依蘭盆地始新統(tǒng)達(dá)連河組油頁巖成因新認(rèn)識

柳 蓉，劉招君，杜江峰，劉冬青，楊小紅，徐銀波

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

2.吉林大學(xué)東北亞生物演化與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130061 3.油頁巖與共生能源礦產(chǎn)吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130061 4.中國海洋石油總公司研究中心，北京 100027

依蘭盆地始新統(tǒng)達(dá)連河組油頁巖成因新認(rèn)識

柳 蓉1，2，3，劉招君1，2，3，杜江峰4，劉冬青1，楊小紅1，徐銀波1

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

2.吉林大學(xué)東北亞生物演化與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130061 3.油頁巖與共生能源礦產(chǎn)吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130061 4.中國海洋石油總公司研究中心，北京 100027

綜合利用野外露頭、巖石礦物組合、有機(jī)巖石學(xué)、元素地球化學(xué)等資料，研究了依蘭盆地達(dá)連河組含煤－油頁巖段與油頁巖段油頁巖成因。含煤－油頁巖段油頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為II1型，油頁巖段油頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為II1－II2型，且都表現(xiàn)為弱氧化－還原特征，但是兩者卻具有不同的成因。含煤－油頁巖段油頁巖形成于湖泊－沼澤沉積體系，油頁巖形成于湖泛作用基準(zhǔn)面上升時(shí)期，直接發(fā)育在原來沼澤發(fā)育的位置，由于該時(shí)期水動(dòng)力很弱，無法帶入新的氧氣，又有大量的生物生長并且不斷原地死亡堆積，形成了有機(jī)質(zhì)很豐富的油頁巖。油頁巖段油頁巖形成于半深湖－深湖體系，該體系中頻繁重力流作用的出現(xiàn)，把陸源碎屑帶入深湖、半深湖中的時(shí)候，也把氧氣帶入到湖底，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，導(dǎo)致該油頁巖段的有機(jī)質(zhì)呈混合型以及弱氧化－還原特征。

依蘭盆地；達(dá)連河組；油頁巖；重力流

0 引言

油頁巖作為一種常規(guī)油氣資源重要的替代能源以其巨大的儲量、豐富的綜合利用層次，引起了全世界的關(guān)注。其主要分布于美國、俄羅斯、加拿大、中國、扎伊爾、巴西、愛沙尼亞、澳大利亞等國家［1－9］。目前，對于油頁巖的研究主要集中在綜合開發(fā)利用方面［1－10］，而在油頁巖成礦基礎(chǔ)理論方面，除美國綠河油頁巖研究程度較高，先后提出了干鹽湖復(fù)合體模式和生物化學(xué)分層湖模式［11－14］外，其他各國研究都較薄弱。

圖1 依蘭盆地地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Yilan basin

研究區(qū)為依蘭盆地達(dá)連河礦區(qū)，位于黑龍江省依蘭達(dá)連河鎮(zhèn)，現(xiàn)為我國著名的露天煤、油頁巖礦。達(dá)連河礦區(qū)始新世自下而上發(fā)育兩套油頁巖，兩者在巖石組合及工業(yè)品位等方面具有明顯不同的特征。上部油頁巖層較厚，與暗色泥巖伴生，含油率較低；下部油頁巖與煤伴生，含油率較高［15－18］。有的學(xué)者認(rèn)為下部油頁巖為湖相成因，上部油頁巖為淺－半深湖相成因［17］；也有學(xué)者認(rèn)為上下部油頁巖均為湖沼相成因［18］。因此，對于達(dá)連河組上下兩套油頁巖的成因存在很大的爭議。筆者擬通過對發(fā)育在依蘭盆地達(dá)連河礦區(qū)的兩套油頁巖開展研究，進(jìn)一步揭示兩套油頁巖的成因機(jī)制，這將對今后油頁巖的成礦研究具有一定的借鑒意義。

