Application of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes for Determining Water Sources Used by Cotton in Xinjiang Arid Region
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摘要: 棉花是我国西北内陆干旱地区主要的农作物，研究干旱区棉花的水分利用来源对合理制定灌溉制度、实现农业节水灌溉和保证作物稳产高产具有重要意义.在新疆生产建设兵团炮台土壤改良试验站，基于水文监测和氢氧稳定同位素方法分析膜下滴灌棉田土壤水中氢氧同位素的动态变化特征，确定棉花不同生育期及灌溉后的水分利用来源，并应用多水源混合模型(IsoSource模型)定量计算了棉花对不同深度土壤水的利用率.研究结果表明：棉花在蕾期、花期、铃期和吐絮期主要的水分利用来源及利用率分别为0~30 cm(78.2%)、30~60 cm(31.9%)、60~110 cm(32%)、110~220 cm(47.3%)，整个生育期内水分利用来源存在由浅变深的规律.膜下滴灌后，棉花调整其水分利用来源，显著增加了0~30 cm浅层土壤水的利用率.综合试验结果表明低额高频的灌溉制度可以提高棉花对灌溉水的利用率.Abstract: Cotton is the main crop in arid areas of Northwest China. Study on the water sources of crops is of great significance to make proper irrigation schedules and realize agricultural water-saving irrigation in arid regions. In this study, precipitation, irrigation water, soil water and cotton stem water were sampled for stable isotope analysis in the Paotai Soil Improvement Test Station in Xinjiang Production and Construction Corps. Based on the stable hydrogen and oxygen isotopic tracing method and hydrological observations, the dynamic variation of stable isotope values in soil water under mulched drip irrigation was analyzed to determine the water sources of the cotton in different growth stages and the sources after irrigation pulse. The contributions of soil water at different depths to cotton water uptake were quantified by the IsoSource model. Results show that the main uptake depth of soil water in bud stage, blooming stage, boll stage and open boll stage are distributed in 0 to 30 cm layer (78.2%), 30 to 60 cm layer(31.9%), 60 to 110 cm layer(32%)and 110 to 220 cm(47.3%), respectively. The main sources of water used by cotton gradually increase with the advance of growth stage. Cotton adjusts rapidly water sources after mulched drip irrigation, by significantly increasing the proportions of water use in 0 to 30 cm soil. The results also indicate that the proper irrigation schedule with low irrigation volume and high irrigation frequency can improve the utilization efficiency of irrigation water in arid regions.
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Key words:
- hydrogen and oxygen stable isotopes /
- water use /
- IsoSource model /
- cotton /
- arid region /
- hydrogeology
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0. 引言
20世纪70年代末, Donovan等[1]依据美国Oklahoma州Cement油田上方近地空间存在高频低幅度的磁异常与现代潜水面附近岩石中存在大量磁铁矿的事实首次提出, 油气藏中烃类的垂向微渗漏过程会在油气藏上方与现代潜水面之间产生地球化学还原效应(我们称之为“烟筒效应”), 将原地岩石中的高价铁还原成低价铁(磁铁矿配置的重要成分), 从而形成与油气藏分布密切相关的磁性矿物, 称为成岩作用磁铁矿(diagenetic magnetite).同时他还根据油田地表红层发生明显的褪色作用推测, 地下烃类强微渗漏作用形成的地球化学效应可能克服地表的氧化作用达到地表.显然, 如果这一结论能够成立并具有广泛意义, 将为地面地球化学与微磁方法寻找油气藏理论奠定基础[2].近20年来, 科研人员对许多已知油气田地表土壤、钻孔岩心和含烃岩石的综合岩石磁学与地球化学分析结果认为, 尽管烃微渗漏的机理至今尚不很清楚, 但油气藏上方岩石中广泛存在的磁学-地球化学-矿物学异常与烃类微渗漏作用之间的相互关系基本可以成立[3~7].如Schumacher[8, 9]提出烃类蚀变作用在土壤与沉积物中主要的表现形式有: (1) 微生物异常; (2) 矿物变异, 如形成方解石、黄铁矿、铀、硫、铁的氧化物和硫化物; (3) 红层的漂白作用; (4) 粘土矿物的蚀变; (5) 电化学变化; (6) 放射性异常; (7) 生物地球化学和地植物异常, 并认为地表地球化学方法仍是一种有效的油气勘探方法.显然, 要提高地表油气地球化学方法的效果, 必须深入研究地表综合物化探异常与深部油气藏之间相互关系的物理化学模型[10].
