遼寧西部建昌盆地九佛堂組油頁巖沉積學特征

喻梓靚 （中國礦業(yè)大學 （北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083）

朱華鈺 （長江大學研究生院，湖北 武漢430100）

我國能源結(jié)構(gòu)為富煤、貧油、少氣。油頁巖作為非常規(guī)油氣資源，儲量僅次于煤炭，其熱解可得到類似原油的頁巖油和可替代天然氣的煤氣，作為常規(guī)能源的補充，對改變我國能源結(jié)構(gòu)，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。我國是世界上油頁巖儲量豐富的國家之一，同時我國的油頁巖是一種蘊藏量十分豐富卻幾乎未被很好利用的礦產(chǎn)資源。以遼寧西部 （以下簡稱 “遼西”）建昌盆地九佛堂組油頁巖為例，筆者在揭露該區(qū)油頁巖發(fā)育地層的基礎上，闡述了遼西建昌盆地九佛堂組油頁巖的巖石學特征和油頁巖的沉積地球化學特征。

1 工區(qū)概況

遼西建昌盆地構(gòu)造上位于中朝地臺燕山臺褶帶遼西臺陷朝陽穹褶斷束的南段，是遼寧西部地區(qū)中生代沉積盆地之一，沉積了較厚的中生界地層。中生界包括下三疊統(tǒng)紅砬組 （T1h），下侏羅統(tǒng)興隆溝組（J1x）、北票組 （J1b），中侏羅統(tǒng)藍旗組 （J2lq），上侏羅統(tǒng)土城子組 （J3t），下白堊統(tǒng)義縣組 （K1y）、九佛堂組 （K1jf）和沙海組 （K1sh）。該區(qū)油頁巖主要發(fā)育于K1jf地層中。K1jf主要為一套湖泊相碎屑巖，以黏土巖、粉砂巖為主，砂巖、礫巖多發(fā)育于下部和上部；厚度一般為1100～2800m；平行不整合于K1y之上。研究區(qū)的湖泊相區(qū)內(nèi)及前辮狀河三角洲是油頁巖生成的有利環(huán)境，且湖泊是油頁巖生成的主要沉積環(huán)境。研究區(qū)內(nèi)油頁巖沉積的終止與沉凝灰?guī)r或其他凝灰質(zhì)巖石的沉積有關，而后者與鄰區(qū)火山噴發(fā)事件及研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境不穩(wěn)定性有關。油頁巖可采部分可直接作為替代能源，不可采部分與其他烴源巖共同組成K1jf烴源巖系，顯然油頁巖會大幅度提高烴源巖總體的有機質(zhì)豐度及生油巖的級別，展示出研究區(qū)油頁巖良好的勘查潛力。

2 油頁巖沉積學特征

2．1 油頁巖發(fā)育的層位和巖石學特征

2．1．1 油頁巖的發(fā)育層位

遼西建昌盆地在九佛堂組一段至五段 （K1jf1～K1jf5）中，除上部K1jf4、K1jf5之外，其他各段均有油頁巖發(fā)育，其中，K1jf1發(fā)育了2個油頁巖 （礦）層組，K1jf2發(fā)育了3個油頁巖 （礦）層組，九佛堂組三段上亞段 （K1jfu3）發(fā)育了3個油頁 （礦）巖層組。各段油頁巖 （礦）層或?qū)咏M發(fā)育的層位如表1。

表1 建昌盆地九佛堂組油頁巖露頭發(fā)育層位表

2．1．2 油頁巖的巖石學特征

油頁巖在巖石學中一般定義為含有一定數(shù)量干酪根 （＞10%）的頁巖，含油率多為4%～20%［1］，作為一種礦產(chǎn)資源在 “全國油頁巖資源［2］”將油頁巖定義為一種高灰分的固體可燃有機礦產(chǎn)，低溫干餾可獲得頁巖油，含油率大于3．5%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高，主要為腐泥質(zhì)、腐殖質(zhì)或混合型，其發(fā)熱量一般大于等于4187J／g［2］。也就是說，從礦產(chǎn)資源的角度，不論是頁巖，還是其他巖石，只要其含油率或發(fā)熱量達到上述指標，就可以稱之為油頁巖。從巖石學的角度，通過野外露頭、手標本、巖石薄片、點酸試驗和巖石化學分析綜合研究，研究區(qū)內(nèi)油頁巖的巖石類型可分為以下幾種：

