西准噶尔额敏东缘晚泥盆世油页岩的发现及沉积环境浅析

2022-07-11黄建国陈廷方刘岁海

西南科技大学学报 2022年2期

黄建国陈廷方刘岁海

(西南科技大学环境与资源学院四川绵阳 621010)

中国油页岩资源分布范围广泛，覆盖了20个省和自治区、47个盆地，共80个油页岩含矿区[1]。近年来，我国地质科技工作者主要对中国西北部的准噶尔、民和、六盘山、索洪和鄂尔多斯等盆地中的油页岩进行了勘查和研究[2-6]，认为生油时代主要为二叠纪、三叠纪、侏罗纪和白垩纪，单层油页岩厚度为2～5 m，矿层累计厚度6～53 m，含油率一般为0.76%～16.30%，平均6.95%。

在额敏县胡兰恰希一带开展矿产资源调查的过程中，发现该区域出露油页岩，分布较为广泛，具有含油量高、单层厚度大、多层分布、走向延伸稳定等特征。区域上成矿地质条件良好，找矿潜力巨大，油页岩赋存于上泥盆统塔克台组(D3tk)(图1，据1∶20万区调资料及马学平等[7]、纵瑞文等[8-9]修改)地层中(纵瑞文等[8]、王志宏等[10]新建地层单元)，主要(或全部)由海百合茎碎片堆积而成，沉积环境非常特殊。本文重点分析西准噶尔额敏东缘胡兰恰希一带优质油页岩的矿床地质及岩性层序变化特征，结合古生物层位化石时代，探讨该区域油页岩的特殊沉积环境及矿床成因，为该区域油页岩的找矿、勘查提供参考。

图1 西准噶尔额敏东缘胡兰恰希一带地质略图Fig.1 Geological sketch map of the Hulanqiaxi area in eastern margin of Emin,West Junggar

1 区域地质背景

近年来，纵瑞文等[8]和王志宏等[10]根据牙形刺、软骨鱼类及双壳类等化石将和布克河组(C1hb)地层初步厘定为上泥盆统塔克台组(D3tk)(为新建地层单位)，由于本文研究区与纵瑞文等[8]的研究区非常接近(相距约6.1 km)，故本文采用上泥盆统塔克台组(D3tk)。根据地层出露位置(图1)、地层厚度(839～1 320 m)、层序特征(含较多火山碎屑岩、角砾熔岩等)、标志层(未见上段典型的煤层或泥炭层)等特征，认为油页岩的层位位于上泥盆统塔克台组下段(D3tk1)中上部。

2 矿区地质特征

研究区位于额敏县东北约65 km，中心地理坐标为84°32′E，46°42′N，赋矿构造为一单斜地层(图1，图2(a)，图2(f)，图2(g))，南部受到胡兰恰希压扭性断裂的控制(图1)，北东部有大量华里西中期的二长花岗岩(ηγ42)呈岩基状侵位，赋矿地层为塔克台组下段(D3tk1)，主要岩性有生物碎屑灰岩(图2(c)、图2(e))、砂岩、砾岩(图2(d))、泥页岩(含黑色油页岩)、凝灰质砂岩、凝灰质砾岩等。矿区北部的塔克台组下段(D3tk1)不整合覆盖于中志留统沙尔布尔组(S2s)之上，而矿区南部则与下伏的志留系谢米斯台组(S1-4x)呈角度不整合接触关系(图1)，总厚度为 839～1 320 m。该套地层中含有极其丰富的海百合茎(图2(b)、图2(c))、腕足类(Schellwienellasp.，Cyrtospirifersp.，Tenticospirifersp.和Compositasp.)及珊瑚(Kassinellasp.)、腹足类、苔藓虫以及少量菊石等化石。区域内目前发现有可采油页岩矿层3层，走向延长大于5 km，单层厚度为9.77～17.90 m(图3)，矿带呈单斜产出，倾向170°～190°，倾角40°～50°。油页岩层主要(或全部)由海百合茎碎片堆积而成(图2(b)、图2(c))，风化面呈浅灰、褐灰、褐黄色等，新鲜岩石呈深灰、灰黑色，薄层及极薄层状，点燃有沥青味，具油脂光泽，参差状、贝壳状断口，比重较轻，硬度较低。主要成分为黏土类物质，含少量石英及长石细小碎屑。经中国石油大学(北京)测试分析，6件油页岩样品中含油率为13.4%～16.6%，水分4.38%～4.79%，半焦为 72.2%～76.5%，干馏气为5.70%～6.78%，属于高含油率油页岩。

