OYEBANJO O M， AJAYI T R， TCHOKOSSA P（.Natural History Museum， Obafemi Awolowo University； .Department of Geology， Obafemi Awolowo University；.Department of Physics， Obafemi Awolowo University）

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尼日利亞Gongola盆地地層放射性熱產(chǎn)量與生烴潛力

OYEBANJO O M1， AJAYI T R2， TCHOKOSSA P3
（1.Natural History Museum， Obafemi Awolowo University； 2.Department of Geology， Obafemi Awolowo University；3.Department of Physics， Obafemi Awolowo University）

摘要：以取自尼日利亞上貝努埃地槽Gongola盆地Kolmani-1井的樣品為基礎(chǔ)，對其放射性熱產(chǎn)量進(jìn)行了估算，并對放射性熱產(chǎn)量對沉積物生油氣潛力的影響進(jìn)行了分析。研究采用精確標(biāo)定的碘化鈉伽馬射線檢測系統(tǒng)，對不同層組的38塊樣品（取樣間隔73.2 m，包括砂巖、頁巖、含煤頁巖、砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)砂巖）進(jìn)行了40K、238U及232Th的放射性分析。研究結(jié)果表明，沉積物中放射性元素的放射性濃度存在顯著變化，40K濃度最高；沉積物放射性熱產(chǎn)量為228.44～1 412.82 pW/kg；Kolmani-1井砂巖和砂質(zhì)頁巖屬于低熱產(chǎn)量沉積物，含煤頁巖、頁巖及泥質(zhì)砂巖屬于中熱產(chǎn)量沉積物，潛在烴源巖（頁巖和含煤頁巖層段）的放射性熱產(chǎn)量值主要位于中熱產(chǎn)量范圍（750～1500 pW/kg），同時(shí)具有生成液態(tài)烴和氣態(tài)烴的能力。此外，沉積物的放射性熱量約占盆地總地表熱通量的10.9%～20.9%，沉積物的放射性熱量是總地表熱通量的重要組成部分，應(yīng)將其納入盆地的熱模擬。圖3表3參21

關(guān)鍵詞：地層放射性；放射性熱產(chǎn)量；生烴潛力；Gongola盆地

0 引言

熱參數(shù)（如熱梯度、放射性熱產(chǎn)量（RHP）、熱通量）是衡量烴源巖熱成熟演化程度和盆地演化模擬的重要參數(shù)［1］，其中RHP是盆地?zé)釁?shù)分析的重要組成部分，但常常被忽略。盆地內(nèi)有機(jī)質(zhì)能否生烴主要取決于可用熱量能否使其成熟［2］，地球內(nèi)部的熱源主要來源于3個(gè)方面：行星吸積的原始能量，地核分凝與固化釋放的熱量，以及鈾（U）、釷（Th）、鉀（K）等放射性元素衰減產(chǎn)生的放射性熱產(chǎn)量，其中放射性熱產(chǎn)量又包括3部分：巖石圈產(chǎn)熱［2-3］，盆地之下的地殼（即基底）產(chǎn)熱，以及盆地內(nèi)沉積巖產(chǎn)熱。與基底相比，沉積物的放射性熱產(chǎn)量測量值存在顯著變化，從頁巖到泥巖、砂巖、煤層、碳酸鹽巖以及蒸發(fā)巖，RHP通常呈下降趨勢［4-5］。巖石圈和地殼熱源所產(chǎn)生的熱量通過構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（斷裂作用、鹽底辟等）或流體流動(dòng)傳導(dǎo)（對流）至盆地［6］。因此，地層的熱通量值應(yīng)等于下伏基底的熱通量值和沉積物內(nèi)部熱產(chǎn)量貢獻(xiàn)值的總和。Hermanrud［7］認(rèn)為盆地內(nèi)沉積地層的放射性熱產(chǎn)量通常微不足道，對熱流密度的貢獻(xiàn)僅占幾個(gè)百分點(diǎn)或更低，然而，Mckenna和Sharp［5］公開報(bào)道了美國德克薩斯州海灣地區(qū)多個(gè)層段的沉積物熱產(chǎn)量測量值，其結(jié)果表明該區(qū)域的地層熱產(chǎn)量值很高，并強(qiáng)烈建議盆地模擬時(shí)不能忽略沉積物的熱產(chǎn)量。目前，尼日利亞上貝努埃地槽沉積物烴源巖生烴潛力評價(jià)大多側(cè)重于有機(jī)地球化學(xué)評價(jià)，少量數(shù)據(jù)涉及Yola盆地和乍得盆地尼日利亞部分的放射性熱產(chǎn)量及其對總體熱參數(shù)的影響［8-9］，本項(xiàng)研究旨在評估尼日利亞上貝努埃地槽Gongola盆地地層放射性熱產(chǎn)量及其對沉積物生烴的影響。

