柴西地区古近系和新近系地层水化学特征及其成因
张汪明 曾溅辉 李飞 赵芸黎 张译丹
摘 要：在系统收集柴达木盆地西部地区各主要油田古近系和新近系油田地层水化学测试分析资料后，发现该地区地层水矿化度很高，均值为166 g·L-1，最低值达到390 g·L-1，具有高浓缩地层水特征，属卤水级，且主要是由Na++K+组成的CaCl2型水，反映封闭条件好。各主要离子在纵向上呈增加和减小交替变化的趋势，矿化度随深度的增加表现为先减小后增大的趋势，这与中国东部盆地明显不同。各离子比值（钠氯系数、变质系数和脱硫酸系数）均反映出该地区地层整体封闭性好。上、下油砂山组Ca2+富集主要由白云石化作用导致，其次是方解石溶解，白云石化同时也使其Mg2+贫乏。上、下干柴沟组仅有少数数据点表现出Ca2+富集，应是方解石溶解导致的，绿泥石化是其Mg2+贫乏的主要原因。SO2-4亏损主要是由大量膏岩的沉淀和油藏中大量硫酸盐还原细菌的还原作用导致。除了SO2-4被还原会产生HCO-3之外，有机质成熟过程中CO2及有机酸的加入也可造成地层水中HCO-3质量浓度的增加。
关键词：地球化学；地层水；水化学；成因；水岩作用；白云石化；绿泥石化；柴达木盆地
中图分类号：TE122；TE133；P641.4+62 文献标志码：A
Abstract： The chemical data collected from oilfield water of Paleogene and Neogene in the western Qaidam Basin were analyzed and summarized， and the characteristics and origin of formation water were discussed. The results show that the type of formation water is mainly CaCl2 composed of Na++K+； the salinity is high with the average of 166 g·L-1， and the lowest reaches 3.90 g·L-1； the formation water is highly concentrated， belonging to brine level； the main ions present increase-decrease alternately trends， and salinity firstly decreases and then increases with the increase of depth， which is significantly different from the eastern basins of China； various major ion ratios including Na-Cl coefficient， metamorphic coefficient and desulphidation coefficient all reflect that the formation of western Qaidam Basin overall are closed well； the Ca2+ accumulation at Upper and Lower Youshashan Formations is caused by dolomitization， which results in the poor of Mg2+， followed by calcite dissolution； there are only a few data points at Upper and Lower Ganchaigou Formations showing Ca2+ accumulation， which is caused by calcite dissolution and chloritization， is the main reason for the lack of Mg2+； the precipitation of a lot of gypsum and the reduction of large amounts of sulfate reducing bacteria result in a loss of SO2-4； besides the HCO-3 produced by the reduction of SO2-4， CO2 and organic acids can be added to cause an increase of HCO-3 of formation water in the process of organic maturation.
