柴北緣魚卡地區(qū)中侏羅統(tǒng)石門溝組含煤層段沉積有機(jī)相分析

白悅悅, 呂慶田, 劉招君, Simon C GEORGE, 孫平昌,孟慶濤, 謝文泉, 宋青磊, 王君賢, 徐 川

1)中國地質(zhì)調(diào)查局中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心, 北京 100037; 2)吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 吉林長春 130061;3)麥考瑞大學(xué)地球與行星科學(xué)系, 澳大利亞悉尼 2109; 4)中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南長沙 410083

有機(jī)相是評價(jià)油氣源巖和源區(qū)的有力手段, 最早是由Jones(1987)明確提出, 它是從成因上認(rèn)識烴源巖特征和展布的有效手段, 已廣泛應(yīng)用于源巖的巖石學(xué)特征、烴源巖評價(jià)、有機(jī)質(zhì)聚集和保存以及古沉積環(huán)境和古地理等方面(Boreham et al., 1994;Fowler et al., 2004; Ercegovac and Kosti?, 2006;Lewan et al., 2006)。一些學(xué)者研究的過程中意識到沉積環(huán)境對有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)影響較為重要, 因而將有機(jī)相的概念擴(kuò)大為沉積有機(jī)相(程頂勝, 1996; 姜文亞和柳颯, 2015)。細(xì)粒沉積巖是指由細(xì)粒物質(zhì)(顆粒粒度級別小于62 μm)所組成的巖石, 細(xì)粒物質(zhì)主要包括黏土礦物、碳酸鹽、生物碎屑及有機(jī)質(zhì)等(Aplin and Macquaker, 2011; 姜在興等, 2013)。由于細(xì)粒沉積巖是非常規(guī)油氣如油頁巖、頁巖油、頁巖氣和煤層氣等能源資源的源巖, 因而細(xì)粒沉積巖的研究仍具有很重要的意義。

柴達(dá)木盆地北緣中侏羅統(tǒng)石門溝組為富有機(jī)質(zhì)層, 含有豐富的煤炭及常規(guī)和非常規(guī)油氣資源,國內(nèi)外學(xué)者對其內(nèi)優(yōu)質(zhì)烴源巖的地球化學(xué)評價(jià)、沉積特征、巖石學(xué)特征以及豐富的煤炭、頁巖氣和頁巖油等資源已經(jīng)進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究(陳迎賓和張壽庭, 2011; Cao et al., 2012; Zhang and Paul,2012; Li et al., 2014)。關(guān)于中侏羅統(tǒng)烴源巖沉積有機(jī)相的研究已經(jīng)取得了一定的成果, 彭立才等(2001)將柴達(dá)木盆地侏羅系烴源巖劃分為了高位泥炭沼澤有機(jī)相、森林泥炭沼澤有機(jī)相、濱淺湖有機(jī)相及半深湖-深湖有機(jī)相四種類型; 而劉云田等(2008)則結(jié)合烴源巖生烴顯微組分及有機(jī)質(zhì)的賦存特征和豐度等也對柴北緣侏羅系烴源巖進(jìn)行了有機(jī)相類型的劃分。

中侏羅統(tǒng)石門溝組是油頁巖和煤層的賦存層位,前人對沉積有機(jī)相的研究主要集中在石門溝組上部頁巖段半深湖-深湖相的含油頁巖層及下部含煤段湖沼環(huán)境中的煤層中, 而忽視了含煤段中也存在油頁巖這一情況(李猛, 2014; Meng et al., 2018, 2019; Bai et al., 2020)。本文通過野外露頭、室內(nèi)巖心觀察、含油率測試及工業(yè)分析灰分產(chǎn)率測定等綜合方法識別出石門溝組含煤段的油頁巖, 并結(jié)合地球化學(xué)測試分析對含煤段油頁巖和非油頁巖細(xì)粒沉積物進(jìn)行沉積有機(jī)相類型的劃分, 并對不同類型沉積有機(jī)相特征進(jìn)行分析, 最終探討不同類型沉積有機(jī)相的差異性及湖沼環(huán)境中油頁巖和煤形成的控制因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