目前，該盆地由于露天開采煤和油頁巖，油頁巖層幾乎全部暴露于地表。但是，由于研究區(qū)的巖心資料缺乏，測井資料很少，也沒有地震資料，因此主要利用野外多條剖面的觀測，結(jié)合巖性、古生物和地球化學(xué)標(biāo)志等開展研究。野外實(shí)測剖面位于達(dá)連河礦區(qū)的露天礦東北緣，共計(jì)實(shí)測導(dǎo)線15根，總長約600m，剖面從達(dá)連河組下部一直實(shí)測到達(dá)連河組的頂部。

1 地質(zhì)背景

依蘭盆地位于郯廬斷裂帶北延分支——依蘭－伊通斷裂帶，新生代時(shí)期，受到依蘭－伊通斷裂帶的控制，形成一個(gè)受斷裂帶南主干斷裂F1控制的小型半地塹盆地（圖1）［16－17］，并發(fā)育了一套新生代古近紀(jì)始新世陸相含煤、油頁巖沉積（圖2）。盆地基底巖性主要為前中生界花崗巖，沉積蓋層為古近系始新統(tǒng)達(dá)連河組。達(dá)連河組按巖性組合特點(diǎn)可以分為3個(gè)巖性段，自下而上分別為含煤－油頁巖砂巖段、油頁巖段及砂頁巖段（圖2）。因此，依蘭盆地主要發(fā)育兩套油頁巖：下部第一套與煤伴生，位于含煤－油頁巖段；上部第二套油頁巖與暗色泥巖伴生，位于油頁巖段。

2 油頁巖特征

2.1 野外露頭特征

依蘭盆地達(dá)連河組底部為含煤－油頁巖砂巖段，油頁巖與煤或炭質(zhì)頁巖互層。在含煤－油頁巖段油頁巖中發(fā)育大量的植物化石，種類多為被子類植物化石和松柏類植物化石。

油頁巖段主要由黑灰色油頁巖夾深灰色薄層粉砂質(zhì)泥巖組成，其中重力流作用頻繁，主要表現(xiàn)為遠(yuǎn)源濁流性質(zhì)，主要發(fā)育于上段頂和底，而下段和中段不發(fā)育。濁流的組合形式多樣：有發(fā)育完整的ABCDE段樣式（圖3），也有CDE段樣式、ACD段樣式和CD段樣式等，但主要為CDE段和ACD段樣式的鮑馬序列。油頁巖中水平層理發(fā)育，濁流段波紋層理、遞變層理、小型槽狀交錯(cuò)層理、變形層理發(fā)育，局部還出現(xiàn)了蟲孔構(gòu)造，局部巨厚油頁巖中發(fā)現(xiàn)了直徑約2m的濁積巖透鏡體（圖4）。

2.2 巖石礦物特征

通過對含煤－油頁巖段和油頁巖段的油頁巖XRD定性定量以及掃描電鏡分析，含煤－油頁巖段和油頁巖段油頁巖都表現(xiàn)為黏土礦物以高嶺石、伊利石和貧伊蒙混層為主的特征（圖5）。其中，含煤－油頁巖段中的高嶺石的含量明顯高于油頁巖段的含量。同時(shí)，通過對陸源碎屑礦物的分析，含煤－油頁巖段油頁巖中的石英含量較油頁巖段油頁巖少。此外，含煤－油頁巖段菱鐵礦體積分?jǐn)?shù)為14%，而油頁巖段沒有菱鐵礦出現(xiàn)。

圖2 依蘭盆地地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive strata column of Yilan basin

2.3 元素地球化學(xué)特征

微量元素Sr／Ba值通常是區(qū)分淡水和咸水的標(biāo)志：咸水沉積時(shí)Sr／Ba＞1；淡水沉積時(shí)Sr／Ba＜1［19］。通過微量元素Sr／Ba分析，含煤－油頁巖段和油頁巖段的油頁巖Sr／Ba值均小于1，表明為淡水沉積。

