武昕普，柳蓉，2，3，張坤，趙康安，韓佳兵

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130061;2.吉林省油頁(yè)巖及共生能源礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130061；3.吉林大學(xué)東北亞古生物演化與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130026

0 引言

油頁(yè)巖是一種有機(jī)質(zhì)富集的細(xì)粒沉積巖[1]，由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，可以用于提煉油頁(yè)巖油、發(fā)電、稀有稀土金屬提取和建材等各個(gè)領(lǐng)域，引起了世界的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)油頁(yè)巖的形成環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)研究，并對(duì)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集有利條件提出了不同見解。許多學(xué)者通過(guò)對(duì)不同地區(qū)的油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集的影響因素研究認(rèn)為，溫暖濕潤(rùn)的古氣候條件有利于水生生物的生長(zhǎng)繁殖，提高了湖泊生產(chǎn)力，從而有利于有機(jī)質(zhì)富集，形成油頁(yè)巖[2-7]。還有一些學(xué)者通過(guò)對(duì)銀額盆地含油頁(yè)巖系的沉積環(huán)境研究后認(rèn)為該盆地的含油頁(yè)巖巖系的沉積條件為半溫暖半濕潤(rùn)甚至炎熱干旱的條件[8]。這與之前學(xué)者普遍認(rèn)為的油頁(yè)巖形成于溫暖濕潤(rùn)氣候條件存在較大的差異。并且，對(duì)于是在溫暖濕潤(rùn)還是在炎熱干旱的氣候條件下更有利于形成油頁(yè)巖，缺少進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

銀額盆地為新發(fā)現(xiàn)的含油頁(yè)巖盆地，總體研究程度較低，筆者對(duì)銀額盆地巴格毛德地區(qū)露天礦出露的下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含油頁(yè)巖巖系地層進(jìn)行密集、系統(tǒng)的取樣分析，利用主量元素及微量元素等無(wú)機(jī)地球化學(xué)特征，對(duì)銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含油頁(yè)巖系的古氣候和古水體條件進(jìn)行研究，并結(jié)合TOC、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)成熟度等有機(jī)地球化學(xué)特征對(duì)銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組的有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，揭示其有機(jī)質(zhì)富集的有利條件。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

銀根—額濟(jì)納旗盆地簡(jiǎn)稱銀額盆地，位于內(nèi)蒙古自冶區(qū)西部，東起狼山，西至北大山，南抵雅布賴山，北以中蒙邊境為界，是上古生界與中生界的疊合盆地，地處阿拉善高原，盆地四周環(huán)山，總體呈NEE走向。東西長(zhǎng)約650 km,南北寬約75～225 km,面積約12.3×104km2，中、新生界沉積巖分布面積10×104km2[9]。盆地基底為中元古界、古生界的變質(zhì)巖、千枚巖、石英片巖和花崗巖等,蓋層為中生界的砂巖、泥巖和頁(yè)巖等。

研究區(qū)位于銀額盆地北部楚魯隆起巴格毛德地區(qū)(圖1)，基本表現(xiàn)為極開闊的不對(duì)稱向斜構(gòu)造，向斜軸部偏西，東翼寬緩，西翼陡峭[10]。研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較為健全，自下而上有下白堊統(tǒng)巴音戈壁組(K1b)、上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組(K2w)和第四系(Q)，其中巴音戈壁組劃分為巴音戈壁組一巖段(K1b1)和巴音戈壁組二巖段(K1b2)兩個(gè)巖段。巴音戈壁組二巖段為研究區(qū)內(nèi)主要地層單位，主要分布在巴格毛德西北呼倫陶勒蓋和楚魯廟以東，底部與巴音戈壁組一巖段整合接觸，頂部與烏蘭蘇海組不整合接觸[10]。上部巖性為灰色、灰綠色泥巖;下部為砂礫巖；中部為灰色、灰黑色頁(yè)巖，粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖，夾灰黑色油頁(yè)巖，是本區(qū)主要含油頁(yè)巖礦地層[11]。

2 含油頁(yè)巖系特征

本次對(duì)巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組露天礦進(jìn)行系統(tǒng)取樣，自下而上以15 cm為間隔進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣長(zhǎng)度17.14 m。為避免出露的巖層由于氧化而導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，采集的樣品均取自新鮮剖面。

2.1 巖石學(xué)特征

通過(guò)對(duì)露天礦剖面進(jìn)行連續(xù)取樣并精細(xì)描述(圖2),研究區(qū)巖性主要以灰色泥巖、深灰色頁(yè)巖(圖2e)、灰色粉砂質(zhì)泥巖、灰白色泥灰?guī)r(圖2b)和灰黑色油頁(yè)巖為主。其中該剖面共發(fā)育12層油頁(yè)巖，集中在該剖面的中部和下部，但厚度分布不均勻，其中5層油頁(yè)巖厚度較大，厚約0.93 m。油頁(yè)巖中發(fā)育水平層理和生物富集層(圖2c)，主要為葉肢介殼體碎片，此外含大量的植物莖桿和葉肢介化石(圖2a)，為嘉峪關(guān)疊飾葉肢介和柔飾玉門葉肢介[12]，偶見介形蟲化石(圖2f，g)。泥灰?guī)r層底部偶見礫石(圖2d)。

