袁二軍，崔 彬，馮小偉，王占林

（1.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海 西寧 810000；2.中國地質(zhì)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010100；4.西部礦業(yè)股份有限公司鋅業(yè)分公司，青海 西寧 810000）

天然氣水合物是20世紀(jì)科學(xué)考察中發(fā)現(xiàn)的一種新的礦產(chǎn)資源。它是水和天然氣在高壓和低溫條件下混合時(shí)產(chǎn)生的一種固態(tài)物質(zhì)，外貌極像冰雪或固體酒精，點(diǎn)火即可燃燒，有“可燃水”、“氣冰”、“固體瓦斯”之稱，被譽(yù)為21世紀(jì)具有商業(yè)開發(fā)前景的戰(zhàn)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(diǎn)燃，燃燒后幾乎不產(chǎn)生任何殘?jiān)?，污染比煤、石油、天然氣都要小得多?］。1m3可燃冰可轉(zhuǎn)化為164m3的天然氣和0.8m3的水。全世界擁有的常規(guī)石油天然氣資源，將在40年或50年后逐漸枯竭。而科學(xué)家估計(jì)，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(xué)家譽(yù)為“未來能源”、“21世紀(jì)能源”。迄今為止，全球至少有30多個(gè)國家和地區(qū)在進(jìn)行“可燃冰”的研究與調(diào)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(qū)的土壤層中，中國天然氣水合物的分布領(lǐng)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(qū)2008年11月5日DK-1孔首次發(fā)現(xiàn)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(jīng)激光拉曼測試證實(shí)為天然氣水合物，這是在中國凍土區(qū)首次發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，同時(shí)也是世界中緯度高山凍土區(qū)首次發(fā)現(xiàn)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(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。

1 南祁連盆地東北部木里地區(qū)區(qū)域地質(zhì)概括

中國多年凍土面積達(dá)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(qū)主要分布于青藏高原、大興安嶺及其他高山地區(qū)（圖1）。

圖1 中國凍土區(qū)天然氣水合物找礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測（凍土分布范圍據(jù)參考文獻(xiàn)）

祁連山是天然氣水合物有利勘探Ⅱ級選區(qū)，同時(shí)也是中國西部多年凍土廣泛分布的地區(qū)之一，多年凍土區(qū)面積約10×104km2。區(qū)內(nèi)山脈與盆地相間排列，山脈主峰海拔大都超過5000m，盆地區(qū)一般為3500～4000m。祁連山總體上屬于高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，日平均氣溫低于等于0℃的天數(shù)每年有160～240天不等。在海拔2700～4100m的地帶內(nèi)，年平均氣溫為0.7～－5.8℃，這為凍土發(fā)育提供了有利條件?，F(xiàn)有資料表明，祁連山南坡凍土區(qū)下界大致在海拔3700～3900m處，主要沿拉脊山－青海南山－柴達(dá)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(qū)下界與年平均氣溫為－2～－2.5℃。平面上可分成連續(xù)凍土區(qū)和島狀凍土區(qū)，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(nèi)發(fā)育兩段巨大的斷裂構(gòu)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(fā)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?guī)r、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(tǒng)、上第三系等沉積，盡管期間經(jīng)歷了多期的抬升運(yùn)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(qū)。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(fā)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(diǎn)研究地層。為此，筆者在詳細(xì)分析三疊系烴源巖特征的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行綜合評價(jià)。

2 烴源巖的分布特征

盆地內(nèi)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(xì)－粉砂巖、黑色泥巖、粉砂質(zhì)頁巖與灰－淺灰色長石砂巖、雜砂巖夾碳質(zhì)頁巖、薄煤層及煤線組成的韻律層。砂質(zhì)頁巖中偶見直徑過1m的灰?guī)r結(jié)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(xì)－粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾碳質(zhì)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(zhì)泥巖、深灰色細(xì)砂巖與碳質(zhì)頁巖互層狀產(chǎn)出，偶夾不等粒石英粗砂巖。三疊系尕勒得寺組地層呈現(xiàn)東西方向展布，主要發(fā)育一套濱淺湖相到半湖相的沉積建造。

3 有機(jī)質(zhì)豐度

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

有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)踐，對于泥質(zhì)烴源巖而言，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為有機(jī)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(jī)碳含量下限值有較大的分歧，不同的地區(qū)有不同的下限值。由表2可知，碳酸鹽巖烴源巖的總有機(jī)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(jī)質(zhì)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(nèi)的研究成果，南祁連盆地木里地區(qū)碳酸鹽巖烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表1 南祁連盆地木里坳陷泥質(zhì)烴源巖評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 國內(nèi)外研究單位及學(xué)者提出的碳酸鹽巖生油巖有機(jī)質(zhì)豐度下限值（郝石生，1996）

由于研究區(qū)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(jià)。

在瑪莫合隴阿地區(qū)的三疊統(tǒng)所采的樣品顯示，尕勒德寺組中下段烴源巖發(fā)育較好，有機(jī)碳含量最高可達(dá)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(chǎn)油潛率平均為0.07%，考慮到地表因素的綜合作用和變質(zhì)作用的影響，產(chǎn)油潛率應(yīng)該比實(shí)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?yàn)榈乇順悠吩夂笃趶?qiáng)烈變質(zhì)所致。烴指數(shù)平均為1.05，降解率平均為0.34%。

