新生代断陷盆地煤和油页岩成因及成矿规律

新生代断陷盆地煤和油页岩成因及成矿规律

随着人类对能源需求的日益增长，人们积极寻找丰富而有价值的能源盆地已成为世界的中心。目前,煤层气、页岩气、油页岩已经成为继煤、油气之后的研究热点,并成为全球油气资源勘探开发新的重点领域。油气、页岩气、煤、煤层气以及油页岩等多种资源能共存于一个盆地已经成为事实。油气的研究离不开烃源岩,页岩气研究也离不开泥页岩,煤层气的研究离不开煤沉积。油页岩是一种有机质特别丰富的优质烃源岩,湖相油页岩的岩性通常为泥页岩,但因其有机质丰度高(有机碳>6%),又有别于一般的烃源岩。因此,泥页岩及其煤的成因及时空分布研究是开展多种能源矿产富集盆地中油气、页岩气以及煤层气富集规律的前提。但目前,在这方面总体研究程度较低。因此,本文将开展油页岩、煤赋存特征及其成因探讨,不仅为寻找大型油页岩、煤矿床,而且将为寻找富含油气、页岩气以及煤层气资源类型且资源量大的能源盆地提供一定的理论依据。1煤与油页岩互层油页岩和煤作为重要的有机可燃矿产,两者在盆地同时代地层中产出的地质现象从古生代到始新世均有发现。并且,在不同的盆地中油页岩和煤的赋存形式不同,有的煤与油页岩互层,有的油页岩发育在煤层之上。例如,山东黄县盆地的煤作为油页岩的顶、底板交互出现;抚顺盆地巨厚煤直接发育在油页岩之上,为直接接触关系。并且,煤与油页岩互层以及油页岩为煤的顶板的赋存方式往往同时发育在一个盆地内。例如梅河盆地和依兰盆地,盆地内煤与油页岩都有发育,下段为煤与油页岩互层,上段则发育比较稳定的油页岩层。2依兰盆地油气带岩石的分布和形成条件本文在对比分析全国含油页岩断陷盆地基础上,选取了具有代表性的同时发育煤和油页岩沉积的依兰盆地开展研究。2.1煤与油页岩的相互关系依兰盆地位于郯庐断裂带北延分支———依兰-伊通断裂带,是我国典型的新生代断陷盆地(图1)。依兰盆地不整合与前中生界花岗岩之上,沉积盖层为古近系始新世达连河组。达连河组自下而上分别为下部含煤油页岩段(E2-3d1)、中部油页岩段(E2-3d2)及上部砂页岩段(E2-3d3)。因此,该盆地煤与油页岩存在3种不同的赋存方式:下部含煤油页岩段(E2-3d1)煤与油页岩呈互层发育;中部油页岩段(E2-3d2)油页岩与泥页岩互层,不发育煤;上部砂页岩段(E2-3d3)的局部地区发育薄层的煤,但不发育油页岩。2.2环境分析2.2.1孢粉的过系统研究孢粉种属及其含量变化是确定古气候的灵敏标志,不同的气候环境具有不同的孢粉组合特征,本次将依据孢粉的组合特征,开展研究区油页岩沉积的古气候分析。依兰盆地达连河的研究程度也很高,前人对该地区的孢粉从底部含煤油页岩段、中部油页岩段以及上部砂页岩段进行过系统的研究。分别表现为栎粉-杵粉(Quercaidires-Pistillipollenites)组合,栎粉-杉粉(Quercaidires-Taxodiaceaepollenites)组合以及票粉-栎粉(Cupuliferoipollenites-Quercaidires)组合。显示出了达连河组早期含煤油页岩段为温暖而较湿润的亚热带气候,中期中部油页岩段为温暖而湿润的亚热带气候,到了晚期上部砂页岩段则为温暖稍湿润的亚热带-暖温带气候环境中,并可能有向气候温和、湿度下降方向发展的趋势(图2)。2.2.2砾岩和灰岩中的煤与油页岩、炭质页岩互层研究区虽然缺乏岩芯、测井、地震等资料,但露天煤发育,因此本文主要利用了野外多条实测剖面,结合岩性及岩石矿物、古生物等标志识别了沉积相。通过单井柱状分析,再到连井剖面解释,进行了沉积环境的分析。在依兰盆地识别出了冲积扇、扇三角洲、湖沼相、湖泊相和水下重力流等沉积。(1)底部含煤、油页岩段。