深层水现代化学的形成演化的主要作用和过程

Question

如题所述

Answer 1

现代化学与初始化学之间的化学平衡差异只是确定了初始化学在地史过程中形成演化结果的依据和尺度，但未回答各研究层深层水现代化学在地史过程中怎样演化的。为此，应按研究层在地史过程中经历的沉积作用、沉压埋藏作用和热液构造作用3个水文地质期分别论述它们形成演化的主要作用和过程。

1.T₃x²水化学变质的主要作用和过程

(1)沉积作用水文地质期:该期系指T₃x²沉积开始至沉积结束的持续时间，是T₃x²在地史中经历最短暂的一个时期。T₃x²沉积结束后其上覆盖着海水，层内水与海水保持着循环交替;沉积层自身的岩静压力和上覆海水重量叠加造成的累加压力很低，因之沉积层压实作用强度很小，层内水循环交替滞缓;沉积层处在成岩作用的初始阶段，保持了疏松状态。

表8-8 上三叠统初始化学与现代化学的对比

改变水化学成分的主要作用有脱硫酸盐生物化学还原作用和溶滤作用。脱硫酸盐生物化学还原作用普遍存在，由于水中SO₄^2－中的氧与硫结合能量大，在低温(<100℃)低压条件下，硫酸盐的化学还原作用不可能进行，但当存在脱硫细菌时化学还原作用才能发生，其作用反应式是:SO₄^2－+2C+H₂O→H₂S+HCO₃^－，作用结果使水中SO₄^2－贫化，HCO₃^－增高，形成H₂S。水与储层构成的系统内溶滤作用亦普遍存在，总是力图使固相中的化学成分转入水中。根据溶滤作用法则，T₃x²砂泥岩中溶解度大、呈分散状的氯化钠盐首先进入水中;砂泥岩的矿物主要是层状硅酸盐类的高岭石、绿泥石、蒙脱石、伊利石等，以及架状硅酸盐类的钠长石、钾长石、钙长石等，这类矿物的不全等溶解导致水中Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺等含量增高。

两种作用的叠加，水中Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Cl^－、HCO₃^－浓度均增高和产出H₂S，但SO₄^2－含量减少。由于钙、镁碳酸盐、硫酸盐溶度积均很低，很易形成沉淀进入固相，引起Ca²⁺、Mg²⁺浓度降低。该期持续时间较短，且处在低温低压的氧化还原环境，砂泥沉积层主要呈疏松状态，改变水化学组分增降变化的效应较弱，TDS增高浓度甚小，基本上保持了同生沉积水化学的主体特征。

(2)沉压埋藏作用水文地质期:该期系指T₃x²沉积结束至白垩纪沉积结束的持续时间。T₃x²被累加厚度约6000m的沉积层覆盖深埋，是其在地史中经历最漫长的一个时期;处在高温高压、围压封闭状态的强还原环境;疏松的砂泥沉积层进入晚期成岩作用阶段，均已固结成岩;须家河组生烃母岩中油气业已成熟，并已发生初次、二次运移和聚气成藏作用;砂泥沉积层在固结成岩过程中伴随着油气运移和压实水的释放朝向储集层中运聚，相伴发生内循环型压挤式水交替，导致储层中水的更新和朝向降压方向运移。

在上述背景下，T₃x²沉积水初始化学经历了一场深刻的本质的改造，改变水化学成分的主要有六种作用。

一是溶滤作用:在漫长的地质时期高温高压、强还原环境的闭型水文地质构造系统中的溶滤作用(包括其他作用)，远比前期发生的作用规模大，持续时间长。完成了沉积层氯化物溶滤阶段，导致Cl^－、Na⁺稳定性组分浓度显著增高。硫酸盐、碳酸盐溶滤作用使进入水中的SO₄^2－、CO₃^2－、Ca²⁺、Mg²⁺的浓度增高，由于Ca²⁺、Mg²⁺与CO₃^2－、SO₄^2－的浓度积很小，很易结合生成硫酸盐、碳酸盐次生矿物进入固相而降低。在CO₂存在条件下，CO₃^2－转化为HCO₃^－增高浓度，使水溶液呈弱碱性。而铝硅酸盐矿物不全等溶解后形成的新矿物，其溶解度低于原始矿物，且水对原始矿物的溶解是不饱和的，在水与原始矿物相处的地质时期内可持续地发生不全等溶解。例如:钠长石、钠蒙脱石、钾长石、钙长石不全等溶解作用反应式是:

