曾勝強(qiáng), 王劍, 付修根, 馮興雷 ，陳文彬 , 孫偉

1) 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 成都, 610081; 2) 國土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都, 610081

內(nèi)容提要：近年來，在羌塘盆地勝利河、長梁山、長蛇山、托納木等地發(fā)現(xiàn)的油頁巖為目前我國規(guī)模最大的海相油頁巖礦床，具有重要的工業(yè)開采價(jià)值。海相油頁巖的主要礦物成分為碳酸鹽、粘土礦物和石英，并見有黃鐵礦、石膏、菱鎂礦等礦物。粘土礦物以伊利石為主，少量高嶺石，不含蒙脫石。有機(jī)地球化學(xué)分析表明，這些油頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型較好。勝利河油頁巖TOC含量在4.31%～21.37%之間，均值為8.40%；托納木油頁巖的TOC含量也較高，最大值為25.68%，平均為9.32%；長梁山剖面油頁巖的TOC含量在2.96%～23.47%之間，平均值為9.56%；長蛇山油頁巖的TOC含量在4.53%～9.49%之間，平均值為7.74%。長蛇山油頁巖干酪根類型主要為Ⅱ1型，少數(shù)為Ⅱ2和Ⅲ型；勝利河油頁巖主要為Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根，而托納木油頁巖的干酪根類型主要為Ⅱ1型和Ⅰ型。白堊系海相油頁巖的形成受多方面因素控制，包括缺氧富氧狀態(tài)、古生產(chǎn)力、古氣候、粘土礦物的混積作用、古地形條件以及海平面變化等。其中，油頁巖的總有機(jī)碳含量(TOC)與古環(huán)境元素指標(biāo)Mo、V存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.975和0.917，而與古生產(chǎn)力指標(biāo)P/Ti、Ba/Al之間為弱相關(guān)或無相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.481和-0.739。因此，本文認(rèn)為海相油頁巖的形成以“保存模式”為主，有機(jī)質(zhì)沉積時(shí)的水體環(huán)境對(duì)高有機(jī)質(zhì)含量的油頁巖的形成起主導(dǎo)作用，并在此基礎(chǔ)上建立了海相油頁巖的形成演化模式。

油頁巖作為常規(guī)油氣的重要補(bǔ)充或替代能源，在我國資源豐富且分布范圍廣(劉招君等, 2012)。我國油頁巖資源儲(chǔ)量較豐富，居世界第4位，在新能源開發(fā)利用中頗具潛力。目前，我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)“眾多”油頁巖礦床，其中大部分為陸相油頁巖，如茂民盆地的古近系油頁巖(劉招君等, 2009)、樺甸油頁巖以及鄂爾多斯盆地、民和盆地的三疊系油頁巖等(劉招君等, 2006)。而海相油頁巖較少，目前主要分布在西藏羌塘盆地，如雙湖南部的下侏羅統(tǒng)畢洛錯(cuò)油頁巖、托納木、勝利河以北、長梁山以及長蛇山的白堊系油頁巖(李亞林等, 2005; 汪正江等, 2007; 付修根等, 2007; 王劍等, 2007, 2009)。

北羌塘盆地白堊系廣泛分布的海相油頁巖是該時(shí)期良好的礦產(chǎn)資源，具有重要的工業(yè)開采價(jià)值。因此，對(duì)油頁巖形成的沉積控制因素進(jìn)行研究對(duì)于以后的油頁巖的勘探、開發(fā)以及評(píng)價(jià)羌塘盆地演化晚期的資源潛力具有重要的地質(zhì)意義。

本文在對(duì)北羌塘盆地白堊系海相勝利河油頁巖、長蛇山油頁巖和長梁山油頁巖進(jìn)行巖石學(xué)、礦物學(xué)、元素地球化學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)控制白堊系海相油頁巖的缺氧富氧狀態(tài)、古生產(chǎn)力、粘土礦物的混積作用、古地形條件以及古氣候條件等因素進(jìn)行了討論，并建立了海相油頁巖的形成演化模式。

1 地質(zhì)背景

圖1 (a)青藏高原主要的構(gòu)造單元; (b) 羌塘盆地地理位置簡圖; (c) 勝利河—長蛇山地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 1 (a) Map of the Qinghai—Xizang(Tibet) plateau showing major terranes; (b) generalised map, showing location of Qiangtang Basin; (c) simplified geological map of the Shengli River—Changshe Mountain area

羌塘盆地位于青藏高原北部，特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域東段，中生代盆地面積約18×104km2(圖1a)(王成善等, 2004)。羌塘盆地夾于岡底斯—念青唐古拉板塊與可可西里—巴顏喀拉板塊之間，是在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和古生界褶皺基底之上發(fā)育起來的以中生界海相沉積為主的一個(gè)殘留盆地(王劍等, 2004, 2010a, 2010b)。羌塘盆地南北分別以班公湖—怒江縫合帶和可可西里—金沙江縫合帶為界(Kapp et al., 2000; 趙政璋等, 2000)，自北而南可分為北羌塘坳陷、中央隆起帶和南羌塘坳陷(西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1993; 尹福光, 2003; 尹福光等, 2004)3個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(圖1b)。

