銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含油頁巖巖系地球化學特征及有機質富集條件

武昕普，柳蓉，2，3，張坤，趙康安，韓佳兵

1.吉林大學地球科學學院，長春130061;2.吉林省油頁巖及共生能源礦產(chǎn)重點實驗室,長春130061；3.吉林大學東北亞古生物演化與環(huán)境教育部重點實驗室,長春130026

0 引言

油頁巖是一種有機質富集的細粒沉積巖[1]，由于其特殊的物理化學性質，可以用于提煉油頁巖油、發(fā)電、稀有稀土金屬提取和建材等各個領域，引起了世界的廣泛關注。近年來，越來越多的學者對油頁巖的形成環(huán)境進行了詳細研究，并對油頁巖有機質富集有利條件提出了不同見解。許多學者通過對不同地區(qū)的油頁巖有機質富集的影響因素研究認為，溫暖濕潤的古氣候條件有利于水生生物的生長繁殖，提高了湖泊生產(chǎn)力，從而有利于有機質富集，形成油頁巖[2-7]。還有一些學者通過對銀額盆地含油頁巖系的沉積環(huán)境研究后認為該盆地的含油頁巖巖系的沉積條件為半溫暖半濕潤甚至炎熱干旱的條件[8]。這與之前學者普遍認為的油頁巖形成于溫暖濕潤氣候條件存在較大的差異。并且，對于是在溫暖濕潤還是在炎熱干旱的氣候條件下更有利于形成油頁巖，缺少進一步的系統(tǒng)研究。

銀額盆地為新發(fā)現(xiàn)的含油頁巖盆地，總體研究程度較低，筆者對銀額盆地巴格毛德地區(qū)露天礦出露的下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含油頁巖巖系地層進行密集、系統(tǒng)的取樣分析，利用主量元素及微量元素等無機地球化學特征，對銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含油頁巖系的古氣候和古水體條件進行研究，并結合TOC、有機質類型和有機質成熟度等有機地球化學特征對銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組的有機質富集規(guī)律進行系統(tǒng)分析，揭示其有機質富集的有利條件。

1 區(qū)域地質背景

銀根—額濟納旗盆地簡稱銀額盆地，位于內(nèi)蒙古自冶區(qū)西部，東起狼山，西至北大山，南抵雅布賴山，北以中蒙邊境為界，是上古生界與中生界的疊合盆地，地處阿拉善高原，盆地四周環(huán)山，總體呈NEE走向。東西長約650 km,南北寬約75～225 km,面積約12.3×104km2，中、新生界沉積巖分布面積10×104km2[9]。盆地基底為中元古界、古生界的變質巖、千枚巖、石英片巖和花崗巖等,蓋層為中生界的砂巖、泥巖和頁巖等。

研究區(qū)位于銀額盆地北部楚魯隆起巴格毛德地區(qū)(圖1)，基本表現(xiàn)為極開闊的不對稱向斜構造，向斜軸部偏西，東翼寬緩，西翼陡峭[10]。研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較為健全，自下而上有下白堊統(tǒng)巴音戈壁組(K1b)、上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組(K2w)和第四系(Q)，其中巴音戈壁組劃分為巴音戈壁組一巖段(K1b1)和巴音戈壁組二巖段(K1b2)兩個巖段。巴音戈壁組二巖段為研究區(qū)內(nèi)主要地層單位，主要分布在巴格毛德西北呼倫陶勒蓋和楚魯廟以東，底部與巴音戈壁組一巖段整合接觸，頂部與烏蘭蘇海組不整合接觸[10]。上部巖性為灰色、灰綠色泥巖;下部為砂礫巖；中部為灰色、灰黑色頁巖，粉砂質泥巖，泥質粉砂巖，夾灰黑色油頁巖，是本區(qū)主要含油頁巖礦地層[11]。

2 含油頁巖系特征

本次對巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組露天礦進行系統(tǒng)取樣，自下而上以15 cm為間隔進行連續(xù)采樣，采樣長度17.14 m。為避免出露的巖層由于氧化而導致測試數(shù)據(jù)不準確，采集的樣品均取自新鮮剖面。

