银额盆地下白垩统巴音戈壁组含油页岩岩系地球化学特征及有机质富集条件

2019-02-10武昕普柳蓉张坤赵康安韩佳兵

世界地质 2019年4期

武昕普，柳蓉，2，3，张坤，赵康安，韩佳兵

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；3.吉林大学东北亚古生物演化与环境教育部重点实验室,长春130026

0 引言

油页岩是一种有机质富集的细粒沉积岩[1]，由于其特殊的物理化学性质，可以用于提炼油页岩油、发电、稀有稀土金属提取和建材等各个领域，引起了世界的广泛关注。近年来，越来越多的学者对油页岩的形成环境进行了详细研究，并对油页岩有机质富集有利条件提出了不同见解。许多学者通过对不同地区的油页岩有机质富集的影响因素研究认为，温暖湿润的古气候条件有利于水生生物的生长繁殖，提高了湖泊生产力，从而有利于有机质富集，形成油页岩[2-7]。还有一些学者通过对银额盆地含油页岩系的沉积环境研究后认为该盆地的含油页岩岩系的沉积条件为半温暖半湿润甚至炎热干旱的条件[8]。这与之前学者普遍认为的油页岩形成于温暖湿润气候条件存在较大的差异。并且，对于是在温暖湿润还是在炎热干旱的气候条件下更有利于形成油页岩，缺少进一步的系统研究。

银额盆地为新发现的含油页岩盆地，总体研究程度较低，笔者对银额盆地巴格毛德地区露天矿出露的下白垩统巴音戈壁组含油页岩岩系地层进行密集、系统的取样分析，利用主量元素及微量元素等无机地球化学特征，对银额盆地下白垩统巴音戈壁组含油页岩系的古气候和古水体条件进行研究，并结合TOC、有机质类型和有机质成熟度等有机地球化学特征对银额盆地下白垩统巴音戈壁组的有机质富集规律进行系统分析，揭示其有机质富集的有利条件。

1 区域地质背景

银根—额济纳旗盆地简称银额盆地，位于内蒙古自冶区西部，东起狼山，西至北大山，南抵雅布赖山，北以中蒙边境为界，是上古生界与中生界的叠合盆地，地处阿拉善高原，盆地四周环山，总体呈NEE走向。东西长约650 km,南北宽约75～225 km,面积约12.3×104km2，中、新生界沉积岩分布面积10×104km2[9]。盆地基底为中元古界、古生界的变质岩、千枚岩、石英片岩和花岗岩等,盖层为中生界的砂岩、泥岩和页岩等。

研究区位于银额盆地北部楚鲁隆起巴格毛德地区(图1)，基本表现为极开阔的不对称向斜构造，向斜轴部偏西，东翼宽缓，西翼陡峭[10]。研究区内地层发育较为健全，自下而上有下白垩统巴音戈壁组(K1b)、上白垩统乌兰苏海组(K2w)和第四系(Q)，其中巴音戈壁组划分为巴音戈壁组一岩段(K1b1)和巴音戈壁组二岩段(K1b2)两个岩段。巴音戈壁组二岩段为研究区内主要地层单位，主要分布在巴格毛德西北呼伦陶勒盖和楚鲁庙以东，底部与巴音戈壁组一岩段整合接触，顶部与乌兰苏海组不整合接触[10]。上部岩性为灰色、灰绿色泥岩;下部为砂砾岩；中部为灰色、灰黑色页岩，粉砂质泥岩，泥质粉砂岩，夹灰黑色油页岩，是本区主要含油页岩矿地层[11]。

2 含油页岩系特征

本次对巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组露天矿进行系统取样，自下而上以15 cm为间隔进行连续采样，采样长度17.14 m。为避免出露的岩层由于氧化而导致测试数据不准确，采集的样品均取自新鲜剖面。

2.1 岩石学特征

通过对露天矿剖面进行连续取样并精细描述(图2),研究区岩性主要以灰色泥岩、深灰色页岩(图2e)、灰色粉砂质泥岩、灰白色泥灰岩(图2b)和灰黑色油页岩为主。其中该剖面共发育12层油页岩，集中在该剖面的中部和下部，但厚度分布不均匀，其中5层油页岩厚度较大，厚约0.93 m。油页岩中发育水平层理和生物富集层(图2c)，主要为叶肢介壳体碎片，此外含大量的植物茎杆和叶肢介化石(图2a)，为嘉峪关叠饰叶肢介和柔饰玉门叶肢介[12]，偶见介形虫化石(图2f，g)。泥灰岩层底部偶见砾石(图2d)。

图1 巴格毛德地区区域地质图及矿坑野外露头Fig.1 Geological map of Bagemaode area and pit outcrop

2.2 矿物学特征

研究区不同岩性样品的X-射线衍射全岩分析结果显示，油页岩中主要成分为黏土矿物(表1)，以伊蒙混层和伊利石为主(表2)，方解石和白云石在个别样品中含量较高(表1)。页岩和泥岩与油页岩具有相似的矿物成分，但不发育白云石；细砂岩主要由石英、方解石和黏土矿物组成，并且含有少量石膏(表1)。