Liu等[11, 12]认为, “烟筒效应”的形成是一个复杂的地质-地球化学-地球物理过程, 并与烃微渗漏过程密切相关.目前, 涉及烃微渗漏形式的主要观点认为, 油气藏中的烃类在压力、温度梯度及浮力作用下, 以水为主要介质和载体, 沿网状裂缝系统向上微运移(或渗漏) [10].关于“烟筒效应”的形成机理也仍然存在许多推测, 尤其是相关的地球物理和地球化学反应仍然以多种假设为主[13~15].Burton等[16]依据实验室内模拟岩石在油气藏的地球化学背景下的蚀变作用过程为两者之间的关系提供了实验依据.然而, “烟筒效应”与油气藏之间可靠的相互关系仍需要通过大量对比研究不同地质背景和油气藏类型的已知区(包括油气区和干区), 并结合实验模拟, 才能加以确立[17].其中关键是磁性及地球化学参量变异特征的多源成因分析和鉴别.
本文依据位于松辽盆地某油气田边缘的一口油气显示井岩石的磁性、地球化学和矿物学参量的分析及其变异特征的综合研究结果, 提出了“烟筒效应”全空间形成机理的新证据.
1. 地质背景
本井为松辽盆地南部某油气田边缘的一口油气显示井, 分析样品的深度间隔为1 718~3 134 m, 地层主要涉及上白垩统泉头组三段(K1q3)、二段(K1q2) 和一段(K1q1), 下白垩统凳楼库组(K1d) 与营城组(K1yc), 沙河子组(K1sh).录井解释结果显示主要有3个油气显示段, 分别位于K1q1—K1d (2 077.5~2 102 m)、K1yc (下部2 765~2 815.5 m) 和K1sh (3 139~3 150 m).岩性主要为砂岩(包括粗砂岩、细砂岩) 及砂砾岩与少量泥岩.
油气化探分析解释结果提出, 在分析的73个样品中存在4个油气显示段, 分别位于1 721~2 212 m, 2440~2 484 m, 2 617~2 831 m和3 055~3 165 m.油气显示段之间主要为干层, 其中3 165 m以下的底部为主要的干层.
2. 研究方法
在1 721~3 459 m的深度区间共采集73个分析样品, 其中油气显示层样品20个, 干层样品53个.采取的主要研究步骤为: (1) 应用磁性岩石学与磁性矿物学原理, 首先测量岩石的磁性参量, 包括常规磁化率(κ) 与磁滞回线及其参量、饱和磁化强度(Js)、饱和等温剩余磁化强度(SIRM) 和内禀矫顽力(Hc).这些磁性参量主要反映了岩石的磁性成分、磁性强度、磁性状态及结构.如初步研究结果表明, 在低温条件下(与油气藏形成条件相当) 形成的次生磁性矿物的磁性偏软(即Hc值相对于以高温成因磁性载体为主的岩石偏小) [18, 19]; (2) 选择具有典型磁性变异特征样品进行矿物学分析.包括重矿物分离与磁性矿物颗粒显微分析, 获取岩石中主要含铁矿物成分、含量, 并提取出可能存在特殊形貌的磁性矿物颗粒, 通过电子探针与扫描电子显微分析, 获得颗粒中高温微量元素的含量与表面微结构, 用于定性判断它的起源及其与油气藏之间的相互关系[20]; (3) 配套样品的磁学、地球化学与矿物学(本次为顶空气与吸附烃2类成分) 参量之间的相关分析, 探讨烃类蚀变作用的证据.
磁滞回线分析是用日本株式会社玉川制作所制造的TM-VSM-2050型振动样品磁强计完成的, 仪器的最大外加场为2.6 T, 精度小于1%, 本次测量的最大场为1.0 T.