通常，很多學(xué)者利用Ni／Co值進(jìn)行水體的氧化還原電位分析［19］。含煤－油頁巖段油頁巖Ni／Co值為1.25～1.5，油頁巖段Ni／Co值為0.5～0.75；總的來說，兩者的Ni／Co值中等，反映其弱氧化－還原的沉積環(huán)境。

2.4 有機(jī)地球化學(xué)特征

圖3 油頁巖段完整ABCDE序列Fig.3 Whole ABCDE sequences in oil shale bearing section

采用干酪根顯微有機(jī)組分分析（表1）、干酪根的H／C和O／C（原子）值及氫指數(shù)與tmax的關(guān)系（圖6）和巖石快速熱解（表2）3種方法，從定性－半定量、定量到快速定量地進(jìn)行研究區(qū)油頁巖的有機(jī)質(zhì)類型的分析。研究區(qū)達(dá)連河組含煤－油頁巖段有機(jī)質(zhì)類型主要為II1型，油頁巖段油頁巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為II1－II2型都顯示為混合型（表3），說明油頁巖有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源既有低等水生生物，也有陸源高等植物。

圖4 油頁巖段巨厚油頁巖中的濁積巖透鏡體Fig.4 Turbiditic lens in thick oil shale in oil shale bearing sections

圖5 含煤－油頁巖段與油頁巖段油頁巖的礦物成分特征Fig.5 Mineral characteristics of coal－oil shale bearing and oil shale bearing sections

圖6 油頁巖類型參數(shù)各種圖版Fig.6 Distribution of types of organic matters of oil shale

表1 干酪根顯微組分鑒定結(jié)果Table 1 Content statistics of organic maceral of oil shale

表2 油頁巖熱解參數(shù)特征Table 2 Organic geochemical parameters of oil shale

表3 油頁巖成因類型綜合對比Table 3 Comprehensive comparison in oil shale origins

3 形成環(huán)境討論

3.1 油頁巖形成的沉積相環(huán)境

通過以上野外多條剖面的觀測，結(jié)合巖性及巖石礦物、古生物、地球化學(xué)特征分析，含煤－油頁巖段油頁巖主要為一套湖泊－沼澤沉積體系（圖7），而油頁巖段油頁巖為半深湖－深湖環(huán)境成因（圖8）。

3.2 油頁巖成因

3.2.1 含煤－油頁巖段油頁巖成因

依蘭盆地達(dá)連河組發(fā)育的初期，沉積環(huán)境以扇三角洲－淺湖沉積體系為特征。當(dāng)淺水湖泊被淤淺后，大面積沼澤化，所形成的泥炭層與扇三角洲平原上的泥炭層連成一片，以致淺湖沉積之上直接形成煤層。當(dāng)基準(zhǔn)面上升時(shí)，靠近控盆斷裂一側(cè)水體較深，不利于煤的形成，但有利于油頁巖的形成，而靠陸一側(cè)仍為沼澤沉積。當(dāng)基準(zhǔn)面下降時(shí)，導(dǎo)致大面積沼澤化，油頁巖層之上形成一套煤層。因此，在達(dá)連河組下部發(fā)育了油頁巖與煤互層的一套湖泊－沼澤沉積環(huán)境。油頁巖表現(xiàn)為厚度薄、含油率較高（8%～12%）、有機(jī)質(zhì)類型為II1型等特征（圖7）。當(dāng)湖泛作用基準(zhǔn)面上升后，原來沼澤發(fā)育的位置已經(jīng)不利于高等植物的生長，演化為湖泊沉積環(huán)境，水生低等生物大量繁殖，為油頁巖的形成提供了豐富的有機(jī)質(zhì)來源。并且由于該時(shí)期水動(dòng)力很弱，無法帶入新的氧氣，生物死亡后，水底的氧氣很快就因氧化前期沉積的有機(jī)物而消耗完了，只有靠近空氣界面處有氧氣的存在。同時(shí)，自身又有很高的生產(chǎn)力，不斷地堆積，因此，有機(jī)質(zhì)得到了較好的保存。煤、油頁巖段的Ni／Co值也表明其為弱氧化－還原的沉積環(huán)境。

