抚顺、桦甸、龙口含矿区始新统高品质油页岩特征及地质意义

2018-07-04刘招君孙平昌

中国煤炭地质 2018年6期

薛敏，刘招君，孙平昌，王涛，张坤

(1.吉林大学地球科学学院，长春 130061； 2.吉林省油页岩及共生能源矿产重点实验室，长春 130061)

油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分固体可燃有机沉积岩，低温干馏可获得油页岩，含油率大于3.5%，有机质含量较高，主要为腐泥型和混合型，其发热量一般不小于4.18MJ/kg。在油页岩开发利用的过程中，其工业指标可能会随着经济和开采技术条件的变化而变化[1]。油页岩属于非常规油气资源，以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪重要的接替能源。

抚顺、桦甸、龙口是目前正在开发的三个油页岩含矿区，其油页岩层均位于古近系始新统，埋藏深度较浅，一般为0～500m。前人对以上三个含矿区已有一定的研究，但基本以单一含矿区油页岩研究为主。因此，本文通过对抚顺、桦甸、龙口三个含矿区高品质油页岩的工业品质特征、地球化学特征和有机岩石学特征进行系统测试和对比分析，进而揭示抚顺、桦甸、龙口含矿区始新统油页岩特征及地质意义。

1 地质背景

郯庐断裂带是东亚大陆上的一系列北东向巨型断裂系中的一条主干断裂带，是地壳断块差异运动的接合带，也是地球物理场平常带和深源岩浆活动带。从西南向北东延伸，后到沈阳向东北方向分为两支，其中东支为敦化-密山断裂带，由两条平行的走滑断裂组成，该带分布有抚顺、桦甸盆含煤、含油页岩盆地。向东南方向发育黄县盆地，该盆地东边以北林院-洼沟断层为边界，它是郯庐断裂带的分支断层，并和黄县-九店里大断层控制了黄县含煤含油页岩地层的分布和发育[1-4](图1)。因为这三个盆地都在郯庐断裂带上，因此在成矿上有一定的相似性。

图1 抚顺、桦甸、龙口地区平面地质图[5]Figure 1 Geological maps of Fushun, Huadian andLongkou areas[5]

抚顺地堑式盆地内充填有古近系始新统含煤、含油页岩岩系地层[6]，从下到上分别为老虎台组、栗子沟组、古城子组、计军屯组和西露天组，其中油页岩层主要赋存于计军屯组[7]。桦甸半地堑式盆地主要充填古近系始新统桦甸组，自下而上桦甸组可划分为3段：下部为黄铁矿段沉积，中部为油页岩段沉积，上部为炭质页岩(含煤)段沉积[8-11]。黄县盆地为新生代继承性发展的典型半地堑式断陷盆地，盆地内煤层和油页岩为连续沉积[12]，龙口矿区油页岩主要分布于古近系始新统五家崖组。

2 样品特征与实验方法

抚顺油页岩赋存于古近系始新统计军屯组，所取样品呈棕褐色，光泽为暗淡光泽，质地比较坚硬，岩性比较均一，为水平层理发育(图2a，图2b)。桦甸油页岩主要赋存于古近系始新统桦甸组，样品呈灰褐色，暗淡光泽，硬度和抗压性能较小，质地较疏松，致密块状，为水平层理发育(图2c，图2d)。龙口矿区油页岩主要分布于古近系始新统五家崖组，所取样品薄层状，呈灰黑色，暗淡光泽，页理发育夹有褐色条纹，为水平层理发育(图2e，图2f)。

本次实验所取三个样品的前期处理和含油率、发热量、工业分析、全硫和密度、显微组分镜下鉴定等一系列测试分析均在“吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室”完成。为了更好地揭示研究成果，除了进行以上实验，还将样品送至大庆市让胡路区勘探开发研究院有机地球化学研究室，用ELEMENT XR 等离子体质谱仪进行元素地球化学分析(检测方法依据为GB/T 14506.30-2010)。