白堊系時(shí)期，受班公湖—怒江洋盆關(guān)閉的影響，羌塘盆地發(fā)生了大規(guī)模的海退，在北羌塘地區(qū)(北羌塘坳陷)形成了一個(gè)向西北開口的相對(duì)閉塞的海灣，該時(shí)期沉積的地層主要包括：雪山組、白龍冰河組和索瓦組上段(又稱為勝利河組)(譚富文等, 2004)。索瓦組上段是羌塘盆地主要含油頁巖地層，主要為潮坪—瀉湖相的油頁巖、泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、介殼灰?guī)r以及膏巖沉積；雪山組主要為三角洲—河流相的砂巖、泥巖和礫巖沉積；而白龍冰河組為淺海陸棚相的泥灰?guī)r、泥巖、砂屑灰?guī)r及頁巖沉積。

2 海相油頁巖分布情況及基本特征

羌塘盆地在早白堊世沉積了較大規(guī)模的油頁巖礦床，包括勝利河油頁巖、長梁山油頁巖、長蛇山油頁巖以及托納木油頁巖(圖1c)，這些油頁巖與海相灰?guī)r和膏巖共生，以勝利河油頁巖為例。

勝利河油頁巖呈NWW—SEE向展布，延伸長度大于30 km，寬度0.15～0.25 km，呈多層狀(3～7層)賦存于生屑泥晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r中，最上一層油頁巖頂部多為膏灰?guī)r及石膏層；油頁巖層系厚度在21.58～72.05 m之間，油頁巖累計(jì)厚度在1.45～6.13 m之間。勝利河油頁巖的頂部和底部為泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，而油頁巖剖面頂部為膏灰?guī)r和膏巖，并且在地層中還發(fā)現(xiàn)了豐富的海相雙殼類化石，包括Modioluscf.durnovariaeArkell,Mytilusungulatusyoung and Bird,Modiolusimbricatus(sow.),Myopholasmulticostata(Agassiz),ModiolusbipartitusSow,QuenstedtiasaggersoniCox,Pleuromyacalceiformis(Phillips),Chlamys(Radulopecten) sp.，結(jié)合其沉積相特征，確定勝利河油頁巖為海相地層(付修根等, 2007)。

勝利河油頁巖中分析出的大量孢粉化石以早白堊世常見的海金沙科孢子Cicatricosisporites占主要地位，也見有Jiaohepollis，Cerebropollenites，Ephedripites，Cycadopites等國內(nèi)外常見的早白堊世孢粉化石，認(rèn)為勝利河油頁巖的時(shí)代為早白堊世。為了進(jìn)一步確定該地層的時(shí)代，對(duì)勝利河油頁巖進(jìn)行了錸—鋨同位素定年，得到勝利河油頁巖全巖的等時(shí)線年齡為101±24Ma，相對(duì)于早白堊世中—晚期(王劍等, 2007; Fu Xiugen et al., 2008)。

3 樣品采集及分析方法

長梁山油頁巖位于北羌塘坳陷西南部，瑪爾果茶卡東部(圖1c)，剖面巖性組合較為簡單，主要巖性為黑色薄層狀油頁巖與灰黑色中—薄層狀泥灰?guī)r互層，垂向厚度大于21 m。油頁巖為該剖面的主要巖性，累計(jì)厚度達(dá)到16 m以上，巖石新鮮斷面為灰褐—黑褐色，風(fēng)化后略顯灰色，油頁巖呈薄的頁片狀或薄片狀，用小刀能夠剝離出毫米級(jí)的頁片，易破碎，破碎后斷口呈貝殼狀。油頁巖放入水中，水面漂浮一層油花，油頁巖能燃燒并伴有濃烈的油味。在該剖面共采集了21件樣品，包括5件泥灰?guī)r和16件油頁巖，樣品之間的間距約為1.0 m。在采集樣品時(shí)盡量采集新鮮的巖石樣品，并用小刀刮去泥灰?guī)r和油頁巖表面相對(duì)松散的物質(zhì)。

總有機(jī)碳(TOC)分析在華北油田勘探開發(fā)研究院有機(jī)地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，分析采用國標(biāo)GB/T 19145-2003。常量元素采用X熒光光譜儀方法測試，在成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所分析測試中心完成，分析精度優(yōu)于5%。微量元素采用ICP-MS方法分析，在核工業(yè)地質(zhì)分析測試研究中心完成，微量元素的RSD<10%，采用國標(biāo)DZ/T 0223-2001。

4 礦物學(xué)特征

勝利河油頁巖中礦物的含量較高，基本大于50%(51.3%～72.5%)(Fu Xiugen et al., 2010)。主要礦物有碳酸鹽(22.5%～44.3%)、石英(7.0%～16.3%)、粘土礦物(16.2%～36.5%)和黃鐵礦(0.4%～3.3%)(圖2)。其中方解石在油頁巖中的含量很高，主要呈磨圓較好的顆粒狀產(chǎn)出。在油頁巖中還普遍見有很多粘土礦物，以薄層或厚層產(chǎn)出。石英顆粒也主要為磨圓較好的顆粒狀出現(xiàn)。

