南祁連盆地東北部木里地區三疊系尕勒得寺組烴源巖評價

袁二軍，崔 彬，馮小偉，王占林

（1.青海大學地質工程系，青海 西寧 810000；2.中國地質大學 （北京）地球科學與資源學院，北京 100083；3.內蒙古自治區第一地質礦產勘查開發院，內蒙古 呼和浩特 010100；4.西部礦業股份有限公司鋅業分公司，青海 西寧 810000）

天然氣水合物是20世紀科學考察中發現的一種新的礦產資源。它是水和天然氣在高壓和低溫條件下混合時產生的一種固態物質，外貌極像冰雪或固體酒精，點火即可燃燒，有“可燃水”、“氣冰”、“固體瓦斯”之稱，被譽為21世紀具有商業開發前景的戰略資源。天然氣水合物是一種新型清潔、高效能源。“天然氣水合物”里甲烷占80%～99.9%，可直接點燃，燃燒后幾乎不產生任何殘渣，污染比煤、石油、天然氣都要小得多［1］。1m3可燃冰可轉化為164m3的天然氣和0.8m3的水。全世界擁有的常規石油天然氣資源，將在40年或50年后逐漸枯竭。而科學家估計，海底可燃冰分布的范圍約4000萬km2，占海洋總面積的10%，海底可燃冰的儲量夠人類使用1000年，因而被科學家譽為“未來能源”、“21世紀能源”。迄今為止，全球至少有30多個國家和地區在進行“可燃冰”的研究與調查勘探［2］。

天然氣水合物不僅存在于海洋底部的沉積物中，而且還生成于極地凍土層或高緯度和高海拔凍土地區的土壤層中，中國天然氣水合物的分布領域主要在南海以及中國永久凍土帶。南祁連盆地東北部木里地區2008年11月5日DK-1孔首次發現天然氣水合物，之后分別在 DK-2、DK-3孔中再次鉆獲天然氣水合物，并經激光拉曼測試證實為天然氣水合物，這是在中國凍土區首次發現天然氣水合物，同時也是世界中緯度高山凍土區首次發現天然氣水合物，取得了找礦工作的重大突破［1］，具有重要的科學、經濟和環境意義。

1 南祁連盆地東北部木里地區區域地質概括

中國多年凍土面積達215×104km2，占國土總面積的22.4%［3］（周幼吾，2000），是僅次于俄羅斯、加拿大的世界第三凍土大國。凍土區主要分布于青藏高原、大興安嶺及其他高山地區（圖1）。

圖1 中國凍土區天然氣水合物找礦遠景區預測（凍土分布范圍據參考文獻）

祁連山是天然氣水合物有利勘探Ⅱ級選區，同時也是中國西部多年凍土廣泛分布的地區之一，多年凍土區面積約10×104km2。區內山脈與盆地相間排列，山脈主峰海拔大都超過5000m，盆地區一般為3500～4000m。祁連山總體上屬于高原亞寒帶半干旱氣候區，日平均氣溫低于等于0℃的天數每年有160～240天不等。在海拔2700～4100m的地帶內，年平均氣溫為0.7～－5.8℃，這為凍土發育提供了有利條件。現有資料表明，祁連山南坡凍土區下界大致在海拔3700～3900m處，主要沿拉脊山－青海南山－柴達木山一線分布；北坡下界在3450～3650m處，主要沿冷龍嶺－走廊南山－黨河南山一線分布［3］。凍土區下界與年平均氣溫為－2～－2.5℃。平面上可分成連續凍土區和島狀凍土區，前者主要分布于祁連山中段，后者則分布于祁連山的東段和西段。

木里盆地內發育兩段巨大的斷裂構造，一條是木里斷裂，另一條是草芒斷裂。木里坳陷自下而上發育四套烴源巖系：石炭系暗色泥（灰）巖、二疊系草地溝組暗色灰巖、三疊系尕勒得寺組暗色泥巖、侏羅系暗色泥頁巖。木里坳陷整體保存條件較好，在三疊系沉積后，盆地又接受了侏羅系、下白堊統、上第三系等沉積，盡管期間經歷了多期的抬升運動，但隆升幅度不大，遭受的剝蝕量較小，因此其保存條件在南祁連盆地所有坳陷中是最好的。綜合考慮，把三疊系和侏羅系作為主要目的層，木里坳陷是南祁連盆地中最具勘探前景的地區。在本次研究中，除東北部出露少量侏羅系地層、西南部出露少量二疊系草地溝組地層外，主要的烴源巖發育在三疊系尕勒得寺組，故本次研究以尕勒得寺組地層為重點研究地層。為此，筆者在詳細分析三疊系烴源巖特征的基礎上對其進行綜合評價。

