山东昌乐凹陷油页岩地球化学特征及成因探讨

孙耀庭，徐守余，张世奇，徐昊清，郭丽丽

1．中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580 2．中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东 东营 257015



山东昌乐凹陷油页岩地球化学特征及成因探讨

孙耀庭1,2，徐守余1，张世奇1，徐昊清2，郭丽丽2

1．中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580 2．中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东 东营 257015

山东昌乐凹陷油页岩出产于古近系五图群李家崖组，与济阳拗陷和潍北凹陷孔二段相当。利用有机地球化学方法对昌乐凹陷油页岩品质进行分析，结果显示该区油页岩有机质丰度较高、干酪根类型主要为Ⅰ型和Ⅱ1型，处于未熟--低熟阶段，具有较好的勘探开发前景。通过区域构造演化和气候变化分析，昌乐凹陷油页岩形成于郯庐断裂带左旋--右旋转换期，构造活动强度较弱加之温暖湿润的气候环境促成了油页岩的发育。油页岩与煤共生于水进体系域和高水位体系域之中，油页岩成矿模式为断陷湖沼型。

昌乐凹陷；油页岩；李家崖组；有机质； 地球化学;成因；山东

0 引言

油页岩尚没有一个统一的定义，目前大家比较认同的定义是“油页岩是一种富含有机质、具有微细层理、可以燃烧的高灰分有机岩石”。海相和陆相环境皆可形成油页岩，如爱沙尼亚波罗的盆地库克油页岩属于海相油页岩，美国怀俄明州绿河盆地、加拿大阿尔伯特盆地油页岩属于湖相油页岩。我国油页岩储量居世界第四位，以湖泊相沉积环境为主，油页岩地质年代范围很宽，从石炭纪到古近纪都有产出，其中以中生代和古近纪为主[1-3]。

图1 昌乐凹陷构造位置及油页岩发育特征Fig.1 Tectonic position and characteristics of oil shale development of Changle sag

昌乐凹陷油页岩产自山东省昌乐县五图煤矿区附近，与油页岩伴生的矿产为褐煤。前人对昌乐凹陷油页岩的品质进行了分析，认为其含油率中等，属于低灰分、中含油率型油页岩，具有较好的生烃潜力[4]，但对其成因还尚缺乏深入研究。笔者在对昌乐凹陷油页岩地球化学特征进行研究基础上,结合构造演化过程和气候变化因素初步探讨了该区油页岩的成因。

1 地层发育特征

昌乐凹陷为昌潍拗陷内部的次级构造单元，北界通过青州断裂与寿光凸起和朱留店凸起相接，东界为郯庐断裂带西支鄌郚--葛沟断裂，西界通过益都断裂与鲁西隆起相连，盆地总体呈一个倒三角形(图1)。昌乐凹陷自下而上发育前震旦系、寒武系、古近系和第四系。昌乐凹陷油页岩主要产自凹陷东北部的五图煤矿矿区古近系五图群李家崖组，推测油页岩分布面积约100 km2。从露头剖面来看,李家崖组为一套以煤和油页岩交互沉积为特征的湖沼相地层。依据岩性组合特征、煤层及油页岩层的分布特征，将李家崖组自下而上划分为4个层段：下煤组、油页岩组、中煤组和上煤组。

下煤组 以砂质页岩、泥岩为主体，夹油页岩、少量泥灰岩，厚43～284 m。上部以油页岩、泥岩为主，夹砂岩、煤层；中部以砂岩为主，夹煤层和油页岩；下部以砂砾岩为主，夹砂质泥岩和煤层。

油页岩组 以油页岩、泥岩为主体，夹砂岩、细砂岩、煤层和泥灰岩，厚127～247 m。底部为1～4 m的砾岩；下部以油页岩为主，夹泥岩和煤层；中部泥岩、油页岩互层，夹多层线煤；上部以细砂岩、砂质页岩为主，夹油页岩、线煤。