1 研究區(qū)概況

Gongola盆地是一個(gè)呈北北東—南南西走向的裂谷盆地（見圖1），長約800 km，寬約150 km，盆地內(nèi)充填厚約6 000 m的白堊系—第三系沉積。Gongola盆地與Yola盆地共同構(gòu)成上貝努埃地槽，Gongola盆地的演化與貝努埃地槽的形成有關(guān)，眾多文獻(xiàn)對其進(jìn)行了不同的論述，目前仍存有爭議，King及Obaje［10-11］首次提出貝努埃地槽的演化與非洲大陸—南美大陸分離所致的應(yīng)力有關(guān)；Benkhelil［12］認(rèn)為貝努埃地槽并不具有拉張?zhí)卣鳎怯蛇B接大洋轉(zhuǎn)換斷層的左旋走滑斷層構(gòu)成，因此，該地槽包含一系列拉張盆地和隆升凸起；另外Benkhelil［13］還認(rèn)為稍加修正的走滑模型適用于解釋貝努埃地槽的演化，即受控于拉張與走滑運(yùn)動(dòng)的綜合作用。Kolmani-1井完鉆于1999年，完鉆深度3 000 m，該井位于上貝努埃地槽Gongola盆地。

圖1　尼日利亞上貝努埃地槽Gongola盆地位置圖［11］

Gongola盆地和Yola盆地的地層柱狀圖見圖2。貝努埃地槽在主裂谷期之后隨即接受沉積，Carter等［14］在Thompson［15］所述的沉積層序內(nèi)識別出多套層組，其中包括Bima組、Yolde組、Pindiga組、Gombe組以及Kerri-Kerri組。研究區(qū)地質(zhì)與地層概況的詳細(xì)論述請參閱Oyebanjo等［16］的相關(guān)文獻(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)與方法

以73.15 m為取樣間隔，采取Kolmani-1井（井深18.30～2 724.90 m）的鉆井液池鉆屑樣品，共計(jì)對38塊樣品進(jìn)行了放射性測量。所取樣品包括砂巖、頁巖、泥質(zhì)砂巖及砂質(zhì)頁巖（部分含煤屑）。首先確定樣品密度。所有稱重操作均采用Obafemi Awolowo大學(xué)地質(zhì)系的ADAMPW 214電子天平。將樣品制備成粉末并稱重后置于密封良好的塑料容器至少28 d，以確保樣品達(dá)到長期平衡并避免226Ra泄露。與此同時(shí)，將一個(gè)空的容器稱重并密封相同天數(shù)，以此作為背景計(jì)數(shù)。

實(shí)驗(yàn)采用7.6 cm×7.6 cm碘化鈉（NaI）檢測儀確定40K、238U及232Th的放射性濃度，樣品計(jì)數(shù)時(shí)間為36 000 s。采用計(jì)算機(jī)求解方法評估光譜、計(jì)算伽馬輻射源的放射性濃度。以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用下述關(guān)系式計(jì)算放射性熱產(chǎn)量Qr［17］，Qr乘以密度數(shù)據(jù)后得到單位體積樣品熱產(chǎn)量：

