吉林松遼盆地白堊紀(jì)油頁巖資源及成礦特征研究

劉 瑞，賈可心，路 放，王 啟

（1．長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春130021；2．吉林油田勘探開發(fā)研究院，吉林松原138000；3．吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130026）

吉林松遼盆地白堊紀(jì)油頁巖資源及成礦特征研究

劉 瑞1，賈可心2，路 放1，王 啟3

（1．長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春130021；2．吉林油田勘探開發(fā)研究院，吉林松原138000；3．吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130026）

吉林省松遼盆地是我國重要的油頁巖成礦區(qū)。油頁巖層位主要賦存于白堊系的青山口組和嫩江組中。油頁巖主要分布于青山口組一段和嫩江組一、二段地層中。溫濕的氣候條件、大量的藻類和浮游動植物，以及介形蟲、植物等為油頁巖的形成提供了有機(jī)物源。對松原地區(qū)油頁巖的45個巖芯樣品進(jìn)行分析。嫩二段TOC平均值約為7．00%，高于嫩一段的5．80%。嫩一段的含油率平均值高于含油率為4．60%的嫩二段。青一段油頁巖的TOC平均值為7．60%，含油率平均值為5．10%。

油頁巖；松遼盆地；白堊紀(jì)；地層特征

0 引言

油頁巖又稱油母頁巖，是一種低熱值固態(tài)化石燃料。色淺灰至深褐，含有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)［1］。油頁巖中除含有有機(jī)成分外，還包含有碳、氫、氧、氮、硫等無機(jī)元素組分，巖石類型主要為黏土質(zhì)和粉砂質(zhì)巖石。油頁巖經(jīng)過低溫干餾可獲得頁巖油，含油率大于3．5%，發(fā)熱量不小于4．18MJ／kg［2］。油頁巖作為一種非常規(guī)能源礦產(chǎn)，對于我國這樣能源匱乏的國家有著十分重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)意義。油頁巖資源為填補(bǔ)我國能源緊缺狀況、提高油氣產(chǎn)量起著十分重要的作用。

松遼盆地是世界著名的白堊系陸相盆地之一，內(nèi)部充填地層發(fā)育完全。其中坳陷階段的青山口組和嫩江組沉積有厚層的含油頁巖系，是研究白堊紀(jì)陸相盆地歷史的典型地區(qū)［3］。松遼盆地（吉林部分）地處松遼平原東南部，區(qū)域上涵蓋長春、四平、吉林、白城、松原等地區(qū)，總面積約45 000km2。松遼盆地內(nèi)的中生代地層除局部產(chǎn)狀較陡外，整體呈緩傾斜狀態(tài)。盆地內(nèi)的油頁巖主要產(chǎn)于上白堊統(tǒng)青山口組（K2qn）一段和嫩江組（K2n）一、二段地層中。青山口組為一套以深湖至半深湖相為主的暗色細(xì)碎屑巖沉積；嫩江組在松遼盆地內(nèi)分布范圍最廣，主要為黑色、灰黑色泥巖、頁巖夾油頁巖［4］。

本文通過對吉林省松遼盆地油頁巖含礦地層和古地理環(huán)境分析，探討了油頁巖礦床的成礦環(huán)境和條件。為研究松遼盆地油頁巖資源的分布規(guī)律和特征奠定基礎(chǔ)，為尋找油頁巖礦產(chǎn)資源提供依據(jù)。

1 地層特征

吉林松遼盆地結(jié)晶基底由綠片巖、片麻巖、花崗片麻巖和花崗巖組成的結(jié)晶基底和上部的巨厚中、新生代沉積巖組成［5］。中生代時期的吉林松遼地區(qū)處于湖相深水盆地環(huán)境，盆地構(gòu)造格架呈現(xiàn)隆凹相間的古地理特征。區(qū)內(nèi)的中生代上白堊系由下而上分別發(fā)育有沙河子組（K1sh）、營城組（K1yc）、登婁庫組（K1d）、泉頭組（K1q）、青山口組（K2qn）、姚家組（K2y）、嫩江組（K2n）、四方臺組（K2s）和明水組（K2m）（表1）。

