祁連山凍土區(qū)木里三疊系烴源巖地球化學(xué)特征

程青松，龔建明，張　敏，王偉超，李永紅，李智高，蔣玉波,4

(1.長(zhǎng)江大學(xué)　地球環(huán)境與水資源學(xué)院，湖北　武漢430100；2.青島海洋地質(zhì)研究所，山東　青

島266071；3.青海煤炭地質(zhì)105勘探隊(duì)，青?！∥鲗?10007；4.中國(guó)海洋大學(xué)　海洋地球

科學(xué)學(xué)院，山東　青島266100)

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祁連山凍土區(qū)木里三疊系烴源巖地球化學(xué)特征

程青松1，龔建明2，張敏1，王偉超3，李永紅3，李智高2，蔣玉波2,4

(1.長(zhǎng)江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院，湖北武漢430100；2.青島海洋地質(zhì)研究所，山東青

島266071；3.青海煤炭地質(zhì)105勘探隊(duì)，青海西寧810007；4.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球

科學(xué)學(xué)院，山東青島266100)

摘要：為了查明祁連山凍土區(qū)木里天然氣水合物的氣源，開(kāi)展凍土區(qū)三疊系烴源巖研究工作。按照深度順序，對(duì)JN井1300多米的巖心取芯，然后和露頭樣品一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。首先對(duì)采集到的36個(gè)樣品進(jìn)行常規(guī)的有機(jī)碳和巖石熱解實(shí)驗(yàn)，分析其成熟度和生烴潛力；然后選出9個(gè)樣品進(jìn)行有機(jī)巖石學(xué)顯微組分鏡下鑒定；最后遴選出4個(gè)樣品進(jìn)行索氏抽提實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行色譜-質(zhì)譜分析檢測(cè)。研究結(jié)果表明，該區(qū)三疊系烴源巖基本處于高成熟階段；有機(jī)質(zhì)為Ⅱ型和Ⅲ型，有機(jī)質(zhì)來(lái)源為混源輸入，為陸表海-濱海三角洲相沉積；有機(jī)質(zhì)豐度較高，為中等-好烴源巖。綜合分析認(rèn)為，凍土區(qū)三疊系烴源巖可能是該區(qū)天然氣水合物的有利供氣源巖。

關(guān)鍵詞：三疊系；烴源巖；成熟度；豐度；類型；生物標(biāo)志化合物；顯微組分

GeochemicalCharacteristicsofTriassicsourcerocksfrom

天然氣水合物廣泛分布于海底沉積物和陸上凍土帶中，其資源量是煤和石油總和的兩倍，是一種非常重要的潛在能源。各國(guó)先后都投入到了研究天然氣水合物的潮流中[1-2]。我國(guó)是世界第三大凍土國(guó)家，其主要分布在青藏高原地區(qū)，祁連山凍土區(qū)是天然氣水合物的重要潛在區(qū)。從2002年開(kāi)始,野外地質(zhì)和地球化學(xué)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)了一些異?，F(xiàn)象[5-8]。2008～2009年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在祁連山南緣多年凍土區(qū)實(shí)施天然氣水合物科學(xué)鉆探試驗(yàn)，成功采集到天然氣水合物實(shí)物樣品，實(shí)現(xiàn)我國(guó)陸上凍土區(qū)天然氣水合物的勘查突破。鉆探結(jié)果顯示，我國(guó)陸域凍土區(qū)的天氣水合物有著低緯度、高海拔、埋藏淺、成因復(fù)雜、含烴重、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。主要產(chǎn)在泥巖或粉砂巖裂隙中，其次產(chǎn)在砂巖孔隙中，其產(chǎn)狀不穩(wěn)定，在水平和垂直方向上產(chǎn)出均不連續(xù)，賦存規(guī)律不明顯[10]。要想弄清這些問(wèn)題，需要查明該區(qū)天然氣水合物的氣體成因或來(lái)源，進(jìn)而研究其成藏機(jī)理。該區(qū)天然氣水合物產(chǎn)在煤系地層中，油頁(yè)巖發(fā)育，可見(jiàn)油氣顯示現(xiàn)象，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。本文就以JN井和周?chē)额^的三疊系烴源巖為例，對(duì)凍土區(qū)三疊系烴源巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行研究和分析，為以后的氣源對(duì)比工作提供資料。