2 烴源巖的分布特征

盆地內三疊系尕勒得寺組地層出露范圍較廣，主要有上、中、下三段。上段主要為灰－深灰色細－粉砂巖、黑色泥巖、粉砂質頁巖與灰－淺灰色長石砂巖、雜砂巖夾碳質頁巖、薄煤層及煤線組成的韻律層。砂質頁巖中偶見直徑過1m的灰巖結核。中段為灰－灰白色厚層－巨厚層長石砂巖夾灰色中薄層狀細－粉砂巖、粉砂質泥巖夾碳質頁巖。局部含植物化石碎片。下段為中薄層狀長石砂巖、長石石英砂巖與粉砂質泥巖、深灰色細砂巖與碳質頁巖互層狀產出，偶夾不等粒石英粗砂巖。三疊系尕勒得寺組地層呈現東西方向展布，主要發育一套濱淺湖相到半湖相的沉積建造。

3 有機質豐度

烴源巖中有機質是油氣形成的物質基礎，在研究沉積盆地中某套地層是否能作為烴源巖時，首先需要考慮的有機質豐度的大小。有機質豐度的指標一般包括有機碳（TOC）含量、氯仿瀝青“A”及總烴含量，其中有機碳含量是最重要的豐度指標。

有機質豐度評價標準中的下限值，即劃分烴源巖與非烴源巖的界限值。通過前人的勘探實踐，對于泥質烴源巖而言，國內外大多數學者認為有機碳含量下限值為0.4%～0.5%，如表1所示，而對于碳酸鹽巖烴源巖的有機碳含量下限值有較大的分歧，不同的地區有不同的下限值。由表2可知，碳酸鹽巖烴源巖的總有機碳含量平均值較一般的（0.1%～0.2%）高，大油氣田的則更高。由于我國海相碳酸鹽巖有機質豐度較世界其他地方都偏低，而成熟度卻普遍偏高，因此綜合國內的研究成果，南祁連盆地木里地區碳酸鹽巖烴源巖的有機質豐度評價標準如表3所示。

表1 南祁連盆地木里坳陷泥質烴源巖評價標準

表2 國內外研究單位及學者提出的碳酸鹽巖生油巖有機質豐度下限值（郝石生，1996）

由于研究區僅西南部出露小范圍中三疊系大加連組的地層，在此不對其碳酸鹽巖烴源巖作資源評價。

在瑪莫合隴阿地區的三疊統所采的樣品顯示，尕勒德寺組中下段烴源巖發育較好，有機碳含量最高可達到11.82%，平均在2.4%左右，屬于中等～好烴源巖。Tmax一般在500℃以上，熱演化程度較高。產油潛率平均為0.07%，考慮到地表因素的綜合作用和變質作用的影響，產油潛率應該比實測值高。熱解烴含量平均為0.04%，游離烴大多為0.01%，部分還未能測出。分析其主要原因是因為地表樣品遭后期強烈變質所致。烴指數平均為1.05，降解率平均為0.34%。

該組有機碳含量直方圖如下（圖2）：生油巖樣品數8個，有機碳含量大于1%所占樣品數為樣品總數的62%，根據分類標準（表1），90%以上的樣品都達到了烴源巖的下限標準。

圖2 上三疊統尕勒得寺組TOC分布直方圖

4 有機質類型

烴源巖中有機質不同的來源決定著其生油或生氣潛力，因此研究有機質類型就是為了判斷其生烴類型及生烴潛力的大小。烴源巖中沉積有機質的類型變化很大，這些沉積有機質在熱演化過程中具有不同的生烴潛力，并轉化為不同類型的干酪根。干酪根是沉積有機質的主體，約占總有機質的80%，一般I型干酪根生油量最大，III型干酪根生氣量最大，其余的都介于他們二者之間。干酪根主要由碳、氫、氧和少量硫、氮組成，含脂肪族化合物甚多，環狀化合物占優勢。

干酪根的元素及化合物組成和結構變化很大，干酪根的類型和演化程度不同，具有不同的結構模型。所有的沉積有機質大致可以分為腐泥型和腐殖類，前者是指脂肪族有機質在缺氧條件下分解和聚合的產物，來源于海洋或湖泊環境水下淤泥中的孢子及浮游類生物，可以形成石油、油頁巖、藻煤和濁煤。后者是指泥炭形成的產物，來自有氧條件下沼澤環境的陸生高等植物，主要可以形成天然氣和腐殖煤，在一定條件下也可以形成石油。

研究烴源巖有機質類型的方法很多，常用的有干酪根元素組成分析法、巖石熱解氫指數及氧指數分析法、干酪根碳同位素分析法、干酪根有機組分鏡檢和干酪根紅外光譜分析法等。圍繞上述分析內容建立了很多評價參數及有機質類型劃分標準，目前常用的標準有三類四分或者五分法，本次研究采用三類四分法，見表3。