1）灰黑－棕黑色泥巖 單層呈?。袑訝?，質(zhì)地較純，具均勻?qū)永砘蛩綄永?。除四合當?shù)貐^(qū)的大杖子、張家窩鋪和三家子地區(qū)之外，研究區(qū)大部分油頁巖屬此類型，油頁巖層厚度大，分布廣。

2）灰黑－棕黑色頁巖 單層厚度較小，一般為薄層狀，質(zhì)地較純，頁理發(fā)育，呈頁片狀，這種油頁巖研究區(qū)發(fā)育較少，僅在報馬營子－原家洼剖面的喇嘛溝高速公路上的油頁巖礦組3－1及歪脖杖子剖面油頁巖礦層3－1－2等少數(shù)地點出露 （表1）。

3）青灰色鈣質(zhì)泥巖 通常具水平層理，含少量炭屑，點滴稀冷鹽酸起泡比較劇烈。偏光顯微鏡下所見方解石泥晶體積分數(shù)為20%～40%。這一巖石類型在研究區(qū)內(nèi)僅見于卅二道灣－窟窿山剖面油頁巖礦組2－3中 （表1）。

4）灰黑－棕黑色含鈣粉砂巖 這種油頁巖通常具小型交錯層理、變形層理和條帶狀構(gòu)造。粉砂體積分數(shù)一般為65%～70%，其余部分為泥質(zhì)、有機質(zhì)及粉晶、細晶方解石。其中粉砂主要為石英，少量長石，粒徑為0．01～0．08mm，極少數(shù)石英碎屑粒徑＞0．1mm，呈棱角狀－次棱角狀。方解石體積分數(shù)為5%～20%，有散布狀和條帶狀兩種分布形式，散布狀的晶粒多小于0．02mm，屬細粉晶，少數(shù)為粉晶集合體，晶粒呈它形，分布不均勻；條帶狀者主要為方解石細晶集合體，系粉晶重結(jié)晶而成，晶粒多為0．1～0．3mm，晶粒多為半自形，方解石集合體構(gòu)成的條帶厚多為0．6～2mm，既可見方解石條帶與深色富有機質(zhì)的陸源粉屑紋層平行分布，又可見半自形 （個別達自形）的方解石晶粒切穿深色富有機質(zhì)的陸源粉屑紋層的現(xiàn)象，成為其重結(jié)晶作用成因的證據(jù)。這種類型的油頁巖主要發(fā)育于四官營子的凹陷的四合當?shù)貐^(qū)、張家窩鋪和三家子地區(qū)的五家子、豐產(chǎn)溝、小聚車溝一帶，油頁巖層厚度大，且分布比較穩(wěn)定 （表1）。

2．2 油頁巖的沉積地球化學特征

為研究K1jf油頁巖地球化學特征，項目組在野外實測地質(zhì)剖面過程中，采集了100多塊油頁巖樣品，進行油頁巖含油率、灰分率、發(fā)熱量、灰分成分、有機碳、巖石熱解等多項地球化學分析。同時收集了K1jf其他烴源巖的地球化學分析資料，有泥巖有機碳、氯仿瀝青 “A”及族組成、飽和烴色譜、巖石熱解色譜、干酪根元素、干酪根紅外光譜、干酪根鏡檢，干酪根碳同位素、干酪根鏡質(zhì)體反射率、氯離子、微量元素和還原硫等。

依據(jù)上述資料分析K1jf油頁巖的主要化學指標，評價油頁巖的有機質(zhì)類型、有機質(zhì)成熟度和生烴能力及K1jf其他烴源巖的有機地球化學特征和環(huán)境。