1區(qū)域地質(zhì)背景

祁連山凍土區(qū)位于青藏高原東北部，自震旦紀(jì)以來(lái)，先后經(jīng)歷了大陸裂谷、洋底擴(kuò)張、溝弧盆體系、造山等演化階段而形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局。該區(qū)自下而上發(fā)育4套烴源巖:石炭系暗色泥(灰)巖，下二疊統(tǒng)草地溝組暗色灰?guī)r，上三疊統(tǒng)尕勒得寺組暗色泥巖，侏羅系木里和江倉(cāng)組暗色泥頁(yè)巖，這些有機(jī)質(zhì)處于成熟-過(guò)成熟階段，具有良好的生油氣潛力[1-2]。

現(xiàn)今，祁連山凍土區(qū)以山地多年凍土為主，凍土面積約10000km2，連續(xù)凍土區(qū)內(nèi)年平均氣溫為-1.5℃～2.4℃，凍土層厚度50～139m；島狀凍土區(qū)內(nèi)年平均氣溫-1.5℃～0℃，凍土層幾米、幾十米不等。本次鉆探的JN井位于青海省天峻縣木里煤田聚乎更礦區(qū)三露天井田，緊鄰2008年水合物發(fā)現(xiàn)井DK-2井。區(qū)域構(gòu)造圖如圖1所示：

2實(shí)驗(yàn)和樣品

為了研究此次采集到的三疊系烴源巖地球化學(xué)特征，對(duì)采集到的36個(gè)樣品按要求依次進(jìn)行了常規(guī)的有機(jī)碳和巖石熱解實(shí)驗(yàn)，有機(jī)巖石學(xué)顯微組分鏡下鑒定，索氏抽提實(shí)驗(yàn)和色譜-質(zhì)譜分析檢測(cè)。有機(jī)碳分析采用OGM-Ⅱ型儀器，用5%的稀鹽酸去掉碳酸鹽礦物,然后在900℃高溫下將有機(jī)質(zhì)灼燒成CO2,測(cè)得有機(jī)碳含量。巖石熱解用Rock-Eval儀,載氣為高純N2，在300℃下恒溫3min,檢測(cè)游離烴S1,然后以50℃/min的速率升溫到500℃,恒溫1min,檢測(cè)裂解烴S2。可溶有機(jī)質(zhì)族組分分離：樣品粉碎至100目加銅片去硫索氏抽提72h，正己烷沉淀瀝青質(zhì)，用氧化鋁色層柱進(jìn)行族組分分離，正己烷、正己烷/二氯甲烷和三氯甲烷/無(wú)水乙醇為沖洗劑，分別得到飽和烴、芳烴和非烴。用GC-MS對(duì)飽和烴進(jìn)行分析，GC-MS分析條件為：Agilent6890N/5995MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,色譜柱為HP5-MS石英彈性毛細(xì)柱(30m×0.25mm×0.25μm)。升溫程序：初溫50℃，恒溫2min，以20℃/min的速率升溫至100℃，再以3℃/min的速率升溫至310℃，恒溫15min。脈沖不分流方式進(jìn)樣，進(jìn)樣器溫度300℃，載氣為He，流速1mL/min，電離能量70eV，檢測(cè)方式為全掃描(SCAN)/多離子檢測(cè)(SIN)。

3烴源巖基本地球化學(xué)特征

3.1　有機(jī)質(zhì)成熟度

30個(gè)井下和6個(gè)露頭樣品的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。分析熱解峰溫Tmax介于319℃～565℃之間，均值為465.92℃。從圖2可見(jiàn)，樣品均已進(jìn)入成熟-高過(guò)成熟，同時(shí)，在300m和1000m左右，成熟度偏低。研究表明，有樹(shù)脂體存在的烴源巖Tmax值普遍偏低。推測(cè)300m和1000m左右的烴源巖有機(jī)質(zhì)類型較好。鏡質(zhì)體反射率(Ro)是目前研究干酪根熱演化和成熟度的最佳參數(shù)。表2顯示，泥巖的Ro值為0.805%～1.669%。根據(jù)國(guó)外石油工業(yè)界生油巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(Cassa﹠Peters，1994)，研究區(qū)三疊系烴源巖均已進(jìn)入高成熟階段。