表1 银额盆地巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组矿物成分

图2 露天矿剖面野外实测地层综合柱状图及矿物含量Fig.2 Comprehensive stratigraphic column and mineral content of strip mine outcrop

表2 银额盆地巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组黏土矿物组分

Table 2 Clay mineral composition of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Bagemaode area, Yin’e Basin

样品编号岩性黏土矿物含量/wt%蒙皂石伊蒙混层伊利石高岭石绿泥石伊蒙混层比(%蒙皂石)PK-60油页岩/69243440PK-45油页岩/74222240PK-34油页岩/65312240WL-14泥岩/71224340

3 有机地球化学特征

笔者利用有机碳含量(TOC)、生烃潜力(S1+S2)和氢指数(HI)等数据研究有机质的丰度、类型和成熟度。通过绘制有机碳含量(TOC)、生烃潜力(S1+S2)和氢指数(HI)的变化曲线，发现三者之间具有良好的正相关性(图3)。

3.1 有机质丰度

通过对样品中有机质的TOC和S1+S2含量进行统计，结果显示TOC含量为0.76%～12.65%，平均值为4.68%；S1+S2含量为0.18～105.36 mg/g，平均S1+S2含量为23.89 mg/g，可以看出整体有机质丰度不高，但变化较大。油页岩TOC含量较高,在5.22%～12.65%之间，平均值为8.30%；S1+S2为25.23～105.36 mg/g，平均值为55.79 mg/g。

3.2 有机质类型

油页岩和泥页岩样品的岩石热解参数包括热解参数S1(液态烃残留量)、S2(热解生烃量)、S3(热解有机CO2)和Tmax(热解峰值温度)，根据以上参数计算得到HI指数，根据Tmax和HI、TOC和S2进行投图，可知巴格毛德地区油页岩的有机质类型主要为Ⅰ型和Ⅱ1型，泥页岩有机质类型为Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型(图4)。

3.3 有机质成熟度

岩石热解参数Tmax常用于评价有机质成熟度。邬立言等[13]通过对中国不同盆地的生油岩进行研究后，提出了不同类型的有机质在不同的成熟阶段对应的Tmax值(表3)。测试样品中Ⅰ型有机质的Tmax在437.5℃～443℃之间，平均值为439.78℃，说明Ⅰ型有机质处于低成熟阶段；Ⅱ型(包括Ⅱ1型和Ⅱ2型)有机质的Tmax在433℃～441℃之间，平均值为438.06℃，说明Ⅱ型有机质处于未熟-低熟阶段，以低成熟阶段为主；Ⅲ型有机质的Tmax在420℃～438.5℃之间，平均值为431.88℃，说明Ⅲ型有机质处于未成熟-低成熟阶段，以未成熟阶段为主。综上表明，银额盆地下白垩统巴音戈壁组含油页岩系的有机质成熟度整体处于未熟-低熟阶段。

表3 有机质不同成熟阶段的Tmax值[13]

图4 银额盆地巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组有机质类型Fig.4 Types of organic matter of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Bagemaode area, Yin’e Basin

4 含油页岩系有机质富集条件分析

4.1 古气候条件

指示古气候的方法主要有Sr/Cu法和黏土分析法。Sr/Cu比值对古气候的变化非常敏感[14]，Sr/Cu>5指示干燥炎热气候，Sr/Cu值在1.30～5.00之间则指示温暖湿润的气候[15-16]。

研究区Sr/Cu比值介于3.24～390.70，总体揭示了研究区为一套炎热干旱与温暖湿润频繁交替发育的气候环境(图3)。通过垂向上有机质丰度与古气候条件对应关系分析来看，温暖湿润和炎热干旱的气候条件都可以形成油页岩。高有机质含量的油页岩形成于较炎热干旱的环境，温暖湿润的气候条件形成的油页岩有机质丰度较低(图3)。通过绘制TOC与Sr/Cu相关性散点图(图5a)，发现大部分油页岩样品落在较炎热干旱的区域，并且对于油页岩样品来说，随着干旱炎热的程度增高，有机质含量反而有下降的趋势。进一步说明较炎热干旱的气候条件是高品质油页岩形成的有利条件，温暖湿润和过于炎热干旱不利于形成高品质油页岩。

高岭石在温暖潮湿的气候下易于形成，在干旱气候下不利于形成高岭石[17]，因此，对于低热演化阶段，可以用高岭石的含量来指示古气候。巴音戈壁组二段样品中的高岭石含量很低，说明当时总体为干旱气候。伊利石多在寒冷少雨的气候下形成[18-19]，伊/蒙混层的出现通常伴随季节性的干旱和温暖气候条件，伊/蒙混层含量越高，代表气候越温暖干旱[20]，由此可以看出巴音戈壁组二段整体的气候较炎热干旱，与Sr/Cu指示的气候条件一致。