中煤组 岩性组合为灰色砂岩、砂质页岩、泥岩，砂岩以石英为主，夹有较多的灰岩(占10%)，厚167～284 m。底部为泥灰岩，含煤层(线)12层。

上煤组 岩石组合以砂质页岩、黏土岩为主，夹少量砂岩、砂砾岩，厚103～220 m。底部为1～2 m的砂砾岩，含煤层(线)7层。

图2 济阳--昌潍地区各凹陷早古近纪地层对比关系Fig.2 Early Paleogene stratigraphic correlation between Jiyang Depression and Changwei Depression

昌乐凹陷五图群出产化石,包括五图真星介Eucypriswutuensis、腹足类化石Planorbis、蜥蜴类化石ChanglosauruswutuensisYoung、脊椎动物Homogalax和Heptodon。孢粉组合以被子植物为主，裸子植物含量不高，榆粉和栎粉占有一定的优势[5-6]，也含有一定数量的热带、亚热带分子， 大个体榆粉含量不高，可以确定五图群属于始新世早中期沉积。通过岩性比对，李家崖组的层位相当于潍北凹陷和济阳凹陷古近系孔店组二段上亚段，确定其地质年代为早始新世(图2)。

2 油页岩有机地球化学特征

2.1 有机质类型

有机质类型不同,其生油气能力则存在较大差别。干酪根类型可以反映原始生态环境中水生生物和陆源植物的相对发育程度，进而反映沉积环境。Ⅰ型干酪根(腐泥型)有机质主要来源于水生浮游生物和藻类，通常形成于深水环境；Ⅲ型干酪根(腐殖型)有机质来源于高等植物的木质素、纤维素等，通常形成于滨海沼泽和湖沼沉积环境；Ⅱ型干酪根有机质的母质类型介于Ⅰ型和Ⅲ型之间，通常形成于近岸浅水沉积环境[7-9]。昌乐凹陷李家崖组油页岩镜鉴结果显示：有机质以腐泥组为主(表1)，腐泥组质量分数为57.3%～100.0%；镜质组质量分数变化较大，为0%～42.7%；壳质组质量分数很低，不含惰质组；昌乐凹陷油页岩有机质类型主要为Ⅰ型，含部分Ⅱ1型。腐泥组分中以无结构藻类体为主，壳质组分中以角质体为主，显示其具有较强的生油能力。

2.2 有机质丰度

沉积岩中有机质的多少是决定烃产量的物质基础，而有机质丰度是评价生油岩生油能力的重要参数，常用评价指标为有机碳质量分数(w(TOC))、生烃潜力(w(S1+S2))、氢指数(IH)和氯仿沥青“A”质量分数(w(氯仿沥青“A”))等[10]。昌乐凹陷油页岩有机碳质量分数和生烃潜力范围较宽，w(TOC)为1.74%～62.6%，均值为19.23%，w(S1+S2)为1.07～259.85 mg/g，均值为95.21 mg/g；IH值较高，为(59.89～730.33)×10-6，均值为488.08×10-6；w(氯仿沥青“A”)为0.063%～1.182%，均值为0.534%。总体来看，昌乐凹陷油页岩中有机质丰度较高(图3)，表明昌乐凹陷油页岩具有较好的生烃潜力。

表1 昌乐凹陷李家崖组油页岩有机组分质量分数

Table 1 Oil shale organic component content of Lijiaya Formation in Changle sag

井号井深/m腐泥组/%壳质组/%镜质组/%惰质组/%ZK2264．0100．0000ZK2339．598．005．00ZK2343．097．003．00ZK2470．0100．0000ZK2534．057．3042．70ZK2553．884．0016．00ZK2559．690．00．79．30ZK2648．696．303．70ZK3216．099．300．70ZK3271．598．301．70ZK3326．698．002．00ZK3413．695．704．30ZK3519．098．701．30ZK4278．897．702．30ZK4380．097．302．70

