新生代斷陷盆地煤和油頁巖成因及成礦規(guī)律

隨著人類對能源需求的日益增長，人們積極尋找豐富而有價值的能源盆地已成為世界的中心。目前,煤層氣、頁巖氣、油頁巖已經(jīng)成為繼煤、油氣之后的研究熱點(diǎn),并成為全球油氣資源勘探開發(fā)新的重點(diǎn)領(lǐng)域。油氣、頁巖氣、煤、煤層氣以及油頁巖等多種資源能共存于一個盆地已經(jīng)成為事實。油氣的研究離不開烴源巖,頁巖氣研究也離不開泥頁巖,煤層氣的研究離不開煤沉積。油頁巖是一種有機(jī)質(zhì)特別豐富的優(yōu)質(zhì)烴源巖,湖相油頁巖的巖性通常為泥頁巖,但因其有機(jī)質(zhì)豐度高(有機(jī)碳>6%),又有別于一般的烴源巖。因此,泥頁巖及其煤的成因及時空分布研究是開展多種能源礦產(chǎn)富集盆地中油氣、頁巖氣以及煤層氣富集規(guī)律的前提。但目前,在這方面總體研究程度較低。因此,本文將開展油頁巖、煤賦存特征及其成因探討,不僅為尋找大型油頁巖、煤礦床,而且將為尋找富含油氣、頁巖氣以及煤層氣資源類型且資源量大的能源盆地提供一定的理論依據(jù)。1煤與油頁巖互層油頁巖和煤作為重要的有機(jī)可燃礦產(chǎn),兩者在盆地同時代地層中產(chǎn)出的地質(zhì)現(xiàn)象從古生代到始新世均有發(fā)現(xiàn)。并且,在不同的盆地中油頁巖和煤的賦存形式不同,有的煤與油頁巖互層,有的油頁巖發(fā)育在煤層之上。例如,山東黃縣盆地的煤作為油頁巖的頂、底板交互出現(xiàn);撫順盆地巨厚煤直接發(fā)育在油頁巖之上,為直接接觸關(guān)系。并且,煤與油頁巖互層以及油頁巖為煤的頂板的賦存方式往往同時發(fā)育在一個盆地內(nèi)。例如梅河盆地和依蘭盆地,盆地內(nèi)煤與油頁巖都有發(fā)育,下段為煤與油頁巖互層,上段則發(fā)育比較穩(wěn)定的油頁巖層。2依蘭盆地油氣帶巖石的分布和形成條件本文在對比分析全國含油頁巖斷陷盆地基礎(chǔ)上,選取了具有代表性的同時發(fā)育煤和油頁巖沉積的依蘭盆地開展研究。2.1煤與油頁巖的相互關(guān)系依蘭盆地位于郯廬斷裂帶北延分支———依蘭-伊通斷裂帶,是我國典型的新生代斷陷盆地(圖1)。依蘭盆地不整合與前中生界花崗巖之上,沉積蓋層為古近系始新世達(dá)連河組。達(dá)連河組自下而上分別為下部含煤油頁巖段(E2-3d1)、中部油頁巖段(E2-3d2)及上部砂頁巖段(E2-3d3)。因此,該盆地煤與油頁巖存在3種不同的賦存方式:下部含煤油頁巖段(E2-3d1)煤與油頁巖呈互層發(fā)育;中部油頁巖段(E2-3d2)油頁巖與泥頁巖互層,不發(fā)育煤;上部砂頁巖段(E2-3d3)的局部地區(qū)發(fā)育薄層的煤,但不發(fā)育油頁巖。2.2環(huán)境分析2.2.1孢粉的過系統(tǒng)研究孢粉種屬及其含量變化是確定古氣候的靈敏標(biāo)志,不同的氣候環(huán)境具有不同的孢粉組合特征,本次將依據(jù)孢粉的組合特征,開展研究區(qū)油頁巖沉積的古氣候分析。依蘭盆地達(dá)連河的研究程度也很高,前人對該地區(qū)的孢粉從底部含煤油頁巖段、中部油頁巖段以及上部砂頁巖段進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。