海水蒸发离子含量轨迹线的制作方法
【专利说明】
1.
技术领域
[0001]本发明涉及利用海水蒸发实验过程中观测到的残留液体的离子含量的变化制作标准的离子轨迹线，可以用来识别地下卤水在其形成和演化的过程中哪些离子相对富集，哪些离子相对贫化，进而分析所发生的水文地球化学作用，属于沉积盆地水文地质技术领域。
2.
【背景技术】
[0002]陆地上许多大型沉积盆地(例如美国的Michigan盆地、我国的四川盆地)内常蕴藏有丰富的石油、天然气、盐类矿床(石盐、石膏等)和某些金属矿床，同时也分布有地下卤水。据估计，沉积盆地内大致有20%的体积被地下水所占据(Hanor，1987)。对这种水有着多种提法，例如地层水、地下沉积??7Κ、盆地??7Κ、油田(??)水、孔隙水、同生水等，称为地下卤水较为合适。卤水是指矿化度大于等于35g/L的水。高矿化度卤水并不局限于分布在沉积盆地。在地表盐湖(例如青海柴达木盆地察尔汗盐湖)、滨海地区松散沉积层(如渤海湾沿岩的莱洲湾)、平原地区下伏凹陷盆地(如中原油区、胜利油田、任丘油田)等处也都分布有矿化度较高的卤水。
[0003]沉积盆地地下卤水不仅矿化度(TDS)高(10?> 400g/L，35?330g/L为常见)，而且富含多种微量组分(例如Br、Γ、Sr' Ba' B' Li+等)。卤水沉积盆地地下卤水是一种具有工业利用价值的特殊类型的地下水。人们对地下卤水的埋藏分布、迀移和渗流、水化学特征及卤水的形成、资源量评价、开发利用等方面进行了大量的研究。沉积盆地地下卤水既可以赋存于海相碳酸盐岩中，也可以赋存于陆相碎肩岩中。人们有理由相信，海相碳酸盐岩中赋存的地下卤水应该是起源于古海水，但这种卤水的矿化度和离子含量已与海水有着很大的不同。古海水经历了蒸发浓缩，直至沉积蒸发岩，残留的卤水的矿化度已大大地升高。在缺乏蒸发岩的一些沉积盆地或沉积地层中的卤水也具有很高的矿化度。人们自然要问曾发生过什么样的物理化学作用使今天所见到的卤水中某些化学组分富集而其它化学组分贫乏？实际上，某种起源的水进入沉积盆地后，先是发生蒸发浓缩，引起其矿化度的增高，然后在沉积物埋藏、成岩环境中与沉积地层发生各种物理、化学作用，使其化学组分进一步发生改变。如果在上覆地层沉积后发生构造变形而使卤水发生地下迀移，卤水还可以溶滤地层中的可溶盐分；如果后来发生侵蚀作用使储卤层浅埋或裸露，大气降水入渗淋滤和冲刷会使原来的地下卤水发生淡化。地下卤水的形成经历了一个漫长的过程而逐渐演变成今天所看到的面貌。
[0004]在沉积盆地中有大量的蒸发岩卤水。蒸发岩卤水是指海相蒸发岩沉积过程中的残留卤水。这种卤水来源于古海水，原始沉积环境为蒸发环境，随着海水的蒸发浓缩，残留卤水的矿化度逐渐升高，盐类矿物按照碳酸盐、硫酸盐、氯化物盐类的次序依次沉积并形成蒸发岩，残留的卤水被埋藏封存起来。这种卤水显然与海相蒸发岩的形成有关，也是常见的一种同生沉积卤水。卤水的高矿化度主要是因为蒸发所致。除了蒸发浓缩作用外，在后来的成岩环境中也发生一些物理、化学作用使卤水中的某些组分富集或贫化。
[0005]既然海相蒸发岩卤水是由古海水蒸发浓缩形成的，人们自然会想到开展海水蒸发浓缩实验，利用实验资料，建立海水蒸发过程中离子含量之间或者离子比例系数之间的变化关系，并与实际卤水样品进行对比，来研究某些地下卤水的形成和演化特点。
[0006]国外学者Carpenter (1978)总结海水蒸发实验资料，结果表明，海水随着蒸发浓缩，各种盐类相继沉淀析出，依据盐类析出的先后，可以分为石膏、石盐、泻利盐、钾石盐和水氯镁石沉淀5个阶段。国内学者陈郁华(1983)和李亚文等(1990)分别对黄海水和南海水进行蒸发浓缩实验，实验是在大气压力下在25°C恒温下持续进行了一年的自然蒸发，表明盐类沉积可以分为7个阶段:文石、石膏、石盐、泻利盐、钾石盐、光卤石和水氯镁石沉积。在海水蒸发浓缩过程中，随着盐类的沉淀折出，残留卤水中各种离子组分含量发生有规律的变化。因此，为了研究蒸发岩卤水的化学演化历史，需要利用一个或几个“标表”组分，这样的组分既不在海水蒸发过程中形成盐类沉淀析出，也不在后来的成岩环境中参与水-岩反应，用其它组分相对于这种“标志”组分的含量的变化，来建立海水蒸发过程中离子含量之间的关系，制作离子含量的轨迹线，对于研究沉积盆地地下卤水的形成和演化具有重要的理论意义和实际意义。
