油页岩沉积古环境的形成条件研究浅湖-半深湖相湖湾环境油页岩成矿富集机理研究

油页岩沉积古环境的形成条件研究浅湖-半深湖相湖湾环境油页岩成矿富集机理研究

油页岩是指含有高碳的固体必结岩，可在低温干燥剂中获得岩浆岩。油页岩矿则要求含油率大于3.5%(wt),单层厚度大于最小可采厚度。油页岩的厚度和含油率,是评价油页岩资源品质的重要参数,前人研究表明,它们受沉积相的影响比较大,但具体在哪些相带及环境最有利于工业化油页岩矿的形成还未进行系统研究,而且存在着一些模糊及错误的认识。本文在总结笔者近几年承担的中国石油天然气股份公司油页岩勘探评价项目、国土资源部油气研究中心的油页岩成矿富集规律课题以及国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”之“页岩油有效开采关键技术”课题部分研究成果的基础上,对比研究两种不同类型油页岩盆地的沉积环境及油页岩厚度、含油率变化规律,提出油页岩形成的最有利相带为浅湖-半深湖相湖湾环境,并进一步研究了有机质富集机理,总结了油页岩富集成矿的主控因素及成矿模式。1福伦陶勒盖的小型凹陷及其油页岩分布1.1巴格毛德油页岩呼伦陶勒盖凹陷(暂定名)位于银额盆地北部苏红图坳陷东北端,利用卫星照片初步预测出凹陷面积只有600km2,是一个小型含油页岩凹陷,构造类型属于南东超北西断的不对称箕状断陷。油页岩发育于下白垩统巴音戈壁组(K1b)。呼伦陶勒盖凹陷的油页岩历史上称作巴格毛德油页岩。巴格毛德位于呼伦陶勒盖凹陷外围东侧,尽管巴格毛德油页岩的叫法欠妥,但已约定俗成。呼伦陶勒盖属小型断陷湖盆,湖面和周围物源区的高差大,早期(K1b1)侵蚀作用强,洪水期洪水携带大量粗碎屑物质迅速入湖,在盆地边缘形成深切谷冲积扇充填体系,盆地内则发育扇三角洲体系及滨浅湖体系。随着边界断层的继续活动或坳陷的继续加深,湖盆的沉降在逐渐扩大、水体加深、湖泊面积扩大,由于湖平面上升速度远大于沉积物供应速度,在深湖—浅湖区形成细粒沉积的油页岩(K1b2)。1.2湖侵体系域和地位巴格毛德油页岩形成、分布、富集主要受沉积作用控制。主要影响因素有:构造背景及湖盆类型、沉积层序及部位、沉积环境及沉积相。下白垩统巴音戈壁组为一个三级层序,可划分为三个体系域,分别对应于三个地层段(表1)。第一段为低水位体系域,以扇三角洲沉积为主,形成一套砂砾岩;第二段为湖侵体系域,以浅湖-深湖沉积为主,形成厚度较大的暗色油页岩;第三段为高位体系域,以深湖沉积为主。油页岩处于湖相沉积的密集段,位于湖侵体系域和高位体系域的转换分界部位。表1呼伦陶勒盖凹陷白垩系层序地层划分表湖平面的相对升降控制着湖泊分布范围和油页岩的生成、分布、品质和保存条件等。低水位体系域沉积期对应于K1b1,在这个时期内盆地首次沉降,沉积物分布范围小,主要为冲积扇和扇三角洲沉积。湖侵体系域沉积期对应于K1b2,是本区油页岩产出的主要层位。在该段时期内,随着边界断层的继续活动,苏红图坳陷及呼伦陶勒盖凹陷的沉降在逐渐扩大,新增可容空间大于供给的沉积物体积,水体加深,湖泊面积扩大,盆地稳定下降,湖水面上升,形成湖侵体系域。主要沉积浅湖—深湖相暗色泥、页岩、油页岩、泥灰岩和粉砂岩。