斷陷湖泊－沼澤沉積體系中，油頁巖主要發(fā)育在每次湖侵的開始，這時(shí)水體較深，而煤往往發(fā)育在每次湖侵后的水體變淺的階段中，即沼澤化時(shí)期（圖9）。

3.2.2 油頁巖段油頁巖成因

油頁巖段中油頁巖之所以表現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)類型為II1－II2型，以及弱氧化－還原等特征，主要原因是該沉積時(shí)期頻繁發(fā)育的重力流作用（圖8、圖9）。

在依蘭盆地達(dá)連河組油頁巖段沉積時(shí)期，多發(fā)性的重力流作用不斷地把陸源碎屑帶入深湖、半深湖中，導(dǎo)致了較高的陸源碎屑輸入量，同時(shí)也把氧氣帶入到湖底，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，導(dǎo)致該油頁巖段的有機(jī)質(zhì)含量一般。通常，在斷陷盆地發(fā)育的中后期，湖盆比較穩(wěn)定，在靠近斷陷盆地的陡岸，重力流是該時(shí)期的主要地質(zhì)營力。因此，在多發(fā)性重力流作用發(fā)育的深湖，水體分層形成的缺氧環(huán)境將受到嚴(yán)重破壞，有機(jī)質(zhì)的保存程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于那些沒有或較少有濁流的湖盆。

圖7 依蘭盆地達(dá)連河組含煤－油頁巖段沉積相Fig.7 Sedimentary facies in coal－oilshale bearing sections of Dalianhe Formation in Yilan basin

圖8 依蘭盆地達(dá)連河組油頁巖段半深湖－深湖相和遠(yuǎn)積濁積巖沉積相Fig.8 Semi deep lacustrine facies and distal turbiditic facies in oil shale bearing sections of Dalianhe Formation in Yilan basin

因此，由于有陸源碎屑的注入，同時(shí)氧分的輸入，導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)類型呈II1－II2型以及弱氧化－還原特征。

圖9 依蘭盆地基準(zhǔn)面旋回內(nèi)的油頁巖分布模式Fig.9 Distribution model of oil shale within base level cycle in fault lacustrine－swamp basin

4 結(jié)論

1）依蘭盆地含煤－油頁巖段油頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為II1型，油頁巖段油頁巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為II1－II2型，且都表現(xiàn)為弱氧化－還原特征，但是兩者卻具有不同的成因：依蘭盆地底部含煤－油頁巖段油頁巖形成于湖泊－沼澤沉積體系，而油頁巖段油頁巖形成于半深湖－深湖體系。

2）含煤－油頁巖段油頁巖形成于湖泛作用基準(zhǔn)面上升時(shí)期，直接發(fā)育在原來沼澤發(fā)育的位置，由于該時(shí)期水動(dòng)力很弱，無法帶入新的氧氣，又有大量的生物生長并且不斷原地死亡堆積，形成了有機(jī)質(zhì)很豐富的油頁巖。

3）油頁巖段中頻繁重力流作用的出現(xiàn)，把陸源碎屑帶入深湖、半深湖中的時(shí)候，也把氧氣帶入到湖底，不利于有機(jī)質(zhì)保存，導(dǎo)致該油頁巖段有機(jī)質(zhì)呈II1－II2型以及弱氧化－還原特征。

（References）：

［1］ 劉招君，柳蓉.中國油頁巖特征及開發(fā)利用前景分析［J］.地學(xué)前緣，2005，12（3）：315－323.

Liu Zhao－jun，Liu Rong.Oil Shale Resource State and Evaluating System［J］.Earth Science Frontiers，2005，12（3）：315－323.

