中國東部地區古近系油頁巖礦床地質特征及找礦思路:以黃口凹陷為例

李海慶

摘要： 油頁巖屬于非常規油氣資源，以資源豐富和可開發利用被列為重要的接替能源。以黃口凹陷為例，論述中國東部地區古近系典型凹陷的油頁巖分布特征，探討該區下一步找礦思路。中國東部地區典型凹陷的油頁巖賦存于古近紀始新世—漸新世大汶口組中段下亞段和下段上亞段，為深灰色—黑色富有機質塊狀頁巖，紋泥狀韻律層發育。油頁巖沉積穩定、分布廣泛、橫向連續性好、品位中低、構造簡單，且地球物理特征顯著。該區下一步找礦思路為“油（頁巖）鹽共探”和“物探先行、鉆探驗證”。

關鍵詞： 東部地區;古近系;油頁巖;地質特征;找礦思路

中圖分類號：P618.12

文獻標識碼：A

文章編號：2096-1871（2019）03-199-07

油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機礦產，通過低溫蒸餾加工可獲取類似于天然石油的頁巖油，屬于非常規油氣資源。油頁巖的資源量較豐富且儲量分布相對集中，具有作為接替能源的巨大潛力和優勢。我國油頁巖預測資源量為7 199.37億t，折合頁巖油476.44億t，其中已探明油頁巖資源量為500.49億t，位居世界第4位，且85%以上的油頁巖分布在吉林省、遼寧省和廣東省[1]。20世紀70年代，在我國東部蘇南和蘇北地區古近系陸續發現了油頁巖[2];1975—1976年，在江蘇金壇古近系阜寧群上部發現油頁巖，厚度為0.30～26.71 m，埋深為260 m以淺，含油率達7%[3];在安徽碭山北部、江蘇豐縣宋樓鎮地區黃口凹陷后黃樓洼凹和古近系大汶口組下亞段巖鹽層之上100～300 m均發現厚度較大的油頁巖[4]，其中豐縣宋樓鎮ZK01孔鉆遇的油頁巖厚度達63 m，平均含油率4.3%，預測資源量可觀[5]。此外，華北地區和魯西南地區鉆探資料[6]表明，古近紀大汶口組（沙河街組）油頁巖和巖鹽常伴生或共生。

中國東部地區廣泛分布的新生代小型坳陷盆地，與黃口凹陷后黃樓洼凹具有相似的構造背景、沉積環境、古氣候和古植物演化等油頁巖成礦地質條件，油頁巖資源潛力較大。但是，以往只注重勘查開發盆地內的油氣和巖鹽，忽視了對油頁巖的進一步研究，導致中國東部地區新生代坳陷盆地探明的油頁巖資源儲量較小。為此，本文以黃口凹陷為例，探討區域 “油（頁巖）鹽共探”和“物探先行、鉆探驗證”的找礦思路，進一步推進中國東部地區油頁巖資源勘探實現突破。

1 地質特征

黃口凹陷位于南華北盆地北緣，是濟源—開封坳陷帶次級構造單元，地處豫、蘇、皖、魯四省交界處，為一近EW向展布的中新生代斷陷盆地，面積3 200 km2。自東向西，黃口凹陷可劃分為黃口次凹、虞城次凸和商丘次凹3個次級單元。黃口次凹為北陡南緩的箕狀盆地[7]，東起嶧山斷裂，西至于賢集斷層，北至豐沛斷裂，南至碭山—郝集斜坡。根據古近系斷陷格局和沉積特征，自東向西可進一步劃分為敬安洼凹和后黃樓洼凹 （圖1）。

1.1 地層

該區鉆探揭露的地層主要為新生界古近系、新近系（表1）和第四系，整體為一單斜，走向NW，傾向SW，局部發育次級褶曲。地層傾角較小，一般為1°～4°。

古近紀大汶口組為一套湖相碎屑巖—蒸發巖建造，為賦油頁巖和巖鹽地層。下伏地層為古近紀官莊組，上覆地層為新近系及第四系。大汶口組劃分為上、中、下三段五亞段。

（1）大汶口組下段。厚410.04 m，分為下亞段和上亞段。

下亞段：下部厚10 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質泥巖與紫紅色泥巖互層，局部見團塊狀和薄層狀硬石膏;中部厚110 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質泥巖、紫紅色泥巖與深灰色、灰白色石鹽不等厚互層。該段含5～10層石鹽，是該亞段最主要的標志層，第一層石鹽和最后一層石鹽是判斷該亞段頂、底的主要依據;上部厚60 m，灰色含膏泥巖、膏質泥巖與紫紅色泥巖、粉砂巖互層，硬石膏呈薄層狀、瘤狀和團塊狀，具波狀層理和水平層理。該段上部自上而下一般含1～5層硬石膏巖，是石膏下亞段頂部的重要標志。

