准噶尔盆地南缘白杨沟泥火山群地质流体的地球化学特征

马 勇, 马向贤, 张 力, 胥 旺, 李小雅, 卢昌顺, 傅庆州, 郑国东

准噶尔盆地南缘白杨沟泥火山群地质流体的地球化学特征

马 勇1, 2, 3, 马向贤1, 2*, 张 力1, 2, 3, 胥 旺1, 4, 李小雅5, 卢昌顺5, 傅庆州6, 郑国东1, 2*

(1. 中国科学院 西北生态环境资源研究院, 甘肃 兰州 730000; 2. 甘肃省油气资源研究重点实验室, 甘肃 兰州 730000; 3. 中国科学院大学, 北京 100049; 4. 成都理工大学 能源学院, 四川 成都 610059; 5. 兰州大学 土木工程与力学学院, 甘肃 兰州 730000; 6. 台湾“中研院” 地球科学研究所, 台湾 台北 115)

泥火山溢出地质流体的地球化学特征有助于解释泥火山的物质来源、油气水岩相互作用以及区域构造活动性等。目前白杨沟泥火山群至少有75个仍在活动的喷口, 其中有明显泥水溢出的喷口约40个。释放气体主要成分为甲烷, 并含有少量的二氧化碳和氮气等。甲烷的δ13C值为−51.1‰ ～ −44.3‰, 二氧化碳的δ13C值为−21.8‰ ～ 10.7‰, 具有热成因原油伴生气特征, 但也可能经历了微生物的改造作用。喷口泥水富集Na+、Cl−、HCO− 3等离子, 水化学类型为NaCl型和NaHCO3型, 可能是地下油气藏中的油田水与储存在深部地层中的古大气降水的混合流体, 并经历过比较复杂的油气水岩相互作用。白杨沟泥火山的活动强度整体上自西向东逐渐减弱, 喷口气体的宏观渗漏强度和泥水pH值也明显降低, 二氧化碳的δ13C逐渐偏重, 甲烷的δ13C变轻, 揭示西侧区域泥火山与地下深部的连通性较好, 地下地质流体向地表的运移速率较快, 遭受的微生物改造程度相对较低, 对流体碳同位素分馏的影响较小。

泥火山; 地质流体; 碳同位素; 水岩相互作用

0 引 言

泥火山是特定地质构造和水文环境条件下的地质流体活动现象(王道等, 1997; Kopf, 2002), 可以把大量的地下深部物质携带到地表。对泥火山喷发物进行系统研究有助于了解地下深部物质的组成和循环, 其中与油气系统相关联的泥火山还可以为深部油气藏的探查研究提供佐证。目前, 世界上发现的大部分泥火山都与含油气盆地密切相关, 例如我国的准噶尔盆地和羌塘盆地、阿塞拜疆kura盆地和South Caspian盆地等都分布有大量与油气藏相关的泥火山(范卫平等, 2007; 余琪祥, 2016; 颜泽等, 2018; Lavrushin et al., 2019; Baldermann et al., 2020)。泥火山还通过各种复杂的输导格架向大气释放大量以甲烷为主的温室气体。Etiope et al. (2011)对全球27处泥火山喷口甲烷的宏观渗漏及其周围土壤微渗漏通量进行测量, 初步估算得出全球泥火山每年释放到大气的甲烷大约为10～30 Mt。泥火山系统的油气水岩相互作用可以改变围岩的很多特征, 其中最为突出的现象就是引起围岩颜色和成分的明显变化(Zheng et al., 2010)。因此, 对泥火山释放各类流体的研究具有多方面的重要科学意义和实际应用价值。

地球化学研究结果显示, 泥火山溢出的流体往往具有多种来源, 运移过程非常复杂(Li et al., 2014; Mazzini and Etiope, 2017)。泥火山溢出的流体可能是深层地下水和浅层水与油气的混合物(Planke et al., 2003), 在向地表运移的过程中其化学组成和同位素特征可能会发生极为复杂的系统变化, 到目前为止, 对该过程仍然缺乏令人信服的系统解释, 尤其是干旱环境区的泥火山(Planke et al., 2003)。新疆准噶尔盆地南缘发育一些与油气藏相关联的泥火山, 主要位于北天山前缘的背斜构造上, 区域断裂带与背斜核部断裂相交, 各种裂隙错综复杂, 新构造运动活跃, 成为深部地质流体运移和溢出的良好通道。此外, 准噶尔盆地南侧高耸的北天山常年积雪, 山前坡地降雨充沛, 再加上冰雪消融等, 为这些泥火山的强烈活动提供了丰富的水源。前人对该地区泥火山的研究主要集中在地震前兆判识、微生物种群及其多样性、气体和流体地球化学特征、温室气体释放、泥浆元素组成及含量变化等方面(Nakada et al., 2011; Dai et al., 2012; 杨晓芳等, 2014; 马向贤等, 2014; 覃千山等, 2015; 高小其等, 2015; 尹兆明等, 2017; Chen et al., 2018), 但对白杨沟泥火山群流体地球化学特征的综合研究还相对欠缺。因此, 通过对准噶尔盆地南缘白杨沟泥火山喷口泥浆水和释放气体的系统测试分析, 可以探讨泥浆水阴阳离子的分布特征及其来源, 判识释放气体的成因类型与运移过程, 综合分析泥火山地质流体地球化学特征的区域变化规律, 为加深认识泥火山系统油气水岩相互作用等提供科学依据。

