南祁连盆地地处青藏高原东北缘，北侧与广泛发育前寒武系的中祁连山体相邻，南部以宗务隆山与柴达木盆地相邻。自震旦纪以来，祁连山先后经历了大陆裂谷阶段(震旦—中寒武世)、洋底扩张及沟弧盆体系阶段(晚寒武—中奥陶世)、造山阶段(中奥陶世之后经历了俯冲造山、碰撞造山和陆内造山作用)等演化阶段，形成了现今的地质构造格局。盆地被分割为多个近北西向展布的坳陷，从西向东依次为哈拉湖坳陷、疏勒坳陷、下日哈坳陷和木里坳陷(图 1)。

图  1  南祁连盆地构造单元划分及木里冻土区井位地质图

Figure 1.  Tectonic division of southern Qilian Basin and geological map showing well locations in Muli permafrost area

木里冻土区位于木里坳陷内，地理位置处于青海省北部高寒地区，青海湖以北、祁连山南麓的狭长区域内，海拔4 100~4 300 m，年平均气温-5.1 ℃。坳陷内多年冻土层广泛发育，呈岛状分布，平均厚度约80 m，部分地区冻土层厚度大于100 m^[18]。木里坳陷自下而上主要发育4套烃源岩：石炭系暗色泥(灰)岩、下二叠统草地沟组暗色灰岩、上三叠统尕勒得寺组暗色泥岩、侏罗系暗色泥页岩。研究区出露的地层除第四系外，主要包括中侏罗统江仓组和木里组^{[19, 20]}，以及部分上三叠统地层，并普遍缺失上白垩统和古近系。该区中侏罗统为含煤地层，是在温暖湿润、还原环境中沉积的一套山间河湖沼泽相含煤碎屑岩建造，而其中深灰、灰黑色泥岩、油页岩为半深湖、深湖相建造，侏罗系含煤岩系是木里煤田主要的勘探开采层系。

本次在南祁连盆地木里冻土区共采集到3口井的烃源岩岩心样品，分别为木参1井、木参2井和SK-0井(图 1)。岩心样品均来自中侏罗统江仓组、木里组和上三叠统尕勒得寺组。木参1井采集岩心样品16件，岩屑样品27件；木参2井岩心样品12件，岩屑样品29件；SK-0井岩心样品22件。共进行化验分析511样次，主要针对总有机碳含量(TOC)、生油岩热解(RockEval)、氯仿沥青“A”、族组分、干酪根有机显微组分及镜质组反射率等项目进行了分析。其中，总有机碳含量测试依据GB/T19145-2003标准，检测仪器为美国力克公司CS-230碳硫测定仪，测试条件为常温常压；热解测试依据GB/T18602-2012标准，检测仪器为OGE-Ⅱ岩石热解仪，测试条件为温度20 ℃，湿度40%；干酪根分离鉴定依据GB/T19144-2010标准，使用仪器为LXJ-Ⅱ离心沉淀机、烘箱，测试条件为常温常压；干酪根类型鉴定依据SY/T5125-1996标准，使用仪器为LEICA DM-4500P研究型显微镜，测试条件为温度25 ℃，湿度65%；镜质体反射率的测定依据SY/T5154-2012标准，使用仪器为DMLP with MSP200镜质体反射率测定仪，测试条件为温度23 ℃，湿度50%；干酪根元素分析依据SY/T 5122-1986标准，使用仪器为美国CE-440有机元素分析仪，精度满足0.1%要求；干酪根碳同位素鉴定依据GB/T18340.2-2010标准，使用仪器为DELTA V ADV同位素质谱仪，系统稳定性小于10 ×10^-6；氯仿沥青“A”测定依据SY/T5118-2005标准，使用仪器为YS全自动多功能抽提仪。

化验分析结果显示，研究区中侏罗统TOC含量较高，几乎所有样品都大于0.4%，大于1%的样品占总数78.9%，大于2%的样品占总数的49.7%，为好和很好烃源岩。上三叠统所有样品TOC都大于0.4%，主要分布在1%~2%之间，占样品总数的66.7%，仅4个样品大于2%，大部分为好烃源岩。从总有机碳含量看，中侏罗统烃源岩明显优于上三叠统烃源岩。

