松遼盆地東南隆起區(qū)-中央坳陷區(qū)上白堊統(tǒng)青山口組一段油頁(yè)巖特征對(duì)比分析

張帥華，劉招君，2*，申 林，張朋霖，孟慶濤，2

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061; 2.吉林省油頁(yè)巖及共生能源礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130061)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地位于我國(guó)東北地區(qū)，以菱形形狀呈北北東向展布。松遼盆地西部以大興安嶺為界，東北部為小興安嶺，東南部為張廣才嶺，南部為華北地臺(tái)北緣-內(nèi)蒙地軸[1]。松遼盆地的中淺層地層劃分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，分別為北部?jī)A沒區(qū)、西部斜坡區(qū)、中央坳陷區(qū)、東北隆起區(qū)、西南隆起區(qū)、東南隆起區(qū)[2-4]，東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖主要發(fā)育在上白堊統(tǒng)青山口組(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置

2 取樣及測(cè)試

測(cè)試樣品來(lái)自位于東南隆起區(qū)的JFD1、JFD3、JFD4、JFD6井和中央坳陷區(qū)的JND1井。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行低溫干餾、總有機(jī)碳、巖石熱解、全巖和黏土礦物定量分析等測(cè)試，揭示松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖特征的差異性及其原因。

3 油頁(yè)巖特征

油頁(yè)巖是一種高灰分固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，含油率≥3.5%，發(fā)熱量一般≥4 187J/g，油頁(yè)巖的工業(yè)指標(biāo)可隨經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的變化而變化[5]。

3.1 巖石礦物學(xué)特征

3.1.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)油頁(yè)巖主要發(fā)育在上白堊統(tǒng)青一段，巖性主要為灰黑色油頁(yè)巖，發(fā)育少量深灰色和灰褐色油頁(yè)巖，油頁(yè)巖主要發(fā)育水平層理(圖2a)和塊狀層理，偶見粉砂質(zhì)條帶(圖2b)和方解石條帶，富含介形蟲(圖2c)、殼類化石(圖2d)和生物碎屑化石(圖2e)；可見草莓狀黃鐵礦(圖2f)，反映了穩(wěn)定的還原性水體環(huán)境[6]。

圖2 研究區(qū)鉆井巖心特征

3.1.2 礦物學(xué)特征

通過(guò)全巖分析和黏土礦物定量分析，可知研究區(qū)青一段油頁(yè)巖礦物成分主要為陸源碎屑礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物(表1)。陸源碎屑礦物平均值32.81%，其中石英和斜長(zhǎng)石的平均值分別為23.12%和10.99%，堿性長(zhǎng)石含量較少。碳酸鹽礦物平均值10.50%，主要包括白云石和方解石。黏土礦物平均值52.73%，其中伊/蒙混層、伊利石和綠泥石平均值分別為27.37%、17.31%和6.71%，還有少量高嶺石和蒙皂石。

3.2 工業(yè)品質(zhì)特征

油頁(yè)巖工業(yè)品質(zhì)特征的關(guān)鍵參數(shù)主要有含油率、灰分、揮發(fā)分、水分、全硫含量等，是評(píng)價(jià)油頁(yè)巖品質(zhì)優(yōu)劣的重要參考依據(jù)。

1)含油率。東南隆起區(qū)JFD1井、JFD6井和JFD4井油頁(yè)巖的含油率平均值分別為4.60%、4.90%和5.00%，中央坳陷區(qū)JND1井青一段油頁(yè)巖的含油率平均值3.74%，可知中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖含油率相比東南隆起區(qū)較低(表2、圖3)。

2)灰分。研究區(qū)青一段油頁(yè)巖灰分含量79.08%～86.08%，平均值為84.20%，屬于高灰分油頁(yè)巖(表3)。研究區(qū)油頁(yè)巖的含油率與灰分具有良好的負(fù)相關(guān)性(圖4)。

表1 研究區(qū)油頁(yè)巖X衍射數(shù)據(jù)表

表2 研究區(qū)主要礦層油頁(yè)巖含油率

圖3 含油率與TOC相關(guān)性

圖4 含油率與灰分相關(guān)性圖

3)揮發(fā)分。研究區(qū)青一段油頁(yè)巖的揮發(fā)分為10.90%～18.50%，平均值為12.87%(表3)，與含油率具有良好的正相關(guān)性(圖5)，表明油頁(yè)巖含油率越高，揮發(fā)分含量越高。

4)水分。研究區(qū)青一段油頁(yè)巖水分含量為1.57%～3.28%，平均值為2.64%，與含油率具有較好的負(fù)相關(guān)性(圖6)。

表3 研究區(qū)油頁(yè)巖工業(yè)品質(zhì)參數(shù)