表1　木里三疊系烴源巖有機(jī)地球化學(xué)測(cè)試結(jié)果

表2　木里三疊系烴源巖有機(jī)巖石學(xué)測(cè)試結(jié)果

3.2　有機(jī)質(zhì)豐度

JN井泥巖樣品的有機(jī)碳含量(TOC)絕大多數(shù)大于0.5%，介于0.58%～2%之間，平均值為1.18%，達(dá)到中等-好烴源巖，在深度超過(guò)1000m之后，有機(jī)碳含量有增大的趨勢(shì)；從烴指數(shù)來(lái)看，大部分樣品在8～30mg/gTOC之間，平均值為20.2mg/gTOC，屬于好烴源巖；而從巖石熱解生烴潛量來(lái)看，其數(shù)值介于0.05～18mg/g，平均值為1.45mg/g，未達(dá)到好烴源巖的下限標(biāo)準(zhǔn)。生烴潛量與有機(jī)碳的評(píng)價(jià)結(jié)果差距較大，因?yàn)殡S著有機(jī)質(zhì)熱演化程度的增加，烴類大量排出導(dǎo)致生成的烴量急劇減少，所測(cè)的氯仿瀝青“A”、總烴HC、“S1+S2”等參數(shù)的評(píng)價(jià)不可靠。

鐘寧寧等人經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨烴源巖埋深增加，TOC并不會(huì)相應(yīng)地降低。所以對(duì)于高-過(guò)成熟演化階段的烴源巖，TOC對(duì)于有機(jī)質(zhì)豐度的判別依然是可靠的。前已述及，木里JN井三疊系烴源巖樣品均處于高成熟階段，因此主要依據(jù)TOC來(lái)判斷其有機(jī)質(zhì)豐度，其他指標(biāo)作為參考。根據(jù)黃第藩(1992)提出的陸相烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)TOC-“S1+S2”關(guān)系圖分析可知(圖3)，研究區(qū)三疊系烴源巖均為較好-好的烴源巖，具有好的生烴潛力。

3.3　有機(jī)質(zhì)類型

烴源巖全巖有機(jī)顯微組分的組成特征及含量反映有機(jī)質(zhì)的類型和生烴潛力(尤其是富氫顯微組分)。根據(jù)圖4(a)，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型與Ⅱ2型為主。根據(jù)圖4(b)，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2型和Ⅲ型。綜合分析認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2-Ⅲ型，具有良好的生烴潛力。

根據(jù)石油工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)(1986)，Ⅰ型干酪根，TI≥80；Ⅱ1型干酪根，40≤TI<80；Ⅱ2型干酪，0≤TI<40；Ⅲ型干酪根，TI<0。根據(jù)表2計(jì)算得到TI的值為-2.3～12.9，表明有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根。

3.4　沉積環(huán)境

30個(gè)井下和6個(gè)露頭烴源巖樣品的生物標(biāo)志化合物指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　木里三疊系烴源巖生物標(biāo)志化合物指標(biāo)參數(shù)

注:1：Ro；2：CPI；3：(nC27+nC29+nC31+nC33)/(nC28+nC30+nC32+nC34)；4：(nC13+nC15+nC17+nC19+nC21+nC23+nC25)/(nC14+nC16+nC18+nC20+nC22+nC24+nC26)；5：Pr/Ph；6：Pr/nC17；7：Ph/nC18；8：C24TeT/C26TT；9：G/C30H；10：C27甾烷/(C27+C28+C29)甾烷×100；11：C28甾烷/(C27+C28+C29)甾烷×100；12：C29甾烷/(C27+C28+C29)甾烷×100

表3顯示，樣品的Ro值為1.026%～1.669%，為成熟-高成熟烴源巖。CPI值為1.14～1.35；Pr/Ph的值為0.14～0.95，表現(xiàn)出奇碳優(yōu)勢(shì)。表3中的3號(hào)指標(biāo)普遍大于1.4，而4號(hào)指標(biāo)的比值為0.88～0.96，這一現(xiàn)象表明高碳數(shù)正構(gòu)烷烴(nC13-nC26)奇偶優(yōu)勢(shì)不明顯，(nC27-nC35)具有明顯奇偶優(yōu)勢(shì)，如圖5(a)。這說(shuō)明木里三疊系烴源巖呈現(xiàn)的奇碳優(yōu)勢(shì)并非是有機(jī)質(zhì)成熟度低引起的,而是由有機(jī)質(zhì)生源特征決定的[10]。

