2. 吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室, 长春 130061
2. Key Laboratory of Oil Shale and Coexistent Energy Minerals of Jilin Province, Changchun 130061, China
0 引言
随着全球经济的快速发展，人们对能源的依赖程度逐渐增加，促使传统油气走向新能源的重大变革成为必然趋势。在新能源格局中，非常规油气资源所占的比例逐步增加[1-7]。全球油页岩资源丰富，主要集中在美国、俄罗斯、中国、约旦、巴西等国家[8]。中国油页岩资源丰富，并且其已成为常规油气资源的重要补充资源和国家战略性资源[9-10]。中国吉林众诚集团和吉林大学分别开展了原位开采技术实验，已经成功从地下获得了原位油页岩油。在此背景下，加大油页岩研究和开发力度将对扭转中国能源对外高度依赖提供希望。
中国油页岩资源主要富集在50个沉积盆地中，但含油页岩盆地类型、油页岩形成条件、矿床规模及品质、有机质来源等方面存在明显的差别[11]。目前油页岩成矿研究还处于起步阶段，尚未系统开展含油页岩盆地的分类研究，严重制约了成矿理论研究及资源预测。本文从含油页岩盆地类型划分出发，选择典型的含油页岩盆地，总结、归纳了各类型盆地油页岩特征、成矿条件及规律，以期为今后油页岩资源勘查和成矿预测提供理论基础。
1 中国含油页岩盆地分类中国油页岩资源丰富，主要富集在50个沉积盆地中(图 1)。通过对比分析这些含油页岩盆地油页岩特征，发现这些含油页岩盆地的形成、演化及其成矿规律主要受盆地成因类型及演化阶段的控制。
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| 图 1 中国主要含油页岩盆地类型及分布 Fig. 1 Types and distribution of major oil shale basins in China |
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在中国大陆上，随着古板块的演化，不同的构造位置上有规律地发育着不同类型的含油页岩盆地，而每种类型的含油页岩盆地在形成时代、沉积组合、含油率、油页岩厚度和分布以及油页岩中有机质类型等方面存在差异，并具有不同的成矿规律[12-19](表 1)。
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在综合对比分析的基础上，本文主要借鉴Ingersoll等[20]的沉积盆地分类方法，根据离散的、板内的、汇聚的及转换的4种板块特征和沉降机制，把中国含油页岩盆地归纳为4类，即离散型大陆裂谷盆地、转换型走滑盆地、汇聚型前陆盆地和板内型克拉通盆地(表 1)。
1.1 离散型大陆裂谷盆地中国大陆裂谷含油页岩盆地主要分布在大陆内部及沿海岸地区，呈北东向和北北东向分布。这些盆地分别形成于裂谷后热沉降或同裂谷沉降演化阶段。形成于裂谷后热沉降坳陷演化阶段的主要为大型的中生代白垩系的松辽盆地[21]，其油页岩资源丰富；形成于大陆裂谷同裂谷沉降断陷阶段的主要为小型的断陷盆地，如朝阳盆地、建昌盆地以及柴达木盆地等。
1.2 转换型走滑盆地东北地区沿敦化—密山断裂带和依兰—伊通断裂带发育一系列新生代小型断陷含油页岩盆地。它们是郯庐断裂段北延的重要组成部分，具有典型的走滑特征[14]。在较小的盆地面积内蕴含了丰富的油页岩资源，具有“小而肥”的典型特点，尤其以敦密断裂带抚顺盆地和桦甸盆地为代表。
1.3 汇聚型前陆盆地前陆型含油页岩盆地主要分布在中国西部地区，如准噶尔盆地和羌塘盆地。早二叠世，准噶尔地块南部的北天山和南天山洋盆封闭，准噶尔地块和塔里木地块拼接到一起，形成中二叠世准噶尔前陆盆地沉积[22]。晚三叠世末期—早白垩世强烈的造山作用为羌北中侏罗纪前陆盆地的形成和发展提供了动力来源，并由此拉开了羌北前陆盆地演化的序幕[23-24]。准噶尔盆地和羌塘盆地油页岩主要发育在前陆盆地陆相磨拉石演化阶段。
