泌阳碱矿形成的地球化学模拟研究

泌阳碱矿形成的地球化学模拟研究 第22卷第 1q97{I. 影f多冀 地球科.——lj】【地质大毕? ~trth~%clence——Jt】urf1t】r(„hlmUniversityof(:Jlcn )I 997 ,一 /泌阳碱矿形成的地球化学模拟研究 0引言 . L曾建华 . (地盾矿产部地质调查局.北京1[】【】8I2)(中国人民大学信息系.北京100872) 摘要泌目{碱过上?被认为址秘矿眯.通过综卉分析泌Bt陷的地质,riIII地 质碱地质年?水史地质条件从小睑址泌{碱矿太-l』旋届r秘矿眯利川地 球化学模拟技术,从仑I:模拟r泌{碱矿的形成过.提”r一种水一射 卡?fr作HJ成矿模 式片用人艟枘事奠支持r这种税 关键词碱矿成埘,地球化学模拟.水一耕l作,Eli,泌m阶 中圈法分类号P6I9.2I 第一作者简介文冬光,男,1964年.阱师,1995年毕业rl}JI地质人学(北 京),嵌I学 位.要从事水义地球化学研究 地下碱矿(Na2CO3和NaHCO)在国内外均是 一 种较为罕见的矿床.至今为止.我国仅在河南省有 所发现.泌阳碱矿位于河南省南襄盆地泌阳凹陷,由 于它与油气共存,又是一种罕见的矿床.因此引起了 不少学者的极大兴趣,并分析过它的成因该碱矿 与石油共存是必然还是偶然?其关系如何?有关这方 面的研究还很少见本文以水一岩相互作用理论为基 础,重点利用地球化学模拟技术,再现了泌阳碱矿的 形成过程,并分析了碱矿与石油形成之间的关系. 1地质背景 泌阳凹陷为一东南深,西北浅的不对称断陷陆 相含油凹陷下第三系是其主要的沉积地层,地层岩 性主要为淡水相砂,泥岩地层自上而下分成玉皇顶 组(E).桃园组地 层中.包括碱卤水和固体碱矿,主要呈块状,鸡窝状 或薄层状产出.含碱层系主要由砂岩,泥岩油页岩 及白云岩组成.而长石类矿物中Na,O含鞋在4%以 上.碱矿主要成分是NaHCO3和a2C,氯化物和 硫酸盐含量低,钙和镁含镀很少. 凹陷内地层水的主要化学特征有:地层水的矿 化度p(TDs)一般在1,30g/1,碱卤水的p(TDS)可 高达194I,pH值在7.5,95之间;水化学类型 主要为CI?H【I()一Na,H【的?CI—Na,CI—Na, HCO】一Na,碱卤水为H【?()?CO一Na和CO? HCOj—Na. 2碱矿成因现有观点及分析 泌阳碱矿自1976年被发现以来,已有不少矿床 地质,石油地质,水文地质等方面的学者分析过它的 成因机制,提出的成矿模式主要是原生沉积成因.比 较典型的有”该碱矿床是由富含Na?HOOf的淡 水在干盐湖环境中,从盆地边缘向盆地中心,经过 一 系列演化,形成富钠的重碳酸盐卤水,在高CO, l :l „;_ 地球科.——…1日地质大学学掇筇22卷 1下第三系核桃园组非典型的HCOs—Na水.这已由矿物 包裹体资料证实(见表1).泌阳凹陷渐新世的沉积 水为CL—Na(Ca)水.盐度小于10‰,然后逐渐演变 成c1.HCOs—Na,HCO3?CL—Na及HCO3一Na等. (2)如原生沉积水是H(X)3Na水.则泌阳凹陷的 现代水化学分布特征就难以解释.笔者已从水化学 场,地温场等方面论证过泌阳凹陷下第三系地层水 的水文地质条件l4_I.即泌阳凹陷具有东边(下二 门)补给,西边(双河一古城)排泄的水动力场特点. 现在凹陷的西南,西北广大地区,油田的水化学类型 主要为cl啊Na和(:I_HCO一Na,如原生水是HCOs — Na,这种水化学分布特征不好解释.(3)泌阳凹陷 在渐新世的沉积环境是淡水相.古湖水盐度小于 10‰,而未见干盐湖迹象.这已由古气候,岩相和元 素地球化学等方面的研究证实下第三系泥岩中 C】一含量在0.