長蛇山油頁巖的主要礦物為碳酸鹽、粘土礦物和石英(圖3)。并且在長蛇山油頁巖中還檢測到了正長石、斜長石、黃鐵礦、菱鐵礦、沸石以及風(fēng)化產(chǎn)物石膏、赤鐵礦等(Fu Xiugen et al., 2011)。長蛇山油頁巖中的主要元素是Ca，而在XRD分析出大量的方解石，說明油頁巖中的Ca主要以方解石的形式存在，在油頁巖中發(fā)現(xiàn)了大量的生物化石殼體，基本都是由純凈的方解石組成(圖4)，而生石膏和硬石膏的存在也說明Ca還存在于石膏中。從圖3中看出還檢測出很多粘土礦物(以伊利石為主)和石英。油頁巖中的含鉀長石和石英均為碎屑來源。粘土礦物中未見有蒙脫石和高嶺石。

圖2 羌塘盆地勝利河油頁巖樣品X射線衍射圖(據(jù) Fu Xiugen et al., 2010)Fig. 2 XRD of the Shengli River oil shale sample in Qiangtang Basin (after Fu Xiugen et al., 2010)

伊利石是強(qiáng)烈物理風(fēng)化作用下的產(chǎn)物，其一般來源于富含云母的母巖，特別是低級(jí)至中等變質(zhì)的變質(zhì)巖，是母巖風(fēng)化后的直接產(chǎn)物。高嶺石和蒙脫石一般是強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用的產(chǎn)物，而從勝利河和長蛇山油頁巖的分析結(jié)果中看出，基本不含高嶺石，沒有發(fā)現(xiàn)蒙脫石，而這種粘土礦物組合主要常見于山區(qū)的大洋碎屑粘土組合中(胡修棉, 2002)。

圖3 羌塘盆地長蛇山油頁巖樣品X射線衍射圖(據(jù) Fu Xiugen et al., 2011)Fig. 3 XRD of the Changshe Mountain oil shale sample in Qiangtang Basin (after Fu Xiugen et al., 2011)

5 有機(jī)地球化學(xué)特征

5.1 有機(jī)質(zhì)豐度

羌塘盆地白堊系海相油頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度普遍較高(表1)。勝利河油頁巖有機(jī)碳(TOC)含量較高，在4.31%～21.37%之間，均值為9.76%。托納木油頁巖的有機(jī)碳含量也較高，最大值為25.68%，平均為13.72%。長梁山剖面油頁巖的有機(jī)碳含量在2.96%～23.47%之間，平均值為9.56%。而長蛇山油頁巖的有機(jī)碳含量相對(duì)較低，7塊油頁巖樣品的TOC含量在4.53%～9.49%之間，平均為7.74%。

表1 羌塘盆地白堊系海相油頁巖總有機(jī)碳含量對(duì)比表Table 1 Correlation table of the total organic matter of the Cretaceous marine oil shales from the Qiangtang Basin

圖4 羌塘盆地長蛇山油頁巖生物殘?bào)w中發(fā)現(xiàn)的方解石(據(jù)Fu Xiugen et al., 2011)Fig. 4 Calcite found in the fossil remains in the Changshe Mountain oil shale sample in Qiangtang Basin(after Fu Xiugen et al., 2011)

圖5 羌塘盆地長蛇山油頁巖顯微組分組成(a)及有機(jī)質(zhì)類型(b)(據(jù)曾勝強(qiáng)等, 2013a)Fig. 5 The composition of micro component (a) and the type of organic matter (b) from the Changshe Mountain oil shale in Qiangtang Basin(after Zeng Shengqiang et al., 2013a)

長蛇山油頁巖的氯仿瀝青“A”含量在0.1768%～0.3403%之間(曾勝強(qiáng)等, 2013a)，勝利河油頁巖樣品的氯仿“A”在0.1200%～2.1375%之間，均值為0.6682%(王劍等, 2009)，比長蛇山油頁巖的氯仿瀝青“A”含量高。

勝利河油頁巖的生烴潛力(S1+S2)在5.66～111.1 mg/g之間，平均值為40.16 mg/g(王劍等, 2009)，顯示出較好的生烴潛力。而長蛇山油頁巖的產(chǎn)烴潛量較低，在6.24～11.81 mg/g之間，說明勝利河油頁巖的生烴潛力較長蛇山油頁巖好。

5.2 有機(jī)質(zhì)類型

長蛇山油頁巖干酪根顯微組分主要檢測出了腐泥組、鏡質(zhì)組、惰性組組分，其中以腐泥組分含量最高，在20%～85%之間；其次為惰質(zhì)組，含量在15%～60%之間；鏡質(zhì)組含量最低，在0～28%之間，具明顯的傾油性(圖5a)(曾勝強(qiáng)等, 2013a)。腐泥組的顏色主要為棕色，部分為棕黃色，說明長蛇山油頁巖的有機(jī)質(zhì)類型較好(李忠雄等, 2010)。