3. 结果与讨论
3.1 岩石的磁性特征
全部样品的磁性参量的统计结果示于表 1.从表中看到岩石磁性强度分布的几个特点: (1) 磁性最强的岩石位于底部的第4干层(位于3 179~3 495 m的19个样品).其κ, Js, SIRM的最大值分别高达792×10-5, 800.7 A/m和118.9 A/m, 其中分布于该层3 275~3 394 m区间内的7个强磁性样品的κ, Js, SIRM平均值分别高达533×10-5, 498 A/m和105 A/m, 其岩性主要为深灰色泥岩与粉砂岩; (2) 20个油气显示样品(主要分布于地球化学解释的4个油气显示层位内) 为中等强度.κ, Js及SIRM平均值分别为141×10-5, 249 A/m及23.4 A/m; (3) 第1~3干层岩石磁性相对较弱, 以平均值为例, 第1干层的κ值最低为76×10-5, 第2干层的Js值最低为209 A/m, 第3干层的SIRM值最低为16.9 A/m.岩石磁性参量的变异系数值(Vc) 用于衡量岩石磁性强度分布的均一性程度, 它主要反映了岩石中磁性载体的分布特征, 并在一定程度上与烃类蚀变作用的均匀程度相关.全部干层岩石的变异系数值位于0.52~1.18, 其中第1, 4干层最大, 位于0.26~1.57, 第2, 3干层最小, 位于0.13~0.44.油气显示层为0.31~0.74, 表明油气显示层岩石磁性分布相对较为均一.显然, 干层岩石中磁性矿物成分相对油气显示层具有更为多源的成因, 而油气显示层中磁性矿物组分可能相对较为单一, 这是造成2类岩石磁性变异差异的主要原因.
表 1 主要代表性层位样品磁性参量的统计值Table Supplementary Table Magnetic parameters of rocks
κ, Js与SIRM参量随深度的变化曲线示于图 1.3类参量均在2 127~2 254 m及3 275~3 394 m 2个区间存在明显的高强度的磁性异常, 其中后者的磁性最强.前者位于K1q1—K1d油气显示层, 后者位于第4干层内.值得注意的是, 在2个强磁性异常之间宽阔的低磁强度背景中的2 700 m附近存在一个幅度相对较小(中等强度) 的局部异常, 它位于K1yc油气显示层内.油气藏本身属弱的反磁性物质[2], 因此, 这一中等强度的磁性异常表明岩石中含有明显的磁性矿物.这些磁性矿物的性质与起源, 须结合矿物学分析结果加以判断.
3.2 地球化学成分分析
配套样品的地球化学成分随深度的变化曲线示于图 2.其中顶空气成分主异常位于中段2 700 m附近, 其特点是异常分布范围宽、变化剧烈.主异常的分布范围与该区间油气显示层(即第3油气显示层) 基本一致.浅部油气显示层仅有个别样品反映, 尤其是重烃成分(即C2+) 反映明显.吸附烃成分变化曲线中, 中段的主异常有2个分开的高强度的峰.此外, 在2 200 m附近存在一个幅度较小的局部异常(图 2b).但2类烃类成分主异常的分布范围与2 700 m附近的油气显示层基本一致.因此, 我们将位于中段的主要烃类异常作为重点研究对象.
图 2 烃成分随深度变化曲线a1, a2.顶空气烃成分; b1, b2.吸附烃成分Fig. 2. Geochemical compositions of samples changing with depth3.3 矿物学分析
重矿物分析结果表明, 样品中主要含铁矿物分别为磁铁矿(Fe3O4)、磁赤铁矿(γFe2O3)、赤铁矿(Fe2O3)、菱铁矿(FeCO3) 和黄铁矿(FeS2).其中赤铁矿含量最高达28.117%, 其次磁铁矿为12.514%, 菱铁矿为5.853%, 而磁赤铁矿和黄铁矿含量最低, 均低于1%.主要含铁矿物含量随深度的变化关系示于图 3.从中可以看出, 高含量磁铁矿样品主要位于底部的强磁性层内, 赤铁矿与黄铁矿广泛分布于整个取样区间.磁赤铁矿可分2种情况, 较高含量样品主要位于2 200 m附近的浅部油气显示层, 而低含量主要位于2 700 m附近中等磁性强度的第3油气显示层.几个高含量菱铁矿样品分布于浅层, 而低含量样品分布区间与磁赤铁矿相似, 即2 500~3 000 m区间.显然5种铁矿物含量随深度的分布关系的差异, 反映了岩石中含铁矿物成分的多源成因.成因矿物学研究认为, 赤铁矿是岩石中分布最为广泛的铁的氧化物[21].黄铁矿具有多种复杂的来源, 磁铁矿几乎全部分布在底部干层区间, 而磁赤铁矿主要分布于油气显示层.据此推测, 岩石中的赤铁矿和磁铁矿主要为油气藏形成之前原地的物质, 而磁赤铁矿可能主要为油气藏中烃类蚀变作用的产物.
