山东泰莱凹陷姚庄地区油页岩特征及成因分析

2020-05-21薛成杨栋栋

山东国土资源 2020年4期

薛成,杨栋栋

(山东省第五地质矿产勘查院,山东泰安 271000)

20世纪50年代，华东煤田地质局在泰莱盆地进行了煤田地质踏勘与普查找矿工作，施工钻孔21个，其中在泰莱盆地姚庄村西部施工的20孔、21孔均揭露到了油页岩，含油页岩段赋存于官庄群大汶口组中段地层中，揭露油页岩层埋藏深度102.00～273.20m，暗色油页岩层累计厚度达120.83～171.20m，油页岩单层厚度2～114m。由于找矿目的及性质不同，并未对油页岩进行资源调查和评价，但对今后在泰莱盆地开展油页岩矿勘查提供了良好的找矿线索[1-2]。2011年以来，山东省自然资源厅(原山东省国土资源厅)相继在姚庄地区及其南部的南王庄地区部署了油页岩勘查工作，笔者通过收集前人相关资料，结合实地野外地质填图、钻探编录、典型矿区考察、关键样品化验分析等手段，对姚庄地区油页岩进行了研究，分析了泰莱凹陷姚庄地区油页岩产出特征、空间分布规律及油页岩成因，对未来泰莱凹陷油页岩矿的预测及勘查提供一些借鉴。

1 地质概况

泰莱盆地位于山东省泰安--莱芜一带。盆地以北以泰安-大王庄断裂与泰山凸起为界，南以羊流断裂与新甫山凸起为界，东西两缘分别为铜冶店-孙祖断裂和蒙山断裂。盆地北部受泰安-大王庄断裂的控制，并以其为边界，盆地南部和东部角度不整合于晚古生代和中生代地层之上，与鲁西其他中(新)生代断陷盆地一样，是在中生代构造基础上发展起来的新生代断陷盆地。

区域构造以断裂为主，其中泰安-大王庄断裂属泰莱盆地的控盆构造，羊流断裂为泰莱盆地的同生断裂[3-4]，对盆地内的地层有一定的破坏作用(图1)。盆地内沉积有中生代和新生代地层，周围分布有早前寒武纪结晶基底和中生代沉积岩，沿断裂等构造常有中生代侵入岩分布[5-8]。

研究区发育的地层由老到新依次为：奥陶纪马家沟群、古近纪官庄群和第四系。油页岩产出于官庄群大汶口组中段，该段地层以山前堆积-湖相沉积为主。研究区油页岩矿的形成与泰莱盆地的形成发展密切相关。鲁中隆起在中生代进入活化期，构造活动强烈而频繁，差异性活动剧增，形成了一系列相间展布的由断裂围限的次级断块凸起和断块凹陷，以及多组断裂和褶皱，并伴有大规模的酸性和中性岩浆侵位。新生代以来，以间歇性整体上升为主，泰莱凹陷格局主要在这一时期确定[9-11]。古近纪时期，泰莱凹陷处于河流--淡水湖泊沉积环境，气候温暖潮湿，介形虫、叶肢介等浮游生物大量繁殖，为油页岩的形成提供了丰富的有机质来源；同时控制湖盆形态的泰安-大王庄断裂、铜冶店-孙祖断裂持续不断的活动，湖底下降，湖水变深，不断死亡的生物遗体与泥砂同时沉积，形成富含大量浮游生物的有机沉积物[12-14]。形成以浅灰—灰色泥岩、粉砂质泥岩、砂岩为主，间夹油页岩的碎屑沉积。

1—第四系；2—隐伏地层(古近纪大汶口组)；3—实测断裂；4—推测断裂；5—泰安-大王庄断裂；6—蒙山断裂；7—羊流断裂；8—铜冶店-孙祖断裂；9—研究区位置图1 泰莱凹陷构造简图(据杨恩秀等插图修改)

