塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水化学特征、成因及矿物溶解-沉淀模拟

桂亚倩，朱光有，阮 壮，曹颖辉，沈臻欢，常秋红，陈郭平，于炳松

［1. 中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083； 2. 中国石油勘探开发研究院，北京100083］

地层水是沉积盆地同生沉积水的蒸发残余［1］，存在于岩石多孔介质的孔隙中，常在储层中与油气共生［2］。沉积盆地的形成与演化主要是在流体参与的背景下进行的，地层水与围岩长期复杂的化学反应注定了彼此间紧密的物质能量运动与交换［3-5］。地层水来源广泛，可以是海水、大气降水、沉积水、深成水或几种水的混合物［6］。地层水矿化度受蒸发浓缩、盐岩矿物溶解和泥页岩的薄膜过滤等作用控制［2，6］。此外，水岩相互作用，如方解石的白云石化、斜长石的钠长石化和离子交换，也是改变地层水原始化学组成的重要过程。可以说，现今沉积盆地中的地层水是储层与流体不断相互作用的结果，是储层成岩演化历史的良好记录［7］。因此，了解地层水的化学特征和来源，模拟矿物溶解-沉淀的过程和结果是研究成岩演化历史和储层物性的重要方式。

塔里木盆地寒武系-奥陶系发育大量岩溶成因的碳酸盐岩储层。这些岩溶储层有些与表生岩溶作用相关，部分则是在埋藏背景中的地层水条件下逐渐形成的。近些年，地层水条件与储层形成的相关性逐渐受到重视，前人针对塔里木盆地奥陶系地层水做了不少研究，例如，李鹏春等［8］通过对地层水化学特征的研究，讨论了地层水成因与演化；杨春龙等［9］分析了地层水矿化度、离子组成、离子比例系数与现今海水的差异，总结了英买2 地区储层类型与地层水化学特征之间的关系；王祥等［10］通过对地层水化学组成和化学指数的分析研究，讨论了塔中北斜坡地层水的成因以及油气保存条件；刘大永等［11］认为不同类型油气藏是导致地层水特征变化的影响因素。与此同时，受到塔里木盆地寒武系钻井资料不足的限制，目前对寒武系地层水的研究还很少。塔北轮台凸起的英买-牙哈地区寒武系是重要的含油气层位，并且轮南低凸起的轮探1井在8 200 m 之下的超深层油气勘探中也获得重大突破［12］。因此，塔里木盆地深层-超深层油气勘探和研究正引起广泛的关注。本文通过对塔北隆起寒武系地层水资料的分析，结合矿物溶解-沉淀的软件模拟，明确了地层水的地球化学特征、水岩作用类型以及成因与演化，为深入研究该区寒武系成岩作用和孔隙演化提供理论依据。

1 地质背景

塔里木盆地位于中国西北部、新疆南部，是中国典型的叠合盆地和最大的内陆盆地，具有“四隆六坳”的构造格局（塔北隆起、塔中隆起、巴楚隆起、塔东隆起，库车坳陷、阿瓦提坳陷、西南坳陷、塘古坳陷、东南坳陷和满加尔坳陷）。塔里木盆地被北面的天山、西南面的昆仑山和东南面的阿尔金山围绕，东西长约1 500 km，南北宽约600 km，总面积约560×103km2［13-15］（图1a）。塔里木盆地经历了多期构造演化，不同的演化阶段发育不同类型的盆地，在前震旦纪克拉通结晶基底之上震旦纪—泥盆纪发育海相地层，石炭纪—二叠纪发育海相-陆相过渡地层，三叠纪—第四纪发育陆相沉积岩［14］。