3 油页岩工业品质特征

3.1 含油率

油页岩含油率指的是油页岩中页岩油(焦油)所占的质量分数，是界定油页岩矿产资源概念和油页岩资源评价的重要指标之一[1]。通过对三个研究区的油页岩样品进行含油率测试，抚顺地区样品的含油率为13.38%，桦甸地区样品的含油率为18.24%，龙口地区样品的含油率为34.53%。

3.2 灰分

灰分是评定油页岩品质的关键参数。一般情况下，灰分产率越低，油页岩的有机质含量越高，品质越好[1]。通过对抚顺、桦甸、龙口这三个地区油页岩的灰分测试，得到抚顺地区油页岩样品的灰分产率为63.84%，桦甸的油页岩样品的灰分产率为50.01%，龙口地区的油页岩样品的灰分产率为26.87%。并且通过对三个地区油页岩的灰分产率与含油率相关关系研究发现，两者呈现明显的负相关，即含油率高的地区，灰分产率明显较低，且相关系数可达0.975(图3)。

(a、b：抚顺地区油页岩实物照片；c、d：桦甸地区油页岩实物照片；e、f：龙口地区油页岩实物照片)图2 抚顺、桦甸、龙口油页岩照片Figure 2 Oil shale photos from Fushun, Huadian and Longkou areas

图3 抚顺、桦甸、龙口地区油页岩含油率和灰分含量关系图Figure 3 Relationships between oil shale oil content and ash content in Fushun, Huadian and Longkou areas

3.3 发热量

发热量是评价油页岩是否具有作为工业燃料价值的重要评价参数，一般情况下，发热量数值越大，其工业燃料的价值越高[1]。抚顺、桦甸、龙口三个研究区油页岩样品的发热量分别为8.69MJ/kg、12.85 MJ/kg、23.34 MJ/kg。通过对油页岩发热量与含油率的相关关系研究发现，发热量与含油率呈现极好的正相关，即含油率高的地区，发热量也呈现增大的趋势，相关系数达到0.997(图4)。

图4 抚顺、桦甸、龙口地区油页岩含油率和发热量关系图Figure 4 Relationships between oil shale oil content and calorific value in Fushun, Huadian and Longkou areas

3.4 全硫

全硫含量是指油页岩中各种硫分的总和，是评价油页岩利用时潜在污染程度的重要指标。参照煤的含硫量分级，依照全硫含量可将油页岩分为五级：特低硫油页岩S≤1.0%，低硫油页岩1%4.0%[1]。抚顺、桦甸、龙口三个研究区油页岩样品的全硫含量分别为0.93%、0.52%、0.39%。研究区油页岩为特低硫油页岩，表明在开发利用过程中对周围环境潜在污染程度较低。

抚顺、桦甸、龙口三个地区的油页岩均为高品质油页岩，由表1可以看出，抚顺、桦甸、龙口三个地区油页岩的含油率和发热量数值依次增高，灰分和全硫数值依次降低，依据前人研究经验和国内外油页岩矿的开发利用经验，桦甸和龙口地区油页岩的含油率和发热量相对较高，更加适合提取页岩油后，利用灰渣进行燃烧发电[13]。

表1 抚顺、桦甸、龙口油页岩工业品质参数对比表

4 油页岩地球化学特征

4.1 无机地球化学特征

4.1.1 微量元素特征

在后太古宙澳大利亚页岩(PASS)标准化蛛网图中(图5)，抚顺、桦甸、龙口三个地区油页岩样品微量元素分配模式没有存在明显的差异，且样品间元素的富集、亏损趋势大体一致(表2)，反映抚顺、桦甸、龙口三个地区油页岩油页岩段沉积时期的物源类型可能相似。

图5 抚顺、桦甸、龙口地区油页岩微量元素PASS标准化蛛网图(PASS数据引自文献[14])Figure 5 Fushun, Huadian and Longkou areas oil shale trace element PASS standardizing cobweb plots (PASS data after reference [14])