式中 Qr——放射性元素?zé)岙a(chǎn)量，pW/kg；CU，CTh，CK——樣品中238U、232Th及40K的濃度，10-6。

圖2　貝努埃地槽和乍得盆地尼日利亞境內(nèi)部分的地層柱狀圖［11］

3 結(jié)果與討論

各樣品中3種同位素的放射性濃度和放射性熱產(chǎn)量分別見表1和表2。Gongola盆地的40K、238U及232Th放射性濃度分別為（67.42 ± 16.08）～（976.64 ± 124.67）Bq/kg、（11.56 ± 4.35）～（142.95 ± 19.87）Bq/kg及（7.09 ± 2.32）～（79.10 ± 17.84）Bq/kg。上述數(shù)值在沉積物內(nèi)存在顯著變化，砂巖、砂質(zhì)頁巖、含煤頁巖、頁巖以及泥質(zhì)砂巖中放射性元素平均放射性濃度大小順序如下：40K＞238U＞232Th，即Kolmani-1井沉積物中40K的放射性濃度高于其他兩種放射性核素（238U和232Th），這可能歸因于沉積物內(nèi)部存在含鉀礦物正長石和伊利石。

根據(jù)放射性總熱產(chǎn)量分類方案［8］：沉積物放射性總熱產(chǎn)量小于750 pW/kg為低熱產(chǎn)量，750～1 500 pW/kg為中熱產(chǎn)量，大于1 500 pW/kg為高熱產(chǎn)量。Kolmani-1井沉積物樣品放射性熱產(chǎn)量值為228.44～1 412.82pW/kg，以平均值為基礎(chǔ)，砂巖和砂質(zhì)頁巖屬于低熱產(chǎn)量沉積物，含煤頁巖、頁巖及泥質(zhì)砂巖屬于中熱產(chǎn)量沉積物。

與Gongola盆地不同，Yola盆地的煤層、砂巖、頁巖沉積物樣品分別屬于低熱產(chǎn)量、中熱產(chǎn)量及高熱產(chǎn)量［8］。由此說明上貝努埃地槽Yola盆地與Gongola盆地沉積物樣品的放射性特征存在顯著差異。

圖3顯示了Kolmani-1井沉積物的放射性熱產(chǎn)量隨深度的變化情況，放射性熱產(chǎn)量隨巖性和深度的不同呈不規(guī)則鋸齒狀。Kerri-Kerri組和Gombe組砂巖樣品的放射性熱產(chǎn)量值向下降低至低熱產(chǎn)量值（小于750 pW/kg），埋深約457 m處見放射性熱產(chǎn)量值突然增高，可能歸因于來源于238U的高熱值（F1500，見表2）。埋深750～2 200 m層段屬于中等熱產(chǎn)量區(qū)（750～1 500 pW/kg），對應(yīng)于含煤頁巖和頁巖層段，屬于Gombe、Pindiga、Yolde組的潛在烴源巖。Gongola盆地部分層組的油氣潛力有機(jī)地球化學(xué)評估結(jié)果見Obaje等［11］發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)：Pindiga組的總有機(jī)碳含量為0.40%～0.87%，熱解峰溫（Tmax）為419～429 ℃，氫指數(shù)（HI）為15～57 mg/g；Yolde組的總有機(jī)碳含量為0.55%～0.87%，熱解峰溫為427～442 ℃，氫指數(shù)為35～142 mg/g；樣品的氫指數(shù)與氧指數(shù)（OI）比值，以及氫指數(shù)與熱解峰溫比值表明，有機(jī)質(zhì)以Ⅲ型干酪根為主，除部分含煤頁巖層段存在Ⅰ型干酪根外，頁巖樣品僅具有生氣潛力，而含煤樣品具有生油潛力。

表1　Kolmani-1井沉積物中放射性元素濃度

由此說明，埋深1 188.72～2 578.61 m的頁巖（尤其是Pindiga組）和Gombe組含煤頁巖（749.81～896.11 m）是上貝努埃地槽內(nèi)的潛在烴源巖［11］。由于潛在烴源巖的有機(jī)質(zhì)含量高，因此烴源巖的熱成熟度主要取決于促使有機(jī)質(zhì)熱成熟的可用熱量。相對于Yola盆地而言，Gongola盆地潛在烴源巖的放射性熱產(chǎn)量偏低，但Gongola盆地潛在烴源巖的地球化學(xué)和放射性熱產(chǎn)量數(shù)據(jù)綜合分析表明其具備生烴潛力（液態(tài)烴和氣態(tài)烴）。