中侏罗统氯仿沥青“A”含量所有样品都大于0.01%，其中氯仿沥青“A”大于0.1%占样品总数的72.2%，为非常好的烃源岩。上三叠统所有样品氯仿沥青“A”分析结果均小于0.05%，其中小于0.01%的非烃源岩样品占总数的41.2%，位于0.01%~0.05%之间的差烃源岩样品占样品总数的58.8%，大部分为差烃源岩或非烃源岩。氯仿沥青“A”分析结果显示，中侏罗统为好的烃源岩，而上三叠统尕勒得寺组烃源岩为差烃源岩或非烃源岩(图 2)。

图  2  研究区有机碳含量分布频率图

Figure 2.  TOC frequency histogram of the study area

岩石热解氢指数(I_h)与最高热解峰温(T_max ℃)投点成图分析(图 3)，可以看出在中侏罗统有机质类型既有Ⅰ型，也有Ⅱ型和Ⅲ型^[21-23]，且以Ⅱ型(Ⅱ₁型和Ⅱ₂型)为主，其中Ⅱ₁型比Ⅱ₂型略占优势，Ⅲ型次之，Ⅰ型也有一定数量的分布。而上三叠统有机质类型以Ⅲ型最多，其次为Ⅱ₁型，Ⅱ₂型最少，基本没有Ⅰ型有机质类型。

图  3  研究区烃源岩样品热解氢指数与T_max交会图

Figure 3.  The plot of T_max versus HI of the samples from the study area

烃源岩有机质成熟度是烃类形成的关键因素，判别指标有干酪根的镜质体反射率Ro、岩石热解峰温度(T_max)、热变指数(TAI)、干酪根红外光谱、孢粉颜色指数(SCI)、奇偶优势指数(OEP)、可溶有机质的演化以及生物标志化合物等^{[24, 25]}。本文重点对镜质体反射率进行讨论，其测定结果显示：中侏罗统烃源岩Ro值介于0.48%~1.14%之间，上三叠统烃源岩Ro值介于1.12%~1.77%之间。依据中国石油天然气总公司1995年发布的行业标准，将有机质热演化程度分为5个阶段，即未成熟阶段、低成熟阶段、成熟阶段、高成熟阶段、过成熟阶段，分别对应镜质体反射率(Ro) < 0.5%，0.5%~0.7%，0.7%~1.2%，1.2%~2.0%，>2.0%。中侏罗统烃源岩正处于有机质成熟阶段，为生油高峰期和生湿气阶段，在原油生成的过程中，产生大量的原油伴生气。上三叠统处于有机质高成熟阶段，以生凝析气和油型裂解气为主。

生烃潜量(S₁+S₂)是衡量烃源岩生油生气能力的重要指标，可以更加直接和客观地体现烃源岩的生烃能力。生烃潜量用来表示单位质量烃源岩的产油潜能，其中，S₁表示岩石中游离烃的热蒸发量，S₂表示有机质的热解烃量。以生烃潜量值2、6、20 mg/g为评价分界点，将泥岩和油页岩分为差、中等、好、最好4个级别。生烃潜量与总有机碳含量(TOC)的交会图显示(图 4)，中侏罗统烃源岩大部分样品总有机碳(TOC)含量多大于1%，生烃潜量大于2 mg/g，71个样品生烃潜量均值为8.8 mg/g，属于中等到最好样品级别，为潜在或有效的烃源岩。而上三叠统烃源岩总有机碳含量(TOC)多处于1%~3%之间，总体有机碳含量较高，但生烃潜量多低于1 mg/g，本次分析39个样品测试结果其均值仅为0.35 mg/g，属于非烃源岩到差烃源岩的范围。

图  4  研究区烃源岩样品有机碳含量(TOC)与生烃潜能(S₁+S₂)投点

Figure 4.  Plot of TOC versus hydrocarbon potential (S₁+S₂) in source rock of the study area

综上文所述，研究区中侏罗统烃源岩有机质丰度较高，TOC含量大于1%样品占78.9%；氯仿沥青“A”大于0.1%占样品总数的72.2%；有机质类型以Ⅱ₂型为主；镜质体反射率Ro多介于0.7%~1.2%之间；氢指数HI均值256 mg/g；生烃潜量(S₁+S₂)均值8.8 mg/g，总体处于生烃高峰期的生油阶段或凝析油阶段，属于好、很好烃源岩。上三叠统尕勒得寺组亦为煤系地层烃源岩，TOC含量大于1%样品占76.9%，氯仿沥青“A”小于0.05%，有机质类型以Ⅲ型为主；镜质体反射率Ro介于1.1%~2.4%之间；总体处于生湿气或干气阶段，但由于构造抬升影响其氢指数HI均值仅21.5 mg/g；生烃潜量(S₁+S₂)均值仅0.35 mg/g，整体生、排烃能力较差，为较差烃源岩。

