山東泰萊凹陷姚莊地區(qū)油頁巖特征及成因分析

薛成,楊棟棟

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 泰安 271000)

20世紀50年代，華東煤田地質(zhì)局在泰萊盆地進行了煤田地質(zhì)踏勘與普查找礦工作，施工鉆孔21個，其中在泰萊盆地姚莊村西部施工的20孔、21孔均揭露到了油頁巖，含油頁巖段賦存于官莊群大汶口組中段地層中，揭露油頁巖層埋藏深度102.00～273.20m，暗色油頁巖層累計厚度達120.83～171.20m，油頁巖單層厚度2～114m。由于找礦目的及性質(zhì)不同，并未對油頁巖進行資源調(diào)查和評價，但對今后在泰萊盆地開展油頁巖礦勘查提供了良好的找礦線索[1-2]。2011年以來，山東省自然資源廳(原山東省國土資源廳)相繼在姚莊地區(qū)及其南部的南王莊地區(qū)部署了油頁巖勘查工作，筆者通過收集前人相關(guān)資料，結(jié)合實地野外地質(zhì)填圖、鉆探編錄、典型礦區(qū)考察、關(guān)鍵樣品化驗分析等手段，對姚莊地區(qū)油頁巖進行了研究，分析了泰萊凹陷姚莊地區(qū)油頁巖產(chǎn)出特征、空間分布規(guī)律及油頁巖成因，對未來泰萊凹陷油頁巖礦的預(yù)測及勘查提供一些借鑒。

1 地質(zhì)概況

泰萊盆地位于山東省泰安--萊蕪一帶。盆地以北以泰安-大王莊斷裂與泰山凸起為界，南以羊流斷裂與新甫山凸起為界，東西兩緣分別為銅冶店-孫祖斷裂和蒙山斷裂。盆地北部受泰安-大王莊斷裂的控制，并以其為邊界，盆地南部和東部角度不整合于晚古生代和中生代地層之上，與魯西其他中(新)生代斷陷盆地一樣，是在中生代構(gòu)造基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新生代斷陷盆地。

區(qū)域構(gòu)造以斷裂為主，其中泰安-大王莊斷裂屬泰萊盆地的控盆構(gòu)造，羊流斷裂為泰萊盆地的同生斷裂[3-4]，對盆地內(nèi)的地層有一定的破壞作用(圖1)。盆地內(nèi)沉積有中生代和新生代地層，周圍分布有早前寒武紀結(jié)晶基底和中生代沉積巖，沿斷裂等構(gòu)造常有中生代侵入巖分布[5-8]。

研究區(qū)發(fā)育的地層由老到新依次為：奧陶紀馬家溝群、古近紀官莊群和第四系。油頁巖產(chǎn)出于官莊群大汶口組中段，該段地層以山前堆積-湖相沉積為主。研究區(qū)油頁巖礦的形成與泰萊盆地的形成發(fā)展密切相關(guān)。魯中隆起在中生代進入活化期，構(gòu)造活動強烈而頻繁，差異性活動劇增，形成了一系列相間展布的由斷裂圍限的次級斷塊凸起和斷塊凹陷，以及多組斷裂和褶皺，并伴有大規(guī)模的酸性和中性巖漿侵位。新生代以來，以間歇性整體上升為主，泰萊凹陷格局主要在這一時期確定[9-11]。古近紀時期，泰萊凹陷處于河流--淡水湖泊沉積環(huán)境，氣候溫暖潮濕，介形蟲、葉肢介等浮游生物大量繁殖，為油頁巖的形成提供了豐富的有機質(zhì)來源；同時控制湖盆形態(tài)的泰安-大王莊斷裂、銅冶店-孫祖斷裂持續(xù)不斷的活動，湖底下降，湖水變深，不斷死亡的生物遺體與泥砂同時沉積，形成富含大量浮游生物的有機沉積物[12-14]。形成以淺灰—灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，間夾油頁巖的碎屑沉積。

1—第四系；2—隱伏地層(古近紀大汶口組)；3—實測斷裂；4—推測斷裂；5—泰安-大王莊斷裂；6—蒙山斷裂；7—羊流斷裂；8—銅冶店-孫祖斷裂；9—研究區(qū)位置圖1 泰萊凹陷構(gòu)造簡圖(據(jù)楊恩秀等插圖修改)

2 油頁巖特征

2.1 產(chǎn)出特征

研究區(qū)內(nèi)共圈出含油頁巖段1個(含油率≥1.5%)，由3個鉆孔揭露控制。含油頁巖段位于泰萊凹陷西北部，所處地段為泰萊凹陷湖泊相沉積區(qū)的西部，巖相上為油頁巖-泥巖巖相區(qū)，其地表廣泛被第四系覆蓋。該含油頁巖段位于研究區(qū)東部的禹石汶村-朱家官莊一帶，主要分布于大汶口組中段中上部，傾向7°，傾角4°～5°。含油頁巖段頂板埋深80.76～239.27m，底板埋深197.34～305.05m，厚度60.78～116.58m，含油頁巖段厚度在研究區(qū)南部穩(wěn)定，在靠近山前斷裂的北部地帶減薄。盆地內(nèi)大汶口組中段上部有一層灰—淺灰色礫巖標志層，區(qū)內(nèi)厚度1.06～2.78m，延伸穩(wěn)定，盆地內(nèi)所有施工鉆孔均見到該層，巖心較破碎，礫石排列雜亂無章、無分選性，極易與下伏淺黃褐色—灰色頁巖、頁狀泥灰?guī)r區(qū)分，反映研究區(qū)由山前堆積進入湖相沉積環(huán)境，是盆地內(nèi)含油頁巖段對比連接的主要依據(jù)。