[0007]海水蒸发轨迹线有两类。第一类是离子含量轨迹线，第二类是离子比例系数轨迹线。前人曾制作过不同的海水蒸发过程中的轨迹线，用来研究地下卤水的形成和演化。Carpenter (1978)利用双对数坐标分别建立了 Cl、Na、SO4, Mg、K和Ca离子含量与Br含量的关系曲线。宋正平等(1986)曾制作过海水蒸发浓缩过程中离子比例系数的轨迹线，共有6 个比例系数，包括 γ Na/ γ CU Br X 103/C1、KX 103/C1、K/Br、( γ Ca+ γ Mg- γ SO4- γ HCO3) /TCl系数，横坐标用Cl作为标志组分，纵坐标为离子比例系数值，而且横坐标和纵坐标都是采用算术坐标。Fontes等(1993)建立了 9个离子(L1、Na、K、Rb、Mg、Sr、B、Br和SO4)含量和Cl含量的变化关系曲线，横坐标和纵坐标都是采用算术坐标。周训等(1995)在Carpenter (1978)的工作的基础上，进一步改进和完善了 Cl、Na、SO4, Mg、K和Ca离子含量与Br含量的关系曲线，还建立了 HC03、L1、Sr、B、Rb、Cs、I离子以及TDS的轨迹线，这14个离子轨迹线很好地表征了海水蒸发浓缩过程中各离子的含量以及TDS的变化规律。周训等(2015)以海水蒸发浓缩过程离子比例系数yNa/yCl, BrX103/Cl、IX103/C1、Ca/Sr、γ Mg/ γ Ca、γ Ca/ ( γ SO4+ γ HCO3)、KX 103/TDS、KX 103/C1、K/Br 和 γ Mg/ γ Cl 的数值为纵坐标，Br含量为横坐标，采用双对数图，制作10个离子比例系数轨迹线，揭示了这些离子比例系数在海水蒸发浓缩过程的变化规律。海水蒸发离子含量轨迹线在研究地下卤水的成因中得到了应用(Bagheri，2014 ;曹琴等，2015)。
[0008]采用Cl作为“标志”组分的不足之处在于，由于Cl在海水蒸发浓缩过程中达到石盐沉积阶段后，Cl因形成石盐从溶液中析出，残留在溶液中的Cl含量便减少，用Cl作为标志组分增大了比例系数的不确定性，以此制作的轨迹线难以作为标准曲线来使用。纵坐标和横坐标采用算术坐标的不足之处在于，不方便表示数值相差几个数量级的离子含量的变化。
3.
【发明内容】
[0009]本发明公开了海水蒸发浓缩过程中离子含量轨迹线的制作方法。
[0010]为了利用离子比例系数轨迹线研究蒸发岩卤水的水化学演化历史，需要确定一个“标志”组分，这样的组分既不在海水蒸发过程中形成盐类沉淀析出，也不在后来的成岩环境中参与水-岩反应，用其它组分相对于这种“标志”组分的含量的变化，来建立海水蒸发过程中离子含量的变化关系。
[0011]海水蒸发实验资料表明，在钾石盐沉积以前，几乎所有的K+、Li\ Br、B' Rb+都留在溶液中，在钾石盐开始沉积以后，绝大部分Li+、Br、B3+仍保留在溶液中。其中，只有Br不参与成岩反应发生沉淀。Br在海水蒸发过程中不形成自己的矿物，随着残留卤水矿化度的增加，Br含量几乎呈直线上升。只有在石盐开始沉积后，有很少一部分的Br在沉积物中与Cl 一起形成类质同象混合物，即以离子互换形式进入到固体盐中取代Cl。例如黄海水的蒸发实验资料，卤水Br含量在石盐沉积阶段为0.75g/L，在钾石盐沉积阶段已达5.96g/L，而到水氯镁石沉积阶段时达12g/L。与上述浓缩阶段相应的固体盐中，Br含量分别为0.011 %、0.051 %和0.42%。另据计算，钾石盐沉积阶段比石盐沉积阶段溶液中Br含量增加7.5倍，到水氯镁石沉积阶段比石盐沉积阶段增加了 16倍，而相应的固体盐中Br含量分别增加5倍和38倍(陈郁华1983)。可见，随着海水蒸发浓缩，进入固相的Br含量，其增长速度大于卤水中Br含量的增长速度。虽然如此，绝大部分Br仍然是累积在卤水中。卤水中Br含量随蒸发浓缩而增高，Br是海水浓缩程度最好的标志组分，用其它离子含量相对于Br含量的变化来示踪海相蒸发岩卤水的化学组分演化变得极为理想。
[0012]利用海水蒸发实验过程中13 个离子(Cl、Na+、S042、Mg'K+、Ca2+、HCO3、Li+、Sr2+、B' Rb\ Cs\ I )含量和矿化度(TDS)数据作为纵坐标，Br含量作为横坐标，在同一张双对数图上，可以制作离子含量轨迹线(见附图)，作为海水蒸发离子含量的标准轨迹线。
4.
【附图说明】
[0013]附图是海水蒸发过程中13个离子含量和矿化度(TDS)的轨迹线图。
[0014]附图中，上