中國(guó)東部地區(qū)古近系油頁(yè)巖礦床地質(zhì)特征及找礦思路:以黃口凹陷為例

李海慶

摘要： 油頁(yè)巖屬于非常規(guī)油氣資源，以資源豐富和可開(kāi)發(fā)利用被列為重要的接替能源。以黃口凹陷為例，論述中國(guó)東部地區(qū)古近系典型凹陷的油頁(yè)巖分布特征，探討該區(qū)下一步找礦思路。中國(guó)東部地區(qū)典型凹陷的油頁(yè)巖賦存于古近紀(jì)始新世—漸新世大汶口組中段下亞段和下段上亞段，為深灰色—黑色富有機(jī)質(zhì)塊狀頁(yè)巖，紋泥狀韻律層發(fā)育。油頁(yè)巖沉積穩(wěn)定、分布廣泛、橫向連續(xù)性好、品位中低、構(gòu)造簡(jiǎn)單，且地球物理特征顯著。該區(qū)下一步找礦思路為“油（頁(yè)巖）鹽共探”和“物探先行、鉆探驗(yàn)證”。

關(guān)鍵詞： 東部地區(qū);古近系;油頁(yè)巖;地質(zhì)特征;找礦思路

中圖分類號(hào)：P618.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-1871（2019）03-199-07

油頁(yè)巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，通過(guò)低溫蒸餾加工可獲取類似于天然石油的頁(yè)巖油，屬于非常規(guī)油氣資源。油頁(yè)巖的資源量較豐富且儲(chǔ)量分布相對(duì)集中，具有作為接替能源的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。我國(guó)油頁(yè)巖預(yù)測(cè)資源量為7 199.37億t，折合頁(yè)巖油476.44億t，其中已探明油頁(yè)巖資源量為500.49億t，位居世界第4位，且85%以上的油頁(yè)巖分布在吉林省、遼寧省和廣東省[1]。20世紀(jì)70年代，在我國(guó)東部蘇南和蘇北地區(qū)古近系陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了油頁(yè)巖[2];1975—1976年，在江蘇金壇古近系阜寧群上部發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖，厚度為0.30～26.71 m，埋深為260 m以淺，含油率達(dá)7%[3];在安徽碭山北部、江蘇豐縣宋樓鎮(zhèn)地區(qū)黃口凹陷后黃樓洼凹和古近系大汶口組下亞段巖鹽層之上100～300 m均發(fā)現(xiàn)厚度較大的油頁(yè)巖[4]，其中豐縣宋樓鎮(zhèn)ZK01孔鉆遇的油頁(yè)巖厚度達(dá)63 m，平均含油率4.3%，預(yù)測(cè)資源量可觀[5]。此外，華北地區(qū)和魯西南地區(qū)鉆探資料[6]表明，古近紀(jì)大汶口組（沙河街組）油頁(yè)巖和巖鹽常伴生或共生。

中國(guó)東部地區(qū)廣泛分布的新生代小型坳陷盆地，與黃口凹陷后黃樓洼凹具有相似的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、古氣候和古植物演化等油頁(yè)巖成礦地質(zhì)條件，油頁(yè)巖資源潛力較大。但是，以往只注重勘查開(kāi)發(fā)盆地內(nèi)的油氣和巖鹽，忽視了對(duì)油頁(yè)巖的進(jìn)一步研究，導(dǎo)致中國(guó)東部地區(qū)新生代坳陷盆地探明的油頁(yè)巖資源儲(chǔ)量較小。為此，本文以黃口凹陷為例，探討區(qū)域 “油（頁(yè)巖）鹽共探”和“物探先行、鉆探驗(yàn)證”的找礦思路，進(jìn)一步推進(jìn)中國(guó)東部地區(qū)油頁(yè)巖資源勘探實(shí)現(xiàn)突破。