含油頁巖段內(nèi)巖性以粉砂質(zhì)泥巖、頁狀泥灰?guī)r、泥灰?guī)r為主夾薄層碳質(zhì)砂巖、砂礫巖、泥巖及油頁巖、含油頁狀泥灰?guī)r，其顏色呈現(xiàn)灰—淺灰色，局部淺黃—淺黃褐色(圖2)。

圖2 鉆孔巖心及巖心橫斷面

含油頁巖段內(nèi)共圈出含油率≥3%的油頁巖礦4層，礦層含油率3.12%～4.07%，平均含油率3.48%，單礦層厚度0.8～2.29m，礦層沿走向延伸5.4km(表1)。

2.2 巖性、巖相特征

縱向上，依據(jù)施工鉆孔資料，姚莊地區(qū)大汶口組下段以雜色泥巖、砂巖、含礫砂巖、礫巖為主，顏色以黃褐色、灰色、淺灰色為主，礫石成分主要為灰?guī)r，礫石大小不均，礫徑1～12cm，呈橢圓狀及次棱角狀，膠結(jié)物為黏土、砂質(zhì)充填，膠結(jié)方式以充填為主，分選性差，局部見貝殼碎屑化石，砂巖中發(fā)育水平層理、小型斜層理，為河湖泊相沉積[15-16]。大汶口組中段以泥巖、泥灰?guī)r、粉砂巖、細砂巖、礫巖為主，夾少量頁巖、含油頁巖，顏色以淺灰—灰色為主，為湖泊相沉積。區(qū)內(nèi)靠近盆地邊緣的西北部為粗碎屑相沉積，靠近盆地中心的東南部沉積碎屑顆粒變細，含油情況明顯變好(表2)。

表1 姚莊地區(qū)油頁巖礦層地質(zhì)特征

注：山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省泰安市姚莊地區(qū)油頁巖礦普查報告，2015年。

表2 大汶口組中段各類巖石所占比例 (%)

注：山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省泰安市姚莊地區(qū)油頁巖礦普查報告，2015年。

橫向上，依據(jù)鉆孔巖性變化特征，山口鎮(zhèn)以北巖性以砂巖、礫巖等粗碎屑沉積物為主，屬碎屑巖巖相區(qū)；山口鎮(zhèn)以南巖性以泥巖、油頁巖等細粒沉積物為主，屬油頁巖-泥巖巖相區(qū)(圖3)。

2.3 油頁巖物理特征

賦礦巖石顏色為灰色、淺灰—淺黃褐色，條痕灰色，土狀光澤、局部油脂光澤；細粒結(jié)構(gòu)，頁狀構(gòu)造，斷口平坦狀或貝殼狀。礦石以泥質(zhì)成分為主，含油母質(zhì)、炭質(zhì)，巖石硬度2.5～3，指甲可以刻劃出溝痕。頁理及微細層理十分發(fā)育，頁理厚度小于1mm，有機質(zhì)沿頁理面均勻分布，呈薄層狀。巖石比重輕，性脆易碎，易燃、燃燒具硫化氫氣味、并伴隨有爆裂聲，燃燒后呈白色粉末狀。巖石密度變化范圍為1.80～2.04t/m3，油頁巖密度平均為1.90t/m3。

2.4 油頁巖品質(zhì)特征

由泰萊凹陷姚莊地區(qū)油頁巖樣品工業(yè)分析和格金低溫干餾分析結(jié)果可知[17]，研究區(qū)油頁巖水分為1.80%～2.04%，平均為1.90%；灰分為66.67%～87.84%，平均為80.12%；全硫為0.09%～1.97%，平均為1.12%；發(fā)熱量為0.68～3.06MJ/kg，平均為0.94MJ/Kg；含油率為3.12%～4.07%，平均為3.48%(表3)。與山東省內(nèi)正在開發(fā)利用的黃縣盆地五圖地區(qū)油頁巖相比[18-20],綜合評價為低水分、高灰分、低硫、低發(fā)熱量、低品位油頁巖礦。

表3 姚莊地區(qū)油頁巖品質(zhì)特征(油頁巖樣品7件)

注：山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省泰安市姚莊地區(qū)油頁巖礦普查報告，2015年。

3 油頁巖成因分析

3.1 沉積環(huán)境分析

依據(jù)前人的工作成果及預(yù)查、普查工作鉆探資料分析，區(qū)內(nèi)地層主要為厚度巨大的古近紀大汶口組碎屑巖，其沉積環(huán)境影響著礦床的形成和分布。