長蛇山油頁巖的烴源巖類型指數(shù)在-55～70之間，有機(jī)質(zhì)類型主要為腐殖腐泥型(Ⅱ1)，少數(shù)為腐泥腐殖型(Ⅱ2)和腐殖型(Ⅲ)。根據(jù)干酪根的H/C和O/C原子比圖解可以看出(圖5b)，油頁巖干酪根類型大都處于Ⅱ1型和Ⅱ2范圍內(nèi)。勝利河油頁巖在氫指數(shù)—氧指數(shù)散點(diǎn)圖中主要處于Ⅱ型干酪根范圍內(nèi)(圖6a)(Fu Xiugen et al., 2009a)，在H/C和O/C原子比圖解中也得出了相同的結(jié)果，主要為Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根(圖6b)。而托納木油頁巖的干酪根類型主要為Ⅱ1型和Ⅰ型(李亞林等, 2005)。

圖 6 羌塘盆地勝利河油頁巖有機(jī)質(zhì)類型[圖(a)據(jù)Fu Xiugen et al., 2009a]Fig. 6 The type of organic matter of source rock of the Shengli River oil shale section in Qiangtang Basin [Fig. (a) after Fu Xiugen et al., 2009a]

5.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

勝利河油頁巖的干酪根鏡質(zhì)體反射率(Ro)均值為0.63%，表明油頁巖的演化程度處于低成熟度階段。托納木油頁巖的鏡質(zhì)體反射率(Ro)均值為0.72%，也為低成熟度(李亞林等, 2005)。長蛇山油頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro均大于1%，在1.08%～1.43%之間，為成熟—高成熟度。

勝利河油頁巖的巖石熱解峰溫(Tmax)最大值為460°C，最小值為432°C，均值為433°C(王劍等, 2009)。而長蛇山油頁巖樣品熱解最高峰溫Tmax在452 ～471°C之間，說明有機(jī)質(zhì)基本處于成熟階段。長蛇山油頁巖干酪根腐泥組顏色主要為棕色，部分為棕褐色和棕黃色，這表明油頁巖的熱演化程度較高(傅家謨和秦匡宗, 1995)。勝利河油頁巖的孢粉呈黃棕色，大體反映其處于低成熟度階段，更重要的是，勝利河油頁巖的含油率較高，在3.5%～16.3%之間，平均為6.03%，顯示出較大的資源潛力。

6 油頁巖發(fā)育控制因素

羌塘盆地白堊系海相油頁巖具有有機(jī)質(zhì)豐度較高、有機(jī)質(zhì)類型好、熱演化程度低等特征，具有較好的生烴潛力?？刂朴晚搸r發(fā)育的因素較多，如水體和沉積物中的缺氧和富氧狀態(tài)、有機(jī)質(zhì)的原始產(chǎn)率、海平面變化、古氣候特征、古地形特征和沉積速率等，都與油頁巖在垂向上和橫向上的展布特征有著重要的聯(lián)系。一般而言，要形成高有機(jī)質(zhì)豐度的黑色頁巖要滿足兩個(gè)條件：一是有機(jī)質(zhì)的高生產(chǎn)力；二是有機(jī)質(zhì)的保存條件，即有機(jī)質(zhì)沉積時(shí)或者底水環(huán)境為缺氧厭氧的還原環(huán)境(張水昌等, 2001)，而目前就這二者誰為主導(dǎo)因素還存在不同的認(rèn)識(shí)(Arthur and Sageman, 1994; Murphy et al., 2000; Hetényi et al., 2004)。本文就控制羌塘盆地白堊系海相油頁巖形成時(shí)的缺氧富氧狀態(tài)、古生產(chǎn)力、古氣候特征、粘土礦物的混積作用、古地形以及海平面變化等進(jìn)行簡單的探討。

6.1 缺氧富氧狀態(tài)

圖7 羌塘盆地長梁山油頁巖的Al-normalized的氧化還原敏感微量元素比值以及TOC含量垂向分布圖(陰影部分為油頁巖沉積，箭頭指示缺氧—富氧狀態(tài)變化趨勢)Fig. 7 Stratigraphic distribution of Al-normalized trace-element (redox/oxygenation) and content of TOC from the Changliang oil shale in Qiangtang Basin (the shaded area shows the oil shale deposition, while the arrow represents the change trend of the anoxic—oxic state)