1 地質(zhì)特征

黃口凹陷位于南華北盆地北緣，是濟(jì)源—開(kāi)封坳陷帶次級(jí)構(gòu)造單元，地處豫、蘇、皖、魯四省交界處，為一近EW向展布的中新生代斷陷盆地，面積3 200 km2。自東向西，黃口凹陷可劃分為黃口次凹、虞城次凸和商丘次凹3個(gè)次級(jí)單元。黃口次凹為北陡南緩的箕狀盆地[7]，東起嶧山斷裂，西至于賢集斷層，北至豐沛斷裂，南至碭山—郝集斜坡。根據(jù)古近系斷陷格局和沉積特征，自東向西可進(jìn)一步劃分為敬安洼凹和后黃樓洼凹 （圖1）。

1.1 地層

該區(qū)鉆探揭露的地層主要為新生界古近系、新近系（表1）和第四系，整體為一單斜，走向NW，傾向SW，局部發(fā)育次級(jí)褶曲。地層傾角較小，一般為1°～4°。

古近紀(jì)大汶口組為一套湖相碎屑巖—蒸發(fā)巖建造，為賦油頁(yè)巖和巖鹽地層。下伏地層為古近紀(jì)官莊組，上覆地層為新近系及第四系。大汶口組劃分為上、中、下三段五亞段。

（1）大汶口組下段。厚410.04 m，分為下亞段和上亞段。

下亞段：下部厚10 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖與紫紅色泥巖互層，局部見(jiàn)團(tuán)塊狀和薄層狀硬石膏;中部厚110 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖、紫紅色泥巖與深灰色、灰白色石鹽不等厚互層。該段含5～10層石鹽，是該亞段最主要的標(biāo)志層，第一層石鹽和最后一層石鹽是判斷該亞段頂、底的主要依據(jù);上部厚60 m，灰色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖與紫紅色泥巖、粉砂巖互層，硬石膏呈薄層狀、瘤狀和團(tuán)塊狀，具波狀層理和水平層理。該段上部自上而下一般含1～5層硬石膏巖，是石膏下亞段頂部的重要標(biāo)志。

上亞段：厚230.04 m，灰色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖與紫紅色、灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖互層，硬石膏呈薄層狀、瘤狀和團(tuán)塊狀，局部夾1層油頁(yè)巖。

（2）大汶口組中段。厚290.99 m，分為下亞段和上亞段。

下亞段：厚170.99 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖，灰綠色、紫紅色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖與深灰色、灰色油頁(yè)巖不等厚互層。硬石膏呈薄層狀、塊狀，具水平層理、波狀層理。該段含5～12層油頁(yè)巖，是該亞段最主要的標(biāo)志層。

上亞段：厚120 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖、灰色—灰綠色泥巖與深灰色—灰白色石鹽不等厚互層。該段含1～8層石鹽。

（3）大汶口組上段。厚149.93 m?；疑?、淺灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖與粉砂巖、砂巖互層，夾灰色、深灰色含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖。該亞段自下而上砂巖含量增加，發(fā)育平行層理，鈣質(zhì)含量較高，遇酸起泡，局部含泥巖包體。泥巖和粉砂巖中多見(jiàn)介形蟲化石。

油頁(yè)巖礦層賦存于大汶口組中段下亞段和下段上亞段，多為深灰色—黑色塊狀頁(yè)巖，具波狀層理和水平層理，貝殼斷口和平坦斷口，見(jiàn)底棲動(dòng)物通道及介形蟲化石。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造主要受EW向豐沛斷裂、碭山—郝集斜坡（敬安斷裂）、NNE向嶧山斷裂、近SN向嘉豐斷層和于賢集斷層控制，表現(xiàn)為NNE向斷裂改造早期的EW向斷裂，形成北深南淺的箕狀斷陷，盆地沉降和沉積中心偏于北側(cè)[7]。

