准噶尔盆地阜康地区二叠系油页岩矿物学特征及成因分析

准噶尔盆地阜康地区二叠系油页岩矿物学特征及成因分析

根据第15世界石油大会的估计，世界上未发现的石油资源量为6701103吨。按2001年世界原油消费量35.1×108t和已探明的储量计算,可供使用40多年,如果按2010年预测石油消费44.7×108t计算,可使用37年左右。因此,石油价格从20世纪末的10.58美元上涨到现在的78美元,在短短8年内上涨了7倍多,是石油史上罕见的。尽管最近石油价格有所回落,但石油价格上涨趋势已经形成,它的飙升迫使世界各国千方百计寻找替代能源燃料[1~3]。目前中国的常规原油生产能力已经处于饱和状态,2005年原油进口超过40%,到2020年每年将以3%~5%的速度递增,而作为世界油页岩资源量第四位的我国,充分开发油页岩无疑可以有效缓解能源瓶颈问题。中国油页岩主要分布于20个省份(区),主要集中在东北和中南地区,查明资源储量7199.37×108t,页岩油资源为476.44×108t,页岩油可回收资源为119.79×108t。2007年在准噶尔南缘博格达山北麓二叠系芦草沟组进行的勘测,新增储量近4×108t,为今后在该地区进一步的油页岩勘探打下了基础。1博格达山东北部活动断裂在大地构造上,博格达山位于哈萨克斯坦—准噶尔板块的次级构造单元,即博格达晚古生代弧后盆系(准噶尔南陆缘活动带)。随着印度板块与欧亚板块的不断碰撞,在近南北向水平挤压应力的作用下,博格达山北缘发育了多条第四纪活断裂,呈向北凸起的弧形,是博格达山与准噶尔盆地和古生界与中、新生界的分界断裂,构成博格达推覆体,是布格重力异常与航磁异常梯度带。博格达山北缘发育的多条活断裂,自晚更新世晚期以来新活动显著,错断了晚更新世—全新世堆积物。据1993—2004年跨断层水准测量的结果,这一地区现今构造活动主要以差异性活动为主[5~7]。晚侏罗世末,燕山中期构造运动对盆地产生强烈挤压,盆地变形收缩,形成北北东向褶皱和断裂,并伴随部分边界断裂走滑活动,盆地基底由北西向南东倾斜,西北缘表现为抬升剥蚀,断裂活动较弱,东、西隆起区发生相对逆冲形成近南北向的断褶带,广大中部地区变形微弱,局部发育张性断层。该期博格达山前构造活动表现剧烈,阜康断裂强烈逆冲,造成早期的博格达山前坳陷褶皱回返,以增生楔的形式成为博格达山的一部分,同时前缘隆起向北迁移,由三台—古牧地地区迁移至北三台地区,在地震剖面上显示典型的压陷—挠曲盆地结构(图1)。博格达山北麓活动构造是在博格达山北麓推覆构造基础上发育的,其形态有两种类型:活动褶曲及活动断裂。主要的活动断裂有3条:阜康—吉木萨尔活动断裂(又称博格达山前断裂)、北三台活动断裂及博格达北麓断裂,走向线呈向北凸起的弧形。博格达北麓断裂经过阜康地区芦草沟组油页岩矿区。博格达北麓断裂即前人所谓的雅玛里克山、七道湾或井井子沟断层,西起雅玛里克山西麓,向东东方向经雅玛里克山北麓、红山北麓、六道湾、水磨沟、铁厂沟、甘河子,跨吉木萨尔县西大龙口河,可能东延至木垒。在甘河子以西断层走向为北东向,甘河子以东为北西西向、东西向或北西向,长约200km,在地貌上是博格达中高山与低山丘陵的界线。该断裂断面倾向南东,倾角为60°~80°。该断裂由两条倾向一致的断层构成,其间距最小为18m,最大为1.5km。