2.3 有机质成熟度

有机质成熟度表示沉积有机质生烃转化的热演化程度，是判断烃类生成与否至关重要的因素，目前用来反应有机质成熟度最常用的指标是镜质体反射率Ro，一般认为Ro>0.5%时才能开始大量生烃[11]。测试结果表明昌乐凹陷油页岩Ro为0.33%～0.51%，平均为0.42%。热解烃峰值温度Tmax是衡量岩石成熟度的化学指标，当沉积岩的成熟度比较高时，干酪根中活化能较低的化学键早已被裂解，剩余的干酪根的活化能分布比较高，Tmax值大。测试表明昌乐凹陷油页岩Tmax值为422～446 ℃，平均为436 ℃。Ro和Tmax值比较低，均反映昌乐凹陷油页岩尚处于未成熟--低成熟演化阶段，说明油页岩仍具有较大的生油潜力。

2.4 沉积环境分析

植醇在强还原环境中加氢还原成为二氢植醇，二氢植醇经过脱水、加氢形成植烷；植醇在弱氧化环境中被氧化成植烷酸，植烷酸脱羧、加氢形成姥鲛烷。所以一般常用姥鲛烷与植烷的比值Pr/Ph作为判断原始沉积氧化还原条件的判断标志。昌乐凹陷油页岩具有明显的姥鲛烷优势，Pr/Ph值为1.17～2.31，饱和烃色质特征表现为甾烷以规则甾烷为主，并且规则甾烷中C29规则甾烷占绝对优势，说明昌乐凹陷油页岩有机质母质主要来源于低等水生生物，陆源高等植物也有部分贡献。

3 油页岩成因探讨

海洋泻湖和大陆架地区及海水相对不太活动的内陆湖泊是油页岩沉积的最有利环境[12-13]。陆相油页岩主要在深水和半咸水湖、软泥和停滞盆地中形成，发育在盆地周缘夷平程度较高、物源供给较少、盆地基底沉降速率相对缓慢、有机质堆积比例相对较高的浅湖环境。

3.1 构造演化特征

中生代末期，太平洋洋壳开始向欧亚大陆壳下俯冲，使渤海海域浅层地壳处于被动伸展状态，郯庐断裂在渤海海域表现为左旋拉张活动特征[14-16]，渤海湾盆地的各个凹陷均是在这一时期初步形成，后期又经过了右旋拉张进一步使盆地格局复杂化。在左旋拉张和右旋拉张之间存在一个构造转换期,其构造相对稳定，这一时期对应于济阳拗陷和昌潍拗陷的孔二上亚段沉积期，也即昌乐凹陷李家崖组沉积期，这一时期构造特点是断层继承性活动，但活动强度减弱，有利于油页岩的形成。

图3 昌乐凹陷油页岩有机质丰度Fig.3 Oil shale organic matter abundance of Changle sag

3.2 气候特征

晚古新世到早始新世期间，发生了新生代唯一的一次大陆分离事件，澳大利亚脱离南极洲向北漂移，这一事件对大洋环流、全球气候演化产生了深远的影响:在渤海湾盆地造成了早期局部较湿热，中后期较干热的亚热带气候。

李家崖组沉积时期，昌乐地区气候温暖湿润。早期随着水进逐渐变为沼泽沉积环境，各种植物发育，开始沉积煤层，随着水体的加深，抑制了植物的生长，而藻类开始大量繁殖，沉积了较薄的油页岩；沉积中期，水体最深，湖盆范围最大，而植物的分布范围较小，昌乐凹陷东北部变为滨浅湖，煤层消失，碳屑含量降低，藻类繁盛，沉积了相对较厚的油页岩，但砂岩仍较发育，说明此处水体不是太深；至沉积晚期，水体范围开始萎缩，煤层重新发育，油页岩少量出现。