豐沛斷裂是近EW向具有繼承性活動(dòng)的區(qū)域性基底斷裂，是黃口凹陷的主控?cái)鄬樱刂屏斯沤o(jì)官莊組和大汶口組的分布及巖鹽、油頁(yè)巖的賦存，為凹陷北界，斷裂傾向南，傾角60°～70°，下盤為新太古代泰山巖群，斷層最大落差約6 000 m。

碭山—郝集斜坡（敬安斷裂）形成于燕山運(yùn)動(dòng)晚期，控制侏羅系和白堊系斷裂的展布，對(duì)古近系具有一定影響。該斷裂為凹陷南界，走向近東西，傾向北，傾角約75°，下盤蓋層基巖為二疊系和三疊系，斷層落差>1 000 m。

嘉豐斷層形成于喜山期，至今仍在活動(dòng)，切割該區(qū)大部分古近系，將黃口次凹分割為敬安洼凹和后黃樓洼凹。該斷裂走向近南北，具平移特征，故斷層不同位置的落差多變，斷層傾角多為80°左右。

1.3 巖漿巖

根據(jù)研究區(qū)及鄰近地區(qū)鉆孔地質(zhì)資料[5]，古近系油頁(yè)巖中未見(jiàn)巖漿巖。

2 地球物理特征

2.1 油頁(yè)巖地球物理測(cè)井響應(yīng)

油頁(yè)巖含有密度低和吸附性強(qiáng)的固體有機(jī)質(zhì)，因此，油頁(yè)巖礦層測(cè)井響應(yīng)表現(xiàn)為“三高一低”的特征，即高自然伽瑪、高電阻率、高聲波時(shí)差（圖2，由于鉆探施工時(shí)“油（頁(yè)巖）鹽共探”，泥漿為飽和鹽水泥漿，故電阻率受鹵水影響較大，測(cè)試幅值不高）和低密度，且有機(jī)質(zhì)含量越高，巖層在測(cè)井曲線上“三高一低”特征越明顯[8]。研究區(qū)油頁(yè)巖自然伽瑪曲線值為90～2 400 API，平均值為165 API;地層電阻率曲線值為100～300 Ω·m，平均值為200 Ω·m;聲波時(shí)差曲線值一般為260～350 μs/m，平均值為300 μs/m，表明油頁(yè)巖測(cè)井響應(yīng)明顯，易于識(shí)別。

2.2 油頁(yè)巖地震響應(yīng)

由研究區(qū)典型地震反射波組時(shí)間剖面圖（圖3）可知，新近系松散沖積層與下伏古近系泥巖存在較大差異[9]，可獲得能量較強(qiáng)的TQ+N反射波，全區(qū)易于識(shí)別和追蹤。油頁(yè)巖段第一層油頁(yè)巖與上覆泥巖之間存在較大的波阻抗差異，所以，油頁(yè)巖段頂界面可形成能量較強(qiáng)的TO頂反射波，油頁(yè)巖段內(nèi)部（Ⅱ）僅發(fā)育2～3組能量較弱的反射波組。油頁(yè)巖段底部油頁(yè)巖具有一定厚度時(shí)，可與下伏含膏泥巖之間形成較大的波阻抗差異，所以油頁(yè)巖段底界面可形成能量較強(qiáng)的TO底反射波。第一層含泥石鹽與上覆較厚的含膏泥巖之間存在較大的波阻抗差異，所以，巖鹽段頂界面可形成能量較強(qiáng)的TS頂反射波。巖鹽段下部一層泥巖，厚度>42.65 m，可與上覆含膏泥巖形成能量強(qiáng)、連續(xù)性好的Tm反射波。

綜上，研究區(qū)淺、中層地震地質(zhì)條件較好，反射波能量較強(qiáng)、連續(xù)性較好，為油頁(yè)巖地震勘探方法的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 油頁(yè)巖分布