分別表現(xiàn)為櫟粉-杵粉(Quercaidires-Pistillipollenites)組合,櫟粉-杉粉(Quercaidires-Taxodiaceaepollenites)組合以及票粉-櫟粉(Cupuliferoipollenites-Quercaidires)組合。顯示出了達(dá)連河組早期含煤油頁巖段為溫暖而較濕潤的亞熱帶氣候,中期中部油頁巖段為溫暖而濕潤的亞熱帶氣候,到了晚期上部砂頁巖段則為溫暖稍濕潤的亞熱帶-暖溫帶氣候環(huán)境中,并可能有向氣候溫和、濕度下降方向發(fā)展的趨勢(圖2)。2.2.2礫巖和灰?guī)r中的煤與油頁巖、炭質(zhì)頁巖互層研究區(qū)雖然缺乏巖芯、測井、地震等資料,但露天煤發(fā)育,因此本文主要利用了野外多條實測剖面,結(jié)合巖性及巖石礦物、古生物等標(biāo)志識別了沉積相。通過單井柱狀分析,再到連井剖面解釋,進(jìn)行了沉積環(huán)境的分析。在依蘭盆地識別出了沖積扇、扇三角洲、湖沼相、湖泊相和水下重力流等沉積。(1)底部含煤、油頁巖段。該段主要發(fā)育沖積扇相和湖沼相,前者主要發(fā)育在煤層的底板,后者主要發(fā)育在煤與油頁巖互層段。根據(jù)野外實測觀察,沖積扇相的扇中和扇端較發(fā)育。扇中自下而上表現(xiàn)為一正粒序,由灰白色、雜色礫巖和灰白色含礫粗砂巖、粗砂巖互層組成辮狀河道,在礫巖和粗砂巖中見大中型板狀交錯層理、槽狀交錯層理和沖刷構(gòu)造(圖3)。扇端由灰黑色泥質(zhì)粉砂巖夾多層煤線組成,見植物碎片。湖沼相由煤與油頁巖、炭質(zhì)頁巖互層組成。煤層頂?shù)装寰鶠橛晚搸r,其底板中夾有的透鏡、線理結(jié)構(gòu)的煤表明了其具有腐泥基質(zhì)(油頁巖)和腐殖物質(zhì)(煤)混合的特征。這些都表明了湖泊相當(dāng)淺的情況下,可以直接大面積沼澤化,而不必經(jīng)砂分散體系的充填作用。因此,依蘭盆地發(fā)育了煤與炭質(zhì)頁巖、油頁巖直接過渡的關(guān)系。(2)中部油頁巖段。該段主要沉積相環(huán)境為湖泊相,其中半深湖-深湖相發(fā)育,且為油頁巖的優(yōu)勢相沉積。油頁巖中植物化石較發(fā)育,且保存完整。半深湖、深湖相主要由黑灰色薄層油頁巖夾深灰色薄層粉砂質(zhì)泥巖組成,其中濁流沉積發(fā)育。(3)上部砂頁巖段。該段的主要沉積體系為扇三角洲相,可進(jìn)一步劃分為扇三角洲平原,扇三角洲前緣和前扇三角洲(圖4,5)。其中扇三角洲平原發(fā)育程度高,識別出水上分流河道、水上分流河道間和沼澤3個微相(圖3)。依蘭盆地水上分流河道微相的粒度相對于其它地區(qū)的該微相較粗,自下而上一般表現(xiàn)為正粒序,自下而上為灰色中層長石巖屑中砂巖,灰色中層長石巖屑細(xì)砂巖和深灰色薄層粉砂質(zhì)泥巖。發(fā)育槽狀交錯層理,底部發(fā)育沖刷面,發(fā)育灰色泥礫。水上分流河道間微相主要由灰色、淺灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖組成。泥質(zhì)粉砂巖和泥巖多呈塊狀,其中含有植物莖干化石和細(xì)小的碳屑。沼澤微相主要由灰黑色的流河道的細(xì)砂巖或者水上分流河道間的灰色、淺灰色泥質(zhì)粉砂巖或泥巖;頂板為水上分流河道間的泥巖,炭質(zhì)泥巖或煤層組成,含豐富的植物化石及碎片(圖4)。