叭1%,0.014%II.属于淡水相沉积 物中cl一含量的范围.(4)泌阳碱矿主要成分是 NaHCOs和Na2CO3.氯化物和硫酸盐含量很低.在 现在的碱卤水中,CL一含量仅占卤水p(TDS)的5% 以下,而在同一地层的其他地方,如双河,古城,王集 等地,地层水中Cl一含量可占p(TDS)的3O%以上. 对于原生沉积碱矿.这种现象则更难以解释.(5)泌 阳碱矿多以团块状,鸡窝状产出,这与原生沉积矿床 特点不一致(6)碱矿赋存于核桃园组,而核桃园组 地层形成于泌阳凹陷发展的顶盛时期,沉积岩分布 面积大于1000km.但碱矿叠合面积仅8.1km.碱 矿周围依次出现暗色泥岩,砂岩.干盐湖沉积成因难 以解释这种现象.(7)钠的碳酸盐和重碳酸盐溶解度 大,在表生带不稳定,即使在湖水短期盐化时可以沉 积下来,到湖水淡化期也会很快溶解消失. 可见泌阳碱矿不太可能是原生沉积矿床.那么. 该碱矿是如何形成的呢?作者依据水岩相互作用 的基本理论.进行了下列地球化学模拟研究 3泌阳碱矿形成的地球化学模拟 厂?一 慧 第1期史冬兜等泌碱彤成的地球化}饪拟研究 f/口c 【质艟浓度为05,2()g/[为初始水盐度. 确定模拟系统和控制条件后,笔者利用地球化 学模拟软件PHREEQEll在计算机上进行丁不同控 制条件下的百余次模拟.模拟时假定该矿物组台在 不同控制条件下均处于溶解/沉淀平衡状态.模拟过 程中可以获得不同条件下模拟水的化学组分及对不 同矿物的饱和度指数 3.2模拟结果 3.21模拟水的化学特征在模拟条件P(“) =l,10Pa,,=30,200?,p(CI一)=0.5,20 g/[下,模拟水的化学特征是:(1)楱拟水的pH值在 8,l1之间,同co2分压和模拟温度之间有较明显 的关系(见图1).(2)模拟水的0(TDS)在几克每升 至大于300g/l,温度越高,p(TDS)越低,(:分压越 高,模拟水的to(FDS)越高(见图2).(3)模拟水的化 学类型主要为HCO3一Na(包括Hc03?CONa和 C.1?HCO3Na).HCO1?Cl_Na,(?HCO一Na以 及CI—Na类型 322模拟系统中天然碱和苏打石的饱和指数 碱矿的主要成分是NaHCO和Na,CO,因此模拟 水对天然碱(NaHCO?NazCo?2H2O)和苏打石 (NaHCO)的饱和指数是理论上评价碱矿形成的重 要参数.表2列出了流体中c】质量浓度为lg/l 时,该水一岩相互作用系统中模拟水对天然碱和苏 打石的饱和指数从该表中可以看出:(1)在模拟的 水一岩系统中.天然碱和苏打石的饱和指数受温度 影响十分明显随温度下降,两矿物的饱和指数增 高.(2)天然碱和苏打石的饱和指数受水一岩系统中 CO2分压的影响显着.随CO2分压升高,两矿物的 饱和指数增高.(3)天然碱和苏打石饱和指数大于零 的情况出现在温度较低或CO,分压较高时.s』>0 表示矿物在水中处于饱和状态.将产生矿物沉淀.这 l刊2模拟水p(I?I)?温1. p(cxh)之盖系(p(cI)= 】1) Fig2Rdmkms.II]{(rI)of rtxx]elwFlt~_~,mnqnn?alure ,and(Ypartinlp 表2模拟水中暑然碱和苏打石饱和指数s, Tablc2Saturntionindice(s,)oftronaandnobcireinr 该水一岩系统在较高的Coz分压和适当的温 度下,理论上可以形成天然碱和苏打石矿沉淀.(4) 天然碱的饱和指数一般大于苏打石.如CO2分压为 10Pa,温度为80?时,模拟水对天然碱和苏打石的 饱和指数分别为2.15和0.21这说明天然碱较苏 打石更易于沉淀形成. 从以上模拟结果可以知道,钠长石一微斜长石 白云母一石英一方解石一白云石矿物组合在具温 度为30,200?