0 引言

油页岩(又称油母页岩)作为一种非常规油气资源，由于其资源量大、相对容易开采、用途广泛和加工工艺成熟等特点越来越受到人们的重视，成为非常规领域研究的热点^[1-5]，也是最有希望成为部分替代石油的新能源之一^[6-8]。油页岩一直没有明确的定义，目前对油页岩定义为：油页岩是一种高灰分(大于40%)的固体可燃有机矿产，通过低温干馏可获得页岩油，含油率大于3.5%，有机质含量较高，主要是腐泥型、腐殖型或混合型，发热量一般大于4.18 MJ/kg^{[2, 6]}。

宁夏固原炭山地区延安组油页岩广泛发育，资源量大^[9]，但由于其与煤既有交互出现，又有作为煤层的顶板或底板出现，因此在煤炭探勘过程中通常忽略了油页岩的存在。随着勘探开发技术的不断提高，研究区与煤伴生的油页岩逐渐受到重视。由于研究区油页岩特征的研究仍存在不足，制约着油页岩的进一步勘探与开发。本文通过低温干馏分析数据、主量元素测定以及钻井录井数据对油页岩特征进行了研究，明确了油页岩识别依据，并对油页岩沉积环境做了简要分析，为本区油页岩的进一步勘探开发提供科学依据。

炭山地区位于宁夏中南部，构造位置上处于河西走廊过渡带之六盘山过渡带南端，东与华北克拉通鄂尔多斯地块相接，向南靠近祁连秦岭褶皱带，为多个板块和构造带的结合部位(图 1)。因此该地区深部作用活跃，区域上表现为以近南北向展布的深大断裂为主，如炭山西侧的清水河大断裂，东边的青铜峡—固原深大断裂。在几条深断裂之间又发育一系褶皱和不同方向、不同性质的规模较小的断层，多隐伏于新生界及白垩系之下，仅在局部地区有露头显示。

据文献[10-12]修编。 图 1 炭山地区大地构造位置 Fig. 1 Tectonic position area in Tanshan area

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研究区大部分被黄土掩盖，只在其西南部、中东部及切割较深的沟谷中有零星的基岩露头(图 2)。根据煤炭勘查钻孔资料，研究区地层主要有新近系、古近系、中侏罗统及前寒武系，各系地层之间均为角度不整合^[9]。其中，中侏罗统延安组在本区沉积厚度和岩性变化较大，可分为4个岩性段，各段均含有可采煤层，但主要集中于一、二岩性段。根据以往勘查资料及本次工作，研究区油页岩共有8层，总厚度约为14.39 m，主要赋存于延安组中下部各含煤层系中，其中以油3、油4、油5和油6分布最为稳定，且有一定厚度，资源量可观(图 3)。油页岩的分布和煤层一样，完全受延安组及构造控制^[9]。

1.第四系全新统冲洪积层；2.第四系上更新统马兰组；3.新近系中新统干河沟组；4.新近系中新统红柳沟组；5.古近系渐新统清水营组；6.古近系始新统寺口子组；7—9.侏罗系中统延安组第四至第二岩段；10.青白口系王全口组；11.青白口系黄旗口组；12.向斜轴；13.背斜轴；14.隐伏正断层及编号；15.二维地震解释逆断层及编号；16.平移走滑断层；17.见煤钻孔；18.油页岩钻孔及编号；19.地名；20.地质界线。 图 2 炭山地区油页岩矿区地质简图 Fig. 2 Geological sketch map of oil shale in Tanshan area

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图 3 炭山地区油页岩综合柱状图 Fig. 3 Synthesis histogram of oil shale in Tanshan area

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炭山地区油页岩以黑色、灰黑色、深灰色为主，颜色与有机碳含量相关，通常有机质含量越高颜色越深(图 4a)。油页岩质地较轻，密度小，指甲刻划出现光滑条痕；断口多为参差状或贝壳状，具有油脂光泽、沥青光泽(图 4b)。油页岩主要发育块状层理(图 4c)。

a.固油1井厚层油页岩；b.灰黑色页岩，断面呈参差状、贝壳状；c.油页岩发育块状层理。 图 4 炭山地区延安组油页岩岩心 Fig. 4 Oil shale core of Yan'an Formation in Tanshan area