2 油页岩特征

2.1 产出特征

研究区内共圈出含油页岩段1个(含油率≥1.5%)，由3个钻孔揭露控制。含油页岩段位于泰莱凹陷西北部，所处地段为泰莱凹陷湖泊相沉积区的西部，岩相上为油页岩-泥岩岩相区，其地表广泛被第四系覆盖。该含油页岩段位于研究区东部的禹石汶村-朱家官庄一带，主要分布于大汶口组中段中上部，倾向7°，倾角4°～5°。含油页岩段顶板埋深80.76～239.27m，底板埋深197.34～305.05m，厚度60.78～116.58m，含油页岩段厚度在研究区南部稳定，在靠近山前断裂的北部地带减薄。盆地内大汶口组中段上部有一层灰—浅灰色砾岩标志层，区内厚度1.06～2.78m，延伸稳定，盆地内所有施工钻孔均见到该层，岩心较破碎，砾石排列杂乱无章、无分选性，极易与下伏浅黄褐色—灰色页岩、页状泥灰岩区分，反映研究区由山前堆积进入湖相沉积环境，是盆地内含油页岩段对比连接的主要依据。

含油页岩段内岩性以粉砂质泥岩、页状泥灰岩、泥灰岩为主夹薄层碳质砂岩、砂砾岩、泥岩及油页岩、含油页状泥灰岩，其颜色呈现灰—浅灰色，局部浅黄—浅黄褐色(图2)。

图2 钻孔岩心及岩心横断面

含油页岩段内共圈出含油率≥3%的油页岩矿4层，矿层含油率3.12%～4.07%，平均含油率3.48%，单矿层厚度0.8～2.29m，矿层沿走向延伸5.4km(表1)。

2.2 岩性、岩相特征

纵向上，依据施工钻孔资料，姚庄地区大汶口组下段以杂色泥岩、砂岩、含砾砂岩、砾岩为主，颜色以黄褐色、灰色、浅灰色为主，砾石成分主要为灰岩，砾石大小不均，砾径1～12cm，呈椭圆状及次棱角状，胶结物为黏土、砂质充填，胶结方式以充填为主，分选性差，局部见贝壳碎屑化石，砂岩中发育水平层理、小型斜层理，为河湖泊相沉积[15-16]。大汶口组中段以泥岩、泥灰岩、粉砂岩、细砂岩、砾岩为主，夹少量页岩、含油页岩，颜色以浅灰—灰色为主，为湖泊相沉积。区内靠近盆地边缘的西北部为粗碎屑相沉积，靠近盆地中心的东南部沉积碎屑颗粒变细，含油情况明显变好(表2)。

表1 姚庄地区油页岩矿层地质特征

注：山东省第五地质矿产勘查院，山东省泰安市姚庄地区油页岩矿普查报告，2015年。

表2 大汶口组中段各类岩石所占比例 (%)

注：山东省第五地质矿产勘查院，山东省泰安市姚庄地区油页岩矿普查报告，2015年。

横向上，依据钻孔岩性变化特征，山口镇以北岩性以砂岩、砾岩等粗碎屑沉积物为主，属碎屑岩岩相区；山口镇以南岩性以泥岩、油页岩等细粒沉积物为主，属油页岩-泥岩岩相区(图3)。

2.3 油页岩物理特征

赋矿岩石颜色为灰色、浅灰—浅黄褐色，条痕灰色，土状光泽、局部油脂光泽；细粒结构，页状构造，断口平坦状或贝壳状。矿石以泥质成分为主，含油母质、炭质，岩石硬度2.5～3，指甲可以刻划出沟痕。页理及微细层理十分发育，页理厚度小于1mm，有机质沿页理面均匀分布，呈薄层状。岩石比重轻，性脆易碎，易燃、燃烧具硫化氢气味、并伴随有爆裂声，燃烧后呈白色粉末状。岩石密度变化范围为1.80～2.04t/m3，油页岩密度平均为1.90t/m3。