Key words： geochemistry； formation water； hydrochemistry； origin； water-rock interaction； dolomitization； chloritization； Qaidam Basin
0 引 言
地层水是沉积盆地演化过程中水文地质、流体岩石相互作用、流体流动及其混合作用等的一个综合反映[1]。因此，地层水对于揭示沉积盆地油气的生成和分布、金属矿床的成藏以及储层岩石的白云化作用等具有重要意义[2]。目前已有众多学者对柴达木盆地西部（以下简称“柴西”）地区的油田地层水化学特征进行了分析和总结[3-6]，认为其矿化度，Na+、K+、Ca2+、Cl-、HCO-3质量浓度均高于海水数倍，有的可达数十倍，如Ca2+质量浓度可高于海水30倍。同时也有关于地层水成因和演化方面的研究[7-9]，比如浅层卤水主要是由大气降水汇聚而形成的。但是，前人受到样品数量和分布位置的限制，部分结论具有局限性。本次研究依靠油田大量的地层水分析数据，结合本地区构造、沉积特征，探讨柴西地区总体地层水化学特征；同时，采用国内外广泛应用的海水蒸发轨迹线来研究地层水成因。
1 区域地质概况
柴达木盆地位于青藏高原东北隅青海省西北部，面积为12×104 km2，是中国西部一个重要的中新生界含油气盆地。本次主要研究的区域是柴西地区。柴西地区夹持于东昆仑与阿尔金山之间（图1），东界大致介于鄂博梁—红山旱三号构造—甘森泉湖一线，面积约为3×104 km2。自海西运动以来，柴达木地块经历了多次造山运动，每次造山运动不仅使柴达木地块脱离海相环境，而且加剧了盆地边缘深大断裂（带）的活动。直到中生代末—新生代初，中央坳陷盆地主体才形成盆地西部“边断内超、高山深盆”的沉积环境[10]，为盆地带来了大量的盐类与碎屑物质，再加上新近纪干旱封闭的气候环境加剧了成盐作用的强度，沉积了巨厚的盐层[11]。新生代地层在柴西地区普遍发育，沉积厚度巨大。根据地面资料、钻井资料、古生物资料，结合岩性、含油性和地震反射特征，该地层自下至上分为路乐河组、下干柴沟组、上干柴沟组、下油砂山组、上油砂山组和狮子沟组6套地层[12]，具有由老至新岩性颗粒逐渐变粗的趋势，底层以泥岩为主，上部以砂岩为主，泥质和灰质含量高，层系中夹有盐岩层。油田卤水赋存于各背斜构造部位，地貌上表现为低山、丘陵区，含水层岩性主要为碎屑岩和灰岩，与石油、天然气共生。
2 地层水化学总体特征
2.1 主要化学组成
本次研究涉及的层系包括柴西地区上油砂山组（N22）、下油砂山组（N12）、上干柴沟组（N1）、下干柴沟组（E3），水样主要取自柴西地区各主要油田的地层水。从主要阳离子组成来看，ρ（Na+）+ρ（K+）>ρ（Ca2+）>ρ（Mg2+），主要阴离子组成为ρ（Cl-）>ρ（SO2-4）>ρ（HCO-3）（图2）。ρ（Na+）+ρ（K+）主要分布在50～100 g·L-1范围内，部分水样质量浓度超过100 g·L-1；Cl-质量浓度主要出现在100～150 g·L-1范围内，上油砂山组部分水样Cl-质量浓度超过200 g·L-1；Ca2+质量浓度主要分布在0～5 g·L-1内；Mg2+、SO42-、HCO-3质量浓度较小，与ρ（Na+）+ρ（K+）、ρ（Cl-）相差一个数量级以上。随着深度的增加，各离子组分质量浓度表现出了增大和减小交替变化的趋势，增大和减小的深度分界点约为2 000 m。水化学组分质量浓度在纵向上交替变化的特点受控于该区复杂的水动力环境。
2.2 水型及矿化度
按苏林分类法，研究区水型主要为CaCl2型，其次为Na2SO4型，且主要出现在下干柴沟组。总体来看，地层水的矿化度很高，平均值达到166 g·L-1，最低值达到390 g·L-1，最大值接近420 g·L-1。各层系均值都远远大于海水均值（35 g·L-1），具有高浓缩地层水特征，属卤水级（表1）。如此高的矿化度在中国各沉积盆地中并不多见，相对于东部新生代盆地油田地层水矿化度高一个数量级以上。地层水的矿化度主要受ρ（Na+）+ρ（K+）、ρ（Cl-）的控制，二者与矿化度具有明显的正相关关系，相关系数都超过0.9（图3）。从图2可以看出，地层水矿化度整体呈现0～2 000 m深度先减小、2 000 m深度后增大的趋势。总矿化度与地层埋深并无明显的依赖关系，这与一般认为的矿化度随深度的增加而增加有所不同。这很可能与柴达木盆地高原咸化湖盆沉积环境有关，含盐层、盐丘或盐类矿物的加入使得各层系水矿化度普遍升高，另外再加上各种水岩作用的溶解会形成大量离子。