研究区塔北隆起位于塔里木盆地北部。受古生界大断裂的控制，塔北隆起由西向东可以分为6 个次级构造单元，呈现“两凹四凸”的格局：英买力低凸起、轮台低凸起、哈拉哈塘凹陷、轮南低凸起、草湖凹陷以及库尔勒鼻状凸起［16］（图1b）。研究区寒武系被细分为6个组：下寒武统玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和吾松格尔组，中寒武统沙依里克组和阿瓦塔格组，以及上寒武统丘里塔格组（图1c）。从岩性特征看，玉尔吐斯组由一套深水盆地相的泥岩和白云岩构成；肖尔布拉克组由一套台地相、台缘礁相和浅滩相的礁云岩和泥岩组成，局部夹鲕粒白云岩；吾松格尔组由一套萨布哈或其他蒸发环境的白云岩和膏岩组成；沙依里克组由一套萨布哈或其他蒸发环境的粉细晶、细晶白云岩和膏岩组成；阿瓦塔格组由一套台地浅滩相的膏岩、膏质云岩和泥质云岩构成；丘里塔格组由一套限制性碳酸盐台地相的粉-细晶、细晶白云岩组成，局部夹藻云岩、鲕粒白云岩和泥质云岩［13，17-18］。

图1 塔里木盆地构造纲要及地层综合柱状图（据文献［12］，［13］和［16］修改）Fig.1 Outline map of structure and stratigraphic column of the Cambrian in the Tarim Basin（modified from references［12，13，16］）

2 地层水化学特征及岩性特征

本研究的地层水数据和岩心样品采自于轮台凸起中西段的英买-牙哈地区14 口井和轮探1 井（图1b），相关数据和样品来自中国石油勘探开发研究院。

2.1 地层水化学特征

通过对地层水的常规无机化学离子成分与现今海水离子成分进行对比和分析，将地层水分为4类：深成环境的CaCl2型、海洋环境的MgCl2型、大陆环境的Na2SO4型和大陆环境的NaHCO3型［19-20］。地层水矿化度（TDS）是岩石多孔介质孔隙中的地下水动力场和水化学场长期复杂演化的结果，与地层水来源、古沉积环境、埋深和蒸发浓缩程度等地质因素有关［21］。塔北隆起寒武系地层水均为CaCl2型，矿化度为93 900～242 000 mg/L，平均值为156 795 mg/L，都远高于海水35 000 mg/L，最大矿化度可达正常海水的7 倍（35 000 mg/L）。塔北隆起寒武系地层水中主要离子有7 种：钠离子（Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、氯离子（Cl-）、硫酸根离子（SO42-）和重碳酸根离子（HCO3-）。地层水中阳离子以Na++K+含量为主，Ca2+含量次之，Mg2+含量最低，阳离子之间依次相差1～2个数量级，Na++K+含量主要在30 000~70 000 mg/L，部分水样超过70 000 mg/L；阴离子以Cl-含量为主，和含量很低且相差不大，但跟Cl-相比均差3 个数量级，Cl-含量主要在56 000～130 000 mg/L，部分水样达140 000 mg/L。地层水pH 值为4.26～7.10，为酸性-偏酸性水样（表1）。

表1 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水化学成分统计Table 1 Chemical composition statistics of the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin

从塔北隆起寒武系地层水的阴-阳离子浓度与矿化度的相关性（图2）可以看出：K++Na+和Cl-浓度与矿化度总体相关性好，为富集性离子，含量高，且随矿化度的增加，富集程度增高；Ca2+，Mg2+和SO42-浓度随矿化度的增加也有增加的趋势，但相关性差；HCO3-浓度随矿化度的增加有减少的趋势，与矿化度之间没有明显的相关性。

图2 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水中各离子浓度与矿化度（TDS）的相关性Fig.2 Correlation of ion concentration with TDS of the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin

2.2 地层水分布特征

通常地层水矿化度并非随埋深的增加而简单的增大或减小，根据总矿化度和各离子浓度垂向分布特征将地层水化学剖面从浅到深可划分为大气水下渗淡化带、近地表蒸发浓缩带、越流泄水浓缩带、泥岩压实排水淡化带和深部渗滤浓缩带5个典型剖面［22］。本研究收集的塔北隆起寒武系地层水数据点分布于埋深5 000～8 500 m，地层水中Na++K+，Ca2+，Mg2+，Cl-和SO42-浓度均随埋深的增加呈先减小后增大的趋势，而HCO3-浓度总体上呈波动式减小（图3）。在5 500～6 750 m的埋深范围，矿化度随着埋深变浅快速增大，即越流泄水浓缩带（A），主要集中在英买地区，地层水向上越流的过程中发生压滤浓缩，导致矿化度和主要离子浓度升高。随着埋深逐渐增加（＞6 500 m），地层温度和压力增加，水岩反应强烈，地层水进入深部渗滤浓缩带（B）。根据地层水化学性质和离子分布特征将其划分为越流泄水浓缩带（A）和深部渗滤浓缩带（B）（图4）。

图3 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水中各离子浓度垂向变化趋势Fig.3 Vertical concentration variation of ions in the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin

图4 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水矿化度（TDS）随埋深的变化趋势Fig.4 Variation of TDS of the Cambrian formation water with depth in the Tabei Uplift，Tarim Basin

2.3 地层水离子比例系数

地层水离子比例系数可以反映地下水的变质程度、氧化还原程度、水文地球化学环境和水-岩相互作用强度［7-8，23-26］。常用的离子比例系数为：钠氯系数（rNa+/rCl-）和脱硫酸系数（100rSO42-/rCl-）。通常情况下，标准海水的钠氯系数约为0.85，由于吸附、水-岩相互作用等，使得地层水中的Na+逐渐减少，而C1-通常变化不大。因此，在埋藏的过程中该系数通常趋于变小。一般来说，在厌氧硫酸盐还原细菌的作用下，SO42-还原成硫化物，脱硫酸系数小于1，地层水还原较彻底，且越小储存条件越好，反之，则认为还原作用不彻底，可能受大气淡水淋滤氧化作用的影响［7，9，23，25］。

塔北隆起寒武系地层水的钠氯系数为0.39～0.55，平均值为0.51，低于海水值；脱硫酸系数为0.07～1.91，平均值为0.35，低于海水值（表2）。这说明塔北隆起寒武系封闭性强，阳离子吸附和水-岩相互作用都比较强烈。

表2 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水离子比例系数Table 2 Ion ratio coefficient of the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin

2.4 岩性特征

根据岩心观察和薄片鉴定，地层水取样层段储层主要为白云岩，其次为膏岩和灰岩。镜下薄片观察常看到方解石和白云石共生，白云石化的部分被未染色，单偏光下呈灰白色（图5a，b），原岩为灰岩，蒸发海水白云化作用的产物；从岩心可以看出灰白色泥-粉晶白云岩中石膏结核溶空后被白云石充填（图5c）和石膏晶模孔，呈“燕尾”状（图5d）。

图5 塔里木盆地塔北隆起寒武系储层岩性特征Fig.5 Lithology of the Cambrian reservoirs in the Tabei Uplift，Tarim Basin

3 水文地球化学模拟及结果

运用Phreeqc 软件对所收集的地层水数据进行了水文地球化学模拟。首先根据地温梯度和地压梯度得出不同埋深地层水的温度和压力，随后将地层水的离子浓度及温压参数输入Phreeqc软件，计算获得矿物的饱和指数（saturation index）（图6），为水-岩作用类型的判断提供理论依据。

图6 水文地球化学模拟流程图Fig.6 Flowchart showing the hydrogeochemical simulation

3.1 饱和指数

饱和指数是水-岩相互作用研究的基础，可以判断和确定水与岩石、矿物之间的反应状态［27］。

当上述反应达到平衡时，有：

式中：K为该反应的平衡常数，无量纲；A，B为反应物A和B 的平衡浓度，mg/L；C，D为生成物C 和D 的平衡浓度，mg/L。

公式（2）右边为反应中相关组分的活度积，用AP表示；如所有组分均为离子，则称为离子活度积，用IAP表示。所以饱和指数（SI）为：

根据矿物相对地层水饱和指数的计算结果，可确定地层水中的反应性矿物及溶液与矿物的平衡状态。有关研究中饱和指数（SI）的变化范围是0 ± 0.2。若某种矿物的SI值小于-0.2，则认为矿物在该地层水中未达到饱和状态，不会发生沉淀，当地层水中存在这种矿物时，则会发生溶解并趋于平衡；若某种矿物的SI值为-0.2～0.2，则认为矿物达到了平衡状态，既不溶解也不沉淀或溶解沉淀达到平衡；若某种矿物的SI值大于0.2，则认为矿物达到了饱和状态，发生沉淀［28］。