该段主要发育冲积扇相和湖沼相,前者主要发育在煤层的底板,后者主要发育在煤与油页岩互层段。根据野外实测观察,冲积扇相的扇中和扇端较发育。扇中自下而上表现为一正粒序,由灰白色、杂色砾岩和灰白色含砾粗砂岩、粗砂岩互层组成辫状河道,在砾岩和粗砂岩中见大中型板状交错层理、槽状交错层理和冲刷构造(图3)。扇端由灰黑色泥质粉砂岩夹多层煤线组成,见植物碎片。湖沼相由煤与油页岩、炭质页岩互层组成。煤层顶底板均为油页岩,其底板中夹有的透镜、线理结构的煤表明了其具有腐泥基质(油页岩)和腐殖物质(煤)混合的特征。这些都表明了湖泊相当浅的情况下,可以直接大面积沼泽化,而不必经砂分散体系的充填作用。因此,依兰盆地发育了煤与炭质页岩、油页岩直接过渡的关系。(2)中部油页岩段。该段主要沉积相环境为湖泊相,其中半深湖-深湖相发育,且为油页岩的优势相沉积。油页岩中植物化石较发育,且保存完整。半深湖、深湖相主要由黑灰色薄层油页岩夹深灰色薄层粉砂质泥岩组成,其中浊流沉积发育。(3)上部砂页岩段。该段的主要沉积体系为扇三角洲相,可进一步划分为扇三角洲平原,扇三角洲前缘和前扇三角洲(图4,5)。其中扇三角洲平原发育程度高,识别出水上分流河道、水上分流河道间和沼泽3个微相(图3)。依兰盆地水上分流河道微相的粒度相对于其它地区的该微相较粗,自下而上一般表现为正粒序,自下而上为灰色中层长石岩屑中砂岩,灰色中层长石岩屑细砂岩和深灰色薄层粉砂质泥岩。发育槽状交错层理,底部发育冲刷面,发育灰色泥砾。水上分流河道间微相主要由灰色、浅灰色粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩组成。泥质粉砂岩和泥岩多呈块状,其中含有植物茎干化石和细小的碳屑。沼泽微相主要由灰黑色的流河道的细砂岩或者水上分流河道间的灰色、浅灰色泥质粉砂岩或泥岩;顶板为水上分流河道间的泥岩,炭质泥岩或煤层组成,含丰富的植物化石及碎片(图4)。3伊兰盆地煤炭和油页岩的成因3.1扇前浅湖盆沉积期煤与油页岩伴生的含煤岩系依兰盆地下部含煤油页岩段由两部分组成:上部由泥炭沼泽相的煤层和炭质泥岩与湖相油页岩及砂岩等组成;下部为一套冲积扇沉积(图6)。达连河组地层沉积早期,因盆缘地形高差悬殊较大,盆地内基底高低不平,物源方向比较多,主要来自北东向和西北向(图6)。当陆源风化物被洪水迅速搬运到盆地中时,首先是对低处进行填平补齐,所以盆地边缘堆积山麓相具棱角、分选性极差的角砾岩、含砾砂岩,向南则颗粒变细。而此时在盆地的中部则在较低洼的地方形成了扇前浅水湖盆。这种浅湖环境极易发生改变,浅水湖泊被淤浅后,大面积沼泽化,所形成的泥炭层与废弃扇三角洲平原上的泥炭层连成一片,以致浅湖沉积之上直接形成煤层。之后由于构造沉降和降水作用,潜水面上升,不利于煤的形成,而利于油页岩的形成。由于沉积物不断向湖盆中心堆积,导致湖平面下降,不利于油页岩的形成,而利于煤的形成。因此,依兰盆地含煤段的煤与油页岩互层的形成原因的主控因素是湖沼时期的湖平面或沼泽时期的潜水面。由于盆地在演化初期,都有一个间歇式沉降的过程,在较为平坦、开阔的浅湖环境,在断陷盆地初期的幕式构造沉降的背景下形成了煤与油页岩伴生的含煤岩系。煤主要沉积在扇前浅水湖盆,煤层厚度大,面积广,稳定性好(图7),油页岩直接沉积在煤层之上,在湖盆中心厚度大,向边缘逐渐减薄,表现了一种从湖平面逐渐向岸上超的过程。因此,开阔的扇三角洲-浅湖沉积体系容易形成湖沼相油页岩。3.2断裂带的生长依兰盆地位于依兰-伊通断裂带,为一个受断裂带南主干断裂F1控制的小型新生代半地堑盆地。盆地的充填沉积不仅受到区域构造体制的作用,还同时受到从属于区域应力场的局部应力场,包括盆地边缘断裂、断块状的基底、盆地内部的同沉积断裂和次级的同沉积隆起和拗陷以及作为物源区的边缘隆起等。