尼日利亚Gongola盆地地层放射性热产量与生烃潜力

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）



尼日利亚Gongola盆地地层放射性热产量与生烃潜力

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：以取自尼日利亚上贝努埃地槽Gongola盆地Kolmani-1井的样品为基础，对其放射性热产量进行了估算，并对放射性热产量对沉积物生油气潜力的影响进行了分析。研究采用精确标定的碘化钠伽马射线检测系统，对不同层组的38块样品（取样间隔73.2 m，包括砂岩、页岩、含煤页岩、砂质页岩、泥质砂岩）进行了40K、238U及232Th的放射性分析。研究结果表明，沉积物中放射性元素的放射性浓度存在显著变化，40K浓度最高；沉积物放射性热产量为228.44～1 412.82 pW/kg；Kolmani-1井砂岩和砂质页岩属于低热产量沉积物，含煤页岩、页岩及泥质砂岩属于中热产量沉积物，潜在烃源岩（页岩和含煤页岩层段）的放射性热产量值主要位于中热产量范围（750～1500 pW/kg），同时具有生成液态烃和气态烃的能力。此外，沉积物的放射性热量约占盆地总地表热通量的10.9%～20.9%，沉积物的放射性热量是总地表热通量的重要组成部分，应将其纳入盆地的热模拟。图3表3参21

关键词：地层放射性；放射性热产量；生烃潜力；Gongola盆地

0 引言

热参数（如热梯度、放射性热产量（RHP）、热通量）是衡量烃源岩热成熟演化程度和盆地演化模拟的重要参数［1］，其中RHP是盆地热参数分析的重要组成部分，但常常被忽略。盆地内有机质能否生烃主要取决于可用热量能否使其成熟［2］，地球内部的热源主要来源于3个方面：行星吸积的原始能量，地核分凝与固化释放的热量，以及铀（U）、钍（Th）、钾（K）等放射性元素衰减产生的放射性热产量，其中放射性热产量又包括3部分：岩石圈产热［2-3］，盆地之下的地壳（即基底）产热，以及盆地内沉积岩产热。与基底相比，沉积物的放射性热产量测量值存在显著变化，从页岩到泥岩、砂岩、煤层、碳酸盐岩以及蒸发岩，RHP通常呈下降趋势［4-5］。岩石圈和地壳热源所产生的热量通过构造运动（断裂作用、盐底辟等）或流体流动传导（对流）至盆地［6］。因此，地层的热通量值应等于下伏基底的热通量值和沉积物内部热产量贡献值的总和。Hermanrud［7］认为盆地内沉积地层的放射性热产量通常微不足道，对热流密度的贡献仅占几个百分点或更低，然而，Mckenna和Sharp［5］公开报道了美国德克萨斯州海湾地区多个层段的沉积物热产量测量值，其结果表明该区域的地层热产量值很高，并强烈建议盆地模拟时不能忽略沉积物的热产量。目前，尼日利亚上贝努埃地槽沉积物烃源岩生烃潜力评价大多侧重于有机地球化学评价，少量数据涉及Yola盆地和乍得盆地尼日利亚部分的放射性热产量及其对总体热参数的影响［8-9］，本项研究旨在评估尼日利亚上贝努埃地槽Gongola盆地地层放射性热产量及其对沉积物生烃的影响。

1 研究区概况

Gongola盆地是一个呈北北东—南南西走向的裂谷盆地（见图1），长约800 km，宽约150 km，盆地内充填厚约6 000 m的白垩系—第三系沉积。Gongola盆地与Yola盆地共同构成上贝努埃地槽，Gongola盆地的演化与贝努埃地槽的形成有关，众多文献对其进行了不同的论述，目前仍存有争议，King及Obaje［10-11］首次提出贝努埃地槽的演化与非洲大陆—南美大陆分离所致的应力有关；Benkhelil［12］认为贝努埃地槽并不具有拉张特征，而是由连接大洋转换断层的左旋走滑断层构成，因此，该地槽包含一系列拉张盆地和隆升凸起；另外Benkhelil［13］还认为稍加修正的走滑模型适用于解释贝努埃地槽的演化，即受控于拉张与走滑运动的综合作用。Kolmani-1井完钻于1999年，完钻深度3 000 m，该井位于上贝努埃地槽Gongola盆地。

图1　尼日利亚上贝努埃地槽Gongola盆地位置图［11］

Gongola盆地和Yola盆地的地层柱状图见图2。贝努埃地槽在主裂谷期之后随即接受沉积，Carter等［14］在Thompson［15］所述的沉积层序内识别出多套层组，其中包括Bima组、Yolde组、Pindiga组、Gombe组以及Kerri-Kerri组。研究区地质与地层概况的详细论述请参阅Oyebanjo等［16］的相关文献。

2 数据与方法

以73.15 m为取样间隔，采取Kolmani-1井（井深18.30～2 724.90 m）的钻井液池钻屑样品，共计对38块样品进行了放射性测量。所取样品包括砂岩、页岩、泥质砂岩及砂质页岩（部分含煤屑）。首先确定样品密度。所有称重操作均采用Obafemi Awolowo大学地质系的ADAMPW 214电子天平。将样品制备成粉末并称重后置于密封良好的塑料容器至少28 d，以确保样品达到长期平衡并避免226Ra泄露。与此同时，将一个空的容器称重并密封相同天数，以此作为背景计数。

实验采用7.6 cm×7.6 cm碘化钠（NaI）检测仪确定40K、238U及232Th的放射性浓度，样品计数时间为36 000 s。采用计算机求解方法评估光谱、计算伽马辐射源的放射性浓度。以上述数据为基础，采用下述关系式计算放射性热产量Qr［17］，Qr乘以密度数据后得到单位体积样品热产量：

