張帥華，劉招君，2*，申 林，張朋霖，孟慶濤，2

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061; 2.吉林省油頁巖及共生能源礦產(chǎn)重點實驗室，長春 130061)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地位于我國東北地區(qū)，以菱形形狀呈北北東向展布。松遼盆地西部以大興安嶺為界，東北部為小興安嶺，東南部為張廣才嶺，南部為華北地臺北緣-內(nèi)蒙地軸[1]。松遼盆地的中淺層地層劃分為6個一級構(gòu)造單元，分別為北部傾沒區(qū)、西部斜坡區(qū)、中央坳陷區(qū)、東北隆起區(qū)、西南隆起區(qū)、東南隆起區(qū)[2-4]，東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁巖主要發(fā)育在上白堊統(tǒng)青山口組(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置

2 取樣及測試

測試樣品來自位于東南隆起區(qū)的JFD1、JFD3、JFD4、JFD6井和中央坳陷區(qū)的JND1井。通過對樣品進行低溫干餾、總有機碳、巖石熱解、全巖和黏土礦物定量分析等測試，揭示松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁巖特征的差異性及其原因。

3 油頁巖特征

油頁巖是一種高灰分固體可燃有機礦產(chǎn)，含油率≥3.5%，發(fā)熱量一般≥4 187J/g，油頁巖的工業(yè)指標可隨經(jīng)濟和技術(shù)的變化而變化[5]。

3.1 巖石礦物學(xué)特征

3.1.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)油頁巖主要發(fā)育在上白堊統(tǒng)青一段，巖性主要為灰黑色油頁巖，發(fā)育少量深灰色和灰褐色油頁巖，油頁巖主要發(fā)育水平層理(圖2a)和塊狀層理，偶見粉砂質(zhì)條帶(圖2b)和方解石條帶，富含介形蟲(圖2c)、殼類化石(圖2d)和生物碎屑化石(圖2e)；可見草莓狀黃鐵礦(圖2f)，反映了穩(wěn)定的還原性水體環(huán)境[6]。

圖2 研究區(qū)鉆井巖心特征

3.1.2 礦物學(xué)特征

通過全巖分析和黏土礦物定量分析，可知研究區(qū)青一段油頁巖礦物成分主要為陸源碎屑礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物(表1)。陸源碎屑礦物平均值32.81%，其中石英和斜長石的平均值分別為23.12%和10.99%，堿性長石含量較少。碳酸鹽礦物平均值10.50%，主要包括白云石和方解石。黏土礦物平均值52.73%，其中伊/蒙混層、伊利石和綠泥石平均值分別為27.37%、17.31%和6.71%，還有少量高嶺石和蒙皂石。

3.2 工業(yè)品質(zhì)特征

油頁巖工業(yè)品質(zhì)特征的關(guān)鍵參數(shù)主要有含油率、灰分、揮發(fā)分、水分、全硫含量等，是評價油頁巖品質(zhì)優(yōu)劣的重要參考依據(jù)。

1)含油率。東南隆起區(qū)JFD1井、JFD6井和JFD4井油頁巖的含油率平均值分別為4.60%、4.90%和5.00%，中央坳陷區(qū)JND1井青一段油頁巖的含油率平均值3.74%，可知中央坳陷區(qū)油頁巖含油率相比東南隆起區(qū)較低(表2、圖3)。

2)灰分。研究區(qū)青一段油頁巖灰分含量79.08%～86.08%，平均值為84.20%，屬于高灰分油頁巖(表3)。研究區(qū)油頁巖的含油率與灰分具有良好的負相關(guān)性(圖4)。

表1 研究區(qū)油頁巖X衍射數(shù)據(jù)表

表2 研究區(qū)主要礦層油頁巖含油率

圖3 含油率與TOC相關(guān)性

圖4 含油率與灰分相關(guān)性圖

3)揮發(fā)分。研究區(qū)青一段油頁巖的揮發(fā)分為10.90%～18.50%，平均值為12.87%(表3)，與含油率具有良好的正相關(guān)性(圖5)，表明油頁巖含油率越高，揮發(fā)分含量越高。

4)水分。研究區(qū)青一段油頁巖水分含量為1.57%～3.28%，平均值為2.64%，與含油率具有較好的負相關(guān)性(圖6)。

表3 研究區(qū)油頁巖工業(yè)品質(zhì)參數(shù)