盆地深层水形成演化与油气运聚的模拟重溯

以及钙蒙脱石、伊利石、黑云母等的不全等溶解是水中阳离子K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度增高的原因。

二是有机物变质作用:上三叠统生烃岩热降解生成了大量气态烃、CO₂和液态烃，生成时代主要在侏罗纪，白垩纪为生气高峰期。有机物是生物残骸通过不同分解阶段和途径生成的，有机物经改造后分解为简单化合物，诸如烃类、CO₂、H₂、硫化物、盐类和水。有机物变质作用不仅加强了脱硫酸盐生物化学作用的进程，而且在高温高压环境里甲烷、氢气与硫酸盐的作用进行得异常活跃，作用结果导致水中SO₄^2－贫化，反应生成物CO₃^2－、H₂S等聚集;由于CO₂的存在，使碳酸盐平衡体系移动，HCO₃^－生成CO₃^2－，CO₃^2－与Ca²⁺、Mg²⁺结合生成碳酸盐进入固相，在储层中常见碳酸盐胶结物。因此，水中稳定性组分Na⁺、Cl^－高度浓集，不稳定性组分SO₄^2－、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^－贫化。上述作用导致水中主要盐分分异纯化，但微量、痕量、无机、有机组分的浓度以及生物和变质成因气体的浓度均呈不同程度的增高。

三是水解作用:须家河组铝硅酸盐自生成直至成岩期后的改造，导致粘土矿物转型的过程均需要有一定数量的水参与作用，对水而言，即发生了水解作用。铝硅酸盐矿物的不全等溶解实际上就是水解作用，因为水分子亦经历了化学反应。水解作用始于水分子离解为H⁺和OH^－。离解生成的OH^－，一部分被固结在铝硅酸盐水解反应生成的粘土矿物中，另一部分OH^－与CO₂作用生成HCO₃^－，而H⁺则进入生成物H₄SiO₄和HCO₃^－中。当碳酸饱和时，HCO₃^－离解成的H⁺和CO₃^2－，使原与CO₂结合的OH^－分离为氢与氧，氧被碳酸盐固定，H⁺又可与硅酸盐阴离子结合形成粘土类等矿物。因此，水离解成为H⁺和OH^－均进入反应生成的新物质中。作用结果破坏了水的离解平衡，又促使水分子再离解，离解平衡不断破坏，水分子离解可持续地进行。水分子的离解作用是巨大的，其规模取决于水解作用的强度和持续时间。铝硅酸盐经改造破坏导致粘土矿物的转变使水大量损耗，是导致水盐化的原因之一。在表生作用带下部，随着埋深的增大蒙脱石明显减少，甚至消失，转变为伊利石和绿泥石是普见的现象。例如，我国东海陆架盆地西湖凹陷、渤海湾的冀中和黄骅裂谷盆地等第三系砂泥岩沉积体系埋深在2100m以下，出现蒙-伊混合层，在3100m以下为伊利石。喀麦隆杜阿拉盆地上白垩统埋深在3658m，蒙脱石、蒙-伊混合层中蒙脱石均减少。

四是热地球化学作用:地温持续增高加快了溶滤作用的进行，促使围岩中的可溶盐转入水中，也可促使围岩生烃岩有机物热降解生成大量不同形式的有机物、化学组分进入水中，导致水中化学成分发生变化;此外，地下蒸发作用也是直接提高水的盐化程度的重要原因之一。