魚卡地區(qū)位于柴達(dá)木盆地北緣中部, 柴北緣魚卡—紅山斷陷二級構(gòu)造單元內(nèi), 柴達(dá)木盆地北側(cè)和東側(cè)為達(dá)肯大坂山, 南側(cè)為綠梁山, 為一呈北西向展布的狹長盆地(馬新民等, 2013; 李猛, 2014)(圖1)。魚卡煤田侏羅系地層由上侏羅統(tǒng)紅水溝組和采石嶺組及中侏羅統(tǒng)石門溝組和大煤溝組組成, 下侏羅統(tǒng)在魚卡煤田缺失。中侏羅統(tǒng)石門溝組可以分為兩個(gè)巖性段, 分別為下部的含煤段和上部的頁巖段。上部頁巖段地層厚度為36.34～48.91 m, 主要由深灰色頁巖、粉砂質(zhì)泥巖夾灰褐色、棕褐色油頁巖等組成。油頁巖頁理極其發(fā)育, 局部可見大量的碳酸鹽薄層、菱鐵礦結(jié)核及介形類和瓣鰓類化石, 為典型的淺湖-深湖相沉積。含煤段地層厚度為82.65～138.44 m, 主要是由灰色、灰黑色粉砂巖、泥巖、油頁巖及灰白色含礫粗砂巖等組成, 含有多層煤層, 煤層多為黑色、中-寬條帶狀結(jié)構(gòu), 半暗-半亮型, 多數(shù)煤層可見瀝青光澤, 階梯狀斷口及貝殼狀斷口, 多數(shù)煤層裂隙中充填有黃鐵礦, 含煤段地層為典型的三角洲前緣及濱湖沼澤相沉積(劉云田等,2008; 馬新民等, 2013; 李猛, 2014)。

圖1 魚卡地區(qū)地質(zhì)圖Fig. 1 Geological map of Yuqia area

2 樣品采集與分析方法

本次研究共對魚卡地區(qū)YYY1 井含煤段56 個(gè)樣品(圖2)進(jìn)行了總有機(jī)碳(TOC)含量、巖石熱解、含油率、工業(yè)分析(包括水分、灰分、揮發(fā)分及發(fā)熱量)、生物標(biāo)志化合物、X 衍射以及微量元素等分析測試工作。

圖2 柴北緣魚卡地區(qū)中侏羅統(tǒng)魚油頁1 井石門溝組含煤段樣品位置分布Fig. 2 Distribution of samples of borehole YYY1 of the coal-bearing Member of Middle Jurassic Shimengou Formation of Yuqia Area

其中總有機(jī)碳(TOC)含量、巖石熱解、含油率及工業(yè)分析(包括水分、灰分、揮發(fā)分及發(fā)熱量)均是在吉林省油頁巖及共生能源礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。其中TOC 含量是在LECO CS-230 儀器中依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19145—2003 進(jìn)行測試的; 巖石熱解則是在Rock-Eval 6 儀器中根據(jù)Behar et al.(2001)提出的方法進(jìn)行測試; 含油率則是依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0508—92 在低溫干餾爐中進(jìn)行; 灰分、水分和揮發(fā)分是在馬弗爐 Xl-2000 中依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB212—2008 進(jìn)行測試; 而發(fā)熱量則是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T213—2008 在DC5015 量熱儀中進(jìn)行的。

此外, 生物標(biāo)志化合物分析是在澳大利亞麥考瑞大學(xué)有機(jī)地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室依據(jù)Ahmed and George(2004) 提出的方法完成的; X 衍射和微量元素分析均是在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院進(jìn)行的, 其中X 衍射通 過 Panalytical X’Pert PRO X 衍 射 儀 依 據(jù)SY/T 6201—2010 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析的, 而微量元素則是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14506.30—2010, 通過儀器NexION300D 等離子體質(zhì)譜儀完成的。

3 結(jié)果與討論

3.1 含油率及工業(yè)分析區(qū)分油頁巖和煤

煤和油頁巖均屬于富有機(jī)質(zhì)沉積巖, 其中油頁巖是含油率大于3.5%的高灰分固體可燃有機(jī)沉積巖, 區(qū)分煤和油頁巖最直接有效的方法是通過灰分產(chǎn)率, 含油率大于3.5wt.%且灰分大于40%的為油頁巖, 而含油率大于3.5wt.%但灰分小于40%的則為煤(劉招君等, 2009)。本區(qū)含煤段湖沼沉積相中發(fā)現(xiàn)了一些含油率大于3.5wt.%的黑色富有機(jī)質(zhì)沉積巖,通過對其進(jìn)行工業(yè)分析, 發(fā)現(xiàn)部分為煤, 部分為油頁巖, 其中湖沼油頁巖的含油率和灰分平均值分別為6.6wt.%和65.47%, 煤的含油率和灰分平均值分別為8.1wt.%和32.42%, 相比之下, 煤具有更高的含油率。此外, 從平均含量來看, 煤較油頁巖也具有更高的水分、揮發(fā)分以及發(fā)熱量值(表1)。