表3 烴源巖有機質類型劃分標準（SY/T5735-1995）

尕勒得寺組（T3g）泥巖干酪根顯微組份除不含腐泥組外，類脂組含量平均為77%，多數在70%～80%之間。鏡質組含量平均值為14.2%，惰質組含量平均值為9%，說明泥巖干酪根多為生物降解的陸生生物，泥質類烴源巖的有機質以陸源為主。

圖3 Tmax與氫指數HI劃分烴源巖類型圖版

本次研究采用烴源巖熱解氫指數HI和降解潛率D分析確定南祁連盆地木里地區烴源巖有機質類型（圖3，圖4）。有機質類型分類時通常要考慮烴源巖的熱演化程度對HI的影響，通常成熟度較高的烴源巖轉化為可溶烴（S1）的比例較高，相應的S2含量就較小，HI就越低，因而常采用HI-Tmax圖版對烴源巖有機質進行類型劃分。在本研究區的樣品中對干酪根的類型做了一定的分析后發現，干酪根類型全部都為III型干酪根，這說明研究區內的干酪根類型為腐殖型，以高等植物的輸入為主。

圖4 Tmax與降解潛率D劃分烴源巖類型圖版

5 成熟度

成熟度是有機質成烴的演化程度，有機質成熟度參數是評價各地質時期沉積盆地烴源巖和油氣演化的重要指標。本次研究應用巖石熱解參數特征來評價烴源巖的成熟度。有機質埋藏深度越大，溫度越高，干酪根的側鏈基團將不斷從低鍵能到高鍵能依次發生斷裂，因此所需的能量也逐漸增大。反應在巖石熱解分析上，烴源巖熱解烴峰的峰頂溫度Tmax（℃）也隨埋深的增大和地層時代變老而增高。近些年我國學者建立了烴源巖最高熱解峰劃分有機質熱演化階段的標準（表4）。

表4 我國生油巖Tmax劃分成熟度標準/℃（許懷先等，2001）

本次測試了7組上三疊統尕勒德寺組野外露頭樣品（表5），結果顯示最高熱解峰溫（Tmax）為547～580℃，平均為564℃，反應烴源巖處于成熟演化階段的上限。

謝其鋒等［5］（2011）對木里坳陷尕勒寺組泥質類烴源巖進行測試，得出鏡質體反射率（R0）的結果為1.21%～1.5%，平均值為1.37%，說明上三疊統尕勒德寺組泥質類烴源巖已經進入高成熟期凝析油—濕氣階段。這與本次熱解試驗的結果相一致，由此可以推測上三疊統已經進入高成熟至過成熟階段。

表5 上三疊尕勒得寺組（T3g）暗色泥巖有機質成熟度

6 結論

木里盆地三疊系尕勒得寺組發育有泥巖為主的烴源巖，以東西向展布。大部分地區有機碳的平均含量為2.4%，處于中等烴源巖的分布范圍。有機質類型為Ⅲ型腐泥質，以產氣為主。成熟度以及進入高成熟至成熟階段。綜合三疊系尕勒得寺組烴源巖的分布、有機質豐度、有機質類型、熱演化程度分析，全面的分析研究認為三疊系尕勒得寺組烴源巖最為有利生烴層位，具有良好的生烴潛力。

研究木里盆地區三疊系烴源巖，同時評價生烴潛力對于我們開辟青海東北部油氣地質調查新區與工作部署提供依據。也為凍土區其他地方的烴源巖的研究提供科學的對比分析的科學案例，為我們進一步緩解能源問題做出科學的貢獻。

［1］祝有海，張永勤，文懷軍，等.祁連山多年凍土區天然氣水合物的形成條件［J］.地球學報，2010，（31）1：7-16.

［2］林鷹.“可燃冰”——有望成為21世紀新能源［J］.交通與運輸，2012（3）：26-27.

［3］周幼吾，郭東信，邱國慶，等.中國凍土［M］.北京：科學出版社，2000：10-450.

［4］盧大業.淺議“天然氣水合物— —可燃冰”［J］.高校論壇，2007（7）：320.

［5］謝其鋒，周立發，馬國福，等.南祁連盆地三疊系烴源巖有機地球化學特征［J］.北京大學學報，2011，47（6）：1034-1040.

［6］郝石生，高崗，等.高成熟海相烴源巖［M］.北京：石油工業出版社，1996.

［7］南征兵，張燕玲，李永鐵.羌塘盆地中朱羅統布曲組烴源巖評價［J］.油氣地質與采收率，（2012，1913）：15-21.

［8］成海燕，李安龍，龔建明.陸相烴源巖評價參數淺析［J］.海洋地質動態，2007，（24）2：6-10.