昌乐凹陷李家崖组细砂岩粒度概率累积曲线只有跳跃和悬浮组分，滚动组分不发育，说明该时期沉积水体很浅，水动力不强，油页岩手标本中发现较多的适应淡水环境的介形虫化石，这些都说明该区油页岩主要形成于还原环境的淡水湖沼相沉积环境。

4 油页岩成矿模式

昌乐凹陷油页岩发育于水进和高水位体系域中，其母质一般来自湖泊环境水下的孢子和一些低等浮游类生物缺氧条件下分解和聚合的产物。该区油页岩与煤交替发育于水进体系域中，油页岩主要发育在每次湖侵开始时期，综合上述分析，可以确定昌乐凹陷油页岩成因类型属于断陷湖沼型，其油页岩成矿模式(图4)总结如下：

断陷沼泽湖盆低水位体系域(LST)中，缓坡一侧发育小型三角洲，陡坡一侧形成扇三角洲，在低凹处形成浅水湖泊。水进体系域(TST)形成在基准面快速上升期，由首次湖泛面与最大湖泛面所限定；此时构造沉降速率大于沉积物供给速率，使可容空间增大，湖岸线向陆地方向推进，形成典型的退积型叠加方式；这一时期形成油页岩与煤层叠置沉积，一套油页岩沉积对应一次湖侵，湖侵之后在油页岩之上发育一套煤层。高水位体系域(HST)湖平面和湖岸线不随时间发生大的变化，而形成加积式准层序组的叠加方式；该体系域中，主要发育暗色泥岩和油页岩，两者交互叠置出现，明显受短期气候变化控制，偏湿润时形成油页岩，偏干旱时形成暗色泥岩。水退体系域(RST)是沉积物供给速率大于构造沉降速率时期的产物，由于沉积物楔状体不断向盆地中心推进，湖岸线不断向盆地中心迁移，形成进积式准层序组叠加方式；缓坡一侧发育水进型三角洲沉积体系，陡坡一侧发育水进型扇三角洲沉积体系。

图4 昌乐凹陷油页岩成矿模式Fig.4 Oil shale metallogenic model of Changle sag

断陷沼泽湖盆油页岩成矿模式的特点是油页岩与煤共生发育于水进和高水位体系域中。油页岩与煤共生不是简单的相变关系，油页岩的干酪根类型一般为腐泥型和腐殖腐泥型，而煤的干酪根类型一般为腐殖型和腐泥腐殖型，两者形成环境不仅仅是水体的简单变化，而是整个湖盆的古构造、古气候、湖平面、物源等都发生了很大的变化。油页岩的母质一般为来自湖泊环境水下的孢子和一些低等浮游类生物缺氧条件下分解和聚合的产物。适合油页岩形成的环境并不适合煤的形成，而适合煤的形成环境也不适合油页岩的形成。油页岩主要发育在每次湖侵的开始，这时水体较深，而煤往往发育在每次湖侵后的水体变浅的阶段中。

5 结论

1)昌乐凹陷油页岩有机质丰度较高,类型主要为Ⅰ、Ⅱ1型，具有较强的生油潜力，处于未成熟--低成熟阶段，具有较好的油气勘探前景。

2)昌乐凹陷油页岩形成于郯庐断裂带左右旋转换期，构造活动强度较弱加之气候温暖湿润促成了油页岩的发育。

3)昌乐凹陷油页岩与煤交替主要发育于水进体系域中，油页岩主要发育在每次湖侵的开始时期，油页岩成矿模式为断陷湖沼型。

[1] Knutson C F. Developments in Oil Shale in 1989[J]. AAPG, 1990, 74(10B):372-379.

[2] 张厚福,方朝亮,高先志,等.石油地质学[M]. 北京:石油工业出版社,1999:45-55. Zhang Houfu, Fang Chaoliang, Gao Xianzhi, et al. Petroleum Geology[M]. Beijing: Petroleum Industry Press,1999:45-55.