(1)大汶口組下段：巖性以淺黃褐色—淺灰褐色、雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，斷續(xù)夾含礫砂巖、粗砂巖、砂礫巖、礫巖。礫石成分主要為灰?guī)r，礫石大小不均，礫徑1～12cm，呈橢圓狀及次棱角狀，膠結(jié)物為黏土，膠結(jié)方式以充填為主，分選性差，局部見貝殼碎屑化石。沉積物為砂巖-含礫砂巖-礫巖的巖石組合，巖層中可見礫石，有時具定向排列，長軸方向平行于水流方向，是河道底部成因單元的標志，沉積環(huán)境應(yīng)屬河流相。

(2)大汶口組中段：上部以灰—淺灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，間夾薄層炭質(zhì)粉砂巖、頁巖、頁狀泥灰?guī)r、砂巖，局部見煤線；中部以頁狀泥灰?guī)r、泥巖、砂礫巖、頁巖為主，間夾數(shù)層油頁巖、含油頁巖；下部以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾泥質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r為主，沉積韻律比較明顯，應(yīng)屬于湖泊環(huán)境?？拷璧匚鞅辈窟吘壍你@孔揭露巖性為淺灰—淺灰白色礫巖、砂礫巖、泥巖、砂巖為主。巖性組合反映了大汶口組中段沉積期，斷裂活動變緩，沉積變穩(wěn)定，因經(jīng)過古新世沉積物充填，古地形變的平坦，進入湖盆發(fā)育階段，沉積中心繼續(xù)向西遷移，盆地在半補償?shù)臓顟B(tài)下，以黏土質(zhì)及化學沉積為主，機械沉積次之，僅在盆地邊緣發(fā)育，盆地中沉積了一套以湖相泥灰?guī)r、泥頁巖、細粉砂巖為主的湖相沉積物。

1—第四紀沂河組；2—第四紀臨沂組；3—隱伏分布的古近紀大汶口組；4—隱伏分布的月門溝群；5—碎屑巖巖相區(qū)；6—油頁巖-泥巖巖相區(qū)；7—泥巖巖相區(qū)；8—有輝綠巖侵位的油頁巖-泥巖巖相區(qū)；9—推測斷層及編號；10—地質(zhì)界線；11—古近紀分界線；12—施工鉆孔位置及編號；13—見礦鉆孔位置及編號；14—姚莊油頁巖研究區(qū)位置圖3 泰萊凹陷古近紀大汶口組巖相古地理圖

3.2 油頁巖成因

綜合分析泰萊凹陷成礦背景和古近紀沉積環(huán)境可以看出，古近紀始新統(tǒng)中后期(大汶口組中段)泰萊凹陷仍處于湖盆下降階段，發(fā)育河流-山前堆積-湖泊環(huán)境，形成了一套厚度巨大的淺灰—灰色碎屑沉積物(圖3)。這一時期，水生生物大量繁殖，并在死亡后與泥砂同時沉積，形成富含大量浮游生物的有機沉積物。同時，有機沉積物不斷被新的沉積物覆蓋，造成與空氣隔絕的還原環(huán)境；分散在沉積物中的浮游生物殘體經(jīng)歷一系列的生物降解作用，同時在微生物的參與下聚合成復(fù)雜的混合物，混合物同泥質(zhì)一起成為腐泥。隨著湖盆的不斷沉降，沉積物不斷加厚，腐泥承受的溫度、壓力不斷加大，使腐泥逐漸固結(jié)成巖，最終形成了該區(qū)腐泥型油頁巖礦[21-23]。

3.3 找礦前景

通過巖相古地理研究，發(fā)現(xiàn)姚莊地區(qū)油頁巖受沉積相帶控制，呈規(guī)律性展布，靠近盆地中心的湖泊相區(qū)是油頁巖沉積的有利場所，尋找油頁巖礦的方向應(yīng)重點放在研究區(qū)東南部及東側(cè)的祝陽鎮(zhèn)--楊莊鎮(zhèn)一帶。

4 結(jié)論

(1)泰萊凹陷姚莊地區(qū)油頁巖賦存于古近紀官莊群大汶口組中段，含油頁巖段發(fā)育厚度大，含礦層位在盆地內(nèi)較為穩(wěn)定，礦層與賦礦地層產(chǎn)狀一致，礦石以泥質(zhì)成分為主，含油母質(zhì)、炭質(zhì)。油頁巖品質(zhì)屬于低水分、高灰分、低硫、低發(fā)熱量、低品位油頁巖礦。

(2)根據(jù)鉆孔巖性及沉積相分析，姚莊地區(qū)油頁巖厚度總體表現(xiàn)為由盆地中心向邊緣減小的特征，油頁巖分布受沉積相帶的控制。油頁巖礦層內(nèi)頁巖與頁狀泥灰?guī)r層不等厚互層產(chǎn)出，沉積物粒度較細，在巖心中發(fā)現(xiàn)有葉肢介、生物碎屑化石，為湖泊相沉積。

(3)根據(jù)該區(qū)油頁巖特征及成因分析，泰萊凹陷湖泊相沉積區(qū)仍有較好的找礦前景。