图 3 含铁矿物含量随深度的变化曲线a.磁铁矿; b.磁赤铁矿; c.赤铁矿; d.菱铁矿; e.黄铁矿Fig. 3. Scatter plots of iron-bearing minerals content changing with depth3.4 磁性、地球化学及矿物成分之间的相互关系及自生磁赤铁矿的起源
为了探讨烃类蚀变作用对岩石磁性的影响及其与“烟筒效应”形成之间的相互关系, 重点对比油气显示层和干层岩石样品的磁性、地球化学及含铁矿物成分之间的相互关系.图 4a表明, 20个位于油气显示层内样品的κ, Js和SIRM与烃类的C1及C2成分之间呈较明显的正相关, 且每种磁性参量对应C1和C2成分的变化关系极为相似(即散点群的平均斜率相似).内禀矫顽力Hc与C1和C2则明显呈逆相关, 表明高烃成分岩石中磁性载体的磁性偏软(即Hc值偏小).这与新疆塔里木盆地雅克拉油田工业油气井钻孔岩心的结果非常一致[18].而干层样品的磁性与烃成分之间关系不明显(图 4b).
图 4 磁性参量与烃成分之间的相互关系a1—a8.全部油气显示层; b1—b8.全部干层Fig. 4. Scatter plots of relations between magnetic parameters and hydrocarbon compositions重矿物提取结果获得的5种含铁矿物成分中, 只有磁铁矿与磁赤铁矿属于强铁磁性矿物.2种磁性矿物的磁性参量的理论值除居里点相差较大外(磁铁矿为578 ℃、磁赤铁矿为675 ℃), 其他磁性强度参量相似[22].结合图 1与图 4, 可以初步判断位于2 200 m附近的较为单一的磁性异常主要由166号样品(深度为2 212 m) 中的磁铁矿(含量为0.252%) 和138号样品(深度为2 127 m) 中的磁赤铁矿(含量为0.082%) 引起; 而3 200~3 400 m区间的强磁性异常(底部异常) 仅为磁铁矿引起, 因为该区间岩石中基本不含磁赤铁矿.而位于2 700 m附近具有中等强度的局部磁性异常的载体为磁赤铁矿.虽然磁赤铁矿属强磁性矿物, 但由于含量很低(小于0.05%), 因而磁性偏低.而低缓的背景磁性载体主要为赤铁矿和黄铁矿.录井与地球化学分析解释结果表明, 底部磁性异常主要位于干层, 浅部异常段与中部异常段主要位于油气显示层.这一结果表明, 油气藏聚集过程可能同时伴随着烃类蚀变作用的发生, 并产生了明显的磁性变异结构.
为了定性判断次生磁赤铁矿的成因, 分别作了磁赤铁矿与主要含铁矿物之间的相互关系图(图 5).由于主要油气显示层岩石几乎不含有磁铁矿, 且高含量磁铁矿主要位于底部的干层, 因而磁赤铁矿与磁铁矿之间不存在相互关系.从图 5看到, 磁赤铁矿与赤铁矿及黄铁矿之间相互关系的散点近似可分2群, 磁赤铁矿含量相对较高样品对应赤铁矿含量较低(图 5a), 这表明磁赤铁矿可能主要来源于赤铁矿.低含量磁赤铁矿(小于0.05%) 对应黄铁矿的散点集中, 而较高含量(大于0.05%) 的散点群则分散(5c), 表明黄铁矿也可能参与磁赤铁矿的形成.磁赤铁矿与菱铁矿相互关系不明显, 推测菱铁矿本身也可能为一中间产物[23] (图 5b).为此我们推测, 次生磁赤铁矿形成前的原始含铁矿物应以原地赤铁矿为主, 而部分黄铁矿也可能是烃类蚀变过程的产物, 是岩石中二价铁的重要来源[24~26].磁赤铁矿具有缺阳离子尖晶相的端元结构, 它与赤铁矿的化学成分相同, 而具有与磁铁矿相同的尖晶相结构[27].磁赤铁矿通常不能由赤铁矿直接转换而来, 其形成过程可能经历2个阶段, 首先是原地赤铁矿通过还原过程(由烃微渗漏作用激发) 转换成磁铁矿, 然后再经氧化背景(可能由水或其他物质产生) 转变为磁赤铁矿[28].推测主要化学反应为:
图 5 磁赤铁矿与赤铁矿(a)、菱铁矿(b) 及黄铁矿(c) 含量相互关系Fig. 5. Relationship of contents between maghemite and hematite (a), siderite (b) and pyrite (c)赤铁矿转换成磁铁矿和菱铁矿:
细菌硫酸盐的还原作用转换获得黄铁矿:
黄铁矿参与形成磁铁矿:
磁铁矿经氧化作用形成磁赤铁矿
这些地球化学反应过程表明, 油气藏中烃类蚀变作用可以发生于油气赋存的全空间(三维空间) 范围, 并构成了“烟筒效应”的重要组成部分.