2.3 主要离子比值
地层水离子比值可以反映地层水所处的水文地球化学环境和水岩作用强度[6-8]。本文将主要采用钠氯系数（r（Na+）/r（Cl-））、变质系数（r（Cl-）-r（Na+）/r（Mg2+））和脱硫酸系数（r（SO2-4）×100/r（Cl-））对研究区地层水化学环境及特征进行分析。
钠氯系数一般反映地层水浓缩变质程度的大小，地层封闭性越好越有利于地层水浓缩及离子交换作用的发生[13]。在标准海水中，钠氯系数平均值为0.85，沉积卤水中该值一般小于0.85，而在溶滤卤水中则一般较高，近于1或大于1。变质系数可以用来表示地下流体的变质程度。地下流体流速越慢，离子交换作用将越彻底，变质系数就越大，封闭程度越好，该值为负值时表示受到大气降水的影响[13-15]。脱硫酸系数是地下水氧化—还原环境的重要指标。脱硫酸作用越完全，该系数越接近于0，表示封闭程度越好[14]。
柴西地区地层水钠氯系数主要分布在085～100，在垂向上整体呈增大趋势，大于100的样品点主要分布在1 500 m深度以下，高值点主要集中在1 000～2 200 m深度区间。同时，同一深度的钠氯系数分布范围较广，反映出同一深度地层水受渗入水影响程度的差异。变质系数在0～5.0区间分布最多，在垂向上整体呈减小趋势，在1 000～2 000 m深度和2 500～3 500 m深度区间出现小于0的值，且基本都位于下干柴沟组，说明其封闭性较差。脱硫酸系数比较小，多数分布在0～25范围内，在垂向上整体呈先增大后减小的趋势，在1 000～2 500 m深度脱硫酸系数大于10，反映受大气水淋滤作用的影响。在2 000 m深度脱硫酸系数达到最大，这与变质系数和钠氯系数具有很好的一致性（图4）。
3 地层水成因
3.1 地层水来源
地层中的原始沉积水可能来自于海水或淡水，在地层埋藏过程中经历了蒸发、与地表水或其他地层水混合、流体岩石作用等变化过程，导致地层水性质发生变化[16-17]。试验研究证明，在陆相淡水湖盆中，蒸发浓缩使得地层水矿化度升高，但一般不会超过10 g·L-1，而对于陆相咸水、盐水湖盆，其矿化度则可远远大于海水[18]。柴西地区地层水矿化度变化范围较大，但基本都超过100 g·L-1，说明地层水中发生了其他作用，使矿化度升高。
3.2 水岩作用
由于海水是一个巨大的水库，其主要阴、阳离子组成在一定程度上代表了全球水循环的平均化学成分[19]，所以目前国内外学者普遍将海水蒸发轨迹线与现今地层水化学组分进行对比，来研究地层水成因[20-23]。为了更好地研究蒸发作用对柴西地区地层水化学组分的影响，本次研究除了引入现今海水蒸发轨迹线以外[24]，还考虑了青海湖湖水蒸发线[25]。Cl-在盆地中一般很稳定，且对矿化度具有较好的指示作用，因此，本次研究将其作为与其他溶解组分进行对比的依据[26-27]。从图5可以看出，Na+整体沿着海水蒸发轨迹线分布，说明蒸发浓缩作用参与了本区地层水的形成过程。上、下油砂山组在Cl-当量浓度大于4 500 meq·L-1时开始偏离海水蒸发轨迹线，表现出Na+贫乏，说明除了蒸发浓缩作用以外还有其他作用的参与。其他主要离子（Ca2+、Mg2+及SO2-4）就没有像Na+那样明显呈现出沿海水蒸发轨迹线分布的特征，分布散乱，总体上都表现出贫乏的特点。
Davisson等在1996年统计世界上几十个盆地地层水Ca2+富集和Na+贫乏后，发现两者有近似斜率为1的线性相关特征[28]。这种线性关系定义为盆地流体线（BFL），代表了2个Na+置换出1个Ca2+的水岩作用。这种作用在自然界中仅有斜长石的钠长石化才能形成这种规律：CaAl2Si2O8+4SiO2+2Na+→2NaAlSi3O8+Ca2+。Davisson等由此提出了利用Caexcess-Nadeficit图版来反映流体组成及流体岩石相互作用的方法[28]。这种表现阳离子间相互关系的方法在中国很多地方得到了很好的应用[29-30]。