五是介面化学作用:该作用包括两种独立作用:其一吸附作用，即固体从水溶液中吸附某一离子(分子);其二离子交换作用，即固体表面吸附的离子与水中同号离子发生等摩尔浓度的交换。这两种作用都会改变水的化学成分。须家河组T₃x²及其下伏、上覆的T₃x¹、T₃x³为海相砂泥岩，在海水环境里形成的是阳离子Na⁺的吸附综合体，由于沉积层富含有机质，吸附容量很大。水中的其他阳离子与固相吸附离子Na⁺发生吸附交换作用，影响离子交换的因素主要是水溶液的浓度、酸碱度、化学组分及其浓度、离子半径和化合价等。二价阳离子的吸附亲和力通常比一价的强，选择次序是Cs⁺>Rb⁺>K⁺>Na⁺>Li⁺，Ba²⁺>Sr²⁺>Ca²⁺>Mg²⁺。由于水中二价阳离子中Ca²⁺浓度为最高，次为Mg²⁺，Ca²⁺(Mg²⁺)首先与Na⁺发生交换作用，作用结果使水中Na⁺增高，Ca²⁺(Mg²⁺)则降低。

六是水中化学成分聚集与贫化的分异纯化作用:在水溶液系统中TDS的增高过程，伴随着分量组分浓度的聚集或贫化的分异作用是改变水化学成分的又一重要作用。为探讨它们之间的相关性，择定了22个化学组分(含TDS)进行R型聚类分析(图8-15)，结果表明:当相关系数为0.6980，22个组分变量中TDS、Na⁺、Cl^－、Ca²⁺、SO₄^2－构成一类，Sr²⁺、Ba²⁺、Li⁺、K⁺、I^－、Mn、Fe构成二类，其他10个变量各自构成独立的一类。当相关系数为0.7839，TDS与Na⁺、Cl^－，Sr²⁺与Ba²⁺，Li⁺与K⁺各自构成一类，其他15个变量各自构成独立的一类。当相关系数为0.9881，TDS与Na⁺、Cl^－构成一类，其他19个变量各自构成独立的一类。

由此可见:

水的TDS增高，主要取决于宏量组分Na⁺、Cl^－，其次是Ca²⁺、SO₄^2－、Mg²⁺，然后依次是微量、痕量等组分。各类组分对水盐化程度的贡献存在显著差别。

宏量组分Na⁺、Cl^－、Ca²⁺、SO₄^2－与Mg²⁺，微量组分Li⁺、K⁺、I^－，Sr²⁺与Ba²⁺，痕量组分Fe与Mn等聚集共生，其中以Na⁺与Cl^－、Li⁺与K⁺、Sr²⁺与Ba²⁺、Mn和Fe共生聚集尤为显著。水的TDS增高与Rb⁺、Br^－、HCO₃^－、Si、Al、Cu、Zn、Pb相关性很低，各组分之间亦无明显的共生聚集关系。

由于水中Cl^－既不被氧化又不被吸附，当水的浓度达到275g/kg时，Cl^－与Na⁺结合才能发生沉淀生成盐岩，是水中的稳定性组分。HCO₃^－在CO₂饱和时转变为CO₃^2－，由于碳酸盐溶度积很小，极易生成Ca、Mg碳酸盐;SO₄^2－与Ca、Mg结合生成硫酸盐进入固相，水中存在Ba²⁺很易生成BaSO₄进入固相，在还原环境中脱硫酸盐生物化学作用均导致水中SO₄^2－的贫化。Ca²⁺、Mg²⁺与SO₄^2－、HCO₃^－这4个组分是水中的不稳定性组分。最终导致水中宏量组分分异纯化，形成Cl-Na型或Cl-Na·Ca型水。

图8-15 深层水化学R-型聚类分析谱系图

根据上述6个方面作用的论述表明，在沉压埋藏作用水文地质期，T₃x²沉积盐水从固相中吮吸了大量可溶盐，是一次主要聚盐期，但对固体而言是一次洗盐期。水的主体浓度增高至100g/kg左右，是首次聚盐期，演化成为宏量组分浓度分异纯化、微量痕量组分浓度增高、富含有机组分的Cl-Na或Cl-Na·Ca型的后生沉积卤水。