通过收集气测录井资料和天然气水合物样品分解测试资料^[15-17]，对研究区气体组成特征进行系统对比分析，探讨天然气水合物的气体来源。

本区气测录井采用Agilent7890A色谱仪进行百分浓度含量的连续分析，该色谱最小检测浓度为4×10^-6检测范围是C₁~nC₅，重复性误差小于1%。天然气水合物样品气体分析测试方法为：气体成分(C₁~C₆₊、CO₂)采用氢火焰离子化检测器(FID)和热导检测器(TCD)并联气相色谱法(GC-FID/TCD)测定，方法检出限为0.000 3~0.046 0 mol/mol。收集煤层段气测显示样品21个(DK9、DK11、DK12、木参1井)(图 1)，DK10井浅层气显示样品4个，木参1井泥页岩气测异常段显示样品6个，DK9油气层段气测显示样品2个，DK9、DK12井水合物层段气测显示样品9个。实验室分析水合物显示样品26个。将所有测试数据剔除掉氧气、氮气组分后，气体组分按含量100%归一化来进行换算，统计了甲烷、乙烷和丙烷的含量及气体成分比即C₁/(C₂+C₃)(也称干燥系数)(表 1)。

一般认为甲烷含量在90%以上的叫干气，而乙烷、丙烷等烷烃的含量或其含量之和在10%以上的叫湿气。研究区中侏罗统煤层段甲烷气体含量均大于93%，最大值为99.6%，均值为97.3%，基本为干气(表 1)；DK10井中侏罗统浅层气甲烷含量为99.6%，为干气；木参1井较好气测显示的三叠系尕勒得寺组烃源岩段甲烷含量为99.6%~99.7%，亦为干气。天然气水合物甲烷含量最大值为88.8%，最小值为34.9%，平均为68.0%，乙烷、丙烷含量之和大于10%，呈现出明显的湿气特征，与DK9井油浸气甲烷组分均值76.0%较为接近。

从35个样品测试数据来看，水合物岩心气体干燥系数多小于10，其均值仅4.1，与DK9井中侏罗统油浸气干燥系数均值4.3较为接近，显示湿气特征。而中侏罗统煤层气干燥系数多大于15，均值为107.9；DK10井浅层气干燥系数均值242.3；木参1井三叠系尕勒得寺组泥页岩气干燥系数均值为106 559.5，均呈现明显干气特征。从干燥系数和甲烷百分含量的交汇图上看(图 5)，天然气水合物气测录井和实验室测定结果相关性较好，与DK9井油浸气处于同一区域内，其甲烷含量多小于90%。与煤层气、DK10井浅层气和木参1井三叠系泥页岩气明显处于不同区域。

图  5  研究区气测显示样品甲烷含量与干燥系数交汇图

Figure 5.  The plot of C1 versus drying coefficient of the gas log samples in the study area

从气体组分特征来看，木里冻土区天然气水合物气体与煤层气、三叠系尕勒得寺组油页岩气差别大，应属不同的气体来源，而与DK9井油浸气气体组分类似，具有较好的对比关系，可能为统一的气体来源。

烷烃气体碳同位素组成分析(表 2)：研究区天然气水合物气体甲烷碳同位素(δ¹³C₁)值在-58.04‰~-39.5‰之间变化，平均为-49.35‰；乙烷碳同位素(δ¹³C₂)值在-38.97‰~-30.7‰之间变化，平均为-35.84‰；丙烷碳同位素(δ¹³C₃)值在-34.7‰~-21.2‰之间变化，平均为-32.01‰。所有样品都表现出δ¹³C₁ < δ¹³C₂ < δ¹³C₃的特征，属正碳同位素系列，是典型的有机成因烃类气体^{[16, 17]}，气体成因相对简单，没有明显受到次生改造作用的影响。

