准噶尔盆地南缘李家沟油页岩矿地质特征及成因浅析

准噶尔盆地南缘李家沟油页岩矿地质特征及成因浅析

赖锡仁1

1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局 第十一地质大队，新疆 昌吉市 831100

摘要：研究区油页岩矿赋存于上二叠统芦草沟组第二(P₃l²)、第三岩性段(P₃l₃)内，为本次研究的重要目标。矿石呈粉砂结构、泥质粉砂结构，纹层状构造(纸片状)、薄层状构造，属于高灰分、中含油率、低硫油页岩。矿床成因类型为淡水-半咸水湖泊沉积型，沉积作用和构造活动是油页岩成矿的主要控制因素。

关键词：准噶尔盆地南缘 非常规能源 后石油时代 战略储备

近年来人类生产生活对石油的需求量越来越大，随着后石油时代的到来，油页岩的战略意义越来越引起国内外的重视。博格达山北麓是新疆地区重要的油页岩含矿带，西起乌鲁木齐雅玛里克山，东至奇台县大沟一带，长约136千米，宽3-10千米，地理坐标为东经87°30′-89°30′，北纬43°50′-44°5′。博格达山北麓油页岩资源十分丰富，油页岩主要有吉木萨尔韭菜园子油页岩矿床、雅玛里克山(原雅玛里克山)油页岩矿床、水磨沟油页岩矿床、东山油页岩矿床、芦草沟油页岩矿床、三工河油页岩矿床、大黄山西油页岩矿床、下黄山街油页岩矿床等。本人有幸参与了李家沟油页岩矿的野外地质工作，现对李家沟油页岩矿的地质特征及成因进行粗浅的分析，以便今后对油页岩的勘查开发中起到一定的指导意义。

1区域地质概况

李家沟油页岩矿位于天山中段博格达山北麓，大地构造位置属于天山兴蒙造山系(Ⅰ级)准噶尔地块-吐哈地块(Ⅱ级)依连哈比尔尕-博格达裂谷盆地(Ⅲ级)的博格达C-P纪裂谷(IV级) ^[1]；整体处于一由南向北的逆冲推覆体系域中，表现为3个逆冲推覆构造体。由南向北依次表现为：①以F3逆冲断裂为推覆界面，上石炭统柳树沟组、祁家沟组逆推于上二叠统井井子沟组地层之上；②以F2逆冲断裂为推覆界面，上二叠统井井子沟组逆推于上三叠统韭菜园子组、上三叠统烧房沟组地层之上，在下伏上二叠统乌拉泊组、芦草沟组中形成不对称褶皱(①号、③号)；③以F1逆冲断裂为推覆界面，上二叠统芦草沟组逆推于上二叠统梧桐沟组地层之上，在下伏八道湾组形成一倒转向斜构造(②号)，见图1。

依据新疆岩石地层区划(2011)地层划分方案^[2]，研究区地层分区属北疆-兴安地层大区，南准噶尔-北天山地层分区之博格达地层小区。区域上出露地层有石炭系、二叠系、三叠系，少量侏罗系和新生界。油页岩赋矿地层为上二叠统芦草沟组(P₃l)。

根据新疆矿产资源潜力评价的划分方案^[3]，研究区属于准噶尔Ⅱ级成矿省，Ⅲ级成矿带为准噶尔南缘Cu-Mo-Au-W-Fe-Cr-Mn-RM-硼-沸石-石墨-玉石-滑石成矿带(Ⅱ-4)，Ⅳ级成矿带为博格达Cu-Zn-B-油页岩-磷矿带(Ⅱ-4-②)，该带内相继发现和评价了一系列大中型油页岩矿床，从西到东依次有阜康林场油页岩矿、白杨河油页岩矿、大黄山西油页岩矿、二工河油页矿、吴家湾油页岩矿和石长沟油页岩矿，使得博格达山北麓成为新疆重要的油页岩勘查开发基地^[4-8]。

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研究区地质概况

2.1 地层

研究位于博格达晚古生代裂陷盆地西段，出露地层有：上二叠统乌拉泊组(P₃wl)、井井子沟组（P₃jj）、芦草沟组(P₃l)、梧桐沟组(P₃wt)，上二叠统-下三叠统锅底坑组(P₃T₁g)及少量下三叠统韭菜园子组(T₁jc)，研究区内油页岩含矿地层为上二叠统芦草沟组第二、第三岩性段。