(3)构造热液作用水文地质期:该期系指白垩纪末燕山运动至第三纪末喜马拉雅运动两个构造幕面之间的持续时间。T₃x²在这两期构造幕面之间经历了强烈的热变质作用的改造。

构造热液作用的证据有以下5个方面:

其一，规模巨大的燕山运动使中生代大型沉降盆地整体不均一抬升，中、东部结束了沉积历史。盆周地层褶断隆升为高山，由地幔上涌的炽热岩浆在盆地西缘岩浆喷发，抑或沿着断裂带和地壳脆弱部位形成深成岩类，以及对其围岩的烘烤。根据国内外资料研究表明:在常压下测量的玄武岩熔岩的温度可作为基性喷发岩矿物结晶时的上限温度，其值域范围为980～1800℃，循环的热液温度在200℃以上的水可分布到岩浆体外围数百米，温度为90～100℃的水可达数公里至15km。盆内东部华蓥山与七曜山的断裂之间形成川东拗褶带，三叠系裸露地表;中部龙泉山与华蓥山的断裂之间形成川中隆起带，三叠系埋于地下;西部龙门山与龙泉山的断裂之间形成川西拗陷带，三叠系深埋于地下。燕山运动塑造了盆内断裂、褶皱异常发育，形成由西往东上升的三个阶梯状平台，川盆现代轮廓已成初型，后经喜马拉雅运动强烈挤压和褶断而定型。巨大的地动压力和上涌的热液势必破坏了大型川盆原有的地静压力场和地下盐卤水动力场、化学场和温度场的分布格局。

其二，根据川西拗陷钻井和地表地质剖面68件T₃x砂岩裂缝充填物石英、方解石晶体气液包裹体均一温度资料表明:T₃x¹埋深2485～2667m的均一温度102～108℃，3576～3724m的138～142.9℃;T₃x²1906m的82.9℃，2191～2572m的92.3～104.9℃，2958～3473m的117.6～134.6℃，3727～4285m的143～161.4℃，4491m的168.2～186℃，5303m的197.2～201℃;T₃x⁴1797m的79.3℃，2121～2736m的90～100.3℃，2900～3455m的115.7～134℃，4085～4242m的154.8～160℃，4849m的180℃。

其三，上三叠统T₃x岩石薄片在显微镜上普见砂岩石英溶蚀和重结晶现象，如石英加大边、加大锥，港湾型溶蚀石英、蠕石英、微斜长石硅化等现象。矿物切割和拉开后形成的裂隙，如长石受张力断开后形成的裂隙和麻花形裂隙，石英拉开后形成的裂隙和后期裂隙切穿前期裂隙等。

其四，中三叠统(T₂l)岩层顶板附近普见薄层透镜体天青石夹层，底部硬石膏层中有灰黑色泥质天青石条带和天青石交代硬石膏现象。下三叠统(T₁j⁴⁺⁵)合川锶矿矿石包裹体(2～20μm)均一温度为150～155℃。

其五，油气晚期有机成因论认为，沉积物中有机物质开始转化为石油需要达到一定的温度，当温度高于130～148.9℃时，液态烃被破坏裂解为天然气。川盆三叠系分布的几乎均是天然气;川西拗陷T₃x油气生成、运移和圈闭均发生在侏罗纪前，其后发生的燕山-喜马拉雅期运动对剩余液态烃转化为气态烃定可作出卓有成效的贡献。

热变质作用发生的主要地质效应有以下4个方面:

其一，四川盆地及盆周发生剧烈的断褶、岩浆喷发和侵入的造山运动，地壳深部的炽热岩浆和幔液水沿着断裂或脆弱部位上涌。由于川西拗陷距岩浆喷发地带最近，上三叠统埋深最大，经受热液烘烤作用最强，幔液水上升携带的物质对盐卤水金属组分的增高浓度最多，强烈改变T₃x²(T₃x⁴、T₃x⁶)卤水化学的是热变质作用。

其二，上三叠统盐卤水处在150℃以上炽热沸腾的热地球化学环境中，再次对围岩进行强烈的溶滤作用，使水中积聚了更多的物质成分，高温又加快了水自身的蒸发作用，是卤水浓缩盐化程度达到最高的时期，成为T₃x²卤水二次聚盐期。