表1 油頁巖和煤工業(yè)分析參數(shù)特征Table 1 Industrial analysis parameters of oil shale and coal

3.2 沉積有機(jī)相類型的劃分

沉積環(huán)境分析是沉積有機(jī)相劃分的基礎(chǔ), 針對本區(qū)沉積相特征, 前人已經(jīng)進(jìn)行了精細(xì)的研究, 通過巖性組合、泥巖顏色、沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、含有物及接觸關(guān)系等特征, 結(jié)合顯微鏡下薄片鑒定、粒度分析和地球物理測井資料分析, 發(fā)現(xiàn)了魚卡地區(qū)石門溝組含煤段主要發(fā)育三角洲和湖泊沉積相, 并進(jìn)一步識別出了三角洲平原、三角洲前緣、淺湖和湖沼四種亞相, 并對其沉積組合和發(fā)育的微相特征進(jìn)行了細(xì)致的描述(李猛, 2014; 白悅悅等, 2020)。其中富有機(jī)質(zhì)沉積巖主要分布于三角洲平原的水上分流河道間、三角洲前緣的水下分流河道間、泥質(zhì)淺湖以及湖沼亞相中, 三角洲平原水上分流河道間的細(xì)粒沉積巖主要為紫紅色及灰色泥巖和黑色碳質(zhì)泥巖、三角洲前緣的水下分流河道間和泥質(zhì)淺湖均為灰綠色及灰色泥巖, 而湖沼亞相中則為灰色泥巖、黑色煤、碳質(zhì)泥巖及黑色油頁巖(王君賢等, 2017;Meng et al., 2018; 白悅悅等, 2020)。值的說明的是,前人對本區(qū)研究也發(fā)現(xiàn)在三角洲平原河道間沼澤中也發(fā)現(xiàn)了大量的煤層(李猛, 2014), 但本文的取樣分析工作主要是針對魚油頁1 井中巖心進(jìn)行的, 在詳細(xì)的觀察描述中, 在本口井的河道間沼澤中未發(fā)現(xiàn)大量的煤層, 因而本文中的煤層主要是針對湖沼環(huán)境中發(fā)育的煤層。根據(jù)各種細(xì)粒沉積巖所在的沉積環(huán)境的不同, 對其進(jìn)行有機(jī)相類型劃分, 由于三角洲前緣和淺湖細(xì)粒沉積巖的相似性, 將二者合并為一種沉積有機(jī)相類型B, 三角洲平原沉積物整體劃分為沉積有機(jī)相類型A, 湖沼沉積物整體劃分為沉積有機(jī)相類型C, 由于在其內(nèi)存在油頁巖, 根據(jù)研究需要, 劃分出兩種亞相, 一種為湖沼非油頁巖亞相(C1), 另一種為湖沼油頁巖亞相C2(表2)。

3.3 總有機(jī)碳及巖石熱解參數(shù)特征

總有機(jī)碳TOC及巖石熱解參數(shù)S1+S2常被用來評價(jià)有機(jī)質(zhì)特征(Peters, 1986; Rahman et al., 1994)。根據(jù)我國陸相生油巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 當(dāng)TOC值大于1.0wt.%、S1+S2大于6.0 mg/g的時(shí)候?yàn)楹玫燃壍纳蛶r。不同沉積有機(jī)相類型的TOC和S1+S2數(shù)值特征(表2)表明, 類型A及類型C2沉積物均屬于極好的生油巖, 而沉積有機(jī)相B和C1細(xì)粒沉積物則屬于相當(dāng)好-極好的生油巖。HI-Tmax交會圖、S2-TOC交會圖及HI-OI交匯圖可用來判斷沉積有機(jī)質(zhì)類型(Espitalié et al., 1984; Langford and Blanc-Valleron,1990; Mukhopadhyay et al., 1995), 結(jié)果表明(圖3),沉積有機(jī)相A、B及C1的沉積物有機(jī)質(zhì)類型均為II2-III型, 其HI值分別為130～255 mg HC/g TOC,33～266 mg HC/g TOC和45～235 mg HC/g TOC, 而沉積有機(jī)相C2的沉積物有機(jī)質(zhì)類型主要為II2型, 其HI值為189～255 mg HC/g TOC。熱解參數(shù)Tmax常被用來評價(jià)沉積巖的有機(jī)質(zhì)成熟度, 當(dāng)Tmax小于435℃時(shí),有機(jī)質(zhì)處于未成熟階段,Tmax為435～440℃時(shí)為低成熟(Peter et al., 2005), 但是Tmax值用來反映成熟度時(shí),其有機(jī)質(zhì)類型為II 型和III 型結(jié)果更為可靠(Sachsenhofer et al., 2009)。上述分析可知本區(qū)沉積物總體類型屬于II-III型, 因此Tmax可以很好地反映本區(qū)的成熟度。由于含煤段總厚不過150 m, 有機(jī)成熟度垂向變化幅度有限, 因而整體處于未成熟-低成熟階段(表2)。