1 地质背景

研究区位于准噶尔盆地南缘的北天山山前冲断带上。由于受新构造运动的深刻影响, 特别是北天山构造带向北的推覆挤压作用, 准噶尔盆地南缘在南北方向上发育了三到四排展布方向为SEE-NWW的逆冲断裂–背斜带, 从南向北依次为: ①清水河–齐古逆断裂–背斜带; ②霍尔果斯–玛纳斯–吐谷鲁逆断裂–背斜带; ③独山子–安集海逆断裂–背斜带(张培震等, 1996; 邓起东等, 1999; 赵瑞斌等, 2000)。此外, 在独山子–安集海逆断裂–背斜带的西北部还发育了一个最新活动的隆起幅度更小的西湖隆起(赵瑞斌等, 2000)。这些背斜–断裂带的形成与活动为泥火山的发育提供了基本条件。目前, 该地区已经发现的泥火山群由西向东分别是白杨沟、艾其沟、独山子、安集海等(王道, 2000; 高小其等, 2008; 杜建国等, 2013; Wan et al., 2013; 杨晓芳等, 2014)。

准噶尔盆地南缘沉积了巨厚的古生代、中生代和新生代地层, 累计最大厚度可达17 km(宋岩等, 1993;邓起东等, 2000)。其中, 二叠系、三叠系、侏罗系和白垩系主要由砂岩和泥岩组成, 并且有机质丰度较高, 有机质类型以Ⅱ-Ⅲ为主, 是准噶尔盆地南部区域烃源岩的主要赋存层位(孙平安等, 2015); 古近系和新近系主要是由膏泥岩、灰岩、砂岩和砾岩等组成, 而第四系以砂质黄土和砾石沉积物等为主要组成(白斌, 2008; Chen et al., 2018)。

白杨沟(BYG)泥火山群位于新疆维吾尔自治区乌苏市白杨沟镇西南2.5 km处, 地理坐标为84°23′09″～84°23′20″E, 44°10′52″～44°11′06″N, 海拔高度1031～1280 m。白杨沟泥火山分布区属于北天山山前的第一排断裂–背斜带, 即清水河–齐古逆断裂–背斜带, 地表出露地层杂乱无章, 新老地层相互交错, 构造断层错综复杂, 岩石破碎严重。总体上, 西部区域具有典型的构造断裂破碎带特征, 中部和东部区域的地层相对连续, 岩石破碎程度较低。白杨沟泥火山是亚洲最大的泥火山群(杨晓芳等, 2014; 高小其等, 2015), 泥浆喷口主要分布在山顶平台和半山坡及沟谷内。资料显示, 白杨沟泥火山群活动喷口最多的时候有200多个(高小其等, 2015), 自2002年开始, 泥火山喷口逐步减少(杨晓芳等, 2014)。笔者于2019年1月、4月和7月先后3次对白杨沟泥火山群进行现场调查, 发现白杨沟泥火山群现存的泥火山喷口至少有75个(图1), 其中喷口有明显泥水气溢出的40个左右。这些喷口的形状多为圆形或者椭圆形, 喷口的规模大小不一, 最大的喷口直径有3.5 m, 小的如蚕豆(图2), 分布很不均匀, 有些喷口单独出现, 有些则集中成群分布。泥浆池内不时地有气泡冒出, 溢出泥浆从池边流出, 沿着山坡蜿蜒而下, 形成多条泥流沟谷。喷口的气泡冒出多具有间歇性, 活动强的喷口每分钟冒泡超过120次, 而活动弱的喷口隔几分钟甚至数十分钟才冒泡1次。

白杨沟泥火山群喷口发育特征和地表围岩自西向东有明显差异。西侧的泥火山活动强烈, 喷出泥浆的颜色为灰黑色, 喷出气体有强烈的硫化氢气味, 其围岩主要为砂岩与泥岩, 暴露地表被风化后多呈灰绿色。而中部区域的泥火山喷口大小不一, 很多喷口成群出现, 有些喷口则零散分布, 流体喷出强度多变, 泥浆颜色多为浅灰色–深灰色, 地表出露围岩的颜色多为绿色–浅红色。东侧的泥火山活动较弱, 泥浆颜色为浅红色(图2d), 地表岩土以红色为基调, 尤其是在没有明显泥浆喷口的区域地表颜色呈棕红色。

