(一)不同水文地质单元内水化学异常有差别
从含油气盆地是自流水盆地一部分的观点出发，与油气有关的水化学异常，可以分布在不同的水文地质单元内。在地下水的补给区(除含水岩系裸露地表外)邻近生油凹陷的一侧，一般断裂、褶皱等构造比较发育，为油气聚集提供了一定的空间，在该区范围内如果出现水化学异常，多以低矿化度的淡水为主，除了与淡水相匹配的有机组分较高外，多数指标的含量均不高，属于低值异常；在地下水径流区，随着区域水文地球化学背景值的上升，异常值也增大，背景与异常相对容易分离和确定，提高了异常的可靠性；而进入地下水的排泄区，异常的指标含量达到盆地最高值。根据我国含油气的自流水盆地统计结果，水化学异常在不同水文地质单元内出现的几率，以地下水径流区最高，排泄区次之，补给区最低。在油田规模或圈闭面积相等的前提下，水化学异常的范围与面积，以排泄区最大；径流区的异常范围最接近含油气圈闭的闭合面积(但多大于圈闭的闭合面积)；邻近地下水补给区水化学异常的面积，往往沿着地下水流动方向弥散，在评价或预测有利区带时，应向上游方向扩大空间范围，含油气最有利部位，多限于指标强度相对最高点的附近。异常内，水化学指标的组成在不同的水文地质单元也有一定区别，这固然同各个指标本身的活泼程度、稳定性及化学性能有关，但也与表生带自然地理环境、地形地貌条件变化较大、深部含油储集层在垂向和横向上的不均一性(包括储层的富油程度、油气性质差异、岩性—岩相变化、沉积作用的间歇性、沉积物压实固结和构造活动程度等)对地下水流动速度和水化学成分的影响有关。就是在同一油气藏上方，不同观测点的水化学异常指标组成也会有差异，尤其在环境指标上这种差异尤其突出。从这个角度讲，浅层水化学效应本身不是用水化学指标种类和数量确定的，而是结合地质和水文地质条件选用有效指标组合，根据含量的变化幅度确定的。举例如下。
1)鄂尔多斯盆地是一个大型的自流水盆地，中生代和古生代地下水比较发育。上部潜水或浅层承压水在黄土高原埋藏较深，水量贫乏；在北部剥蚀区随含水层性质和地形变化较大，排泄不良，水质较差。盆地西缘紧邻地下水补给区，发育了一系列南北向和北西西向断裂，这些断裂系统延伸较远(数百千米)，断距较大(达3000m)，是油气和地下水垂向微运移的主要通道，在第四系—新近系含水层的潜水内形成水化学异常(图5-94)。从表5-59看出，本区补给源地下水矿化较低，小于1g/L，为NaH-CO3类型水，阴离子中以
图5-94 马家滩油田潜水中烃类异常
1—取样点；2—构造等值线；3—断层；4—重烃异常带
表5-59 近补给区不同类型水化学成分对比表 单位：mg/L
表5-60 径流区水化学异常中可溶烃特征 单位：μL/L
表5-61 径流区水化学异常中δ13C1变化范围值
表5-62 排泄区异常水与油田水化学成分对比表
2)松辽盆地水化学异常在不同水文地质单元内也有上述类似的变化。从北西-南东向的第四系水文地质剖面(图5-95)可知，大兴安岭补给区的地下水主要向盆地东南方向径流，排泄区位于大庆长垣东南的三肇一带。而从东南方向(张广才岭)和东部(小兴安岭)补给的地下水向西北径流，主要排泄于松花江流域。在地形地貌、新构造运动及沉积物(含水层)的控制下，水化学成分在平面上的变化有一定的规律(图5-96)，总体而论，从补给区(尤其是盆地西或西北部)到排泄区(东南方)水化学成分有淡变咸，有好变差，由低矿化度(小于0.5g/L)重碳酸型水，过渡为矿化度升高(0.5g/L左右)的硫酸盐型水，最终变为矿化度大于0.5g/L的氯化物型水。在这个变化的背景上，形成的与油气有关的水化学异常也呈现有序的变化(表5-63)。
图5-95 松辽盆地第四系水文地质剖面示意图
表5-63 不同水文地质单元水化学异常特征
图5-96 松辽盆地第四系水化学成分平面分布图