图6（a）是柴西地区上、下油砂山组地层水Caexcess-Nadeficit图解。从图6（a）可以看出，地层水发生了强烈的水岩作用，数据点均分布在盆地流体线和海水蒸发轨迹线之间，表现为Na+贫乏和Ca2+富集的特点。图6（a）中数据点的分布呈现出两段式：当γ（Na）deficit<1 500 meq·L-1时，数据点基本平行于海水蒸发轨迹线；在γ（Na）deficit值介于1 000～1 500 meq·L-1时，一小部分数据点偏离海水蒸发轨迹线，几乎都位于尕斯库勒地区，可能发生了CaSO4溶解或白云石化导致的Ca2+质量浓度升高；当γ（Na）deficit>1 500 meq·L-1时，数据点呈一定斜率增长，近似平行于盆地流体线。但根据井温实测数据来看，由于上、下油砂山组埋藏浅，且柴达木盆地属于低温型盆地，地温达不到发生钠长石化的温度（100 ℃～150 ℃[31]），所以不太可能发生斜长石的钠长石化作用，但是否发生其他水岩作用需进一步具体分析。图6（b）为柴西地区上、下干柴沟组地层水Caexcess-Nadeficit图解。
从图6（b）可以看出，数据点基本沿着海水蒸发轨迹线分布。上、下油砂山组地层水相对于下部的上、下干柴沟组更趋近于海水蒸发轨迹线。柴西地区断裂具有典型的“双层结构”，即在深层是基底卷入型，在浅层是滑脱型。由于断裂作用，浅层易受到外界流体的渗入影响，在入渗过程中，它们在一定温度下与围岩就能发生水岩作用而影响离子质量浓度的大小。
除了斜长石的钠长石化外，方解石的溶解、白云石化也会使Ca2+富集。方解石的白云石化是沉积盆地中较为普遍的成岩作用[17]，白云石化作用反应式为2CaCO3+Mg2+→CaMg（CO3）2+Ca2+。水岩作用过程中，Mg2+和Ca2+以1∶1进行置换。由图7（a）可以看出，上、下油砂山组大多数数据点都近似平行于“白云石化”轨迹线[32]。这与前人在研究区发现的白云石化很发育相一致[8，33-36]。下油砂山组部分数据点偏离“白云石化”轨迹线，说明除了白云石化作用外，还有其他作用的影响，可能是方解石的溶解作用。而上、下干柴沟组数据点和“白云石化”轨迹线几乎没有相关关系[图7（b）]，因此，没有发生白云石化作用，主要是方解石的溶解作用形成了Ca2+。由于本区气候干燥，蒸发作用强，往往形成大量的碳酸盐岩沉淀[36-38]，所以这些岩石若受到流体的接触，易发生溶解作用使Ca2+富集。
除了白云石化作用会消耗Mg2+外，还有其他作用也会消耗Mg2+。依据沈忠民等的研究[23]，绘制Ca-Ca/Mg图解。从图8可以看出，当Ca2+质量浓度一定时，上、下干柴沟组ρ（Ca2+）/ρ（Mg2+）值呈增大趋势，而上、下油砂山组不明显。崔俊等认为绿泥石化是上、下干柴沟组Mg2+贫乏的原因，镜下也观察到普遍发育绿泥石[39-40]。而绿泥石化对上、下油砂山组Mg2+贫乏贡献不大。
本区地层水中SO2-4贫乏，一方面原因可能是大量膏岩形成沉淀过程中SO2-4被大量消耗，另一方面，由于本区各地层封闭性好，使得还原作用可以很好地进行，油藏中大量硫酸盐还原细菌将SO2-4还原成HCO-3和H2S[41]，反应式为SO2-4+2C+2H2O→2HCO-3+H2S，这与采样过程油井排出的大量臭鸡蛋味气体现象相符。图2中HCO-3质量浓度约在2 000 m时达到最大值，有机质成熟过程中CO2及有机酸的加入可造成地层水中HCO-3质量浓度的增加。上、下干柴沟组是本区的主力烃源岩，生烃过程中形成的CO2及有机酸很有可能进入本层及上层地层水中。另外，碳酸盐矿物的溶解可能对此也有一定影响[42]。
4 结 语
（1）柴西地区地层水矿化度很高，均值达到166 g·L-1，具有高浓缩地层水特征，属卤水级，主要是CaCl2型水。各离子系数均反映地层封闭性好。
（2）当Na+亏损不多（当量浓度低于1 500 meq·L-1）时，地层水主要发生蒸发浓缩作用使Na+亏损，矿化度升高；当Na+亏损较多时，上、下油砂山组表现为Ca2+富集，主要是白云石化作用导致的，其次是方解石溶解，白云石化致使Mg2+贫乏，而上、下干柴沟组仅有少数数据点表现为Ca2+富集，且主要是方解石溶解导致的。发生的绿泥石化是上、下干柴沟组Mg2+贫乏的主要原因，对上、下油砂山组贡献不大。
（3）石膏的大量沉淀和油藏中大量硫酸盐还原细菌都使地层水中SO2-4贫乏。HCO-3质量浓度约在2 000 m深度时达到最大值，除了SO2-4被还原会产生HCO-3外，有机质成熟过程中CO2及有机酸的加入也可造成地层水中HCO-3质量浓度的增加。
（4）造成现今柴西地区地层水这种高矿化度和特殊的离子特征，一方面是由于蒸发作用，另一方面是由于发生多种水岩作用及细菌还原作用，包括方解石溶解、白云石化、绿泥石化。
