西準噶爾額敏東緣晚泥盆世油頁巖的發(fā)現(xiàn)及沉積環(huán)境淺析

黃建國 陳廷方 劉歲海

(西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010)

中國油頁巖資源分布范圍廣泛，覆蓋了20個省和自治區(qū)、47個盆地，共80個油頁巖含礦區(qū)[1]。近年來，我國地質(zhì)科技工作者主要對中國西北部的準噶爾、民和、六盤山、索洪和鄂爾多斯等盆地中的油頁巖進行了勘查和研究[2-6]，認為生油時代主要為二疊紀、三疊紀、侏羅紀和白堊紀，單層油頁巖厚度為2～5 m，礦層累計厚度6～53 m，含油率一般為0.76%～16.30%，平均6.95%。

在額敏縣胡蘭恰希一帶開展礦產(chǎn)資源調(diào)查的過程中，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域出露油頁巖，分布較為廣泛，具有含油量高、單層厚度大、多層分布、走向延伸穩(wěn)定等特征。區(qū)域上成礦地質(zhì)條件良好，找礦潛力巨大，油頁巖賦存于上泥盆統(tǒng)塔克臺組(D3tk)(圖1，據(jù)1∶20萬區(qū)調(diào)資料及馬學平等[7]、縱瑞文等[8-9]修改)地層中(縱瑞文等[8]、王志宏等[10]新建地層單元)，主要(或全部)由海百合莖碎片堆積而成，沉積環(huán)境非常特殊。本文重點分析西準噶爾額敏東緣胡蘭恰希一帶優(yōu)質(zhì)油頁巖的礦床地質(zhì)及巖性層序變化特征，結(jié)合古生物層位化石時代，探討該區(qū)域油頁巖的特殊沉積環(huán)境及礦床成因，為該區(qū)域油頁巖的找礦、勘查提供參考。

圖1 西準噶爾額敏東緣胡蘭恰希一帶地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of the Hulanqiaxi area in eastern margin of Emin,West Junggar

1 區(qū)域地質(zhì)背景

近年來，縱瑞文等[8]和王志宏等[10]根據(jù)牙形刺、軟骨魚類及雙殼類等化石將和布克河組(C1hb)地層初步厘定為上泥盆統(tǒng)塔克臺組(D3tk)(為新建地層單位)，由于本文研究區(qū)與縱瑞文等[8]的研究區(qū)非常接近(相距約6.1 km)，故本文采用上泥盆統(tǒng)塔克臺組(D3tk)。根據(jù)地層出露位置(圖1)、地層厚度(839～1 320 m)、層序特征(含較多火山碎屑巖、角礫熔巖等)、標志層(未見上段典型的煤層或泥炭層)等特征，認為油頁巖的層位位于上泥盆統(tǒng)塔克臺組下段(D3tk1)中上部。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)位于額敏縣東北約65 km，中心地理坐標為84°32′E，46°42′N，賦礦構(gòu)造為一單斜地層(圖1，圖2(a)，圖2(f)，圖2(g))，南部受到胡蘭恰希壓扭性斷裂的控制(圖1)，北東部有大量華里西中期的二長花崗巖(ηγ42)呈巖基狀侵位，賦礦地層為塔克臺組下段(D3tk1)，主要巖性有生物碎屑灰?guī)r(圖2(c)、圖2(e))、砂巖、礫巖(圖2(d))、泥頁巖(含黑色油頁巖)、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)礫巖等。礦區(qū)北部的塔克臺組下段(D3tk1)不整合覆蓋于中志留統(tǒng)沙爾布爾組(S2s)之上，而礦區(qū)南部則與下伏的志留系謝米斯臺組(S1-4x)呈角度不整合接觸關(guān)系(圖1)，總厚度為 839～1 320 m。該套地層中含有極其豐富的海百合莖(圖2(b)、圖2(c))、腕足類(Schellwienellasp.，Cyrtospirifersp.，Tenticospirifersp.和Compositasp.)及珊瑚(Kassinellasp.)、腹足類、苔蘚蟲以及少量菊石等化石。區(qū)域內(nèi)目前發(fā)現(xiàn)有可采油頁巖礦層3層，走向延長大于5 km，單層厚度為9.77～17.90 m(圖3)，礦帶呈單斜產(chǎn)出，傾向170°～190°，傾角40°～50°。油頁巖層主要(或全部)由海百合莖碎片堆積而成(圖2(b)、圖2(c))，風化面呈淺灰、褐灰、褐黃色等，新鮮巖石呈深灰、灰黑色，薄層及極薄層狀，點燃有瀝青味，具油脂光澤，參差狀、貝殼狀斷口，比重較輕，硬度較低。主要成分為黏土類物質(zhì)，含少量石英及長石細小碎屑。經(jīng)中國石油大學(北京)測試分析，6件油頁巖樣品中含油率為13.4%～16.6%，水分4.38%～4.79%，半焦為 72.2%～76.5%，干餾氣為5.70%～6.78%，屬于高含油率油頁巖。