圖3 不同沉積有機(jī)相有機(jī)質(zhì)類型圖解Fig. 3 Diagrams of organic matter types of different sedimentary organic facies

表2 不同沉積有機(jī)相類型有機(jī)質(zhì)豐度及熱解參數(shù)值Table 2 TOC and rock-eval parameters of different sedimentary organic faices

3.4 X 衍射結(jié)果

各種沉積有機(jī)相類型中, 礦物組成及含量具有一定的差異(表3), 其中類型A沉積物礦物中黏土礦物為主, 其次為陸源碎屑石英; 類型B沉積物中仍以黏土礦物和陸源碎屑石英為主, 但與類型A不同的是, 多數(shù)沉積物中含有菱鐵礦, 部分含有黃鐵礦和方解石; 類型C1沉積物中主要為黏土礦物和陸源碎屑石英, 而類型C2沉積物中除了含有大量的黏土礦物和石英外, 還檢測出大量的方解石和黃鐵礦。

表3 X-射線衍射結(jié)果Table 3 X-ray diffraction results

3.5 微量元素特征

微量元素Ni和V可以反映沉積環(huán)境的氧化還原條件, V/(V+Ni)比值＜0.46代表富氧環(huán)境, 0.46～0.6之間表示貧氧的沉積環(huán)境, V/(V+Ni)比值＞0.6表示缺氧環(huán)境(Mongenot et al., 1996; 徐進(jìn)軍, 2015)。Wignall and Mayers(1988) 提出了用自生鈾來反映氧化還原性, Uau=(total U)+Th/3, 而δU=2U/Uau, 當(dāng)δU＞1時(shí)指示缺氧環(huán)境(吳朝東等, 1999; Steiner et al.,2001)。此外, Sr/Ba比值變化可以反應(yīng)水體鹽度的變化, 比值越高水體鹽度越高, 通常認(rèn)為Sr/Ba比值小于0.5為偏淡水環(huán)境, 而大于1為海相沉積, 當(dāng)Sr/Ba比值介于0.5～1為半咸水相沉積(鄧宏文和錢凱, 1993;Cao et al., 2012)。

本區(qū)沉積有機(jī)相類型A的V/(V+Ni)值為0.69,類型B為0.46～0.88(平均0.76), 而類型C1和C2分別為0.65～0.82(平均0.75)和0.71, 而類型A和B的δU分別為1.03和0.80～1.33(平均0.96), C1和C2分別為0.81～1.47(平均0.97)和1.33。綜合表明類型A及C2沉積物均形成于缺氧環(huán)境中, 而類型B和C1沉積物則均沉積于貧氧-缺氧的環(huán)境中。沉積有機(jī)相類型A和B的Sr/Ba分別為0.23和0.14～0.57(平均0.25), 類型C1和C2分別為0.13～0.94(平均0.35)和0.51, 綜合表明沉積有機(jī)相類型A細(xì)粒沉積物沉積于淡水環(huán)境中,而類型B、C1和C2沉積物均沉積于淡水-半咸水環(huán)境中, 相比之下, 類型B較A、C2較C1沉積水體鹽度均較大。

3.6 生物標(biāo)記化合物特征

生物標(biāo)記化合物是最初來自于生物體的, 與其母體的分子結(jié)構(gòu)相差無幾的有機(jī)化合物, 能夠很好且準(zhǔn)確地提供巖石和沉積物的成因信息, 因此用來判定生物有機(jī)質(zhì)的生源信息最為可靠(鄧宏文和錢凱, 1993; Sachsenhofer et al., 2009)。本次研究主要對正構(gòu)烷烴、類異戊二烯烴、甾類、霍烷等化合物進(jìn)行了識別和相對含量計(jì)算, 以研究不同沉積有機(jī)相類型樣品的有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)來源和沉積水體保存條件等。