［2］ 柳蓉，劉招君.國內(nèi)外油頁巖資源現(xiàn)狀及綜合開發(fā)潛力分析［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2006，36（6）：892－898.

Liu Rong，Liu Zhao－jun.Oil Shale Resource Situation and Multi－Purpose Development Potential in China and Abroad［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（6）：892－898.

［3］ 劉招君，孟慶濤，柳蓉.中國陸相油頁巖特征及成因類型［J］.古地理學(xué)報(bào)，2009，11（1）：105－114.

Liu Zhao－jun，Meng Qing－tao，Liu Rong.Characteristics and Genetic Types of Continental Oil Shales in China［J］.Journal of Palaeogeography，2009，11（1）：105－114.

［4］ Dyni J R.Geology and Resources of Some World Oil－Shale Deposits［J］.Oil Shale，2003，20（3）：193－252.

［5］ Paul L R.Oil Shales of The World，Their Origin，Occurrence，and Exploitation［M］.Beijing：Pergamon Press，1990：1－20.

［6］ 劉招君，董清水，葉松青，等.中國油頁巖資源現(xiàn)狀［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2006，36（6）：869－876.

Liu Zhao－jun，Dong Qing－shui，Ye Song－qing，et al.The Situation of Oil Shale Resources in China［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（6）：869－876.

［7］ Talumaa R.Oil Shale Power Prevails in Estonia［J］.Oil Shale，2005，22（2）：93－94.

［8］ 牛繼輝，陳殿義.國外油頁巖的地下轉(zhuǎn)化開采方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2006，36（6）：1027－1030.

Niu Ji－h(huán)ui，Chen Dian－yi.The Existing State About Underground Mining Methods of the Oil Shale［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（6）：1027－1030.

［9］ 游君君，葉松青，劉招君，等.油頁巖的綜合開發(fā)與利用［J］.世界地質(zhì)，2004，23（3）：261－265.

You Jun－jun，Ye Song－qing，Liu Zhao－jun，et al.Comprehensive Development and Utilization of Oil Shale［J］.World Geology，2004，23（3）：261－265.

［10］ Brendow K.Global Oil Shale Issues and Perspectives［J］.Oil Shale，2003，20（1）：81－92.

［11］ Bradely W H，Eugster H P.Geochemistry and Palimnology of the Trona Deposits and Associated Auhigenic Minerals of the Green River Formation of Wyoming［J］.U S Geological Survey Professional Paper，1969，803：53－53.

［12］ Surdam R C，Wolfbauer.Depositional Environment of the Green River Formation of Wyoming：A Preliminary Report［J］.Geological Society of American Bullein，1973，84：1115－1120.

［13］ Desborough G A.A Biogenic－Chemical Statratified La－ke Model for the Origin of Oil Shale of the Green River Formation：An Atternative to the Playa－Lake Model［J］.Geological Society of American Bullein，1978，89：961－971.

［14］ Boyer B W.Green River Laminites：Does the Playa－Lake Model Really Invalidate the Statratified－Lake Model？［J］.Geology，1982，10：321－324.

［15］ 張健，劉招君，杜江峰，等.黑龍江依蘭盆地古近系達(dá)連河組油頁巖沉積特征［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2006，36（6）：980－985.

Zhang Jian，Liu Zhao－jun，Du Jiang－feng，et al.Sedimentary Characteristics of Oil Shale of the Dalianhe Formation of Paleogene in Yilan Basin of Heilongjiang Province［J］Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（6）：980－985.

［16］ 姜?jiǎng)?，王文?依蘭礦區(qū)老第三紀(jì)聚煤環(huán)境與聚煤模式探討［J］.煤炭技術(shù)，2005，24（2）：90－91.

Jiang Jian－h(huán)ong，Wang Wen－h(huán)ua.Discuss on Coal Deposot Environment and Metallogenic Mechanism of Paleocene in Yilan Diggings［J］.Coal Technology，2005，24（2）：90－91.