圖5 含油率與揮發(fā)分相關(guān)性圖

圖6 含油率與水分相關(guān)性圖

5)全硫。研究區(qū)青一段油頁巖的全硫含量介于0.77%～2.87%，平均值為1.48%，表明研究區(qū)油頁巖為低硫油頁巖。

4 有機地球化學(xué)特征

4.1 有機質(zhì)豐度

油頁巖中含有的大量有機質(zhì)，是形成烴類的物質(zhì)基礎(chǔ)。通常利用總有機碳含量(TOC)和生烴潛力(S1+S2)反應(yīng)有機質(zhì)豐度。

4.1.1 總有機碳(TOC)

東南隆起區(qū)JFD1、JFD6和JFD4井油頁巖TOC平均值分別為8.47%、9.51%和9.86%，中央坳陷區(qū)JND1井油頁巖TOC平均值6.98%，表明東南隆起區(qū)青一段油頁巖TOC明顯高于中央坳陷區(qū)。此外，研究區(qū)青一段油頁巖的TOC和含油率有很好的正相關(guān)性(圖3)，相關(guān)系數(shù)R2為0.9687。

4.1.2 生烴潛力(S1+S2)

東南隆起區(qū)JFD1、JFD6和JFD4井油頁巖生烴潛力平均值分別為73.11mg/g、87.66mg/g和83.32mg/g，中央坳陷區(qū)JND1井油頁巖生烴潛力平均值為27.85mg/g(表4)，東南隆起區(qū)青一段油頁巖生烴潛力明顯高于中央坳陷區(qū)。研究區(qū)青一段油頁巖生烴潛力為非常好(圖7)。

圖7 研究區(qū)JFD1井有機質(zhì)生烴潛力判別圖

圖8 研究區(qū)油頁巖有機質(zhì)類型判別圖

綜上可知，東南隆起區(qū)青一段油頁巖的總有機碳和生烴潛力均明顯大于中央坳陷區(qū)，表明東南隆起區(qū)青一段油頁巖的有機質(zhì)豐度相對更高。

應(yīng)用IH(IH=S2/TOC×100)-Tmax和S2-TOC的組合進行有機質(zhì)類型判別(圖8)，有機質(zhì)類型呈現(xiàn)很好的一致性， 即研究區(qū)東南隆起區(qū)(JFD1、JFD6井)和中央坳陷區(qū)(JND1井)青一段油頁巖有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型干酪根，其次為Ⅱ型干酪根。

顯微組分統(tǒng)計結(jié)果表明(表5)，東南隆起區(qū)油頁巖比中央坳陷區(qū)的湖泊生物和陸源有機質(zhì)相對更多。油頁巖中主要觀察到層狀藻、孢子體(圖9e，f)、鏡質(zhì)體和黃鐵礦，反映出研究區(qū)有機質(zhì)來源主要是湖生生物(藻類體)，其次是陸源有機質(zhì)。

東南隆起區(qū)油頁巖(圖9a，b，c，d)中湖泊生物含量多于中央坳陷區(qū)油頁巖，熒光性也強于中央坳陷區(qū)油頁巖，這是由于中央坳陷區(qū)油頁巖埋藏更深，油頁巖熱演化程度也更高，部分有機質(zhì)已經(jīng)排烴，熒光性減弱導(dǎo)致無法觀察到。

無機組分主要為黃鐵礦，一般認為沉積環(huán)境還原性越強，有機碳含量越高，黃鐵礦單晶直徑越小[7-8]。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁巖黃鐵礦含量平均值分別為31.48%和47.84%，且中央坳陷區(qū)油頁巖中的黃鐵礦單晶直徑更小，亮度更大(圖9g，h)，表明中央坳陷區(qū)油頁巖的沉積環(huán)境還原性更強。

表4 松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁巖有機地球化學(xué)數(shù)據(jù)表

表5 研究區(qū)油頁巖顯微組分統(tǒng)計結(jié)果

4.2 有機質(zhì)成熟度

東南隆起區(qū)油頁巖Tmax為437～446℃，平均值443℃， 中央坳陷區(qū)油頁巖Tmax為442～453℃，平均值449℃，成熟度高于東南隆起區(qū)，由鄔立言等[9]的生油巖成熟度劃分標準(表6)可知，東南隆起區(qū)青一段油頁巖處于低成熟階段，中央坳陷區(qū)處于低成熟—成熟階段，這是由于中央坳陷區(qū)油頁巖埋藏更深，有機質(zhì)熱演化程度更高，干酪根裂解所需的能量更大，因此Tmax值更大。