沙河子組分布范圍較廣。巖性組合可分為3部分，本組中—下部普遍見有煤層及碳質(zhì)泥巖，是煤層氣生成的有利層段。巖性主要以暗棕、灰綠色泥巖，深灰色泥巖、粉砂巖、灰白色砂巖及少量碳質(zhì)泥巖甚至煤層為主，呈現(xiàn)由盆地邊緣向盆地中心碎屑顆粒由粗變細(xì)的特征。營城組沉積早期可能廣泛分布，但該組頂部剝蝕十分嚴(yán)重。巖性主要為灰、深灰色泥巖、粉砂巖、灰白色砂巖及少量碳質(zhì)泥巖甚至煤層。登婁庫組沉積時期是松遼盆地重大的構(gòu)造屬性轉(zhuǎn)換期，巖性特征下部發(fā)育深灰、灰黑色泥巖夾含礫砂巖。上部地層主要為暗棕、灰綠色泥巖及細(xì)—粗砂巖組成。泉頭組廣泛分布，沉積厚度普遍較大。地層巖性以棕紅、紫紅、暗紫紅色泥巖夾砂巖為主，中—上部多為灰、灰白色、灰綠色粉砂巖及砂巖互層（表1）。

表1 吉林松遼盆地南部中生代白堊系地層特征表

青山口組下部為灰、深灰色泥巖與灰白色粉—細(xì)砂巖互層，并夾有劣質(zhì)油頁巖，富含介形類生物化石；上部棕紅、褐紫紅泥巖夾灰白、灰綠色粉—細(xì)砂巖。表現(xiàn)為水進(jìn)沉積，地質(zhì)年代跨越6．6Ma。青山口期由于盆地范圍的擴(kuò)大，形成了本地區(qū)重要的油頁巖成礦期。油頁巖的累積厚度一般為4～14m［6］。

藻類是最重要的油頁巖有機(jī)質(zhì)母源。嫩江組沉積時期，盆地水體較深，湖盆范圍擴(kuò)大，形成了湖泛沉積。嫩江組構(gòu)成了本區(qū)另一含油頁巖的層位。嫩江組時期潮濕、炎熱的氣候環(huán)境為微生物的繁盛提供了極好的環(huán)境條件［7］，也為油頁巖的沉積奠定了基礎(chǔ)。

除了嫩江組和青白口組之外，在明水組沉積時期也見有薄層的油頁巖。但可能是由于當(dāng)時的氣候和環(huán)境條件使得藻類等生物繁盛的時期較短，以致于無法形成有工業(yè)意義的油頁巖含礦層位。四方臺組和姚家組沉積時期的氣候環(huán)境條件均以炎熱干燥的沉積環(huán)境為主，形成了紅色的泥質(zhì)、粉砂質(zhì)沉積，局部可含有薄層的油頁巖沉積（表1），但是工業(yè)意義不大。

2 巖相古地理?xiàng)l件

吉林地區(qū)松遼盆地在白堊紀(jì)時期主要屬于斷陷盆地發(fā)育時期，在盆地沉降過程中，伴隨有斷層活動和火山作用。進(jìn)入晚白堊世，火山活動趨于減弱，可見有碎屑巖、煤層和油頁巖沉積。

早白堊世時期，沉積有沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組地層，屬于盆地斷陷形成的初期階段［8］。斷裂活動強(qiáng)烈、盆地沉降幅度較大。該時期在巖相古地理特征上表現(xiàn)為有底位域（LST）、高水進(jìn)域（TST）和高位域的（HST）的淺湖、河流等沉積，層序底部發(fā)育有沖積扇和河流相沉積［5］。

青山口組沉積主要為深水相的暗色湖盆沉積，屬溫濕氣候下的湖侵、湖泛沉積。溫濕的氣候條件使得細(xì)菌、藻類和浮游動植物等低等的水生生物大量繁盛和發(fā)育，構(gòu)成了有機(jī)質(zhì)沉積的重要物質(zhì)來源［6－7］。劉招君等［5］人研究認(rèn)為該時期Rb／Sr、Th／U值較低，代表了一種濕潤、溫暖的氣候條件。該氣候條件非常適合藻類生物、浮游動植物的生長發(fā)育，較深的湖水環(huán)境為油頁巖的形成和保存提供了極好的環(huán)境條件，形成了高含油率的油頁巖層位。

