準噶爾盆地阜康地區(qū)二疊系油頁巖礦物學特征及成因分析

準噶爾盆地阜康地區(qū)二疊系油頁巖礦物學特征及成因分析

根據(jù)第15世界石油大會的估計，世界上未發(fā)現(xiàn)的石油資源量為6701103噸。按2001年世界原油消費量35.1×108t和已探明的儲量計算,可供使用40多年,如果按2010年預測石油消費44.7×108t計算,可使用37年左右。因此,石油價格從20世紀末的10.58美元上漲到現(xiàn)在的78美元,在短短8年內上漲了7倍多,是石油史上罕見的。盡管最近石油價格有所回落,但石油價格上漲趨勢已經(jīng)形成,它的飆升迫使世界各國千方百計尋找替代能源燃料[1~3]。目前中國的常規(guī)原油生產(chǎn)能力已經(jīng)處于飽和狀態(tài),2005年原油進口超過40%,到2020年每年將以3%~5%的速度遞增,而作為世界油頁巖資源量第四位的我國,充分開發(fā)油頁巖無疑可以有效緩解能源瓶頸問題。中國油頁巖主要分布于20個省份(區(qū)),主要集中在東北和中南地區(qū),查明資源儲量7199.37×108t,頁巖油資源為476.44×108t,頁巖油可回收資源為119.79×108t。2007年在準噶爾南緣博格達山北麓二疊系蘆草溝組進行的勘測,新增儲量近4×108t,為今后在該地區(qū)進一步的油頁巖勘探打下了基礎。1博格達山東北部活動斷裂在大地構造上,博格達山位于哈薩克斯坦—準噶爾板塊的次級構造單元,即博格達晚古生代弧后盆系(準噶爾南陸緣活動帶)。隨著印度板塊與歐亞板塊的不斷碰撞,在近南北向水平擠壓應力的作用下,博格達山北緣發(fā)育了多條第四紀活斷裂,呈向北凸起的弧形,是博格達山與準噶爾盆地和古生界與中、新生界的分界斷裂,構成博格達推覆體,是布格重力異常與航磁異常梯度帶。博格達山北緣發(fā)育的多條活斷裂,自晚更新世晚期以來新活動顯著,錯斷了晚更新世—全新世堆積物。據(jù)1993—2004年跨斷層水準測量的結果,這一地區(qū)現(xiàn)今構造活動主要以差異性活動為主[5~7]。晚侏羅世末,燕山中期構造運動對盆地產(chǎn)生強烈擠壓,盆地變形收縮,形成北北東向褶皺和斷裂,并伴隨部分邊界斷裂走滑活動,盆地基底由北西向南東傾斜,西北緣表現(xiàn)為抬升剝蝕,斷裂活動較弱,東、西隆起區(qū)發(fā)生相對逆沖形成近南北向的斷褶帶,廣大中部地區(qū)變形微弱,局部發(fā)育張性斷層。該期博格達山前構造活動表現(xiàn)劇烈,阜康斷裂強烈逆沖,造成早期的博格達山前坳陷褶皺回返,以增生楔的形式成為博格達山的一部分,同時前緣隆起向北遷移,由三臺—古牧地地區(qū)遷移至北三臺地區(qū),在地震剖面上顯示典型的壓陷—撓曲盆地結構(圖1)。博格達山北麓活動構造是在博格達山北麓推覆構造基礎上發(fā)育的,其形態(tài)有兩種類型:活動褶曲及活動斷裂。主要的活動斷裂有3條:阜康—吉木薩爾活動斷裂(又稱博格達山前斷裂)、北三臺活動斷裂及博格達北麓斷裂,走向線呈向北凸起的弧形。博格達北麓斷裂經(jīng)過阜康地區(qū)蘆草溝組油頁巖礦區(qū)。博格達北麓斷裂即前人所謂的雅瑪里克山、七道灣或井井子溝斷層,西起雅瑪里克山西麓,向東東方向經(jīng)雅瑪里克山北麓、紅山北麓、六道灣、水磨溝、鐵廠溝、甘河子,跨吉木薩爾縣西大龍口河,可能東延至木壘。在甘河子以西斷層走向為北東向,甘河子以東為北西西向、東西向或北西向,長約200km,在地貌上是博格達中高山與低山丘陵的界線。該斷裂斷面傾向南東,傾角為60°~80°。