5 油頁巖礦體展布特征

研究區(qū)青一段油頁巖主要發(fā)育四層礦體，其中②、③號油頁巖分布最穩(wěn)定，礦層厚度大、連續(xù)性好，為低—中等品質(zhì)油頁巖；①號礦層厚度較小、連續(xù)性較好，為低品質(zhì)油頁巖；④號礦層厚度較小、連續(xù)性差，僅在JND1井、JFD4井識別出，為低品質(zhì)油頁巖(圖10)。

表6 生油巖各類有機質(zhì)不同成熟階段的Tmax[9]

東南隆起區(qū)油頁巖埋深整體小于中央坳陷區(qū)，油頁巖礦層累計厚度大于中央坳陷區(qū)。從東南隆起區(qū)向西進入中央坳陷區(qū)，油頁巖埋深整體呈逐漸增大的趨勢， 油頁巖礦層的單層厚度和累計厚度整體呈逐漸減小的趨勢，這是因為中央坳陷區(qū)青一段油頁巖部分已經(jīng)生烴和排烴，導(dǎo)致油頁巖含油率下降，進而影響油頁巖礦層的厚度和連續(xù)性(表7)。

圖9 研究區(qū)油頁`巖顯微組分特征

圖10 研究區(qū)青一段東西向油頁巖礦層對比

表7 研究區(qū)油頁巖礦層數(shù)據(jù)

6 沉積環(huán)境

松遼盆地青山口組時期持續(xù)沉降，湖盆迅速擴張，湖泊廣泛發(fā)育。由于半深湖-深湖環(huán)境中水動力作用弱，有利于有機質(zhì)的富集和保存，是油頁巖發(fā)育的有利相帶[10]。

測試結(jié)果表明(表5)，中央坳陷區(qū)黃鐵礦含量明顯多于東南隆起區(qū)，且中央坳陷區(qū)的草莓狀黃鐵礦顆粒直徑更小，亮度更大(圖9g，h)，表明中央坳陷區(qū)油頁巖沉積環(huán)境還原性比東南隆起區(qū)更強。

松遼盆地青山口組共識別出3個層序，其中青一段為層序Ⅰ，發(fā)育水進體系域(TST)、高水位體系域(HST)和水退體系域(RST)。在層序Ⅰ末期，隨著水體變淺，泥巖的顏色也逐漸變淺， 層序Ⅱ開始出現(xiàn)灰綠色和綠灰色泥巖。由圖11可知，水進體系域時期，東南隆起區(qū)主要為淺湖環(huán)境，發(fā)育灘壩，而中央坳陷區(qū)主要為半深湖-深湖環(huán)境；高水位體系域時期，松遼盆地整體為半深湖-深湖環(huán)境，暗色泥巖厚度由東往西逐漸增大；進入水退體系域后，整個盆地開始逐漸過渡為淺湖環(huán)境。

表8 東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁巖分布規(guī)律對比

圖11 松遼盆地東南隆起區(qū)-中央坳陷區(qū)青一段層序-沉積連井斷面圖

7 生物標志化合物特征

7.1 飽和烴

正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布特征通常指示有機母質(zhì)輸入的差異[11-12]。正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布特征可指示有機母質(zhì)輸入的差異[13]。東南隆起區(qū)油頁巖正構(gòu)烷烴主要為中鏈(n-C21-25)，指示水生植物的有機質(zhì)輸入，中央坳陷區(qū)主要為短鏈(n-C15-20)，指示菌藻類水生生物的有機質(zhì)輸入。

碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)反映奇、偶碳數(shù)正構(gòu)烷烴的相對豐度[14-15]，可作為一種反映有機質(zhì)成熟度的指標。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁巖CPI平均值分別為1.25和1.13(表9)，中央坳陷區(qū)油頁巖正構(gòu)烷烴的奇碳數(shù)優(yōu)勢相對較小，表明中央坳陷區(qū)油頁巖成熟度相對較高。

Pr/Ph<1通常指示缺氧環(huán)境，Pr/Ph>3通常指示含氧環(huán)境，Pr/Ph介于1～3通常指示貧氧環(huán)境[11]，Pr/Ph可能受到成熟度的影響[16]。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁巖的Pr/Ph平均值分別為0.81和1.17，表明東南隆起區(qū)油頁巖沉積水體為缺氧環(huán)境，中央坳陷區(qū)為貧氧環(huán)境，反映中央坳陷區(qū)油頁巖沉積水體還原性更強。但是，由Pr/n-C17與Ph/n-C18交會圖[17]可知， 中央坳陷區(qū)比東南隆起區(qū)水體的還原性更強，有機質(zhì)成熟度更高，而且結(jié)合巖心觀察和前人成果也可知，中央坳陷區(qū)油頁巖沉積時水體更深，還原性更強。出現(xiàn)這種矛盾的原因可能是中央坳陷區(qū)發(fā)育較多重力流，攜帶著氧氣進入湖盆底部，導(dǎo)致中央坳陷區(qū)部分油頁巖的Pr/Ph受到影響，且中央坳陷區(qū)油頁巖成熟度相對更高，也可能會影響Pr/Ph。因此，整體來說中央坳陷區(qū)青一段油頁巖沉積水體還原性比東南隆起區(qū)更強一些。