3.6.1 有機(jī)質(zhì)成熟度

生物標(biāo)志化合中多種參數(shù)均可以指示有機(jī)質(zhì)成熟度, 其中Ts/(Ts+Tm)是指示成熟度的有效指標(biāo),其值小于0.5時(shí), 指示有機(jī)質(zhì)未成熟; 碳優(yōu)勢指數(shù)CPI高于1.0(奇碳優(yōu)勢)時(shí)表示有機(jī)質(zhì)未成熟且其值隨成熟度的增加而減弱; C31升霍烷的異構(gòu)體參數(shù)C31homohopane 22S(22S+22R)也可以很好地反映成熟度, 隨著熱演化程度越高, 值越高。由于CPI值易受有機(jī)質(zhì)來源的影響, 因本文主要用其來反映沉積物的相對成熟度(Peters et al., 2005)。Ts/(Ts+Tm)值表明本區(qū)四種類型的沉積物有機(jī)質(zhì)多數(shù)位于未成熟階段(表4)。

3.6.2 有機(jī)質(zhì)類型及來源

正構(gòu)烷烴以及甾類化合物的相對含量可以用來反映有機(jī)質(zhì)類型及來源。其中正構(gòu)烷烴C15-C19指示湖泊低等水生生物如藻類和微生物來源,C27-C31則指示陸源高等植物來源, 而C21-C25正構(gòu)烷烴指示大型水生植物或泥炭蘚等混合來源(Peters et al., 2005)。C27-C28-C29規(guī)則甾烷也是有機(jī)質(zhì)來源的特征對比指標(biāo), C27規(guī)則甾烷指示細(xì)菌和藻類等湖泊水生生物來源, C29規(guī)則甾烷指示陸源高等植物來源, 而C28規(guī)則甾烷則指示水生生物和陸源高等植物混合來源(Peters et al., 2005)。綜合結(jié)果分析,沉積有機(jī)相類型A、B和C1沉積物的C21-C25正構(gòu)烷烴(平均值分別為0.50, 0.44和0.41)及C29規(guī)則甾烷(平均值分別為0.88, 0.59和0.57)含量均最高, 表明其均以陸源和混合來源兩種有機(jī)質(zhì)來源為主, 類型C2沉積物則是以混合有機(jī)質(zhì)來源為主(C21-C25正構(gòu)烷烴為0.49, C28規(guī)則甾烷含量為0.54)。比較而言,類型B較類型A, 類型C1較類型C2, 其陸源有機(jī)質(zhì)來源均更占優(yōu)勢(表4)。

3.6.3 有機(jī)質(zhì)保存條件

生物標(biāo)志化合物中類異戊二烯烴類姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)的比值是很好的氧化還原指示劑。當(dāng)Pr/Ph的比值大于2.0時(shí)指示有機(jī)質(zhì)形成于氧化-次氧化環(huán)境, 比值為1.0～2.0時(shí)指示弱氧化-弱還原環(huán)境,而比值小于0.8時(shí)候則指示缺氧的還原環(huán)境(Peters et al., 2005), 由于不同區(qū)域沉積物都具有其獨(dú)特性,此范圍值并不是固定的, 通常用Pr/Ph的來反映氧化還原性的相對變化。此外C27重排甾烷/C27規(guī)則甾烷以及19+20/23三環(huán)萜烷其低值均可以指示缺氧環(huán)境,而高值則均指示氧化環(huán)境(Peters et al., 2005)。C27重排甾烷/C27 規(guī)則甾烷相對值( 表4) 結(jié)合Pr/Ph-V/Ni(圖4a)及19+20/23 Tric-V/Ni交匯圖(圖4b)綜合可知沉積有機(jī)相類型B較類型A, 類型C2較類型C1, 其沉積物均形成于更為還原的水體環(huán)境中。

圖4 不同沉積有機(jī)相氧化還原性變化趨勢Fig. 4 The trend of oxidation reduction of different sedimentary organic facies

此外, 生物標(biāo)志化合物中伽馬蠟烷的出現(xiàn)是高鹽度的指示, 且伽馬蠟烷與C30 霍烷的比值(gammacerane/C30 hopane)可以用來指示鹽度的高低, 比值越高, 鹽度越高(鄧宏文和錢凱, 1993;Grice et al., 1998)。Sr/Ba與伽馬蠟烷/C30霍烷交匯圖(圖5, 表4)顯示類型B較A, 類型C2較C1, 其沉積物水體鹽度更高。