上亞段：厚230.04 m，灰色含膏泥巖、膏質泥巖與紫紅色、灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖互層，硬石膏呈薄層狀、瘤狀和團塊狀，局部夾1層油頁巖。

（2）大汶口組中段。厚290.99 m，分為下亞段和上亞段。

下亞段：厚170.99 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質泥巖，灰綠色、紫紅色泥巖、粉砂巖、細砂巖與深灰色、灰色油頁巖不等厚互層。硬石膏呈薄層狀、塊狀，具水平層理、波狀層理。該段含5～12層油頁巖，是該亞段最主要的標志層。

上亞段：厚120 m，灰色、深灰色含膏泥巖、膏質泥巖、灰色—灰綠色泥巖與深灰色—灰白色石鹽不等厚互層。該段含1～8層石鹽。

（3）大汶口組上段。厚149.93 m。灰色、淺灰色泥巖、砂質泥巖與粉砂巖、砂巖互層，夾灰色、深灰色含膏泥巖、膏質泥巖。該亞段自下而上砂巖含量增加，發育平行層理，鈣質含量較高，遇酸起泡，局部含泥巖包體。泥巖和粉砂巖中多見介形蟲化石。

油頁巖礦層賦存于大汶口組中段下亞段和下段上亞段，多為深灰色—黑色塊狀頁巖，具波狀層理和水平層理，貝殼斷口和平坦斷口，見底棲動物通道及介形蟲化石。

1.2 構造

研究區構造主要受EW向豐沛斷裂、碭山—郝集斜坡（敬安斷裂）、NNE向嶧山斷裂、近SN向嘉豐斷層和于賢集斷層控制，表現為NNE向斷裂改造早期的EW向斷裂，形成北深南淺的箕狀斷陷，盆地沉降和沉積中心偏于北側[7]。

豐沛斷裂是近EW向具有繼承性活動的區域性基底斷裂，是黃口凹陷的主控斷層，控制了古近紀官莊組和大汶口組的分布及巖鹽、油頁巖的賦存，為凹陷北界，斷裂傾向南，傾角60°～70°，下盤為新太古代泰山巖群，斷層最大落差約6 000 m。

碭山—郝集斜坡（敬安斷裂）形成于燕山運動晚期，控制侏羅系和白堊系斷裂的展布，對古近系具有一定影響。該斷裂為凹陷南界，走向近東西，傾向北，傾角約75°，下盤蓋層基巖為二疊系和三疊系，斷層落差>1 000 m。

嘉豐斷層形成于喜山期，至今仍在活動，切割該區大部分古近系，將黃口次凹分割為敬安洼凹和后黃樓洼凹。該斷裂走向近南北，具平移特征，故斷層不同位置的落差多變，斷層傾角多為80°左右。

1.3 巖漿巖

根據研究區及鄰近地區鉆孔地質資料[5]，古近系油頁巖中未見巖漿巖。

2 地球物理特征

2.1 油頁巖地球物理測井響應

油頁巖含有密度低和吸附性強的固體有機質，因此，油頁巖礦層測井響應表現為“三高一低”的特征，即高自然伽瑪、高電阻率、高聲波時差（圖2，由于鉆探施工時“油（頁巖）鹽共探”，泥漿為飽和鹽水泥漿，故電阻率受鹵水影響較大，測試幅值不高）和低密度，且有機質含量越高，巖層在測井曲線上“三高一低”特征越明顯[8]。研究區油頁巖自然伽瑪曲線值為90～2 400 API，平均值為165 API;地層電阻率曲線值為100～300 Ω·m，平均值為200 Ω·m;聲波時差曲線值一般為260～350 μs/m，平均值為300 μs/m，表明油頁巖測井響應明顯，易于識別。

2.2 油頁巖地震響應

由研究區典型地震反射波組時間剖面圖（圖3）可知，新近系松散沖積層與下伏古近系泥巖存在較大差異[9]，可獲得能量較強的TQ+N反射波，全區易于識別和追蹤。油頁巖段第一層油頁巖與上覆泥巖之間存在較大的波阻抗差異，所以，油頁巖段頂界面可形成能量較強的TO頂反射波，油頁巖段內部（Ⅱ）僅發育2～3組能量較弱的反射波組。油頁巖段底部油頁巖具有一定厚度時，可與下伏含膏泥巖之間形成較大的波阻抗差異，所以油頁巖段底界面可形成能量較強的TO底反射波。第一層含泥石鹽與上覆較厚的含膏泥巖之間存在較大的波阻抗差異，所以，巖鹽段頂界面可形成能量較強的TS頂反射波。巖鹽段下部一層泥巖，厚度>42.65 m，可與上覆含膏泥巖形成能量強、連續性好的Tm反射波。