1—重碳酸型水；2—硫酸盐型水；3—氯化物型水
上述两个实例说明，不论在地形地貌条件复杂多变和多烃源岩的复合型含油气盆地，还是在广阔平原和单一烃源岩的含油气盆地，水化学异常都比较清晰，它的空间展布、异常强度及指标组合等方面，有其相对一致的规律。
(二)水化学异常在控油断裂带上出现的几率较高
水化学异常分布在断裂带上的原因，一是含油气盆地内广泛发育的断裂活动(尤其是在我国东部地台区)，破坏了地层的结构和连续性，在断层周边形成破碎带(包括不同方向断层交叉及裂隙、裂缝等)为油气垂向微运移提供了通道条件，尤其是那些发育早、活动时间长、断距大的继承性断裂，沟通了油气藏与上覆地层或近地表之间的烃类联系，形成较强的异常带；二是断裂形成多种多样的圈闭，是油气富集的主要场所，油气微渗漏在近地表形成水化学异常。与断层活动有关的油气藏形成浅层水化学效应，在我国许多含油气盆地见及。
临盘断裂带位于济阳坳陷西南部的惠民凹陷，并将其分割为北部上升隆起区和南部相对下沉区。断裂带长76km，走向近于NEE向，断面南倾，倾角达45°～60°，断距可达1000m。该断裂在沙河街组沉积时期即已存在，长期继续活动到馆陶组、明化镇组沉积时期，特别是东营末期，其活动加剧，在两侧形成了平行断裂带走向的 NEE 向及斜交的NE、NW两组断层。沿断裂带形成许多断块和牵引作用形成的断鼻构造，控制着本区油气的分布与聚集。主要成油组合有古近系的沙四—沙三段、沙二—沙一段和东营组三套储盖组合；新近系的馆陶组砂岩和明化镇组泥岩组成的储盖组合。共分八套含油气层系(沙四段、沙三段下、沙三段上、沙二段、沙一段、东营组、馆陶组及明花镇组)。断层两侧储盖组合保存程度差别很大，南盘发育齐全，北侧仅以沙三段下为主。本区油水关系复杂，原油性质、地层压力系数按断块形成的台阶高低而变化。具有多断层(80%的钻井钻遇断层，在300平方千米内有断层132 条)、小断块(本区有140 多个断块)、层状油气藏的特点。断块间没有统一的油水边界，具有多油水系统，地下水矿化度高(表5-64)。馆陶组～明花镇组沉积时期该断裂还在继续活动，造成油气与地下水向上运移，使上部地层中原油性质与下伏地层有较大差异(表5-65)。另外，本区主要含水岩系中的地下水，在大部分钻孔中具有较高的压力或溢出地表，盐分的浓度较高。上述的油气地质和水文地质条件为近地表水化学异常的形成，奠定了地质基础。
表5-64 临盘断裂带油田水化学成分特征
(据胜利油田研究院，1979)
表5-65 原油性质纵向上变化
(据胜利油田研究院，1978)
断裂带上水化学异常特征概括在图5-97中，其中矿化度反映了水化学成分的综合特征和变异程度，四次趋势面高值带在平面上为油气藏所环绕(见图4-19)。根据偏差为正残差值的134个点(样品总数349个)，计算各点的异常分量，剩余值较高的点，主要分布在断裂带附近。在断裂破碎带上，与矿化度增高的同时，Cl-、Na+始终占首位，保持着Na+＞Ca2+＞Mg2+和Cl-＞
图5-98是水化学异常位于断裂带上的另一个实际探例。图中有四个水化学异常，其异常类型和模式不同，控制面积也大小不等，但它们在空间展布上均与NWW向主断裂及伴生断层有关。各异常的参数特征见表5-66，异常的指标组合相对稳定，叠合程度较好，强度比较大。这些异常均具有多方法(水介质、土介质)，多指标同时显示异常及衬度大的特点，说明异常的形成，一方面是由于深部烃源岩沿着一定的通道迁移，长期影响浅层地球化学效应的结果；另一方面亦说明断裂带附近存在着油气聚集的圈闭。
图5-97 临盘断裂带上水化学异常特征
1—断裂；2—已知含油区；3—酚的四次趋势面等值线；4—酚的四次趋势面剩余异常点；5—矿化度、Cl、Na判别值大于0.2者；6—矿化度四次趋势面余值大于50者
表5-66 断裂构造带上水化学异常特征