該斷裂由兩條傾向一致的斷層構成,其間距最小為18m,最大為1.5km。在鐵廠溝東岸斷裂錯斷了中更新世階地礫石層,形成5m的垂直斷距,斷裂頂部被晚更新世礫石層及黃土覆蓋。在甘河子南可見二疊系砂巖逆沖在侏羅系砂巖、泥巖之上,斷裂破碎帶寬約100m,沿斷面發(fā)育數(shù)米厚的斷層泥或角礫巖。在阜康黃山河東岸,斷裂錯斷了高約9m的Ⅱ級階地礫石層與黃土,測定黃土14C地質年齡為17750±320Ma。二疊系油頁巖、砂巖逆沖于階地礫石層與上覆黃土之上,形成垂直斷距約4.5m。晚更新世晚期以來斷裂平均垂直滑動速率為0.25mm/a,為晚更新世晚期活動斷裂。博格達山北麓為一半弧形狹長的山麓,由于不同時期構造運動的疊合作用,構造較為復雜,地層褶皺極為強烈,構成等斜或不等斜褶皺。在褶皺的北翼,由于強烈擠壓作用,常形成高角度逆沖斷層,斷層由南向北逆沖,斷層走向多與地層平行,斷層規(guī)模較大。博格達山北麓東起吉木薩爾水西溝,西至烏魯木齊妖魔山,東西長約125km,南北寬約9~15km,成為準噶爾盆地南緣規(guī)模巨大的二疊紀油頁巖分布帶。2油頁巖層系特征阜康地區(qū)蘆草溝組油頁巖礦區(qū)位于三工河—黃山街倒轉向斜的南側,處于北傾的單斜構造帶上。礦區(qū)地層走向為80°~110°,傾向為350°~20°,傾角為60°~90°,地層總體延伸穩(wěn)定,但焦油產(chǎn)率變化大。礦區(qū)北部有區(qū)域性斷裂通過,北西西向延伸,可見長度10余千米,為一逆斷層,沿斷裂帶巖石破碎強烈,斷裂兩側片理化普遍發(fā)育。博格達推覆體前緣阜康斷層,斷層傾向為216°,傾角為76°,構成油頁巖段自然邊界,斷裂逆沖作用致使泉子街組、紅雁池組及蘆草溝組頂部地層深埋缺失,蘆草溝組與梧桐溝組直接斷層接觸。礦區(qū)及周圍主要地層為二疊系、三疊系以及其上覆的第四系。油頁巖層段主要由油頁巖夾帶泥巖、粉砂巖、砂巖及粉砂質泥巖組成,屬于半堅硬的可塑性巖石,力學強度較低,靠近地表風化作用強烈,裂隙發(fā)育,風化深度一般在數(shù)米至十余米之間。該礦區(qū)油頁巖礦層較穩(wěn)定,構造復雜程度中等,勘探類型可劃分為Ⅱ類Ⅱ型。阜康地區(qū)蘆草溝組礦體工業(yè)類型為有機沉積層狀礦床,礦區(qū)范圍有限,油頁巖品質變化主要表現(xiàn)在地層傾向(南北向)上,含油率高(3.5%~41.7%,平均含油率大于9.4%),屬于中焦油產(chǎn)率油頁巖。其資源規(guī)?？捎^,品質優(yōu)好,工業(yè)價值極大。主要依據(jù)礦石品質、夾石狀況、礦體特征[14~16],油頁巖層系由老到新可大致劃分為4段:第一段:從蘆草溝組底部非油頁巖段過渡為中—差品質油頁巖,薄片狀,頁理欠發(fā)育,焦油產(chǎn)率為1.5%~9.8%,平均為6.9%。矸石層出現(xiàn)頻繁,其單層厚度薄,常因砂質、凝灰質成分含量不同而與油頁巖過渡,巖石常為沉凝灰?guī)r、凝灰質粉砂巖。該段厚約60~80m。第二段:中—優(yōu)質油頁巖,頁理發(fā)育,構成阜康地區(qū)蘆草溝組山體主體,在山梁呈魚鰭狀突出,焦油產(chǎn)率為1.5%~24.0%,平均為11.3%。矸石以薄層凝灰質泥灰?guī)r、鈣質泥巖、鈣質粉砂巖為主,近乎等間距(10~13m)出現(xiàn)。該段厚約200~250m。第三段:中—優(yōu)質油頁巖,頁理發(fā)育,焦油產(chǎn)率為1.3%~26.6%,平均為10.2%。層內夾矸出現(xiàn)頻率增高,矸石中硅質、菱鐵質成分相對較高,與凝灰質、鈣質泥巖—粉砂巖一并產(chǎn)出富有機質的薄層硅質巖、硅質泥巖及菱鐵礦夾層。