含大量叶肢介和少量鱼类化石,地层分布稳定,是油页岩的重要产出层段。黑灰色油页岩含六个叶肢介化石层,该层段总厚度约100m。油页岩的层数多,层位较稳定,在粘土中含少许黄铁矿小晶体及石膏。稳定的叶肢介的出现,表明在此时出现了比较稳定的湖相沉积,盆地稳定并出现了较多的有机物,因而给生成油页岩创造了良好的条件。高水位体系域沉积期对应K1b3,湖水面上升速率变缓乃至静止,大量碎屑物质输入湖盆,致使盆地抬升,湖水面缩小,形成了分布较为稳定的一套深水泥岩夹油页岩薄层。1.3浅湖滨浅湖亚相深湖、浅湖的划分是相对的。根据沉积物在湖泊内的位置和湖水深度,采用风暴浪基面、正常浪基面、枯水面和洪水面,将湖泊划分为深湖、半深湖、浅湖和滨湖四个亚相类型。其中滨湖限于洪水期岸线和枯水期岸线之间的地带,浅湖是指枯水期湖面以下至浪基面以上的浅水区,半深湖处于风暴浪基面和正常浪基面之间,深湖处于风暴浪基面以下未受波浪和湖流搅动的安静水区,为缺氧的还原环境(图1)。平面上它们大致呈环带状分布。由于滨湖和浅湖在研究区不易区分,所以,统称为(滨)浅湖亚相。半深湖、深湖合在一起,统称为半深湖-深湖,以下简称为深湖。通过大量的沉积构造及介形类的统计可知,延长组湖盆风暴浪基面分布在15~20m,超过这一水体深度逐渐进入深湖。通常情况下,浅湖沉积物粒度较细,岩性主要为深灰色一灰黑色的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩,局部夹薄层状粉一细砂岩。深湖亚相的岩性主要为深灰一灰黑色的碳质泥岩、纹层状粉砂质泥岩、页岩和油页岩夹浊积岩。1.4下地壳结构构造及沉积相该区油页岩沉积时,属于浅湖-半深湖相还原环境,主要依据有:(1)深灰色、黑色泥岩、页岩、油页岩发育,砂岩不发育,煤层不发育,区别于沼泽相;(2)水平层理发育,未见大型交错层理;(3)发育厚度3~25cm的灰色钙质泥岩、泥灰岩条带;(4)产大量叶肢介、藻类化石;(5)灰色泥岩中含石膏斑点。1.5叶地的水环境王思恩研究认为:1)几乎所有的叶肢介化石都产于暗色泥质岩中,指示其沉积环境为古湖泊中的低能水体环境或比较宁静的水体环境。2)叶肢介生存的这种静水低能水域所沉积的只能是细碎屑物-泥质页岩、纸状页岩、泥岩等。从这个意义讲,叶肢介化石可以说是一种“指相化石”。3)叶肢介游泳速度很慢,从形态功能学的观点看,这种体小、壳薄、游泳速度又很慢的动物只能适合在静水浅水和浅水弱流动水(水的流速小于叶肢介的最大游动速度)环境中生活。4)现代叶肢介大都生活在池塘、水田、水坑等暂时性的水域,在长期性的水域如大的湖泊等主要生活于湖边的浅水地带,水深从几厘米至数十厘米,最深可能不超过2m,最适宜的水深是几厘米至20多厘米,因为宁静的浅水水域氧气充足,透明度高、阳光充足有利于微体藻类和微体浮游动物(几个微米大小)的繁殖、生息,可为叶肢介提供丰富的食料。5)叶肢介生活水体的pH值从6.6至9.5,即淡水至微咸水或半咸水。叶肢介群落大都产于各种页岩、泥岩,可能为淡水环境,而钙质泥岩、泥灰岩可能是微咸水、半咸水环境。