河套坳陷在水文地质上属阴山-鄂尔多斯高原水文区的一部分。油气勘探程度较低。作者及其同事们(1969)从区域入手调查坳陷内部及其周边山区的水文地质条件，研究水化学成分的变化规律，通过采取不同季节的地下水样、简易抽水、建立试验观测站等手段，根据392个水样，统计结果圈定了三排水化学异常带(图5-99)。这些异常带的水化学成分中矿化度较高，硫酸根离子普遍较低，以NaHCO3和CaCl2型水为主，含有Br、I等微量组分，水中可溶气态烃和氧化还原电位等均显示异常(表5-67)。值得指出的是，可溶气态烃在区域上以甲烷为主，而异常内不仅组分全，且重烃含量明显增高，绝对值超过甲烷，异常值较补给源或当地湖(沼)水的含量大10倍之多，显然不是近代生物地球化学作用的结果。与深层地下水化学成分相比，具有类似或一致的特点，它们是深层地下水沿着断裂破碎带上涌浸染浅层地下水的结果。从图5-99中看出，三个浅层水化学异常带，都分布在断裂带附近。
图5-98 水化学异常与断裂带的关系
表5-67 临河坳陷水化学异常值和背景值
图5-99 临河坳陷潜水水化学异常与断裂带关系
1—断裂；2—水化学异常
综上所述，水化学成分在控油的断裂带上，既有原地生成的“土著”成分，也有源远而来的“移民”成分。水化学异常沿断裂带上呈串珠状分布，是客观存在的一种地质—地球化学现象。
(三)在凹陷内水化学异常围绕生油中心分布
沉积盆地内主要油田大都分布在近油源的有利圈闭和储集层内，生油中心制约着油气分布是陆相油气田的一条基本规律。水化学异常在空间上的展布，主要受三个因素的控制：一是油气田；二是垂向微运移的通道条件；三是地下水峰面。在沉积凹陷(生油凹陷)内这些因素往往是有机地组合在一起，促使水化学异常的形成。作者(1981)已研究和指出沉积凹陷是控制油田水化学成分演变基本地质单元的结论，在这样一个基本认识的基础上，讨论水化学异常的分布规律。
东营凹陷古近系生油中心生烃强度高值从垦利—滨州—博兴之间的3.61×106t/km2，向中心增高至32.4×10-6t/km2，呈有规律的同心圆状递增。围绕着生油中心在周边分布面积大小不等、形状各异的诸多水化学异常。从一个侧面说明油气资源是很丰富的。这些异常的指标参数在凹陷内的不同部位变化很大，总体来讲，凹陷中心矿化度最高(3～5g/L)，以Cl--Na+离子组合为主；凹陷北部的水化学异常，矿化度次之(2～4g/L)，在以Cl--Na+离子组合为主的同时，
泌阳凹陷1984年进行油气水文地球化学调查，采集水样212个。其后又进行了以500m×500m网度均匀布点的详查，应用水化学和土介质(弥补水样点不足)两种方法，多指标的综合测量，各参数的浓度分布特征见表5-68。发现了12个水化学异常，它们与已知油田的浅层地球化学效应共同组成了一个以生油岩为核心，坐落有序的环状异常带(图5-100)。由于本区油气资源丰富、生烃强度高、油层埋藏适中、元素扩散—对流作用和油气微渗漏条件好，所以在已知油田上方均显示很强的水化学异常，具有多参数吻合程度好的特点(表5-69)。地质条件和表生地球化学作用的差异，使各个异常在指标主次关系、组合与含量、形态类型与规模等方面不尽相同。表5-70列出了被后期油气勘探钻孔证实和建设为油田的水化学异常特征。异常所反映的油气信息在凹陷南部以普通(轻质)油为主，凹陷北部以重质油和天然气为主。
表5-68 泌阳凹陷水化学指标浓度分布特征表
图5-100 泌阳凹陷生油中心与水化学异常关系图
生油中心控制水化学异常形成与分布的现象，在其他盆地的沉积凹陷内也是一种普遍现象。
(四)与油气有关的水化学异常稳定性较高
油气垂向微运移主要是以水为载体，在垂向压力梯度和浮力的驱动下，在变化的温压环境中，水以对流-扩散的渗透方式，沿岩石的孔隙-裂隙系统，向上作微量(分子与离子级)运移。在地质历史发展过程中，垂向微运移既有间歇性和阶段性，又是一个连续的递进过程。
