黑龍江寧安盆地古近系油頁巖沉積環(huán)境分析

周動力,董青松

(1.中國石化股份勝利油田分公司 西部新區(qū)研究中心,山東 東營 257067; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

黑龍江寧安盆地古近系油頁巖沉積環(huán)境分析

周動力1,董青松2

(1.中國石化股份勝利油田分公司 西部新區(qū)研究中心,山東 東營 257067; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

分析寧安盆地古近系化石類型和含量特征,以及油頁巖中巖石礦物組成含量特征及各種元素的地球化學特征,闡述研究區(qū)油頁巖形成時的古氣候條件及沉積環(huán)境.結(jié)果表明:古植物類型以溫帶、亞熱帶的草本植物、落葉闊葉林為主,礦物組成含量體現(xiàn)富含高嶺石、伊蒙混層較少的特點;微量元素質(zhì)量比m(Mn)/m(Ti)值介于0.02～0.11之間,m(Sr)/m(Ba)值介于0.48～0.68之間,m(Ni)/m(Co)值介于1.97～3.02之間,m(Ni)/m(V)值介于0.10～0.39之間,m(V)/m(V+Ni)值介于0.72～0.91之間;稀土元素中δCe值分布在0.76～0.87之間.研究區(qū)內(nèi)油頁巖形成時的氣候主要為溫帶—亞熱帶半濕潤、濕潤、多雨的氣候條件;形成于近岸、陸相淡水淺湖—沼澤,貧氧的還原性沉積環(huán)境中.該研究對明確研究區(qū)油頁巖形成時的沉積環(huán)境及其勘探潛力具有一定意義.

海浪拗陷;古近系;油頁巖;沉積環(huán)境;寧安盆地

0 引言

隨著油頁巖等非常規(guī)油氣資源成為重要的接替能源,需要對油頁巖的形成環(huán)境等進行研究.沉積巖中的生物化石類型及其組合特征,大致可以表明它所屬的沉積生活環(huán)境,反映巖石沉積時的古氣候條件[1];黏土礦物是沉積巖的重要組成部分,其含量、特征、成分類型等可以反映地史時期古氣候的變化,利用黏土礦物指標可以重建盆地的古氣候環(huán)境條件[2-5];沉積巖中的化學元素及其化合物在古氣候、源區(qū)母巖性質(zhì)、沉積環(huán)境及沉積介質(zhì)等方面的影響下,呈現(xiàn)一定的分散和富集規(guī)律,元素含量的變化能夠在一定程度上反映沉積時的環(huán)境條件[6-7].

王冠民等研究濟陽拗陷古近系泥頁巖中的孢粉組合特征,認為孢粉組合特征能夠反映古氣候特征及古氣候分區(qū)[8];李祥輝等分析華北—東北南部地區(qū)中生代中晚期黏土礦物特征,認為黏土礦物中存在高含量的伊利石、蒙脫石,說明黏土礦物處于干冷氣候環(huán)境,高含量的高嶺石說明黏土礦物處于濕熱氣候環(huán)境[2];錢一雄等分析塔里木盆地卡塔克南緣良里塔格組沉積巖地球化學元素特征,認為低m(Mn)/m(Ti)值指示水體較淺的沉積環(huán)境,低m(Mn)/m(Ti)值指示低鹽度的淡水環(huán)境,δCe中低負異常,形成于還原條件下的沉積環(huán)境[9];顏佳新等研究湖北巴東棲霞組沉積巖地球化學特征,認為低m(Ni)/m(V)及m(V)/m(V+Ni)值反映貧氧的沉積環(huán)境[10].

目前,利用生物化石類型及其組合特征,以及黏土礦物及地球化學元素含量特征等方面,對寧安盆地古近系油頁巖的沉積環(huán)境條件的綜合研究較少.筆者分析寧安盆地海浪拗陷古近系黃花組油頁巖中古生物化石類型和含量特征、巖石礦物組成含量特征及各種元素的地球化學特征,恢復研究區(qū)古近系油頁巖形成的沉積環(huán)境條件,對明確研究區(qū)油頁巖形成時的沉積環(huán)境及其勘探潛力具有一定意義.

1 地質(zhì)概況

寧安盆地位于黑龍江省東部的牡丹江地區(qū),屬于中生代多階箕狀斷(拗)陷盆地.盆地基底位于老爺嶺前寒武紀結(jié)晶地塊次級構(gòu)造單元(佳木斯隆起帶和張廣才嶺—太平嶺邊緣隆起帶)之上[11];盆地基底由元古界深變質(zhì)巖、古生界淺變質(zhì)巖及興東期(元古宙)、海西期、印支期和燕山期等多期花崗巖和花崗閃長巖構(gòu)成.牡丹江斷裂將寧安盆地劃分為東西兩部分,西部為海浪拗陷,東部為石巖—磨刀石斷陷.按照基底構(gòu)造和蓋層發(fā)育特征,海浪拗陷分為5個次級構(gòu)造單元,自北向南依次為復興凹陷(Ⅰ1)、張明凸起(Ⅰ2)、海浪凹陷(Ⅰ3)、中部凸起(Ⅰ4)和興華凹陷(Ⅰ5),呈北西西向—近東西向相間排列,構(gòu)成“三凹夾兩凸”的構(gòu)造格局(見圖1)[12].