付国斌等认为,呼伦陶勒盖地区下白垩统巴音戈壁组产有大量的叶肢介化石,主要是河西走廊赤金堡组常见分子Diestheriajiayuguanensis和Yumenestheriadelicatula,地质时代隶属于早白垩世。巴格毛德白垩系巴音戈壁组二段(K1b2)油页岩中大量密集分布的叶肢介化石(图2)正是其形成于水浅、安静环境的最好证据,结合沉积相及盆地边缘老山的分布,可以断定为浅湖-半深湖湖湾环境。2胡伦陶勒盖塌陷油页岩有利区域与沉积相带之间的关系2.1巴音壁式扇三角洲亚相由于呼伦陶勒盖凹陷西北边界已超出国境线,无地质资料。本次利用卫星照片确定凹陷边界。从卫星图片上看,国境线西北方向不远处出现面积较大的高山,根据地貌特征判断为老地层,为凹陷西北边界。从卫星照片圈出该凹陷呈椭圆形,面积较小,约为600km2。根据现有井资料,对该区目的层段(巴音戈壁组2段K1b2)沉积相进行预测:滨浅湖相分布于凹陷边缘,宽度较窄,遭受后期抬升剥蚀严重;中间环带以半深湖沉积为主,是主要有利油页岩分布区,目前的钻孔多集中分布在该相带;中心为深湖沉积,泥岩沉积厚度加大,介壳化石减少,如巴浅3井。巴音戈壁组二段沉积时期,是湖盆快速发展时期,由于湖平面不断上升,水体不断加深,湖盆范围不断扩大,扇三角洲沉积体系不断向矿区外部退出,仅在矿区东北部巴浅14井和南部巴浅5井残留了面积较小的扇三角洲前缘亚相沉积。该时期湖泊相沉积几乎遍布整个含矿区,以滨浅湖沉积为主,沉降中心仍在含矿区中部的巴浅6-巴浅12井一带,半深湖亚相分布范围明显扩大。2.2胡伦陶勒盖塌陷含油量、含油量分布与沉积相的关系2.2.1油页岩总厚度钻探结果表明,巴格毛德白垩系巴音戈壁组二段(K1b2)油页岩单层厚度及总厚度较大的区域在巴浅8-巴浅11一带,总厚度达到30m,含油率大于3.5%的单层厚度为5~7m,属于半深湖-浅湖湖湾沉积,而深湖地区油页岩总厚度减至20~10m,单层厚度降至0.3~4m(图3)。油页岩层厚度最大区域位于巴浅11井-巴浅10井-巴浅8井一带,其中巴浅11井处厚度最大可达34.97m。2.2.2地层及油页岩地层厚度巴格毛德白垩系巴音戈壁组二段(K1b2)油页岩含油率最高的区域在巴浅2-CK17一带,达到5.5%~6.9%,属于半深湖-浅湖湖湾沉积,而深湖地区油页岩除个别油页岩薄层或纹层含油率达到9%左右,在厚度大于1m的油页岩层则含油率基本小于5%,在4%~4.5%左右(图3)。关于湖湾环境的认识,最早来源于笔者在勘探现场近3个月观察。巴格毛德油页岩勘探现场为戈壁及沙漠,地貌基本继承和保持了白垩纪油页岩沉积时的古地貌特征。在戈壁滩现场开着越野车布置钻孔,低头观察岩心及油页岩露头及化石,再抬头看看三面包围的盆缘老山,现场感性认识使笔者团队初步认为油页岩钻探效果最好的地方就处于白垩纪的湖湾,但当时只是一个朦胧的认识,通过室内的油页岩分析化验及沉积相分析及图件编制,最终证实该凹陷油页岩单层厚度最大、含油率较高的地区确实处于浅湖、半深湖的湖湾环境,该环境水体较浅且安静,阳光空气充足,动植物繁茂,无河流带入大量陆缘碎屑,因此是油页岩形成的理想环境。该观点已被勘探实践所证实,2007年,笔者主要是在凹陷浅部进行钻探,当时只有巴浅7井钻在深湖区,其余几个钻孔都钻在浅湖-半深湖区。