[3] 刘招君,柳蓉.中国油页岩特征及开发利用前景分析[J].地学前缘,2005,12(3):315-323. Liu Zhaojun, Liu Rong. Oil Shale Resource State and Evaluating System[J].Earth Science Frontiers, 2005, 12(3):315-323.

[4] 罗霞, 朱筱敏,谭明友.山东昌乐五图油页岩特征及形成环境[J].油气地质与采收率,2011,18(4):32-34. Luo Xia, Zhu Xiaomin, Tan Mingyou. Charaeteristics and Depositional Environment of Oil Shale, Wutu Oilfield, Changle Area, Shandong Province[J]. Petroleum Geology and Recovery Efficiency, 2011,18(4):32-34.

[5] 张一勇.中国早古近纪孢粉植物群纲要[J].古生物学报,1995,34(2):212-227. Zhang Yiyong. Outline of Palaeogene Palynofloras of China[J]. Acta Palaeontologica Sinica, 1995, 34(2):212-227.

[6] 王晓梅,王明镇,张锡麒.山东五图含煤岩系孢粉组合及其地层意义[J].地层学杂志,2005,29(1):22-27. Wang Xiaomei, Wang Mingzhen, Zhang Xiqi. Eocene Palynostratigraphy Wutu, Shandong and Its Stratigraphical Significance[J].Journal of Stratigraphy,2005,29(1):22-27.

[7] 张海峰,刘庆,张林晔,等.山东东营凹陷古近系沙河街组湖盆演化及烃源岩赋存相带[J].古地理学报,2005,7(3):383-397. Zhang Haifeng, Liu Qing, Zhang Linye, et al. Lacustrine Basin Evolution and Favorable Sedimentary Facies Belt for Source Rocks Abounding in the Shahejie Formation of Paleogene in Dongying Sag, Shandong Province[J]. Journal of Palaeogeography,2005,7(3):383-397.

[8] 王世辉,陈春瑞,郑玉龙,等.黑龙江省达连河油页岩地球化学特征及成因探讨[J].吉林大学学报:地球科学版,2006,36(6):933-937. Wang Shihui, Chen Chunrui, Zheng Yulong, et al. Study on Geochemical Characteristics and Genesis of the Dalianhe Oil Shale in Heilongjiang Province[J]. Journal of Jilin University: Earth Science Edition, 2006,36(6):933-937.

[9] 朱光有,金强.东营凹陷两套优质烃源岩层地质地球化学特征研究[J].沉积学报,2003,21(3):506-512. Zhu Guangyou, Jin Qiang. Geochemical Characteristics of Two Sets of Excellent Source Rocks in Dongying Depression[J]. Acta Sedimentologica Sinica,2003,21(3):506-512.

[10] 柳蓉,刘招君,杜江峰,等. 依兰盆地始新统达连河组油页岩成因新认识[J].吉林大学学报:地球科学版,2012,42(4):941-947. Liu Rong, Liu Zhaojun, Du Jiangfeng, et al. New Research on Oil Shale Origin of Eocene Dalianhe Formation in Yilan Basin[J]. Journal of Jilin University: Earth Science Edition,2012,42(4):941-947.

[11] 刘招君,孟庆涛,贾建亮,等. 陆相盆地油页岩成矿规律:以东北地区中、新生代典型盆地为例[J].吉林大学学报:地球科学版,2012, 42(5):1286-1297. Liu Zhaojun，Meng Qingtao, Jia Jianliang, et al. Metallogenic Regularity of Oil Shale in Continental Basin: Case Study in the Meso-Cenozoic Basins of Northeast China[J]. Journal of Jilin University: Earth Science Edition, 2012, 42(5):1286-1297.