和(分压为102,10Pa的地下 水系统中理论上可以形成碱矿对于泌阳凹陷是否 具备形成碱矿的条件呢? 33模拟结果分析与讨论 从上述模拟结果得出,碱矿形成需要三个基本 条件:(1)岩石矿物组合;(2)较高的c分压;(3) 适当的温度对于泌阳凹陷下第三系核桃园组地层. 岩石矿物组合与模拟的系统一致,在地质历史中地 温的变化范围在55,120?(见表1),在这样的温 度范围内,需要多大的CO分压才能形成碱矿呢? 图3表示了上述模拟系统中天然碱饱和指数在 不同温度下与c分压之间的关系.图中A.上l两 点分别表示在温度为50?和l20?时,天然碱的饱 和指数等于零,其对应的CO2分压——l0”Pa和 地球科一…地质人?报 101Ol010510? p【C02)/P 煳3模拟系统『I同理,由图4可见,苏打石在50?和120t?时, 沉淀所需的最低CO,分压分别是10Pa(见C 点)和10Pa(见D点). 可见.针对泌阳凹下第三系核桃园组的岩性条 件和所经历的地温条件,要形成碱矿至少要在某一 时段内地层中CO,分压保持在10,1O?Pa 在泌阳凹陷.CO,主要来源于生油岩在成油过 程中有机质的热分解.由于凹陷内单位面积的资源 量相当高,加之凹陷面积小,又具有较封闭的地质环 境,有可能形成较高的cO2分压当然,是否还有更 深部来源的c,尚需进一步研究. 因此,泌阳碱矿有可能属于后生矿床.其形成机 制是:低盐度的地下水在地质历史演变过程中与富 钠的铝硅酸盐矿物和丰富的(,(),在特定的温度条 件下相互作用形成,而0主要来自有机质的热降 解另外,下列资料也支持这种水一岩相互作用成碱 模式:(1)矿物流体包裹体资料表1说明核桃园组 地层中流体的化学性质从渐新世一中新世一上新世 发生了显着的变化.这表明在流体的演化过程中可 第22l嚣 ,(c02)/Pm j斟4模拟系统-I-_)}=I饱和指数柱问温度下?【?„ 分压的关系((【?1):Ig/I) Fig.4Relationsbetween~qturationindexfornahmlitein m(xldedsystemandpartialpress,Jreunderdit”一 ferenttemperature 能发生过强烈的水一岩反应,足以改变地层中流体 的化学性质.(2)地层中的次生孔隙和溶蚀裂隙.经 河南油田地质研究院等单位研究证实,在核挑园组 地层中发育有大餐的次生溶蚀孔隙和裂隙,这说明 地层中曾发生过强烈的矿物溶解作用,大量的可溶 组分进人_f地层水中.(3)现代地层水的化学资料 泌阳凹陷下第三系地层水的化学特征(p(TDS), pH?水化学类型等)与上述模拟水的化学特征比较 一 致.这说明模拟系统的水化学特征与实际地层水 的化学特征具较好的可比性,即模拟的水一岩相互 作用可能反映了核挑园组地层中真实发生过的水一 岩反应.(4)碱矿的产出状态.泌阳碱矿多呈块状,鸡 窝状产出,说明在地层中是先发生矿物溶解,形成容 矿空间,然后再堆积成矿,这种碱矿的产出状态与水 一 岩相互作用成碱机制一致. 综上所述,泌阳碱矿是地层自身的岩石矿物组 合在较高的C02分压和适当的温度下与低盐度的 地下水相互作用后形成的. 根据泌阳凹陷的地质条件和生油历史,凹陷内 的主要生油期是从渐新世(Eh2)至上新世(N),在这 期间.有机质的热解成油能释放大量的c,从而形 成高的c分压,而高CO,分压是促使水一岩作用 进行的一个重要因素.从表1中可以知道,地层水在 渐新世后期就开始含有NaHCO组分,而到中新 0U|I?Z 2024 一蕈鼙 第1J文冬光等-泌…碱矿彤成的地球化模拟研究 世,地层中流体的化学性质发生了质的堂化.Hl】完全 从NaCICa(„L2质流体演变成以NaH(x)Na2CO3 为主的流体.