研究區(qū)油頁(yè)巖、巖鹽礦床為走向近東西，傾向北，傾角不超過(guò)4°的單斜層狀沉積礦床。油頁(yè)巖段頂、底界面南高北低，頂界面的賦存標(biāo)高為-590～-780 m，底界面的賦存標(biāo)高為-710～-930 m。頂、底界面最深部為原預(yù)查區(qū)西北部，即鉆孔ZK01附近。油頁(yè)巖段厚99.85～136.80 m，油頁(yè)巖礦層8～12層累計(jì)厚45～63.30 m，中間夾多層含頁(yè)巖油泥巖層，具有沉積穩(wěn)定、分布廣泛、橫向連續(xù)性好、品位中低、構(gòu)造簡(jiǎn)單等區(qū)域成礦特征。在豐縣宋樓鎮(zhèn)油頁(yè)巖（石鹽）預(yù)查區(qū)，8層油頁(yè)巖礦層累計(jì)厚63.30 m。礦層頂板埋深903.67 m的Ⅱ油頁(yè)巖單層厚度最大為19.22 m，含油率3.05%～6.52%。安徽碭山—江蘇豐縣宋樓鎮(zhèn)，油頁(yè)巖具有礦層層數(shù)變多、單層變厚、品質(zhì)變優(yōu)的空間展布規(guī)律。

3.2 礦石特征

礦石呈棕黑色、黑色、灰黑色、深灰色、暗褐色、黃褐色及淺黃色。硬度（普氏硬度系數(shù)為4.5）較頁(yè)巖大，指甲刻劃有油膩感，小刀削可起卷。礦石比重（1.98～2.23 g/cm3）較泥巖小，斷口呈參差狀或貝殼狀。不易點(diǎn)燃，但若放入火中，1～5 min后可燃燒，火焰長(zhǎng)約1～2 cm，通常呈紅色，煙濃黑并有較強(qiáng)的瀝青味。含油率較高的油頁(yè)巖具黯淡光澤、油脂光澤或?yàn)r青光澤，擦痕為棕色。

油頁(yè)巖由礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)組成。油母含量為3%～9%，是復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物，具脂肪烴結(jié)構(gòu)和芳烴結(jié)構(gòu)。主要組成元素為碳和氫，以及少量氧、氮和硫，水分為4%～7%。礦物質(zhì)主要為伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺石等硬質(zhì)黏土類硅酸鹽礦物及石英，占總含量的85%以上。長(zhǎng)石、云母、方解石和硫鐵礦也較常見(jiàn)，因此油頁(yè)巖具有高灰分的特征。

礦石構(gòu)造主要為致密塊狀構(gòu)造、水平層紋（頁(yè)理）構(gòu)造，韻律結(jié)構(gòu)或泥狀結(jié)構(gòu)。

油頁(yè)巖化學(xué)組分3.00%～6.52%的頁(yè)巖油是有用和有益組分，其他化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO和TiO2，少量其他金屬氧化物可綜合利用。其他有益組分As、Ge、Ga、U含量低，無(wú)利用價(jià)值。

3.3 油頁(yè)巖類型和品級(jí)

研究區(qū)油頁(yè)巖礦層干燥基低位發(fā)熱量為1.10～3.88 MJ/kg，含油率為3.04%～6.52%，半焦產(chǎn)率為86.88%～92.99%，含氣率為1.75%～4.98%，相對(duì)視密度為1.98～2.23 g/cm3。由于相對(duì)視密度較大，影響油頁(yè)巖的含油率，不能成為高品級(jí)油頁(yè)巖。該區(qū)油頁(yè)巖是一種低發(fā)熱量、高灰分、揮發(fā)分含量不高、密度較大、水分含量較高、半焦含量高的中硫、中低品級(jí)油頁(yè)巖。