在铁厂沟东岸断裂错断了中更新世阶地砾石层,形成5m的垂直断距,断裂顶部被晚更新世砾石层及黄土覆盖。在甘河子南可见二叠系砂岩逆冲在侏罗系砂岩、泥岩之上,断裂破碎带宽约100m,沿断面发育数米厚的断层泥或角砾岩。在阜康黄山河东岸,断裂错断了高约9m的Ⅱ级阶地砾石层与黄土,测定黄土14C地质年龄为17750±320Ma。二叠系油页岩、砂岩逆冲于阶地砾石层与上覆黄土之上,形成垂直断距约4.5m。晚更新世晚期以来断裂平均垂直滑动速率为0.25mm/a,为晚更新世晚期活动断裂。博格达山北麓为一半弧形狭长的山麓,由于不同时期构造运动的叠合作用,构造较为复杂,地层褶皱极为强烈,构成等斜或不等斜褶皱。在褶皱的北翼,由于强烈挤压作用,常形成高角度逆冲断层,断层由南向北逆冲,断层走向多与地层平行,断层规模较大。博格达山北麓东起吉木萨尔水西沟,西至乌鲁木齐妖魔山,东西长约125km,南北宽约9~15km,成为准噶尔盆地南缘规模巨大的二叠纪油页岩分布带。2油页岩层系特征阜康地区芦草沟组油页岩矿区位于三工河—黄山街倒转向斜的南侧,处于北倾的单斜构造带上。矿区地层走向为80°~110°,倾向为350°~20°,倾角为60°~90°,地层总体延伸稳定,但焦油产率变化大。矿区北部有区域性断裂通过,北西西向延伸,可见长度10余千米,为一逆断层,沿断裂带岩石破碎强烈,断裂两侧片理化普遍发育。博格达推覆体前缘阜康断层,断层倾向为216°,倾角为76°,构成油页岩段自然边界,断裂逆冲作用致使泉子街组、红雁池组及芦草沟组顶部地层深埋缺失,芦草沟组与梧桐沟组直接断层接触。矿区及周围主要地层为二叠系、三叠系以及其上覆的第四系。油页岩层段主要由油页岩夹带泥岩、粉砂岩、砂岩及粉砂质泥岩组成,属于半坚硬的可塑性岩石,力学强度较低,靠近地表风化作用强烈,裂隙发育,风化深度一般在数米至十余米之间。该矿区油页岩矿层较稳定,构造复杂程度中等,勘探类型可划分为Ⅱ类Ⅱ型。阜康地区芦草沟组矿体工业类型为有机沉积层状矿床,矿区范围有限,油页岩品质变化主要表现在地层倾向(南北向)上,含油率高(3.5%~41.7%,平均含油率大于9.4%),属于中焦油产率油页岩。其资源规模可观,品质优好,工业价值极大。主要依据矿石品质、夹石状况、矿体特征[14~16],油页岩层系由老到新可大致划分为4段:第一段:从芦草沟组底部非油页岩段过渡为中—差品质油页岩,薄片状,页理欠发育,焦油产率为1.5%~9.8%,平均为6.9%。矸石层出现频繁,其单层厚度薄,常因砂质、凝灰质成分含量不同而与油页岩过渡,岩石常为沉凝灰岩、凝灰质粉砂岩。该段厚约60~80m。第二段:中—优质油页岩,页理发育,构成阜康地区芦草沟组山体主体,在山梁呈鱼鳍状突出,焦油产率为1.5%~24.0%,平均为11.3%。矸石以薄层凝灰质泥灰岩、钙质泥岩、钙质粉砂岩为主,近乎等间距(10~13m)出现。该段厚约200~250m。第三段:中—优质油页岩,页理发育,焦油产率为1.3%~26.6%,平均为10.2%。层内夹矸出现频率增高,矸石中硅质、菱铁质成分相对较高,与凝灰质、钙质泥岩—粉砂岩一并产出富有机质的薄层硅质岩、硅质泥岩及菱铁矿夹层。底界由一总厚10余米的薄层状钙质粉砂岩—油页岩互层与第二段相隔。