圖1 寧安盆地構(gòu)造Fig.1 Structural map of Ning'an basin

寧安盆地發(fā)育的沉積蓋層主要為白堊系、古近系、新近系和第四系.地層主要發(fā)育下白堊統(tǒng)穆棱組(K1m)和東山組(K1d)、上白堊統(tǒng)猴石溝組(K2h)和海浪組(K2h1)、古近系古新統(tǒng)黃花組(E1h)、新近系中—上新統(tǒng)道臺橋組(N1-2d)和上新統(tǒng)高位玄武巖(βN2).研究區(qū)在海浪鎮(zhèn)西南方向和牡丹江市區(qū)西南方向僅有幾口鉆井分布且均鉆遇油頁巖(見圖1).油頁巖主要發(fā)育在海浪拗陷古近系黃花組.

2 沉積環(huán)境分析

2.1 古生物特征

研究區(qū)油頁巖中包含豐富的孢粉、藻類化石.孢粉類型數(shù)量占已鑒定的化石類型的86.1%～91.0%.其中,蕨類孢子類型最多,占已鑒定的化石類型的50.0%～53.4%;被子類花粉類型位居第二,占已鑒定的化石類型的36.1%～37.6%.

蕨類孢子以水龍骨單縫孢屬Polypodiaceaespotites、海金砂孢屬Lygodiumsporites、具唇孢屬Toroisporis為主,含少量的桫欏孢屬Cyathidites、三角孢屬Deltoidospora、金毛狗孢屬Cibotiumspora等(見圖2).其中,水龍骨單縫孢屬Polypodiaceaespotites屬于沼澤環(huán)境下的草本植物;金毛狗孢屬Ciboti-umspora屬于大型樹狀陸生蕨類,生長環(huán)境多是陰濕酸性土壤,其存在通常指示亞熱帶的酸性土壤環(huán)境.

圖2 寧安盆地HL Y1井油頁巖孢粉類型Fig.2 Sporopollen content of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin

被子類花粉主要有椴粉屬Tiliaepollenites,另外還存在一些脊榆粉屬Ulmoideipites、梣粉屬Fraxinoipollenites、榿木粉屬Alnipollenites等,以及椴粉屬Tiliaepollenites、蕓香粉屬Rutaceoipollis、楝粉屬Meliaceoidites組合(見圖2).其中,椴粉屬Tiliaepollenites生長地區(qū)主要位于溫帶;榿木粉屬Alnipollenites生長地區(qū)通常是陽光充足、氣候溫暖的丘陵及平原的河灘低濕地;梣粉屬Fraxinoipollenites通常生長在溫帶和亞熱帶的平原或河谷地帶;椴粉屬Tiliaepollenites、蕓香粉屬Rutaceoipollis、楝粉屬Meliaceoidites組合指示典型的亞熱帶氣候.大多數(shù)植物屬于熱帶、亞熱帶植物,并且適宜生長于濕潤的沼澤濕地環(huán)境.因此,寧安盆地油頁巖沉積時期氣候環(huán)境主要為亞熱帶氣候下的淺湖—沼澤環(huán)境.

2.2 巖石礦物特征

研究區(qū)油頁巖粉晶X線衍射分析表明,油頁巖主要礦物由石英、長石、針鐵礦及黏土礦物組成(見表1).其中,黏土礦物含量豐富,質(zhì)量分數(shù)超過60%,在黏土礦物中高嶺石含量最高,平均質(zhì)量分數(shù)為55%,蒙脫石含量較少;長石、石英的質(zhì)量分數(shù)在15%左右.此外,還可見少量的方解石、黃鐵礦.寧安盆地油頁巖的礦物組成體現(xiàn)富含高嶺石、伊蒙混層較少的特點,說明油頁巖形成時期主要為溫暖、潮濕、多雨的氣候條件.

表1 寧安盆地HL Y1井油頁巖粉晶X線衍射分析各礦物質(zhì)量分數(shù)Table 1 Mineral percentage of powder X—ray diffraction of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin %

2.3 地球化學特征

2.3.1 m(Mn)/m(Ti)值

m(Mn)/m(Ti)值指示離岸距離的遠近,常隨著離岸距離的增加而增大,反映沉積物在盆地中被搬運距離的遠近和沉積物沉積時的水體深度.通常,m(Mn)/m(Ti)＜0.1,反映油頁巖形成于近岸的沉積環(huán)境中;m(Mn)/m(Ti)＞0.1,反映油頁巖形成于遠岸的沉積環(huán)境中[13-15].根據(jù)寧安盆地油頁巖中相應元素化合物質(zhì)量分數(shù)(見表2)計算的m(Mn)/m(Ti)值以小于0.1為主,平均值為0.05(見表3),說明研究區(qū)油頁巖主要沉積于近岸環(huán)境中.