1.4 板内型克拉通盆地克拉通类型的含油页岩盆地主要位于中国中部地区，主要有鄂尔多斯、四川等盆地。鄂尔多斯、四川盆地是伊泽奈岐板块向古亚洲大陆俯冲而引起中国东部从古生代南北构造分异向中生代东西构造分异(东隆西坳)构造转换时期(印支期)和转换后(燕山期)的产物[25]。鄂尔多斯、四川盆地油页岩发育在地台和内陆演化阶段。
2 典型盆地油页岩矿床特征 2.1 离散型大陆裂谷盆地油页岩 2.1.1 裂谷后热沉降盆地油页岩大陆裂谷后热沉降坳陷期沉积的主要为松辽盆地，松辽盆地油页岩主要发育在上白垩统青山口组和嫩江组。
2.1.1.1 油页岩特征松辽盆地油页岩发育于半深湖—深湖环境，主要为灰黑色、黑灰色、深灰色(图 2a，b)，夹有泥灰岩层以及凝灰岩(图 2b)，水平层理发育(图 2a)，显微镜下可见黏土矿物与碎屑颗粒纹层(图 2c)、条带状(图 2d)与分散状有机质分布(图 2e)。
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| a.油页岩段岩心(749.34~752.10 m)，a1含油率最大值为6.55%，a2含油率最大值为12.65%；b.油页岩段岩心(200.18~203.09 m)，含油率最大值为6.01%；c.显微镜下油页岩中有机质、黏土矿物与碎屑颗粒纹层；d.显微镜下条带状有机质；e.显微镜下分散状有机质。 图 2 松辽盆地肇Y1井青山口组油页岩岩石特征 Fig. 2 Petrology features of oil shale in Qingshankou Formation of Well Zhao Y1 in Songliao basin |
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松辽盆地油页岩氢指数(IH)分布于513.23~900.91 mg/g (平均值为782.52 mg/g)，油页岩有机质类型表现为明显的Ⅰ型干酪根，Ⅱ1型次之(图 3)。油页岩有机碳质量分数介于5.01%~18.25%之间，含油率介于3.51%~16.37%之间，平均含油率为4.98%(表 2)，总体属于中含油率油页岩。
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| 图 3 松辽盆地油页岩有机质类型 Fig. 3 Organic matter types of oil shale in Songliao basin |
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| 层组 | 矿体编号 | 矿体形态 | 矿体厚度/m | 含油率/% | 与下层间距/m |
| 嫩江组二段 | K2n2－C | 层状 | 0~1.10 | 3.51~16.37 | 1.00~3.00 |
| K2n2－B | 层状(稳定) | 0.70~7.25 | 3.51~8.53 | 0~2.00 | |
| K2n2－A | 层状 | 0~1.00 | 3.51~5.83 | － | |
| 嫩江组一段 | K2n1－C | 层状 | 0~1.97 | 3.51~4.22 | 0~1.02 |
| K2n1－B | 层状(较稳定) | 0~4.00 | 3.51~4.85 | 3.00~5.00 | |
| K2n1－A | 层状 | 0~2.06 | 3.51~4.30 | － | |
| 青山口组一段 | K2qn1－E | 层状 | 0~0.75 | 3.51~4.75 | 0~8.00 |
| K2qn1－D | 层状 | 0~1.09 | 3.51~8.15 | 0~6.00 | |
| K2qn1－C | 层状 | 0~1.53 | 3.51~4.69 | 5.00~9.00 | |
| K2qn1－B | 层状 | 0~5.54 | 3.51~6.93 | 1.81~7.43 | |