油頁(yè)巖最大熱解峰值溫度Tmax為419.1～436.8℃，IH含量為504～699。因此，區(qū)內(nèi)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)主要為腐泥型（Ⅰ）;油頁(yè)巖TOC含量中等，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.96～3.97，（S1+S2）含量為14.89～27.76，有機(jī)質(zhì)豐度高。上述特征表明，生油巖類型為好或很好的生油巖，處于未成熟—低成熟階段，顯示良好的油頁(yè)巖成礦基礎(chǔ)條件[10]。

4 礦床成因

研究區(qū)油頁(yè)巖紋泥狀韻律層發(fā)育。雖然微細(xì)層理難以肉眼辨認(rèn)，但經(jīng)X光透射后顯示清晰的紋理。微細(xì)韻律層系主要由深黑色富含有機(jī)質(zhì)的泥巖和淺灰黑色富鈣的泥巖組成。通過(guò)薄片觀察，單個(gè)韻律層厚度一般為0.05～0.20 mm。暗色富有機(jī)質(zhì)層，巖性單一，通常富含藻類等浮游生物殘?bào)w，主要成分是發(fā)強(qiáng)黃色熒光的層狀藻、結(jié)構(gòu)藻和藻類成因的熒光瀝青，呈連續(xù)水平狀，具有靜水沉積特征;淺色富鈣層含微晶方解石和少量石英、長(zhǎng)石等陸源粉砂，常有水平狀和微波狀紋理，顯示弱水流活動(dòng)痕跡。韻律紋層中常有粒徑1～3 μm的黃鐵礦微晶呈點(diǎn)—線狀斷續(xù)分布。上述韻律層可印證區(qū)內(nèi)油頁(yè)巖沉積環(huán)境為較寧?kù)o的咸水—半咸水深水湖泊相環(huán)境，并具有水體明顯分層、水化學(xué)條件和物源供給的周期性波動(dòng)特征[11]。

油頁(yè)巖富集主要受古氣候、沉積環(huán)境和古構(gòu)造條件控制。古氣候變化控制了有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)力，古構(gòu)造和沉積相控制了油頁(yè)巖平面展布特征、沉積厚度和含油率[12]。黃口斷陷盆地最早形成于燕山期，是在遭剝蝕夷平后，經(jīng)喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造而形成的內(nèi)陸盆地[7]。官莊組下段沉積期，以差異升降運(yùn)動(dòng)為主，盆地及周邊地形差異較大，主要是碎屑物沉積;官莊組上段沉積期，盆地由河流相逐漸過(guò)渡為含膏沉積的咸水、半咸水淺水湖泊相環(huán)境。大汶口組下段沉積期，古氣候逐漸以干旱為主，盆地內(nèi)水體鹽度進(jìn)一步升高，出現(xiàn)鹽類化學(xué)沉積。隨著湖盆中心鹵水逐漸濃縮，最終形成了湖盆中心高咸階段的蒸發(fā)相—鹽相和湖盆周邊低咸階段的蒸發(fā)相—硫酸鹽相。大汶口組下段后期至大汶口組中段下亞段沉積期，盆地沉降速率逐漸變大并超過(guò)沉積物供應(yīng)速率，湖泊進(jìn)入面積加大、水體范圍增加時(shí)期，形成長(zhǎng)期非補(bǔ)償?shù)酿囸I型盆地[13]。黃口凹陷次一級(jí)后黃樓洼凹位于盆地中心外圍深湖—半深湖沉積環(huán)境，在溫暖、濕潤(rùn)的氣候條件下，盆地覆水較深，陸源碎屑相對(duì)較少，陸地植物繁盛，為湖泊提供了大量陸生營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于藻類、介形蟲等浮游生物的爆發(fā)性繁殖，成為生烴質(zhì)的主要來(lái)源，為油頁(yè)巖的形成提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，沉積了分布廣泛、單層厚度及總厚度較大、品質(zhì)較好的油頁(yè)巖地層。大汶口組中段上亞段沉積期，盆地沉降速率變小且小于沉積物供應(yīng)速率，湖泊面積減少，古氣候逐漸演變?yōu)橐愿珊禐橹?，水體鹽度逐漸升高，出現(xiàn)新一輪的鹽類沉積旋回[5]。