3.2 矿物饱和指数

采用塔北隆起寒武系地层水数据，根据朱光有等［29］的地温梯度和地压梯度，推算出对应埋深的温度和压力，运用Phreeqc 软件计算方解石、白云石和石膏的饱和指数。结果表明：白云石的饱和指数为-3.43～1.95，平均值为-0.10，其中43.64 %的白云石发生溶解，5.45 %达到平衡，50.91 %出现沉淀；石膏的饱和指数为-1.77～0.12，平均值为-0.80，其中94.64%的石膏发生溶解，5.36 %达到平衡；方解石的饱和指数为-0.88～1.62，平均值为0.55，其中18.18 %的方解石发生溶解，14.55 %达到平衡，67.27 %出现沉淀（表3）。

表3 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水中矿物饱和指数Table 3 Mineral saturation index of the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin

4 地层水分布与成因

4.1 地层水来源

原始地层沉积水在埋藏过程中经历了蒸发、与地表水或其他地层水混合，以及水-岩相互作用等变化过程，导致地层水的性质发生了改变［30-31］。从派珀（PIPER）分类图可以看出：塔北隆起寒武系地层水主要为Cl--Na++K+-Ca2+型水，与现今地表水点相距较远，而与标准海水点相距较近，具有海水离子组合的特征（图7）。但寒武系地层水离子成分与海水相比，Ca2+浓度比标准海水浓度高，而Mg2+，SO42-低于海水浓度，这主要与地层水演化过程中Ca2+的富集和Mg2+，SO42-的消耗有关。前人研究表明具有海水离子组合特征的地层水化学演化趋于海水蒸发浓缩线［25，31］。根据海水蒸发浓缩的Cl-与阳离子浓度的关系图可以得出：塔北地区寒武系地层水的Na++K+，Ca2+和Mg2+浓度均随着Cl-浓度的增加而增加；Na+随Cl-浓度的变化趋势与海水蒸发浓缩趋势线基本吻合，而Ca2+浓度变化趋势明显高于海水蒸发浓缩趋势线，Mg2+浓度变化趋势先高于后低于海水蒸发浓缩趋势线（图8）。

图7 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水派珀化学分类（地表水数据来自参考文献［32］，海水数据来自参考文献［33］）Fig.7 Piper diagram for the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin（data of surface water from reference［32］；data of seawater from reference［33］）

图8 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水Cl-与主要阳离子浓度关系（与海水蒸发线相比）Fig.8 Correlation between concentration of Cl-and major cation of the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin（as compared with the evaporation trajectory of seawater）

总的来说，塔北隆起寒武系地层水Na++K+和Cl-含量高，Ca2+富集，Mg2+亏损，矿化度高。因此，塔北隆起寒武系地层水不仅受海水蒸发浓缩的影响，可能是寒武系海相碳酸盐岩原始沉积时，岩石孔隙介质中残留大量海水，随着埋深的增加，地层水不断蒸发浓缩、与岩石发生反应，最后形成高矿化度地层水。

4.2 水-岩相互作用

沉积盆地地层水中Na+浓度变化主要与盐岩矿物溶解以及斜长石、钾长石的钠长石化有关，Ca2+浓度变化主要与碳酸盐岩和石膏的溶解、白云石化和斜长石的钠长石化等有关［34］，Cl-富集主要由海水的蒸发浓缩和盐岩矿物溶解引起［5］。无论盆地中地层水的来源是海水还是大气淡水，Ca2+富集现象必定与水-岩相互作用有关［32］。塔里木盆地寒武系以碳酸盐岩和膏岩为主，所以地层水中离子浓度的变化可能主要与海水的蒸发浓缩、盐岩矿物溶解以及白云石化有关。Davis⁃son 和Criss［34］提出了一种Nadeficit-Caexcess图解反映流体离子浓度变化及水-岩相互作用的方法。Nadeficit和Cadeficit表达式如下：