该段厚约120~150m。第四段:差—优质油页岩,页理发育,焦油产率为2.6%~41.7%,平均为8.9%。焦油产率高低不等,品质变化显著,该段中、下部鱼类化石丰富且个体大而完整。层内除出现薄层钙质硅质岩、硅质泥岩—粉砂岩夹矸外,还有2~3层不稳定中厚层岩屑细砂岩构成对油页岩的分割。底界由前文述及的未命名断层(伴生褶皱)近旁中厚层凝灰岩屑砂岩(构造角砾岩)与第三段相隔,顶部与梧桐沟组长石岩屑砂岩断层接触。该段厚约100~140m。3油页岩层及其沉积条件3.1博格达地区晚古生代—构造特征阜康地区芦草沟组油页岩矿区处于准噶尔古台坳—博格达晚古生代裂陷槽的构造过渡位置,临近裂陷槽北界的天山北麓—博格达山北麓断裂,总体呈东西走向,乌鲁木齐以南微向南凸呈弧状。博格达晚古生代裂陷槽主体由石炭系及部分泥盆系组成。博格达地区晚石炭世早期局部有较强的火山活动,属碱性玄武岩—粗面岩—(碱)流纹岩组合。晚石炭世晚期为浅海碳酸盐岩及碎屑岩建造。晚石炭世—早二叠世准噶尔古板块和塔里木古板块处于拼接造山时期,二叠纪沉积具有前陆盆地性质,晚二叠世为磨拉石建造。三叠纪以后,基本进入中—新生代盆地发育阶段。由于羌塘古板块、拉萨古板块和印度古板块从三叠纪开始与欧亚大陆的碰撞、拼接和造山,促进了天山多次隆升和准噶尔、吐鲁番中—新生代盆地的发育。同时,由于挤压作用,博格达一带晚古生代和中生代地层呈现复背斜面貌。准噶尔盆地南缘褶皱逆冲断层带具有纵向分带、横向分段和垂向构造分层的特征,由南至北可分为逆冲推覆构造带、基底卷入褶皱冲断带和滑脱型褶皱冲断带。博格达山北麓直接受滑脱型褶皱冲断带东段影响,构造运动较强,大型逆冲断层作用导致二叠系油页岩伴随博格达山系的形成而出露地表[17~20]。3.2下仓房沟群沉积相区域上下二叠统下岌岌槽子群石人沟组属海侵沉积序列,底部由再沉积砾岩和砂岩组成,具重力流沉积特征。按岩性组合、沉积构造和韵律等,其上可分为3段:第一段属深水环境中海底喷发细粒火山灰缓慢沉积产物;第二段由再沉积粒屑灰岩与泥晶灰岩构成韵律,具重力流沉积特征,无底栖生物,为低能缺氧深水环境;第三段(包括塔什库拉组下部)沉积物粒细,有机质含量高,水平纹层十分发育,属深水盆地产物。下二叠统下岌岌槽子群塔什库拉组和中二叠统上岌岌槽子群为一海退序列。其中,塔什库拉组存在各种鲍马层序组合,砂岩底面分布大量各种类型底面构造,具浊流沉积特征。下部具水平层理和生物扰动构造,含腕足类等浅水化石,属陆棚沉积产物。上部具水平层理、斜层理、潮汐层理、类干裂波痕等构造,含浅水生物,属潮坪环境沉积。中二叠统上岌岌槽子群乌拉泊组和井井子沟组为中—细粒砂岩、长石砂岩、凝灰岩等,具波痕和泥裂,含淡水双壳类,为滨湖三角洲沉积,且沉积区与火山源距离较远。乌拉泊组岩性主要为灰绿色、黄绿色长石砂岩、粉砂岩,灰色、深灰色厚层砂岩、粉砂岩、砂质泥岩不均匀互层,含植物Paracalamitessp.等,厚347m。井井子沟组岩性主要为蓝灰色、灰绿色凝灰岩、凝灰质粉砂岩,有时与黄灰色砂页岩、灰绿色泥岩不均匀互层,厚890m。芦草沟组和红雁池组具典型湖相沉积特征,在大型湖盆沉积背景下,尤其是芦草沟组沉积物粒细,油页岩发育,发育微细水平层理,具深水湖相沉积。芦草沟组岩性主要为灰黑色、黑色、褐灰色砂质页岩、油页岩,夹粉砂岩、白云岩、白云质灰岩,含鱼化石Chichiasp.