該組有機(jī)碳含量直方圖如下（圖2）：生油巖樣品數(shù)8個(gè)，有機(jī)碳含量大于1%所占樣品數(shù)為樣品總數(shù)的62%，根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)（表1），90%以上的樣品都達(dá)到了烴源巖的下限標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 上三疊統(tǒng)尕勒得寺組TOC分布直方圖

4 有機(jī)質(zhì)類型

烴源巖中有機(jī)質(zhì)不同的來源決定著其生油或生氣潛力，因此研究有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)的類型變化很大，這些沉積有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中具有不同的生烴潛力，并轉(zhuǎn)化為不同類型的干酪根。干酪根是沉積有機(jī)質(zhì)的主體，約占總有機(jī)質(zhì)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(huán)狀化合物占優(yōu)勢。

干酪根的元素及化合物組成和結(jié)構(gòu)變化很大，干酪根的類型和演化程度不同，具有不同的結(jié)構(gòu)模型。所有的沉積有機(jī)質(zhì)大致可以分為腐泥型和腐殖類，前者是指脂肪族有機(jī)質(zhì)在缺氧條件下分解和聚合的產(chǎn)物，來源于海洋或湖泊環(huán)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(chǎn)物，來自有氧條件下沼澤環(huán)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(jī)質(zhì)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(shù)及氧指數(shù)分析法、干酪根碳同位素分析法、干酪根有機(jī)組分鏡檢和干酪根紅外光譜分析法等。圍繞上述分析內(nèi)容建立了很多評價(jià)參數(shù)及有機(jī)質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，目前常用的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)（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(shù)在70%～80%之間。鏡質(zhì)組含量平均值為14.2%，惰質(zhì)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(zhì)類烴源巖的有機(jī)質(zhì)以陸源為主。

圖3 Tmax與氫指數(shù)HI劃分烴源巖類型圖版

本次研究采用烴源巖熱解氫指數(shù)HI和降解潛率D分析確定南祁連盆地木里地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型（圖3，圖4）。有機(jī)質(zhì)類型分類時(shí)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(zhuǎn)化為可溶烴（S1）的比例較高，相應(yīng)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(jī)質(zhì)進(jìn)行類型劃分。在本研究區(qū)的樣品中對干酪根的類型做了一定的分析后發(fā)現(xiàn)，干酪根類型全部都為III型干酪根，這說明研究區(qū)內(nèi)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(jī)質(zhì)成烴的演化程度，有機(jī)質(zhì)成熟度參數(shù)是評價(jià)各地質(zhì)時(shí)期沉積盆地?zé)N源巖和油氣演化的重要指標(biāo)。本次研究應(yīng)用巖石熱解參數(shù)特征來評價(jià)烴源巖的成熟度。有機(jī)質(zhì)埋藏深度越大，溫度越高，干酪根的側(cè)鏈基團(tuán)將不斷從低鍵能到高鍵能依次發(fā)生斷裂，因此所需的能量也逐漸增大。反應(yīng)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(shí)代變老而增高。近些年我國學(xué)者建立了烴源巖最高熱解峰劃分有機(jī)質(zhì)熱演化階段的標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

表4 我國生油巖Tmax劃分成熟度標(biāo)準(zhǔn)/℃（許懷先等，2001）

本次測試了7組上三疊統(tǒng)尕勒德寺組野外露頭樣品（表5），結(jié)果顯示最高熱解峰溫（Tmax）為547～580℃，平均為564℃，反應(yīng)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(zhì)類烴源巖進(jìn)行測試，得出鏡質(zhì)體反射率（R0）的結(jié)果為1.21%～1.5%，平均值為1.37%，說明上三疊統(tǒng)尕勒德寺組泥質(zhì)類烴源巖已經(jīng)進(jìn)入高成熟期凝析油—濕氣階段。這與本次熱解試驗(yàn)的結(jié)果相一致，由此可以推測上三疊統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)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(jī)質(zhì)成熟度

6 結(jié)論

木里盆地三疊系尕勒得寺組發(fā)育有泥巖為主的烴源巖，以東西向展布。大部分地區(qū)有機(jī)碳的平均含量為2.4%，處于中等烴源巖的分布范圍。有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型腐泥質(zhì)，以產(chǎn)氣為主。成熟度以及進(jìn)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(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度分析，全面的分析研究認(rèn)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(qū)三疊系烴源巖，同時(shí)評價(jià)生烴潛力對于我們開辟青海東北部油氣地質(zhì)調(diào)查新區(qū)與工作部署提供依據(jù)。也為凍土區(qū)其他地方的烴源巖的研究提供科學(xué)的對比分析的科學(xué)案例，為我們進(jìn)一步緩解能源問題做出科學(xué)的貢獻(xiàn)。

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

［2］林鷹.“可燃冰”——有望成為21世紀(jì)新能源［J］.交通與運(yùn)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(xué)出版社，2000：10-450.

［4］盧大業(yè).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(fā)，馬國福，等.南祁連盆地三疊系烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yè)出版社，1996.

［7］南征兵，張燕玲，李永鐵.羌塘盆地中朱羅統(tǒng)布曲組烴源巖評價(jià)［J］.油氣地質(zhì)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(jià)參數(shù)淺析［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，2007，（24）2：6-10.