摘要：通过对西湖凹陷天台反转带花港组20口井地层水地球化学特征进行研究，进一步揭示地层水成因、来源以及保存条件。研究结果表明，花港组地层水离子组成以Cl−、Na+、Ca2+以及HCO3−为主，其中Na+和Cl−浓度与矿化度(TDS)之间呈现较好的线性关系，具有高浓缩地层水的特征。水型以氯化钙Ⅳ型和Ⅴ型为主;钠氯系数和脱硫系数均较小，远低于海水;钙镁系数高于深层水，均指示花港组地层封闭性好，处于交替停滞带，有利于油气的聚集与保存。Na+轻微亏损主要受钠长石化作用影响;Ca2+富集除了钠长石化作用外，有机质成熟过程中伴生的有机酸，对长石和含钙矿物的溶蚀作用，也促进地层水中Ca2+的富集;Mg2+亏损可能与高岭石、绿泥石以及白云岩化紧密相关。花港组地层水来源于陆相沉积水，受沉积环境、水-岩反应、蒸发浓缩作用以及流体混合作用共同控制，表现出富Ca2+，贫Mg2+，略微贫Na+的特点。
关键词：地层水;地球化学特征;保存条件;水-岩作用;氢、氧同位素;西湖凹陷;花港组
在沉积体系中，地层水总是与烃源岩和油气相伴生，因此地层水是油气生成、运移以及聚集的动力源及载体，并直接参与地质演化过程，影响和制约着油气成藏和保存[1-7]。通过对地层水地球化学特征的深入研究，可以掌握油气藏形成和保存的条件，为油气的勘探提供有力的技术支持。目前，国内外学者利用地层水地球化学特征指示油气藏形成和保存条件的成果较多，其中窦伟坦等[5,8]通过对鄂尔多斯盆地的地层水地球化学特征开展详细分析，对研究区地层水的成因及油气藏聚集关系进行了较为深入的研究。徐国盛[3]、林耀庭[9]、李建森[10]等在水化学特征系数的基础上，进一步结合氢、氧同位素以及岩石镜下鉴定的特征，深入探讨了四川盆地和柴达木盆地的油气生成、运移以及聚集的条件。这些前人的研究成果为本次研究提供了丰富的参考和对比依据。
西湖凹陷是东海盆地主要的勘探区域，也是我国海上非常重要的含油气盆地之一。截至目前，针对西湖凹陷地层水的研究成果非常之少，其中汪蕴璞[11-12]从水文地质学的方面，对西湖凹陷地层水的含水系统和水文地质期进行了研究和划分，初步探讨了地层水的形成演化和油气运移成藏特征和模式，但没有针对地层水的地球化学特征和油气保存条件开展相关研究。杨丽杰[13]利用地层水矿化度、水型、离子组成及特征系数对西湖凹陷中部地区地层水的地球化学特征以及其与天然气藏分布关系进行了初步探讨。由于地层水的来源及成因机制非常复杂，仅通过对特征离子的含量以及离子之间的关系开展研究，难以充分解释其成因与来源。本文在地层水离子组成数据的基础上，首次系统结合氢氧同位素、岩石薄片鉴定以及扫描电镜分析结果，进一步探讨西湖凹陷天台反转带花港组地层水的来源及油气藏的保存条件，为西湖凹陷天台构造带的油气勘探提供更充足的依据。
1区域地质背景
西湖凹陷位于东海陆架盆地的东北部，是东海盆地最有油气勘探潜力的凹陷之一。西湖凹陷整体呈NNE向展布，面积约为5.9×104km2，是前古近系基底上发育起来的断陷盆地。西湖凹陷构造特征较为复杂，总体上表现为“东西分带、南北分块”的特点，自西向东依次可划分为西湖斜坡带、西次凹、中央反转带、东次凹及东部断阶带等次级构造单元，再根据凹陷的横向调节断裂的变化以及构造样式和走向，又可划分为若干个二级构造单元，包括杭州斜坡带、平湖斜坡带、天台斜坡带、嘉兴构造带、宁波反转带和天台反转带等二级构造单元(图1)[13-17]。本次研究区域为西湖凹陷中央反转构造带的天台反转带，其中T和C油气田均位于该构造带。
研究区地层自下而上由古新统、下始新统、中—上始新统平湖组、渐新统花港组、中新统龙井组、玉泉组和柳浪组、上新统三潭组及第四系东海群组成(图2)，其中平湖组、花港组为含气层段。平湖组的岩性以砂岩、泥岩互层为主，夹数层薄的沥青质煤层，且平面上岩性、厚度分布不均一，其沉积环境主要为半封闭海湾沉积环境;花港组的岩性主要由砂岩、泥岩组成，平面上岩性、厚度变化显著，其沉积环境主要为河流-湖泊沉积环境为主[13]。
