青海省侏罗系油页岩成矿模式研究

2018-08-24李永红

中国煤炭地质 2018年7期

李永红

(青海煤炭地质局，西宁 810001)

0 引言

油页岩，又称油母页岩，是一种高灰分的固体可燃有机质沉积岩，低温干馏可获得页岩油，含油率≥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4.19MJ /kg[1-5]。

青海省油页岩大多赋存在侏罗系，但针对侏罗系油页岩的地质工作薄弱。通过青海省地勘基金项目-青海省侏罗系油页岩资源调查评价项目的开展，系统梳理总结侏罗系油页岩岩性组合特征，研究油页岩成矿模式，以期为今后侏罗系油页岩找矿工作提供一定的指导借鉴意义，避免勘查工作部署的盲目性。

1 油页岩岩性组合类型

青海省侏罗系油页岩主要赋存在柴北缘下侏罗统小煤沟组(J1x)、中侏罗统石门沟组(J2s)和北祁连中侏罗统窑街组(J2y)及中祁连中侏罗统江仓组(J2j)。

从沉积角度油页岩可划分为大型坳陷湖泊，小型断陷湖泊、湖湾，泻湖和海陆交互相四种成因。大型坳陷湖泊成因的油页岩主要赋存于半深湖-深湖环境形成的暗色泥页岩中；小型断陷湖泊、湖湾成因的油页岩通常与煤层互层产出；泻湖成因的油页岩赋存于较厚的深色泥灰岩、泥岩之中，常夹有石膏盐层，这种成因的油页岩以西藏羌塘盆地的夏里组油页岩为代表；海陆交互相成因的油页岩沉积较少，以松辽盆地的白垩纪青山组、嫩江组为代表[6]。

根据油页岩的4种沉积成因，结合青海省侏罗系油页岩调查评价工作对油页岩赋存层位(中、下侏罗统)的认识，对侏罗系油页岩赋存层段进行筛选[6]。青海省侏罗系油页岩常见岩性组合有A、B、C、D四种类型(图1)。A类型为从粉砂岩至泥岩、油页岩向上变细的序列，油页岩通常赋存于大段灰黑色泥岩之中，呈较厚的单层，或呈薄层与泥岩、页岩互层，常位于泥页岩段顶部，为半深湖-深湖沉积环境，此类型在江仓组上段、石门沟组上段较为常见。B类型见于柴北缘石门沟组，大体与A类型相似，区别在于油页岩底、中、顶有中、细粒砂岩，甚至还有粒度更粗的砂砾岩，这些砂岩或单一层状、或相互组合成较薄正粒序旋回，为半深湖-深湖沉积环境的水下重力流沉积，可以说是A类型的特殊情况。C、D两类型与A、B两类型区别较大，属油页岩与煤层伴生类型，油页岩通常位于煤层之上，也可与其互层，也有可能位于煤层之下，为湖湾沼泽沉积环境。C类型常见于小煤沟组、窑街组，通常为一个正旋回，油页岩与细粒沉积物共生，为稳定的湖湾沉积环境。D类型细碎屑沉积物层段通常夹有砂岩，为湖湾沉积环境，常受三角洲分流河道进积的干扰，稳定性较差。

2 油页岩成矿模式

根据青海省侏罗系油页岩赋存岩性组合类型及形成影响因素分析，认为油页岩成矿模式主要有半深湖-深湖相和湖湾相两种(表1)。

半深湖-深湖相油页岩有机质来源以自生生产力为主，主要有三种情况：一是处于欠补偿，即自生有机质的堆积速度很慢，而陆源有机质的供给几乎停止，在水体长期分层情况下，几乎所有的有机质都得到了保存。二是藻类的勃发，在这种情况下，湖泊自身生态环境具有高生产力，虽然有一定的外来陆源有机质，但相对于湖泊自生的有机质来说只占很少一部分。所谓“勃发”，就是藻类在一定的环境条件下、在一定的时期内可以形成单属种的极度生长和富集，形成“白水” “红水”或“赤潮”。藻类勃发造成的直接后果是以纹层的形式沉积下来，无论是海洋沉积，还是湖泊沉积，藻类纹层都极为普遍。藻类纹层常由单种化石或残骸所组成，同时藻类纹层韵律性沉积。不但不同的藻类纹层可以组成韵律，而且藻类纹层可以与陆源碎屑或碳酸盐矿物纹层组成韵律。三是湖泊的水体环境突然改变，导致生物迅速死亡，造成了自身有机质输入大于陆源输入。

湖湾相油页岩有机质来源主要有两种，一是来自早期覆水沼泽的有机质堆积，二是来自湖湾低等水生植物。湖湾为一弱氧化-弱还原、水体相对比较闭塞的沉积环境，其水生植物很繁盛、水流闭塞，很少有外来物源干扰，能够与煤层伴生形成有机质丰富的油页岩。

青海省侏罗系半深湖-深湖相油页岩成矿模式通常表现为中等含油率、厚度大的特点。在盆地演化过程中，半深湖-深湖沉积环境多发育在稳定的沉降阶段，长期缺氧环境为有机质保存提供了良好的条件。温暖湿润的气候条件下，有利于形成稳定的森林植被，更有利于化学风化作用的加强(图2)，一方面降低了碎屑物质的来源，提高了沉积物有机质相对碎屑物的含量；另一方面，丰富的降雨量带来了充足的溶解营养物质，湖泊初始生产力大幅度提高，从而发育较厚的油页岩。在此过程中，深湖相重力流沉积带来陆源碎屑、有机物和一部分氧气，并且一定程度上破坏了湖底的稳定分层，因此，重力流作用对油页岩形成是不利因素。中侏罗世晚期，柴北缘湖盆发育，含油页岩的石门沟组上段在半深湖-深湖沉积环境下广泛沉积，油页岩多在靠近物源一侧的滨浅湖至半深湖-深湖过渡带上富集。

