內蒙古烏拉特后旗巴格毛德地區下白堊統巴音戈壁組油頁巖品質特征及開發利用前景

袁二軍，馮小偉，楊寧寧，張 超，王延倫，蘇殿程

(1.青海大學地質工程系，青海 西寧 810016； 2.青藏高原北緣新生代資源環境重點實驗室，青海 西寧 810016； 3.包頭市北斗地質勘查有限責任公司，內蒙古 包頭 014000； 4.內蒙古自治區有色地質勘查局綜合普查隊，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

近年來，我國國民經濟持續快速發展，有力帶動了國內能源市場，燃料油市場消費量也大幅增長，伴隨著原油的不斷消耗，石油資源短缺將成為制約經濟發展的重大難題。而我國是貧油少氣國家，石油供需缺口逐年增大，原油對外依賴度不斷提高，石油供不應求的矛盾將長期存在。然而我國油頁巖資源豐富，可以接替部分常規油氣市場需求，緩解我國能源壓力。油頁巖作為一種重要的石油補充和替代能源，以其巨大的儲量、豐富的綜合利用層次引起了全世界的關注。隨著傳統資源短缺問題日益嚴重，人造石油的地位越來越重要，在不久的將來，頁巖油工業將會出現空前大發展，前景看好。

巴格毛德地區油頁巖位于烏拉特后旗查干瑙勞-查干特格斷陷盆地內，根據區域地質調查成果顯示，該區油頁巖找礦遠景潛力巨大。為查明巴格毛德地區下白堊統巴音戈壁組油頁巖資源規模、儲量及品質特征，2012—2018年該地區開展了地質詳查及勘探工作，并進行了選礦試驗，主要對油頁巖干餾煉油的開發利用性能作了論述評價，對油頁巖的其他方面的開發利用前景研究較少[1-3]。

本文旨在通過對巴格毛德地區油頁巖的地層學、巖石學、礦物學、工業品質等特征進行歸納總結，從而探討其開發利用前景，希望對該地區油頁巖資源的開發利用起到指導作用。

1 區域地質背景

巴格毛德地區位于內蒙古西北部，所處區域大地構造位置為銀(銀川)額(額濟納旗)盆地東北緣。

(注：1-第四系全新統；2-第四系更新統；3-上白堊統烏蘭蘇海組；4-下白堊統巴音戈壁組三段；5-下白堊統巴音戈壁組二段(油頁巖賦礦層位)；6-下白堊統巴音戈壁組一段；7-上石炭統阿木山組；8-早元古界寶音圖群；9-侏羅紀中細粒花崗巖；10-三疊紀花崗巖；11-二疊紀中細粒二長花崗巖；12-二疊紀蝕變、碎裂片理化閃長巖；13-石炭紀中細粒花崗巖；14-石炭紀花崗閃長巖；15-石炭紀輝長巖；16-實測地質界線及侵入接觸界線；17-實測不整合地質界線；18-巖漿巖相帶界線及地層相變界線；19-實測正地層；20-實測逆沖斷層；21-實測平推斷層；22-實測性質不明地層；23-推測性質不明地層；24-糜棱巖帶；25-碎裂巖帶；26-油頁巖礦床；27-研究區。)圖1 區域構造綱要圖Fig.1 Regional structural outline

受其大地構造環境的影響，該區域形成了中部為構造隆起帶，兩側為斷陷盆地的構造格局，總體構造方向呈北東向(圖1)。區域的2個斷陷盆地，分別為西尼烏蘇-虎勒蓋爾斷陷盆地和查干瑙勞-查干特格斷陷盆地，后者位于區域北西查干瑙勞-查干特格一帶， 該斷陷盆地在區域上延伸長約100 km， 寬大于20 km， 局部寬8 km，為中新生代斷陷盆地，沉積有白堊系下統巴音戈壁組、上統烏蘭蘇海組地層，其中，白堊系下統巴音戈壁組是油頁巖主要賦礦層位。白堊系下統巴音戈壁組根據巖性組合特征及沉積旋回分為兩個段。巴音戈壁組一段為砂礫巖段，發育一套灰褐色礫巖、含礫砂巖、細礫巖、灰白色砂巖，偶夾薄層灰色砂質泥巖、粉砂巖、青灰色泥灰巖等細粒沉積物，相變大，巖性變化大，粒度相對較粗，為低水位-水進體系域時期，沉積環境由扇三角沉積體系向濱淺湖-半深湖沉積體系過渡。巴音戈壁組二段為油頁巖和泥巖段，下部發育含礫泥巖、灰色泥巖、深灰色泥巖，發育高水位體系域的灰黑色油頁巖，是油頁巖廣泛發育的最主要巖性段，形成的油頁巖厚度最大，層位穩定，區內主要油頁巖礦層均位于該層位中，平面上分布較為連續，油頁巖含油率較高，與巴音戈壁組一段呈整合接觸，為半深湖-深湖沉積體系，可見介形蟲、葉肢介和魚類化石；上部發育為灰綠色、灰色泥巖，與鈣質泥巖薄層泥質灰巖互層，在泥巖中可見黃鐵礦的小晶體，為水退體系域，為半深湖過渡為濱淺湖沉積環境，常見動植物化石碎屑及碳屑，局部可見魚類化石。與上覆地層白堊系上統烏蘭蘇海組呈不整合接觸。