2样品采集及实验条件
本次采集到天台反转带花港组20口井地层水样品，其中T油气田16口井，C油气田4口井。地层水中常规阴阳离子测试由中海油实验中心上海实验中心完成，阳离子测试使用赛默飞世尔生产的ICP-OES(型号为iCAP7400)进行测试，分析精度为0.001mg/L;阴离子分析使用瑞士万通生产的离子色谱仪(型号为930T)进行测试，分析精度为0.01mg/L;HCO3−和CO32−采用电位滴定法进行测试，使用梅特勒生产的T90电位滴定仪，分析精度为0.1mg/L;阴阳离子分析每5个样品设置平行样，各离子重复性均小于3%，满足参考标准的质控要求。地层水中氢氧同位素分析由中国地质大学(武汉)完成，使用MAT-253型同位素质谱仪，以V-SMOW为标准物质。δD参考DZ/T0184.19-1997，采用水中氢同位素锌还原法进行测定;δ18O参考DZ/T0184.21-1997，采用天然水中氧同位素二氧化碳-水平衡法进行测定，分析精度均为0.1‰。
3地层水地球化学特征及油气保存条件
3.1矿化度
一般而言，当地层水中的各离子组成浓度变化不大时，其地层水的矿化度越高，地层的封闭保存条件越好[18-22]。由表1数据可得，天台反转带花港组的矿化度(TDS)为9476.4～30649.3mg/L，平均值为22944.9mg/L。研究区花港组地层水的矿化度均低于海水的矿化度(35000mg/L)，但整体矿化度相对比较高，指示天台反转带地层整体保存条件较好。
3.2水型
通过离子组成关系进行水型划分，水型是研究地层封闭性，指示地层油气运聚以及保存条件的重要参数[20-23]。参照苏林分类模型[24-25]：Na2SO4型多表现为裸露的地质构造中的地层水;CaCl2型表现为与地表大气降水隔绝较好的封闭构造中的地层水;过渡性构造带的地层水则多为MgCl2型和NaHCO3型。由表1可以看出，天台反转带花港组地层水以CaCl2型为主(占75%)，少量样品表现为NaHCO3型。对比不同水型地层水的矿化度，发现CaCl2型地层水矿化度普遍高于NaHCO3型(图3)。此外，参照博雅尔斯基[26]的分类规则，将CaCl2水型进一步划分为5类(表2)，研究区花港组地层水CaCl2水型集中表现为Ⅳ型和Ⅴ型，说明天台反转带花港组地层整体封闭性好，处于相对封闭的环境，是理想的烃类聚集地，有利天然气的聚集和保存。
3.3离子组成
天台反转带花港组地层水中各离子浓度总体表现为Cl−浓度最高，Na+浓度次之，HCO3−浓度含量相对较高，主要离子浓度组合为Cl−>Na+>HCO3−>Ca2+>K+>Mg2+>CO32−。其中阳离子组成中，以Na+、Ca2+、K+的含量占绝对优势，Mg2+含量很低;阴离子组成中，以Cl−为主，HCO3−次之，CO32−和SO42−含量很低。此外，天台反转带花港组地层水中Na+和Cl−浓度与矿化度(TDS)之间呈现良好的线性关系(图4)，指示地层水矿化度变化与蒸发浓缩或盐类矿物溶解有密切的关系[19-24]。
3.4地球化学特征系数及油气保存条件
地层水各种地球化学参数的组合特征能够有效指示油气聚集与保存的相关特性[18-33]。与地层水关系密切的地球化学特征系数主要包括：钠氯系数、脱硫系数、钙镁系数、阳离子交换系数等。
钠氯系数[r(Na+)/r(Cl−)]是反映地层封闭性好坏和地层水变质程度的重要参数。研究表明，现代海水的钠氯系数大约为0.85，钠氯系数越小，地层水所处环境的还原性越强，越有利于油气的保存[18-25]。天台反转带花港组地层水的钠氯系数为0.43～0.87，平均值为0.57，仅有一个样品的钠氯系数大于0.85，指示花港组处于还原性较强的水体环境，有利于油气的保存。