图1 侏罗系油页岩岩性组合类型图Figure 1 Jurassic oil shale lithologic association types

表1 侏罗系油页岩成矿条件对比表

图2 侏罗系油页岩成矿模式图Figure 2 Jurassic oil shale mineralization model

湖湾相油页岩以三角洲-浅湖沉积体系为特征，三角洲与三角洲之间的浅湖环境极易发生改变，浅水湖泊被淤浅后，大面积沼泽化，形成的泥炭层与废弃的三角洲平原上的泥炭层连成一片，在浅湖沉积之上形成煤层。之后由于构造沉降和降水作用，潜水面上升，不利于煤的形成，而利于油页岩的形成(图2)。由于沉积物不断向湖盆中心堆积，导致湖平面下降，不利于油页岩的形成，而利于煤的形成。湖沼相油页岩有机质来自沼泽时期的水生植物，湖泛作用潜水面上升后，不利于植物的生长，水生植物死亡堆积，由于水动力微弱，无法带入新的氧气，水底的氧气因氧化前沉积的有机物氧化作用很快消耗殆尽，只有靠近水面处有氧气的存在。同时，自身又有很高的生产力，不断堆积的有机质得到了较好的保存。与半深湖-深湖相油页岩相比，湖湾相油页岩有机质供应快速而充足。从小煤沟组、窑街组湖湾相油页岩展布情况看，湖湾环境分布范围较小，沉积基底多凹凸不平，分布范围受古隆起、沉积相变边界和后期构造剥蚀边界的控制，多形成于沉积初期填平补齐阶段，油页岩多在湖湾沉积环境的中心附近富集。

从两种油页岩成矿模式的差异可以看出，两种成矿模式处于不同的构造背景。半深湖-深湖沉积环境相对于湖湾沉积环境构造背景趋于稳定，重力流影响较小，环境稳定性好，油页岩能够稳定持续的发育，单层厚度、累积厚度较大，发育范围广；湖湾沉积环境构造背景不稳定，受三角洲进积影响较大，环境稳定性较差，油页岩受其影响而断续发育，单层厚度、累积厚度较薄，发育范围较小。从有机物供应来看，湖湾相油页岩常与煤层伴生，有机物表现为原地、快速、充足的供应，使得油页岩含油率较半深湖-深湖相高，但厚度相对较薄。沉积环境不同使得水深及有机物供应源产生分布差异，导致两种油页岩成矿模式富集中心分布不同。

3 典型矿区

3.1 小峡矿区

小峡矿区位于西宁盆地东部，窑街组直接沉积于花岗岩基底之上，油页岩赋存于窑街组下段的上部。窑街组下段的下部主要为灰白-灰黄色粗粒砂岩、中粒砂岩，夹灰绿-灰黑色泥岩、粉砂岩薄层。砂岩具波状层理，局部具交错层理，为水动力较强的河道沉积环境。窑街组下段的上部为细碎屑沉积，以泥岩、煤层、油页岩为主，夹粉砂岩薄层。油页岩层位、厚度较稳定，多位于煤层之上或煤层之间，呈互层产出，为典型的湖湾沉积环境。

窑街组上段以粉砂岩为主，为三角洲、滨浅湖沉积环境，有机质来源不如半深湖-深湖和湖湾沉积环境丰富，达不到油页岩富集的有利条件。

从窑街组下段岩相古地理图看(图3)，由外向内三角洲平原、三角洲前缘、湖湾依次呈环带状分布。湖湾沉积环境下砂泥比在0.4以下，泥岩等细碎屑沉积物发育较好，向外砂泥比逐渐升高。物源来自矿区南部的古隆起，表现为窑街组向南整体逐渐减薄，直至沉积缺失。从油页岩等厚线分布看，油页岩主要在湖湾沉积环境的中心附近发育富集，湖湾以外环境，油页岩和煤层逐渐减薄至尖灭，反应原地堆积的有机质逐渐减少，不能为油页岩的形成提供足够的有机物来源。

3.2 鱼卡矿区

鱼卡矿区位于柴北缘中部，中侏罗统分大煤沟组和石门沟组，油页岩赋存在石门沟组上段。石门沟组上段底部以中-细粒砂岩、泥岩为主，夹薄煤层，为三角洲平原沉积环境；中部为一套灰黑色粉砂岩夹细砂岩、泥岩的岩性组合，粉砂岩波状层理较发育，为滨浅湖沉积环境；上部为一套全区发育的巨厚层灰黑色泥页岩，为半深湖-深湖沉积环境，较稳定的油页岩赋存在这套巨厚层泥页岩顶部，油页岩多与薄层泥页岩互层产出，局部地段油页岩夹薄层砂岩，为重力流形成的事件沉积。

图3 窑街组下段岩相古地理及油页岩等厚线图Figure 3 Yaojie Formation lower member lithofacies, paleogeographic and oil shale isopach map

图4 石门沟组上段岩相古地理及油页岩等厚线图Figure 4 Shimengou Formation upper member lithofacies, paleogeographic and oil shale isopach map

从鱼卡矿区石门沟组上段岩相古地理看(图4)，物源来自西北和东南方向，由西北和东南方向向中部依次分布有三角洲平原、三角洲前缘、滨浅湖、半深湖-深湖沉积环境，砂泥比亦随之逐渐降低。尕秀东部、二井田南部以及北山大部分地段石门沟组上段经后期构造抬升遭受剥蚀而缺失。油页岩分布在半深湖-深湖、滨浅湖、三角洲前缘单元中，主要在滨浅湖-半深湖-深湖沉积环境中富集。