松辽盆地东南隆起区-中央坳陷区上白垩统青山口组一段油页岩特征对比分析

张帅华，刘招君，2*，申 林，张朋霖，孟庆涛，2

(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)

1 区域地质概况

松辽盆地位于我国东北地区，以菱形形状呈北北东向展布。松辽盆地西部以大兴安岭为界，东北部为小兴安岭，东南部为张广才岭，南部为华北地台北缘-内蒙地轴[1]。松辽盆地的中浅层地层划分为6个一级构造单元，分别为北部倾没区、西部斜坡区、中央坳陷区、东北隆起区、西南隆起区、东南隆起区[2-4]，东南隆起区和中央坳陷区油页岩主要发育在上白垩统青山口组(图1)。

图1 研究区位置

2 取样及测试

测试样品来自位于东南隆起区的JFD1、JFD3、JFD4、JFD6井和中央坳陷区的JND1井。通过对样品进行低温干馏、总有机碳、岩石热解、全岩和黏土矿物定量分析等测试，揭示松辽盆地东南隆起区与中央坳陷区油页岩特征的差异性及其原因。

3 油页岩特征

油页岩是一种高灰分固体可燃有机矿产，含油率≥3.5%，发热量一般≥4 187J/g，油页岩的工业指标可随经济和技术的变化而变化[5]。

3.1 岩石矿物学特征

3.1.1 岩石学特征

研究区油页岩主要发育在上白垩统青一段，岩性主要为灰黑色油页岩，发育少量深灰色和灰褐色油页岩，油页岩主要发育水平层理(图2a)和块状层理，偶见粉砂质条带(图2b)和方解石条带，富含介形虫(图2c)、壳类化石(图2d)和生物碎屑化石(图2e)；可见草莓状黄铁矿(图2f)，反映了稳定的还原性水体环境[6]。

图2 研究区钻井岩心特征

3.1.2 矿物学特征

通过全岩分析和黏土矿物定量分析，可知研究区青一段油页岩矿物成分主要为陆源碎屑矿物、碳酸盐矿物和黏土矿物(表1)。陆源碎屑矿物平均值32.81%，其中石英和斜长石的平均值分别为23.12%和10.99%，碱性长石含量较少。碳酸盐矿物平均值10.50%，主要包括白云石和方解石。黏土矿物平均值52.73%，其中伊/蒙混层、伊利石和绿泥石平均值分别为27.37%、17.31%和6.71%，还有少量高岭石和蒙皂石。

3.2 工业品质特征

油页岩工业品质特征的关键参数主要有含油率、灰分、挥发分、水分、全硫含量等，是评价油页岩品质优劣的重要参考依据。

1)含油率。东南隆起区JFD1井、JFD6井和JFD4井油页岩的含油率平均值分别为4.60%、4.90%和5.00%，中央坳陷区JND1井青一段油页岩的含油率平均值3.74%，可知中央坳陷区油页岩含油率相比东南隆起区较低(表2、图3)。

2)灰分。研究区青一段油页岩灰分含量79.08%～86.08%，平均值为84.20%，属于高灰分油页岩(表3)。研究区油页岩的含油率与灰分具有良好的负相关性(图4)。

表1 研究区油页岩X衍射数据表

表2 研究区主要矿层油页岩含油率

图3 含油率与TOC相关性

图4 含油率与灰分相关性图

3)挥发分。研究区青一段油页岩的挥发分为10.90%～18.50%，平均值为12.87%(表3)，与含油率具有良好的正相关性(图5)，表明油页岩含油率越高，挥发分含量越高。

4)水分。研究区青一段油页岩水分含量为1.57%～3.28%，平均值为2.64%，与含油率具有较好的负相关性(图6)。

表3 研究区油页岩工业品质参数

图5 含油率与挥发分相关性图

图6 含油率与水分相关性图

5)全硫。研究区青一段油页岩的全硫含量介于0.77%～2.87%，平均值为1.48%，表明研究区油页岩为低硫油页岩。

4 有机地球化学特征

4.1 有机质丰度

油页岩中含有的大量有机质，是形成烃类的物质基础。通常利用总有机碳含量(TOC)和生烃潜力(S1+S2)反应有机质丰度。

4.1.1 总有机碳(TOC)

东南隆起区JFD1、JFD6和JFD4井油页岩TOC平均值分别为8.47%、9.51%和9.86%，中央坳陷区JND1井油页岩TOC平均值6.98%，表明东南隆起区青一段油页岩TOC明显高于中央坳陷区。此外，研究区青一段油页岩的TOC和含油率有很好的正相关性(图3)，相关系数R2为0.9687。

4.1.2 生烃潜力(S1+S2)

东南隆起区JFD1、JFD6和JFD4井油页岩生烃潜力平均值分别为73.11mg/g、87.66mg/g和83.32mg/g，中央坳陷区JND1井油页岩生烃潜力平均值为27.85mg/g(表4)，东南隆起区青一段油页岩生烃潜力明显高于中央坳陷区。研究区青一段油页岩生烃潜力为非常好(图7)。

