黃縣盆地李家崖組煤與油頁巖共生成礦特征與組合成礦模式研究

呂育林

(山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250100)

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黃縣盆地李家崖組煤與油頁巖共生成礦特征與組合成礦模式研究

呂育林

(山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250100)

通過對(duì)黃縣盆地李家崖組煤與油頁巖共生組合進(jìn)行構(gòu)造演化、體系域、礦物質(zhì)來源、水體性質(zhì)、油頁巖厚度等因素的分析發(fā)現(xiàn)，在盆地的構(gòu)造演化過程中，煤與油頁巖共生組合大都發(fā)育在盆地快速沉降期，這種共生組合的厚度一般不大，但可以多期出現(xiàn)；在盆地沉降早期可以發(fā)育厚度和分布范圍均不大、期次較少的煤與油頁巖共生組合，盆地演化晚期可以發(fā)育厚度和分布范圍相對(duì)較大、期次較少的煤與油頁巖共生組合。在水進(jìn)水退之中，成煤原始物質(zhì)泥炭沼澤在原地形成了煤與油頁巖的不同組合成礦模式。

黃縣盆地；李家崖組；煤與油頁巖；成礦模式

0 引言

黃縣盆地是我國(guó)東部的一個(gè)古近紀(jì)近海斷陷盆地，古近系沉積期的水介質(zhì)性質(zhì)長(zhǎng)期以來有著爭(zhēng)議，有的專家認(rèn)為黃縣盆地為內(nèi)陸湖沉積，不存在海侵現(xiàn)象，有的則認(rèn)為黃縣盆地沉積期受到多次海侵的影響[1-4]。本研究認(rèn)為黃縣盆地是一個(gè)近海敞流斷陷盆地，沉積期周期性的受到海水影響，對(duì)沉積物的發(fā)育起到了重要的作用。

1 煤與油頁巖共生成礦特征

黃縣盆地古近紀(jì)沉積期具有淡水、半咸水和咸水的沉積，如李家崖組上部碳酸鹽巖中的黏土礦物90%以上都綠泥石化，這是黏土礦物由淡水進(jìn)入咸水或半咸水介質(zhì)中轉(zhuǎn)化而成的，與蘇北古近紀(jì)阜寧群中蒙脫石在海水參與下轉(zhuǎn)變成綠泥石的情況相似。另外從鍶(Sr)、鋇(Ba)含量，全硫含量(St，d)亦可得到證實(shí)。在碳酸鹽巖主要發(fā)育的層段，Sr為0.135%～0.20%，Sr/Ba為3.22～11.25，St，d為1.6%～3.7%。即不同于內(nèi)陸湖的Sr為0.025%～0.026%，Sr/Ba<1，St，d<1%的情況。(吐魯番和鄂爾多斯盆地)也不同于正常海相，如我國(guó)現(xiàn)代海底樣品Sr為0.7%～0.8%[1]。

黃縣盆地古近系李家崖組發(fā)育了上下兩套碳酸鹽巖，為生物灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、介屑泥質(zhì)泥晶-粉晶灰?guī)r等，其厚度可達(dá)40m左右[5]。另外碳酸鹽巖中含有藻疊層石，藻疊層石是由單細(xì)胞絲狀體的藍(lán)綠藻和綠藻在潮間或潮上環(huán)境繁殖，黏附了海水中微小的沉積物顆粒形成的層紋狀結(jié)構(gòu)體。山東地區(qū)西部濟(jì)陽坳陷中也存在這種疊層狀藻白云巖，屬近海濱淺湖藻坪環(huán)境。因此可以認(rèn)為，本區(qū)的藻疊層石是由于海水侵入，在濱淺湖泊區(qū)存在適于藍(lán)綠藻和綠藻等藻類繁殖的藻坪環(huán)境而形成的。通過對(duì)黃縣盆地碳酸鹽巖發(fā)育分析，繪制了古近系李家崖組碳酸鹽巖厚度等值線圖(圖1)，可見李家崖組許多地區(qū)碳酸鹽巖厚度超過20m，且碳酸鹽巖分布表現(xiàn)為西部厚、東部薄，中部厚、南北薄，且向西北部開口，反映了海水應(yīng)該從西北部進(jìn)入盆地，在水體較深部位沉積碳酸鹽巖。

