关中盆地蓝田—灞河组地热水化学特征及形成机制_夏岩.pdf

书书书第 卷第期 年月非常规油气 引用：夏岩，张莹，郭路，等关中盆地蓝田灞河组地热水化学特征及形成机制非常规油气，（）：，（）：关中盆地蓝田灞河组地热水化学特征及形成机制夏岩，张莹，郭路，任战利，高文冰，兰华平，陈凯，祁凯，侯亚云，邢光远（中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安 ；西北大学 地质学系，西安 ；西安市多种能源资源勘探开发重点实验室，西安 ）摘要：采用水化学及同位素分析等方法对关中盆地蓝田灞河组水文地球化学特征及形成机制进行了研究。结果表明：研究区地热水以 和 型水为主，地热流体水化学由浅到深，从 型 型 型 型 型，水化学类型由单一型向复合型过渡，最终演变为单一型 型。研究区热储层温度较高，分布范围较宽，为 ，大部分水样温度高于，平均温度为 。值均大于，属于弱碱性水；（矿化度）普遍高于。地下热水 年龄在 之间，从盆地南北两侧向中部逐渐变老，在盆地南北两侧存在地表水的补给。盆地中部新生界孔隙裂隙型地热流体的赋存环境相对封闭，盆地形成过程中早期地层的部分地下水由于新生代地层的快速沉降和堆积而在孔隙中封存，随着盆地的不断沉降和堆积，逐渐加压和封存了孔隙中的地下水。关键词：地热水；水化学；形成机制；蓝田灞河组；关中盆地中图分类号：文献标识码：，（.，；.，；.，）收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目“未固结砂岩热储层保护与增效钻完井技术及材料”设立的专题“不同地区典型未固结砂岩热储层特征及评价”（）；长庆油田分公司勘探开发研究院合作项目“关中盆地地热资源调查及开发技术政策研究”第一作者简介：夏岩（），男，高级工程师，现主要从事鄂尔多斯盆地地下水和地热等资源评价和开发技术研究工作。：通讯作者简介：任战利（），男，博士，研究员（二级教授），主要从事盆地构造热演化史与油气成藏评价及地热资源评价开发研究。：非常规油气油气勘探 ：，；，：；引言地下水化学是水文地质学研究的重要内容之一，地下水及地质作用与人类生活和经济建设密切相关，是重要的自然资源。地下水化学成分的组成与周围环境有着密切的关系，研究和掌握地下水地质作用的变化规律，查明地下水的分布及其发育状况，反映地下水水流方向和分布特点，用于指导找矿、采矿、工程建设、城市水资源管理和环境保护等工作，以便科学判断地下水资源的变化趋势和合理开发情况。众所周知，关中盆地地热资源极其丰富，前人对关中盆地也做了大量的研究调查。孙红丽、李修成和杨志洲等人对关中盆地地热特征及成因进行了相关研究，认为关中盆地地热流体呈带状分布，根据地热流体赋存条件等特点将地热储层分为秦岭山前构造裂隙型、盆地中部新生界孔隙裂隙型和北部岩溶溶隙裂隙型种类型。地热流体的形成与莫霍面、软流圈上隆及岩石圈厚度减薄等深部热背景相关，主要受盆地深大断裂的控制。任战利、任建喜和周阳 等人对关中盆地地温场进行了研究，认为关中盆地平均地温梯度为 ，代表性大地热流值为 ，盆地地温梯度呈现南高北低及东高西低的分布特点。郭乃妮 和黄建军 等人计算了区域地热资源量，认为西安凹陷新生界孔隙裂隙型 地 热水 的 总 体 积 储 量 为 ，总弹性储量为 ，总静储量为 。李荣西 和刘建朝 等人开展了关中盆地地热伴生资源利用等研究，水文地质研究程度较高，结果表明关中盆地地热水含有较高的水溶烃类天然气，甲烷含量一般约为，最高可达 。孙一博、田春声 和黎兴国 等人研究了关中盆地浅层水化学特征以及同位素特征，表明关中盆地浅层地下水水化学类型呈现水平分带的特征，水化学类型主要以重碳酸型水为主。马致远、洪增林、覃兰丽 和周阳 等人对关中盆地地热水化学进行了系统的研究，明确了不同地区地热水化学特征之间的差异。前人对于关中盆地地热水化学的研究主要集中在分布特征及影响因素方面，而对水化学成因缺乏探讨。