图7 研究区JFD1井有机质生烃潜力判别图

图8 研究区油页岩有机质类型判别图

综上可知，东南隆起区青一段油页岩的总有机碳和生烃潜力均明显大于中央坳陷区，表明东南隆起区青一段油页岩的有机质丰度相对更高。

应用IH(IH=S2/TOC×100)-Tmax和S2-TOC的组合进行有机质类型判别(图8)，有机质类型呈现很好的一致性， 即研究区东南隆起区(JFD1、JFD6井)和中央坳陷区(JND1井)青一段油页岩有机质类型主要为Ⅰ型干酪根，其次为Ⅱ型干酪根。

显微组分统计结果表明(表5)，东南隆起区油页岩比中央坳陷区的湖泊生物和陆源有机质相对更多。油页岩中主要观察到层状藻、孢子体(图9e，f)、镜质体和黄铁矿，反映出研究区有机质来源主要是湖生生物(藻类体)，其次是陆源有机质。

东南隆起区油页岩(图9a，b，c，d)中湖泊生物含量多于中央坳陷区油页岩，荧光性也强于中央坳陷区油页岩，这是由于中央坳陷区油页岩埋藏更深，油页岩热演化程度也更高，部分有机质已经排烃，荧光性减弱导致无法观察到。

无机组分主要为黄铁矿，一般认为沉积环境还原性越强，有机碳含量越高，黄铁矿单晶直径越小[7-8]。东南隆起区和中央坳陷区油页岩黄铁矿含量平均值分别为31.48%和47.84%，且中央坳陷区油页岩中的黄铁矿单晶直径更小，亮度更大(图9g，h)，表明中央坳陷区油页岩的沉积环境还原性更强。

表4 松辽盆地东南隆起区与中央坳陷区油页岩有机地球化学数据表

表5 研究区油页岩显微组分统计结果

4.2 有机质成熟度

东南隆起区油页岩Tmax为437～446℃，平均值443℃， 中央坳陷区油页岩Tmax为442～453℃，平均值449℃，成熟度高于东南隆起区，由邬立言等[9]的生油岩成熟度划分标准(表6)可知，东南隆起区青一段油页岩处于低成熟阶段，中央坳陷区处于低成熟—成熟阶段，这是由于中央坳陷区油页岩埋藏更深，有机质热演化程度更高，干酪根裂解所需的能量更大，因此Tmax值更大。

5 油页岩矿体展布特征

研究区青一段油页岩主要发育四层矿体，其中②、③号油页岩分布最稳定，矿层厚度大、连续性好，为低—中等品质油页岩；①号矿层厚度较小、连续性较好，为低品质油页岩；④号矿层厚度较小、连续性差，仅在JND1井、JFD4井识别出，为低品质油页岩(图10)。

表6 生油岩各类有机质不同成熟阶段的Tmax[9]

东南隆起区油页岩埋深整体小于中央坳陷区，油页岩矿层累计厚度大于中央坳陷区。从东南隆起区向西进入中央坳陷区，油页岩埋深整体呈逐渐增大的趋势， 油页岩矿层的单层厚度和累计厚度整体呈逐渐减小的趋势，这是因为中央坳陷区青一段油页岩部分已经生烃和排烃，导致油页岩含油率下降，进而影响油页岩矿层的厚度和连续性(表7)。

图9 研究区油页`岩显微组分特征

图10 研究区青一段东西向油页岩矿层对比

表7 研究区油页岩矿层数据

6 沉积环境

松辽盆地青山口组时期持续沉降，湖盆迅速扩张，湖泊广泛发育。由于半深湖-深湖环境中水动力作用弱，有利于有机质的富集和保存，是油页岩发育的有利相带[10]。

测试结果表明(表5)，中央坳陷区黄铁矿含量明显多于东南隆起区，且中央坳陷区的草莓状黄铁矿颗粒直径更小，亮度更大(图9g，h)，表明中央坳陷区油页岩沉积环境还原性比东南隆起区更强。

松辽盆地青山口组共识别出3个层序，其中青一段为层序Ⅰ，发育水进体系域(TST)、高水位体系域(HST)和水退体系域(RST)。在层序Ⅰ末期，随着水体变浅，泥岩的颜色也逐渐变浅， 层序Ⅱ开始出现灰绿色和绿灰色泥岩。由图11可知，水进体系域时期，东南隆起区主要为浅湖环境，发育滩坝，而中央坳陷区主要为半深湖-深湖环境；高水位体系域时期，松辽盆地整体为半深湖-深湖环境，暗色泥岩厚度由东往西逐渐增大；进入水退体系域后，整个盆地开始逐渐过渡为浅湖环境。

表8 东南隆起区与中央坳陷区油页岩分布规律对比

图11 松辽盆地东南隆起区-中央坳陷区青一段层序-沉积连井断面图

7 生物标志化合物特征

7.1 饱和烃

正构烷烃的碳数分布特征通常指示有机母质输入的差异[11-12]。正构烷烃的碳数分布特征可指示有机母质输入的差异[13]。东南隆起区油页岩正构烷烃主要为中链(n-C21-25)，指示水生植物的有机质输入，中央坳陷区主要为短链(n-C15-20)，指示菌藻类水生生物的有机质输入。