[12] 邓南涛,张枝焕,任来义,等. 鄂尔多斯盆地南部延长组油页岩地球化学特征及分布规律[J].石油实验地质,2013, 35(4):432-437. Deng Nantao，Zhang Zhihuan，Ren Laiyi, et al. Geochemical Characteristics and Distribution Rules of Oil Shale from Yanchang Formation, Southern Ordos Basin[J]. Petroleum Geology and Experiment,2013, 35(4):432-437.

[13] 齐雪峰,吴晓智,唐勇,等. 新疆博格达山北麓二叠系油页岩成矿特征及资源潜力[J].地质科学,2013, 48(4):1271-1285. Qi Xuefeng, Wu Xiaozhi, Tang Yong, et al. Minerogenetic Characteristics and Resources Potential of Permian Oil Shale in the Northern Slope of Bogda Mountain in Xinjiang[J]. Chinese Journal of Geology, 2013, 48(4):1271-1285.

[14] 安作相,马纪. 断裂与渤海湾盆地形成和油气的关系[J].油气地质与采收率,2001,8(1):18-22. An Zuoxiang, Ma Ji. Relation of Fracture to the Formation of Bohaiwan Basin and Petroleum[J]. Oil & Gas Recovery Technology,2001,8(1):18-22.

[15] 徐杰,宋长青,高战武. 营口--潍坊断裂带新生代活动的特征[J].地震地质,1999,21(4):289-299. Xu Jie, Song Changqing, Gao Zhanwu. Active Characters of the Yingkou-Weifang Fault Zone in the Cenozoic Era[J]. Seismology and Geology,1999,21(4):289-299.

[16] 朱光,王道轩,刘国生,等. 郯庐断裂带的演化及其对西太平洋板块运动的响应[J].地质科学, 2004, 39(1):36-49. Zhu Guang，Wang Daoxuan，Liu Guosheng,et al. Evolution of the Tan-Lu Fault Zone and Its Responses to Plate Movements in West Pacific Basin[J]. Chinese Journal of Geology,2004,39(1):36-49.

Geochemical Characteristics and Genesis of the Oil Shale in Changle Sag，Shandong Province

Sun Yaoting1,2，Xu Shouyu1，Zhang Shiqi1，Xu Haoqing2, Guo Lili2

1．SchoolofGeosciences，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao266580，Shandong,China2．Geo-ScienceResearchInstitute，ShengliOilfieldCompany，SINOPEC，Dongying257015，Shandong,China

The oil shale of Changle sag exists in Lijiaya Formation of Wutu Group, corresponds to the stratum of 2nd Kongdian Formation in Jiyang depression and Weibei sag. By means of the organic geochemical theories and methods, the characteristics of oil shale in Changle sag are studied. The oil shale has a high organic matrix abundance. Its kerogen type is mainlytypeⅠand typeⅡ1, at an immature-low maturity stage, has a strong potential for oil generation，so it has good prospects for oil and gas exploration. By analyses of the regional tectonic evolution and climate change, the oil shale of Changle sag are formated in left turn to right turn conversion period of Tanlu fault zone, weak tectonic activity coupled with warm and humid climate. The oil shale and coal co-exist in TST and HST. The oil shale metallogenic model belongs to the rift lake march type.

Changle sag；oil shale；Lijiaya Formation；organic matrix；geochemistry;genesis；Shandong Province

10.13278/j.cnki.jjuese.201503108.

2014-10-12

国家重大科技专项项目(2011ZX05006)

孙耀庭(1978--)，男，高级工程师，博士研究生，主要从事沉积学及石油地质学研究，E-mail:syt1979@sina.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201503108

P618.12

A

孙耀庭，徐守余，张世奇，等．山东昌乐凹陷油页岩地球化学特征及成因探讨.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(3):736-742.

Sun Yaoting，Xu Shouyu，Zhang Shiqi，et al. Geochemical Characteristics and Genesis of the Oil Shale in Changle Sag，Shandong Province.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(3):736-742.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201503108.