表5-69 泌阳凹陷已知油田浅层地球化学效应参数
表5-70 被钻探证实的水化学异常特征
石油与天然气的化学成分，大部分都能溶解于水。油气垂向微运移使油田上方的地下水，具有源远流长的补给来源，长期受到深部油气水的影响，积累效应使水的化学成分趋向油田水的性质，并且比较稳定的保存下来。前已述及的水文地球化学试验场的多年观测资料，证明与油气有关的水化学异常重现性比较好，重复检验异常参数及特征保持不变。表5-71的资料进一步说明，不仅是无机组分，就是易变化的有机组分在不同年份同样具有较高的可比性，用它们来确定异常是稳定可靠的。泌阳凹陷的浅层水化学异常，20年后重复采样分析，C1的均值仅降低了0.09 μL/kg，标准偏差由0.92变为0.94；由于油田长期注水开采，水溶烃异常平均降低较大，但也只有2.31μL/L，标准偏差由0.94 变为0.96，表明异常是极其稳定的。水浸泡含油岩石的模拟实验，从另外一个角度证明油-水化学组分转移过程及其水化学成分的稳定状态。由图5-101可知，用矿化度为0.15g/L的地表水浸泡含油岩石(粉碎、加温、超声波震荡等)开始水化学成分增高较快，随着时间的延续，增高速率逐渐放慢，在趋向某一值后，基本上稳定不变。另外，地下水埋藏在一定深度内，受气候变化等因素影响较小，干扰因素相对较少，这也是地下水化学成分相对稳定的一个因素。虽然地下水是流动的，但是流动速度很慢，而且是区域性的有规律运动，异常不至于发生很大的飘移或消失，即使有所偏移，也可通过一定的技术手段和研究追索到源区。
表5-71 不同年份水化学成分中有机组分对比表
图5-101 水浸泡含油岩水化学成分变化曲线
(五)被油气勘探证实的水化学异常较多
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，根据水化学异常的分布规律，可以预测盆地的含油气远景，指示油气富集的有利地区。油气勘探实践证明，综合应用水文地球化学勘探技术，是加快油气勘探步伐、突破出油关的一个方面。前面已经叙述了一些水化学异常提供油气信息的有效性，现再列举几个勘探成功的实例。
1.梁水镇异常
该异常是在区域水文地球化学调查(面积1300km2)中发现的一个综合异常。根据1306个水分析资料统计，该区的主要水化学参数丰度特征见表5-72。
上述参数经过数理统计后，结合土介质中的吸附烃成果，确定了高背景、中—高背景和低背景等3个地球化学区带。按区带分别评价各个异常的含油气远景，在圈定的最有利含油气异常中，梁水镇综合异常是一个主要水化学指标都有显示的Ⅰ级异常。综合评价指数高达12.0，以水中酚和光谱为中心，吸附烃在外围的块—环结合异常，其他指标呈零星的点状分布(图5-102)。异常由6个水样点控制组成，其中酚含量高达(9.85～120.96)×10-9，荧光320nm为17.4～30.4 INT，紫外导数光谱222nm为9.0～15.0 INT，水溶烃为1.05～14.5μL/L，吸附烃中甲烷和重烃有7个点显示异常，是一个高强度、多指标、水—土两种介质组成的综合异常。另外，同步荧光以轻波段为主，缺失高波段峰，三维荧光主峰波长对为228nm/340nm，缺失T4峰，紫外吸收光谱的轻重比(222nm/232nm)大于1，这些光谱特征反映异常内的油气性质，以普通原油为主。δ13C1为-55‰左右，从一个方面证明，异常的形成与深部油气有关。根据上述异常特征，认为该异常是油气勘探的重点靶区，目前已在贾2井见工业油流。
表5-72 梁水镇异常水化学参数丰度特征
注：变化幅度值=最大值-最小值/均值。
图5-102 梁水镇水化学综合异常图
1—综合异常；2—酚异常；3—光谱异常；4—C1异常；5—水溶烃异常