该文结合前人的研究成果，根据热储地质地热条件，对关中盆地主要含水层 蓝田灞河组热储层地下热水化学成分进行分析研究，探讨蓝田灞河组水化学特征的形成机制，探究其变化规律，为合理开发利用关中盆地地热资源提供基础依据。研究区概况 区域位置关中盆地地处我国中纬度地区，属于温带半干旱半湿润气候区。区内平均气温 ，多年平均降水量在 。研究区为一个三面环山向东敞开的盆地（如图所示），盆地南侧为秦岭造山带，走向近东西；盆地北部为渭北隆起，通称北山。南北两侧的山脉向西至宝鸡形成峡谷，在渭北隆起与秦岭造山带之间为西窄东宽的平原，地势西高东低，向东微倾。年月夏岩等：关中盆地蓝田灞河组地热水化学特征及形成机制图关中盆地构造单元分布 地层特征关中盆地含水层在新生界广泛分布，主要包括第四系三门组砂砾孔隙含水层，新近系张家坡组、蓝田灞河组及高陵群基岩裂隙孔隙含水层，古近系白鹿塬红河组基岩裂隙孔隙含水层。该型地下热水主要分布在盆地中部西安凹陷和固市凹陷等凹陷地带。关中盆地新生界地层特征见表，第四系广布全区，岩性以黄土和砂砾石为主，成分类型比较复杂，以风积、冲洪积和湖积为主，含水层厚度可达 ，单井出水量为 ，富水性较强。新近系张家坡组岩性主要为灰绿色泥岩、含砂泥岩及夹疏松的砂泥岩，以河湖相沉积为主，埋深为 ，砂层厚度为 ，单井出水量为 ；蓝田灞河组岩性为中粗砂岩、砂砾岩与泥岩以及页岩互层，为河湖相交替沉积，靠近秦岭处为洪积、冲积相，向盆地凹陷中心为河流相，埋深为 ，砂层厚度为 ，单井出水量为 ，富水性强；高陵群岩性为泥岩夹薄层细粉砂岩，在西安凹陷内靠近秦岭为冲积扇，沿渭河断裂为湖泊相，埋深为 ，砂层厚度为 ，单井出水量为 ，变化较大。古近系白鹿塬红河组岩性为泥岩与中细砂岩、含砾粗砂岩互层，埋藏较深，以河湖相为主，砂层厚度为 ，单井出水量为 ，含水层薄，出水能力较差。表关中盆地新生界地层特征表 系组岩性埋深砂层厚度沉积相单井出水量（）第四系三门组以黄土和砂砾石为主 风积、冲洪积、湖积 新近系张家坡组灰绿 色 泥 岩、含 砂 泥 岩 及夹疏松的砂泥岩 河湖相 蓝田灞河组中粗砂岩、砂砾岩与泥岩、页岩互层 河湖交替相 高陵群泥岩夹薄层细粉砂岩 冲洪相、河湖相 古近系白鹿塬红河组泥岩 与 中 细 砂 岩、含 砾 粗砂岩互层 坡积、洪积相 非常规油气油气勘探 该文选取新近系蓝田灞河组水样进行分析，该组地层埋深约为 ，地层厚度大，富水性好。上部张家坡组的巨厚泥岩及砂质泥岩可以作为蓝田灞河组良好的隔热保温层，下部高陵群巨厚的细粒砂岩孔隙发育，涌水量大。地质构造特征研究区在构造上为一新生代构造凹陷，基底结构比较复杂，具有南深北浅、东西两端浅而中部深的特点，呈阶梯式不对称的块状断陷 。关中盆地地堑的形成受构造作用的控制，主要是秦岭纬向构造体系、祁吕梁兰山字形构造体系、新华夏构造体系以及陇西构造体系复合叠加作用的结果。盆地构造断裂极其发育，如秦岭山前断裂、余下铁炉子断裂、渭河断裂、礼泉双泉断裂及北山山前断裂等对盆地的陷落和基底结构构造形态起到控制作用，这些深大断裂控制地热水的补给来源及流通，特别是渭河断裂及临潼长安断裂主要影响研究区的地热流体赋存特征及流体性质，从而有利于地下热水的储存和运移。关中盆地构造剖面如图所示。关中盆地基底以渭河断裂为界分为南北两区，断裂北部基底主要为古生界碳酸盐岩和中生界沉积岩；断裂南部基底主要为太古宇、元古宇、下古生界变质岩以及中生界花岗岩体。南部基底又以长安临潼断裂为界，长安临潼断裂以东为太古宇变质岩区，以西为元古宇、下古生界变质岩区。因此，这些断裂及花岗岩体 对 于 深 部 形 成 高 热 流 体 具 有 一 定 的 控 制作用 。图关中盆地构造剖面图（据宋友桂修改）（）水化学类型 样品采集与测定该研究共收集 个关中盆地蓝田灞河组地下热水水样，大部分水样分布于西安凹陷，少数位于固市 凹陷、咸礼 凸起 与 西 安 凹 陷 的 结 合 部 位。对水样进行严格的密封保存，开展水化学调查工作，在已有水化学资料的基础上，利用便携式 计和温度计在现场测定 值和水温，其他水化学指标测试在陕西工勘院 环 境检 测 有限责 任 公 司完成。地热水水化学类型表列出了关中盆地蓝田灞河组地下热水化学分析结果。