圖5 含油率與揮發(fā)分相關(guān)性圖

圖6 含油率與水分相關(guān)性圖

5)全硫。研究區(qū)青一段油頁(yè)巖的全硫含量介于0.77%～2.87%，平均值為1.48%，表明研究區(qū)油頁(yè)巖為低硫油頁(yè)巖。

4 有機(jī)地球化學(xué)特征

4.1 有機(jī)質(zhì)豐度

油頁(yè)巖中含有的大量有機(jī)質(zhì)，是形成烴類的物質(zhì)基礎(chǔ)。通常利用總有機(jī)碳含量(TOC)和生烴潛力(S1+S2)反應(yīng)有機(jī)質(zhì)豐度。

4.1.1 總有機(jī)碳(TOC)

東南隆起區(qū)JFD1、JFD6和JFD4井油頁(yè)巖TOC平均值分別為8.47%、9.51%和9.86%，中央坳陷區(qū)JND1井油頁(yè)巖TOC平均值6.98%，表明東南隆起區(qū)青一段油頁(yè)巖TOC明顯高于中央坳陷區(qū)。此外，研究區(qū)青一段油頁(yè)巖的TOC和含油率有很好的正相關(guān)性(圖3)，相關(guān)系數(shù)R2為0.9687。

4.1.2 生烴潛力(S1+S2)

東南隆起區(qū)JFD1、JFD6和JFD4井油頁(yè)巖生烴潛力平均值分別為73.11mg/g、87.66mg/g和83.32mg/g，中央坳陷區(qū)JND1井油頁(yè)巖生烴潛力平均值為27.85mg/g(表4)，東南隆起區(qū)青一段油頁(yè)巖生烴潛力明顯高于中央坳陷區(qū)。研究區(qū)青一段油頁(yè)巖生烴潛力為非常好(圖7)。

圖7 研究區(qū)JFD1井有機(jī)質(zhì)生烴潛力判別圖

圖8 研究區(qū)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型判別圖

綜上可知，東南隆起區(qū)青一段油頁(yè)巖的總有機(jī)碳和生烴潛力均明顯大于中央坳陷區(qū)，表明東南隆起區(qū)青一段油頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)更高。

應(yīng)用IH(IH=S2/TOC×100)-Tmax和S2-TOC的組合進(jìn)行有機(jī)質(zhì)類型判別(圖8)，有機(jī)質(zhì)類型呈現(xiàn)很好的一致性， 即研究區(qū)東南隆起區(qū)(JFD1、JFD6井)和中央坳陷區(qū)(JND1井)青一段油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型干酪根，其次為Ⅱ型干酪根。

顯微組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表5)，東南隆起區(qū)油頁(yè)巖比中央坳陷區(qū)的湖泊生物和陸源有機(jī)質(zhì)相對(duì)更多。油頁(yè)巖中主要觀察到層狀藻、孢子體(圖9e，f)、鏡質(zhì)體和黃鐵礦，反映出研究區(qū)有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要是湖生生物(藻類體)，其次是陸源有機(jī)質(zhì)。

東南隆起區(qū)油頁(yè)巖(圖9a，b，c，d)中湖泊生物含量多于中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖，熒光性也強(qiáng)于中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖，這是由于中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖埋藏更深，油頁(yè)巖熱演化程度也更高，部分有機(jī)質(zhì)已經(jīng)排烴，熒光性減弱導(dǎo)致無(wú)法觀察到。

無(wú)機(jī)組分主要為黃鐵礦，一般認(rèn)為沉積環(huán)境還原性越強(qiáng)，有機(jī)碳含量越高，黃鐵礦單晶直徑越小[7-8]。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖黃鐵礦含量平均值分別為31.48%和47.84%，且中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖中的黃鐵礦單晶直徑更小，亮度更大(圖9g，h)，表明中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖的沉積環(huán)境還原性更強(qiáng)。

表4 松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)表

表5 研究區(qū)油頁(yè)巖顯微組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

東南隆起區(qū)油頁(yè)巖Tmax為437～446℃，平均值443℃， 中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖Tmax為442～453℃，平均值449℃，成熟度高于東南隆起區(qū)，由鄔立言等[9]的生油巖成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)(表6)可知，東南隆起區(qū)青一段油頁(yè)巖處于低成熟階段，中央坳陷區(qū)處于低成熟—成熟階段，這是由于中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖埋藏更深，有機(jī)質(zhì)熱演化程度更高，干酪根裂解所需的能量更大，因此Tmax值更大。

5 油頁(yè)巖礦體展布特征

研究區(qū)青一段油頁(yè)巖主要發(fā)育四層礦體，其中②、③號(hào)油頁(yè)巖分布最穩(wěn)定，礦層厚度大、連續(xù)性好，為低—中等品質(zhì)油頁(yè)巖；①號(hào)礦層厚度較小、連續(xù)性較好，為低品質(zhì)油頁(yè)巖；④號(hào)礦層厚度較小、連續(xù)性差，僅在JND1井、JFD4井識(shí)別出，為低品質(zhì)油頁(yè)巖(圖10)。