图1 白杨沟泥火山群喷口分布图

(a) 西侧区域泥火山活动喷口, 泥浆颜色为深灰黑色; (b)、(c) 中部区域泥火山活动喷口, 泥浆颜色为灰色–浅灰色; (d) 最东侧区域泥火山活动喷口, 泥浆颜色为浅红色。

2 样品和方法

针对白杨沟泥火山群地质流体溢出的基本特征以及实验条件的限制, 需要选择适当的方法和容器进行气样和水样的采集。气体样品是用100 mL的玻璃瓶通过排水法采集的。在每个采样点位收集气样时, 需要将采气瓶预先装满相应喷口的泥浆水, 然后瓶口向下倒置在泥浆中, 再把倒置在泥浆中漏斗的出气口放进预先装满泥浆水的采气瓶瓶口内, 集气漏斗和采气样瓶都需浸入到泥浆中进行操作。泥火山释放的气体通过漏斗进入采气瓶, 当收集的气体聚集到玻璃瓶的3/4容积时, 停止收气, 并在水下将实心的橡胶塞塞进瓶口, 然后现场用封口膜将瓶口密封。从泥火山喷口采集的水样, 须用0.45 μm的过滤器现场过滤后封装在20 mL的聚乙烯塑料瓶中, 瓶口用封口膜密封。

泥火山喷口的泥浆温度、酸碱度(pH)、盐度、氧化还原电位(Eh)等物理化学参数使用便携式多功能水化学参数仪(Handylab multi 12, SCHOTT, Germany)野外进行原位检测。泥火山释放气体的化学组分和碳同位素、泥浆水离子组成等测试分析均在中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心完成。气体组分分析采用德国菲尼克根公司生产的MAT 271高分辨率气体组分质谱计和色谱联用仪(Agilent 5973 GC/MS), 相对标准偏差<0.5%, 碳同位素分析采用Delta Plus XP稳定碳同位素质谱计, 分析精度为±0.5‰。水样的HCO− 3含量采用滴定法现场检测, 滴定水样经过0.45 μm滤膜过滤, 其他阴阳离子组成在实验室用DIONEX ICS-600离子色谱仪分析, 主要阴阳离子的检测下限为0.05 mg/L。

泥火山活动喷口宏观气体渗漏强度测量采用北京捷思达仪分析仪器研发中心生产的GL-103B型数字皂膜流量计。其工作原理是通过上下传感器感应检测玻璃管内气体的流量, 并通过内置微处理器计算得出, 测量误差小于±1%。

3 结 果

白杨沟泥火山群释放气体的分析结果(表1)显示: 白杨沟泥火山释放气体与世界上大部分泥火山基本相似(Dimitrov, 2002; Etiope et al., 2009), 主要成分是甲烷, 并含有少量的氮气和二氧化碳等, 相应的体积含量分别为82.4%～90.6%、3.3%～9.8%和0.1%～0.9%。泥火山释放气体中甲烷和二氧化碳的δ13C值变化很大, 根据喷口甲烷的δ13C(δ13C1)变化, 可以将其分为两组, 第一组: BYG-01、BYG-02、BYG-05和BYG-07, 这些喷口的δ13C1相近, 分别为−45.8‰、−44.8‰、−45.3‰、−45.5‰; 第二组: BYG-32、BYG-60和BYG-68, 它们的δ13C1相近, 分别为−51.1‰、−49.4‰和−48.7‰。δ13C(CO2)变化范围在−21.8‰ ～ 10.7‰之间, BYG-32、BYG-60和BYG-68喷口的δ13C(CO2)相对其他喷口明显偏重, 分别为10.7‰、4.1‰和5.5‰, 其平均δ13C(CO2)为6.8‰。乙烷的δ13C(δ13C2)变化与δ13C1变化趋势相似, 同样可以分作两组, 第一组: BYG-01、BYG-02和BYG-07, 这些喷口的δ13C2相近, 分别为−21.3‰、−21.7‰和−22.8‰; 第二组: BYG-05、BYG-32、BYG-60和BYG-68, 它们的δ13C2相近, 分别为−25.6‰、−24.8‰、−24.7‰和−24.3‰。

白杨沟泥火山群喷口泥浆水物理化学参数和阴阳离子组成分析结果见表2。喷口泥浆水pH值主要在8.3～9.5之间, 显示弱碱性–碱性的特点; 盐度在5.5‰～8.2‰之间, 指示微咸水–半咸水环境; 氧化还原电位在−350 ～ –115 mV之间, 显示强烈的还原性。喷口泥浆水中的阳离子主要是Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+; 阴离子主要是Cl−、F−、NO− 3、SO2− 4、HCO− 3。其中, 优势离子主要是Na+、Cl−和HCO− 3, 其浓度分别是120.3～263.1 mmol/L, 116.5～196.7 mmol/L和21.8～93.0 mmol/L。另外, 白杨沟泥火山群西侧沟谷河水的阴阳离子浓度均小于10 mmol/L, 明显低于泥火山喷口泥浆水的阴阳离子浓度。泥火山喷口宏观气体渗漏强度在1186～3240 mL/min之间, 平均2274 mL/min。