姚家組沉積時期湖盆面積變小，氣候也變得炎熱干燥。沉積了以棕紅色泥巖、灰白色砂巖互層為主的巖石。本段地層形成時間約為1．9Ma。發(fā)育水進(jìn)域（TST）的淺湖沉積和高位域（HST）的淺湖、河流等沉積物，低位域（LST）不發(fā)育。

嫩江組時期是松遼盆地湖盆發(fā)育的鼎盛時期，以嫩二段湖盆最大［7］。巖性為灰白色泥巖、淺灰、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖中夾黃褐色油頁巖，富含葉肢介、介形類生物化石［9－10］。形成年代跨越5．5Ma。嫩江組沉積時期屬于水進(jìn)域（TST）的淺湖沉積和高位域（HST）的淺湖、河流等沉積物。油頁巖主要沉積于嫩江組一、二段時期。

3 油頁巖成礦特征

吉林松遼盆地油頁巖成礦區(qū)的形成與該地區(qū)中生代造山作運(yùn)動密切相關(guān)。中生代該地區(qū)處于一個由洋殼向陸殼下俯沖的時期，俯沖的結(jié)果導(dǎo)致該地區(qū)陸殼巖石圈增厚。增厚的陸殼巖石圈此時處于一個重力不穩(wěn)定的狀態(tài)，因而誘發(fā)了巖石圈的拆沉構(gòu)造作用［3］。由于早白堊世的造山作用形成的勢能差而導(dǎo)致重力滑脫，從而產(chǎn)生了區(qū)域拉張應(yīng)力。區(qū)域性的拉張應(yīng)力作用使得松遼盆地形成了中生代裂谷盆地［5］。下斷上坳的疊合式結(jié)構(gòu)是伸展盆地的共性特征，是由其演化階段的構(gòu)造屬性所決定的。

隨著吉林松遼盆地區(qū)域性沉降作用的發(fā)生，盆地內(nèi)不斷有周圍的河流注入到盆地中，使得古松遼盆地湖區(qū)面積增大、湖水深度加大，再加上偶爾有附近海洋中的海水倒灌，造成本區(qū)的湖泊呈現(xiàn)水體分層現(xiàn)象。密度大的、致密缺氧的海水下沉，富氧水體上升。湖水密度分層現(xiàn)象阻礙了水體的對流和交換，從而造成湖盆底部的水體處于一個缺氧、富含有機(jī)質(zhì)的還原環(huán)境。青山口組和嫩江組沉積時期的松遼盆地就此成為一個富含微體和動植物化石的缺氧環(huán)境條件，造成了黑色泥巖和油頁巖沉積，形成了油頁巖層。

綜合松遼盆地中生代油頁巖發(fā)育的構(gòu)造、古氣候環(huán)境特點(diǎn)、沉積環(huán)境以及古生物特征，可以看出在中生代時期、尤其是白堊紀(jì)時期吉林松遼盆地處于一個溫暖潮濕的近海陸相環(huán)境。青山口一段和嫩江組一段油頁巖主要賦存于該段地層的中下部。嫩江組二段油頁巖賦存于該段地層的最下部。對吉林松遼盆地中部的油頁巖礦床進(jìn)行巖心取樣，獲得了10口井的累積油頁巖厚度25．79m，鉆孔油頁巖的獲取率達(dá)93．9%（表2）。采取了45個樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量（TOC）分析，嫩二段TOC值平均值約為7．00%，嫩一段TOC平均值5．80%，前者TOC值明顯后者。嫩二段含油率平均值為4．20%，要略低于嫩一段的4．60%。青一段油頁巖的TOC平均值為7．60%，含油率平均值5．10%，青一段的油頁巖含油率高于嫩江組。青山口組油頁巖的發(fā)熱量為3．25MJ／kg，要明顯優(yōu)于嫩一、二段油頁巖2．44 MJ／kg的發(fā)熱量。吉林松遼盆地油頁巖的總體特征是含油率較低、厚度較薄，但分布穩(wěn)定、資源儲量大。