綜上，研究區淺、中層地震地質條件較好，反射波能量較強、連續性較好，為油頁巖地震勘探方法的應用奠定了基礎。

3 礦床地質特征

3.1 油頁巖分布

研究區油頁巖、巖鹽礦床為走向近東西，傾向北，傾角不超過4°的單斜層狀沉積礦床。油頁巖段頂、底界面南高北低，頂界面的賦存標高為-590～-780 m，底界面的賦存標高為-710～-930 m。頂、底界面最深部為原預查區西北部，即鉆孔ZK01附近。油頁巖段厚99.85～136.80 m，油頁巖礦層8～12層累計厚45～63.30 m，中間夾多層含頁巖油泥巖層，具有沉積穩定、分布廣泛、橫向連續性好、品位中低、構造簡單等區域成礦特征。在豐縣宋樓鎮油頁巖（石鹽）預查區，8層油頁巖礦層累計厚63.30 m。礦層頂板埋深903.67 m的Ⅱ油頁巖單層厚度最大為19.22 m，含油率3.05%～6.52%。安徽碭山—江蘇豐縣宋樓鎮，油頁巖具有礦層層數變多、單層變厚、品質變優的空間展布規律。

3.2 礦石特征

礦石呈棕黑色、黑色、灰黑色、深灰色、暗褐色、黃褐色及淺黃色。硬度（普氏硬度系數為4.5）較頁巖大，指甲刻劃有油膩感，小刀削可起卷。礦石比重（1.98～2.23 g/cm3）較泥巖小，斷口呈參差狀或貝殼狀。不易點燃，但若放入火中，1～5 min后可燃燒，火焰長約1～2 cm，通常呈紅色，煙濃黑并有較強的瀝青味。含油率較高的油頁巖具黯淡光澤、油脂光澤或瀝青光澤，擦痕為棕色。

油頁巖由礦物質和有機質組成。油母含量為3%～9%，是復雜的高分子有機化合物，具脂肪烴結構和芳烴結構。主要組成元素為碳和氫，以及少量氧、氮和硫，水分為4%～7%。礦物質主要為伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺石等硬質黏土類硅酸鹽礦物及石英，占總含量的85%以上。長石、云母、方解石和硫鐵礦也較常見，因此油頁巖具有高灰分的特征。

礦石構造主要為致密塊狀構造、水平層紋（頁理）構造，韻律結構或泥狀結構。

油頁巖化學組分3.00%～6.52%的頁巖油是有用和有益組分，其他化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO和TiO2，少量其他金屬氧化物可綜合利用。其他有益組分As、Ge、Ga、U含量低，無利用價值。

3.3 油頁巖類型和品級

研究區油頁巖礦層干燥基低位發熱量為1.10～3.88 MJ/kg，含油率為3.04%～6.52%，半焦產率為86.88%～92.99%，含氣率為1.75%～4.98%，相對視密度為1.98～2.23 g/cm3。由于相對視密度較大，影響油頁巖的含油率，不能成為高品級油頁巖。該區油頁巖是一種低發熱量、高灰分、揮發分含量不高、密度較大、水分含量較高、半焦含量高的中硫、中低品級油頁巖。

油頁巖最大熱解峰值溫度Tmax為419.1～436.8℃，IH含量為504～699。因此，區內油頁巖有機質主要為腐泥型（Ⅰ）;油頁巖TOC含量中等，質量分數為1.96～3.97，（S1+S2）含量為14.89～27.76，有機質豐度高。上述特征表明，生油巖類型為好或很好的生油巖，處于未成熟—低成熟階段，顯示良好的油頁巖成礦基礎條件[10]。

4 礦床成因

研究區油頁巖紋泥狀韻律層發育。雖然微細層理難以肉眼辨認，但經X光透射后顯示清晰的紋理。微細韻律層系主要由深黑色富含有機質的泥巖和淺灰黑色富鈣的泥巖組成。通過薄片觀察，單個韻律層厚度一般為0.05～0.20 mm。暗色富有機質層，巖性單一，通常富含藻類等浮游生物殘體，主要成分是發強黃色熒光的層狀藻、結構藻和藻類成因的熒光瀝青，呈連續水平狀，具有靜水沉積特征;淺色富鈣層含微晶方解石和少量石英、長石等陸源粉砂，常有水平狀和微波狀紋理，顯示弱水流活動痕跡。韻律紋層中常有粒徑1～3 μm的黃鐵礦微晶呈點—線狀斷續分布。上述韻律層可印證區內油頁巖沉積環境為較寧靜的咸水—半咸水深水湖泊相環境，并具有水體明顯分層、水化學條件和物源供給的周期性波動特征[11]。