表1 泥火山释放气体化学组分和δ13C

注: “/”代表无测试数据。

表2 泥火山喷口泥浆水阴阳离子组成

注: n.a. 低于检测限; BYG. 白杨沟泥火山; BYG-River. 白杨沟河水; “/”代表无数据。

4 讨 论

4.1 气体碳同位素特征与成因

气体化学成分和C、H同位素是判识天然气成因类型、示踪气体来源等最为有效和实用的地球化学指标。根据Milkov and Etiope (2018)对全球76个国家20621个气体样品的δ13C数据统计分析结果而修改制作的天然气成因类型图版, 白杨沟泥火山群的气体样品大部分都落在热成因的原油伴生气分布区域, 其中有4个样品落在了热成因气和非生物成因气的重叠范围(图3a、b) , 但白杨沟泥火山释放气体的δ13C均具有δ13C1<δ13C2<δ13C3的分布规律(表1), 表明白杨沟泥火山释放气体属于有机成因的烷烃气。甲烷和乙烷的δ13C值可以用来区分油型气和煤型气(张士亚等, 1988; Dai et al., 2009), δ13C1处于−55‰ ～ −10‰之间, 油型气δ13C2值小于−28.8‰, 煤型气δ13C2值大于−25.1‰。研究区δ13C1值在−51.1‰ ～ −44.3‰之间, δ13C2值在−25.6‰ ～ −21.3‰之间, 均值为−23.3‰, 具有典型的煤型气特征(Dai et al., 2009)。准噶尔盆地南部油气勘探结果证实, 该区存在三套主力烃源岩,包括: ①中二叠统过成熟烃源岩, 主要产油型裂解气; ②中、下侏罗统的成熟–过成熟煤系烃源岩, 主要产煤型气; ③古近系未成熟–低成熟的烃源岩, 主要生成生物气和低成熟天然气(Pan and Yang, 2000; Ding et al., 2003; Qiu et al., 2008; 鲍志东等, 2011; Wan et al., 2013)。综上所述, 白杨沟泥火山群释放的气体可能主要来源于所在地区的中、下侏罗统煤系烃源岩。

从图3b和表1中可以看出, 研究区各喷口δ13C(CO2)变化范围很大, 为−21.8‰ ～ 10.7‰。一方面可能与该区烃类化合物在地下运移过程中遭受氧化以及后期的微生物改造作用有关。白杨沟泥火山群溢出泥浆含有十分复杂多样的微生物种群, 特别是产甲烷古菌非常丰富, 其相对丰度为34.6%～49.4%(覃千山等, 2015), 可以导致次生甲烷的形成。就白杨沟泥火山系统来讲, 烃类化合物在地下运移过程中, 尤其是经过中新生代红层岩石很容易遭受氧化产生二氧化碳, 这些二氧化碳在微生物作用下部分地还原生成甲烷, 从而导致残留的二氧化碳倾向于富集重C, 使其δ13C偏重(Pallasser, 2000; Nakada et al., 2011), 世界上其他地区的泥火山也存在类似现象(Milkov and Etiope, 2018; Babadi et al., 2019)。另一方面也可能受该地区烃源岩较高有机质成熟度的影响。一般来讲, 随着有机质成熟度的增加, 所生成的油气会更加富集C2+, 当烃源岩达到高成熟阶段以后, C2+裂解所形成的二氧化碳一般富集重C, 从而导致其δ13C偏重(Larter et al., 2005; Milkov and Etiope, 2018)。准噶尔盆地南缘地区的侏罗系烃源岩的成熟度o在0.57%～2.1%之间, 属于成熟–过成熟阶段(孙平安, 2012; 龙华山等, 2013), 很有可能产生一定量富重C的二氧化碳。另外, 白杨沟泥火山群由西向东二氧化碳具有逐渐富集重C的趋势(表1; 图3b), 可能与该地区的特殊构造地质环境有关。白杨沟泥火山群的活动强度整体上由西向东是逐渐减弱的, 泥浆池气体宏观渗漏强度和泥水pH值也明显降低(表2; 图4), δ13C1变轻, 反映了泥火山群西侧区域地表与深部的连通性较好, 地下流体向地表运移速度较快, 所遭受的地球化学变化程度可能相对较低, 从而导致西侧区域δ13C(CO2)偏轻, 而东侧区域的情况则恰好相反。泥浆水pH值整体上由西向东逐渐降低的现象可能揭示了泥火山系统微生物的发育和活动强度由西向东变得更强, 从而导致δ13C(CO2)偏重, δ13C1反而偏轻。此外, 白杨沟泥火山群分布区附近地表基岩颜色和泥浆颜色由西向东的变化, 可能与泥火山系统的围岩性质、局部构造以及物质来源等地质条件有关, 其中, 含有烃类化合物的还原性地质流体在运移释放过程中对围岩的去色蚀变作用可能具有重要的制约意义(Zheng et al., 2010; Xu et al., 2020)。