芦草沟组主要岩性为灰黑色粉砂岩、砂质页岩、黑色油页岩夹白云质灰岩。油页岩与泥质粉砂岩、泥岩或灰岩交互较频繁。根据芦草沟组岩石组合及油页岩产出特征，将芦草沟组油页岩系划分为四个岩性段，各岩性段之间呈整合接触。

2.2构造

研 究区构造形态总体表现为一东西向向斜褶皱，向斜北翼含油页岩芦草沟组被断裂(F1)所截切，南翼地层出露较完整。

3 矿床地质

3.1矿体特征

李家沟油页岩矿勘查区按边界含油率品位≥3.5%，最低含油率工业品位≥5%，最低可采厚度1m，夹石剔除厚度2m，共圈定油页岩矿体27条。在芦草沟组第二岩性段共圈定矿体共11条，芦草沟组第三岩性段共圈定矿体共16条。

矿
体地表呈条带状，剖面上呈一向斜构造产出。控制矿体长度大于500-10000米，沿倾向控制矿体斜深约100-1000米。矿体自东向西矿体整体表现向西侧伏，侧伏角约5°，矿体在走向上变化较稳定。矿体顶板岩性为粉砂岩、沥青质泥岩等，底板岩性为粉砂质灰岩等。矿体整体呈一向斜构造，向斜轴略南倾，倾角约80°，南翼矿体向北倾斜，最大倾角88°，最小倾角18°，平均倾角64.76°，北翼矿体向南倾斜，最大倾角66°，最小倾角17°，平均倾角45.20°。单工程控制矿体一般厚度40.67- 89.62米，平均矿体厚度62.52米，厚度变化系数74.52%，属厚度变化较稳定型矿体。单工程控制矿体一般品位5.48- 7.46%，平均矿体品位6.02%，矿体品位变化系数19.36%，属有用组分分布均匀型矿体。

3.2 矿石质量

矿石呈粉砂结构、泥质粉砂结构，以泥质粉砂结构为主；构造分为纹层状构造(纸片状)油页岩、薄层状构造油页岩两类，其中以纸片状构造为主。

油页岩的有机化学成分：李家沟西油页岩矿除C含量略低于中国油页岩有机质元素C平均值以外，其他值均好于中国油页岩有机质元素平均值。

油页岩有机质丰度：油页岩矿在生产实践中采用残余有机碳(TOC)含量、氯仿沥青“A”含量，生烃潜量(S1+S2)等指标来评价烃源岩有机质的丰度^[4]、[5]。李家沟油页矿有机碳(TOC)含量在8.57-16.52%之间，氯仿沥青“A”含量在0.07-0.51%之间，生烃潜量(S1+S2)含量25.18-109.46，全都大于20Mg/g。本区油页岩作为生油油页岩达到好-最好标准。游离烃S1(可溶烃)为0.18-2.13mg/g，热解烃S2(不溶有机质-干酪根裂解产物)为24.93-145.23Mg/g，热解烃是游离烃的68.18-138.5倍，说明本区油页岩有机质组分主要为不溶有机质-干酪根。

矿石类型:我国油页岩成因类型主要为混合型中的腐殖腐泥型，其次为腐泥型。本次利用氯仿沥青“A”组成、岩石热解参数、有机元素分析等指标来划分其类型，有机质类型定量划分采用三类四分法^[9-10]。李家沟油页岩H/C原子比值1.59-1.87，O/C原子比值0.04-0.08，均属于腐泥型(Ⅰ型)。S1+S2含量25.18%-145.84%，均属于腐泥型(Ⅰ型)。李家沟油页岩有机质类型为混合型，主要属于腐泥型(Ⅰ型)和腐泥腐殖型(Ⅱ2型)两种。可判断其来源于湖泊环境水下淤泥中的孢子和浮游类生物。

李家沟油页岩矿有机质类型为主要为腐泥型(Ⅰ型)和腐泥腐殖型(Ⅱ2型)。对比(赵隆业等，1990)油页岩工业-成因性质分类标准，本区油页岩品级特征如下：

含油率∶含油率是油页岩中页岩油(焦油)所占的质量分子数，是油页岩重要的评价指标，2006年“全国油页岩资源评价”将油页岩分为低、中、高三个品级：3.5%＜ω≤、5%＞ω＜10%、ω＞10%，三个品级油页岩资源量分别占全国油页岩总资源量的45.4%、37%和17.6%。按油页岩资源统计，研究区油页岩矿平均含油率5.79%，且含油率大于5%，工业矿资源量占全区的80%，平均含油率6.15%，说明李家沟油页岩矿含油率属于中等偏好。