图2 研究区油页岩含矿岩系层序及典型岩性野外照片Fig.2 The field photos of strata sequence of ore-bearing rock series and the typical lithology of oil shale in the study area

3 油页岩层层序特征

从图3可以看出，含油页岩岩系从底部到顶部岩性为砾岩→含砾砂岩→泥质粉砂岩(油页岩)→含砾砂岩→生物碎屑灰岩。这一变化总体上表现为碎屑岩颗粒逐渐变小，由碎屑岩沉积过渡为碳酸盐岩沉积，底部砾石砾径普遍在10～20 cm左右，中部砾石砾径一般为0.5～5.0 cm，上部含砾砂岩中砾石砾径为0.5～2.0 cm，总体上砾石磨圆度较好，底部分选性较差，往上逐渐变好，说明砾石有一定距离的搬运。目前在研究区发现三层规模较大的油页岩矿层，单层厚度为9.77～17.90 m，矿层底板主要为含砾砂岩或粉砂质泥岩，顶板为砂岩或含粉砂质泥页岩。最厚矿层位于含矿岩系的中部，总体上3个矿层具有韵律旋回沉积的特征。研究区油页岩含矿岩系沉积序列与北西约6.1 km的邻区(中心地理坐标为N46°43′20″；E84°29′14″)相比，存在一定的差异之处。如缺少塔克台组实测地层剖面(TP23)(纵瑞文等[8])表1中列出的第9层，该层为浅灰、灰褐色流纹岩，厚度约88.60 m。推测流纹岩喷出的时间与本文油页岩层沉积成岩期相当或稍早，可能会造成大量海百合的死亡并迁移。

从层序剖面(图3)及野外调查来看，整个含矿岩系属于由陆相→海陆过渡相→海相的沉积转变，最底层大套砾岩为陆相辫状河水道相沉积，陆源物质非常丰富，该套砾岩大小混杂，以粗大砾石为主，成分主要为砂岩、灰岩。中下部含砾砂岩(含少量油页岩层)为辫状河三角洲相沉积，该套含砾砂岩砾石含量20%～40%，与底部大套砾岩相比，砾石成分相同，砾径逐渐变小，磨圆度和分选性也依次变好。中部含油页岩层为三角洲平原亚相沉积，随着进一步的海侵，地势变得较为平缓，陆源物质相对减少，生物数量大量增加。上部为浅海相碳酸盐岩沉积，可测厚度仅为15.38 m，含较多的石燕、珊瑚等生物化石，研究区内尚未见顶。

4 沉积环境特征

冯乾文[11]和焦光磊[12]认为，晚泥盆世早期西伯利亚板块与准噶尔板块发生陆壳基底的碰撞，进入残留海盆阶段，从而发生了显著的海退过程，同时伴随强烈的以酸性为主的火山活动。研究区沉积的泥盆系塔克台组下段(D3tk1)以火山碎屑岩、陆源碎屑岩与火山碎屑沉积岩不均匀互层为主，表明晚泥盆纪早期为海退过程直至变为陆相环境。从晚泥盆世岩相古地理(图4(a))也可以看出，塔城(盆地)及其以东有一个隆起的陆相火山岩带，将该区域划分为两个海区，即北部海区和东南部海区，中间为陆相—海陆过渡区。这一观点与吕铁良等[13]的认识较为一致，他们认为晚古生代期间，西准噶尔盆地处于塔尔巴哈台岛弧(即隆起的陆相火山岩带)与玛依力—扎伊尔残余洋盆(即东南部海区)之间，是在早古生代岛弧基底上发育起来的晚古生代陆缘火山岩带，具有弧后盆地性质，石炭纪早期盆地处于伸展裂解构造环境并伴有大规模岩浆喷发，石炭纪晚期盆地所处的弧后盆地及前端的岛弧带与哈萨克斯坦板块拼贴在一起。宋俊俊等[14]和杨维等[15]也认为，晚泥盆世至早石炭世早期研究区属于火山岛弧区在火山间歇期的滨浅海相或浅海相沉积(图4(b))。从以上资料可以看出，西准噶尔盆地形成经历从晚泥盆世早期(D3tk1)→晚泥盆世晚期(D3tk2)的缓慢海侵→早石炭世早期(D3C1t)发生较大规模海侵过程。

