反映该区昔日水热活动强烈。区域上，羌塘盆地水温＞10℃的温泉以南羌塘坳陷最发育，中央隆起带次之，北羌塘坳陷最少且主要集中于其南部地区。横向上，总体表现为西部地区相对冷泉集中，向东温泉逐步增多的特点。从局部构造上来看，区内大多数温泉主要发育于断裂带上，尤其以南北向断层最为发育。本次研究区发现的泉点主要为冷泉，分布在热觉茶卡、玛尔果茶卡、白云湖和藏夏河一带，以下降泉为主，其次为断层上升泉。

2 样品采集与实验方法

羌塘盆地热觉茶卡—藏夏河地区泉水丰富，大都以下降泉为主，见表1。其中，泉水共37 处，大多为冷泉，温度在4～16℃之间，另外还采集了13 处地下水，包括热融洼地、沟水和湖水。这些水样主要采集于羌塘盆地北部的热觉茶卡、玛尔果茶卡、白云湖和藏夏河一带，取样位置见图2。采样前，先用泉水将空矿泉水瓶清洗3～5 遍，再将泉水装入瓶中密封保存等待测试。样品的分析测试在核工业北京地质研究所实验室完成。

表1 研究区水样采集统计表Table 1 Statistical table of the water samples from study area

3 结果与讨论

3.1 水化学特征

表2 研究区水样水化学特征表Table 2 Chemical compositions of the water samples from study area

3.1.1 水型

水化学成分的形成主要取决于它所处的环境，在不同的环境中，可以形成各种不同性质的水，其中含有不同的盐类。反之，某些典型盐类或特有组分的出现，可以反映水所形成的环境。根据水中Na＋、Cl-、Mg2＋、SO42-四种离子之间的当量比例，苏林将水划分为硫酸钠型（Na2SO4）、重碳酸钠型（NaHCO3）、氯化镁型（MgCl2）、氯化钙型（CaCl2）四种水型（B A.苏林，王成义译，1956）。

按照苏林分类的原则，对研究区水样进行化学类型分类，其中硫酸钠型（Na2SO4）有31 件，占62%；氯化镁型（MgCl2）14 件，占28%；重碳酸钠型（NaHCO3）3 件，占6%；氯化钙型（CaCl2）2 件，占4%。Na2SO4水型通常表示地壳的水文地质封闭性差，CaCl2水型则常出现在水文地质封闭性良好的地壳内部；而NaHCO3和MgCl2水型则常为过渡型。油气田的水型往往以CaCl2型和NaHCO3型为主。

研究区内，Na2SO4型水占62%，可能与大部分水为地表水有关，也可能与该区广泛分布的古近系唢呐湖组的石膏层有关。MgCl2型水有14 件，矿化度均比较高，为咸水和盐水，可能为海洋成因的地下水。NaHCO3型水有3 件，样品采集自热觉茶卡的西北侧和东北侧，可能与地下油气藏有关。CaCl2型水有2 件（Sh-1 和Sh-2），位于研究区东北部藏夏河以东，反映藏夏河地区地下水良好的封闭性。

3.1.2 矿化度

一般来讲，埋藏较深，水交替强度较弱，地层水矿化度较高，为油气藏保存的有利环境，矿化度的评价对油气远景方面具有一定指示意义。研究区矿化度平均值为6475mg／L，根据矿化度的大小，可以将热觉茶卡—藏夏河地区的泉水类型分为淡水、咸水和盐水三类，其中，淡水16 件，占32%；咸水23件，占46%；盐水11 件，占22%。研究区的矿化度普遍较高，说明该区具有较好的保存条件。

3.1.3 铵根离子

铵的来源主要来自于有机质，为缺氧环境中形成的，且与油气关系密切。研究区的铵根离子，平均含量为0.895μg／g，其中藏夏河东部地区的样品SH-02 的铵含量最高，达7.381μg／g，表明在该区有机质相对丰富，这与在区域上的研究结果基本一致（Zeng et al.，2020）。

3.1.4 变质系数、脱硫系数

变质系数（Na＋／Cl-）、脱硫系数（SO42-／Cl-×100）可以反映地层水化学环境和水动力条件，与油气藏的分布和保存有密切关系。

现代海水变质系数（γNa＋／γCl-）为0.87。地下水的变质系数若小于此值，表明发生了浓缩变质作用，代表保存条件好；反之，保存条件差（表3）。研究区有13 件水样的变质系数小于0.87，主要位于藏夏河以东和玛尔果茶卡东部两个地区，说明这两个地区处于水交替停滞带，对油气保存有利；其它37 件样品的变质系数大于0.87，保存条件相对较差。

表3 地下水化学环境分区指标Table 3 Discrimination index of the chemical environment of groundwater

另外，脱硫系数（SO42-／Cl-×100）越小，表示地下水脱硫作用越强，处于还原环境。样品Sh-1、Sh-2的脱硫系数小于1，表明藏夏河东部一带处于还原环境；8 件样品为弱还原环境，大多位于热觉茶卡以西；40 件样品脱硫系数大于15，表明研究区主要为弱氧化—氧化环境。

续表2

3.2 水中烃类气体特征

挑选部分水样的水溶性烃类气体进行测试分析，为了更好地进行对比，还采集了唢呐湖泥火山湖中的样品SC-10 样品，测试结果见表4。

表4 研究区水样烃类气体含量Table 4 Hydrocarbon gas contents of the water samples from study area

在测试的水样中，甲烷平均含量0.42μL／kg，以平均含量作为研究区甲烷含量的背景值，以背景值的两倍作为异常值。从图3 可以看出，研究的水样中仅SC-04、SC-05 达到了异常，位于白云湖一带，表明该地区甲烷含量相对较高。烃类气体以甲烷为主，其它组分含量极少，且各组分之间无明显规律。相对于唢呐湖组泥火山群中泥浆样品的459～2279μL／kg之间（平均为1042μL／kg）的数值还是较低。