灰分∶灰分是衡量油页岩品质的重要参数，该参数越低，油页岩的有机质含量越高、品质越好。李家沟油页岩灰分含量78.14%-81.17%,平均78.38%。按(赵隆业等，1990)油页岩工业-成因性质分类标准，本区油页岩属于高灰分油页岩。

化学全分析∶区内油页岩矿尾渣成分主要为SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等，Ca0+MgO为＜10%，根据(赵隆业等，1990)油页岩工业-成因性质分类标准，李家沟油页岩矿属硅铝质。

发热量∶发热量是指单位重量油页岩完全燃烧后所释放出的全部热量，是平均油页岩作为工业燃料价值的重要参数。研究区油页岩发热量值3.56-6.60MJ/kg，平均4.59MJ/kg，按(赵隆业等，1990)油页岩工业-成因性质分类标准，李家沟油页岩属于低发热量油页岩。

全硫含量∶全硫含量是指油页岩中各种硫分的总和，它是评价油页岩利用时潜在的环境污染程度的重要指标。研究区全硫含量0.75-1.53，平均1.37%，反映本区油页岩属于低硫油页岩。

综上分析李家沟油页岩属于高灰分、中含油率、低硫油页岩。本区油页岩矿因发热量低，工业利用方向以能源炼油油页岩为主。

4矿床成因分析

4.1 区域构造演化

汪新伟等（2007）将博格达山的构造演化归纳为3期构造反转，即晚石炭世的裂陷海槽与晚石炭世末的弱造山期、二叠世的裂陷盆地与三叠纪和晚三叠世末的古博格达山隆升一夷平期以及早一中侏罗世的弱伸展盆地与晚侏罗世以来的现今博格达山的阶段性隆升期。晚二叠世层序为河湖相沉积组成的正旋回，逐步超覆在中二叠世地层之上，湖盆范围逐步扩大。晚二叠世的芦草沟期发育了优质的、厚度大的油页岩。

4.2油页岩沉积环境分析

本区芦草沟组油页岩含有鱼鳞化石、微纹层构造等，均说明本区芦草沟组油页岩沉积环境为深湖相还原环境，其母岩来源于沉积岩。李家沟油页岩主要发育在湖侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)中(图3)。

上 二叠统芦草沟组是在湖盆稳定沉降过程中堆积的湖相陆源碎屑岩系，主要由一套正常沉积的碎屑岩夹碳酸盐组成，泥质、有机质含量高，岩性以砂岩、泥岩、油页岩组成。芦草沟组第一岩性段为低水位体系域，以滨湖沉积为主，形成钙质长石石英砂岩夹泥质粉砂岩，不含油页岩；第二段为湖侵体系域，湖盆开始缓慢下降，湖水逐渐变深，以浅湖-半深湖沉积为主，形成黑色、灰黑色砂质页岩、泥质粉砂岩，夹油页岩、微晶白云岩。岩石水平层理发育，为静水或微弱水流中缓慢沉积作用；第三段为深湖相高水位体系域，该时期湖盆范围达到最大，生物繁多(介壳、鱼鳞化石)，油页岩分布最为广泛。以欠补偿深湖沉积为主，形成厚度较大粒度很细的灰黑色油页岩夹粉砂质泥岩、含粉砂微晶灰岩，油页岩中见黄铁矿，反映为还原环境，该岩性段是油页岩的重要产出层位；第四段为湖退体系域，湖盆逐渐抬升变小，并最终瓦解，以浅湖沉积为主，形成厚层(粉砂质)泥岩夹砾岩，不含油页岩。

芦草沟组沉积时期，随着构造沉降作用，在博格达山形成深坳陷为高水位体系域沉积体系，当时气候温暖潮湿，湖水相对稳定，生物大量繁盛，丰富的有机质伴随泥质、粉砂质沉积在湖盆的底部，在深湖以及水面滞流的还原环境，在厌氧细菌的改造作用下，以及大量粉砂质、淤泥的渗入，经过还原分解和沥青化作用，在滞流闭塞的半深湖-深湖沉积环境中，沉积了厚度较大的油页岩层。