2．2．1 九佛堂組油頁巖的主要工業(yè)指標

油頁巖是一種高灰分 （＞40%）的固體可燃有機礦產(chǎn)。通過低溫干餾可獲得油頁巖，其含油率大于3．5%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高，主要為腐泥和腐殖型或混合型，其發(fā)熱量一般大于等于4187J／g［2］。顯然含油率、灰分率、發(fā)熱量及灰分成分等參數(shù)是評價油頁巖的重要指標。

1）油頁巖含油率及灰分率 表2為遼西建昌盆地K1jf油頁巖含油率及灰分率數(shù)據(jù)表，其中統(tǒng)計了69個含油率樣品和50個灰分率樣品。油頁巖含油率按最大值排序，大平房地區(qū)報馬營子－原家洼剖面和三家子地區(qū)卅二道灣－窟窿山剖面排在首位。按灰分率將油頁巖劃分為兩級［3］，即低灰分油頁巖和高灰分油頁巖。低灰分油頁巖灰分率小于65%，含油率一般大于10%；高灰分油頁巖灰分率為65%～83%，含油率為5%～10%。建昌盆地K1jf油頁巖灰分率 （表2）變化范圍為67．8%～91．78%，屬高灰分油頁巖。

含油率是評價油頁巖的重要指標。劉招君［2］在油頁巖評價體系中，將油頁巖邊界品位含油率 （ω）定為3．5%，并按不同品級將油頁巖分為低、中、高3級，即3．5%＜ω≤5%，5%＜ω≤10%，ω＞10%。按此劃分方法將K1jf油頁巖樣品含油率統(tǒng)計 （表3）。從表3中可以看出，三家子地區(qū)ω＞3．5%的樣品有17個，占總樣品數(shù)的77%；大平房地區(qū)ω＞3．5%的樣品有4個，占總樣品數(shù)的50%。該區(qū)K1jf油頁巖ω＞3．5%的29個樣品中，3．5%＜ω≤5%的樣品16個；5%＜ω≤10%的樣品11個；ω＞10%的樣品2個。故K1jf油頁巖礦點含油率屬中等。

表2 建昌盆地九佛堂組油頁巖含油率及灰分率數(shù)據(jù)表

表3 建昌盆地九佛堂組油頁巖含油率樣品統(tǒng)計表

2）油頁巖發(fā)熱量 發(fā)熱量是油頁巖的一項質(zhì)量指標，表4中的10個樣品，只有2個樣品發(fā)熱量大于4187J／g，發(fā)熱量普遍較低，分析其原因：可能是樣品為露頭樣品，因保存不好，質(zhì)量較差。

3）油頁巖灰分成分及分類 油頁巖灰分成分主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等。油頁巖灰分成分與灰熔點關系密切。灰熔點的高低與工業(yè)利用密切相關。灰熔點低，不利于鍋爐和氣化爐的固體排渣，而液體排渣的鍋爐和氣化爐又要求灰分灰熔點低于排渣口的溫度。所以熔點的高低直接影響到工業(yè)利用。

表4 建昌盆地九佛堂組油頁巖發(fā)熱量數(shù)據(jù)表

根據(jù)對我國油頁巖灰分成分與灰熔點的研究，趙隆業(yè)等［3］提出了我國油頁巖灰分成分分類表?；胰埸c的高低取決于灰分成分，SiO2、Al2O3的質(zhì)量分數(shù)越高，灰熔點越高；Fe2O3、CaO＋MgO＋K2O＋Na2O的質(zhì)量分數(shù)越高，灰熔點越低。利用w（SiO2＋Al2O3）與w（CaO＋MgO＋K2O＋Na2O）的比值可大致反映灰熔點的高低。研究發(fā)現(xiàn)［3］，一般來說，比值低于5時，屬于易熔灰分 （灰熔點＜1160℃）；比值在5～9之間為中熔灰分 （灰熔點為1160～1350℃）；比值大于9時，為難熔灰分 （灰熔點＞1350℃）。分析建昌盆地九佛堂組油頁巖灰分成分，除三家子地區(qū)油頁巖礦點為鈣質(zhì)灰分油頁巖，熔融性類別為易熔灰分外，其他地區(qū)油頁巖均屬硅質(zhì)灰分油頁巖，熔融性類別屬中熔灰分和難熔灰分。