Primary microbial. 原始微生物气; Thermogenic gas. 热成因气; Abiotic gas. 非生物成因气; SM. 次生微生物气; EMT. 早期热成因气; OA. 热成因原油伴生气; LMT. 晚期热成因气; CR. 二氧化碳还原; F. 甲基化作用; Biodegradation. 生物降解作用。

图4 白杨沟泥火山群部分喷口的气体宏观渗漏通量变化图

4.2 泥浆水化学特征

白杨沟泥火山群的所有采样喷口泥浆水都富集HCO− 3、 Cl−以及 Na+, 且Na+与(HCO− 3+Cl−)浓度变化具有很强的相关性, 其相关系数2=0.98(图5a)。这和世界上其他地区发育的泥火山流体成分特征基本一致(Dia et al., 1999; Liu et al., 2009; Chao et al., 2011)。同时, 白杨沟泥火山群取样喷口泥浆水离子组成特征具有相似的分布规律(表2), Na+、Cl−和HCO− 3浓度偏高, Mg2+和Ca2+次之, SO2− 4浓度偏低, 说明研究区各喷口的流体来源可能是相同的。喷口泥浆水的化学类型主要是NaCl型和NaHCO3型, 与比邻泥火山的白杨沟河水的化学类型明显不同(图6)。

根据大量的统计分析结果, 世界上大多数的油田水都是NaHCO3型, 其NaHCO3型水可存在于地下浅层和深层, 但浅层水的矿化度一般较低(张志攀等, 2011)。白杨沟泥火山群各喷口的泥浆水矿化度都比较高, 而较高矿化度的NaHCO3型水与地下油气田的存在密切相关(张志攀等, 2011)。因此, 研究区泥火山喷口的NaHCO3型水可能主要来源于地下油气藏中的油田水。另外, 如果Na+与Cl−的比例接近1∶1的等值线, Na+与Cl−的富集可能主要来源于蒸发岩的溶解(Gibbs, 1970), 但是图5b表明, 白杨沟泥火山群泥浆水的Na+与Cl−相关性较低(2=0.6618),而且点位分散, 同时研究区内只有新近系底部塔西河组发育有蒸发岩(朱明等, 2020), 因此, 蒸发岩的溶解并不是引起白杨沟泥火山群喷口泥浆水中Na+和Cl−浓度偏高的主要原因。

白杨沟泥火山群喷口泥浆水的δD值为−72.5‰ ～ −66.5‰, 与当地报告的大气降水δD值(−100‰ ～ −55‰)相接近, 泥浆水δ18O值为−3.0‰ ～ −1.5‰, 高于大气降水的δ18O值(−14‰ ～ −8‰)(Nakada et al., 2011; Chen et al., 2018), 说明这些泥火山溢出流体可能部分来源于储存在深部地层中或与油气藏相关的古大气降水。另外, 流体在地下运移的过程中会与围岩发生复杂的油气水岩相互作用(Clayton et al., 1966; Corteel et al., 2005; Li et al., 2014), 从而导致流体的化学成分发生变化。Babadi et al. (2019)对伊朗东南部泥火山流体来源的研究发现, 强烈的油气水岩相互作用会引起Na+、Cl−和HCO− 3等离子的异常富集和O同位素的交换。因此, 白杨沟泥火山喷口富集上述阴阳离子的原因可能是强烈的油气水岩相互作用的结果。

图5 水样Na+与HCO− 3+Cl−(a)、Na+与Cl−(b)浓度关系图

图6 泥火山各个喷口水样Piper图

5 结 论

(1) 白杨沟泥火山释放气体主要成分是甲烷, 并含有少量的二氧化碳和氮气等, δ13C1值为−51.1‰ ～ −44.3‰, δ13C2值为−25.6‰ ～ −21.3‰, δ13C(CO2)值为−21.8‰ ～ 10.7‰, 表明这些释放气体应该是热成因的原油伴生气, 可能主要来源于中、下侏罗统的煤系烃源岩。泥火山释放气体中δ13C(CO2)偏重, 主要是受烃类化合物在地下运移过程中遭受氧化以及后期微生物改造作用的影响。另外, 也可能与气源有机质成熟度过高有关。

(2) 白杨沟泥火山喷口泥浆水呈弱碱性–碱性, 泥浆水的阴阳离子包括Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl−、F−、NO− 3、SO2− 4、HCO− 3, 其中优势离子为Na+、Cl−、HCO− 3, 水化学类型为NaCl和NaHCO3型, 其来源可能是地下油气藏中的油田水与储存在深部地层中的古大气降水的混合流体。喷口泥浆水富集Na+、Cl−、HCO− 3等离子, 可能是流体与围岩发生强烈的油气水岩相互作用的结果。