2.1 巖石學特征

通過對露天礦剖面進行連續(xù)取樣并精細描述(圖2),研究區(qū)巖性主要以灰色泥巖、深灰色頁巖(圖2e)、灰色粉砂質泥巖、灰白色泥灰?guī)r(圖2b)和灰黑色油頁巖為主。其中該剖面共發(fā)育12層油頁巖，集中在該剖面的中部和下部，但厚度分布不均勻，其中5層油頁巖厚度較大，厚約0.93 m。油頁巖中發(fā)育水平層理和生物富集層(圖2c)，主要為葉肢介殼體碎片，此外含大量的植物莖桿和葉肢介化石(圖2a)，為嘉峪關疊飾葉肢介和柔飾玉門葉肢介[12]，偶見介形蟲化石(圖2f，g)。泥灰?guī)r層底部偶見礫石(圖2d)。

圖1 巴格毛德地區(qū)區(qū)域地質圖及礦坑野外露頭Fig.1 Geological map of Bagemaode area and pit outcrop

2.2 礦物學特征

研究區(qū)不同巖性樣品的X-射線衍射全巖分析結果顯示，油頁巖中主要成分為黏土礦物(表1)，以伊蒙混層和伊利石為主(表2)，方解石和白云石在個別樣品中含量較高(表1)。頁巖和泥巖與油頁巖具有相似的礦物成分，但不發(fā)育白云石；細砂巖主要由石英、方解石和黏土礦物組成，并且含有少量石膏(表1)。

表1 銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組礦物成分

圖2 露天礦剖面野外實測地層綜合柱狀圖及礦物含量Fig.2 Comprehensive stratigraphic column and mineral content of strip mine outcrop

表2 銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組黏土礦物組分

Table 2 Clay mineral composition of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Bagemaode area, Yin’e Basin

樣品編號巖性黏土礦物含量/wt%蒙皂石伊蒙混層伊利石高嶺石綠泥石伊蒙混層比(%蒙皂石)PK-60油頁巖/69243440PK-45油頁巖/74222240PK-34油頁巖/65312240WL-14泥巖/71224340

3 有機地球化學特征

筆者利用有機碳含量(TOC)、生烴潛力(S1+S2)和氫指數(shù)(HI)等數(shù)據(jù)研究有機質的豐度、類型和成熟度。通過繪制有機碳含量(TOC)、生烴潛力(S1+S2)和氫指數(shù)(HI)的變化曲線，發(fā)現(xiàn)三者之間具有良好的正相關性(圖3)。

3.1 有機質豐度

通過對樣品中有機質的TOC和S1+S2含量進行統(tǒng)計，結果顯示TOC含量為0.76%～12.65%，平均值為4.68%；S1+S2含量為0.18～105.36 mg/g，平均S1+S2含量為23.89 mg/g，可以看出整體有機質豐度不高，但變化較大。油頁巖TOC含量較高,在5.22%～12.65%之間，平均值為8.30%；S1+S2為25.23～105.36 mg/g，平均值為55.79 mg/g。

3.2 有機質類型

油頁巖和泥頁巖樣品的巖石熱解參數(shù)包括熱解參數(shù)S1(液態(tài)烴殘留量)、S2(熱解生烴量)、S3(熱解有機CO2)和Tmax(熱解峰值溫度)，根據(jù)以上參數(shù)計算得到HI指數(shù)，根據(jù)Tmax和HI、TOC和S2進行投圖，可知巴格毛德地區(qū)油頁巖的有機質類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，泥頁巖有機質類型為Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型(圖4)。

3.3 有機質成熟度

巖石熱解參數(shù)Tmax常用于評價有機質成熟度。鄔立言等[13]通過對中國不同盆地的生油巖進行研究后，提出了不同類型的有機質在不同的成熟階段對應的Tmax值(表3)。測試樣品中Ⅰ型有機質的Tmax在437.5℃～443℃之間，平均值為439.78℃，說明Ⅰ型有機質處于低成熟階段；Ⅱ型(包括Ⅱ1型和Ⅱ2型)有機質的Tmax在433℃～441℃之間，平均值為438.06℃，說明Ⅱ型有機質處于未熟-低熟階段，以低成熟階段為主；Ⅲ型有機質的Tmax在420℃～438.5℃之間，平均值為431.88℃，說明Ⅲ型有機質處于未成熟-低成熟階段，以未成熟階段為主。綜上表明，銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含油頁巖系的有機質成熟度整體處于未熟-低熟階段。