油页岩岩石化学特征,本区芦草沟组油页岩稀土元素含量、特征比值见表1。

油页岩稀土元素含量总体较高，ΣREE为113.99～156.95×10^-6。轻稀土富集，(La/Yb)_N为6.11-7.60，LREE/HREE为5.93-6.57；δEu为0.79-0.86，铕具负异常。Ce_anom＝lg[3Ce/(2La_N＋Nd_N)]值范围-0.06～-0.04，Ce_anom＞-0.1表示Ce富集，反映水体呈还原环境；δCe为0.9-0.94，δCe＜１为负Ce异常，即Ce亏损，代表还原环境。以上说明芦草沟组沉积时水体为还原环境。

表1 李家沟油页岩稀土元素含量一览表

在 碎屑岩∑REE-La/Yb图解(图3)中，5件样品均投在沉积岩区，说明芦草沟组源岩来自于沉积岩。

另外锶(Sr)和钡(Ba)是地球化学性质很相似的元素对，同属亲石元素。认为泥岩中若Sr/Ba 比值大于1，则为海水沉积；Sr/Ba 比值小于1，则属陆相淡水沉积。在李家沟油页岩矿中分析了8件样品Sr/Ba除一件样品比值大于1以外，其余样品比值均小于1(表2)，表明本区沉积环境主要为半深湖-深湖陆相环境。

4.3 油页岩成因

李家沟油页岩矿床成因类型为淡水-半咸水湖泊沉积型，沉积作用和构造活动是油页岩成矿的主要控制因素。

表2 李家沟油页岩形成环境判别指标

(1)生物繁盛和有机质的沉积作用

晚二叠世随着博格达褶皱带的不断隆升，本区芦草沟组沉积盆地不断加深，形成了较稳定的湖相沉积。当时气候条件湿润温和，阳光充足，为陆源注入物少的清水环境，藻类和浮游生物的大量繁殖，微生物源源不断的出生和死亡。随着构造沉降芦草沟组第三岩性段时期湖盆加深，湖体下部水动力很弱，无法带入新的氧气，湖底氧气很快就因氧化前期沉积的有机物而消耗殆尽，形成还原环境，有利于有机质(生物残骸)长期大量堆集和保存。

(2)有机质的成岩作用

有机质在成岩作用阶段，堆积于湖盆中的生物残骸经长久腐化作用，残留物在继续深埋过程中失去其表面的亲水官能团而逐渐演化成溶解能力差的腐殖酸，最后形成不溶有机质-干酪根。这些有机组分以微粒有机质的形式分散在无机组分之中，共同沉积形成了油页岩。

(3)油页岩的自然演化

油页岩在形成后，如果沉积盆地继续下沉和深埋，达到生油温度(深度)，干酪根就会被热解为石油，油页岩就成为生油岩了。因此，本区油页岩是在形成后受逆冲推覆的作用抬升到地表，未被剥蚀得以保存下来，形成有经济价值的李家沟油页岩矿床。

5结论

(1)李家沟油页岩矿体赋存于上二叠统芦草沟组第二、第三岩性段。其中芦草沟组第三岩性段含矿率、含油率均好于第二岩性段。

(2)李家沟油页岩矿属于高灰分、中含油率、低硫油页岩。本区油页岩矿因发热量低，工业利用方向以能源炼油油页岩为主。

(3)芦草沟组油页岩沉积环境为深湖相还原环境，其母岩来源于沉积岩，矿床成因类型为淡水-半咸水湖泊沉积型，沉积作用和构造活动是油页岩成矿的主要控制因素。

参 考 文 献

[1] 新疆维吾尔自治区地质矿产局，2010，新疆板块构造区划分图

[2] 新疆维吾尔自治区地质矿产局，2011，新疆岩石地层区划图

[3] 新疆维吾尔自治区地质矿产局，2012，新疆成矿单元划分及其成矿基本特征

[4] 新疆地矿局第一区域地质调查大队，2001，新疆吉木萨尔县石长沟矿区油页岩勘探报告

[5] 新疆地矿局第一区域地质调查大队，2013，新疆吉木萨尔县吴家湾矿区油页岩勘探报告

[6] 玛维克能源有限公司，2008，新疆维吾尔自治区阜康市油页岩资源初步价值评估报告

[7] 新疆地矿局第十一地质大队，2016，新疆阜康市大黄山西油页岩矿勘探报告

[8] 中国地质大学(北京) 能源学院，2008，博格达山北麓大黄山地区芦草沟组油页岩地球化学特征与沉积环境分析

[9] 吉林大学、国土资源部油气资源战略研究中心，2010，全国油页岩资源评价

[10] 刘招君等，2009，中国油页岩

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