根据岩心观察及分析化验结果,我们初步得出半深湖-浅湖湖湾地区油页岩单层厚度要大于深湖区,深湖区由于暗色泥岩总厚度大,因此油页岩总厚度大于半深湖-浅湖,但油页岩单层厚度较小,与泥岩呈薄互层,不利于开采。该观点被2008年所钻的巴浅10、11等井所证实。3鄂尔多斯盆地大型克拉通坳陷湖盆区油气生产区分布规律3.1盆地南部三叠纪延长部分油页岩的沉积相鄂尔多斯盆地是一个沉积稳定、坳陷迁移、扭动明显的多旋回克拉通叠加盆地,沉积面积32万km2。晚三叠世由于印支运动的影响,使得晚古生代中三叠世的华北克拉通坳陷盆地逐渐向内陆转化,在沉积上实现了由海相、过渡相向陆相的根本性转变。晚三叠世鄂尔多斯盆地进入了大型内陆差异沉积盆地的形成和发展时期,发育了完整的河流-湖泊相(陆相)碎屑岩沉积体系,沉积厚度巨大,形成了典型的内生式成油系统,也是鄂尔多斯盆地主要油页岩发育层段。三叠系延长组长7油页岩主要分布在盆地的陕北斜坡和渭北隆起带。延长组是在鄂尔多斯盆地持续坳陷和稳定沉降过程中堆积的河流-湖泊相陆源碎屑岩系,纵向上细分为5个岩性段,10个层组。当延长组第一段沉积时,河流相广泛发育。第一段沉积之后,地壳开始缓慢下降,致使延长组第二段沉积时,湖相沉积逐渐扩大,湖水逐渐变深,该期湖盆范围达到最大,当时气候温湿,生物繁多,为油页岩沉积提供了有利条件,其中延长组长7段为最大湖泛期,油页岩分布最为广泛。此后延长组的第三段、第四段和第五段沉积时期,地壳逐渐抬升,湖盆逐渐变小并最终瓦解。鄂尔多斯盆地南部油页岩主要发育于三叠系延长组长7段。长7段为延长组最大湖泛期,湖岸线的位置对浅湖、深湖相的划分是非常重要的,但湖岸线是经常变动的,很难确定。庞军刚、李文厚等研究表明,长73湖盆达到鼎盛,深湖区范围最大,东北部达吴起-甘泉-富县-洛川一线,西南部达镇原-径川-长武-旬邑一线,从长73-长72-长71,深湖线逐渐向深湖区收缩。油页岩主要分布在长73,因此划分油页岩的沉积相应该综合采用长73的湖岸线。根据上述认识,结合露头观察及岩心资料,对前人编制的鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组长7段油页岩沉积相进行了修改。进行单井相带划分时,必然出现某一油层组既有浅湖又有深湖的沉积,这种情况下,划分以主体为原则,即浅湖特征及厚度大于深湖,则定为浅湖,反之则定为深湖。3.2浅湖-深湖相油页岩地层划分鄂尔多斯盆地南部三叠系油页岩在总厚度上,表现为深湖相油页岩总厚度大于浅湖相总厚度。这主要有三方面的原因:1)深湖相水体及沉积厚度大于浅湖相;2)深湖相缺乏露头资料,大多根据油田钻井的测井曲线资料,可能把很大一部分含油率较低泥岩也看作了油页岩;3)深湖相油页岩层数多,许多泥岩夹油页岩的纹层也可能看作了油页岩。鉴于此,笔者仔细对比了该区浅湖相及深湖相代表井的测井及地化资料,编制了从浅湖-半深湖-深湖的油页岩对比剖面(图4)。