油頁巖富集主要受古氣候、沉積環境和古構造條件控制。古氣候變化控制了有機質的生產力，古構造和沉積相控制了油頁巖平面展布特征、沉積厚度和含油率[12]。黃口斷陷盆地最早形成于燕山期，是在遭剝蝕夷平后，經喜山期構造運動改造而形成的內陸盆地[7]。官莊組下段沉積期，以差異升降運動為主，盆地及周邊地形差異較大，主要是碎屑物沉積;官莊組上段沉積期，盆地由河流相逐漸過渡為含膏沉積的咸水、半咸水淺水湖泊相環境。大汶口組下段沉積期，古氣候逐漸以干旱為主，盆地內水體鹽度進一步升高，出現鹽類化學沉積。隨著湖盆中心鹵水逐漸濃縮，最終形成了湖盆中心高咸階段的蒸發相—鹽相和湖盆周邊低咸階段的蒸發相—硫酸鹽相。大汶口組下段后期至大汶口組中段下亞段沉積期，盆地沉降速率逐漸變大并超過沉積物供應速率，湖泊進入面積加大、水體范圍增加時期，形成長期非補償的饑餓型盆地[13]。黃口凹陷次一級后黃樓洼凹位于盆地中心外圍深湖—半深湖沉積環境，在溫暖、濕潤的氣候條件下，盆地覆水較深，陸源碎屑相對較少，陸地植物繁盛，為湖泊提供了大量陸生營養物質，有利于藻類、介形蟲等浮游生物的爆發性繁殖，成為生烴質的主要來源，為油頁巖的形成提供豐富的物質基礎，沉積了分布廣泛、單層厚度及總厚度較大、品質較好的油頁巖地層。大汶口組中段上亞段沉積期，盆地沉降速率變小且小于沉積物供應速率，湖泊面積減少，古氣候逐漸演變為以干旱為主，水體鹽度逐漸升高，出現新一輪的鹽類沉積旋回[5]。

5 找礦思路

中國東部地區新生代凹陷分布廣泛[13]，如山東黃縣盆地[14]、魯西南大汶口盆地（汶口凹陷、汶東凹陷、蒙陰凹陷及泰萊凹陷）[15]、江蘇豐縣師砦盆地、沛縣敬安洼凹、江蘇金壇直溪凹陷，以及江西鄱陽、吉泰、贛州、信豐等30多個盆地[16]，它們具有與黃口凹陷后黃樓洼凹相似的油頁巖成礦地質背景，油頁巖資源潛力較大。但由于以往只注重勘查開發古近系油氣和巖鹽，對油頁巖研究不夠，探明的油頁巖資源量較少。基于黃口凹陷后黃樓洼凹古近系油頁巖的礦床地質特征及勘查經驗，建議在我國東部地區新生代盆地探索古近系油頁巖勘查“油（頁巖）鹽共探”的思路。

以 “油（頁巖）鹽共探”、“先地面后地下，先物探后鉆探，由淺入深，由已知到未知”為基本原則，收集并綜合研究中國東部地區新生代盆地地質、鉆探和物探資料，與黃口凹陷后黃樓洼凹古近紀大汶口組對比，研究相關盆地的地層、構造和沉積特征。優選油頁巖重點工作靶區，先進行二維地震勘查，對區內地層特別是礦層賦存形態進行勘查，查明油頁巖段頂、底界面，分布和變化規律。在此基礎上，分步實施鉆探驗證，結合地球物理測井和實驗測試，對靶區內油頁巖、巖鹽礦產資源進行綜合評價，估算資源量。

需要指出的是，過去油頁巖開采主要是傳統的地面干餾工藝。由于我國油頁巖平均含油率僅為5%～10%，將產生超過90%的廢渣。廢氣、廢水和廢渣對環境造成影響，從而影響油頁巖的勘查開發。近些年，國外殼牌公司的電加熱原位開采技術相對成熟，通過多種方法加熱油頁巖層，使油頁巖在地下裂解，生產出油頁巖油，并傳輸至地面。相對于傳統地面干餾，具有對環境污染少、耗水量少、品質好和可開采較深層油頁巖等優勢。我國油頁巖原位轉化技術也取得了突破性進展，在油頁巖勘探開發特別是勘查階段，要堅持“綠色勘查”理念，制定相應預案，加強環境保護。

6 結 論

（1）中國東部地區新生代盆地分布廣泛，古近系普遍具有與黃口凹陷后黃樓洼凹相似的油頁巖成礦地質背景，油頁巖資源潛力較大。

（2）加大油頁巖勘查力度，按照“油（頁巖）鹽共探”、“物探先行、鉆探驗證”找礦思路，實現東部地區油頁巖資源量重大突破。

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