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摘 要：在系统收集柴达木盆地西部地区各主要油田古近系和新近系油田地层水化学测试分析资料后，发现该地区地层水矿化度很高，均值为166 g·L-1，最低值达到390 g·L-1，具有高浓缩地层水特征，属卤水级，且主要是由Na++K+组成的CaCl2型水，反映封闭条件好。各主要离子在纵向上呈增加和减小交替变化的趋势，矿化度随深度的增加表现为先减小后增大的趋势，这与中国东部盆地明显不同。各离子比值（钠氯系数、变质系数和脱硫酸系数）均反映出该地区地层整体封闭性好。上、下油砂山组Ca2+富集主要由白云石化作用导致，其次是方解石溶解，白云石化同时也使其Mg2+贫乏。上、下干柴沟组仅有少数数据点表现出Ca2+富集，应是方解石溶解导致的，绿泥石化是其Mg2+贫乏的主要原因。SO2-4亏损主要是由大量膏岩的沉淀和油藏中大量硫酸盐还原细菌的还原作用导致。除了SO2-4被还原会产生HCO-3之外，有机质成熟过程中CO2及有机酸的加入也可造成地层水中HCO-3质量浓度的增加。
关键词：地球化学；地层水；水化学；成因；水岩作用；白云石化；绿泥石化；柴达木盆地
中图分类号：TE122；TE133；P641.4+62 文献标志码：A
Abstract： The chemical data collected from oilfield water of Paleogene and Neogene in the western Qaidam Basin were analyzed and summarized， and the characteristics and origin of formation water were discussed. The results show that the type of formation water is mainly CaCl2 composed of Na++K+； the salinity is high with the average of 166 g·L-1， and the lowest reaches 3.90 g·L-1； the formation water is highly concentrated， belonging to brine level； the main ions present increase-decrease alternately trends， and salinity firstly decreases and then increases with the increase of depth， which is significantly different from the eastern basins of China； various major ion ratios including Na-Cl coefficient， metamorphic coefficient and desulphidation coefficient all reflect that the formation of western Qaidam Basin overall are closed well； the Ca2+ accumulation at Upper and Lower Youshashan Formations is caused by dolomitization， which results in the poor of Mg2+， followed by calcite dissolution； there are only a few data points at Upper and Lower Ganchaigou Formations showing Ca2+ accumulation， which is caused by calcite dissolution and chloritization， is the main reason for the lack of Mg2+； the precipitation of a lot of gypsum and the reduction of large amounts of sulfate reducing bacteria result in a loss of SO2-4； besides the HCO-3 produced by the reduction of SO2-4， CO2 and organic acids can be added to cause an increase of HCO-3 of formation water in the process of organic maturation.