［17］ 舒正文.依蘭礦區(qū)老第三紀(jì)達(dá)連河組聚煤環(huán)境及聚煤規(guī)律［J］.中國煤田地質(zhì)，2006，18（3）：20－22.

Shu Zheng－wen.Coal－Forming Environmental Analysis of Dalianhe Formation，Paleogene in Yilan Mining Area［J］.Coal Geology of China，2006，18（3）：20－22.

［18］ 王世輝，陳春瑞，鄭玉龍，等.黑龍江省達(dá)連河油頁巖地球化學(xué)特征及成因探討［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2006，36（6）：933－937.

Wang Shi－h(huán)ui，Chen Chun－rui，Zheng Yu－long，et al.A Study on Geochemical Characteristics and Genesis of Dalianhe Oil Shales in Heilongjiang Province［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（6）：933－937.

［19］ 劉春蓮，秦紅，車評，等.廣東三水盆地始新統(tǒng)土布心組生油巖元素地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境［J］.古地理學(xué)報(bào)，2005，7（1）：125－136.

Liu Chun－lian，Qin Hong，Che Ping，et al.Elemental Geochemistry and Sedimentary Environments of Soure Rocks of the Buxin Formation of Eocene in Sanshui Basin，Guangdong Province［J］.Journal of Palaeogeography，2005，7（1）：125－136.

New Research on Oil Shale Origin of Eocene Dalianhe Formation in Yilan Basin

Liu Rong1，2，3，Liu Zhao－jun1，2，3，Du Jiang－feng4，Liu Dong－qing1，Yang Xiao－h(huán)ong1，Xu Yin－bo1
1.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China 2.Key－Lab for Evolution of Past Life and Environment in Northeast Asia，Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130026，China 3.Key－Lab for Oil Shale and Coexistent Energy Minerals，Jilin Province，Changchun 130026，China 4.China National Offshore Oil Corporation Research Center，Beijing 100027，China

Utilizing comprehensive ways of field outcrops，mineral assemblages，organic petrology and element geochemistry analysis，we study the oil shale features and origins of coal－oil shale bearing and oil shale bearing sections in Dalianhe Formation，Yilan basin.Organic matter type of oil shale organisms in coal－oil shale bearing sections is II1and II1－II2in oil shale bearing sections.Oil shale not only in coal－oil shale bearing sections，but also in oil shale bearing sections，are all characterized by weak oxidized－reduced，and with different origins.Oil shale of coal－oil shale bearing sections was generated in lacustrine－swamp systems and was located on the former swamps when the base level was rising.Because the hydrodynamic was relatively weak and oxygen can hardly be renewed，large quantities of plants and animals died and be well buried forming into organism－rich oil shale.Oil shale of oil shalebearing sections was generated in deep and semi deep lacustrine systems，in which the gravity flows took place very often.Gravity flows can not only bring terrigenous clastics，but also induce oxygen into the deep and semi deep lacustrine systems.In this environment，organism was poorly preserved.As a result，the organisms in oil shale bearing sections are characterized by mixed ones（II1－II2）and weak oxidized－reduced.

Yilan basin；Dalianhe Formation；oil shale；gravity flow

book=2012,ebook=630

P618.12

A

1671－5888（2012） 04－0941－07

2011－10－11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40972076）；國家潛在油氣資源（油頁巖勘探開發(fā)利用）產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新建設(shè)項(xiàng)目（OSP－01）；吉林大學(xué)科學(xué)前沿與交叉學(xué)科創(chuàng)新項(xiàng)目（200903035）；吉林大學(xué)種子基金項(xiàng)目（2011－2012）

柳蓉（1976－），女，副教授，博士，主要從事含油氣盆地分析和油頁巖成礦理論研究，E－mail：liurong＠jlu.edu.cn。