2 油頁巖礦層地質特征

巴格毛德地區油頁巖礦由巴格毛德、呼和恰布以及查干套海3個礦區組成，其中巴格毛德礦區位于中部，面積約200 km2；呼和恰布礦區緊鄰巴格毛德礦區，位于其西南向，面積約25 km2；查干套海礦區亦緊鄰巴格毛德礦區，位于其北東向，面積約30 km2。油頁巖礦層主要賦存于下白堊統巴音戈壁組二段中，礦層下部為巴音戈壁組一段，上部為下白堊統烏蘭蘇海組，礦層橫向延伸近30 km，礦層總厚度0～60 m。礦層共由103個鉆孔控制，其中，巴格毛德礦區47個，呼和恰布礦區33個，查干套海礦區23個。通過對3個礦區施工鉆孔所揭露油頁巖礦層的地層綜合柱狀圖進行對比，圈定出Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號3層油頁巖礦層。各礦層埋深、形態、厚度、含油率及穩定類型等特征詳見表1。

由表1可知，巴格毛德地區油頁巖礦層主要呈層狀產出，礦層較穩定，為大部可采礦層。礦層厚度為0～24.28 m，平均厚度為5.26 m。含油率為3.81%～10.60%，平均含油率為5.97%，屬中等品質油頁巖。 礦層埋深為12.37～268.09 m，埋深較淺。

表1 巴格毛德地區油頁巖礦層特征一覽表Table 1 List of characteristics of oil shale deposits in Bagemaode area

3 油頁巖巖石及礦物學特征

3.1 巖石學特征

巴格毛德地區油頁巖顏色多呈深灰色、灰褐色、灰黑色。油頁巖常與深灰色粉砂巖、粉砂質泥巖及炭質泥巖互層沉積，油頁巖層之間多發育泥灰巖層，泥質結構，水平層理發育(圖2)，呈薄頁片狀，也可見塊狀構造。硬度小，具油脂光澤，新鮮面指甲刻劃出現光亮之油脂條痕，用小刀可削起卷屑，視密度多在2.0 g/cm3以上，一般為2.02～2.44 g/cm3，均值為2.20 g/cm3，密度較小，薄片或小塊投入爐中可燃，燃燒散發較濃瀝青味。頁理面含豐富的葉肢介化石(圖3)、藻類化石、碳屑、植物莖干化石及密集的介形蟲化石。

圖2 油頁巖水平層理Fig.2 Horizontal bedding of oil shale

圖3 葉肢介化石Fig.3 Fossils of leaf limbs

3.2 礦物學特征

根據2018年9—10月吉林大學在巴格毛德地區對油頁巖進行的衍射礦物成分分析可知[8]，油頁巖以石英、長石為主的陸源碎屑礦物和以伊蒙混層、伊利石為主的黏土礦物組成，還含有部分方解石和白云石。據統計，油頁巖中石英平均含量為23.6%；長石類型以斜長石為主，含量相對較少，不足10%；方解石含量較低，但富含較多白云石，平均含量為14.7%。通過對油頁巖黏土礦物定量分析表明，黏土礦物中伊蒙混層、伊利石的含量占絕對優勢，平均含量分別為34.8%、12.3%，高嶺石和綠泥石含量較少，均不足總量的2%。據油頁巖掃描電鏡和能譜分析資料可知，在掃描電鏡下，油頁巖中的各種礦物形態清晰可見，根據能譜可進一步確定陸源碎屑礦物石英、鉀長石、鈉長石、方解石、白云石等，以及伊蒙混層、伊利石、綠泥石等黏土礦物。其中，掃描電鏡下石英呈柱狀，方解石呈四面體形，晶型較好，伊利石為鱗片狀。從礦物組成上來說，油頁巖屬含高硅高鋁礦。