圖2 研究區(qū)油頁巖含礦巖系層序及典型巖性野外照片F(xiàn)ig.2 The field photos of strata sequence of ore-bearing rock series and the typical lithology of oil shale in the study area

3 油頁巖層層序特征

從圖3可以看出，含油頁巖巖系從底部到頂部巖性為礫巖→含礫砂巖→泥質(zhì)粉砂巖(油頁巖)→含礫砂巖→生物碎屑灰?guī)r。這一變化總體上表現(xiàn)為碎屑巖顆粒逐漸變小，由碎屑巖沉積過渡為碳酸鹽巖沉積，底部礫石礫徑普遍在10～20 cm左右，中部礫石礫徑一般為0.5～5.0 cm，上部含礫砂巖中礫石礫徑為0.5～2.0 cm，總體上礫石磨圓度較好，底部分選性較差，往上逐漸變好，說明礫石有一定距離的搬運。目前在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)三層規(guī)模較大的油頁巖礦層，單層厚度為9.77～17.90 m，礦層底板主要為含礫砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，頂板為砂巖或含粉砂質(zhì)泥頁巖。最厚礦層位于含礦巖系的中部，總體上3個礦層具有韻律旋回沉積的特征。研究區(qū)油頁巖含礦巖系沉積序列與北西約6.1 km的鄰區(qū)(中心地理坐標為N46°43′20″；E84°29′14″)相比，存在一定的差異之處。如缺少塔克臺組實測地層剖面(TP23)(縱瑞文等[8])表1中列出的第9層，該層為淺灰、灰褐色流紋巖，厚度約88.60 m。推測流紋巖噴出的時間與本文油頁巖層沉積成巖期相當或稍早，可能會造成大量海百合的死亡并遷移。

從層序剖面(圖3)及野外調(diào)查來看，整個含礦巖系屬于由陸相→海陸過渡相→海相的沉積轉(zhuǎn)變，最底層大套礫巖為陸相辮狀河水道相沉積，陸源物質(zhì)非常豐富，該套礫巖大小混雜，以粗大礫石為主，成分主要為砂巖、灰?guī)r。中下部含礫砂巖(含少量油頁巖層)為辮狀河三角洲相沉積，該套含礫砂巖礫石含量20%～40%，與底部大套礫巖相比，礫石成分相同，礫徑逐漸變小，磨圓度和分選性也依次變好。中部含油頁巖層為三角洲平原亞相沉積，隨著進一步的海侵，地勢變得較為平緩，陸源物質(zhì)相對減少，生物數(shù)量大量增加。上部為淺海相碳酸鹽巖沉積，可測厚度僅為15.38 m，含較多的石燕、珊瑚等生物化石，研究區(qū)內(nèi)尚未見頂。