Kolmani-1井已完鉆2 785 m沉積剖面對地表熱通量貢獻(xiàn)為1.09 mW/m2；估算未鉆穿層段厚度［8，11］為2 819 m，對地表熱通量貢獻(xiàn)約為3.09 mW/m2（見表3），因此，總沉積剖面對地表熱通量貢獻(xiàn)可達(dá)4.18 mW/m2。相對于上貝努埃地槽下伏基底的總地表熱通量值20.0～35.5 mW/m2［3， 18-19］而言，沉積剖面的地表熱通量約占10.9%～20.9%。研究區(qū)4.18 mW/m2的沉積地層地表熱通量值低于南德克薩斯州墨西哥灣盆地10 mW/m2的地表熱通量［5］，與西德克薩斯州福特沃斯盆地4 mW/m2的地表熱通量值相當(dāng)［20］。此外，研究區(qū)沉積剖面的地表熱通量約為北美東部大陸邊緣沉積物地表熱通量值（8.4 mW/m2，導(dǎo)致溫度升高12 ℃以上［4］）的一半。HOOD研究表明［21］，溫度每增加10 ℃，即足以促使有機(jī)質(zhì)成熟速度增加2倍。

表2　Kolmani-1井沉積物放射性熱產(chǎn)量數(shù)據(jù)

圖3　Kolmani-1井放射性熱產(chǎn)量隨深度變化情況

表3　Kolmani-1井沉積物的平均熱產(chǎn)量及其對熱通量的貢獻(xiàn)

4 結(jié)論

尼日利亞上貝努埃地槽Gongola盆地潛在烴源巖（頁巖和含煤頁巖層段）的放射性熱產(chǎn)量值主要位于中熱產(chǎn)量范圍（750～1 500 pW/kg），同時(shí)具有生成液態(tài)烴和氣態(tài)烴的能力。此外，Gongola盆地沉積層段的放射性熱產(chǎn)量約占總地表熱通量的10.9%～20.9%，因此也應(yīng)將其納入盆地的熱模型。

致謝：誠摯感謝殼牌尼日利亞勘探與生產(chǎn)公司（SNEPCO）為本次研究提供樣品。

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（編輯 黃昌武）

Radiogenic heat and hydrocarbon generation potential of sediments，Gongola Basin， Nigeria

OYEBANJO O M1， AJAYI T R2， TCHOKOSSA P3
（1.Natural History Museum， Obafemi Awolowo University， Ile-Ife.Osun State； 2.Department of Geology， Obafemi Awolowo University， Ile-Ife.Osun State； 3.Department of Physics， Obafemi Awolowo University， Ile-Ife.Osun State）

Abstract：Samples taken from Well Kolmani-1 in the Gongola Basin in the Upper Benue Trough of Nigeria were studied to estimate the radiogenic heat generated and to analyze the possible impact of radiogenic heat on hydrocarbon generation potential of the sediments.Thirty-eight samples taken from the different formations at intervals of 73.2 m including sand， shale， coaly shale， sandy shale， and shaly sand were analyzed for40K，238U， and232Th using the well calibrated NaI （Tl） Gamma Ray detector System.The results showed that the activity concentrations of the radio-nuclides varied significantly within the sediments.The40K concentrations were the highest.The radiogenic heat produced ranges widely from 228.44 pW/kg to 1 412.82 pW/kg.In Well Kolmani-1， sands and sandy shale are low heat production sediments， while the shale， coaly shale and silty sands are medium heat production sediments， the potential source rock （shale and coaly shale） medium in heat production （750 pW/kg to 1 500 pW/kg）， can produce liquid and gaseous hydrocarbons.It is estimated that the radiogenic heat from the sediments contributed about 10.9% to 20.9% to the total surface heat flux in the basin.Therefore， the radiogenic heat generated by the sediments contributed significantly to the total surface heat flux， and should be taken into consideration in the simulation of basin thermal evolution.

Key words：radioactivity； radiogenic heat； hydrocarbon generation potential； Gongola Basin

中圖分類號：TE122.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-0747（2016）03-0411-06

DOI：10.11698/PED.2016.03.11

第一作者簡介：OYEBANJO O M（1984-），男，尼日利亞人，博士，現(xiàn)為尼日利亞Obafemi Awolowo大學(xué)自然歷史博物館助理研究員，主要從事地質(zhì)方面的研究。地址：Natural History Museum， Obafemi Awolowo University， Ile-Ife， 22005， Nigeria。E-mail： ptchokos@yahoo.com

收稿日期：2015-04-01 修回日期：2016-03-31