| K2qn1－A | 层状(稳定) | 0~2.76 | 3.51~9.31 | － | |
| a.桦甸3井油页岩岩心(252.26~254.70 m)；b.抚顺油页岩野外露头；c.抚顺盆地油页岩介形虫碎屑和富有机质黏土条带；d.桦甸富矿黑色油页岩韵律特征(桦甸3井254.00 m)。 | |||||
油页岩主要发育于上白垩统青山口组一段和嫩江组一段、二段，均为松辽盆地坳陷期较大湖泛时期的沉积，主要分布于水进和高水位体系域[26]。其中，嫩江组二段湖侵规模最大，盆地湖泊面积超过了20×104 km2[27-28]，油页岩在盆地中的分布面积也达到最大，为90 332 km2。大规模的构造沉降使油页岩都发育在半深湖—深湖相环境，在平面上分布范围很广且稳定。油页岩层呈层状分布，产状与地层产状一致，倾角平缓，一般不大于10°。油页岩矿体厚度薄，最大厚度仅为7.25 m(表 2)，油页岩最大累积厚度为38.94 m，油页岩资源为8 296.97亿t。本文根据最近的全国油页岩资源评价结果初步划分了全国油页岩矿床规模，油页岩资源≥1 000亿t的为特大型矿床，油页岩资源为100~1 000亿t的为大型矿床，油页岩资源为10~100亿t的为中型矿床，油页岩资源小于10亿t的为小型矿床, 可知松辽盆地油页岩达到了特大型油页岩矿床规模。
因此，松辽盆地油页岩总体表现为油页岩分布面积大且稳定，但厚度较薄。
2.1.2 其他同裂谷沉降盆地油页岩同属裂谷盆地型的还有同裂谷沉降盆地，例如东北地区的朝阳盆地和西部的柴达木盆地，表现为断陷构造样式，油页岩形成于湖相和沼泽环境，有机质类型为Ⅱ1和Ⅱ2型。其中：朝阳盆地油页岩单层最大厚度为25.00 m，油页岩最大累计厚度为100.00 m，平均含油率为4.65%，最高含油率为7.71%，油页岩资源72.68亿t，属于中型油页岩矿床[29]；柴达木盆地油页岩厚度较薄，油页岩单层最大厚度为4.00 m，油页岩最大累计厚度为20.90 m，平均含油率为9.71%，最高含油率为10.35%，油页岩资源48.35亿t，属于中型油页岩矿床。
总体上，与裂谷后热沉降松辽盆地油页岩矿床相比，同裂谷沉降盆地具有沉积环境多样、有机质偏Ⅱ型、矿床规模偏小等特征。
2.2 转换型走滑盆地油页岩分布于敦密断裂带的抚顺和桦甸盆地，是郯庐断裂带北延分支的重要组成部分，盆地受两条高角度走滑断裂控制，为典型新生代走滑盆地。
2.2.1 油页岩特征抚顺和桦甸盆地油页岩颜色主要为深褐色、灰褐色、灰黑色，一般含油率较高的油页岩呈深褐色和灰褐色(图 4a，b)。岩石光片中可观察到大量介形虫等生物化石碎屑、富有机质黏土条带(图 4c，d)，以及陆源碳屑有机质。
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| 抚顺盆地计军屯组油页岩贫矿油页岩呈现浅褐色，含油率为3.50%~6.00%，富矿油页岩呈棕褐色，含油率为6.00%~12.60%，总体属于中高含油率油页岩。桦甸油页岩含油率较高，平均含油率8.60%，最高可达24. 80%，总体属于高含油率油页岩。 图 4 抚顺和桦甸盆地油页岩岩石特征 Fig. 4 Petrology features of oil shale in Fushun and Huadian basins |
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抚顺盆地计军屯组油页岩可分为下部贫矿段和上部富矿段。贫矿油页岩中以裸子植物为主的陆源有机质供给明显大于藻类体等湖泊生物，有机质类型以Ⅱ2型为主；富矿油页岩以藻类体为主要有机质来源，但含少量的被子植物等陆源有机质，有机质类型主要为Ⅱ1型(图 5)。桦甸盆地油页岩有机质类型以Ⅱ1型为主(图 5)，油页岩中有机质为湖泊自身生物和陆源有机质共同来源。