圖1 巴格毛德地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖及礦坑野外露頭Fig.1 Geological map of Bagemaode area and pit outcrop

2.2 礦物學(xué)特征

研究區(qū)不同巖性樣品的X-射線衍射全巖分析結(jié)果顯示，油頁(yè)巖中主要成分為黏土礦物(表1)，以伊蒙混層和伊利石為主(表2)，方解石和白云石在個(gè)別樣品中含量較高(表1)。頁(yè)巖和泥巖與油頁(yè)巖具有相似的礦物成分，但不發(fā)育白云石；細(xì)砂巖主要由石英、方解石和黏土礦物組成，并且含有少量石膏(表1)。

表1 銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組礦物成分

圖2 露天礦剖面野外實(shí)測(cè)地層綜合柱狀圖及礦物含量Fig.2 Comprehensive stratigraphic column and mineral content of strip mine outcrop

表2 銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組黏土礦物組分

Table 2 Clay mineral composition of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Bagemaode area, Yin’e Basin

樣品編號(hào)巖性黏土礦物含量/wt%蒙皂石伊蒙混層伊利石高嶺石綠泥石伊蒙混層比(%蒙皂石)PK-60油頁(yè)巖/69243440PK-45油頁(yè)巖/74222240PK-34油頁(yè)巖/65312240WL-14泥巖/71224340

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

筆者利用有機(jī)碳含量(TOC)、生烴潛力(S1+S2)和氫指數(shù)(HI)等數(shù)據(jù)研究有機(jī)質(zhì)的豐度、類型和成熟度。通過(guò)繪制有機(jī)碳含量(TOC)、生烴潛力(S1+S2)和氫指數(shù)(HI)的變化曲線，發(fā)現(xiàn)三者之間具有良好的正相關(guān)性(圖3)。

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

通過(guò)對(duì)樣品中有機(jī)質(zhì)的TOC和S1+S2含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示TOC含量為0.76%～12.65%，平均值為4.68%；S1+S2含量為0.18～105.36 mg/g，平均S1+S2含量為23.89 mg/g，可以看出整體有機(jī)質(zhì)豐度不高，但變化較大。油頁(yè)巖TOC含量較高,在5.22%～12.65%之間，平均值為8.30%；S1+S2為25.23～105.36 mg/g，平均值為55.79 mg/g。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

油頁(yè)巖和泥頁(yè)巖樣品的巖石熱解參數(shù)包括熱解參數(shù)S1(液態(tài)烴殘留量)、S2(熱解生烴量)、S3(熱解有機(jī)CO2)和Tmax(熱解峰值溫度)，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算得到HI指數(shù)，根據(jù)Tmax和HI、TOC和S2進(jìn)行投圖，可知巴格毛德地區(qū)油頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型(圖4)。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

巖石熱解參數(shù)Tmax常用于評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)成熟度。鄔立言等[13]通過(guò)對(duì)中國(guó)不同盆地的生油巖進(jìn)行研究后，提出了不同類型的有機(jī)質(zhì)在不同的成熟階段對(duì)應(yīng)的Tmax值(表3)。測(cè)試樣品中Ⅰ型有機(jī)質(zhì)的Tmax在437.5℃～443℃之間，平均值為439.78℃，說(shuō)明Ⅰ型有機(jī)質(zhì)處于低成熟階段；Ⅱ型(包括Ⅱ1型和Ⅱ2型)有機(jī)質(zhì)的Tmax在433℃～441℃之間，平均值為438.06℃，說(shuō)明Ⅱ型有機(jī)質(zhì)處于未熟-低熟階段，以低成熟階段為主；Ⅲ型有機(jī)質(zhì)的Tmax在420℃～438.5℃之間，平均值為431.88℃，說(shuō)明Ⅲ型有機(jī)質(zhì)處于未成熟-低成熟階段，以未成熟階段為主。綜上表明，銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組含油頁(yè)巖系的有機(jī)質(zhì)成熟度整體處于未熟-低熟階段。

表3 有機(jī)質(zhì)不同成熟階段的Tmax值[13]

圖4 銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組有機(jī)質(zhì)類型Fig.4 Types of organic matter of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Bagemaode area, Yin’e Basin