圖5 不同沉積有機(jī)相鹽度變化趨勢Fig. 5 Salinity variation trend of different sedimentary organic facies

表4 生物標(biāo)志化合物參數(shù)特征Table 4 Characteristics of biomarker compounds

3.7 沉積有機(jī)相類型特征

3.7.1 沉積有機(jī)相A 與B

從TOC與熱解參數(shù)S2交匯圖可以看出(圖3), 有機(jī)相類型A沉積物TOC與S2值幾乎呈直線分布, 表明其有機(jī)質(zhì)來源基本一致, 但類型B部分樣品處于直線之外, 表明類型B沉積物有機(jī)質(zhì)富集受其他因素控制。

此外, 巖石熱解參數(shù)Tmax值為熱解S2峰值溫度,為熱解生烴速率最大時(shí)的溫度, 可以用來評價(jià)成熟度(Peters et al., 2005), 但是Tmax值用來反映成熟度時(shí), 其有機(jī)質(zhì)類型為II 型和III 型結(jié)果更為可靠(Sachsenhofer et al., 2009), 正好可以很好的用來反映本文沉積物的有機(jī)質(zhì)成熟度。此外,Tmax值還與礦物類型及沉積保存條件均有關(guān)(Sachsenhofer et al.,2009; Gao et al., 2019)。類型A沉積物的Tmax值與OI值無相關(guān)性(圖6a), 而類型B沉積物的Tmax值整體隨著OI值的增高而增高, 但是并無正相關(guān)性, 這里說明, 類型A和類型B沉積物Tmax值的差異變化受沉積保存條件中氧化還原性的影響。

熱解參數(shù)HI不僅可以指示沉積物的干酪根有機(jī)質(zhì)類型, 還可以反映湖泊水體的貧氧或者充氧程度方面的保存能力, 一般情況下, 高HI值代表較好的還原保存條件, 而較低的HI值則反映相對氧化的較差的保存條件(張平中等, 1995)。前述研究知, 沉積有機(jī)相A和B沉積物有機(jī)質(zhì)類型均為II2-III型, 且類型A沉積物的TOC值隨HI值的增加而增加(圖6b),表明類型A沉積物的有機(jī)質(zhì)富集程度與有機(jī)質(zhì)類型(有機(jī)質(zhì)來源)及保存條件有關(guān)。而類型B沉積物的HI值小于200 mg/g TOC時(shí), TOC含量隨HI值的增加而增加, 而當(dāng)HI值大于200 mg/g TOC時(shí), TOC值的變化則與HI值無關(guān), 這種結(jié)果表明, 類型B的有機(jī)質(zhì)富集不僅與有機(jī)質(zhì)類型(有機(jī)質(zhì)來源)及保存條件都有關(guān), 而且還受其他因素影響。

圖6 不同沉積有機(jī)相有機(jī)質(zhì)豐度隨著OI 及HI 的變化趨勢Fig. 6 Variation trend of TOC versus OI and HI of different sedimentary organic facies

黏土礦物對有機(jī)質(zhì)的影響也不容忽視, 由于黏土礦物是除有機(jī)質(zhì)之外泥質(zhì)烴源巖的主要組成部分,二者相互共存(蔡進(jìn)功等, 2009), 而且黏土礦物還具有很好的有機(jī)質(zhì)吸附性能(盧龍飛等, 2013), 一般蒙皂石吸附能力最好, 其次為伊利石和綠泥石, 高嶺石吸附能力最弱(蔡進(jìn)功等, 2009)。TOC與礦物相關(guān)性圖解表明, 類型A和類型B沉積物與陸源碎屑礦物均無相關(guān)性或負(fù)相關(guān)性(圖7a), 類型B沉積物的有機(jī)質(zhì)豐度與黏土礦物具有較好的相關(guān)性(相關(guān)性系數(shù)為0.76)(圖7b), 表明黏土礦物對其較好的吸附性,導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)富集。而且從X衍射結(jié)果知, 類型A黏土礦物中以吸附性最差的高嶺石為主, 而類型B中伊利石具有較高的含量(表3), 從這一方面也可以看出類型B對有機(jī)質(zhì)的吸附性好于類型A, 黏土礦物造成的對有機(jī)質(zhì)吸附能力的差異也是類型A和B有機(jī)質(zhì)富集程度差異性的一個(gè)主導(dǎo)因素。