3伊蘭盆地煤炭和油頁巖的成因3.1扇前淺湖盆沉積期煤與油頁巖伴生的含煤巖系依蘭盆地下部含煤油頁巖段由兩部分組成:上部由泥炭沼澤相的煤層和炭質(zhì)泥巖與湖相油頁巖及砂巖等組成;下部為一套沖積扇沉積(圖6)。達(dá)連河組地層沉積早期,因盆緣地形高差懸殊較大,盆地內(nèi)基底高低不平,物源方向比較多,主要來自北東向和西北向(圖6)。當(dāng)陸源風(fēng)化物被洪水迅速搬運(yùn)到盆地中時,首先是對低處進(jìn)行填平補(bǔ)齊,所以盆地邊緣堆積山麓相具棱角、分選性極差的角礫巖、含礫砂巖,向南則顆粒變細(xì)。而此時在盆地的中部則在較低洼的地方形成了扇前淺水湖盆。這種淺湖環(huán)境極易發(fā)生改變,淺水湖泊被淤淺后,大面積沼澤化,所形成的泥炭層與廢棄扇三角洲平原上的泥炭層連成一片,以致淺湖沉積之上直接形成煤層。之后由于構(gòu)造沉降和降水作用,潛水面上升,不利于煤的形成,而利于油頁巖的形成。由于沉積物不斷向湖盆中心堆積,導(dǎo)致湖平面下降,不利于油頁巖的形成,而利于煤的形成。因此,依蘭盆地含煤段的煤與油頁巖互層的形成原因的主控因素是湖沼時期的湖平面或沼澤時期的潛水面。由于盆地在演化初期,都有一個間歇式沉降的過程,在較為平坦、開闊的淺湖環(huán)境,在斷陷盆地初期的幕式構(gòu)造沉降的背景下形成了煤與油頁巖伴生的含煤巖系。煤主要沉積在扇前淺水湖盆,煤層厚度大,面積廣,穩(wěn)定性好(圖7),油頁巖直接沉積在煤層之上,在湖盆中心厚度大,向邊緣逐漸減薄,表現(xiàn)了一種從湖平面逐漸向岸上超的過程。因此,開闊的扇三角洲-淺湖沉積體系容易形成湖沼相油頁巖。3.2斷裂帶的生長依蘭盆地位于依蘭-伊通斷裂帶,為一個受斷裂帶南主干斷裂F1控制的小型新生代半地塹盆地。盆地的充填沉積不僅受到區(qū)域構(gòu)造體制的作用,還同時受到從屬于區(qū)域應(yīng)力場的局部應(yīng)力場,包括盆地邊緣斷裂、斷塊狀的基底、盆地內(nèi)部的同沉積斷裂和次級的同沉積隆起和拗陷以及作為物源區(qū)的邊緣隆起等。以上因素在盆地演化過程中體現(xiàn)著不同的同沉積構(gòu)造運(yùn)動形式。它們或者同期發(fā)展,對盆地沉積和煤、油頁巖的聚集產(chǎn)生復(fù)合作用,或者在某個階段單獨(dú)表現(xiàn)明顯。以上特征,在依蘭盆地表現(xiàn)很明顯。依蘭盆地發(fā)育初期斷裂F1的活動性較弱,只在基底本來很低洼的地方形成了淺水湖泊。后來,斷裂F1的活動性加強(qiáng),由于湖盆面積很小,當(dāng)時的氣候溫暖濕潤,在扇前、扇間及淺湖形成了大片沼澤化,沉積煤。后來由于斷裂F1開始間歇式活動,導(dǎo)致沼澤的潛水面升高,煤沉積結(jié)束,在此基礎(chǔ)上沉積了湖相油頁巖。從含煤段煤與油頁巖總厚度等值線圖(圖8)可以看出,油頁巖和煤在靠近斷裂F1的厚度較厚。其中,下煤層煤的最大厚度為3.0m以上,中煤層達(dá)9.0m以上。而該段的中下層油頁巖厚度5.0m以上,中層油頁巖達(dá)10.0m以上(圖9)。在分布范圍規(guī)律上,中下層煤、油頁巖主要分布在之前的湖盆中心淺湖地帶,而到了中層煤、油頁巖則不僅沉積的范圍擴(kuò)大,并且其沉積的厚度也有增加。在依蘭盆地出現(xiàn)這種油頁巖的分布特征是受控于盆地南邊的F1斷裂的活動,隨著盆地不斷的構(gòu)造沉降,沉積中心位于控盆斷裂一側(cè),隨著湖盆的沉積范圍擴(kuò)大,煤、油頁巖的沉積范圍也不斷的擴(kuò)大。