表结果显示，研究区热储层温度较高，分布范围较宽，为 ，大部分水样温度高于，平均温度为 。值为 ，平均值为，属于弱碱性水；矿化度（）变化较大，位于华阴附近地下热水 水样 高达 ，分布于西安凹陷的地下热水 普遍高于，而秦岭山前断裂地下热水 普遍小于，为 ，平均值为 。年月夏岩等：关中盆地蓝田灞河组地热水化学特征及形成机制非常规油气油气勘探 年月夏岩等：关中盆地蓝田灞河组地热水化学特征及形成机制在多种因素的影响下，地下水不断向盆地内部运移，在径流的过程中，与围岩及液体发生水岩相互作用、离子交换及混合作用，水温逐渐升高，持续增加，水化学类型由单一型向复合型过渡，最后演化为单一型 型。地热流体水化学由浅到深，从 型 型 型 型 型。图所示为蓝田灞河组 三线图。图蓝田灞河组 三线图 关中盆地的地下热水具有很强的分带性，在盆地的边缘水化学类型主要以复合水为主，向盆地中部逐渐转变为单一型水，碳酸盐岩地下热水水化学类型主要为 ；秦岭山前断裂带型热水水化学类型主要为 和 ；盆地内部水化学类型主要为 和 ，表征在盆地中部地下热水深部循环交替周期长，流速缓慢，物质与能量交换弱，水更新缓慢，所处地质环境相对封闭，属于地下水径流滞留区。水化学特征水质分析指标包括 值、总溶解固体矿化度（）以及，和 等。数理统计法是研究水文地球化学的重要方法，能够反映地下热水组分特征，有利于对地下水化学组分及其物理参数进行统计分析。地下热水 值变化特征关中盆地蓝田灞河组 值均大于，由北向南 值逐渐增大，高值区域分布在盆地南部秦岭山前断裂带，温泉出露地区 值较大，最高可达，总体呈弱碱性水。图所示为蓝田灞河组 等值线图。图蓝田灞河组 等值线图 非常规油气油气勘探 （矿化度）区域变化特征蓝田灞河组 为，属于微咸水咸水。整体上盆地南北两侧较小，向盆地中部增大，高值区域分布于盆地中部，即分布于固市凹陷、西安凹陷及固市凹陷和咸礼凸起结合部位，最高可达 ；局部高值区分布在杨凌、武功地区，大于；在盆地北部、北东部地区以及宝鸡凸起 均较小，一般为；盆地南缘秦岭山前断裂带 均小于。图 所示为蓝田灞河组 等值线图，可以看出关中盆地地下热水 区域带状分布明显，盆地中部呈现高值区，低值区域分布在盆地南部、北部和西部，南 北 低，中 间 高，水 源 方 向 来 自 盆 地 南 部 和北部。图蓝田灞河组 等值线图 离子含量变化特征蓝田灞河 组 水 化 学 特 征 指 标 分 析 结 果 见表。水化学宏量组分中阳离子以 为主，质量浓度均值从大到小依次为 ，和；阴离子以 为主，浓度均值从大到小依次 为，和。微 量 组 分 以 为主，浓 度 为 ，浓 度 较 低，为 。表蓝田灞河组水化学特征指标统计 统计项目（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）最小值 最大值 地下水 年龄变化特征蓝田灞 河 组 地 下 热 水 年 龄 在 之间，从盆地南北两侧向中部逐渐变老，最老年龄分布在西安凹陷与咸礼凸起交界处，可达 。蓝田灞河 组 年 龄 等 值 线 图 如 图所示，可以看出由渭河向南、北两侧水年龄逐渐变小；眉县以西、骊山以东水年龄均小于 ，盆地中 部 楼 观 台 至 长 安 东 大 地 热 田 水 年 龄 大 于 。总体上盆地中部年龄老，南北年龄新，呈带状分布。年月夏岩等：关中盆地蓝田灞河组地热水化学特征及形成机制图蓝田灞河组 年龄等值线图 水化学形成机制关中盆地地下热水主要离子浓度分布图显示，和 在西安凹陷、固市凹陷较凸起区富集，不易被沉淀和吸附；，和 主要集中分布于蒲城凸起，其次为咸礼凸起和固市凹陷，在一定程度上体现了关中盆地地下热水的补、径、排特点，即总体上从盆地边缘或周边向盆地中心排泄，由凸起区向凹陷区排泄。图所示为关中盆地地下水径流方向。图关中盆地地下水径流方向图（据孙红丽修改）（）非常规油气油气勘探 水化学类型特征形成机制：关中盆地三面环山，盆地接受现代大气降水、河流渗流、秦岭山前大气降水以及北山山前大气降水补给浅层地下水，热水主要离子中阳离子