5 找礦思路

中國(guó)東部地區(qū)新生代凹陷分布廣泛[13]，如山東黃縣盆地[14]、魯西南大汶口盆地（汶口凹陷、汶東凹陷、蒙陰凹陷及泰萊凹陷）[15]、江蘇豐縣師砦盆地、沛縣敬安洼凹、江蘇金壇直溪凹陷，以及江西鄱陽(yáng)、吉泰、贛州、信豐等30多個(gè)盆地[16]，它們具有與黃口凹陷后黃樓洼凹相似的油頁(yè)巖成礦地質(zhì)背景，油頁(yè)巖資源潛力較大。但由于以往只注重勘查開(kāi)發(fā)古近系油氣和巖鹽，對(duì)油頁(yè)巖研究不夠，探明的油頁(yè)巖資源量較少?；邳S口凹陷后黃樓洼凹古近系油頁(yè)巖的礦床地質(zhì)特征及勘查經(jīng)驗(yàn)，建議在我國(guó)東部地區(qū)新生代盆地探索古近系油頁(yè)巖勘查“油（頁(yè)巖）鹽共探”的思路。

以 “油（頁(yè)巖）鹽共探”、“先地面后地下，先物探后鉆探，由淺入深，由已知到未知”為基本原則，收集并綜合研究中國(guó)東部地區(qū)新生代盆地地質(zhì)、鉆探和物探資料，與黃口凹陷后黃樓洼凹古近紀(jì)大汶口組對(duì)比，研究相關(guān)盆地的地層、構(gòu)造和沉積特征。優(yōu)選油頁(yè)巖重點(diǎn)工作靶區(qū)，先進(jìn)行二維地震勘查，對(duì)區(qū)內(nèi)地層特別是礦層賦存形態(tài)進(jìn)行勘查，查明油頁(yè)巖段頂、底界面，分布和變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分步實(shí)施鉆探驗(yàn)證，結(jié)合地球物理測(cè)井和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)靶區(qū)內(nèi)油頁(yè)巖、巖鹽礦產(chǎn)資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，估算資源量。

需要指出的是，過(guò)去油頁(yè)巖開(kāi)采主要是傳統(tǒng)的地面干餾工藝。由于我國(guó)油頁(yè)巖平均含油率僅為5%～10%，將產(chǎn)生超過(guò)90%的廢渣。廢氣、廢水和廢渣對(duì)環(huán)境造成影響，從而影響油頁(yè)巖的勘查開(kāi)發(fā)。近些年，國(guó)外殼牌公司的電加熱原位開(kāi)采技術(shù)相對(duì)成熟，通過(guò)多種方法加熱油頁(yè)巖層，使油頁(yè)巖在地下裂解，生產(chǎn)出油頁(yè)巖油，并傳輸至地面。相對(duì)于傳統(tǒng)地面干餾，具有對(duì)環(huán)境污染少、耗水量少、品質(zhì)好和可開(kāi)采較深層油頁(yè)巖等優(yōu)勢(shì)。我國(guó)油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展，在油頁(yè)巖勘探開(kāi)發(fā)特別是勘查階段，要堅(jiān)持“綠色勘查”理念，制定相應(yīng)預(yù)案，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)。

6 結(jié) 論

（1）中國(guó)東部地區(qū)新生代盆地分布廣泛，古近系普遍具有與黃口凹陷后黃樓洼凹相似的油頁(yè)巖成礦地質(zhì)背景，油頁(yè)巖資源潛力較大。

（2）加大油頁(yè)巖勘查力度，按照“油（頁(yè)巖）鹽共探”、“物探先行、鉆探驗(yàn)證”找礦思路，實(shí)現(xiàn)東部地區(qū)油頁(yè)巖資源量重大突破。

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