脱硫系数[100×(rSO42−)/r(Cl−)]是指示地层水氧化还原环境的重要指标，主要用于表征脱硫作用的程度[23-27]。通常情况下，脱硫系数值越小，指示地层水脱硫作用越强，环境越偏还原，越有利于油气保存;反之，指示环境越偏氧化，油气保存条件越差。天台反转带花港组地层水的脱硫系数为0.04～0.56，平均值为0.18;指示花港组地层水脱硫作用强，环境偏还原，油气保存条件越好。
钙镁系数[r(Ca2+)/r(Mg2+)]是指示油田水的变质程度的重要指标，钙镁系数越高，说明地层封闭性越好，油田水变质程度越高，深层水的钙镁系数一般大于3[27-30]。天台反转带花港组地层水的钙镁系数为4.87～591.87，平均值为54.82;地层水样品的钙镁系数值均大于3.0，指示天台反转带地层的总体封闭性很好，变质程度较高。
阳离子交换系数(IBE)([Cl−-(Na++K+)]/Cl−)用于反映地层水的来源以及水中的阳离子与岩石表面阳离子相互交换程度[30-33]。研究发现，当IBE>0.129时，地层水主要为来自原始沉积的地层水，处于交替停滞带，当IBE<0.129时，认为地层水中有地表及其他渗入水的影响，处于交替活跃带。天台反转带花港组地层水的IBE值为0.08～0.55，平均值为0.40，仅有一个样品的IBE值小于0.129，指示研究区地层水阳离子交换程度较小，整体处于交替停滞带，是油气保存的有利场所。
鄂尔多斯盆地和四川盆地是目前国内油气勘探的重要盆地。前人研究发现，鄂尔多斯盆地的石盒子组水化学特征参数表现为钠氯系数较小(0.01～0.61)、脱硫系数较大(0.34～12.53)、钙镁系数高(1.64～100.1)的特征，地层水具有油气伴生水特点，属于天然气充注时留下的残余地层水，形成于封闭、还原的水文地球化学环境[5,34]。四川盆地须家河组垂向上差异较大[21,32-33]，其中须二段、须四段具有钠氯系数和脱硫系数较小、钙镁系数较高的特征，指示其封闭条件较好，有利于油气的保存;而须五段钠氯系数、脱硫系数以及阳离子交换系数均较大，指示地层水较活跃，保存条件差。通过对比研究认为西湖凹陷天台反转带花港组地层整体封闭良好，水体还原性较强，有利于油气的聚集和保存。
4地层水的成因及来源分析
地层水的化学特征能够传递其地质演化过程的相关信息，如：成因及来源、蒸发浓缩作用以及水-岩反应强度等。本文通过剖析离子浓度之间的关系，进一步探讨研究区地层水的演化过程。西湖凹陷天台反转带花港组主要为河流-湖泊的沉积环境，以三角洲相和滨浅湖相为主，本文采用海-河水混合线和海水蒸发线的结合线(下文简称结合线)来分析和探讨地层水的演化过程。
4.1分析方法
前人研究表明，通过对比地层水中Br−与不同离子之间以及与海水蒸发线的关系，判断不同离子的富集与亏损状态，为探讨研究区地层水的演化、矿物溶解以及油气运移及聚集提供证据[34-35]。本次主要研究的地层是渐新统的花港组，其下覆地层为平湖组，发育数层薄的沥青质煤层，一般情况下，煤岩中Br−含量较高，会持续释放，造成研究区地层水中Br−的富集，从而影响结果的评价。因此，笔者认为不能利用该方法来探讨地层水的成因及演化特征。
因为Cl−化学性质稳定，同时也不发生与其他矿物的成岩反应;当r(Cl−)<100g/L时，lgr(Cl−)与lgr(Br−)呈斜率为1的线性关系[36]，并且在该浓度范围内也不产生相应的沉淀，所以可以选取化学性质相对稳定的Cl−来探讨地层水的成因及演化特征。本次研究发现天台反转带花港组地层水中Cl−浓度均小于20g/L，Cl−浓度与总矿化度(TDS)具有良好的正相关性;并且东海盆地西湖凹陷新、古近系并未发现盐层，由此推断地层水演化过程中Cl−没有发生沉淀，地层水的蒸发浓缩作用是影响Cl−浓度变化主要因素。因此，通过对比地层水中Cl−与不同离子浓度以及海水蒸发线的差异，判断地层水中不同离子的富集与亏损，能有效地指示地层水的演化过程。——论文作者：徐波
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