圖7 不同沉積有機(jī)相礦物對有機(jī)質(zhì)富集的影響Fig. 7 The influence of TOC versus minerals of different sedimentary organic facies

有機(jī)質(zhì)的富集程度不僅與有機(jī)質(zhì)的含量有關(guān),還與其性質(zhì)有關(guān), 前者主要與有機(jī)質(zhì)及無機(jī)礦物的輸入平衡有關(guān), 而后者則主要受控于湖泊自身生產(chǎn)的有機(jī)質(zhì)與陸源有機(jī)質(zhì)的輸入平衡(Katz, 2003;Kelts, 2015)。沉積有機(jī)相A主要形成于三角洲平原的沉積環(huán)境中, 而沉積有機(jī)相B沉積物則主要形成于淺湖-三角洲前緣沉積環(huán)境中, 二者相比, 類型A沉積環(huán)境離岸距離較近, 受波浪和湖流影響較大,環(huán)境中的一些植物、魚骨及介殼等碎屑可以為有機(jī)相A中細(xì)粒沉積物提供有機(jī)質(zhì)來源, 同時(shí)陸源碎屑礦物及外源元素輸入仍對其有機(jī)質(zhì)富集具有一定的稀釋作用。而沉積有機(jī)相B沉積物始終處于水下, 但是仍然會遭受波浪和湖流的影響, 而且此處水體循環(huán)良好, 透光性較好, 氧氣充足, 適合于各種生物生長, 因此, 生物的作用可能會對有機(jī)質(zhì)的富集造成一定程度的破壞作用。此外, 三角洲前緣較三角洲平原沉積速率要大(鄧宏文和錢凱, 1993), 有機(jī)質(zhì)更易于受到陸源碎屑的稀釋, 這些也可能是其部分細(xì)粒沉積中低有機(jī)質(zhì)豐度的原因之一。雖然如此,前述分析知, 類型B細(xì)粒沉積巖較類型A沉積于更加還原且鹽度更大的沉積水體中, 這個(gè)較好的水體環(huán)境可以促進(jìn)其沉積有機(jī)質(zhì)的富集。

3.7.2 沉積有機(jī)相C1 與C2

類型C1和類型C2的TOC和S2均呈近似線型分布, 個(gè)別樣品分布在直線之外, 表明C1和C2沉積物的有機(jī)質(zhì)豐度不僅受有機(jī)質(zhì)類型和來源的控制,還受其他因素如有機(jī)質(zhì)保存條件及礦物等的影響。Tmax與OI(圖6a)交匯圖推測, 無論沉積有機(jī)相C1還是C2沉積物,Tmax與OI均無較好的相關(guān)性, C1沉積物整體的OI值要大于C2沉積物, 表明C1沉積物較C2沉積物形成于更加氧化的環(huán)境中, 而且Tmax的變化與氧化還原性無關(guān)。TOC與HI交匯圖(圖6b)表明,沉積有機(jī)相C1沉積物HI值小于200 mg HC/g TOC時(shí), 有機(jī)質(zhì)豐度隨著HI增加而增加, 此時(shí)的沉積物有機(jī)質(zhì)豐度主要受有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)來源及保存條件的控制, 而HI大于200 mg HC/g TOC的沉積物有機(jī)質(zhì)豐度隨HI的變化而變化不大, 表明這些沉積物的有機(jī)質(zhì)豐度不僅受到有機(jī)質(zhì)類型、來源及有機(jī)質(zhì)保存條件控制外, 還受到其他因素的控制。而沉積有機(jī)相C2沉積物的有機(jī)質(zhì)豐度的變化與HI無關(guān), 表明C2沉積物的有機(jī)質(zhì)富集也受到多方面因素的控制。