底界由一總厚10余米的薄層狀鈣質粉砂巖—油頁巖互層與第二段相隔。該段厚約120~150m。第四段:差—優(yōu)質油頁巖,頁理發(fā)育,焦油產(chǎn)率為2.6%~41.7%,平均為8.9%。焦油產(chǎn)率高低不等,品質變化顯著,該段中、下部魚類化石豐富且個體大而完整。層內除出現(xiàn)薄層鈣質硅質巖、硅質泥巖—粉砂巖夾矸外,還有2~3層不穩(wěn)定中厚層巖屑細砂巖構成對油頁巖的分割。底界由前文述及的未命名斷層(伴生褶皺)近旁中厚層凝灰?guī)r屑砂巖(構造角礫巖)與第三段相隔,頂部與梧桐溝組長石巖屑砂巖斷層接觸。該段厚約100~140m。3油頁巖層及其沉積條件3.1博格達地區(qū)晚古生代—構造特征阜康地區(qū)蘆草溝組油頁巖礦區(qū)處于準噶爾古臺坳—博格達晚古生代裂陷槽的構造過渡位置,臨近裂陷槽北界的天山北麓—博格達山北麓斷裂,總體呈東西走向,烏魯木齊以南微向南凸呈弧狀。博格達晚古生代裂陷槽主體由石炭系及部分泥盆系組成。博格達地區(qū)晚石炭世早期局部有較強的火山活動,屬堿性玄武巖—粗面巖—(堿)流紋巖組合。晚石炭世晚期為淺海碳酸鹽巖及碎屑巖建造。晚石炭世—早二疊世準噶爾古板塊和塔里木古板塊處于拼接造山時期,二疊紀沉積具有前陸盆地性質,晚二疊世為磨拉石建造。三疊紀以后,基本進入中—新生代盆地發(fā)育階段。由于羌塘古板塊、拉薩古板塊和印度古板塊從三疊紀開始與歐亞大陸的碰撞、拼接和造山,促進了天山多次隆升和準噶爾、吐魯番中—新生代盆地的發(fā)育。同時,由于擠壓作用,博格達一帶晚古生代和中生代地層呈現(xiàn)復背斜面貌。準噶爾盆地南緣褶皺逆沖斷層帶具有縱向分帶、橫向分段和垂向構造分層的特征,由南至北可分為逆沖推覆構造帶、基底卷入褶皺沖斷帶和滑脫型褶皺沖斷帶。博格達山北麓直接受滑脫型褶皺沖斷帶東段影響,構造運動較強,大型逆沖斷層作用導致二疊系油頁巖伴隨博格達山系的形成而出露地表[17~20]。3.2下倉房溝群沉積相區(qū)域上下二疊統(tǒng)下岌岌槽子群石人溝組屬海侵沉積序列,底部由再沉積礫巖和砂巖組成,具重力流沉積特征。按巖性組合、沉積構造和韻律等,其上可分為3段:第一段屬深水環(huán)境中海底噴發(fā)細?；鹕交揖徛练e產(chǎn)物;第二段由再沉積粒屑灰?guī)r與泥晶灰?guī)r構成韻律,具重力流沉積特征,無底棲生物,為低能缺氧深水環(huán)境;第三段(包括塔什庫拉組下部)沉積物粒細,有機質含量高,水平紋層十分發(fā)育,屬深水盆地產(chǎn)物。下二疊統(tǒng)下岌岌槽子群塔什庫拉組和中二疊統(tǒng)上岌岌槽子群為一海退序列。其中,塔什庫拉組存在各種鮑馬層序組合,砂巖底面分布大量各種類型底面構造,具濁流沉積特征。下部具水平層理和生物擾動構造,含腕足類等淺水化石,屬陸棚沉積產(chǎn)物。上部具水平層理、斜層理、潮汐層理、類干裂波痕等構造,含淺水生物,屬潮坪環(huán)境沉積。中二疊統(tǒng)上岌岌槽子群烏拉泊組和井井子溝組為中—細粒砂巖、長石砂巖、凝灰?guī)r等,具波痕和泥裂,含淡水雙殼類,為濱湖三角洲沉積,且沉積區(qū)與火山源距離較遠。烏拉泊組巖性主要為灰綠色、黃綠色長石砂巖、粉砂巖,灰色、深灰色厚層砂巖、粉砂巖、砂質泥巖不均勻互層,含植物Paracalamitessp.等,厚347m。井井子溝組巖性主要為藍灰色、灰綠色凝灰?guī)r、凝灰質粉砂巖,有時與黃灰色砂頁巖、灰綠色泥巖不均勻互層,厚890m。蘆草溝組和紅雁池組具典型湖相沉積特征,在大型湖盆沉積背景下,尤其是蘆草溝組沉積物粒細,油頁巖發(fā)育,發(fā)育微細水平層理,具深水湖相沉積。