(3) 白杨沟泥火山的活动强度整体上由西向东逐渐减弱, 各喷口的气体宏观渗漏强度和泥浆水的pH值也明显降低, δ13C(CO2)逐渐变重, δ13C1变轻, 揭示泥火山群西侧区域地表与地下深部连通性较好, 地下流体向地表运移速率可能较快, 遭受的地球化学反应程度相对较低, 而东侧区域则相反。

致谢:上海海洋大学陈多福教授和另一位匿名审稿专家的建设性意见对本文质量的提高起到重要作用; 中国科学院西北生态环境资源研究院杜丽高级工程师在气体样品化学组分, 闫灿灿博士和王威博士在碳同位素和阴阳离子组成等分析测试方面提供了帮助, 在此表示衷心的感谢。

白斌. 2008. 准噶尔南缘构造沉积演化及其控制下的基本油气地质条件. 西安: 西北大学博士学位论文: 21–23.

鲍志东, 赵艳军, 祁利祺, 司敏娜, 吴博然, 罗小玉, 赵华, 伍星. 2011. 构造转换带储集体发育的主控因素——以准噶尔盆地腹部侏罗系为例. 岩石学报, 27(3): 867–877.

邓起东, 冯先岳, 张培震, 徐锡伟, 杨晓平, 彭斯震, 李军. 2000. 天山活动构造. 北京: 地震出版社: 1–387.

邓起东, 冯先岳, 张培震, 杨晓平, 徐锡伟, 彭斯震, 李军. 1999. 乌鲁木齐山前坳陷逆断裂–褶皱带及其形成机制. 地学前缘, 6(4): 191–201.

杜建国, 周晓成, 陈志, 崔月菊, 刘雷, 李营, 张文来, 高小其, 许秋龙, 王海涛. 2013. 北天山泥火山对2012年6月30日新源–和静s6.6地震的响应. 地震学报, 35(6): 876–887.

范卫平, 郑雷清, 龚建华, 刘玉香. 2007. 泥火山的形成及其与油气的关系. 吐哈油气, 12(1): 43–47.

高小其, 梁卉, 王海涛, 郑黎明, 李杰, 赵纯青, 向阳, 张涛. 2015. 北天山地区泥火山的地球化学成因. 地震地质, 37(4): 1215–1224.

高小其, 王海涛, 高国英, 高歌, 王中道, 陆明勇, 桑丽荣, 杨晓芳, 郭卫英, 许秋龙. 2008. 霍尔果斯泥火山活动与新疆地区中强以上地震活动关系的初步研究. 地震地质, 30(2): 464–472.

龙华山, 王绪龙, 向才富, 雷德文, 郭继刚, 阿布力米提, 郑金海, 王力宏, 庞雄奇. 2013. 准噶尔盆地南缘侏罗系烃源岩评价. 现代地质, 27(5): 1070–1080.

马向贤, 郑国东, 郭正府, Etiope G, Fortin D, 佐野有司. 2014. 准噶尔盆地南缘独山子泥火山温室气体排放通量. 科学通报, 59(32): 3190–3196.

覃千山, 承磊, 张辉, 胡国全. 2015. 新疆泥火山微生物群落. 中国沼气, 33(3): 3–9.

宋岩, 戴金星, 孙永祥, 洪峰. 1993. 准噶尔盆地南缘西部天然气地质特征及有利气聚集带预测. 石油勘探与开发, 20(1): 48–54, 104.

孙平安. 2012. 准噶尔盆地南缘油气源对比研究. 南京: 南京大学硕士学位论文: 34–35.

孙平安, 卞保力, 袁云锋, 张兴雅, 曹剑. 2015. 准噶尔盆地南缘天然气地球化学与成因研究. 地球化学, 44(3): 275–288.

王道. 2000. 新疆北天山地区泥火山与地震. 内陆地震, 14(4): 350–353.

王道, 李茂玮, 李锰, 戴晓敏. 1997. 新疆独山子泥火山喷发的初步研究. 地震地质, 19(1): 15–17.

颜泽, 冯兴雷, 侯明才, 付修根, 陈文彬, 谭志远. 2018. 羌塘盆地现代泥火山的发现及其油气地质意义. 地质通报, 37(6): 1150–1156.

杨晓芳, 于红梅, 赵波, 许建东, 高小其, 张涛. 2014. 新疆北天山泥火山固体喷出物特征及成因机制初探. 地震地质, 36(1): 123–136.

尹兆明, 姜莹芳, 张亚刚, 张学敏, 张乐涛, 王彩云, 曹嘉洌, 王瑶, 方静涵, 黄楠楠. 2017. 天山乌苏段火山泥元素组成及含量分析. 干旱区地理, 40(5): 1047–1053.

余琪祥. 2016. 准噶尔盆地南缘泥火山与油气苗. 石油知识, 15(2): 14–15.

张培震, 邓起东, 杨晓平, 彭斯震, 徐锡伟, 冯先岳. 1996. 天山的晚新生代构造变形及其地球动力学问题. 中国地震, 12(2): 23–36.