此外，黃縣盆地李家崖組中存在海陸相生物共生現(xiàn)象，如有孔蟲與輪藻共生，在藻坪亞相中還可見到海相生物—中國(guó)枝管藻(Cladosipnonia.sinicachu)，半咸水多毛類蠕蟲管(龍介蟲棲管Serpula等)與南星介(Austrocypris)共生。黃縣盆地李家崖組所發(fā)現(xiàn)的這些海陸共生生物化石說明了當(dāng)時(shí)湖泊水體不屬于海相也完全不屬于淡水相，可能是近海敞流湖盆受海侵作用的影響[1-3]。

鑒于上述證據(jù)，結(jié)合實(shí)地考察、室內(nèi)綜合分析等，研究認(rèn)為黃縣盆地是一個(gè)近海敞流斷陷盆地，沉積過程間歇性的受到海水影響，海水的入侵在一定時(shí)期內(nèi)改變了湖泊水體的性質(zhì)，也影響了沉積物的沉積特征。

黃縣盆地層序I湖擴(kuò)張?bào)w系域發(fā)育了一套油頁巖(油4)，這套油頁巖厚度不大，最厚3～5m，大部分地區(qū)小于1m；分布為相對(duì)局限，主要發(fā)育在盆地的西北部，向南、東方向迅速變薄(圖2)。該油頁巖的分布范圍大致位于海水入盆地通道位置，反映了該時(shí)期較微弱的海侵作用，正式海侵的發(fā)生，湖泊發(fā)生湖泛且水體性質(zhì)發(fā)生變化，且形成較穩(wěn)定的鹽度分層；加之該時(shí)期海水的影響，古湖泊生產(chǎn)力較繁盛，繼而發(fā)育了油頁巖；由于海侵范圍不大，油頁巖分布范圍較??；海侵的強(qiáng)度較小，所以油頁巖發(fā)育的厚度較薄。

黃縣盆地層序I油4之上發(fā)育了一套厚度相對(duì)較大的煤4，該煤層厚度整體表現(xiàn)為西部厚、東部薄，西部局部地區(qū)可超過10m，廣大的中、東部地區(qū)整體厚度較薄，厚度僅在1m以內(nèi)；該地區(qū)礫巖、砂礫巖較發(fā)育，水體較淺，整體不利于聚煤作用的大強(qiáng)度發(fā)生。雖然該煤層富煤帶仍主要分布在盆地西北部，但是對(duì)比煤4和油4的厚度等值線圖可以發(fā)現(xiàn)，油4較厚的地區(qū)煤4一般較薄，油4薄的地區(qū)煤4反而較厚；二者具有互為消長(zhǎng)的關(guān)系。

李家崖組大部分沉積期內(nèi)， 黃縣盆地整體水體較淺，地勢(shì)相對(duì)平坦，沒有深湖區(qū)發(fā)育。通過繪制層序II湖擴(kuò)張?bào)w系域中細(xì)碎屑巖(泥頁巖、粉砂巖)厚度等值線圖發(fā)現(xiàn)，盆地范圍內(nèi)大部分地區(qū)細(xì)碎屑巖的厚度較小， 在10m以內(nèi)， 只有在西部和中部的局部地區(qū)厚度稍大，反映了該時(shí)期盆地仍較平坦，整體覆水不深的特征。

圖1 黃縣盆地古近系李家崖組碳酸鹽巖厚度等值線圖Figure 1 Isogram of Paleogene Lijiaya Formation carbonate rock thickness in Huangxian Basin

圖2 黃縣盆地(西部)古近系李家崖組煤4厚度等值線圖Figure 2 Isogram of Paleogene Lijiaya Formation coal No.4 thicknesses in Huangxian Basin