4 油頁巖礦工業品質特征

1) 水分。根據巴格毛德地區施工鉆孔樣品測試中水分分析結果可知，水分為0.03%～6.93%，平均為2.42%，油頁巖水分總體含量較低，有利于油頁巖的綜合利用。

2) 灰分。據該區鉆孔樣品灰分分析測試結果，油頁巖灰分為64.00%～88.24%，平均78.18%，表明該地區油頁巖屬高灰分油頁巖。而且，油頁巖灰分越低，其相應的含油率就越高。

3) 揮發分。該區油頁巖揮發分為13.49%～19.38%，平均值17.85%，屬低揮發分油頁巖。

4) 固定碳。該區油頁巖固定碳為0.01%～20.41%，平均值1.45%，屬低固定碳油頁巖。

5) 全硫。該區油頁巖全硫為0.01%～4.63%，平均0.70%，屬低硫油頁巖。

6) 發熱量。該區油頁巖發熱量為1.35～9.45 MJ/kg，平均值4.17 MJ/kg，屬低發熱量油頁巖。

7) 元素分析。據該區油頁巖部分鉆孔樣品元素分析測試結果，油頁巖礦層的元素組成中碳含量為26.79%～62.34%，平均53.52%，氫含量為3.99%～11.41%，平均6.97%，氮含量為0.97%～1.80%，平均1.27%，氧含量為21.91%～67.21%，平均34.61%。參照《油頁巖有機化學成分分類》標準，碳含量<60%，氫含量<7.3%，油頁巖品級屬一級品。

8) 油頁巖灰成分分析。根據該區油頁巖灰成分分析結果可知，灰成分以SiO2為主，含量為36.07%～61.28%，平均50.90%，其次為Al2O3含量為12.40%～17.21%，平均15.20%，CaO含量為2.99%～22.18%，平均10.70%，Fe2O3含量為5.59%～8.79%，平均6.82%，少量MgO、K2O、SO3、Na2O、TiO2。

綜上所述，該地區油頁巖屬低水分、高灰分、低揮發分、低發熱量、低固定碳和低硫型油頁巖，油頁巖品級屬一級品。油頁巖灰成分以SiO2為主，其次為Al2O3、CaO、Fe2O3。

5 開發利用前景分析

油頁巖開發利用最早可追溯到17世紀，在20世紀前油頁巖主要用于生產煤油、燈油、石蠟、燃料油、潤滑油、油脂和化學肥料等產品；20世紀隨著汽車的出現，油頁巖被作為運輸燃料原料而大量開發，直到20世紀60年代原油的大量開采利用，油頁巖作為主要能源礦物才退出歷史舞臺[4]。目前，油頁巖的利用更加廣泛，國內外對油頁巖的開發利用主要有發電、取暖、提煉頁巖油、制造水泥、生產化學藥品、用作塑料制品摻合料、填充料、合成建筑材料以及研制土壤增肥劑等[5-7]。

5.1 油頁巖開發利用條件

巴格毛德地區油頁巖礦通過詳查和勘探已查明油頁巖資源量20.70億t，平均含油率5.97%，油頁巖油量1.24億t。礦層埋藏較淺，油頁巖礦層較穩定，區內構造、開采技術條件簡單。同時，巴格毛德地區油頁巖屬中等品質油頁巖，水分、硫分低，油質較好。此外，該區有新建公路直達，交通較為方便，具備較好的開發利用條件[8]。

5.2 油頁巖開發利用前景

1) 巴格毛德地區的油頁巖平均灰分為78.18%，平均硫分為0.70%，平均發熱量4.17 MJ/kg，發熱量低于規范中燃燒用油頁巖最低發熱量一般工業指標要求，同時灰分也大于最高灰分要求，因此，該區油頁巖不能用作燃料。但平均含油率5.97%，根據規范和選礦試驗報告，適合進行低溫干餾提取頁巖油。

2) 油頁巖灰渣可作水泥原料、燒制陶粒、陶瓷纖維等輕質骨料和保溫材料。此外，巴格毛德地區油頁巖灰渣中SiO2和Al2O3總含量為66.10%左右，可從中提取氧化鋁和高純度二氧化硅。

3) 油頁巖發熱量較低，固定碳也很低，難以直接用于鍋爐燃燒，但可以用于油頁巖的干餾加熱。

6 結 論

1) 巴格毛德地區油頁巖屬于中等品質、低水分、高灰分、低揮發分、低發熱量、低固定碳和低硫型油頁巖，油頁巖品級屬一級品。油頁巖灰成分以SiO2為主，其次為Al2O3、CaO、Fe2O3。

2) 巴格毛德地區油頁巖資源量大，埋藏淺，地質條件較好，交通便利，聯合干餾煉油-灰渣-建材的一站式工業開發工藝，具有較高的工業價值。在現有經濟技術條件下，適宜大規模開采，具有巨大的開發利用前景。