式中：Nadeficit指Na+相对海水亏损的毫克当量浓度，meq/L；Caexcess指Ca2+相对海水富集的毫克当量浓度，meq/L；Clmeans，Nameans和Cameans分别代表地层水中Cl-，Na+和Ca2+离子的毫克当量浓度，meq/L；（Na/Cl）sw和（Ca/Cl）sw指海水中离子的毫克当量浓度比，无量纲。

Nadeficit-Caexcess图解反映了不同流体性质的演化过程（图9）。原始海水从Nadeficit和Caexcess都为0 时开始蒸发，随着蒸发的进行Ca2+最先发生沉淀，Na+保持稳定，地层水中Ca2+亏损降低至盐岩饱和点，此时Nadeficit和Caexcess分别达到0和-200 meq/L；继续蒸发，超过盐岩饱和点，趋势线将沿水平方向发展，Ca2+保持稳定，Na+亏损，盐岩沉淀；在Na+保持稳定的条件下，随着Ca2+的富集，进而发生方解石的白云石化或CaSO4的溶解。Nadeficit-Caexcess关系图中斜率1∶1 的线性关系被称为盆地流体线（BFL），代表了两个钠离子置换一个钙离子的水-岩相互作用（图9）即2Na+→Ca2+。自然界中只有斜长石的钠长石化才会发生上述置换比［35］：CaAl2Si2O8+4SiO2+2Na+=2NaAlSi3O8+ Ca2+。图9 中虚线a 为Cl-浓度为150 g/L 的盐岩溶解流体，虚线b 为蒸发海水［36］。

将塔北隆起寒武系56 个地层水样品数据点投到图9 上，可以看出该区地层水与岩石发生了强烈的反应。地层水中Ca2+富集、Na+亏损，大部分数据点位于虚线a和b之间，说明塔北隆起寒武系地层水是海水蒸发的卤水和盐岩矿物溶解的混合物，可能的成岩作用主要为CaSO4溶解和方解石的白云石化；小部分数据点位于虚线b 的右侧，可能发生斜长石的钠长石化。邢秀娟等［37］对英买-牙哈地区寒武系白云岩成因研究发现白云岩的碳、氧同位素较轻，δ13C 和δ18O 分别为-1.2 ‰～-16.8 ‰和-4.73 ‰～-12.0 ‰，与准同生白云岩碳、氧同位素的正值不同，明显受流体活动的影响，具有成岩叠加改造特征。再结合岩心观察、薄片鉴定和水-岩反应模拟结果，塔北隆起寒武系储层水-岩相互作用主要为石膏溶解和方解石的白云石化。

图9 塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水Nadeficit-Caexcess关系Fig.9 Correlation of Nadeficit and Caexcess in the Cambrian formation water in the Tabei Uplift，Tarim Basin

5 结论

1）塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水为CaCl2型，阳离子以K++Na+为主，阴离子以Cl-为主，矿化度高，由浅至深可划分为越流泄水浓缩带（A）和深部渗滤浓缩带（B）。钠氯系数为0.39～0.55，平均值为0.51；脱硫酸系数为0.07～1.91，平均值为0.35，说明现今寒武系地层水总体上处于封闭环境。

2）Phreeqc 软件模拟地层水中矿物的饱和指数得出：94.64 %的石膏溶解；50.91 %的白云石沉淀；18.18%的方解石溶解。

3）塔里木盆地塔北隆起寒武系地层水离子组合具有海水离子特征，离子分布点距离海水点较近，而距离现今地表水点较远。这说明可能是海水经历蒸发浓缩作用之后，发生了强烈的膏岩溶解和方解石的白云石化等水-岩相互作用。