3.3油頁巖的氣候特征煤和油頁巖都是富含有機(jī)質(zhì)的巖石,前者原始有機(jī)質(zhì)以陸生高等植物為主,低等植物菌藻類次之,后者主要由藻類及一部分低等生物遺骸或高等植物殘體組成。因此,陸地植被、大量藻類和低等生物的繁盛是煤和油頁巖形成的基本物質(zhì)基礎(chǔ),而氣候又是控制地球表面外生作用和生物界繁衍的基本因素。綜合孢粉分析結(jié)果,孢粉植物群面貌反映的古氣候從含煤段沉積開始至油頁巖段結(jié)束呈現(xiàn)向氣候溫和、溫度下降的發(fā)展趨勢(圖2)。達(dá)連河組早期含煤油頁巖段氣候為溫暖而較濕潤的亞熱帶氣候,為煤的形成提供了繁盛的植被條件。與煤共生的油頁巖礦形成的氣候條件波動較小,成礦差異主要體現(xiàn)在水體環(huán)境的變化。受控于當(dāng)時盆地初期的構(gòu)造振蕩作用的影響。但是,對于油頁巖段沉積卻體現(xiàn)了不同的氣候條件。油頁巖段的油頁巖有機(jī)來源雖然與含煤段的油頁巖的相似,體現(xiàn)為II2型,但兩者有很大的區(qū)別。這是因為古氣候影響古植被(古生態(tài))的類型,在一定程度上影響著陸源碎屑物源的類型和供給速度。油頁巖段時期雖然氣溫略降低,但是總體還是比較的溫暖濕潤,降雨較豐富,陸地植被覆蓋的密度較好,大量的降雨能使大量的陸源有機(jī)碎屑而不是無機(jī)碎屑得以搬運(yùn)。假設(shè)湖泊存在高密度的層間或底層水流,這些有機(jī)碎屑將搬運(yùn)得更遠(yuǎn),可以到達(dá)湖泊的中心沉積。因此,在這種情況下,由于陸源大量有機(jī)碎屑的加入,湖泊沉積的油頁巖將會呈現(xiàn)II2型干酪根特征。依蘭盆地煤層頂板深湖相油頁巖的成因,就如上所述。由于遠(yuǎn)源濁流的出現(xiàn),輸入了大量陸上產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)碎屑,因此油頁巖有機(jī)質(zhì)類型呈現(xiàn)II2型。溫暖潮濕的氣候條件,有利于生物的繁盛,并且降水量充足,容易形成深湖。在湖盆穩(wěn)定擴(kuò)張時期,在上述氣候條件下,深湖具有長年分層的特點(diǎn),因此對有機(jī)質(zhì)的保存很有利。因此,在達(dá)連河組的湖泊發(fā)育時期,由于湖水深度較大,形成較好的溫度分層。因此,氣候?qū)吹乃w分層起直接的控制作用。這主要是對于那些湖水較淺的盆地,要想保持長期分層的最理想的氣候條件是溫暖、濕潤、水面風(fēng)力較弱。如果風(fēng)力較大,在淺水的水域就會出現(xiàn)經(jīng)常性的水體翻轉(zhuǎn),很容易導(dǎo)致底層水的氧含量增加和較強(qiáng)的氧化條件,因此將大大降低極不穩(wěn)定的有機(jī)成分的保存能力。因此,無論深湖、淺湖,油頁巖形成的最有利古氣候條件組合為溫暖、潮濕、亞熱帶氣候,水面風(fēng)力較弱。4盆地擴(kuò)張期油頁巖的形成趨勢(1)斷陷型盆地是油頁巖和煤共生的有利盆地類型,并且具有多種不同的賦存方式;在盆地初期的幕式構(gòu)造沉降的背景下容易形成煤與油頁巖伴生的含煤巖系,煤主要沉積在扇前淺水湖盆,油頁巖直接沉積在煤層之上。而在盆地形成的擴(kuò)張時期,容易形成穩(wěn)定的油頁巖沉積。(2)依蘭