碳优势指数(CPI)反映奇、偶碳数正构烷烃的相对丰度[14-15]，可作为一种反映有机质成熟度的指标。东南隆起区和中央坳陷区油页岩CPI平均值分别为1.25和1.13(表9)，中央坳陷区油页岩正构烷烃的奇碳数优势相对较小，表明中央坳陷区油页岩成熟度相对较高。

Pr/Ph<1通常指示缺氧环境，Pr/Ph>3通常指示含氧环境，Pr/Ph介于1～3通常指示贫氧环境[11]，Pr/Ph可能受到成熟度的影响[16]。东南隆起区和中央坳陷区油页岩的Pr/Ph平均值分别为0.81和1.17，表明东南隆起区油页岩沉积水体为缺氧环境，中央坳陷区为贫氧环境，反映中央坳陷区油页岩沉积水体还原性更强。但是，由Pr/n-C17与Ph/n-C18交会图[17]可知， 中央坳陷区比东南隆起区水体的还原性更强，有机质成熟度更高，而且结合岩心观察和前人成果也可知，中央坳陷区油页岩沉积时水体更深，还原性更强。出现这种矛盾的原因可能是中央坳陷区发育较多重力流，携带着氧气进入湖盆底部，导致中央坳陷区部分油页岩的Pr/Ph受到影响，且中央坳陷区油页岩成熟度相对更高，也可能会影响Pr/Ph。因此，整体来说中央坳陷区青一段油页岩沉积水体还原性比东南隆起区更强一些。

表9 松辽盆地东南隆起区与中央坳陷区油页岩藿烷-甾烷-饱和烃参数

图12 研究区Pr/n-C17与Ph/n-C18交会图(据参考文献17修改)

7.2 甾烷

甾类化合物与藿类化合物的相对含量可以反映藻类和高等植物对源岩的贡献。东南隆起区油页岩的甾类/藿类比值0.94，高于中央坳陷区的0.22(表9)，表明东南隆起区油页岩中的湖生藻类体的优势相对更高。

规则甾烷C27-C29之间的含量关系可以用来判断有机质的输入类型，高含量的规则甾烷C27表明有机质中藻类占优势，高含量的规则甾烷C29表明陆源植物输入含量高[18-20](图13)。东南隆起区和中央坳陷区油页岩的C27/C29比值分别为1.00和0.97，表明东南隆起区油页岩有机质中藻类略有优势。

7.3 藿烷

东南隆起区油页岩C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值为0.46，中央坳陷区油页岩C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值为0.53(表9)，结合研究区油页岩Tmax，表明东南隆起区油页岩处于低成熟的热演化阶段，中央坳陷区油页岩处于低成熟-成熟阶段。

图13 松辽盆地东南隆起区与中央坳陷区油页岩藿烷-甾烷-饱和烃质谱图

7.4 伽马蜡烷

伽马蜡烷一般被认为是高盐度指标，可以指示沉积时水体的盐度分层[21]。东南隆起区油页岩的伽马蜡烷指数很高，平均值为0.40，表明东南隆起区油页岩沉积时的水体盐度相对较高；中央坳陷区油页岩的伽马蜡烷指数平均值为0.27，表明中央坳陷区油页岩沉积时的水体盐度相对较低。

8 结论

1)研究区青一段油页岩为高灰分、低硫、中等-低品质油页岩，且含油率与有机碳含量、挥发分具有明显的正相关性，与灰分、水分具有明显的负相关性。

2)研究区油页岩有机质类型主要为Ⅰ型干酪根，其次为Ⅱ型干酪根，有机质来源主要为湖泊中的藻类体，其中东南隆起区油页岩陆源有机质含量、有机碳含量和生烃潜力相对较高；东南隆起区向西进入中央坳陷区油页岩Tmax平均值由443℃逐渐升高为449℃，中央坳陷区油页岩有机质成熟度相对更高。

3)东南隆起区油页岩比中央坳陷区油页岩埋深较浅，油页岩单层厚度和累积厚度更大，研究区油页岩均发育在深湖-半深湖的静水环境，其中中央坳陷区油页岩中草莓状黄铁矿含量相对较多，水体还原性相对较强。

4)东南隆起区和中央坳陷区油页岩的碳优势指数(CPI)平均值分别为1.25和1.13，表明中央坳陷区油页岩的奇碳数优势相对较小，成熟度相对较高；Pr/n-C17与Ph/n-C18交会图表明中央坳陷区油页岩沉积水体的还原性比东南隆起区更强；甾类/藿类比值分别为0.94和0.22，C27/C29比值分别为1.00和0.97，表明东南隆起区油页岩的湖生藻类体的优势相对更高；C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值分别为0.46和0.53，表明东南隆起区和中央坳陷区油页岩分别处于低成熟阶段和低成熟—成熟阶段；伽马蜡烷指数平均值分别为0.40和0.27，表明东南隆起区油页岩沉积时的水体盐度相对较高。