图3 研究区水样甲烷含量对比图Fig.3 Methane contents of the water samples from study area

3.3 水中氢氧同位素特征

地下水的稳定同位素，主要为地下水组成元素氢和氧的稳定同位素氘（D）和18O，可以很好地反映地下水的起源及形成过程（尹观等，2001）。研究区的各类地下水样品的氘（D）和18O 同位素的分析结果如表5。

结果表明，研究区所采水样的氢氧同位素变化较大，氢同位素δD 值的变化范围为-108.0‰～-61.3‰之间，平均值为-81.7‰；氧同位素δ18O值（‰）的变化范围为-12.9‰～-6.7‰之间，平均值为-9.9‰。如图4，对比各种水体的氢氧同位素分布范围可以发现，研究区的氢氧同位素落在了大气降水线附近，说明受到降水补给。

如图4，样品氢氧同位素分区明显，ST-01、ST-02、ST-03、ST-04、ST-05、ST-06 等6 件样品同位素偏正；ST-01、ST-02、ST-03、ST-04 等4 件样品同位素偏负。偏正的样品除了ST-06 外，其他均取自研究区中部，偏负的样品均取自研究区的南部，说明中部相对于南部蒸发量更大一些。

图4 研究区水样氢氧同位素组成Fig.4 Constitute of hydrogen and oxygen isotopes of the water samples in study area

氘过量参数的大小可以直观地反映不同地区的分馏不平衡程度，计算公式为d ＝δD-8 δ18O（王恒纯，1991；尹观等，2001）。对所采集样品的氘过量参数进行分析（表5），10 个样品的d 值均小于10，d值总体变化范围在-18.7～9.4 之间，表明当地的大气降水在下渗过程中与地表碳酸盐岩发生了广泛的同位素交换反应（张志攀等，2011）。

表5 水样氢氧同位素测试结果Table 5 Analysis results of isotopes of H and O of water samples

3.4 有利区优选

研究区的图中湖—拉熊错一带的二叠系红脊山组深灰—黑色泥页岩、热觉茶卡—唢呐湖一带上二叠统热觉茶卡组的含煤系泥岩以及多色梁子—藏夏河一带的上三叠统藏夏河组泥岩，以及分布于沃若山—江爱达日那一带上三叠统土门格拉组含煤系泥岩是研究区中最有潜力的气源岩。其中，上三叠统藏夏河组和上二叠统热觉茶卡组有机质丰度相对较高，上三叠统藏夏河组有机碳含量平均为1.2%、S1＋S2平均为1.11mg ／g；上二叠统热觉茶卡组有机碳平均为0.9%、S1＋S2平均为0.4mg／g，按残余有机碳标准达到较好—好烃源岩标准。二叠系红脊山组泥页岩TOC ＞0.4%、S1＋S2＞0.2mg／g，也达标烃源岩标准（待发数据）。

结合上述水化学特征的分析，在研究区东北部的藏夏河一带，采集的3 件水样中，有两件（Sh-01、Sh-02）为CaCl2水型，矿化度较高，为盐水，反映良好的保存条件，且样品Sh-02 含有相对富集的铵根离子，说明研究区有机质含量较高；水样的变质系数和脱硫系数，均反映该有利区整体处于比较封闭的环境，为该区的油气的保存和天然气水合物的形成提供有利环境。在藏夏河一带，地层主要为中—下侏罗统雀莫错组、古近系康托组，上三叠统藏夏河组的露头零星分布，其中藏夏河组页岩为较好烃源岩，可为天然气水合物的形成提供气源（Zeng et al.，2020）。另外，该区冻土广泛分布，为大片连续多年冻土，主要冻土地貌特征为冻胀草丘、热融洼地、冻胀丘、冻拔石等，手指湖、前进湖周围分布的湖积物，可以作为较好的天然气水合物盖层。因此，藏夏河一带可能成为有利的天然气水合物勘探区。另外，在研究区的白云湖一带，水样中SC-04、SC-05达到了异常，表明该地区甲烷含量相对较高，该区的冻土分布范围较广，也可能成为潜在的天然气水合物有利区。

4 结论

（1）通过对羌塘盆地热觉茶卡—藏夏河地区的水化学分析表明，该区的水型主要为硫酸钠型和氯化镁型，其次为重碳酸钠型和氯化钙型，矿化度普遍较高，说明该区具有较好的保存条件。

（2）研究区水样中均检测出一定含量的水溶甲烷，以白云湖地区的甲烷含量相对较高，其它烃类气体含量极低，并且各组分之间无明显的规律性。

（3）氢氧同位素结果表明，氢同位素δD 值的变化范围为-108.0‰～-61.3‰之间，氧同位素δ18O值（‰）的变化范围为-12.9‰～-6.7‰之间，氢氧同位素落在了大气降水线附近，说明受到降水补给。氘过量参数（d）结果显示大气降水在下渗过程中与地表碳酸盐岩发生了广泛的同位素交换反应。

（4）研究区藏夏河以东的水样具CaCl2（或NaHCO3）水型，矿化度高，变质系数较低，硫酸盐含量低，铵根含量高等特征，对油气保存条件最好，结合该区的发育的终年冻土地貌，可能为天然气水合物形成的有利地区；白云湖一带水样的水溶性烃类气体的异常结果也说明该区可能预示天然气水合物的存在。

致谢：在野外地质调查过程中得到了核工业二八〇研究所李金锋、刘君豪等高级工程师和杨开涛驾驶员的大力帮助，审稿专家和编辑部老师对本文提出了宝贵的修改意见，在此一并表示衷心感谢。