表3 有機質不同成熟階段的Tmax值[13]

圖4 銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組有機質類型Fig.4 Types of organic matter of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Bagemaode area, Yin’e Basin

4 含油頁巖系有機質富集條件分析

4.1 古氣候條件

指示古氣候的方法主要有Sr/Cu法和黏土分析法。Sr/Cu比值對古氣候的變化非常敏感[14]，Sr/Cu>5指示干燥炎熱氣候，Sr/Cu值在1.30～5.00之間則指示溫暖濕潤的氣候[15-16]。

研究區(qū)Sr/Cu比值介于3.24～390.70，總體揭示了研究區(qū)為一套炎熱干旱與溫暖濕潤頻繁交替發(fā)育的氣候環(huán)境(圖3)。通過垂向上有機質豐度與古氣候條件對應關系分析來看，溫暖濕潤和炎熱干旱的氣候條件都可以形成油頁巖。高有機質含量的油頁巖形成于較炎熱干旱的環(huán)境，溫暖濕潤的氣候條件形成的油頁巖有機質豐度較低(圖3)。通過繪制TOC與Sr/Cu相關性散點圖(圖5a)，發(fā)現(xiàn)大部分油頁巖樣品落在較炎熱干旱的區(qū)域，并且對于油頁巖樣品來說，隨著干旱炎熱的程度增高，有機質含量反而有下降的趨勢。進一步說明較炎熱干旱的氣候條件是高品質油頁巖形成的有利條件，溫暖濕潤和過于炎熱干旱不利于形成高品質油頁巖。

高嶺石在溫暖潮濕的氣候下易于形成，在干旱氣候下不利于形成高嶺石[17]，因此，對于低熱演化階段，可以用高嶺石的含量來指示古氣候。巴音戈壁組二段樣品中的高嶺石含量很低，說明當時總體為干旱氣候。伊利石多在寒冷少雨的氣候下形成[18-19]，伊/蒙混層的出現(xiàn)通常伴隨季節(jié)性的干旱和溫暖氣候條件，伊/蒙混層含量越高，代表氣候越溫暖干旱[20]，由此可以看出巴音戈壁組二段整體的氣候較炎熱干旱，與Sr/Cu指示的氣候條件一致。

4.2 古水體條件

4.2.1 古鹽度

Sr/Ba是用來判別古鹽度的有效指標[21-25]。一般來講，淡水環(huán)境中Sr/Ba值<0.5，代表陸相湖泊環(huán)境；咸水環(huán)境中Sr/Ba值>1.0，代表海相環(huán)境或者咸化的陸相湖泊；Sr/Ba值在0.5～1.0之間代表半咸水的過渡相環(huán)境[26]。并且在湖泊中Ca/Mg比值的高低也可以反應當時的沉積水體鹽度條件，但是不同地區(qū)的Ca/Mg的比值會有所變化[27]，通過Sr/Ba與Ca/Mg的相關性圖(圖5c)可以看出，較高的Ca/Mg比值對應較高的Sr/Ba比值，說明隨著水體鹽度增加，Ca/Mg比值也有升高的趨勢。Mo/TOC可以反映古湖泊的封閉程度，Mo/TOC比值越高，表明湖泊封閉性越差，隨之出現(xiàn)的是較低的水體鹽度；反之，Mo/TOC比值越低，指示的是水體鹽度較高的封閉性水體環(huán)境[28]。通過垂向上Mo/TOC比值的分布規(guī)律來看，油頁巖段的Mo/TOC值較低，水體封閉性較好(圖3)。

圖5 微量元素比值與TOC相關關系Fig.5 Correlation between TOC and ratios of trace elements

研究區(qū)Sr/Ba比值介于0.17～4.77之間，總體以半咸水-咸水沉積為主，局部發(fā)育淡水沉積。經(jīng)Sr/Cu和Sr/Ba比值的變化曲線對比分析看出，古氣候和古鹽度具有相似的變化規(guī)律(圖3)。