2．2．2 九佛堂組油頁巖有機地化特征

1）九佛堂組油頁巖有機質(zhì)類型 由于K1jf油頁巖與其他 （泥巖）烴源巖共生，因而油頁巖有機質(zhì)類型與K1jf其他烴源巖有機質(zhì)類型 （表5）相同或一致。依據(jù)陸相烴源巖地球化學評價方法（SY／T 5735－1995）中有機質(zhì)類型劃分 （三類四分法），確定K1jf油頁巖有機質(zhì)類型：四官營子凹陷為腐泥腐殖型 （ⅡB）－腐殖型 （Ⅲ）；大城子凹陷為腐泥腐殖型 （ⅡB）－腐殖型 （Ⅲ）；梅勒營子凹陷為腐殖腐泥型 （ⅡA）－腐泥腐殖型 （ⅡB）。

表5 建昌盆地九佛堂組烴源巖有機質(zhì)類型數(shù)據(jù)表

2）九佛堂組油頁巖有機質(zhì)成熟度 K1jf油頁巖有機質(zhì)成熟度完全類似于油頁巖有機質(zhì)類型，參照K1jf烴源巖成熟度參數(shù) （表6），依據(jù)行業(yè)標準 （SY／T 5735－1995）中陸相烴源巖有機成烴演化階段劃分及判斷指標，確認K1jf油頁巖有機質(zhì)所處熱演化階段：四官營子凹陷、大城子凹陷處于未成熟～低成熟階段；梅勒營子凹陷處于低成熟－成熟階段。

3）九佛堂組油頁巖生烴潛力 表7為建昌盆地K1jf勝OS1井油頁巖生烴潛力評價表，依據(jù)行業(yè)標準 （SY／T 5735－1995）中有機質(zhì)豐度評價指標，K1jf油頁巖為好－最好生油巖，這一結(jié)論符合我國絕大多數(shù) （占樣品總數(shù)的96．3%）油頁巖都是良好生油巖的一般規(guī)律。

3 結(jié) 論

1）遼西建昌盆地是遼寧西部地區(qū)中生代沉積盆地之一，沉積了較厚的中生界地層，該區(qū)油頁巖主要發(fā)育于K1jf地層中，油頁巖層厚度大，分布廣。

2）從巖石學的角度，通過野外露頭、手標本、巖石薄片、點酸試驗和巖石化學分析綜合研究，研究區(qū)內(nèi)油頁巖的巖石類型可分為：灰黑－棕黑色泥巖、灰黑－棕黑色頁巖、青灰色鈣質(zhì)泥巖和灰黑－棕黑色含鈣粉砂巖等4種，研究區(qū)大部分油頁巖屬第一種類型。

3）在野外實測地質(zhì)剖面過程中，采集了100多塊油頁巖樣品，進行油頁巖含油率、灰分率、發(fā)熱量、灰分成分、有機碳、巖石熱解等多項地球化學分析，研究了該區(qū)K1jf油頁巖地球化學特征。

表6 建昌盆地九佛堂組烴源巖成熟度參數(shù)表

表7 建昌盆地九佛堂組勝OS1井油頁巖巖心樣品生烴潛力評價表

4）分析了K1jf油頁巖的主要化學指標，評價油頁巖的有機質(zhì)類型、有機質(zhì)成熟度和生烴能力，及K1jf其他烴源巖的有機地球化學特征和環(huán)境，依據(jù)行業(yè)標準中有機質(zhì)豐度評價指標，得出遼西建昌盆地K1jf油頁巖為好－最好生油巖。

［1］曾允孚，夏文杰 ．沉積巖石學 ［M］．北京：地質(zhì)出版社，1986．

［2］劉招君，董清水，葉松青，等 ．中國油頁巖資源現(xiàn)狀 ［J］．吉林大學學報 （地球科學版），2006，36（6）：869～876．

［3］趙隆業(yè)，陳基娘，王天順，等 ．我國油頁巖的成分和品級劃分 ［J］．現(xiàn)代地質(zhì)，1991，5（4）：423～429．