4 含油頁(yè)巖系有機(jī)質(zhì)富集條件分析

4.1 古氣候條件

指示古氣候的方法主要有Sr/Cu法和黏土分析法。Sr/Cu比值對(duì)古氣候的變化非常敏感[14]，Sr/Cu>5指示干燥炎熱氣候，Sr/Cu值在1.30～5.00之間則指示溫暖濕潤(rùn)的氣候[15-16]。

研究區(qū)Sr/Cu比值介于3.24～390.70，總體揭示了研究區(qū)為一套炎熱干旱與溫暖濕潤(rùn)頻繁交替發(fā)育的氣候環(huán)境(圖3)。通過(guò)垂向上有機(jī)質(zhì)豐度與古氣候條件對(duì)應(yīng)關(guān)系分析來(lái)看，溫暖濕潤(rùn)和炎熱干旱的氣候條件都可以形成油頁(yè)巖。高有機(jī)質(zhì)含量的油頁(yè)巖形成于較炎熱干旱的環(huán)境，溫暖濕潤(rùn)的氣候條件形成的油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度較低(圖3)。通過(guò)繪制TOC與Sr/Cu相關(guān)性散點(diǎn)圖(圖5a)，發(fā)現(xiàn)大部分油頁(yè)巖樣品落在較炎熱干旱的區(qū)域，并且對(duì)于油頁(yè)巖樣品來(lái)說(shuō)，隨著干旱炎熱的程度增高，有機(jī)質(zhì)含量反而有下降的趨勢(shì)。進(jìn)一步說(shuō)明較炎熱干旱的氣候條件是高品質(zhì)油頁(yè)巖形成的有利條件，溫暖濕潤(rùn)和過(guò)于炎熱干旱不利于形成高品質(zhì)油頁(yè)巖。

高嶺石在溫暖潮濕的氣候下易于形成，在干旱氣候下不利于形成高嶺石[17]，因此，對(duì)于低熱演化階段，可以用高嶺石的含量來(lái)指示古氣候。巴音戈壁組二段樣品中的高嶺石含量很低，說(shuō)明當(dāng)時(shí)總體為干旱氣候。伊利石多在寒冷少雨的氣候下形成[18-19]，伊/蒙混層的出現(xiàn)通常伴隨季節(jié)性的干旱和溫暖氣候條件，伊/蒙混層含量越高，代表氣候越溫暖干旱[20]，由此可以看出巴音戈壁組二段整體的氣候較炎熱干旱，與Sr/Cu指示的氣候條件一致。

4.2 古水體條件

4.2.1 古鹽度

Sr/Ba是用來(lái)判別古鹽度的有效指標(biāo)[21-25]。一般來(lái)講，淡水環(huán)境中Sr/Ba值<0.5，代表陸相湖泊環(huán)境；咸水環(huán)境中Sr/Ba值>1.0，代表海相環(huán)境或者咸化的陸相湖泊；Sr/Ba值在0.5～1.0之間代表半咸水的過(guò)渡相環(huán)境[26]。并且在湖泊中Ca/Mg比值的高低也可以反應(yīng)當(dāng)時(shí)的沉積水體鹽度條件，但是不同地區(qū)的Ca/Mg的比值會(huì)有所變化[27]，通過(guò)Sr/Ba與Ca/Mg的相關(guān)性圖(圖5c)可以看出，較高的Ca/Mg比值對(duì)應(yīng)較高的Sr/Ba比值，說(shuō)明隨著水體鹽度增加，Ca/Mg比值也有升高的趨勢(shì)。Mo/TOC可以反映古湖泊的封閉程度，Mo/TOC比值越高，表明湖泊封閉性越差，隨之出現(xiàn)的是較低的水體鹽度；反之，Mo/TOC比值越低，指示的是水體鹽度較高的封閉性水體環(huán)境[28]。通過(guò)垂向上Mo/TOC比值的分布規(guī)律來(lái)看，油頁(yè)巖段的Mo/TOC值較低，水體封閉性較好(圖3)。

圖5 微量元素比值與TOC相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between TOC and ratios of trace elements

研究區(qū)Sr/Ba比值介于0.17～4.77之間，總體以半咸水-咸水沉積為主，局部發(fā)育淡水沉積。經(jīng)Sr/Cu和Sr/Ba比值的變化曲線對(duì)比分析看出，古氣候和古鹽度具有相似的變化規(guī)律(圖3)。