、Turfaniasp.、Tianshacircussp.、两栖类Urumgiasp.及叶肢介、双壳类等,厚660m。红雁池组岩性主要为灰色、灰绿色砂岩、砂质页岩、灰黑色、黑色薄层泥质页岩,含鱼及双壳类化石,厚673m。上述地层之间及其与下伏地层整合接触。上二叠统下仓房沟群泉子街组中、下部属山前、山麓地带的洪流堆积物。砾石以粗大者居多,分选不好,棱角状或半棱角状,层理不发育。上部砂岩、泥岩增多,与砾岩组成较完整的韵律,有时显斜层理和交错层理,甚至平行层理,有保存完好的化石,包括了河床、河漫滩及岸后沼泽的沉积。泉子街组岩性主要为紫红色、灰绿色砾岩、砂岩,向上粒度变细,为灰绿色、灰黑色砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩不均匀互层,含植物Callipteriszeilleri、Comiadentata、脊椎动物Dicynodontienshanensis及孢粉、双壳类等,厚250m左右,与下伏地层呈平行不整合接触。梧桐沟组为典型的河流沉积,由五六个类似的沉积韵律所组成,一般由具大型楔状斜层理的河谷底部沉积开始,除点沙坝沉积—泛滥洪积平原沉积层理外,尚有平行层理,反映河道沉积特征。梧桐沟组岩性主要为灰绿色砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩的不均匀互层,含植物Caliipteriszeilleri及双壳类、介形类等化石,厚200~585m,与下伏地层为整合接触[21~23]。3.3样品采集和研究针对博格达山北麓油页岩的沉积分布特点,重点选择了大黄山剖面进行了样品采集和地质剖面研究。所有样品灰成分分析采用硅酸盐岩石化学分析方法——X射线荧光光谱法测定主、次元素量,所有样品元素地球化学分析采用ICP-MS方法完成。3.3.1油页岩的古盐度利用硼含量计算古盐度是最常用的方法,其原理是溶液中硼的浓度是盐度的线函数。测定某种粘土矿物的相对硼含量,是目前古盐度测定中最有效的方法之一。相当硼含量是指相当于K2O含量为5%时的硼含量。Walker认为,相当硼含量与古盐度密切相关。正常海水环境,相当硼含量为(300~400)×10-6;半咸水环境为(200~300)×10-6;小于200×10-6则为淡水沉积[14~16]。从大黄山芦草沟组油页岩样品抽出的10个样品硼含量测定结果看,大部分小于200×10-6,仅一个样品在(200~300)×10-6。根据该研究区域发现的完整鱼、鱼鳞化石、瓣鳃类化石、页岩的精美微纹层和砂岩中的浪成构造等,判断大黄山芦草沟组油页岩应该为湖相产出。又根据80%样品所代表的岩石是在淡水环境沉积的,20%的样品沉积于淡水—咸水环境,这种定性判识结果说明,芦草沟组油页岩沉积环境受到海水的影响,但是影响很小。3.3.2油页岩沉积环境锶(Sr)和钡(Ba)是地球化学性质很相似的元素对,同属亲石元素。一般认为,泥岩中若Sr/Ba比值大于1,则为海水沉积;Sr/Ba比值小于1,则属陆相淡水沉积。研究区油页岩的Sr/Ba比值大都小于1,表明本区沉积环境主要为半深湖、深湖等陆相环境。只有10%的样品锶钡比大于1,与硼所指示