Mo、V、U、Cr、Ni、Co以及Th等元素對(duì)氧化還原條件的變化較敏感，因此常被用作沉積環(huán)境的判別指標(biāo)(常華進(jìn)等, 2009)。羌塘盆地發(fā)育的海相油頁巖在V/Sc—Th/U、V/(V+Ni)—Th/U、Ni/Co—V/Cr、V/Sc—V/Cr等判別圖中基本都落入了貧氧—缺氧區(qū)域內(nèi)(曾勝強(qiáng), 2013)，這樣的沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存，而與油頁巖韻律互層的泥灰?guī)r在判別圖中則落入了氧化環(huán)境區(qū)域內(nèi)，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量較低。在垂向上，油頁巖形成時(shí)的古環(huán)境呈氧化、貧氧—缺氧環(huán)境的循環(huán)變化，如圖7。在富氧的氧化環(huán)境中，在該區(qū)主要沉積了中—薄層狀的泥灰?guī)r及泥晶灰?guī)r，Mo、U、V等氧化還原敏感元素的含量較低(圖7)，氧化的沉積環(huán)境不利于埋藏有機(jī)碳的保存，也是這些層位非油頁巖樣品中總有機(jī)碳(TOC)含量低(圖7)的一個(gè)重要因素。而在缺氧貧氧的沉積環(huán)境中，由于海水供給不足，造成水體處于相對(duì)靜滯的狀態(tài)并出現(xiàn)了水體分層，海底處于缺氧的環(huán)境中，大量的與缺氧環(huán)境相關(guān)的微量元素(如Mo、U、V等)發(fā)生富集，也伴隨有黃鐵礦的出現(xiàn)，缺氧—還原的沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存，進(jìn)而形成了總有機(jī)碳含量較高的油頁巖。

6.2 古生產(chǎn)力

古生產(chǎn)力是指古海洋生物在能量循環(huán)過程中固定能量的速率，也即是單位面積單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生有機(jī)物的量，為沉積有機(jī)質(zhì)的形成提供了物質(zhì)來源。目前通常采用烴源巖的總有機(jī)碳(TOC) 含量直接作為古生產(chǎn)力指標(biāo)，認(rèn)為高的總有機(jī)碳(TOC)直接與高古生產(chǎn)力相關(guān)，而低的TOC值則被看作是低古生產(chǎn)力的直接結(jié)果。然而，值得注意的是，TOC主要是碳生物地球化學(xué)循環(huán)中的埋藏有機(jī)碳環(huán)節(jié)的產(chǎn)物，是初級(jí)生產(chǎn)者經(jīng)歷有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)、死亡、分解—礦化等過程后，沉積埋藏并保存至今的有機(jī)碳(張厚福等, 1999)，因此，沉積物中現(xiàn)今保存的TOC僅代表埋藏下來的有機(jī)質(zhì)，即埋藏有機(jī)碳，而不能夠片面的作為判斷古生產(chǎn)力高低的指標(biāo)。由此可見，海洋沉積物的TOC含量不僅受到古生產(chǎn)力的控制，而且還受到了其生境中的氧化—還原條件所決定的生物有機(jī)物的分解速率、保存作用的制約和陸源碎屑物質(zhì)輸入狀況的影響(Pujol et al., 2006; Rimmer et al., 2004; Turgeon and Brumsack, 2006)。因此，對(duì)埋藏有機(jī)碳與古生產(chǎn)力之間相關(guān)性的探討，將有助于客觀評(píng)價(jià)某一沉積環(huán)境的古生產(chǎn)力狀況。

沉積記錄中能夠反映初級(jí)生產(chǎn)者沉積環(huán)境、營養(yǎng)狀況、沉積條件等的微量元素指標(biāo)已被廣泛用于評(píng)價(jià)古生產(chǎn)力，如生物成因鋇、磷、Al/Ti和自生U等，而利用元素地球化學(xué)指標(biāo)中的Ba/Al以及P/Ti比值在加利福尼亞(CCAL)大陸邊緣薄層沉積物和日本中部Ubara和Gujo—Hachiman剖面的二疊—三疊紀(jì)界限沉積巖等的古生產(chǎn)力研究中得到了很好的應(yīng)用(Ketris and Yudovich, 2009; Algeo et al., 2011)。

圖8 羌塘盆地長梁山油頁巖的總有機(jī)碳(TOC)、缺氧富氧指標(biāo)以及古生產(chǎn)力指標(biāo)垂向變化Fig. 8 Profiles of TOC, Mo, V, P/Ti and Ba/Al in the Changshe Mountain oil shale samples from Qiangtang Basin

本文就羌塘盆地發(fā)育海相油頁巖的古生產(chǎn)力指標(biāo)Ba/Al和P/Ti與總有機(jī)碳(TOC)的相關(guān)性來探討古生產(chǎn)力與羌塘盆地高有機(jī)質(zhì)豐度的油頁巖形成的關(guān)系，并與氧化還原敏感元素Mo和V與TOC的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比討論，進(jìn)而探討在古生產(chǎn)力與古沉積環(huán)境之間，究竟哪種因素在羌塘盆地海相油頁巖的形成過程中起了主導(dǎo)作用。

圖8給出了羌塘盆地長蛇山海相油頁巖的總有機(jī)碳(TOC)，缺氧富氧指標(biāo)(Mo，V兩種元素)以及古生產(chǎn)力指標(biāo)(P/Ti，Ba/Al)在垂向上的分布型式。Mo和V是常見的缺氧富氧判斷指標(biāo)，它們在剖面上含量的變化能很好的反映出當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境。Mo僅在靜海環(huán)境下才能富集，所以Mo被認(rèn)為是區(qū)分缺氧環(huán)境和靜海環(huán)境最好的指標(biāo)(Meyer et al., 2008)。從圖中可以看出，缺氧富氧指標(biāo)Mo和V在垂向的變化曲線與TOC完全一致，說明長梁山海相油頁巖的總有機(jī)碳與Mo和V元素具有非常好的相關(guān)關(guān)系，這從TOC與Mo、V的散點(diǎn)圖中也證明了這點(diǎn)，它們的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.975和0.917(圖9)。