流体的含盐也着提高.这从另一侧 面说明此时期内发生的水一岩反应最为强烈,足以 改变地层中流体的化学性质.核桃园组地层的温度 从沉积开始一直到磨庄期(E)是升高的,但在E 后,又降低(见表1).从磨庄期后,到上新世(N)以 前,地层温度较低根据模拟结果,高(x)2分压和较 低的地温是形成碱矿的两个重要条件.因此,可以推 论泌阳碱矿报可能是在这段(()2分压较高,而地温 又较低的期间内形成的. 综上所述,泌阳碱矿的形成与凹陷内油气的形 成可能有内在联系由此推论,盆地深部大范围c卜 HCO3一Na,HC03?CL—Na及HCO一Na水型的出 现可能预示着油气田的存在;盆地深部分布的易溶 盐并非全是古盐湖蒸发沉积形成. 4结论 (1)泌阳碱矿很可能是后生矿床,是特定水一岩 相互作用的结果,可能形成于渐新世廖庄期以后和 上新世之前.(2)地层岩性,较矿地质条 件及找矿方向河南地质,1983(2)1,9 2t-.张幼勋安棚碱矿地质特征及成心.地质论许, 199I,37(I):42,49 3诬奉善程党明,t5J怡油气运移研究——以泌刚益地 为例北京:石油工业出版社.I994I,260 4文冬光泌阳凹陷油刚水化学特缸E及其找油意义研究: (学位沧文】.武:中心地质大学,1989 5文冬光,洗照理,钟佐蘩地球化学模拟及萁在水文地质 中的应用.地质科技情报1995,14(1):99,104 6州崇糟,孙世雄.水文地球化学找油理论法北京:地 质出版社.I98935 7rkhu~tDI..TI瑚?嘲I)C.PlunmaerI,NPHREFY..).E „ Accxnputerprogramforge~?hemlcalculati~nsUSGSWa- kL~i”RTcInv1i?Report80—96.1985I,I57 GE0CHEMICALMoDELING0FTHEF0RMAT10N0F BIYANGALKALIDEP0SIT WenDongguang (BureauGeologicalSurveyMinistry,GeologyandMineralResources,BeOi ng100812) Zengjianhua tDepartmentc?jlnJbrmation,PeopleUniversityf?fChina.BeOing1008721 A~traetTheBiyangalkalidepositwasregardedasaprimary,sedimentarydepositinthepast.The compositeanalysisofgeology,petroleumgeology,geologyoftheaLkalidepositandhydmgeologyinthe BiyangdepressionhasprovedindifferentrespectsthattheBiyangalkalidelx~itisunlikelytobelongtoprima. rysedimentarydeposit.Inthispaper,anewmetaHogenicmodelofwaterrockinteractionabouttheBiyang alkalidepositispre~ntedandsupportedbyF,omefacts,anditspos.sibihtyistheoreticallyprovedwithgeologi. calmodel[ng. Keywordsgenesis0{alkalidct,geochemicalmodeling,water—rockimeract lon,tAiyangdepr~s. sion.