4. 结论
(1) 油气显示井岩石的磁性与地球化学成分测量结果表明, 含烃岩石中烃类的蚀变作用导致岩石磁性强度明显增加, 而矫顽力减小.岩石存在高强度、中等强度和低缓背景3类磁性结构特征.前者主要位于底部干层与浅部油气显示层, 中等强度主要位于中段的油气显示层, 而低缓的背景则分布整个取样区间. (2) 矿物分析表明, 岩石中主要含有磁铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿、菱铁矿和黄铁矿5种类型的磁性矿物.其中赤铁矿与黄铁矿分布于整个取样区间.磁铁矿主要位于底部强磁性区间的干层, 磁赤铁矿主要位于中段和浅部油气显示层, 是中等强度磁性异常的载体.而低缓背景磁性的载体主要为赤铁矿和黄铁矿. (3) 岩石磁学、地球化学及矿物学三者之间的相互关系揭示出, 烃类蚀变作用主要形成了含量低, 磁性偏软的磁赤铁矿, 它是原地赤铁矿及部分黄铁矿反应的产物.由此提出, 油气藏中烃类蚀变作用不仅发生在油气藏上方, 而且为油气藏赋存的三维空间, 是“烟筒效应”全空间形成过程的重要组成部分.
本文成果得到中国石油化工股份有限公司的部分资助.感谢美国地球微生物技术公司地球化学主管Deet Schumacher博士在有关烃蚀变过程方面与笔者的有益讨论, 感谢华中科技大学电子科学与技术系李佐宜教授在样品磁滞回线分析与中国地质大学陶海宝高工在矿物分析研究中提供的帮助. -
图 3 植物木质部水和各潜在水源的δD、δ18O同位素组成关系
Fig. 3. Relations between δD and δ18O values of cotton xylem water and different water sources
图 4 棉花各生育期不同深度土壤水与茎秆水的δD、δ18O值
Fig. 4. δD and δ18O values in soil water and cotton xylem water at each growth stage
图 5 不同深度土壤水δ18O值及含水量对灌溉的响应动态
Fig. 5. The dynamic response of δ18O values and soil water content in different soil layer to irrigation
图 6 棉花各生育期对不同深度土壤水的利用率
Fig. 6. Proportions of soil water contribution to cotton at different growing stage
图 7 灌溉后棉花对不同深度土壤水利用率的动态变化
Fig. 7. The dynamic variation in soil water use patterns by cottons after irrigation
图 8 灌溉后0~30 cm土壤水利用率与体积含水量的关系
Fig. 8. Relationship between 0-30 cm soil water contribution to cotton and soil water content
表 1 试验田土壤的理化性质
Table 1. Soil properties in the experimental area
深度(cm) 土壤质地 粒径分布(%) pH 土壤易溶盐
(mg·kg-1)＜0.002 mm 0.002~0.020 mm 0.020~2.000 mm 0~30 砂质壤土 1.31 34.22 64.47 8.93 1 045 30~60 壤质砂土 0.74 13.77 85.49 9.21 3 510 60~80 粉砂质黏土 27.12 49.89 22.99 8.74 1 730 80~110 粉砂质黏壤土 23.85 54.88 21.27 8.68 1 680 110~150 砂质壤土 2.17 16.04 81.79 8.92 850 150~220 粉砂质黏土 29.02 59.09 11.89 9.12 1 360 
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