表9 松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁巖藿烷-甾烷-飽和烴參數(shù)

圖12 研究區(qū)Pr/n-C17與Ph/n-C18交會圖(據(jù)參考文獻17修改)

7.2 甾烷

甾類化合物與藿類化合物的相對含量可以反映藻類和高等植物對源巖的貢獻。東南隆起區(qū)油頁巖的甾類/藿類比值0.94，高于中央坳陷區(qū)的0.22(表9)，表明東南隆起區(qū)油頁巖中的湖生藻類體的優(yōu)勢相對更高。

規(guī)則甾烷C27-C29之間的含量關(guān)系可以用來判斷有機質(zhì)的輸入類型，高含量的規(guī)則甾烷C27表明有機質(zhì)中藻類占優(yōu)勢，高含量的規(guī)則甾烷C29表明陸源植物輸入含量高[18-20](圖13)。東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁巖的C27/C29比值分別為1.00和0.97，表明東南隆起區(qū)油頁巖有機質(zhì)中藻類略有優(yōu)勢。

7.3 藿烷

東南隆起區(qū)油頁巖C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值為0.46，中央坳陷區(qū)油頁巖C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值為0.53(表9)，結(jié)合研究區(qū)油頁巖Tmax，表明東南隆起區(qū)油頁巖處于低成熟的熱演化階段，中央坳陷區(qū)油頁巖處于低成熟-成熟階段。

圖13 松遼盆地東南隆起區(qū)與中央坳陷區(qū)油頁巖藿烷-甾烷-飽和烴質(zhì)譜圖

7.4 伽馬蠟烷

伽馬蠟烷一般被認為是高鹽度指標，可以指示沉積時水體的鹽度分層[21]。東南隆起區(qū)油頁巖的伽馬蠟烷指數(shù)很高，平均值為0.40，表明東南隆起區(qū)油頁巖沉積時的水體鹽度相對較高；中央坳陷區(qū)油頁巖的伽馬蠟烷指數(shù)平均值為0.27，表明中央坳陷區(qū)油頁巖沉積時的水體鹽度相對較低。

8 結(jié)論

1)研究區(qū)青一段油頁巖為高灰分、低硫、中等-低品質(zhì)油頁巖，且含油率與有機碳含量、揮發(fā)分具有明顯的正相關(guān)性，與灰分、水分具有明顯的負相關(guān)性。

2)研究區(qū)油頁巖有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型干酪根，其次為Ⅱ型干酪根，有機質(zhì)來源主要為湖泊中的藻類體，其中東南隆起區(qū)油頁巖陸源有機質(zhì)含量、有機碳含量和生烴潛力相對較高；東南隆起區(qū)向西進入中央坳陷區(qū)油頁巖Tmax平均值由443℃逐漸升高為449℃，中央坳陷區(qū)油頁巖有機質(zhì)成熟度相對更高。

3)東南隆起區(qū)油頁巖比中央坳陷區(qū)油頁巖埋深較淺，油頁巖單層厚度和累積厚度更大，研究區(qū)油頁巖均發(fā)育在深湖-半深湖的靜水環(huán)境，其中中央坳陷區(qū)油頁巖中草莓狀黃鐵礦含量相對較多，水體還原性相對較強。

4)東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁巖的碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)平均值分別為1.25和1.13，表明中央坳陷區(qū)油頁巖的奇碳數(shù)優(yōu)勢相對較小，成熟度相對較高；Pr/n-C17與Ph/n-C18交會圖表明中央坳陷區(qū)油頁巖沉積水體的還原性比東南隆起區(qū)更強；甾類/藿類比值分別為0.94和0.22，C27/C29比值分別為1.00和0.97，表明東南隆起區(qū)油頁巖的湖生藻類體的優(yōu)勢相對更高；C31αβ22S/(22S+22R)藿烷平均值分別為0.46和0.53，表明東南隆起區(qū)和中央坳陷區(qū)油頁巖分別處于低成熟階段和低成熟—成熟階段；伽馬蠟烷指數(shù)平均值分別為0.40和0.27，表明東南隆起區(qū)油頁巖沉積時的水體鹽度相對較高。