微量元素的富集程度与沉积环境具有密切的关系，它们比值的变化在一定程度上可以用来指示古环境。通常把Sr/Ba的值作为区分淡水和咸水的标志，当Sr/Ba>1指示海相咸水沉积，Sr/Ba<1指示陆相淡水沉积，0.55.0时则指示干旱气候。抚顺、龙口两地区油页岩的Sr/Cu值分别为1.906、1.694，表明这两个地区的油页岩沉积时为温湿的气候，桦甸地区油页岩的Sr/Cu值为21.475，表明该区的油页岩沉积时为干热的气候，可能干热的气候条件是造成桦甸地区半咸水环境的主要原因之一。

4.1.2 稀土元素特征

抚顺、桦甸、龙口三个地区的油页岩稀土元素总量∑REE分别为215.1×10-6、157.6×10-6、198.3×10-6；∑LREE分别为174.2×10-6、125.0×10-6、142.2×10-6；∑HREE分别为17.0×10-6、13.1×10-6、22.8×10-6；∑LREE/∑HREE分别为10.2、9.5、6.2；δEu异常系数分别为1.3、1.1、1.1；δCe异常系数分别为0.9、0.9、0.9。

在球粒陨石标准化分配模式中，抚顺、桦甸、龙口地区油页岩稀土元素分配模式均呈现出右倾(图6a)，轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损。La-Eu段的轻稀土元素曲线分布较陡，即呈现明显的“右倾”；Gd-Lu段的重稀土元素曲线分布较平坦。在PASS标准化分配模式中(图6b)，抚顺、桦甸、龙口地区稀土元素质量分数差异不明显，分配模型和后太古宙澳大利亚页岩相似。

通过稀土元素的分布特征可以提取古水体的氧化-还原信息。在一定的pH值的条件下，当水体是氧化环境时，Ce3+氧化成Ce4+，Ce3+浓度会随之降低；当水体为缺氧环境时，Ce3+浓度增大。因此Ce异常可以用来反映水体的氧化-还原环境。Elderfield H等[17]通过Ce的相邻元素并利用公式Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]认为，当Ceanom>-0.1时，可以反映水体为还原环境，当Ceanom<-0.1时，可反映水体为氧化环境。抚顺、桦甸、龙口地区油页岩的Ceanom值分别为-0.04、-0.06、-0.03，均大于-0.1，可以说明这三个地区油页岩段沉积时期水体为还原环境，还原环境有利于有机质保存。

图6 抚顺、桦甸、龙口地区油页岩稀土元素分配曲线(球粒陨石数据来自文献[14]，PASS数据引自文献[16])Figure 6 Fushun, Huadian and Longkou areas oil shale REE distribution curves (chondrite data after reference [14], PASS data after reference [16])

Table 2 Fushun, Huadian and Longkou areas oilshale trace element mass fractions /%

注：N表示PASS标准化值；δEu、δCe为Eu、Ce异常程度δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2，δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2；Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)].

4.2 有机地球化学特征

有机碳(TOC)含量是国内外普遍采用的有机质丰度指标，指岩石中残留有机碳含量，是生油岩、油页岩评价的一个重要指标[18]。抚顺、桦甸、龙口三个研究区油页岩样品的有机碳含量分别为21.15%、32.35%、62.3%，可见三个研究区的油页岩段沉积水体为还原环境，这为油页岩中有机质的富集提供了良好的保存条件。

图7 抚顺、桦甸、龙口地区油页岩含油率和TOC关系图Figure 7 Relationships between oil shale oil content and TOC content in Fushun, Huadian and Longkou areas

演化阶段未成熟成熟高成熟过成熟Ⅰ<437437～460460～490>490Ⅱ<435435～455455～490>490Ⅲ<432432～460460～505>505

有机质类型是决定有机质生烃能力和生烃属性的重要因素。通过对研究区油页岩的最大热解峰温(Tmax)和氢指数(IH)的交汇图解可以看出抚顺、桦甸、龙口含矿区油页岩的有机质类型分别为Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ1型(图8)。

最大热解峰温(Tmax)常用来判断有机质成熟度，一般成熟度越高，岩石热解的Tmax越高，但不同类型有机质的界限有所不同[20]。抚顺、桦甸、龙口三个研究区的最大热解峰值分别为444℃、441.5℃、436.5℃，根据表3，可以看出研究区油页岩的有机质都处于成熟热演化阶段，并接近成熟与未成熟阶段的边缘。