其三，热变质作用引起沉积物中有机物质以化学和能量形式向四周排放活性化合物、碳氢化合物、H₂S等，伴随着发生一系列的化学作用。根据沉积层裂隙中未见蒸发岩，仅见难溶的钙、镁碳酸盐充填于裂缝中。据此合乎逻辑地判断，T₃x²卤水最高浓度达到160g/kg，水中宏量组分Na⁺、Cl^－高度富集，Ca²⁺相对聚集，而HCO₃^－、Mg²⁺浓度较低，SO₄^2－很低或消失，微量、痕量组分浓度增高，生物成因气体以CH₄为主的碳氢化合物、CO₂、H₂S、N₂等聚集的Cl-Na·Ca型的后生沉积孔隙裂隙卤水、浓卤水。

其四，三叠系古盐卤水由川西拗陷带的地静压力高压带越过川中隆起带朝向川东拗褶带的低压带方向运移。在流经泸州一带沙河街组(T₃x)砂岩中形成了含铜砂岩矿和菱铁矿，在雷口坡组(T₂l)普见薄层透镜体天青石夹层，硬石膏层夹有灰黑色泥质天青石条带和天青石交代硬石膏现象，在嘉陵江组(T₁j)形成了合川锶矿。随着燕山、喜马拉雅运动的消亡过程，地能散逸，地压重新调整，逐步建立流体新的动态平衡体系。

2.T₃x⁴水化学形成演化的主要作用和过程

T₃x⁴在地史过程中经历的3个水文地质期的型式和序次与T₃x²的是相同的，水化学形成演化的主要作用和过程是相似的，故不再赘论其形成作用的细节，主要阐述其水化学形成演化的结论。

T₃x⁴水起源于TDS<1g/kg的陆相沉积淡水。

在沉积作用水文地质期，水中各种组分浓度增降变化和TDS增高浓度均较小，基本上保持了初始化学的特点。

在沉压埋藏作用水文地质期，T₃x⁴除介面化学作用与T₃x²的相悖外，其他5种作用均相同，但作用强度不同;T₃x⁴淡水在此漫长的地质时期持续地从围岩中吮吸了大量可溶盐，以及由于沉积层持续下沉发生压实作用，其下伏的T₃x²高盐度水沿着断裂、裂缝和透水性较好的相接部位的上升通道进入T₃x⁴产生混合作用，导致T₃x⁴水盐度的增高和发生首次聚盐期，形成了宏量组分Na⁺、Cl^－浓集，微量、痕量组分浓度增高，富含有机组分，TDS增高至20～80g/kg，演化成为高度浓缩盐化、深变质的Cl·HCO₃-Na和Cl-Na型后生沉积孔隙盐卤水。

在构造热液作用水文地质期，T₃x⁴盐水经历了强烈的热变质作用，再度发生聚盐期，各种组分浓度比前期显著增高，宏量组分分异纯化，Na⁺、Cl^－高度富集，最终演化成为具有海相沉积水化学的主体特征的、TDS增高至30～100g/kg的Cl-Na·Ca和Cl-Na型深变质的后生沉积孔隙裂隙盐卤水。

3.T₃x⁶水化学形成演化的主要作用和过程

T₃x⁶经历的水文地质期与T₃x²的相同，其形成演化的结论如下:T₃x⁶水起源与T₃x⁴的相同。在沉积作用水文地质期，保持了初始化学的基本特点。在沉压埋藏作用水文地质期，与T₃x⁴发生相同的各种作用，各类组分浓度增降变化类似，经历了首次聚盐期，演化成为TDS的最高浓度达到60g/kg的深变质后生沉积孔隙盐卤水。在构造热液作用水文地质期，再度发生聚盐期，最终演化成为具有海相沉积水化学特征、TDS最高浓度达到84g/kg的Cl-Na·Ca、Cl-Na型深变质的后生沉积孔隙裂隙盐卤水。