式中 Qr——放射性元素热产量，pW/kg；CU，CTh，CK——样品中238U、232Th及40K的浓度，10-6。

图2　贝努埃地槽和乍得盆地尼日利亚境内部分的地层柱状图［11］

3 结果与讨论

各样品中3种同位素的放射性浓度和放射性热产量分别见表1和表2。Gongola盆地的40K、238U及232Th放射性浓度分别为（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。上述数值在沉积物内存在显著变化，砂岩、砂质页岩、含煤页岩、页岩以及泥质砂岩中放射性元素平均放射性浓度大小顺序如下：40K＞238U＞232Th，即Kolmani-1井沉积物中40K的放射性浓度高于其他两种放射性核素（238U和232Th），这可能归因于沉积物内部存在含钾矿物正长石和伊利石。

根据放射性总热产量分类方案［8］：沉积物放射性总热产量小于750 pW/kg为低热产量，750～1 500 pW/kg为中热产量，大于1 500 pW/kg为高热产量。Kolmani-1井沉积物样品放射性热产量值为228.44～1 412.82pW/kg，以平均值为基础，砂岩和砂质页岩属于低热产量沉积物，含煤页岩、页岩及泥质砂岩属于中热产量沉积物。

与Gongola盆地不同，Yola盆地的煤层、砂岩、页岩沉积物样品分别属于低热产量、中热产量及高热产量［8］。由此说明上贝努埃地槽Yola盆地与Gongola盆地沉积物样品的放射性特征存在显著差异。

图3显示了Kolmani-1井沉积物的放射性热产量随深度的变化情况，放射性热产量随岩性和深度的不同呈不规则锯齿状。Kerri-Kerri组和Gombe组砂岩样品的放射性热产量值向下降低至低热产量值（小于750 pW/kg），埋深约457 m处见放射性热产量值突然增高，可能归因于来源于238U的高热值（F1500，见表2）。埋深750～2 200 m层段属于中等热产量区（750～1 500 pW/kg），对应于含煤页岩和页岩层段，属于Gombe、Pindiga、Yolde组的潜在烃源岩。Gongola盆地部分层组的油气潜力有机地球化学评估结果见Obaje等［11］发表的相关文献：Pindiga组的总有机碳含量为0.40%～0.87%，热解峰温（Tmax）为419～429 ℃，氢指数（HI）为15～57 mg/g；Yolde组的总有机碳含量为0.55%～0.87%，热解峰温为427～442 ℃，氢指数为35～142 mg/g；样品的氢指数与氧指数（OI）比值，以及氢指数与热解峰温比值表明，有机质以Ⅲ型干酪根为主，除部分含煤页岩层段存在Ⅰ型干酪根外，页岩样品仅具有生气潜力，而含煤样品具有生油潜力。

表1　Kolmani-1井沉积物中放射性元素浓度

由此说明，埋深1 188.72～2 578.61 m的页岩（尤其是Pindiga组）和Gombe组含煤页岩（749.81～896.11 m）是上贝努埃地槽内的潜在烃源岩［11］。由于潜在烃源岩的有机质含量高，因此烃源岩的热成熟度主要取决于促使有机质热成熟的可用热量。相对于Yola盆地而言，Gongola盆地潜在烃源岩的放射性热产量偏低，但Gongola盆地潜在烃源岩的地球化学和放射性热产量数据综合分析表明其具备生烃潜力（液态烃和气态烃）。

Kolmani-1井已完钻2 785 m沉积剖面对地表热通量贡献为1.09 mW/m2；估算未钻穿层段厚度［8，11］为2 819 m，对地表热通量贡献约为3.09 mW/m2（见表3），因此，总沉积剖面对地表热通量贡献可达4.18 mW/m2。相对于上贝努埃地槽下伏基底的总地表热通量值20.0～35.5 mW/m2［3， 18-19］而言，沉积剖面的地表热通量约占10.9%～20.9%。研究区4.18 mW/m2的沉积地层地表热通量值低于南德克萨斯州墨西哥湾盆地10 mW/m2的地表热通量［5］，与西德克萨斯州福特沃斯盆地4 mW/m2的地表热通量值相当［20］。此外，研究区沉积剖面的地表热通量约为北美东部大陆边缘沉积物地表热通量值（8.4 mW/m2，导致温度升高12 ℃以上［4］）的一半。HOOD研究表明［21］，温度每增加10 ℃，即足以促使有机质成熟速度增加2倍。

表2　Kolmani-1井沉积物放射性热产量数据

图3　Kolmani-1井放射性热产量随深度变化情况

表3　Kolmani-1井沉积物的平均热产量及其对热通量的贡献

4 结论

尼日利亚上贝努埃地槽Gongola盆地潜在烃源岩（页岩和含煤页岩层段）的放射性热产量值主要位于中热产量范围（750～1 500 pW/kg），同时具有生成液态烃和气态烃的能力。此外，Gongola盆地沉积层段的放射性热产量约占总地表热通量的10.9%～20.9%，因此也应将其纳入盆地的热模型。

致谢：诚挚感谢壳牌尼日利亚勘探与生产公司（SNEPCO）为本次研究提供样品。

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（编辑 黄昌武）

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

中图分类号：TE122.2

文献标识码：A

文章编号：1000-0747（2016）03-0411-06

DOI：10.11698/PED.2016.03.11

第一作者简介：OYEBANJO O M（1984-），男，尼日利亚人，博士，现为尼日利亚Obafemi Awolowo大学自然历史博物馆助理研究员，主要从事地质方面的研究。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