图8 抚顺、桦甸、龙口含矿区油页岩Tmax与IH交汇图Figure 8 Fushun, Huadian and Longkou ore-bearing areas oil shale Tmax and IH cross plots

5 有机岩石学特征

根据显微组分分析，油页岩主要由腐泥组、壳质组、镜质组和惰性组组成。抚顺、桦甸、龙口地区油页岩有机组分总体上以腐泥组为主，含量均大于83%，含有大量藻类体(图9)，藻类体是生油潜力最大的有机显微组分，表明对这三个地区有机质来源贡献最大的是湖泊生物。其中抚顺、桦甸、壳质组含量分别为6%、5%、6%；镜质组含量分别为5%、8%、5%；惰质组含量分别为2%、3%、6%。壳质组和镜质组含量的多少反应了陆源高等植物组分在有机质组分中所占比例的多少，这表明这三个地区油页岩的有机质来源主要为湖泊生物，并含有少量的陆源高等植物[21-22]。

(a、b:抚顺地区油页岩有机显微组分；c、d:桦甸地区油页岩有机显微组分；e、f:龙口地区油页岩有机显微组分) 图9 抚顺、桦甸、龙口研究区油页岩中的有机显微组分 Figure9 OrganicmicropetrologicalunitsinFushun,HuadianandLongkoustudyareas

6 结论

(1)油页岩工业品质研究表明，抚顺、桦甸、龙口三个地区高品质油页岩的含油率和发热量数值依次增高，灰分和全硫数值依次降低，含油率分别为13.38%、18.24%、34.53%，发热量分别为8.69MJ/kg、12.85 MJ/kg、23.34 MJ/kg。其中桦甸和龙口地区油页岩的含油率和发热量相对较高，更加适合提取页岩油后，利用灰渣进行燃烧发电。

(2)根据微量元素Sr/Ba、Sr/Cu的比值得出，抚顺、龙口地区油页岩沉积于温湿气候下的淡水环境，桦甸地区油页岩沉积于干热气候下的半咸水环境。稀土元素的Ceanom值反映了油页岩沉积时水体介质的还原性，说明这三个地区油页岩段沉积时期水体为还原环境，有利于有机质的保存。

(3)抚顺、桦甸、龙口地区油页岩的颜色分别为棕褐色、灰褐色、灰黑色，水平层理发育，且有机碳含量丰富，表明油页岩形成于半深湖-深湖的静水还原环境，为油页岩中有机质的富集提供了有利的保存条件。

(4)抚顺、桦甸、龙口地区油页岩的有机质均处于成熟的热演化阶段，最大热解峰值分别为444℃、441.5℃、436.5℃，有机质类型分别为Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ1型，有机质的显微组分主要为腐泥型，含有大量的藻类体，有机质来源主要为湖泊生物，并含有少量的陆源高等植物。

参考文献:

[1]刘招君,杨虎林,董清水,等.中国油页岩[M].北京:石油工业出版社,2009:1-290.

[2]王小凤,李中坚,陈柏林,等.郯庐断裂带[M].北京:地质出版社,2000.1-230.

[3]许圣传,董清水,闫丽萍,等.山东黄县断陷盆地油页岩特征及生成机制[J].吉林大学学报(地球科学版),2006(06):954-958.

[4]刘承雨.黄县盆地西部油页岩沉积特征与成矿机理研究[D].中国矿业大学,2015.

[5]周红建.营潍断裂带发育演化及其对两侧盆地构造格局的控制作用[D].北京：中国石油大学,2010.

[6]杨起,韩德馨.中国煤田地质学:上册[M].北京:煤炭工业出版社,1979:156-159.

[7]厚刚福,董清水,于文斌,等.抚顺盆地油页岩地质特征及其成矿过程[J].吉林大学学报(地球科学版),2006(06):991-995.

[8]孙平昌,刘招君,孟庆涛,等.桦甸盆地古近纪充填特征及对油页岩成矿的影响[J].煤炭学报,2011,36(07):1110-1116.