从中可以看出,滨-浅湖的花1井油页岩层数少,单层厚度小(0.5~2m),总厚度也小;浅湖-半深湖的崔1井油页岩层数增多,单层厚度增大(2~11m),总厚度也增大达36m;深湖相的庙37井、里1井,前人划分的油页岩(炭质泥岩)厚度大,但仔细研究后认为,真正达到油页岩级别的都是单层厚度比较小(0.5~2m),层数达10~30层,甚至不好确定和统计,累加的总厚度也相对较大,但单层厚度在1m以下的油页岩层基本上无法开采,没有实际意义。3.3油页岩赋存条件鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组长7段油页岩形成于浅湖及深湖环境,学者普遍认为油页岩最有利的沉积环境为深湖相[10、11、12]。通过对长7段沉积相的研究,认为最有利的油页岩主要赋存在浅湖相水流闭塞的湖湾环境中。长7油页岩深湖相的总厚度虽然大,但单层厚度小、有机质垂向丰度低,而浅湖相油页岩总厚度虽然相对较小,但单层厚度大、含油率也较高。通过对油页岩中有机质富集机理的研究,认为深湖相油页岩有机质垂向丰度低、单层厚度小,而浅湖相湖湾环境陆源碎屑相对少,阳光、空气充足,水温高,有利于生物爆发性繁殖,可以形成单层厚度及总厚度都较大、含油率也较高的油页岩,是油页岩形成的最有利相带。4成矿模式及成矿控制因素通过对沉积相和有机质富集机理的研究,修正了前人关于油页岩有利沉积相带的认识,提出油页岩形成的最有利相带为浅湖相湖湾环境。延长组油页岩形成的四大主控因素和坳陷湖盆浅湖油页岩成矿模式见图5。四大主控因素分别是:1)古构造与古地貌,控制湖盆的发育及有利沉积相带的展布。2)古气候,主要影响有机质生产力、有机质类型及有机质保存条件。3)沉积环境,控制有机质丰度、有机质保存、油页岩单层厚度。4)后期构造演化,主要通过地层埋深来控制油页岩的剥蚀与热演化程度,进而影响油页岩的保存与品质。前三个条件控制有机质输入与沉积,第四个条件控制有机质保存与演化。(1)烈构造活动构造较多宽缓简单。长7早期,局部强烈构造活动使得湖盆快速扩张,形成大范围的深水沉积,并且物源供应充足,为油页岩的大规模发育提供基本地质条件。(2)古地磁气象概况研究表明长7沉积时,鄂尔多斯盆地南部属于温暖潮湿亚热带气候。微量元素分析表明,长7期水体盐度低(0.4%~0.6%),为淡水环境;古地磁数据表明晚三叠世古湖盆比现今纬度偏南4°,温度与湿度较高;地层富含蕨类、木贼类草本,及双壳类、介形类和叶肢介等代表半潮湿气候环境的古生物,古气候温暖潮湿,生物繁盛,有机质丰富,并在还原环境下构成油页岩形成的重要条件。(3)油页岩的形成环境沉积环境控制着水体深度、水动力强度及温度、阳光等生态要素,进而控制地层的有机质丰度、有机质保存及油页岩层厚度。滨湖环境:有机质来源主要为高等植物,并有较多陆源碎屑,不易形成油页岩。浅湖环境:阳光及营养物质充足,生物繁盛,有机质产量大,单层厚度大,油页岩成矿条件优越,尤其是湖湾环境内水体稳定,水体分层使沉积环境为还原环境,有机质保存条件良好。深湖环境:有机质保存条件优越,但其原位有机质产量小,单层厚度小,使得油页岩垂向丰度不太高。(4)有机质热演化为油页岩的有机ro值提供了条件三叠系延长组地层受印支运动的影响,抬升并受到风化侵蚀,使得有机质热演化受到抑制,油页岩有机质的Ro值保持在0.7%左右,为油页岩的高含油率提