通過(guò)TOC與Sr/Ba相關(guān)性擬合(圖5b)可以看出，在淡水-半咸水的水體環(huán)境下，有機(jī)碳含量與Sr/Ba比值成正相關(guān)的線形關(guān)系，即隨著水體鹽度增加，有機(jī)碳含量有增高的趨勢(shì)，并且油頁(yè)巖基本發(fā)育在半咸水-咸水條件下；當(dāng)水體由半咸水轉(zhuǎn)換為咸水后，隨著水體鹽度增加，有機(jī)碳含量卻出現(xiàn)隨之下降的趨勢(shì)。結(jié)合垂向上的有機(jī)碳含量與水體鹽度變化關(guān)系上來(lái)看(圖3)，淡水和咸水環(huán)境下都可以形成油頁(yè)巖，但是品質(zhì)較好的油頁(yè)巖發(fā)育在咸水環(huán)境下，淡水環(huán)境中的油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量較低。垂向上，Sr/Ba值出現(xiàn)了3次較大的峰值，分別為10.11 m處的3.80，15.14 m處的4.13和15.08 m處的4.77，顯示這3個(gè)階段為半咸水-咸水沉積環(huán)境，伴隨發(fā)育的是含油率和有機(jī)質(zhì)含量都較高的厚層油頁(yè)巖。這些現(xiàn)象說(shuō)明水體鹽度在半咸水-咸水的條件下有利于形成高品質(zhì)油頁(yè)巖。

4.2.2 氧化還原環(huán)境

V/(V+Ni)是通常被用來(lái)判別氧化還原環(huán)境的微量元素指標(biāo)[29-30]。一般來(lái)講，還原環(huán)境下V/(V+Ni)>0.60，氧化環(huán)境下V/(V+Ni)<0.46，貧氧環(huán)境下V/(V+Ni)在0.46～0.60之間[31]。樣品的V/(V+Ni)值為0.39～0.84，平均值為0.73，僅有個(gè)別樣品的V/(V+Ni)值<0.46，其余樣品V/(V+Ni)值均>0.46，且大部分位于0.6～0.8之間(圖3，圖5d)。

高喬等[32]和Steiner等[33]認(rèn)為可以用δU=2U/(U+Th/3)來(lái)指示氧化還原環(huán)境(δU>1：缺氧環(huán)境；δU<1：氧化環(huán)境)。研究區(qū)δU值為0.48～1.58，平均值為1.17，同樣僅有個(gè)別樣品δU值<1(圖5d)。

以上研究表明，當(dāng)時(shí)含油頁(yè)巖巖系的沉積基本處于強(qiáng)還原的沉積環(huán)境，為有機(jī)質(zhì)的保存提供了良好的條件。

5 有機(jī)質(zhì)富集條件討論

豐富的有機(jī)質(zhì)來(lái)源、還原環(huán)境以及適宜的沉積速率是有機(jī)質(zhì)富集的有利條件[34]。通過(guò)以上對(duì)含油頁(yè)巖巖系的古氣候、氧化還原條件以及古水體性質(zhì)的研究表明，對(duì)于本研究區(qū)，相對(duì)炎熱干旱的氣候條件、半咸水-咸水的強(qiáng)還原環(huán)境最有利于有機(jī)質(zhì)富集，形成高品質(zhì)油頁(yè)巖。從垂向上有機(jī)質(zhì)的富集規(guī)律來(lái)看，溫暖濕潤(rùn)和炎熱干旱條件都可以形成油頁(yè)巖層，但在較炎熱干旱的背景下，可以形成高品質(zhì)油頁(yè)巖(圖5a)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為有利于有機(jī)質(zhì)富集的溫暖濕潤(rùn)氣候?qū)τ诒狙芯繀^(qū)來(lái)說(shuō)并非有利于高豐度有機(jī)質(zhì)的形成，研究區(qū)溫暖濕潤(rùn)條件下形成的有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅱ型和Ⅲ型，其可能由于過(guò)于豐沛的降水和大量陸源高等植物碎屑的輸入促使古湖盆可容納空間增大的同時(shí)，也大大稀釋了沉降到水體底部的有機(jī)質(zhì)濃度。而相對(duì)炎熱干旱條件下則出現(xiàn)可容納空間的相對(duì)減小，有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要來(lái)自古湖泊生產(chǎn)力的內(nèi)源成因，相比溫暖濕潤(rùn)氣候條件下其具有較小的有機(jī)質(zhì)稀釋，有利于有機(jī)質(zhì)的富集。同時(shí)，在半咸水-咸水環(huán)境下，形成水體分層，形成良好的還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

6 結(jié)論

(1)銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段含油頁(yè)巖巖系中油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型和Ⅱ1型，低有機(jī)質(zhì)含量的泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型，有機(jī)質(zhì)成熟度整體處于未熟-低熟階段。

(2)銀額盆地巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段含油頁(yè)巖巖系沉積時(shí)期整體為炎熱干旱與溫暖濕潤(rùn)交替發(fā)育的氣候環(huán)境，淡水-咸水交替出現(xiàn)的還原水體環(huán)境。

(3)對(duì)于本研究區(qū)，溫暖濕潤(rùn)的淡水環(huán)境和炎熱干旱的半咸水-咸水環(huán)境下都可以形成油頁(yè)巖，其中較炎熱干旱的咸水環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)富集，是高品質(zhì)油頁(yè)巖形成的有利條件。