表6 生油巖各類有機(jī)質(zhì)不同成熟階段的Tmax[9]

東南隆起區(qū)油頁(yè)巖埋深整體小于中央坳陷區(qū)，油頁(yè)巖礦層累計(jì)厚度大于中央坳陷區(qū)。從東南隆起區(qū)向西進(jìn)入中央坳陷區(qū)，油頁(yè)巖埋深整體呈逐漸增大的趨勢(shì)， 油頁(yè)巖礦層的單層厚度和累計(jì)厚度整體呈逐漸減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)橹醒脎晗輩^(qū)青一段油頁(yè)巖部分已經(jīng)生烴和排烴，導(dǎo)致油頁(yè)巖含油率下降，進(jìn)而影響油頁(yè)巖礦層的厚度和連續(xù)性(表7)。

圖9 研究區(qū)油頁(yè)`巖顯微組分特征

圖10 研究區(qū)青一段東西向油頁(yè)巖礦層對(duì)比

表7 研究區(qū)油頁(yè)巖礦層數(shù)據(jù)

6 沉積環(huán)境

松遼盆地青山口組時(shí)期持續(xù)沉降，湖盆迅速擴(kuò)張，湖泊廣泛發(fā)育。由于半深湖-深湖環(huán)境中水動(dòng)力作用弱，有利于有機(jī)質(zhì)的富集和保存，是油頁(yè)巖發(fā)育的有利相帶[10]。

測(cè)試結(jié)果表明(表5)，中央坳陷區(qū)黃鐵礦含量明顯多于東南隆起區(qū)，且中央坳陷區(qū)的草莓狀黃鐵礦顆粒直徑更小，亮度更大(圖9g，h)，表明中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖沉積環(huán)境還原性比東南隆起區(qū)更強(qiáng)。

松遼盆地青山口組共識(shí)別出3個(gè)層序，其中青一段為層序Ⅰ，發(fā)育水進(jìn)體系域(TST)、高水位體系域(HST)和水退體系域(RST)。在層序Ⅰ末期，隨著水體變淺，泥巖的顏色也逐漸變淺， 層序Ⅱ開始出現(xiàn)灰綠色和綠灰色泥巖。由圖11可知，水進(jìn)體系域時(shí)期，東南隆起區(qū)主要為淺湖環(huán)境，發(fā)育灘壩，而中央坳陷區(qū)主要為半深湖-深湖環(huán)境；高水位體系域時(shí)期，松遼盆地整體為半深湖-深湖環(huán)境，暗色泥巖厚度由東往西逐漸增大；進(jìn)入水退體系域后，整個(gè)盆地開始逐漸過(guò)渡為淺湖環(huán)境。

表8 東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖分布規(guī)律對(duì)比

圖11 松遼盆地東南隆起區(qū)-中央坳陷區(qū)青一段層序-沉積連井?dāng)嗝鎴D

7 生物標(biāo)志化合物特征

7.1 飽和烴

正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布特征通常指示有機(jī)母質(zhì)輸入的差異[11-12]。正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布特征可指示有機(jī)母質(zhì)輸入的差異[13]。東南隆起區(qū)油頁(yè)巖正構(gòu)烷烴主要為中鏈(n-C21-25)，指示水生植物的有機(jī)質(zhì)輸入，中央坳陷區(qū)主要為短鏈(n-C15-20)，指示菌藻類水生生物的有機(jī)質(zhì)輸入。

碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)(CPI)反映奇、偶碳數(shù)正構(gòu)烷烴的相對(duì)豐度[14-15]，可作為一種反映有機(jī)質(zhì)成熟度的指標(biāo)。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖CPI平均值分別為1.25和1.13(表9)，中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖正構(gòu)烷烴的奇碳數(shù)優(yōu)勢(shì)相對(duì)較小，表明中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖成熟度相對(duì)較高。