李家崖組煤2沉積期，盆地整體構(gòu)造格局與煤4發(fā)育期差別不是很大，從煤2厚度等值線圖可以看出(圖3)，煤2厚度相對(duì)煤4減小，但是富煤帶分布范圍與煤4具有很大的相似性，仍分布在盆地的西部，向東部煤層厚度迅速減薄。反應(yīng)了黃縣盆地從煤4沉積到煤2沉積這一段時(shí)間構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，構(gòu)造格局變化不大，繼承性較好；但煤2厚度較煤4小，反映了煤2發(fā)育期構(gòu)造穩(wěn)定的時(shí)間縮短。

李家崖組煤2沉積之后，盆地內(nèi)沉積了一套厚度相對(duì)較大油頁巖層(油2)，通過繪制油2等值線圖(圖4)發(fā)現(xiàn)，該油頁巖厚度相對(duì)較大，局部可超過4m，油頁巖厚度分布與煤2富煤帶分布范圍幾乎一致，都分布在盆地的西北部，向東部明顯減薄到1m以內(nèi)。兩種不同類型沉積物的富集帶非常的一致，反應(yīng)了該地區(qū)構(gòu)造的快速轉(zhuǎn)換，而其他地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱。

李家崖組油2沉積之后，盆地的沉積面貌發(fā)生了變化。對(duì)油1的頂板煤1展布特征發(fā)現(xiàn)， 煤1厚度較薄，大都在1.5m以下，很多地區(qū)都小于1m；但是，富煤帶的分布范圍變化較大，富煤帶呈北東向貫穿整個(gè)盆地。

2 煤與油頁巖組合成礦模式

國(guó)內(nèi)外典型的敞流斷陷盆地中，山東黃縣盆地古近紀(jì)煤與油頁巖共生組合較發(fā)育，具有較好的代表性，本次通過對(duì)黃縣盆地古近系進(jìn)行研究，來總結(jié)闡述煤與油頁巖共生組合特征。

黃縣盆地為一個(gè)敞流的斷陷盆地，其西北應(yīng)該受到海侵影響[6]，南東和東部地區(qū)為兩條邊界大斷層，即黃縣斷層和北林院洼溝斷層，根據(jù)近年來的勘探生產(chǎn)實(shí)踐可發(fā)現(xiàn)，黃縣斷層發(fā)生較早，北林院大斷層發(fā)生較晚，為同沉積控盆構(gòu)造[6]，黃縣斷層被北林院斷層切割，在盆地的發(fā)育過程中，黃縣斷層和北林院斷層造成的隆起區(qū)成為主要的物源區(qū)，且以黃縣斷層造成隆起區(qū)為主，靠近黃縣斷層的盆地內(nèi)緣形成盆地的沉降中心，沉積物直接進(jìn)入深湖，形成濁流沉積體系隨著特源距離的增大， 成為沖積扇-扇三角洲-濁積扇體系， 由東南向西北方向沖積扇-辮狀河-扇三角洲沉積體系，煤層較為發(fā)育[8]。

2.1 煤層/油頁巖(C-OS)共生組合成礦模式

黃縣盆地低水位期，即盆地演化的早期階段，沉積范圍較為局限，沉積物在盆緣內(nèi)側(cè)快速堆積成一系列的小的沖積扇，規(guī)模較小，還可發(fā)育辮狀河、扇三角洲等沉積,一般不發(fā)育此種組合，在稍微平坦的低洼處植物生長(zhǎng)繁茂。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用， 盆地沉降速率增大，可容納空間增大，在物源充足的方向沉積物迅速堆積，而物源較遠(yuǎn)的地方沉積物堆積速度較慢，因而小型湖泊在扇三角洲前緣的局部地區(qū)開始發(fā)育，條件較為適宜其中藻類植物和一些水生浮游生物大量繁殖，在這些生物死亡后，殘骸在小型湖泊的底部堆積，經(jīng)過腐煤化作用和瀝青化作用形成了不穩(wěn)定的油頁巖沉積，沉積物的堆積使得小型湖泊水體變得很淺，縮小了浮游生物和低等藻類植物的空間，慢慢的小型湖泊變?yōu)楹诱訚森h(huán)境，形成油頁巖的藻類等低等植物和浮游生物殘骸沉積減少直至消亡，成煤的沉積物在其頂部沉積，經(jīng)過泥炭化作用成煤，形成了煤層/油頁巖組合(圖5)，這種組合在黃縣盆地多個(gè)鉆孔的數(shù)據(jù)和所取的巖心中發(fā)現(xiàn)，李家崖組由下至上有油3作為煤3的底板、油2作為煤1的底板。