2.4 油页岩品质特征

由泰莱凹陷姚庄地区油页岩样品工业分析和格金低温干馏分析结果可知[17]，研究区油页岩水分为1.80%～2.04%，平均为1.90%；灰分为66.67%～87.84%，平均为80.12%；全硫为0.09%～1.97%，平均为1.12%；发热量为0.68～3.06MJ/kg，平均为0.94MJ/Kg；含油率为3.12%～4.07%，平均为3.48%(表3)。与山东省内正在开发利用的黄县盆地五图地区油页岩相比[18-20],综合评价为低水分、高灰分、低硫、低发热量、低品位油页岩矿。

表3 姚庄地区油页岩品质特征(油页岩样品7件)

注：山东省第五地质矿产勘查院，山东省泰安市姚庄地区油页岩矿普查报告，2015年。

3 油页岩成因分析

3.1 沉积环境分析

依据前人的工作成果及预查、普查工作钻探资料分析，区内地层主要为厚度巨大的古近纪大汶口组碎屑岩，其沉积环境影响着矿床的形成和分布。

(1)大汶口组下段：岩性以浅黄褐色—浅灰褐色、杂色泥岩、砂质泥岩、砂岩为主，断续夹含砾砂岩、粗砂岩、砂砾岩、砾岩。砾石成分主要为灰岩，砾石大小不均，砾径1～12cm，呈椭圆状及次棱角状，胶结物为黏土，胶结方式以充填为主，分选性差，局部见贝壳碎屑化石。沉积物为砂岩-含砾砂岩-砾岩的岩石组合，岩层中可见砾石，有时具定向排列，长轴方向平行于水流方向，是河道底部成因单元的标志，沉积环境应属河流相。

(2)大汶口组中段：上部以灰—浅灰色泥岩、泥质粉砂岩为主，间夹薄层炭质粉砂岩、页岩、页状泥灰岩、砂岩，局部见煤线；中部以页状泥灰岩、泥岩、砂砾岩、页岩为主，间夹数层油页岩、含油页岩；下部以砂质泥岩、粉砂岩夹泥质砂岩、泥灰岩为主，沉积韵律比较明显，应属于湖泊环境。靠近盆地西北部边缘的钻孔揭露岩性为浅灰—浅灰白色砾岩、砂砾岩、泥岩、砂岩为主。岩性组合反映了大汶口组中段沉积期，断裂活动变缓，沉积变稳定，因经过古新世沉积物充填，古地形变的平坦，进入湖盆发育阶段，沉积中心继续向西迁移，盆地在半补偿的状态下，以黏土质及化学沉积为主，机械沉积次之，仅在盆地边缘发育，盆地中沉积了一套以湖相泥灰岩、泥页岩、细粉砂岩为主的湖相沉积物。

1—第四纪沂河组；2—第四纪临沂组；3—隐伏分布的古近纪大汶口组；4—隐伏分布的月门沟群；5—碎屑岩岩相区；6—油页岩-泥岩岩相区；7—泥岩岩相区；8—有辉绿岩侵位的油页岩-泥岩岩相区；9—推测断层及编号；10—地质界线；11—古近纪分界线；12—施工钻孔位置及编号；13—见矿钻孔位置及编号；14—姚庄油页岩研究区位置图3 泰莱凹陷古近纪大汶口组岩相古地理图

3.2 油页岩成因

综合分析泰莱凹陷成矿背景和古近纪沉积环境可以看出，古近纪始新统中后期(大汶口组中段)泰莱凹陷仍处于湖盆下降阶段，发育河流-山前堆积-湖泊环境，形成了一套厚度巨大的浅灰—灰色碎屑沉积物(图3)。这一时期，水生生物大量繁殖，并在死亡后与泥砂同时沉积，形成富含大量浮游生物的有机沉积物。同时，有机沉积物不断被新的沉积物覆盖，造成与空气隔绝的还原环境；分散在沉积物中的浮游生物残体经历一系列的生物降解作用，同时在微生物的参与下聚合成复杂的混合物，混合物同泥质一起成为腐泥。随着湖盆的不断沉降，沉积物不断加厚，腐泥承受的温度、压力不断加大，使腐泥逐渐固结成岩，最终形成了该区腐泥型油页岩矿[21-23]。