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含油率是油页岩品质评价的最重要指标，同时也是区别油页岩与炭质页岩的重要指标。通常油页岩的含油率大于3.5%，而炭质页岩的含油率小于3.5%。对炭山地区两口钻井岩心15个不同深度的油页岩样品进行测试分析(表 1)，结果显示研究区油页岩含油率为3.60%~9.00%，平均含油率为5.80%。根据油页岩品质分类：含油率在3.5%~5.0%为低品质油页岩，在5.0%~10.0%为中品质油页岩，>10.0%为高品质油页岩。炭山地区油页岩属于中品质油页岩。

灰分质量分数是指单位重量油页岩分析样品在800(±10) ℃条件下完全燃烧后剩余的残渣质量分数^[13-14]。灰分质量分数也是衡量油页岩品质的重要参数，w(灰分)越低，有机质含量越高，油页岩品质越好；同时灰分质量分数也是区别煤与油页岩的重要参数，煤的w(灰分)小于40%。

对研究区固油1钻孔6个样品、固油2钻孔9个样品进行灰分测试，结果显示炭山地区油页岩灰分质量分数介于42.50%~79.05%，平均为60.50%。炭山地区油页岩灰分质量分数与含油率呈明显的负相关关系，判定系数达0.596 9，表明炭山地区含油率较高的油页岩发育区，灰分质量分数通常较低(图 5)。

图 5 炭山地区油页岩灰分质量分数与含油率关系图 Fig. 5 Diagram of relationship between oil-bearing ratio and ash of oil shale in Tanshan area

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全硫质量分数是评价油页岩利用时潜在污染程度的重要指标^{[13, 15]}。炭山地区15个油页岩样品中，仅有2个样品全硫质量分数超过1%(固1H11为1.01%，固2H62为1.37%)，全硫质量分数介于0.07%~1.37%之间，平均为0.64%(图 6)。根据全硫质量分数对油页岩分类标准(表 2)，炭山地区油页岩数据为特低硫油页岩。

图 6 炭山地区油页岩全硫质量分数柱状图 Fig. 6 Histogram of total sulfur content of oil shale in Tanshan area

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发热量是评价油页岩是否具有作为工业燃料价值的重要评价参数。炭山地区油页岩发热量除了固2H1样品为2.49 kJ/g和固1H29样品为5.25 kJ/g两个样品外，其余样品发热量均大7.00 kJ/g(图 7)，平均发热量为11.01 kJ/g，与抚顺(8.69 kJ/g)、桦甸(12.85 kJ/g)地区油页岩发热量相当^[13]。另外，炭山地区油页岩发热量与含油率呈现较好的正相关性，判定系数可达0.583 4(图 8)。

图 7 炭山地区油页岩发热量柱状图 Fig. 7 Calorific histogram of oil shale in Tanshan area

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图 8 炭山地区油页岩发热量与含油率关系图 Fig. 8 Diagram of relationship between oil-bearing ratio and calorific value of oil shale in Tanshan area

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油页岩主量元素主要是灰分的成分，成分不同影响灰熔点的高低，因此灰分成分是选择干馏和燃烧炉型的重要参数^[16]。炭山地区油页岩中主要元素质量分数如表 3所示。其中w(SiO₂)变化范围较大，为53.89%~65.55%，平均值为59.30%；w(Al₂O₃)为17.45%~23.29%，平均值为20.47%；根据赵隆业^[16]划分方案属于硅质灰分。w(K₂O)明显高于w(Na₂O)，表明炭山地区油页岩中含有较多的含钾矿物，另外w(Fe₂O₃+ MgO)为12.75%~21.98%，平均为15.55%，表明炭山地区油页岩中含有镁铁成分。样品中Al₂O₃/(CaO+Na₂O)的值为3.09~21.12，揭示炭山地区油页岩稳定组分含量较高。