2.3.2 m(Sr)/m(Ba)值

鍶與鋇可以形成可溶性重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽而進入水溶液中,與鍶相比鋇的化合物溶解度要低.通常,海水中鍶含量遠大于鋇的,導致從陸相到海相鹽度越高,沉積物中m(Sr)/m(Ba)值逐漸增大.在黏土或泥巖中該值大于1為海相沉積,小于1為陸相沉積[16-18].根據(jù)寧安盆地油頁巖相應元素質(zhì)量分數(shù)(見表4)計算的m(Sr)/m(Ba)值為0.48～0.68,平均值為0.56(見表3),說明研究區(qū)油頁巖沉積環(huán)境屬于陸相淡水環(huán)境.

表2 寧安盆地HL Y1井油頁巖常量元素化合物質(zhì)量分數(shù)Table 2 Macroelement compound quality content of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin %

表3 寧安盆地HL Y1井油頁巖Mn、Ti及Sr、Ba質(zhì)量比Table 3 Ratio of Mn、Ti、Sr、Ba quality of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin

表4 寧安盆地HL Y1井油頁巖稀土及微量元素質(zhì)量分數(shù)Table 4 REE and microelement content of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin 10-6

2.3.3 m(Ni)/m(Co)、m(Ni)/m(V)、m(V)/m(V+Ni)值

釩(V)和鎳(Ni)具有比較活潑的化學性質(zhì).在氧化或者堿性環(huán)境中,釩元素容易發(fā)生遷移;在還原或者過渡環(huán)境中,尤其是酸性或弱酸性條件下,釩元素容易沉淀.因此,m(Ni)/m(Co)、m(Ni)/m(V)以及m(V)/m(V+Ni)值等地球化學指標通常指示水體的氧化還原性質(zhì),高的m(Ni)/m(Co)值反映還原條件,而m(Ni)/m(V)值隨著沉積環(huán)境的還原性增加而下降.通常把m(V)/m(V+Ni)=0.46作為氧化、還原環(huán)境的分界值,m(V)/m(V+Ni)在0.84～0.89之間反映較強的水體分層,底層水體中出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境;比值在0.54～0.82之間為水體分層不強的厭氧環(huán)境;比值在0.46～0.60之間為水體分層弱的貧氧環(huán)境,m(V)/m(V+Ni)＜0.45為富氧的沉積環(huán)境[19-21].

寧安盆地油頁巖的m(Ni)/m(Co)值介于1.97～3.02之間,平均值為2.54;m(Ni)/m(V)值介于0.10～0.39之間,平均值為0.20;m(V)/m(V+Ni)值介于0.72～0.91之間,平均值為0.84(見表5).由表5可以看出,這些參數(shù)指示的意義比較一致,盆地內(nèi)油頁巖形成的沉積環(huán)境為貧氧的還原環(huán)境.

表5 寧安盆地HL Y1井油頁巖Ni、Co、V元素質(zhì)量比Table 5 Ratio of Ni、Co、V quality of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin

2.3.4 稀土元素

沉積巖中稀土元素鈰元素在氧化環(huán)境中容易富集,呈現(xiàn)明顯的正異常,在還原條件下的沉積環(huán)境中,鈰元素容易虧損,呈現(xiàn)明顯的負異常[22-24].按照寧安盆地油頁巖樣品相應元素質(zhì)量分數(shù)(見表4)計算結(jié)果,該區(qū)油頁巖具有鈰負異常和銪負異常(見表6),δCe的值分布在0.76～0.87之間,略低于1,指示研究區(qū)油頁巖形成于還原環(huán)境中.

表6 寧安盆地HL Y1井油頁巖稀土元素質(zhì)量分數(shù)Table 6 REE geochemistry parameter of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin 10-6

3 結(jié)論

(1)寧安盆地古近系油頁巖中古植物類型以溫帶、亞熱帶的草本植物、落葉闊葉林為主,礦物組成含量體現(xiàn)富含高嶺石、伊蒙混層較少的特點,說明油頁巖形成時的氣候主要為溫帶-亞熱帶半濕潤、濕潤、多雨的氣候條件.

(2)寧安盆地古近系油頁巖中微量元素m(Mn)/m(Ti)值介于0.02～0.11之間,平均值為0.05;m(Sr)/m(Ba)值介于0.48～0.68之間,平均值為0.56,顯示油頁巖沉積在近岸、陸相淡水淺湖-沼澤環(huán)境中.

(3)寧安盆地古近系油頁巖中m(Ni)/m(Co)值介于1.97～3.02之間,平均值為2.54;m(Ni)/m(V)值介于0.10～0.39之間,平均值是0.20;m(V)/m(V+Ni)值介于0.72～0.91之間,平均值為0.84;稀土元素中具有鈰負異常和銪負異常,δCe的值分布在0.76～0.87之間,略低于1,表明盆地內(nèi)油頁巖形成的沉積環(huán)境為貧氧的還原條件.

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TE122.1

A

2095- 4107(2014)01- 0025- 06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.01.004

2013- 12- 19;編輯:陸雅玲

國家自然科學基金項目(40672088)

周動力(1982-),男,碩士研究生,工程師,主要從事地質(zhì)勘探方面的研究.