烷烃气体氢同位素组成分析：研究区天然气水合物气体甲烷氢同位素(δD_C1/‰VSMOW)值在-225‰~-285‰之间变化，平均为-256‰：乙烷氢同位素(δD_C2/‰VSMOW)值在-228‰~-285‰之间变化，平均为-264‰；丙烷氢同位素(δD_C3/‰VSMOW)值在-179‰~-253‰，平均为-232‰。Shen和Xu对中国陆上主要沉积盆地天然气氢同位素组成特征研究^[26]，认为来自海相源岩(或咸水湖泊相)生成的天然气，其δD_C1值大于-190‰，而陆相淡水环境生成的天然气δD_C1值通常小于-190‰。研究区天然气水合物气体样品的δD_C1值远小于-190‰，表明水合物气体主要来源于淡水环境下形成的烃源岩。

油型气是指成气母质主要为腐泥型干酪根(Ⅰ、Ⅱ₁型有机质)进入成熟阶段后在热力作用下形成的天然气。而煤成气则是指成气母质以Ⅱ₂和Ⅲ型有机质为主，在煤化作用过程中形成的气态烃，包括热解气和高温裂解气^[27]。

前人提出了多种鉴别油型气和煤成气的指标，考虑到前人发表的数据以烷烃气碳同位素组成为主，因此本研究也选用碳同位素组成进行鉴别比较。乙烷碳同位素组成具有较强的原始母质继承性，其受烃源岩热演化程度的影响远小于甲烷碳同位素组成，因此，乙烷碳同位素组成是区别煤层气和油型气最常用的有效指标^[28]。

刚文哲等^[29]研究认为，δ¹³C₂值对天然气的母质类型反应比较灵敏，腐殖型天然气δ¹³C₂值大于-29‰，腐泥型天然气δ¹³C₂值小于-29‰；戴金星等^[30]综合研究了中国天然气特征后指出，油型气的δ¹³C₂值小于-29‰，而煤成气的δ¹³C₂值大于-27.5‰；肖芝华等^[31]认为，腐泥型天然气碳同位素组成比腐殖型天然气轻，尤其是δ¹³C₂值有较明显的区别，腐泥型气的δ¹³C₂值一般小于-30‰，而腐殖型气的δ¹³C₂值般大于-28‰。

综合前人提出的判别标准，笔者采用δ¹³C₂值-29‰作为油型气和煤成气的界限，即δ¹³C₂值小于-29‰的天然气则以油型气为主，δ¹³C₂值大于-29‰的天然气主要为煤成气。研究区所有天然气水合物气体样品δ¹³C₂测试结果均小于-29‰(表 1)，表现出热成因气的典型特征，为油型气。

为进一步探究研究区天然气水合物气体的成因类型及其来源，本文根据戴金星的V型鉴别图^[32]对水合物样品气体分析结果进行投点分析。从图 6可以看出，数据点主要分布在Ⅱ区，即油型气区，仅1个样品点(DK8-19井116 m样品)δ¹³C₁为-58.04‰，散落在Ⅵ区，为生物气和亚生物气区。在煤成气区或煤成气和油型气混合气区，基本无天然气水合物气体样品点分布，表明研究区水合物气体为油型气，与煤层气关系不大。

图  6  研究区天然气水合物气体样品油型气成因鉴别图

Figure 6.  Genefic identification of hydrocarbon gases from gas hydrate samples in the study are

研究表明研究区天然气水合物气体为油型气，而油型气可根据热演化程度分为热解气(原油伴生气)、凝析油伴生气和热裂解气。为进一步探究研究区天然气水合物气体油型气热演化程度的具体阶段，本文利用戴金星甲烷碳同位素值与C₁/(C₂+C₃)组分编制的鉴别无机成因和各类有机成因的甲烷图版^{[33, 34]}进行投点分析(图 7)，结果显示除DK8-19井浅层烃类气体可能含有少量亚生物成因气外，其余各井所有样品均位于原油伴生气区，在成熟度较高或与煤成气相关的Ⅱ²(油型裂解气区)、Ⅲ¹(油型裂解气和煤层气区)、Ⅲ²(凝析油伴生气和煤层气区)区内无样品点分布，故研究区天然气水合物气体主要为热演化程度相对较低的原油伴生气。研究表明中侏罗统烃源岩处于生油高峰期和生湿气阶段，产生大量原油伴生气，应为天然气水合物主力生烃层系，而上三叠统烃源岩有机质成熟度高(主要为裂解气生成阶段)，生烃潜量差，对天然气水合物成藏贡献不大。