圖 9 羌塘盆地海相油頁巖總有機(jī)碳(TOC)與元素地球化學(xué)參數(shù)(Mo, V, P/Ti和Ba/Al)關(guān)系圖Fig. 9 Relationship between Mo, V, P/Ti, Ba/Al and TOC in the marine oil shale samples from Qiangtang Basin

與之相反，反映古生產(chǎn)力指標(biāo)的P/Ti和Ba/Al在剖面的變化曲線則與總有機(jī)碳(TOC)的變化不同，如圖8中，A處的TOC變化范圍較大，從12.42%到23.47%，而P/Ti比值基本維持在3.0左右，說明該段油頁巖的古生產(chǎn)力基本不變，但是其TOC也發(fā)生了較大的變化。B處的CL-11樣品的TOC出現(xiàn)了一個(gè)高點(diǎn)，11.97%，但是P/Ti和Ba/Al在該處卻出現(xiàn)了一個(gè)低點(diǎn)，在C處也能看出，C處的油頁巖的TOC含量呈逐漸減小的趨勢，而相反，古生產(chǎn)力指標(biāo)P/Ti和Ba/Al則逐漸增大或保持不變。該剖面油頁巖的總有機(jī)碳(TOC)和古生產(chǎn)力指標(biāo)P/Ti和Ba/Al也基本呈不相關(guān)或弱相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.739和0.481(圖9)。由此可以得出，長梁山海相油頁巖形成時(shí)，其埋藏有機(jī)碳含量與古生產(chǎn)力的關(guān)系不是非常密切，而主要受控于沉積氧化還原環(huán)境。

6.3 古氣候

羌塘盆地海相油頁巖沉積時(shí)期，處于潮濕的熱帶—亞熱帶環(huán)境，這樣的氣候條件利于藻類的繁殖以及油頁巖的形成，而油頁巖上部普遍發(fā)育的以膏巖為主的沉積組合則形成于炎熱干旱的氣候環(huán)境(Fu Xiugen et al., 2009a, 2009b)，導(dǎo)致油頁巖的沉積的消失，這種垂向上的溫暖潮濕—炎熱干旱的氣候環(huán)境的變化具有區(qū)域性分布的特征(曾勝強(qiáng)等, 2012)。

6.4 粘土礦物的混積作用

羌塘盆地海相油頁巖形成時(shí)期，盆地為相對(duì)閉塞的局限海，河流帶入較多的粘土物質(zhì)，與大量有機(jī)質(zhì)混合沉積，同樣有利于沉淀至底部的有機(jī)質(zhì)的賦存和駐留。一般認(rèn)為，Si、Al、K等元素與粘土礦物聯(lián)系緊密，地球化學(xué)分析顯示，羌塘盆地的海相油頁巖中的總有機(jī)碳(TOC)含量與SiO2、Al2O3、K2O存在很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.915、0.917和0.878(曾勝強(qiáng)等, 2013b)(圖10)。因此，粘土礦物在有機(jī)質(zhì)富集保存過程中的混積作用對(duì)于油頁巖高的有機(jī)質(zhì)含量的生成具有較大的促進(jìn)作用。

圖10 羌塘盆地白堊系海相油頁巖中TOC與K2O、Al2O3和SiO2含量相關(guān)圖(曾勝強(qiáng)等, 2013b)Fig. 10 Correlation diagram of TOC content against K2O, Al2O3 and SiO2 of the marine oil shale samples from Qiangtang Basin (after Zeng Shengqiang et al., 2013b)

6.5 古地形條件

白堊系時(shí)期，北羌塘盆地中部廣泛發(fā)育了潮坪—瀉湖相沉積，而目前發(fā)現(xiàn)的海相油頁巖帶主要沿長梁山—?jiǎng)倮印L蛇山—托納木一線的局限海灣—瀉湖的邊緣帶分布，可見沿海灣近陸緣沉積是該時(shí)期油頁巖沉積的有利區(qū)域，因此羌塘盆地白堊系海相油頁巖在橫向上展布明顯受古地理?xiàng)l件控制，而在垂向上受到了古地形條件的控制。