Pr/Ph<1通常指示缺氧環(huán)境，Pr/Ph>3通常指示含氧環(huán)境，Pr/Ph介于1～3通常指示貧氧環(huán)境[11]，Pr/Ph可能受到成熟度的影響[16]。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖的Pr/Ph平均值分別為0.81和1.17，表明東南隆起區(qū)油頁(yè)巖沉積水體為缺氧環(huán)境，中央坳陷區(qū)為貧氧環(huán)境，反映中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖沉積水體還原性更強(qiáng)。但是，由Pr/n-C17與Ph/n-C18交會(huì)圖[17]可知， 中央坳陷區(qū)比東南隆起區(qū)水體的還原性更強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)成熟度更高，而且結(jié)合巖心觀察和前人成果也可知，中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖沉積時(shí)水體更深，還原性更強(qiáng)。出現(xiàn)這種矛盾的原因可能是中央坳陷區(qū)發(fā)育較多重力流，攜帶著氧氣進(jìn)入湖盆底部，導(dǎo)致中央坳陷區(qū)部分油頁(yè)巖的Pr/Ph受到影響，且中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖成熟度相對(duì)更高，也可能會(huì)影響Pr/Ph。因此，整體來(lái)說(shuō)中央坳陷區(qū)青一段油頁(yè)巖沉積水體還原性比東南隆起區(qū)更強(qiáng)一些。

表9 松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖藿烷-甾烷-飽和烴參數(shù)

圖12 研究區(qū)Pr/n-C17與Ph/n-C18交會(huì)圖(據(jù)參考文獻(xiàn)17修改)

7.2 甾烷

甾類化合物與藿類化合物的相對(duì)含量可以反映藻類和高等植物對(duì)源巖的貢獻(xiàn)。東南隆起區(qū)油頁(yè)巖的甾類/藿類比值0.94，高于中央坳陷區(qū)的0.22(表9)，表明東南隆起區(qū)油頁(yè)巖中的湖生藻類體的優(yōu)勢(shì)相對(duì)更高。

規(guī)則甾烷C27-C29之間的含量關(guān)系可以用來(lái)判斷有機(jī)質(zhì)的輸入類型，高含量的規(guī)則甾烷C27表明有機(jī)質(zhì)中藻類占優(yōu)勢(shì)，高含量的規(guī)則甾烷C29表明陸源植物輸入含量高[18-20](圖13)。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖的C27/C29比值分別為1.00和0.97，表明東南隆起區(qū)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)中藻類略有優(yōu)勢(shì)。

7.3 藿烷

東南隆起區(qū)油頁(yè)巖C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值為0.46，中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值為0.53(表9)，結(jié)合研究區(qū)油頁(yè)巖Tmax，表明東南隆起區(qū)油頁(yè)巖處于低成熟的熱演化階段，中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖處于低成熟-成熟階段。

圖13 松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖藿烷-甾烷-飽和烴質(zhì)譜圖

7.4 伽馬蠟烷

伽馬蠟烷一般被認(rèn)為是高鹽度指標(biāo)，可以指示沉積時(shí)水體的鹽度分層[21]。東南隆起區(qū)油頁(yè)巖的伽馬蠟烷指數(shù)很高，平均值為0.40，表明東南隆起區(qū)油頁(yè)巖沉積時(shí)的水體鹽度相對(duì)較高；中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖的伽馬蠟烷指數(shù)平均值為0.27，表明中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖沉積時(shí)的水體鹽度相對(duì)較低。

8 結(jié)論

1)研究區(qū)青一段油頁(yè)巖為高灰分、低硫、中等-低品質(zhì)油頁(yè)巖，且含油率與有機(jī)碳含量、揮發(fā)分具有明顯的正相關(guān)性，與灰分、水分具有明顯的負(fù)相關(guān)性。

2)研究區(qū)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型干酪根，其次為Ⅱ型干酪根，有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要為湖泊中的藻類體，其中東南隆起區(qū)油頁(yè)巖陸源有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)碳含量和生烴潛力相對(duì)較高；東南隆起區(qū)向西進(jìn)入中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖Tmax平均值由443℃逐漸升高為449℃，中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度相對(duì)更高。

3)東南隆起區(qū)油頁(yè)巖比中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖埋深較淺，油頁(yè)巖單層厚度和累積厚度更大，研究區(qū)油頁(yè)巖均發(fā)育在深湖-半深湖的靜水環(huán)境，其中中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖中草莓狀黃鐵礦含量相對(duì)較多，水體還原性相對(duì)較強(qiáng)。

4)東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖的碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)(CPI)平均值分別為1.25和1.13，表明中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖的奇碳數(shù)優(yōu)勢(shì)相對(duì)較小，成熟度相對(duì)較高；Pr/n-C17與Ph/n-C18交會(huì)圖表明中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖沉積水體的還原性比東南隆起區(qū)更強(qiáng)；甾類/藿類比值分別為0.94和0.22，C27/C29比值分別為1.00和0.97，表明東南隆起區(qū)油頁(yè)巖的湖生藻類體的優(yōu)勢(shì)相對(duì)更高；C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值分別為0.46和0.53，表明東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁(yè)巖分別處于低成熟階段和低成熟—成熟階段；伽馬蠟烷指數(shù)平均值分別為0.40和0.27，表明東南隆起區(qū)油頁(yè)巖沉積時(shí)的水體鹽度相對(duì)較高。