4 結(jié)語

吉林松遼盆地中生代白堊紀(jì)時期處于洋殼向陸殼下俯沖時期，誘發(fā)了巖石圈陸殼拆沉作用的發(fā)生，形成了中生代裂谷盆地。白堊紀(jì)溫暖潮濕的氣候條件使得藻類、孢粉等微體生物，以及魚類、被子植物等生物大量繁盛，它們共同構(gòu)成了油頁巖礦床有機(jī)物質(zhì)來源。吉林松遼盆地的油頁巖主要發(fā)育在上白堊統(tǒng)青山口組一段和嫩江組一、二段地層中，油頁巖總厚度可達(dá)26m。青白口組TOC值、含油率和發(fā)熱量均較嫩江組高。吉林松遼盆地的油頁巖含油率不高，但分布廣泛、資源儲量大，成為了我國重要的陸相油頁巖成礦區(qū)。

表2 吉林松遼盆地油頁巖鉆孔取芯統(tǒng)計(jì)表

［1］Bussell I S．Oil Shale Developments［M］．New York：Nova Science Publishers，2009．

［2］劉招君，孟慶濤，柳蓉．中國陸相油頁巖特征及成因類型［J］．古地理學(xué)報，2009，11（1）：105－114．

［3］Feng Zhi－qiang，Jia Cheng－zao，Xie Xi－nong，et al．Tectonostratigraphic units and stratigraphic sequences of the nonmarine Songliao basin，northeast China［J］．Basin Research，2010，22（1）：79－95．

［4］牛繼輝，汪志剛，王立軍，等．松遼盆地（吉林部分）油頁巖成礦規(guī)律［J］．吉林地質(zhì)，2010，29（1）：81－83．

［5］劉招君，孟慶濤，賈建亮，等．陸相盆地油頁巖成礦規(guī)律：以東北地區(qū)中、新生代典型盆地為例［J］．吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2012，42（5）：1286－1297．

［6］馮子輝，方偉，王雪，等．松遼盆地海侵制約油頁巖形成的微體古生物和分子化石證據(jù)［J］．中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2009，39（10）：1375－1386．

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［8］黎文本．從孢粉組合論證松遼盆地泉頭組的地質(zhì)時代及上、下白堊統(tǒng)界線［J］．古生物學(xué)報，2001，40（2）：153－176．

［9］張靜平，唐書恒，呂建偉，等．松遼盆地青山口組一段油頁巖成礦條件及有利目標(biāo)區(qū)分析［J］．地學(xué)前緣，2012，19（1）：156－162．

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The Research on Cretacious Period Oil Shale Resources and Mineralization Characteristics of Songliao Basin in Jilin Province

LIU Rui，etc．
（School of Prospecting ＆Surveying Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun130021，China）

Songliao basin is the most important oil shale mineralization area in China．The oil shale layer mainly occurs in the Qingshankou Formation and Nenjiang formation of Cretaceous period．Oil shale is mainly distributed in the 1stsection of Qingshankou formation as well as 1stand 2ndsection of Nenjiang formation．The suitable environmental of warm and humid climate，agreat amount of algae，and plankton，ostracods，and some other plants provide organic resources for the formation of oil shale．Through the analysis to 45oil shale samples in Songyuan area，the results show that the average TOC value in the 2ndsection of Nenjiang formation is about 7．00%，which is higher than 5．80%of 1stsection in Nenjiang formation．The average value of oil－containing rate in 1stsection of Nenjiang formation is higher than the 2ndsection which is about 4．60%．The average TOC value of 1stsection of Qingshankou formation is 7．60%，and average oil－containing value is 5．10%．

oil shale；Songliao basin；Cretacious period；strata feature

P618．12

A

1009－8984（2016）02－0068－03

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．016

2016－03－28

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20140101166JC）

劉瑞（1963－），男（漢），吉林，博士，教授主要研究寶玉石資源及環(huán)境礦物材料。