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| 图 5 抚顺和桦甸盆地油页岩有机质类型 Fig. 5 Organic matter types of oil shale in Fushun and Huadian basins |
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抚顺盆地油页岩形成于古近系计军屯组，该盆地油页岩分布面积小，仅为35 km2。贫矿油页岩形成于半深湖贫氧的淡水环境中，富矿油页岩形成于深湖缺氧的淡水环境中，并分别先后形成于水进和高水位体系域中[29]。油页岩埋深为16.70~633.80 m，多数地带油页岩为单层分布，厚度巨大，一般为34.00~190.00 m，平均为113.00 m，油页岩最大累计厚度为195.50 m(图 6)，油页岩资源为36.67亿t，为中型油页岩矿床[29]。
桦甸盆地为新生代小型断陷盆地，盆地面积为1 966 km2，油页岩分布面积仅为54 km2，分布面积小。油页岩整体沉积于淡水半深湖—深湖环境，形成于盆地湖扩阶段，油页岩形成于水进和高水位体系域中[29]，高水位时期的油页岩分布范围最广，并且可以在全盆地进行对比，横向连续性很好。桦甸盆地桦甸组发育13层工业品质油页岩(表 3)，单层油页岩的厚度相对较小，厚度为0.7~3.80 m，最大累计厚度为32.73 m。油页岩分布不稳定，仅第4层油页岩在全区广泛分布，油页岩资源为9.97亿t，为小型油页岩矿床。
| 矿体编号 | 矿体形态 | 矿体厚度/m | 含油率/% | 与下层间距/m |
| 1 | 似层状 | 0~1.49 | 4.05~9.25 | 40.03~60.90 |
| 2 | 似层状 | 0~2.19 | 3.60~14.05 | 2.80~8.48 |
| 3 | 似层状 | 0~2.83 | 3.80~12.70 | 12.84~26.97 |
| 4 | 层状 | 0~3.35 | 4.90~24.80 | 1.48~8.30 |
| 5 | 层状 | 0~2.96 | 3.65~17.40 | 4.75~15.00 |
| 6 | 层状 | 0~1.99 | 4.60~13.85 | 5.58~13.80 |
| 7 | 似层状 | 0~2.65 | 3.55~13.50 | 5.81~20.01 |
| 8 | 似层状 | 0~2.67 | 3.70~11.60 | 8.35~21.66 |
| 9 | 似层状 | 0~2.96 | 3.55~8.35 | 1.00~16.55 |
| 10 | 似层状 | 0~3.03 | 3.55~9.50 | 12.09~32.16 |
| 11 | 似层状 | 0~3.80 | 3.65~13.10 | 1.95~20.74 |
| 12 | 似层状 | 0~3.17 | 3.55~11.60 | 20.20~29.58 |
| 13 | 似层状 | 0~1.47 | 3.65~9.86 | － |
准噶尔盆地博格达山北麓油页岩颜色主要以灰色、灰褐—灰黑色以及黑色为主。油页岩呈现泥质结构，层理构造主要为水平层理和块状构造(图 7a，b)。在野外露头油页岩的水平层理风化成书页状(图 7a)，显微镜下可见深黑色薄层有机质条带与富含有机质的絮状黏土薄层互层组成的纹层(图 7c)。块状构造的油页岩外观较为均一，很难观察到内部显微构造(图 7b)，可见断续平行排列的块状有机质，局部视域中可见粒径较大的石英、长石等陆源碎屑颗粒(图 7d)。
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| a.页理构造; b.块状构造; c.水平层理油页岩镜下特征; d.块状构造油页岩镜下特征。 图 7 准噶尔盆地博格达山北麓二叠系芦草沟组油页岩岩石矿物特征 Fig. 7 Petrology features of oil shale in Lucaogou Formation of Permian in the northern foot of Bogda Mountain, Junggar basin |