4 沉積環(huán)境特征

馮乾文[11]和焦光磊[12]認為，晚泥盆世早期西伯利亞板塊與準噶爾板塊發(fā)生陸殼基底的碰撞，進入殘留海盆階段，從而發(fā)生了顯著的海退過程，同時伴隨強烈的以酸性為主的火山活動。研究區(qū)沉積的泥盆系塔克臺組下段(D3tk1)以火山碎屑巖、陸源碎屑巖與火山碎屑沉積巖不均勻互層為主，表明晚泥盆紀早期為海退過程直至變?yōu)殛懴喹h(huán)境。從晚泥盆世巖相古地理(圖4(a))也可以看出，塔城(盆地)及其以東有一個隆起的陸相火山巖帶，將該區(qū)域劃分為兩個海區(qū)，即北部海區(qū)和東南部海區(qū)，中間為陸相—海陸過渡區(qū)。這一觀點與呂鐵良等[13]的認識較為一致，他們認為晚古生代期間，西準噶爾盆地處于塔爾巴哈臺島弧(即隆起的陸相火山巖帶)與瑪依力—扎伊爾殘余洋盆(即東南部海區(qū))之間，是在早古生代島弧基底上發(fā)育起來的晚古生代陸緣火山巖帶，具有弧后盆地性質(zhì)，石炭紀早期盆地處于伸展裂解構(gòu)造環(huán)境并伴有大規(guī)模巖漿噴發(fā)，石炭紀晚期盆地所處的弧后盆地及前端的島弧帶與哈薩克斯坦板塊拼貼在一起。宋俊俊等[14]和楊維等[15]也認為，晚泥盆世至早石炭世早期研究區(qū)屬于火山島弧區(qū)在火山間歇期的濱淺海相或淺海相沉積(圖4(b))。從以上資料可以看出，西準噶爾盆地形成經(jīng)歷從晚泥盆世早期(D3tk1)→晚泥盆世晚期(D3tk2)的緩慢海侵→早石炭世早期(D3C1t)發(fā)生較大規(guī)模海侵過程。

圖4 西準噶爾額敏東緣胡蘭恰希一帶巖相古地理略圖[11] Fig.4 Lithofacies paleogeographic sketch map of the Hulanqiaxi area in eastern margin of Emin,West Junggar[11]

上泥盆統(tǒng)塔克臺組下段(D3tk1)為研究區(qū)油頁巖的賦礦地層，底部以大套礫巖、含礫砂巖為主，中部為火山碎屑巖(以巖屑凝灰?guī)r為主)，上部為含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，以泥頁巖、油頁巖為主，頂部以生物碎屑灰?guī)r為主?？傮w上化石稀少，較細的火山碎屑巖中可見疑似植物根部跡的化石，但在油頁巖中產(chǎn)出大量的海百合莖化石碎片(圖2(b)、圖2(c))，頂部生物碎屑灰?guī)r中產(chǎn)出大量的腕足類化石(Schellwienellasp.,Cyrtospirifersp.,Tenticospirifersp.，Compositasp.)和珊瑚類化石(Hebukephyllumequitabulatum,Helegantulumsp.,Kassinellasp.)，這些珊瑚組合的生存環(huán)境為海水較淺、水溫較高的濱淺海地帶[16]。從底部到頂部巖性變化總體上表現(xiàn)為礫巖→含礫砂巖→砂巖→粉砂巖(含礫砂巖)→粉砂質(zhì)泥巖(油頁巖)→生物碎屑灰?guī)r的特征(圖3)，這一巖性變化特征反映了一種海侵的沉積環(huán)境，這與當時的古地理格局吻合。

5 油頁巖成因分析

在成因上，油頁巖的形成過程與腐泥煤基本相同，沉入水底的生物遺體首先發(fā)生復雜的生物化學分解作用，在成巖作用期間，進一步發(fā)生生物化學降解作用，隨著溫度和壓力的逐漸增加，有機質(zhì)最后形成干酪根(油母和瀝青)[17]。由于研究區(qū)油頁巖頂部沉積碳酸鹽巖，未與煤共生，按照油頁巖形成環(huán)境歸屬于近海型油頁巖。