通過TOC與Sr/Ba相關性擬合(圖5b)可以看出，在淡水-半咸水的水體環(huán)境下，有機碳含量與Sr/Ba比值成正相關的線形關系，即隨著水體鹽度增加，有機碳含量有增高的趨勢，并且油頁巖基本發(fā)育在半咸水-咸水條件下；當水體由半咸水轉換為咸水后，隨著水體鹽度增加，有機碳含量卻出現(xiàn)隨之下降的趨勢。結合垂向上的有機碳含量與水體鹽度變化關系上來看(圖3)，淡水和咸水環(huán)境下都可以形成油頁巖，但是品質較好的油頁巖發(fā)育在咸水環(huán)境下，淡水環(huán)境中的油頁巖有機質含量較低。垂向上，Sr/Ba值出現(xiàn)了3次較大的峰值，分別為10.11 m處的3.80，15.14 m處的4.13和15.08 m處的4.77，顯示這3個階段為半咸水-咸水沉積環(huán)境，伴隨發(fā)育的是含油率和有機質含量都較高的厚層油頁巖。這些現(xiàn)象說明水體鹽度在半咸水-咸水的條件下有利于形成高品質油頁巖。

4.2.2 氧化還原環(huán)境

V/(V+Ni)是通常被用來判別氧化還原環(huán)境的微量元素指標[29-30]。一般來講，還原環(huán)境下V/(V+Ni)>0.60，氧化環(huán)境下V/(V+Ni)<0.46，貧氧環(huán)境下V/(V+Ni)在0.46～0.60之間[31]。樣品的V/(V+Ni)值為0.39～0.84，平均值為0.73，僅有個別樣品的V/(V+Ni)值<0.46，其余樣品V/(V+Ni)值均>0.46，且大部分位于0.6～0.8之間(圖3，圖5d)。

高喬等[32]和Steiner等[33]認為可以用δU=2U/(U+Th/3)來指示氧化還原環(huán)境(δU>1：缺氧環(huán)境；δU<1：氧化環(huán)境)。研究區(qū)δU值為0.48～1.58，平均值為1.17，同樣僅有個別樣品δU值<1(圖5d)。

以上研究表明，當時含油頁巖巖系的沉積基本處于強還原的沉積環(huán)境，為有機質的保存提供了良好的條件。

5 有機質富集條件討論

豐富的有機質來源、還原環(huán)境以及適宜的沉積速率是有機質富集的有利條件[34]。通過以上對含油頁巖巖系的古氣候、氧化還原條件以及古水體性質的研究表明，對于本研究區(qū)，相對炎熱干旱的氣候條件、半咸水-咸水的強還原環(huán)境最有利于有機質富集，形成高品質油頁巖。從垂向上有機質的富集規(guī)律來看，溫暖濕潤和炎熱干旱條件都可以形成油頁巖層，但在較炎熱干旱的背景下，可以形成高品質油頁巖(圖5a)。傳統(tǒng)觀點認為有利于有機質富集的溫暖濕潤氣候對于本研究區(qū)來說并非有利于高豐度有機質的形成，研究區(qū)溫暖濕潤條件下形成的有機質類型多為Ⅱ型和Ⅲ型，其可能由于過于豐沛的降水和大量陸源高等植物碎屑的輸入促使古湖盆可容納空間增大的同時，也大大稀釋了沉降到水體底部的有機質濃度。而相對炎熱干旱條件下則出現(xiàn)可容納空間的相對減小，有機質來源主要來自古湖泊生產(chǎn)力的內(nèi)源成因，相比溫暖濕潤氣候條件下其具有較小的有機質稀釋，有利于有機質的富集。同時，在半咸水-咸水環(huán)境下，形成水體分層，形成良好的還原環(huán)境，有利于有機質的保存。

6 結論

(1)銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段含油頁巖巖系中油頁巖有機質類型為Ⅰ型和Ⅱ1型，低有機質含量的泥頁巖有機質類型為Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型，有機質成熟度整體處于未熟-低熟階段。

(2)銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段含油頁巖巖系沉積時期整體為炎熱干旱與溫暖濕潤交替發(fā)育的氣候環(huán)境，淡水-咸水交替出現(xiàn)的還原水體環(huán)境。

(3)對于本研究區(qū)，溫暖濕潤的淡水環(huán)境和炎熱干旱的半咸水-咸水環(huán)境下都可以形成油頁巖，其中較炎熱干旱的咸水環(huán)境有利于有機質富集，是高品質油頁巖形成的有利條件。