以上因素在盆地演化过程中体现着不同的同沉积构造运动形式。它们或者同期发展,对盆地沉积和煤、油页岩的聚集产生复合作用,或者在某个阶段单独表现明显。以上特征,在依兰盆地表现很明显。依兰盆地发育初期断裂F1的活动性较弱,只在基底本来很低洼的地方形成了浅水湖泊。后来,断裂F1的活动性加强,由于湖盆面积很小,当时的气候温暖湿润,在扇前、扇间及浅湖形成了大片沼泽化,沉积煤。后来由于断裂F1开始间歇式活动,导致沼泽的潜水面升高,煤沉积结束,在此基础上沉积了湖相油页岩。从含煤段煤与油页岩总厚度等值线图(图8)可以看出,油页岩和煤在靠近断裂F1的厚度较厚。其中,下煤层煤的最大厚度为3.0m以上,中煤层达9.0m以上。而该段的中下层油页岩厚度5.0m以上,中层油页岩达10.0m以上(图9)。在分布范围规律上,中下层煤、油页岩主要分布在之前的湖盆中心浅湖地带,而到了中层煤、油页岩则不仅沉积的范围扩大,并且其沉积的厚度也有增加。在依兰盆地出现这种油页岩的分布特征是受控于盆地南边的F1断裂的活动,随着盆地不断的构造沉降,沉积中心位于控盆断裂一侧,随着湖盆的沉积范围扩大,煤、油页岩的沉积范围也不断的扩大。3.3油页岩的气候特征煤和油页岩都是富含有机质的岩石,前者原始有机质以陆生高等植物为主,低等植物菌藻类次之,后者主要由藻类及一部分低等生物遗骸或高等植物残体组成。因此,陆地植被、大量藻类和低等生物的繁盛是煤和油页岩形成的基本物质基础,而气候又是控制地球表面外生作用和生物界繁衍的基本因素。综合孢粉分析结果,孢粉植物群面貌反映的古气候从含煤段沉积开始至油页岩段结束呈现向气候温和、温度下降的发展趋势(图2)。达连河组早期含煤油页岩段气候为温暖而较湿润的亚热带气候,为煤的形成提供了繁盛的植被条件。与煤共生的油页岩矿形成的气候条件波动较小,成矿差异主要体现在水体环境的变化。受控于当时盆地初期的构造振荡作用的影响。但是,对于油页岩段沉积却体现了不同的气候条件。油页岩段的油页岩有机来源虽然与含煤段的油页岩的相似,体现为II2型,但两者有很大的区别。这是因为古气候影响古植被(古生态)的类型,在一定程度上影响着陆源碎屑物源的类型和供给速度。油页岩段时期虽然气温略降低,但是总体还是比较的温暖湿润,降雨较丰富,陆地植被覆盖的密度较好,大量的降雨能使大量的陆源有机碎屑而不是无机碎屑得以搬运。假设湖泊存在高密度的层间或底层水流,这些有机碎屑将搬运得更远,可以到达湖泊的中心沉积。因此,在这种情况下,由于陆源大量有机碎屑的加入,湖泊沉积的油页岩将会呈现II2型干酪根特征。依兰盆地煤层顶板深湖相油页岩的成因,就如上所述。由于远源浊流的出现,输入了大量陆上产生的有机质碎屑,因此油页岩有机质类型呈现II2型。温暖潮湿的气候条件,有利于生物的繁盛,并且降水量充足,容易形成深湖。在湖盆稳定扩张时期,在上述气候条件下,深湖具有长年分层的特点,因此对有机质的保存很有利。因此,在达连河组的湖泊发育时期,由于湖水深度较大,形成较好的温度分层。因此,气候对湖泊的水体分层起直接的控制作用。这主要是对于那些湖水较浅的盆地,要想保持长期分层的最理想的气候条件是温暖、湿润、水面风力较弱。如果风力较大,在浅水的水域就会出现经常性的水体翻转,很容易导致底层水的氧含量增加和较强的氧化条件,因此将大大降低极不稳定的有机成分的保存能力。因此,无论深湖、浅湖,油页岩形成的最有利古气候条件组合为温暖、潮湿、亚热带气候,水面风力较弱。4盆地扩张期油页岩的形成趋势(1)断陷型盆地是油页岩和煤共生的有利盆地类型,并且具有多种不同的赋存方式;在盆地初期的幕式构造沉降的背景下容易形成煤与油页岩伴生的含煤岩系,煤主要沉积在扇前浅水湖盆,油页岩直接沉积在煤层之上。而在盆地形成的扩张时期,容易形成稳定的油页岩沉积。(2)依兰