图  7  研究区天然气水合物气体样品原油伴生气成因鉴别图

Figure 7.  Genefic identification of hydrocarbon gases from gas hydrate samples in the study area

生物成因气又称为细菌气、生物化学气，是干酪根在未成熟期内(R₀ < 0.5%)通过甲烷菌的生物化学作用形成的天然气。由于甲烷生产菌活动温度一般不能高于75 ℃，最适于甲烷生产菌繁殖的温度是35~42 ℃，也是生物成因气强度最大阶段。这种气组分的突出特点是以甲烷含量为主，重烃含量低，C₂₊含量一般小于0.2%，个别的可达1%~2%，C₁/(C₂+C₃)干燥系数一般在数百到数千以上，为典型的干气，δ¹³C₁值小于-55‰^[27]。

研究区属于高海拔冻土区，地表温度低，对甲烷生产菌的活动和繁殖较为不利。从收集的35个样品测试数据来看，水合物样品气体干燥系数多小于10，其均值仅4.1，显示湿气特征，不属于干气。为了进一步区分油型气及微生物气，本文利用Martin Schoell^{[35, 36]}等的δD_C1-δ¹³C₁图版进行分析(图 8)，结果表明，除DK8-19井中116 m处浅层样品的气源组成属混合成因外(不仅包含来自中侏罗统的原油伴生气，而且可能有少量生物成因气的混入)，其余水合物样品点基本处于油型甲烷气区，为油型气。

图  8  研究区含水合物岩心气体的δDC₁和δ¹³C₁关系图

Figure 8.  The plot of δDC₁ versus δ¹³C₁ for the gas hydrate from core samples in the study area

煤层气是指煤层生成的气体经运移、扩散后的剩余量，包括煤层颗粒基质表面吸附气、节理及裂隙游离气^[27]。从气体组成成分来看，研究区煤层气为干气，而天然气水合物气体呈湿气特征，与煤层气关系不大。为进一步探究煤层与天然气水合物气源之间的可能联系。薛小花等^[37]以热模拟实验为手段，对祁连山冻土区DK2和DK3井含天然气水合物层的岩心(泥岩、油页岩和煤)进行热模拟实验，实验结果显示：泥岩在350~400 ℃条件下或油页岩在380~400 ℃条件下所产生的烃类气体在同位素特征上与天然气水合物中烃类气体较为相似(图 9)，推测天然气水合物气源与泥岩或油页岩具有地球化学成生联系，相反煤产生的烃类气体与天然气水合物中烃类气体同位素值相差较远，推测煤与天然气水合物气源关系不大。

图  9  水合物样品气与烃源岩热模拟气δ¹³C₁-δ¹³C₂关系图

Figure 9.  The plot of δ¹³C₁ versus δ¹³C₂ for the hydrate gas and thermally simulated gases

(1) 南祁连盆地木里冻土区天然气水合物的气体以轻烃为主，具湿气特征，其碳同位素表现为δ¹³C₁ < δ¹³C₂ < δ¹³C₃的正碳同位素系列，为典型有机成因，δ¹³C₂多小于-29‰，成气母质主要为腐泥型干酪根(Ⅰ，Ⅱ₁型有机质)的油型气，属热演化程度相对较低的原油伴生气。

(2) 除DK8-19井中116 m处浅层水合物样品的气源组成可能有少量生物成因气体混入，属混合成因外，其余天然气水合物样品均处于油型甲烷气区，为油型气，以热解成因气为主。

(3) 从气体组成成分来看，研究区煤层气为干气，而天然气水合物气体呈湿气特征；从热模拟实验的碳氢同位素组成特征来看，天然气水合物气源与泥岩或油页岩具有地球化学成生联系，煤层产生的烃类气体与天然气水合物中烃类气体碳氢同位素值相差较远，与天然气水合物气源关系不大。

(4) 中侏罗统有机质丰度高、类型较好，镜质体反射率Ro在0.48%~1.14%之间，处于生油高峰期，生油过程中的原油伴生气为天然气水合物的主要气体来源；三叠系有机质丰度较高、类型较好，成熟度高，处于生凝析气或裂解气阶段，但总体生排烃能力差，从气源对比分析来看对天然气水合物气体来源贡献不大，故下一步南祁连盆地勘查天然气水合物应着重考虑侏罗系地层的分布情况。