在垂向上，羌塘盆地的海相油頁巖也明顯受到了古地理?xiàng)l件的控制。對(duì)長梁山油頁巖和勝利河油頁巖分別進(jìn)行了精細(xì)剖面的測制(圖11和圖12)。圖11長梁山油頁巖對(duì)比剖面，從圖中可以看出，油頁巖在3號(hào)剖面發(fā)育最好，從底到頂一共發(fā)育7層油頁巖，用大寫英文字母A～G表示。然而在另外的1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)剖面均缺乏B段和C段，說明油頁巖剖面上的B、C段的油頁巖層分布非常局限。而且從3號(hào)剖面中的D段和E段的油頁巖的垂直厚度都比東部的4號(hào)剖面以及西部的1號(hào)和2號(hào)剖面厚，特別是1號(hào)和2號(hào)剖面(圖11)，因此可以判斷該條剖面上的油頁巖大致呈現(xiàn)出東厚西薄的“楔狀”，也即東部的油頁巖厚，泥灰?guī)r薄，而西部的油頁巖厚度薄，泥灰?guī)r比例增大。而A層油頁巖在4個(gè)剖面上看厚度基本差不錯(cuò)，但是在2號(hào)剖面呈現(xiàn)出了2層油頁巖，這與局部的古地理?xiàng)l件具有密切聯(lián)系。古地理相對(duì)較低的地區(qū)具有更大的可容納空間，相應(yīng)沉積更多的油頁巖，相反，則沉積的油頁巖厚度較薄，如從3號(hào)剖面能看出，其D、E和F段都較1號(hào)，2號(hào)和4號(hào)剖面厚，故而3號(hào)剖面的古地形相對(duì)較低。F層油頁巖在4個(gè)剖面中都顯示出不同的厚度，可見局地古地形差異較大。

圖11 羌塘盆地長梁山地區(qū)油頁巖剖面對(duì)比圖Fig. 11 Profiles correlation of the Changliang Mountain oil shale area in Qiangtang Basin

圖12 羌塘盆地勝利河油頁巖剖面對(duì)比圖Fig. 12 Profiles correlation of the Shengli River area in Qiangtang Basin

圖12是對(duì)勝利河沿岸的油頁巖剖面進(jìn)行的11條精細(xì)剖面測量，這些剖面上部均被第四系覆蓋。該油頁巖帶沿河岸出露長度120 m左右，剖面上油頁巖一般有2層，分別以B和D段表示，在7號(hào)剖面產(chǎn)出3層，B、D和F層，在3、4和5號(hào)剖面上僅見到了D層油頁巖。在垂向上，這些油頁巖的厚度差別也較大，1～10號(hào)剖面的B層油頁巖厚度相差不大，在0.8 m左右，但11號(hào)剖面B層厚度僅為0.12 m。同樣，D層在該油頁巖帶都有發(fā)育，可是在厚度上差別也很大，其厚度以4號(hào)和8號(hào)剖面最大，分別達(dá)到了1.07 m和1.10 m，其次為3、5、6、7、9和11號(hào)剖面，D層厚度在0.55～0.90 m之間，而1、2和10號(hào)剖面的厚度較薄，在0.09～0.21 m之間(圖12)?？梢姽诺匦蔚牟町悓?duì)油頁巖的垂向分布具有較大的影響。

6.6 海平面變化

受區(qū)域性構(gòu)造、降水以及全球性海平面變化的影響，羌塘盆地海相油頁巖沉積地區(qū)海平面變化較為頻繁(海水向羌塘盆地西部退出或從西部浸漫)，在非油頁巖沉積期相繼出現(xiàn)了海平面升高的特征，沉積了泥灰?guī)r或泥晶灰?guī)r；而在油頁巖沉積時(shí)期海平面又有所回落，因此在油頁巖沉積時(shí)期表現(xiàn)為瀉湖與潮坪環(huán)境相互變更的特征，表現(xiàn)為泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r和油頁巖的互層(Fu Xiugen et al., 2009b)。

油頁巖沉積時(shí)期，海平面降低，該地區(qū)為一局限的靜滯環(huán)境，受海水的影響很小或無海水的供給，水體分層。該時(shí)期氣候溫暖潮濕，大量的河水注入古瀉湖，上層水體為弱氧化環(huán)境，浮游藻類大量繁殖，生物死亡后埋藏，腐爛后釋放大量的H2S氣體，黃鐵礦在這種還原環(huán)境中大量出現(xiàn)，水體分層更加強(qiáng)烈，而后藻類的勃發(fā)，導(dǎo)致生物死亡速率遠(yuǎn)大于氧化速率，沉積環(huán)境變?yōu)槿毖酰踔翞閰捬?，伴隨著粘土礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的賦存駐留作用，大量的有機(jī)質(zhì)保存下來并形成油頁巖。

非油頁巖沉積時(shí)期，海平面上升，海水向油頁巖沉積地區(qū)浸漫，打破了原來靜滯的水體環(huán)境，水體分層消失，原貧氧缺氧的還原環(huán)境被相對(duì)氧化環(huán)境所替代，黃鐵礦消失，底棲生物又重新出現(xiàn)，回歸了正常的海洋環(huán)境，油頁巖消失，取而代之的是泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r沉積。