张士亚, 郜建军, 将泰然. 1988. 利用甲、乙烷碳同位素判识天然气类型的一种新方法 // 石油与天然气地质文集(第1集): 中国煤成气研究. 北京: 地质出版社: 48–58.

张志攀, 祝有海, 苏新. 2011. 羌塘盆地泉水地球化学特征及其意义. 地质学报, 85(7): 1233–1238.

赵瑞斌, 杨主恩, 周伟新, 郭芳. 2000. 天山南北两侧山前坳陷带中新生代构造特征与地震. 地震地质, 22(3): 295–304.

朱明, 汪新, 肖立新. 2020. 准噶尔盆地南缘构造特征与演化. 新疆石油地质, 41(1): 9–17.

Babadi M F, Mehrabi B, Tassi F, Cabassi J, Vaselli O, Shakeri A, Pecchioni E, Venturi S, Zelenski M, Chaplygin I. 2019. Origin of fluids discharged from mud volcanoes in SE Iran., 106: 190–205.

Baldermann A, Abbasov O R, Bayramova A, Elshan A, MartinD. 2020. New insights into fluid-rock interaction mechanisms at mud volcanoes: Implications for fluid origin and mud provenance at Bahar and Zenbil (Azerbaijan)., 537, 119479.

Chao H C, You C F, Wang B S, Chung C H, Huang K F. 2011. Boron isotopic composition of mud volcano fluids: Implications for fluid migration in shallow subduction zones., 305(1–2): 32–44.

Chen Z, Li Y, Du J G, Zheng G D, Li Y Y, Gao X Q, Cui Y J, Zhou X C, Liu L, Liu H, Yan L, Wang C G. 2018. Carbon isotope variations in inorganic carbon materials: Implications for mud volcanic carbon cycling in the northern Tianshan fold zone, Xinjiang, China., 97: 32–39.

Clayton R N, Friedman I, Graf D L, Mayeda T K, Meents W F, Shimp N F. 1966. The origin of saline formation waters: 1. Isotopic composition., 71(16): 3869–3882.

Corteel C, Dini A, Deyhle A. 2005. Element and isotope mobility during water-rock interaction processes., 30(17–18): 993–996.

Dai J X, Ni Y Y, Zou C N, Tao S Z, Hu G Y, Hu A P, Yang C, Tao X W. 2009. Stable carbon isotopes of alkane gases from the Xujiahe coal measures and implication for gas-source correlation in the Sichuan Basin, SW China., 40(5): 638–646.

Dai J X, Wu X Q, Ni Y Y, Wang Z C, Zhao C Y, Wang Z Y, Liu G X. 2012. Geochemical characteristics of natural gas from mud volcanoes in the southern Junggar Basin., 55(3): 355–367.

Dia A N, Castrec R M, Boulègue J, Comeau P. 1999. Trinidad mud volcanoes: Where do the expelled fluids come from?, 1999, 63(7): 1023–1038.

Dimitrov L I. 2002. Mud volcanoes — The most important pathway for degassing deeply buried sediments., 59(1): 49–76.

Ding A N, Hui R Y, Zhang Z N. 2003. Hydrocarbon potential of Jurassic source rocks in the Junggar basin NW China., 26(3): 307–324.

Etiope G, Feyullayev A, Baciu C L. 2009. Terrestrial methane seeps and mud volcanoes: A global perspective of gas origin., 26(3): 333–344.

Etiope G, Nakada R, Tanaka K, Yoshida N. 2011. Gas seepage from Tokamachi mud volcanoes, onshore Niigata Basin (Japan): Origin, post-genetic alterations and CH4-CO2fluxes., 26(3): 348–359.

Gibbs R J. 1970. Mechanisms controlling world water chemistry., 170(3692): 1088–1090.

Kopf A J. Significance of mud volcanism., 2002, 40(2): 1–52.

Larter S R, Head I M, Huang H, Bennett B, Jones M, Aplin A C, Murray A, Erdmann M, Wilhelms A, Diprimio R. 2005. Biodegradation, gas destruction and methane generation in deep subsurface petroleum reservoirs: An overview // Petroleum Geology Conference series. London: Geological Society: 633–639.

Lavrushin V Y, Aliev A A, Pokrovsky B G, Kozmenko O A, Kikvadze O E, Sokol E V. 2019. Geochemical and isotope characteristics of carbonates from ejecta of mud volcanoes of the Kura asin, Azerbaijan., 54(3): 200–220.

Li N, Huang H G, Chen D F. 2014. Fluid sources and chemical processes inferred from geochemistry of pore fluids and sediments of mud volcanoes in the southern margin of the Junggar Basin, Xinjiang, northwestern China., 46: 1–9.