Key words： geochemistry； formation water； hydrochemistry； origin； water-rock interaction； dolomitization； chloritization； Qaidam Basin
0 引 言
地层水是沉积盆地演化过程中水文地质、流体岩石相互作用、流体流动及其混合作用等的一个综合反映[1]。因此，地层水对于揭示沉积盆地油气的生成和分布、金属矿床的成藏以及储层岩石的白云化作用等具有重要意义[2]。目前已有众多学者对柴达木盆地西部（以下简称“柴西”）地区的油田地层水化学特征进行了分析和总结[3-6]，认为其矿化度，Na+、K+、Ca2+、Cl-、HCO-3质量浓度均高于海水数倍，有的可达数十倍，如Ca2+质量浓度可高于海水30倍。同时也有关于地层水成因和演化方面的研究[7-9]，比如浅层卤水主要是由大气降水汇聚而形成的。但是，前人受到样品数量和分布位置的限制，部分结论具有局限性。本次研究依靠油田大量的地层水分析数据，结合本地区构造、沉积特征，探讨柴西地区总体地层水化学特征；同时，采用国内外广泛应用的海水蒸发轨迹线来研究地层水成因。
1 区域地质概况
柴达木盆地位于青藏高原东北隅青海省西北部，面积为12×104 km2，是中国西部一个重要的中新生界含油气盆地。本次主要研究的区域是柴西地区。柴西地区夹持于东昆仑与阿尔金山之间（图1），东界大致介于鄂博梁—红山旱三号构造—甘森泉湖一线，面积约为3×104 km2。自海西运动以来，柴达木地块经历了多次造山运动，每次造山运动不仅使柴达木地块脱离海相环境，而且加剧了盆地边缘深大断裂（带）的活动。直到中生代末—新生代初，中央坳陷盆地主体才形成盆地西部“边断内超、高山深盆”的沉积环境[10]，为盆地带来了大量的盐类与碎屑物质，再加上新近纪干旱封闭的气候环境加剧了成盐作用的强度，沉积了巨厚的盐层[11]。新生代地层在柴西地区普遍发育，沉积厚度巨大。根据地面资料、钻井资料、古生物资料，结合岩性、含油性和地震反射特征，该地层自下至上分为路乐河组、下干柴沟组、上干柴沟组、下油砂山组、上油砂山组和狮子沟组6套地层[12]，具有由老至新岩性颗粒逐渐变粗的趋势，底层以泥岩为主，上部以砂岩为主，泥质和灰质含量高，层系中夹有盐岩层。油田卤水赋存于各背斜构造部位，地貌上表现为低山、丘陵区，含水层岩性主要为碎屑岩和灰岩，与石油、天然气共生。
2 地层水化学总体特征
2.1 主要化学组成
本次研究涉及的层系包括柴西地区上油砂山组（N22）、下油砂山组（N12）、上干柴沟组（N1）、下干柴沟组（E3），水样主要取自柴西地区各主要油田的地层水。从主要阳离子组成来看，ρ（Na+）+ρ（K+）>ρ（Ca2+）>ρ（Mg2+），主要阴离子组成为ρ（Cl-）>ρ（SO2-4）>ρ（HCO-3）（图2）。ρ（Na+）+ρ（K+）主要分布在50～100 g·L-1范围内，部分水样质量浓度超过100 g·L-1；Cl-质量浓度主要出现在100～150 g·L-1范围内，上油砂山组部分水样Cl-质量浓度超过200 g·L-1；Ca2+质量浓度主要分布在0～5 g·L-1内；Mg2+、SO42-、HCO-3质量浓度较小，与ρ（Na+）+ρ（K+）、ρ（Cl-）相差一个数量级以上。随着深度的增加，各离子组分质量浓度表现出了增大和减小交替变化的趋势，增大和减小的深度分界点约为2 000 m。水化学组分质量浓度在纵向上交替变化的特点受控于该区复杂的水动力环境。
2.2 水型及矿化度
按苏林分类法，研究区水型主要为CaCl2型，其次为Na2SO4型，且主要出现在下干柴沟组。总体来看，地层水的矿化度很高，平均值达到166 g·L-1，最低值达到390 g·L-1，最大值接近420 g·L-1。各层系均值都远远大于海水均值（35 g·L-1），具有高浓缩地层水特征，属卤水级（表1）。如此高的矿化度在中国各沉积盆地中并不多见，相对于东部新生代盆地油田地层水矿化度高一个数量级以上。地层水的矿化度主要受ρ（Na+）+ρ（K+）、ρ（Cl-）的控制，二者与矿化度具有明显的正相关关系，相关系数都超过0.9（图3）。从图2可以看出，地层水矿化度整体呈现0～2 000 m深度先减小、2 000 m深度后增大的趋势。总矿化度与地层埋深并无明显的依赖关系，这与一般认为的矿化度随深度的增加而增加有所不同。这很可能与柴达木盆地高原咸化湖盆沉积环境有关，含盐层、盐丘或盐类矿物的加入使得各层系水矿化度普遍升高，另外再加上各种水岩作用的溶解会形成大量离子。