綜上所述，羌塘盆地白堊系高有機(jī)質(zhì)含量的油頁巖的形成與當(dāng)時(shí)的缺氧富氧狀態(tài)、古生產(chǎn)力、古氣候、粘土礦物的混積作用、古地形以及海平面變化等因素密切相關(guān)，其中古環(huán)境為油頁巖的形成提供了良好的保存條件，而與古生產(chǎn)力之間不存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，即油頁巖形成時(shí)的保存條件>有機(jī)質(zhì)的高生產(chǎn)力條件，海相油頁巖的形成以“保存模式”為主，也即是有機(jī)質(zhì)沉積時(shí)的水體環(huán)境在形成高有機(jī)碳含量的油頁巖過程中起到了主導(dǎo)作用。

7 海相油頁巖形成演化模式

根據(jù)前文的分析，羌塘盆地白堊系海相油頁巖的形成主要受到了底層水的缺氧富氧狀態(tài)、古生產(chǎn)力、古氣候、粘土礦物混積作用、古地形條件以及海平面變化等因素的控制，油頁巖的形成是這些條件綜合作用的結(jié)果。本文以這些研究為基礎(chǔ)，并結(jié)合羌塘盆地白堊系的區(qū)域地質(zhì)背景，概括出了羌塘盆地白堊系海相油頁巖的形成演化模式，如圖13所示。

羌塘盆地白堊系海相油頁巖的沉積過程大致可以分為3個(gè)階段。

第1階段：正常海洋沉積階段，羌塘盆地白堊系海相油頁巖沉積區(qū)在與開闊海之間存在一個(gè)古隆起，這對(duì)油頁巖沉積區(qū)的沉積巖性具有重要的控制作用。該階段海平面較高，海水從北部往油頁巖沉積區(qū)浸漫，水體循環(huán)通暢，氧氣供給很足，很多底棲生物(如有孔蟲、溝鞭藻以及鈣質(zhì)超微等)以及固地生物(如雙殼類、腹足類)生活在該地區(qū)，浮游藻類也較發(fā)育，河流、湖泊等淡水供應(yīng)充足，帶入了粘土以及巖石碎屑入海中，在該區(qū)主要為以含碎屑、碳酸鹽為主的沉積物(圖13a)。

第2階段：該階段受區(qū)域構(gòu)造或全球海平面的影響，海平面下降，該地區(qū)接受海水的供給減少，逐漸變?yōu)橥乃w環(huán)境。該時(shí)期古氣候較為溫暖，該地區(qū)富氧表層水因直接受太陽輻射而迅速變暖，水體鹽度也較低，該環(huán)境有利于生烴母質(zhì)生物(主要為一些低等藻類)在富氧表層水的繁衍、繁盛。該時(shí)期水體開始分層，底層水由于得不到供給，浮游藻類大量繁殖后，死亡埋藏，腐爛后釋放出H2S氣體，黃鐵礦在這種還原環(huán)境中開始出現(xiàn)(圖13b)，水體逐漸由弱氧化環(huán)境變?yōu)槿踹€原環(huán)境。大量的河水注入古瀉湖，并帶入大量的粘土礦物參與沉降。

圖13羌塘盆地白堊系海相油頁巖沉積演化模式圖Fig. 13 Sedimentary model of the Cretaceous marine oil shale in the Qiangtang Basin

第3階段：油頁巖沉積時(shí)期，海平面繼續(xù)降低，該地區(qū)基本不受海水的影響，水體分層更加強(qiáng)烈，底棲生物因不適應(yīng)成長環(huán)境而消失，而上層水體的藻類的大量繁殖，甚至勃發(fā)，使生物死亡速率遠(yuǎn)大于氧化速率，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖醐h(huán)境，甚至為厭氧環(huán)境，在水體底部形成大量的黃鐵礦顆粒(圖13c)，貧氧—缺氧敏感元素Mo、U、V等元素大量富集，為有機(jī)質(zhì)的保存提供了良好的條件，并伴隨粘土礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)富集過程的賦存駐留作用，大量的有機(jī)質(zhì)保存下來促成油頁巖的形成。

8 結(jié)論

(1) 勝利河油頁巖和長蛇山油頁巖中礦物主要以碳酸鹽、石英、粘土礦物和黃鐵礦為主。其中，粘土礦物以伊利石為主，含少量高嶺石，不含蒙脫石。

(2) 勝利河油頁巖、托納木油頁巖和長梁山油頁巖的TOC含量均較高，而長蛇山油頁巖的TOC含量相對(duì)偏低。

(3) 長蛇山油頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為腐殖腐泥型(Ⅱ1)，少數(shù)為腐泥腐殖型(Ⅱ2)和腐殖型(Ⅲ)；勝利河油頁巖主要為Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根，而托納木油頁巖的干酪根類型主要為Ⅱ1型和Ⅰ型。

(4) 羌塘盆地白堊系海相油頁巖的發(fā)育受到了多種因素的控制，包括缺氧富氧狀態(tài)、古生產(chǎn)力、古氣候、粘土礦物混積作用、古地形條件以及海平面變化等。油頁巖的總有機(jī)碳與古環(huán)境元素指標(biāo)存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，而與古生產(chǎn)力之間為弱相關(guān)或不存在相關(guān)關(guān)系，白堊系海相油頁巖形成以“保存模式”為主。