圖3 黃縣盆地古近系李家崖組煤2厚度等值線圖Figure 3 Isogram of Paleogene Lijiaya Formation coal No.2 thicknesses in Huangxian Basin

圖4 黃縣盆地古近系李家崖組油2厚度等值線圖Figure 4 Isogram of Paleogene Lijiaya Formation oil shale No.2 thicknesses in Huangxian Basin

2.2 油頁巖/其他沉積/油頁巖(OS-M/S-C)組合成礦模式

隨著黃縣盆地沉積范圍的逐漸擴(kuò)大，在湖擴(kuò)期先后發(fā)生兩次海水侵入湖盆，在湖擴(kuò)體系域早期水體較淺，泥炭沼澤環(huán)境發(fā)育，在濱湖地區(qū)高等植物非常繁盛。[2]隨著湖擴(kuò)張的繼續(xù)，湖泊水體慢慢加深，此時(shí)盆地的西北方向被海水侵入，在咸水的作用下濱湖地區(qū)發(fā)育的植物死亡，濱湖沼澤也被淺湖、深湖環(huán)境所代替，泥炭沼澤發(fā)育被終止，在湖底漸漸沉積了泥質(zhì)沉積，先前形成的泥炭層被泥巖所覆蓋，從而為煤2的形成提供了保障。隨著海水的不斷增多，湖體中的鹽度升高，由于湖泊水體增大加深，湖泊水體穩(wěn)定在一定的深度時(shí)可能會(huì)形成一定厚度的泥灰?guī)r，淡水的浮游生物由受到抑制到快速死亡，并且湖體發(fā)生分層，鹽度較高的水體在湖泊的底層，鹽度低

的在上層，使湖泊水體整體發(fā)生了穩(wěn)定的分層，而死亡的低等植物和浮游生物碎屑都沉積在湖泊的底部，經(jīng)腐泥化作用和瀝青化作用形成了油頁巖。這樣生成的油頁巖就覆蓋在下層的泥灰?guī)r或砂泥巖之上，而泥巖又是煤層的頂板，所以形成了OS-M/S-C組合形式，即李家崖組油2下/泥巖/煤層的組合，如黃縣盆地1-2井中就有此種組合的發(fā)育[9-11]。

2.3 油頁巖/煤層/油頁巖(OS-C-OS)組合成礦模式

當(dāng)海平面的進(jìn)一步擴(kuò)大，湖平面慢慢的與海平面接近時(shí)，海侵作用漸漸停止。高等植物等又在穩(wěn)定的湖盆邊緣的濱湖地區(qū)重新發(fā)育,構(gòu)造沉降速度減緩，濱湖地區(qū)發(fā)生沼澤化形成了泥炭沼澤，后經(jīng)泥炭化作用等形成煤1，隨著濱湖地區(qū)沉積物的的不斷堆積，湖泊水體整體變淺，煤層的發(fā)育由盆地邊緣向湖盆中心慢慢遷移發(fā)展，當(dāng)煤層發(fā)育在湖盆中心時(shí)覆蓋在先前底部生成的油頁巖之上，于是就發(fā)育為煤層/油頁巖的組合， 沉積區(qū)再次發(fā)生海水侵入時(shí)，湖平面再次上升，原有的成煤環(huán)境逐漸終止，隨著水體加深，低等藻類和浮游生物再次繁殖，當(dāng)其死亡后堆積在湖盆底部，經(jīng)腐泥化作用和瀝青化作用在局部地區(qū)再次形成了不穩(wěn)定的油頁巖層，重新覆蓋在上層煤層之上，形成OS-C-OS組合模式(圖6)，即李家崖組的油1/煤1/油2上組合。