從中泥盆世到晚泥盆世，研究區(qū)西北部有一次明顯的從北西到南東的海侵過程，在該區(qū)域形成了一個深海區(qū)(圖4(a))，沉積厚度最深可達4 500 m[11]，這一環(huán)境的變化促使生活于該區(qū)域的大量海百合生物發(fā)生了順水(向南東方向)遷移，研究區(qū)及其附近這種濱淺海(三角洲)環(huán)境(圖4(a))非常適宜于大量的海百合生物的聚集。

縱瑞文等[8]在塔克臺組上段(D3tk2)灰?guī)r夾層中發(fā)現(xiàn)了豐富的牙形刺化石，包括Icriodusalternatus，Icrioduscornutus，Icriodusexpansus等，軟骨魚類化石有Protacrodussp.和Phoebodussp.，雙殼類化石有Pleurophorellasp.，Euchondriasp.，Eoschizodussp.和Spathellasp.等。在塔克臺組上段(D3tk2)凝灰質(zhì)粉砂巖夾層中采集到豐富的小型三葉蟲化石，以Pseudowaribole(Pseudowaribole)quaesita為主。在塔克臺組上段(D3tk2)靠近頂部的位置，采集了一枚鏡眼蟲類(Phacopida)的尾甲。因此，塔克臺組上段(D3tk2)的時代應以法門期早期為主[10，18-19]。塔克臺組下段(D3tk1)缺少可提供時代依據(jù)的化石，在該組上段下部層位中采集到一塊無洞貝類化石Spinatrypinasp.(該屬未跨過晚泥盆世F/F界線)，再加上塔克臺組下段的火山碎屑巖厚度達上千米，因此，我們推測塔克臺組可能包含一部分弗拉期的沉積，故將研究區(qū)的塔克臺組下段(D3tk1)時代暫定為晚泥盆世弗拉期至法門期。

上泥盆統(tǒng)弗拉斯階/法門階(F/F)界線動物滅絕事件是否是造成該區(qū)域大量海百合生物死亡的原因呢？單從油頁巖賦礦地層的時代層位(晚泥盆世弗拉期至法門期)來看是吻合的，但是廖衛(wèi)華[20]和Chen等[21]認為西準噶爾(和布克賽爾一帶)是上泥盆統(tǒng)弗拉斯階/法門階(F/F)界線動物滅絕事件的避難所，幾乎未受到滅絕事件的影響。研究區(qū)海百合莖化石碎片(圖2(b))大量堆積、分選性好、純度高，分布雜亂無章。從油頁巖本身、海百合莖化石及相鄰層位的物質(zhì)組成及其所代表的環(huán)境方面來看，似乎是經(jīng)過搬運分選后異地埋藏的，可能為生物正常死亡后水流搬運(北西→南東)，進而聚集、沉淀的結(jié)果。

6 結(jié)論

(1)西準噶爾額敏東緣晚泥盆世油頁巖分布較為廣泛(走向延長大于5 km)，具有含油率高(13.4%～16.6%)、單層厚度大(9.77～17.90 m)、多層分布(可采3層)、走向延伸穩(wěn)定等特征，賦存于上泥盆統(tǒng)塔克臺組下段(D3tk1)上部，主要由大量海百合莖碎片堆積而成，量大質(zhì)優(yōu)。

(2)塔克臺組下段(D3tk1)巖性變化反映了一種緩慢海侵的沉積環(huán)境，油頁巖層位沉積時海水相對較淺，屬于三角洲相的沉積產(chǎn)物，海百合莖可能是經(jīng)過搬運分選后異地埋藏的，為生物正常死亡后水流搬運聚集的結(jié)果。