2.后吴庄异常
位于南襄盆地南阳凹陷南部边界断裂带的鼻状构造上。是在水化学普查的有利区带上，经过化探精查(加密土介质样)确定的。异常的特点是以综合烃类气体(水溶烃、吸附烃)为中心，荧光光谱在外围的块、环结合异常，异常指标组合特征见表5-73。
表5-73 后吴庄异常水化学特征
该异常的综合评价指数高达31.6。同步荧光光谱的320nm，380nm和405nm均显示一定强度，但以反映低环芳烃特征的320nm强度最高，显示本异常的石油属性以轻质油为主。目前，已在 N65井和 N67井获得高产油流(图5-103)，其中 N65井核三段2678.5～2681.9m，一层3.4m，经测试8mm油嘴日喷原油23.1m3；2704.9～2707.5m段，经测试日产原油4.5m3；N67井核三段2623.3～2626.8m，一层3.5m，经测试日产原油4.32m3。该异常控制面积3.2m2，新增石油地质储量116万吨，创造了一定的经济效益。
3.临南斜坡带
该区是济阳坳陷惠民凹陷的次一级构造单元的一部分。按照普查、详查、精查的地球化学勘探程序，在2000km2面积内，采取水样1244个，土样5175个。普查结果认为夏口断裂附近的北带是油气富集有利区带。其后运用水化学和土介质相结合的方法，对北带进行详查，重点地区进行精查，在发现的水化学异常中，曲古1井在井深1515～1520m(沙二段)和曲10井、曲斜8井、曲斜9井等均获工业油气流。垛石桥水化学异常是精查发现的异常之一，主要指标特征如表5-74所示。值得提及的是，该异常吸附丝、三维荧光、水中甲烷稳定碳同位素等参数，都显示了煤型气的特征。
表5-74 垛石桥异常水化学特征
图5-103 南襄盆地后吴庄异常图
根据60个吸附丝测量点的近3000个数据统计，其规律是：
1)异常上总离子流色谱图与邻区天然气的标准图谱有一定的相似性(图5-104)。而异常外围点的相关性较差；以庚烷(正异构体)、环庚烷、甲基苯为三角图的三个顶点作图，异常点全部落在靠近甲基苯的一端，表明甲基苯含量较庚烷与环庚烷高得多。苯及甲苯的浓度随烃类集聚类型不同而变化，它们的高值反映了煤成气的特征；正异构烷的比值反映了油气的演化特点，以异丁烷/正丁烷为例，大于60视为与强生物降解有关，小于60主要为弱生物降解，垛石桥水化学异常，2/3以上异常点的异丁烷/正丁烷大于60。异构己烷的比值也能反映油气生物降解程度，通常有机质演化的正常序列是2-MC5/3 MC5＞1，而有生物降解作用时，其比值＜1。垛石桥地区绝大部分样点的上述比值小于1。据上述特征，判断本区油源可能遭受了生物降解作用。
2)三维荧光的平面图形特征介于“P”型和“O”型之间，显示了煤成气的迹象(图5-105)。主峰位置波长对为227nm/341nm，出现了
3)水中甲烷稳定碳同位素的散布域为-44%～-32%之间，δ13C1的平均值比区域背景值明显偏重，接近于该区煤系地层的碳同位素值(-32.64‰)。
4)紫外导数光谱以轻质组分波段强度最高，如反映单环芳烃的214nm及其以前的波段等，具有很高的强度是富气的反映。
图5-104 垛石桥水化学异常总离子流色谱图
图5-105 垛石桥水化学异常三维荧光图谱
垛石桥水化学异常反映煤成气的认识，被钻探所证实，日产煤成气5×104m3以上。
上述实例与实践证明，水化学法是油气地球化学勘查中比较成熟的方法。在我国东部和中部是行之有效的找油技术与方法。在地下水露头不足的情况下，与土介质中的烃类气体结合应用，遵循着以水确定异常用土样中烃类气体划定边界的方法，可收到良好的地质效果。在干旱和半干旱地区地下水样不足的情况下，可应用水溶岩(土)法，具有一定的应用价值。
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