圖5 黃縣斷陷盆地C-OS共生組合成礦模式Figure 5 Coal-oil shale (C-OS) paragenesis ore-forming model in Huangxian fault basin

圖6 黃縣斷陷盆地OS-C-OS共生組合成礦模式Figure 6 Oil shale-coal-oil shale (OS-C-OS) paragenesis ore-forming model in Huangxian fault basin

2.4 油頁巖/煤層(OS-C)組合成礦模式

濱湖沼澤環(huán)境下發(fā)育的厚煤層，盆地突然快速沉降，水體迅速淹沒泥炭沼澤， 成煤作用終止，且快速的水位上升使得盆緣碎屑物質(zhì)供應(yīng)僅局限在濱湖地區(qū)，這樣在廣闊的湖泊范圍內(nèi)可以形成較穩(wěn)定的水體分層，進(jìn)而發(fā)育油頁巖，覆蓋在下部煤層之上，形成OS-C組合模式即李家崖組的油1/煤1等。一般由于快速沉降期有機(jī)質(zhì)供應(yīng)不充足，形成的油頁巖品質(zhì)較低。

在李家崖組上部形成的煤層， 一般在高水位期，湖面的絕對(duì)高程最大，湖水范圍不再擴(kuò)大，湖岸線和湖平面都相對(duì)較穩(wěn)定，由于海水侵入在早期高水位體系發(fā)育了面積廣泛的泥灰?guī)r。盆地的局部地區(qū)發(fā)育了不穩(wěn)定的煤層，李家崖組由上至下發(fā)育有煤1上3、煤1上2和煤1上1三層煤層，反映出沉積中心不斷轉(zhuǎn)移，結(jié)合各不穩(wěn)定的煤層等厚線可以發(fā)現(xiàn)，煤1上1至煤1上3， 成煤中心逐漸向黃縣斷裂靠近， 且成煤作用范圍逐漸減少，反應(yīng)出湖盆水體萎縮的過程。晚期高位體系域，水體發(fā)生正常性水退，主要是灰綠色和雜色泥巖、砂巖及粉砂巖沉積為主，不發(fā)育煤層和油頁巖。

3 總結(jié)

通過對(duì)黃縣盆地煤與油頁巖共生組合進(jìn)行構(gòu)造演化、成礦物質(zhì)來源、水體性質(zhì)、油頁巖厚度、品質(zhì)等因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)煤與油頁巖共生組合一般出現(xiàn)在溫暖濕潤(rùn)的氣候帶，且古生物較繁盛的時(shí)期；在盆地的構(gòu)造演化過程中，煤與油頁巖共生組合大都發(fā)育在盆地快速沉降期，這種共生組合的厚度一般不大，但可以多期出現(xiàn)；在盆地沉降早期可以發(fā)育厚度和分布范圍均不大、期次較少的煤與油頁巖共生組合，盆地演化晚期發(fā)育厚度和分布范圍相對(duì)較大、期次較少的煤與油頁巖共生組合。在層序地層格架下，煤和油頁巖共生組合一般發(fā)育在湖擴(kuò)張?bào)w系域，該時(shí)期形成的油頁巖品質(zhì)一般稍差；早期高水位體系域也可以發(fā)育一定強(qiáng)的煤與油頁巖共生組合，該時(shí)期形成的油頁巖一般品質(zhì)較好；在低水位體系域，一般不利于發(fā)育煤與油頁巖共生組合，或僅發(fā)生強(qiáng)度和規(guī)模不大的共生組合。黃縣盆地為敞流盆地，盆地發(fā)育過程中周期性的受到海水影響，容易造成湖水較穩(wěn)定的鹽度分層和古生物生產(chǎn)力勃發(fā)，利于油頁巖的發(fā)育。