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岩石热解测试数据表明，准噶尔盆地油页岩有机质主要以Ⅰ型和Ⅱ1型为主(图 8)。芦草沟组共发育7层油页岩，油页岩含油率最高为22.73%，平均含油率为7.36%，总体属于高含油率油页岩。
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| 图 8 准噶尔盆地博格达山北麓二叠系芦草沟组油页岩有机质类型 Fig. 8 Organic matter types of oil shale of the Permian Lucaogou Formation oil shale in the northern foot of Bogda Mountain, Junggar basin |
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准噶尔盆地南部博格达山油页岩发育在二叠系芦草沟组，为盆地坳陷期沉积，形成于半深湖—深湖沉积环境，分布于水进和高水位体系域中[30]。但油页岩分布相对局限，主要分布在准噶尔盆地博格达山北麓妖魔山背斜的南翼，油页岩分布面积162.08 km2。油页岩层数多、厚度大，具有工业开采价值的油页岩主要赋存于中二叠统芦草沟组四段，主矿层有10层，油页岩单层厚度最大90.00 m，油页岩最大累计厚度可达205.00 m。各层含油率较高，平均含油率7.36%，最高含油率22.10%。矿层为一单斜层，矿层产状较陡，倾角一般在60°~70°。沿走向油页岩层分布稳定，厚度变化不大。油页岩资源为552.40亿t，为大型油页岩矿床。
2.4 板内型克拉通盆地油页岩 2.4.1 油页岩特征鄂尔多斯盆地南缘的油页岩主要沉积在三叠系延长组第三段(T3y3)的长7和长9油层组，油页岩多呈黑色、深灰色，纸片状，节理发育(图 9)。
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| a. ZK903井油页岩沉积环境; b.油页岩野外露头特征；c.含油页岩岩系岩心特征(848.05~853.34 m)。 图 9 鄂尔多斯盆地ZK903井三叠系延长组油页岩岩石特征及沉积特征 Fig. 9 Oil shale petrology and sedimentary features of Well ZK903 of Triassic Yanchang Formation in Ordos basin |
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鄂尔多斯油页岩光片显微组分鉴定表明，油页岩中有机质除发育少量的层状藻，还有少量的镜质体和孢子体(图 10)，说明油页岩中有机质既来源于湖泊水生生物，也有陆源高等植物的输入。油页岩中有机质类型Ⅰ型和Ⅱ1型都有分布，但以Ⅱ1型为主(图 10e)。
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| a.小孢子体和镜质体；b.角质体；c.孢子体；d.层状藻和孢子体；e.有机质类型图。 图 10 鄂尔多斯盆地ZK903井油页岩有机质类型 Fig. 10 Types of organic matter in oil shale of Well ZK903 in Ordos basin |
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鄂尔多斯油页岩含油率介于3.96%~10.56%，平均值为7.42%，总体属于中—偏高品质的油页岩。