根據(jù)梅博文提出的劃分標(biāo)準(zhǔn)[11]，推斷研究區(qū)為淡水-微咸水沉積環(huán)境。根據(jù)圖5(c)G/C30H的值普遍小于0.15，以及圖5(d)C24Te/C26TT的值均小于1.5，表明為海相沉積環(huán)境[12]。表3和圖5(b)顯示，C29甾烷>C27甾烷>C28甾烷，這說(shuō)明研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的生源輸入高等植物大于水生生物[13]。通過(guò)C29甾烷-C27甾烷-C28甾烷三角圖(圖6)可以看出，烴源巖有機(jī)質(zhì)輸入為混源輸入。因此綜合分析研究區(qū)三疊系主要為陸表?；?yàn)I淺海前三角洲相沉積環(huán)境。

4結(jié)論

1)祁連山凍土區(qū)木里煤田三疊系烴源巖中泥巖的Ro值為0.805%～1.669%。Tmax值介于319℃～565℃之間，均值為465.92℃?？傮w上，三疊系烴源巖處于高成熟階段。

2)通過(guò)對(duì)TOC、“S1+S2”、IH等指標(biāo)及其相關(guān)圖件的綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)三疊系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度總體較高，為中等-好烴源巖。

3)研究區(qū)三疊紀(jì)地層的有機(jī)質(zhì)成熟度在600m和1300m左右出現(xiàn)峰值，這可能與有機(jī)質(zhì)顯微組分的組成有關(guān)，不同的顯微組分在經(jīng)歷相同的熱演化史之后會(huì)表現(xiàn)出不同的成熟度。

4)Tmax-IH和Tmax-D的相關(guān)關(guān)系圖以及有機(jī)顯微組分三角圖，TI值都表明研究區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型和Ⅲ型，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)來(lái)源為混源輸入。

5)通過(guò)對(duì)生物標(biāo)志化合物CPI、Pr/Ph、C24Te/C26TT等指標(biāo)以及G/C30HPr/nC17-Ph/nC18的相關(guān)關(guān)系圖及C29甾烷-C27甾烷-C28甾烷三角圖的分析，可以判斷沉積環(huán)境可能為還原環(huán)境的陸表海-濱海三角洲沉積。

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(責(zé)任編輯王利君)

theMuliQilianMountainpermafrost

CHENGQing-song1,GONGJian-ming2,ZHANGMin1,WANGWei-chao3,

LIYong-hong3,LIZhi-gao2,JIANGYu-bo4

(1.SchoolofEarthEnvironmentandWaterResources,YangtzeUniversity,HubeiWuhan430100,China;

2.QingdaoInstituteofMarineGeology,ShandongQingdao266071,China;3.No.105ExplorationTeam,

QinghaiBureauofCoalGeologicalExploration,QinghaiXining810007,China;4.SchoolofMarineGeosciences,

OceanUniversityofChina;ShandongQingdao266071,China)

Abstract：InordertofindoutthegassourceofgashydrateinMulicoalfield,QilianMountainpermafrost,geochemicalcharacteristicsofTriassicsourcerocksarestudied.Accordingtothedepth,36TriassicsamplesofJNwellwerecollected.First,foranalysisofthematurityandhydrocarbonpotential,thenormalgeochemicalexperiments,forexample,rockpyrolysisandanalysisoforganiccarbonwerecompleted.Then9sampleswereselectedtocarryoutthemicroscopicalmaceralidentificationoforganicpetrologytest.Finally,4sampleswerestudiedbySoxhletextractionandGC-MStest.TheresultsshowedthatresearchregionTriassicsourcerocksmostlyareinhighmaturitystage;OrganicmattersmainlybelongtoⅡ-Ⅲtype,whicharemainlyfromhigherplantsandloweraquaticorganismsmixedsources;thesedimentaryenvironmentistheepicontinentalseaandshore-delta;Organicmatterabundanceisinrelativelyhigh,belongingtomid-goodsourcerocks.

Keywords：sourcerocks；maturity；abundanceoforganicmatter；organicmattertype；organicpetrology;Triassic

中圖分類號(hào)：P618.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0084-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.018

作者簡(jiǎn)介：程青松(1990-)，男，湖北崇陽(yáng)人，碩士，從事油氣地球化學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41273066)

收稿日期：2015-07-30