黃縣盆地演化特征與中國(guó)東部古近紀(jì)裂谷盆地有所差別。底部無火山巖系，說明早期拉伸不強(qiáng)烈，晚期深陷作用也不明顯。這種盆地屬于裂谷系的邊緣地段盆地[6]。煤與油頁巖組合沉積主要是形成于水進(jìn)水退之中，成煤原始物質(zhì)泥炭沼澤主要為原地形成，煤與油頁巖的不同組合代表了水退水進(jìn)的組合，其中，海侵在煤與油頁巖沉積與形成之中起到了催化作用，即海侵造成湖體上升形成水?dāng)U期的濱湖成煤，而海水介質(zhì)的特殊性能夠造成水體迅速分層，在一定環(huán)境下形成了油頁巖沉積，這也是煤2、油2下、油2中、油2上及煤1與油1在很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的主要原因。

[1]王炳山， 李艷紅， 王西恩.黃縣盆地早第三紀(jì)海侵湖環(huán)境及聚煤作用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2000，28(3)：8-11.

[2]王炳山， 余繼鋒， 孫玉壯，等.黃縣盆地褐煤與油頁巖的泥炭沼澤類型分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29(5)：1-3.[3]李增學(xué)， 魏久傳， 李守春，等.黃縣早第三紀(jì)斷陷盆地充填特征及層序劃分.巖相古地理， 1998， 18(4):1-8.

[4]劉招君, 董清水, 葉松青，等.中國(guó)油頁巖資源現(xiàn)狀[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 2006，36(6): 869-876.

[5]蔡捷,王炳山,宮靜嫻.黃縣聚煤盆地構(gòu)造-沉積特征[J].煤田地質(zhì)與勘探.1981(04).

[6]陳海泓，孫樞.黃縣盆地第三紀(jì)含煤巖系巖相與沉積環(huán)境[J].巖石學(xué)報(bào).1988，2(5):50-58.

[7]許圣傳，董清水，閆麗萍，等.山東黃縣斷陷盆地油頁巖特征及生成機(jī)制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2006，36(6): 954-958.

[8]宋志峰， 王曉龍， 朱亞鈴，等.斷陷盆地構(gòu)造對(duì)沉積的控制作用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010.(5)：120-121.

[9]王東東，李增學(xué)，王真奉，等.黑龍江依蘭盆地古近系煤與油頁巖共生特點(diǎn)及層序地層格架[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2013，25(12)：1-7.

[10]王平麗，李增學(xué)，呂大煒，等.典型盆地煤與油頁巖共生成礦物質(zhì)及古氣候分析[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2013，25(12)：8-11.

[11]劉瑩，劉海燕,呂大煒，等.黃縣盆地古近系煤與油頁巖共生組合類型及發(fā)育特征[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2014，26(1)：10-15.

Lijiaya Formation Coal and Oil Shale Paragenetic Ore-forming Features and Assembled Ore-forming Model in Huangxian Basin

Lyu Yulin

(Shandong Provincial Coal Geological Planning, Exploration and Research Institute, Jinan, Shandong 250100)

Based on the Lijiaya Formation coal and oil shale paragenesis in the Huangxian Basin carried out analysis of factors including tectonic evolution, systems tracts, mineral matter provenance, water mass property and oil shale thickness etc. During the basin tectonic evolution process, coal and oil paragenesis had been mostly developed in the basin rapid subsidence period and with thickness generally small, but multi-periodic. During the early period of basin subsidence, may develop coal and oil shale paragenesis with small thickness, small distribution extent and less periodic. During the later period of basin evolution may develop coal and oil shale paragenesis with relatively larger thickness, larger distribution extent and less periodic. In the courses of water progression and retrogression, coal-forming original peat bogs were mainly autochthonous and formed different coal and oil shale assembled ore-forming models.

Huangxian Basin; Lijiaya Formation; coal and oil shale; ore-forming model

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.01

1674-1803(2017)05-0001-06

呂育林(1987—)，男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，助理工程師，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，從事非常規(guī)能源勘查。

2017-02-07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：宋博輦