2.4.2 油页岩矿床特征三叠系延长组(T3y3)是鄂尔多斯盆地主要的含油层段，形成于盆地的陆内坳陷阶段，该组的长7段是鄂尔多斯盆地湖侵的最大时期沉积，分布于水进和高水位体系域[31]。盆地南部为大面积的半深湖—深湖相沉积，油页岩发育，且分布范围广，面积约7 567 km2。油页岩成层状分布，在区域内分布普遍稳定。油页岩厚度较厚，单层最大厚度达30.00 m以上，最大累计厚度为32.00 m。油页岩资源为3 345.37亿t，为特大型油页岩矿床。
3 典型含油页岩盆地成矿规律本文重点对离散型大陆裂谷盆地、转换型走滑盆地、汇聚型前陆盆地以及板内型克拉通盆地开展了油页岩成矿规律解剖(表 1)。
以松辽盆地为代表的离散型大陆裂谷盆地，油页岩沉积时期为裂谷后热沉降坳陷阶段，盆地大规模整体沉降，形成广阔的深湖环境，油页岩的发育与湖盆的湖泛对应，分布稳定且广泛，盆地范围大，受陆源碎屑影响小，主要以湖泊自身生产力为主；因此形成了油页岩有机质类型以Ⅰ型为主、油页岩厚度较薄、分布面积广的中高含油率油页岩。而同裂谷沉降油页岩矿床形成于同裂谷后沉降的断陷阶段，油页岩不仅形成于深湖环境，还可以形成于湖沼环境；因此油页岩有机质类型表现为Ⅱ1-Ⅱ2型，其油页岩赋存特征变化较大，形成于深湖环境，油页岩厚度较湖沼环境厚，但含油率相对较低，总体表现为中等－高含油率特征。
以抚顺和桦甸盆地为代表的转换型走滑盆地，油页岩沉积时期为伸展－走滑阶段，油页岩有机质类型都表现为Ⅱ1-Ⅱ2型，但油页岩在厚度和含油率赋存特征上差异很大。这与走滑作用造成的差异性沉降作用密切相关。受走滑盆地边界的控制，往往相邻很近的两个盆地的沉积地层差别很大。抚顺盆地沉降幅度较大，且没有大量河流注入，侧向的相变快，边缘相相对不发育，深湖相发育，油页岩总体表现为中高含油率，平均含油率5.86%，最高含油率12.60%，但油页岩单层厚度巨大，最大可达190.00 m。与抚顺盆地相邻不到300 km的桦甸盆地构造沉降量较小，半深湖—深湖环境有机质来源丰富，使桦甸盆地油页岩表现为高含油率，平均含油率为8.60%，最高含油率24.80%，但单层厚度较薄，单层厚度最厚仅为3.80 m。
以准噶尔盆地为代表的汇聚型前陆盆地，油页岩沉积时期为盆地演化的陆相磨拉石阶段，在构造沉降大的背景下，发育了半深湖—深湖环境，沉积了有机质为Ⅰ-Ⅱ1型、厚度较大、含油率较高的油页岩，油页岩平均含油率7.36%，最高含油率可达22.73%，累计厚度最大可达205.00 m。但后期受推覆构造影响，矿体产状陡，横向展布变化大，分布较局限。
以鄂尔多斯盆地为代表的板内型克拉通盆地，油页岩沉积时期为地台和内陆阶段，该时期形成稳定的大规模沉降，广泛发育半深湖—深湖环境，厚度和含油率高值的油页岩主要集中于深湖环境，有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型，油页岩分布稳定且广泛。油页岩平均含油率7.42%，最高含油率10.56%。
4 结论1) 离散型大陆裂谷型盆地坳陷阶段油页岩有机质类型主要为Ⅰ型，同裂谷断陷阶段中的湖相环境油页岩有机质类型主要为Ⅱ1-Ⅱ2型，油页岩特征变化较大，两者总体表现为中等—高含油率特征；转换型走滑盆地油页岩有机质类型主要为Ⅱ1-Ⅱ2型，油页岩特征变化较大，总体表现为中等—高含油率特征；汇聚型前陆盆地油页岩有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型，油页岩总体表现为高含油率特征；板内型克拉通盆地油页岩有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型，油页岩总体表现为中等含油率特征。
2) 4种典型盆地中，半深湖—深湖环境、高水位和水进体系域是油页岩形成的有利场所，但离散型大陆裂谷盆地裂谷后热沉降坳陷阶段和板内型克拉通盆地陆内坳陷阶段易形成特大型油页岩矿床，汇聚型前陆盆地陆相磨拉石阶段易形成大型油页岩矿床，同裂谷沉降断陷阶段易形成中型油页岩矿床，转换型走滑盆地断陷阶段易形成中小型油页岩矿床。
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