2.3 主要离子比值
地层水离子比值可以反映地层水所处的水文地球化学环境和水岩作用强度[6-8]。本文将主要采用钠氯系数（r（Na+）/r（Cl-））、变质系数（r（Cl-）-r（Na+）/r（Mg2+））和脱硫酸系数（r（SO2-4）×100/r（Cl-））对研究区地层水化学环境及特征进行分析。
钠氯系数一般反映地层水浓缩变质程度的大小，地层封闭性越好越有利于地层水浓缩及离子交换作用的发生[13]。在标准海水中，钠氯系数平均值为0.85，沉积卤水中该值一般小于0.85，而在溶滤卤水中则一般较高，近于1或大于1。变质系数可以用来表示地下流体的变质程度。地下流体流速越慢，离子交换作用将越彻底，变质系数就越大，封闭程度越好，该值为负值时表示受到大气降水的影响[13-15]。脱硫酸系数是地下水氧化—还原环境的重要指标。脱硫酸作用越完全，该系数越接近于0，表示封闭程度越好[14]。
柴西地区地层水钠氯系数主要分布在085～100，在垂向上整体呈增大趋势，大于100的样品点主要分布在1 500 m深度以下，高值点主要集中在1 000～2 200 m深度区间。同时，同一深度的钠氯系数分布范围较广，反映出同一深度地层水受渗入水影响程度的差异。变质系数在0～5.0区间分布最多，在垂向上整体呈减小趋势，在1 000～2 000 m深度和2 500～3 500 m深度区间出现小于0的值，且基本都位于下干柴沟组，说明其封闭性较差。脱硫酸系数比较小，多数分布在0～25范围内，在垂向上整体呈先增大后减小的趋势，在1 000～2 500 m深度脱硫酸系数大于10，反映受大气水淋滤作用的影响。在2 000 m深度脱硫酸系数达到最大，这与变质系数和钠氯系数具有很好的一致性（图4）。
3 地层水成因
3.1 地层水来源
地层中的原始沉积水可能来自于海水或淡水，在地层埋藏过程中经历了蒸发、与地表水或其他地层水混合、流体岩石作用等变化过程，导致地层水性质发生变化[16-17]。试验研究证明，在陆相淡水湖盆中，蒸发浓缩使得地层水矿化度升高，但一般不会超过10 g·L-1，而对于陆相咸水、盐水湖盆，其矿化度则可远远大于海水[18]。柴西地区地层水矿化度变化范围较大，但基本都超过100 g·L-1，说明地层水中发生了其他作用，使矿化度升高。
3.2 水岩作用
由于海水是一个巨大的水库，其主要阴、阳离子组成在一定程度上代表了全球水循环的平均化学成分[19]，所以目前国内外学者普遍将海水蒸发轨迹线与现今地层水化学组分进行对比，来研究地层水成因[20-23]。为了更好地研究蒸发作用对柴西地区地层水化学组分的影响，本次研究除了引入现今海水蒸发轨迹线以外[24]，还考虑了青海湖湖水蒸发线[25]。Cl-在盆地中一般很稳定，且对矿化度具有较好的指示作用，因此，本次研究将其作为与其他溶解组分进行对比的依据[26-27]。从图5可以看出，Na+整体沿着海水蒸发轨迹线分布，说明蒸发浓缩作用参与了本区地层水的形成过程。上、下油砂山组在Cl-当量浓度大于4 500 meq·L-1时开始偏离海水蒸发轨迹线，表现出Na+贫乏，说明除了蒸发浓缩作用以外还有其他作用的参与。其他主要离子（Ca2+、Mg2+及SO2-4）就没有像Na+那样明显呈现出沿海水蒸发轨迹线分布的特征，分布散乱，总体上都表现出贫乏的特点。
Davisson等在1996年统计世界上几十个盆地地层水Ca2+富集和Na+贫乏后，发现两者有近似斜率为1的线性相关特征[28]。这种线性关系定义为盆地流体线（BFL），代表了2个Na+置换出1个Ca2+的水岩作用。这种作用在自然界中仅有斜长石的钠长石化才能形成这种规律：CaAl2Si2O8+4SiO2+2Na+→2NaAlSi3O8+Ca2+。Davisson等由此提出了利用Caexcess-Nadeficit图版来反映流体组成及流体岩石相互作用的方法[28]。这种表现阳离子间相互关系的方法在中国很多地方得到了很好的应用[29-30]。