4.2 古水体条件

4.2.1 古盐度

Sr/Ba是用来判别古盐度的有效指标[21-25]。一般来讲，淡水环境中Sr/Ba值<0.5，代表陆相湖泊环境；咸水环境中Sr/Ba值>1.0，代表海相环境或者咸化的陆相湖泊；Sr/Ba值在0.5～1.0之间代表半咸水的过渡相环境[26]。并且在湖泊中Ca/Mg比值的高低也可以反应当时的沉积水体盐度条件，但是不同地区的Ca/Mg的比值会有所变化[27]，通过Sr/Ba与Ca/Mg的相关性图(图5c)可以看出，较高的Ca/Mg比值对应较高的Sr/Ba比值，说明随着水体盐度增加，Ca/Mg比值也有升高的趋势。Mo/TOC可以反映古湖泊的封闭程度，Mo/TOC比值越高，表明湖泊封闭性越差，随之出现的是较低的水体盐度；反之，Mo/TOC比值越低，指示的是水体盐度较高的封闭性水体环境[28]。通过垂向上Mo/TOC比值的分布规律来看，油页岩段的Mo/TOC值较低，水体封闭性较好(图3)。

图5 微量元素比值与TOC相关关系Fig.5 Correlation between TOC and ratios of trace elements

研究区Sr/Ba比值介于0.17～4.77之间，总体以半咸水-咸水沉积为主，局部发育淡水沉积。经Sr/Cu和Sr/Ba比值的变化曲线对比分析看出，古气候和古盐度具有相似的变化规律(图3)。

通过TOC与Sr/Ba相关性拟合(图5b)可以看出，在淡水-半咸水的水体环境下，有机碳含量与Sr/Ba比值成正相关的线形关系，即随着水体盐度增加，有机碳含量有增高的趋势，并且油页岩基本发育在半咸水-咸水条件下；当水体由半咸水转换为咸水后，随着水体盐度增加，有机碳含量却出现随之下降的趋势。结合垂向上的有机碳含量与水体盐度变化关系上来看(图3)，淡水和咸水环境下都可以形成油页岩，但是品质较好的油页岩发育在咸水环境下，淡水环境中的油页岩有机质含量较低。垂向上，Sr/Ba值出现了3次较大的峰值，分别为10.11 m处的3.80，15.14 m处的4.13和15.08 m处的4.77，显示这3个阶段为半咸水-咸水沉积环境，伴随发育的是含油率和有机质含量都较高的厚层油页岩。这些现象说明水体盐度在半咸水-咸水的条件下有利于形成高品质油页岩。

4.2.2 氧化还原环境

V/(V+Ni)是通常被用来判别氧化还原环境的微量元素指标[29-30]。一般来讲，还原环境下V/(V+Ni)>0.60，氧化环境下V/(V+Ni)<0.46，贫氧环境下V/(V+Ni)在0.46～0.60之间[31]。样品的V/(V+Ni)值为0.39～0.84，平均值为0.73，仅有个别样品的V/(V+Ni)值<0.46，其余样品V/(V+Ni)值均>0.46，且大部分位于0.6～0.8之间(图3，图5d)。

高乔等[32]和Steiner等[33]认为可以用δU=2U/(U+Th/3)来指示氧化还原环境(δU>1：缺氧环境；δU<1：氧化环境)。研究区δU值为0.48～1.58，平均值为1.17，同样仅有个别样品δU值<1(图5d)。

以上研究表明，当时含油页岩岩系的沉积基本处于强还原的沉积环境，为有机质的保存提供了良好的条件。

5 有机质富集条件讨论

丰富的有机质来源、还原环境以及适宜的沉积速率是有机质富集的有利条件[34]。通过以上对含油页岩岩系的古气候、氧化还原条件以及古水体性质的研究表明，对于本研究区，相对炎热干旱的气候条件、半咸水-咸水的强还原环境最有利于有机质富集，形成高品质油页岩。从垂向上有机质的富集规律来看，温暖湿润和炎热干旱条件都可以形成油页岩层，但在较炎热干旱的背景下，可以形成高品质油页岩(图5a)。传统观点认为有利于有机质富集的温暖湿润气候对于本研究区来说并非有利于高丰度有机质的形成，研究区温暖湿润条件下形成的有机质类型多为Ⅱ型和Ⅲ型，其可能由于过于丰沛的降水和大量陆源高等植物碎屑的输入促使古湖盆可容纳空间增大的同时，也大大稀释了沉降到水体底部的有机质浓度。而相对炎热干旱条件下则出现可容纳空间的相对减小，有机质来源主要来自古湖泊生产力的内源成因，相比温暖湿润气候条件下其具有较小的有机质稀释，有利于有机质的富集。同时，在半咸水-咸水环境下，形成水体分层，形成良好的还原环境，有利于有机质的保存。