图4 西准噶尔额敏东缘胡兰恰希一带岩相古地理略图[11] Fig.4 Lithofacies paleogeographic sketch map of the Hulanqiaxi area in eastern margin of Emin,West Junggar[11]

上泥盆统塔克台组下段(D3tk1)为研究区油页岩的赋矿地层，底部以大套砾岩、含砾砂岩为主，中部为火山碎屑岩(以岩屑凝灰岩为主)，上部为含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩，以泥页岩、油页岩为主，顶部以生物碎屑灰岩为主。总体上化石稀少，较细的火山碎屑岩中可见疑似植物根部迹的化石，但在油页岩中产出大量的海百合茎化石碎片(图2(b)、图2(c))，顶部生物碎屑灰岩中产出大量的腕足类化石(Schellwienellasp.,Cyrtospirifersp.,Tenticospirifersp.，Compositasp.)和珊瑚类化石(Hebukephyllumequitabulatum,Helegantulumsp.,Kassinellasp.)，这些珊瑚组合的生存环境为海水较浅、水温较高的滨浅海地带[16]。从底部到顶部岩性变化总体上表现为砾岩→含砾砂岩→砂岩→粉砂岩(含砾砂岩)→粉砂质泥岩(油页岩)→生物碎屑灰岩的特征(图3)，这一岩性变化特征反映了一种海侵的沉积环境，这与当时的古地理格局吻合。

5 油页岩成因分析

在成因上，油页岩的形成过程与腐泥煤基本相同，沉入水底的生物遗体首先发生复杂的生物化学分解作用，在成岩作用期间，进一步发生生物化学降解作用，随着温度和压力的逐渐增加，有机质最后形成干酪根(油母和沥青)[17]。由于研究区油页岩顶部沉积碳酸盐岩，未与煤共生，按照油页岩形成环境归属于近海型油页岩。

从中泥盆世到晚泥盆世，研究区西北部有一次明显的从北西到南东的海侵过程，在该区域形成了一个深海区(图4(a))，沉积厚度最深可达4 500 m[11]，这一环境的变化促使生活于该区域的大量海百合生物发生了顺水(向南东方向)迁移，研究区及其附近这种滨浅海(三角洲)环境(图4(a))非常适宜于大量的海百合生物的聚集。

纵瑞文等[8]在塔克台组上段(D3tk2)灰岩夹层中发现了丰富的牙形刺化石，包括Icriodusalternatus，Icrioduscornutus，Icriodusexpansus等，软骨鱼类化石有Protacrodussp.和Phoebodussp.，双壳类化石有Pleurophorellasp.，Euchondriasp.，Eoschizodussp.和Spathellasp.等。在塔克台组上段(D3tk2)凝灰质粉砂岩夹层中采集到丰富的小型三叶虫化石，以Pseudowaribole(Pseudowaribole)quaesita为主。在塔克台组上段(D3tk2)靠近顶部的位置，采集了一枚镜眼虫类(Phacopida)的尾甲。因此，塔克台组上段(D3tk2)的时代应以法门期早期为主[10，18-19]。塔克台组下段(D3tk1)缺少可提供时代依据的化石，在该组上段下部层位中采集到一块无洞贝类化石Spinatrypinasp.(该属未跨过晚泥盆世F/F界线)，再加上塔克台组下段的火山碎屑岩厚度达上千米，因此，我们推测塔克台组可能包含一部分弗拉期的沉积，故将研究区的塔克台组下段(D3tk1)时代暂定为晚泥盆世弗拉期至法门期。

上泥盆统弗拉斯阶/法门阶(F/F)界线动物灭绝事件是否是造成该区域大量海百合生物死亡的原因呢？单从油页岩赋矿地层的时代层位(晚泥盆世弗拉期至法门期)来看是吻合的，但是廖卫华[20]和Chen等[21]认为西准噶尔(和布克赛尔一带)是上泥盆统弗拉斯阶/法门阶(F/F)界线动物灭绝事件的避难所，几乎未受到灭绝事件的影响。研究区海百合茎化石碎片(图2(b))大量堆积、分选性好、纯度高，分布杂乱无章。从油页岩本身、海百合茎化石及相邻层位的物质组成及其所代表的环境方面来看，似乎是经过搬运分选后异地埋藏的，可能为生物正常死亡后水流搬运(北西→南东)，进而聚集、沉淀的结果。