Liu C C, Jean J S, Nath B, Lee M K, Hor L, Lin K H, Maity J P. 2009. Geochemical characteristics of the fluids and muds from two southern Taiwan mud volcanoes: Implications for water-sediment interaction and groundwater arsenic enrichment., 24(9): 1793–1802.

Mazzini A, Etiope G. 2017. Mud volcanism: An updated review., 168: 81–112.

Milkov A V, Etiope G. 2018. Revised genetic diagrams for natural gases based on a global dataset of >20,000 samples., 125: 109–120.

Nakada R, Takahashi Y, Tsunogai U, Shimizu H, Hattori K H. 2011. A geochemical study on mud volcanoes in the Junggar Basin, China., 26(7): 1065–1076.

Pallasser R J. 2000. Recognising biodegradation in gas/oil accumulations through the δ13C compositions of gas components., 31(12): 1363–1373.

Pan C C, Yang J Q. 2000. Geochemical characteristics and implications of hydrocarbons in reservoir rocks of Junggar Basin, China., 167(3–4): 321–335.

Planke S, Svensen H, Hovland M, Banks D A, Jamtveit B. 2003. Mud and fluid migration in active mud volcanoes in Azerbaijan., 2003, 23(3): 258–268.

Qiu N S, Zhang Z H, Xu E S. 2008. Geothermal regime and Jurassic source rock maturity of the Junggar basin, northwest China., 31(4–6): 464–478.

Wan Z F, Shi Q H, Guo F, Zhong Y, Xia B. 2013. Gases in Southern Junggar Basin mud volcanoes: Chemical composition, stable carbon isotopes, and gas origin., 14: 108–115.

Xu W, Zheng G D, Martinelli G, Ma X X, Fortin D, Fan Q H, Chen Z. 2020. Mineralogical and geochemical characteristics of hydrocarbon-bleached rocks in Baiyanggou mud volcanoes, Xinjiang, NW China., 116, 104572.

Zheng G D, Fu B H, Takahashi Y, Kuno A, Matsuo M, Zhang J D. 2010. Chemical speciation of redox sensitive elementsduring hydrocarbon leaching in the Junggar Basin, NorthwestChina., 39(6): 713–723.

Geochemical characteristics of geofluids in the Baiyanggou mud volcano group in the southern margin of the Junggar Basin

MA Yong1, 2, 3, MA Xiangxian1, 2*, ZHANG Li1, 2, 3, XU Wang1,4, LI Xiaoya5, LU Changshun5, FU Chingchou6, ZHENG Guodong1, 2*

(1. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China; 2. Provincial Key Laboratory of Petroleum Resources,Lanzhou 730000, Gansu, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China; 4. College of Energy,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China; 5. College of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu,China; 6. Institute of Earth Sciences, Academia Sinica, Taibei 115,Taiwan, China)

Explaining the source of mud volcanic materials, water-rock-oil-gas interactions in mud volcanic systems, and regional tectonic activities by geochemical characteristics of geofluids from mud volcanoes is crucial. Currently, at least 75 active vents are present in the Baiyanggou mud volcano group, among which approximately 40 vents clearly exhibit muddy water overflow. The primary components of the released gases are methane, accompaniedby a fraction of carbon dioxide and nitrogen. The carbon isotope values of methane and carbon dioxide ranged from −51.1‰ to −44.3‰ and −21.8‰ to 10.7‰, respectively, implying that the gases are characterized by their association with thermogenic crude oils; however, microbial transformation cannot be ignored. The water overflow was predominantly enriched with Na+, Cl−, and HCO− 3, and belongs to the hydro-chemical types of NaCl and NaHCO3. The water overflow origin might be from the mixed oilfield water fluids in underground oil-gas reservoirs and the paleo-atmospheric precipitation in the deep strata that experiences complicated oil-gas-water-rock interactions. Mud volcanoes in the west of the study area were very active, with activity gradually decreasing to the east. The macro-seepage of the gases flux and the pH value of the water were significantly reduced from the west to east. Furthermore, the carbon isotopes in carbon dioxide became heavier and those of methane became lighter in the east, indicating that connectivity is better in the west than in the east. Geofluids can move towards the surface faster in the migration processes and less influenced by the microbial modifications, resulting in small carbon isotopic fractionation.

mud volcano; geofluids; carbon isotopes; water-rock interaction

P593

A

0379-1726(2022)04-0492-11

10.19700/j.0379-1726.2022.04.011

2020-07-17;

2020-09-20

中国科学院“西部之光”青年学者A类项目、中国科学院台湾青年学者(2018TWZ2ZA001)和国家重点研发计划(2019YFA708501)联合资助。

马勇(1997–), 男, 硕士研究生, 油气地球化学方向。E-mail: mayong202108@163.com

马向贤(1987–), 男, 副研究员, 主要从事气体地球化学和油气地质研究。E-mail: maxxan@lzb.ac.cn

郑国东(1961–), 男, 研究员, 主要从事油气储层地球化学和环境地球化学研究。E-mail: gdzhbj@mail.iggcas.ac.cn