3.8 湖沼環(huán)境中煤和油頁巖的形成特征

沉積有機(jī)相C1和C2沉積物均形成湖沼環(huán)境中,前述分析知二者有相當(dāng)大的差別。沉積有機(jī)相C1沉積物主要為泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤, 有機(jī)質(zhì)類型為II2-III型, 有機(jī)質(zhì)來源以陸源高等植物為主, 沉積有機(jī)相C2沉積物也形成于湖沼環(huán)境中, 但沉積物主要為油頁巖, 有機(jī)質(zhì)類型為II2型, 以陸源來源占優(yōu)勢的混合來源為主。生物標(biāo)志化合物參數(shù)特征表明,沉積有機(jī)相C2沉積物較C1成熟度較高(表4)。而保存條件方面, 類型C2的細(xì)粒沉積物較C1形成于更加還原且鹽度更大的水體環(huán)境中。此外, 沉積有機(jī)相C1沉積物較C2陸源碎屑礦物含量及黏土礦物含量均較高(表3), 且C1中含有大量的伊蒙混層和伊利石等對有機(jī)質(zhì)具有吸附性的礦物, 雖然沉積物樣品數(shù)量較少, 無法進(jìn)行相關(guān)性預(yù)測, 但是根據(jù)樣品中其相對含量可以推測, 沉積有機(jī)相C1受到陸源碎屑礦物的影響較明顯, 從而導(dǎo)致一些較低有機(jī)質(zhì)豐度的樣品, 但是由于黏土礦物對沉積有機(jī)相C1部分樣品有機(jī)質(zhì)的吸附作用, 使得部分樣品具有較高含量的有機(jī)質(zhì)豐度。

沼澤成煤環(huán)境中油頁巖的形成在國內(nèi)外多有發(fā)現(xiàn), 如中國依蘭煤炭達(dá)連河礦區(qū)的油頁巖(劉志遜等,2013)、中國撫順第三紀(jì)煤層之上的油頁巖、法國圣希萊爾二疊系煤層之上的油頁巖(錢家麟等, 2008)及澳大利亞昆士蘭Lowmead盆地Makawata段沼澤不完全氧化環(huán)境中的油頁巖(Rahman et al., 1994)。湖沼環(huán)境一般是在湖泊環(huán)境垂直層序的頂部出現(xiàn),是湖泊淤淺并沼澤化形成的。其內(nèi)水源主要靠湖水補(bǔ)給, 水量充沛, 在陸源植物供給充足之處及良好的保存條件之處形成沉積有機(jī)相C1的煤層, 而湖泊來源豐富之處加之較好的保存條件及較少的陸源碎屑的稀釋之處形成沉積有機(jī)相C2沉積物油頁巖, 而在湖沼環(huán)境中其他條件中形成沉積有機(jī)相C1的其他沉積物(圖8)。

圖8 湖沼環(huán)境油頁巖有機(jī)質(zhì)富集模式Fig. 8 Oil shale enrichment model in the lake and swamp environment

4 結(jié)論

(1)柴達(dá)木盆地北緣魚卡地區(qū)中侏羅統(tǒng)石門溝組含煤段細(xì)粒沉積物可以劃分為A(三角洲平原沉積有機(jī)相)、B(三角洲前緣-淺湖沉積有機(jī)相)、C1(湖沼非油頁巖亞相)及C2(湖沼油頁巖亞相)四種沉積有機(jī)相類型; 其中類型C1沉積物中發(fā)育煤, 類型C2沉積物中發(fā)育油頁巖, 且煤較油頁巖具有更高的含油率、水分、揮發(fā)分以及發(fā)熱量值; 含煤段總厚不過150 m, 有機(jī)成熟度垂向變化幅度有限, 整體處于未成熟-低成熟階段。

(2)沉積有機(jī)相類型A、B及C1其沉積物有機(jī)質(zhì)類型均為II2-III型, 而類型C2沉積物有機(jī)質(zhì)類型主要為II2型; 類型A、B及C1其沉積物有機(jī)質(zhì)來源均以陸源和混合來源兩種有機(jī)質(zhì)來源為主, 而類型C2沉積物則是以混合有機(jī)質(zhì)來源為主。

(3)沉積有機(jī)相類型A沉積物主要形成于缺氧的淡水環(huán)境中, 類型B主要形成于貧氧-缺氧的淡水-半咸水環(huán)境中, 類型C1形成于貧氧-缺氧的淡水-半咸水環(huán)境中而類型C2則主要形成于缺氧的淡水-半咸水環(huán)境中。其中類型B較類型A, 類型C2較類型C1,其沉積物均形成于更為還原且鹽度更高的水體環(huán)境中。

(4)石門溝組含煤段為煤和油頁巖的發(fā)育層段,穩(wěn)定的沉積環(huán)境、豐富的湖泊有機(jī)質(zhì)來源、良好的保存條件及較少的陸源碎屑的稀釋共同促進(jìn)了類型C2中油頁巖的形成, 而豐富的陸源植物供給及良好的保存條件則促進(jìn)了類型C1中煤層的形成。

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(Nos. JKY202012 and YWFBC201801), and China Geological Survey (No. DD20189607).