蘆草溝組巖性主要為灰黑色、黑色、褐灰色砂質頁巖、油頁巖,夾粉砂巖、白云巖、白云質灰?guī)r,含魚化石Chichiasp.、Turfaniasp.、Tianshacircussp.、兩棲類Urumgiasp.及葉肢介、雙殼類等,厚660m。紅雁池組巖性主要為灰色、灰綠色砂巖、砂質頁巖、灰黑色、黑色薄層泥質頁巖,含魚及雙殼類化石,厚673m。上述地層之間及其與下伏地層整合接觸。上二疊統(tǒng)下倉房溝群泉子街組中、下部屬山前、山麓地帶的洪流堆積物。礫石以粗大者居多,分選不好,棱角狀或半棱角狀,層理不發(fā)育。上部砂巖、泥巖增多,與礫巖組成較完整的韻律,有時顯斜層理和交錯層理,甚至平行層理,有保存完好的化石,包括了河床、河漫灘及岸后沼澤的沉積。泉子街組巖性主要為紫紅色、灰綠色礫巖、砂巖,向上粒度變細,為灰綠色、灰黑色砂巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖不均勻互層,含植物Callipteriszeilleri、Comiadentata、脊椎動物Dicynodontienshanensis及孢粉、雙殼類等,厚250m左右,與下伏地層呈平行不整合接觸。梧桐溝組為典型的河流沉積,由五六個類似的沉積韻律所組成,一般由具大型楔狀斜層理的河谷底部沉積開始,除點沙壩沉積—泛濫洪積平原沉積層理外,尚有平行層理,反映河道沉積特征。梧桐溝組巖性主要為灰綠色砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖的不均勻互層,含植物Caliipteriszeilleri及雙殼類、介形類等化石,厚200~585m,與下伏地層為整合接觸[21~23]。3.3樣品采集和研究針對博格達山北麓油頁巖的沉積分布特點,重點選擇了大黃山剖面進行了樣品采集和地質剖面研究。所有樣品灰成分分析采用硅酸鹽巖石化學分析方法——X射線熒光光譜法測定主、次元素量,所有樣品元素地球化學分析采用ICP-MS方法完成。3.3.1油頁巖的古鹽度利用硼含量計算古鹽度是最常用的方法,其原理是溶液中硼的濃度是鹽度的線函數(shù)。測定某種粘土礦物的相對硼含量,是目前古鹽度測定中最有效的方法之一。相當硼含量是指相當于K2O含量為5%時的硼含量。Walker認為,相當硼含量與古鹽度密切相關。正常海水環(huán)境,相當硼含量為(300~400)×10-6;半咸水環(huán)境為(200~300)×10-6;小于200×10-6則為淡水沉積[14~16]。從大黃山蘆草溝組油頁巖樣品抽出的10個樣品硼含量測定結果看,大部分小于200×10-6,僅一個樣品在(200~300)×10-6。根據(jù)該研究區(qū)域發(fā)現(xiàn)的完整魚、魚鱗化石、瓣鰓類化石、頁巖的精美微紋層和砂巖中的浪成構造等,判斷大黃山蘆草溝組油頁巖應該為湖相產(chǎn)出。又根據(jù)80%樣品所代表的巖石是在淡水環(huán)境沉積的,20%的樣品沉積于淡水—咸水環(huán)境,這種定性判識結果說明,蘆草溝組油頁巖沉積環(huán)境受到海水的影響,但是影響很小。3.3.2油頁巖沉積環(huán)境鍶(Sr)和鋇(Ba)是地球化學性質很相似的元素對,同屬親石元素。一般認為,泥巖中若Sr/Ba比值大于1,則為海水沉積;Sr/Ba比值小于1,則屬陸相淡水沉積。研究區(qū)油頁巖的Sr/Ba比值大都小于1,表明本區(qū)沉積環(huán)境主要為半深湖、深湖等陸相環(huán)境。只有10%的樣品鍶鋇比大于1,與硼所指示