图6（a）是柴西地区上、下油砂山组地层水Caexcess-Nadeficit图解。从图6（a）可以看出，地层水发生了强烈的水岩作用，数据点均分布在盆地流体线和海水蒸发轨迹线之间，表现为Na+贫乏和Ca2+富集的特点。图6（a）中数据点的分布呈现出两段式：当γ（Na）deficit<1 500 meq·L-1时，数据点基本平行于海水蒸发轨迹线；在γ（Na）deficit值介于1 000～1 500 meq·L-1时，一小部分数据点偏离海水蒸发轨迹线，几乎都位于尕斯库勒地区，可能发生了CaSO4溶解或白云石化导致的Ca2+质量浓度升高；当γ（Na）deficit>1 500 meq·L-1时，数据点呈一定斜率增长，近似平行于盆地流体线。但根据井温实测数据来看，由于上、下油砂山组埋藏浅，且柴达木盆地属于低温型盆地，地温达不到发生钠长石化的温度（100 ℃～150 ℃[31]），所以不太可能发生斜长石的钠长石化作用，但是否发生其他水岩作用需进一步具体分析。图6（b）为柴西地区上、下干柴沟组地层水Caexcess-Nadeficit图解。
从图6（b）可以看出，数据点基本沿着海水蒸发轨迹线分布。上、下油砂山组地层水相对于下部的上、下干柴沟组更趋近于海水蒸发轨迹线。柴西地区断裂具有典型的“双层结构”，即在深层是基底卷入型，在浅层是滑脱型。由于断裂作用，浅层易受到外界流体的渗入影响，在入渗过程中，它们在一定温度下与围岩就能发生水岩作用而影响离子质量浓度的大小。
除了斜长石的钠长石化外，方解石的溶解、白云石化也会使Ca2+富集。方解石的白云石化是沉积盆地中较为普遍的成岩作用[17]，白云石化作用反应式为2CaCO3+Mg2+→CaMg（CO3）2+Ca2+。水岩作用过程中，Mg2+和Ca2+以1∶1进行置换。由图7（a）可以看出，上、下油砂山组大多数数据点都近似平行于“白云石化”轨迹线[32]。这与前人在研究区发现的白云石化很发育相一致[8，33-36]。下油砂山组部分数据点偏离“白云石化”轨迹线，说明除了白云石化作用外，还有其他作用的影响，可能是方解石的溶解作用。而上、下干柴沟组数据点和“白云石化”轨迹线几乎没有相关关系[图7（b）]，因此，没有发生白云石化作用，主要是方解石的溶解作用形成了Ca2+。由于本区气候干燥，蒸发作用强，往往形成大量的碳酸盐岩沉淀[36-38]，所以这些岩石若受到流体的接触，易发生溶解作用使Ca2+富集。
除了白云石化作用会消耗Mg2+外，还有其他作用也会消耗Mg2+。依据沈忠民等的研究[23]，绘制Ca-Ca/Mg图解。从图8可以看出，当Ca2+质量浓度一定时，上、下干柴沟组ρ（Ca2+）/ρ（Mg2+）值呈增大趋势，而上、下油砂山组不明显。崔俊等认为绿泥石化是上、下干柴沟组Mg2+贫乏的原因，镜下也观察到普遍发育绿泥石[39-40]。而绿泥石化对上、下油砂山组Mg2+贫乏贡献不大。
本区地层水中SO2-4贫乏，一方面原因可能是大量膏岩形成沉淀过程中SO2-4被大量消耗，另一方面，由于本区各地层封闭性好，使得还原作用可以很好地进行，油藏中大量硫酸盐还原细菌将SO2-4还原成HCO-3和H2S[41]，反应式为SO2-4+2C+2H2O→2HCO-3+H2S，这与采样过程油井排出的大量臭鸡蛋味气体现象相符。图2中HCO-3质量浓度约在2 000 m时达到最大值，有机质成熟过程中CO2及有机酸的加入可造成地层水中HCO-3质量浓度的增加。上、下干柴沟组是本区的主力烃源岩，生烃过程中形成的CO2及有机酸很有可能进入本层及上层地层水中。另外，碳酸盐矿物的溶解可能对此也有一定影响[42]。
4 结 语
（1）柴西地区地层水矿化度很高，均值达到166 g·L-1，具有高浓缩地层水特征，属卤水级，主要是CaCl2型水。各离子系数均反映地层封闭性好。
（2）当Na+亏损不多（当量浓度低于1 500 meq·L-1）时，地层水主要发生蒸发浓缩作用使Na+亏损，矿化度升高；当Na+亏损较多时，上、下油砂山组表现为Ca2+富集，主要是白云石化作用导致的，其次是方解石溶解，白云石化致使Mg2+贫乏，而上、下干柴沟组仅有少数数据点表现为Ca2+富集，且主要是方解石溶解导致的。发生的绿泥石化是上、下干柴沟组Mg2+贫乏的主要原因，对上、下油砂山组贡献不大。
（3）石膏的大量沉淀和油藏中大量硫酸盐还原细菌都使地层水中SO2-4贫乏。HCO-3质量浓度约在2 000 m深度时达到最大值，除了SO2-4被还原会产生HCO-3外，有机质成熟过程中CO2及有机酸的加入也可造成地层水中HCO-3质量浓度的增加。
（4）造成现今柴西地区地层水这种高矿化度和特殊的离子特征，一方面是由于蒸发作用，另一方面是由于发生多种水岩作用及细菌还原作用，包括方解石溶解、白云石化、绿泥石化。
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