炭山地区油页岩在测井曲线长距伽马、电阻率、声波时差和密度上区别于其他泥质、矿物质等。油页岩富含有机质，而有机质含量与地层中放射性元素(铀、钾等)含量有一定正相关性，因此，在长距伽马测井曲线上表现为较高异常。油页岩中干酪根的存在是其低电阻率的主要原因，泥岩通常具有较高电阻率，据此可区分泥岩与油页岩。一般情况下，有机质的声波时差大于岩石骨架的声波时差，当地层中含有有机质时，随着有机质含量增加会导致地层声波时差变大，因此富有机质的地层有较大声波时差，即油页岩声波时差高于泥岩。密度方面，由于有机质的密度较小，当有机质取代岩石骨架时，就会使岩石的密度降低，因此富有机质的地层密度低于正常泥岩密度。

炭山地区油页岩与煤层伴生，或油页岩与煤层、泥岩交替出现，通过固油1钻孔测井曲线特征可以明显看出，在长距伽马和声波时差测井中，煤层>油页岩>泥岩，尤其是在长距伽马测井中关系更明显，曲线表现出台阶式或跳跃式的变化特征。电阻率测井中，油页岩明显低于煤层和泥岩(煤层＞油页岩，泥岩＞油页岩)。而在密度测井中，泥岩>油页岩>煤层，曲线相对较平滑，但也表现出台阶式的变化特征(图 9)。因此，通过测井分析可以较好的识别油页岩。

图 9 炭山地区固油1钻孔油页岩测井曲线特征 Fig. 9 Characteristics of oil shale logging curve in Guyou 1 in Tanshan area

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化学蚀变指数(I_CA)常被用来判断物源区不同气候条件下的化学风化程度^[17-19]：I_CA=[Al₂O₃/(Al₂O₃+ CaO+Na₂O+K₂O)]×100^[20]。通过计算，炭山地区油页岩化学蚀变指数介于74.87~84.35之间，反映了当时为温暖、湿润的气候条件。

微量元素含量与沉积环境具有密切的相关性，通常利用Sr/Ba值来判断沉积时期古盐度(Sr/Ba>1为海相咸水沉积环境；Sr/Ba<1为陆相淡水环境)。炭山地区Sr/Ba值为0.33~0.83，平均为0.61(表 4)，揭示油页岩沉积环境为陆相淡水环境。Th/U值介于1.00~3.50之间，平均为2.84，表明油页岩沉积环境为缺氧、贫氧环境^[20]。另外，炭山地区油页岩与煤、块状炭质泥岩共生。

炭山地区与六盘山盆地相连，为鄂尔多斯盆地的次级凹陷。前人^[21]研究表明，研究区在延安组沉积时期主要发育湖泊相和河湖-沼泽相。另据固油1和固油2钻孔揭示，炭山地区延安组发育多套煤线及煤层，指示沉积相为沼泽或浅湖相，砂岩以粗砂岩、细砂岩为主，最厚可达二十多米(图 3)，指示沉积环境为河流三角洲相。

炭山地区油页岩与煤层共生，综合分析认为炭山地区油页岩沉积环境为缺氧、贫氧的陆相淡水湖泊环境和沼泽环境。

1) 炭山地区油页岩共有8层，总厚度约14.39 m，主要赋存于中侏罗统延安组中下部各含煤层系中，油页岩的分布和煤层完全一致。油页岩含油率为3.60%~9.00%，灰分质量分数为42.50%~79.05%，全硫质量分数为0.07%~1.37%，发热量为11.01 kJ/g(平均值)，属中品质、硅质灰分、低硫并且与煤伴生的油页岩。

2) 油页岩中w(SiO₂)变化范围较大，为53.89%~65.55%，w(Al₂O₃)为17.45%~23.29%，w(K₂O)明显高于w(Na₂O)，另外w(Fe₂O₃+MgO)为12.75%~21.98%，表明油页岩中含有较多的含钾矿物和镁铁成分。此外，Al₂O₃/(CaO+Na₂O)值为3.09~21.12，揭示该地区油页岩稳定组分含量较高。同时，炭山地区油页岩测井曲线特征区别于煤层和泥岩(炭质泥岩)，油页岩长距伽马、声波时差和密度介于煤层与泥岩之间，而电阻率明显低于煤层和泥岩，结合分析化验数据可以很好地识别油页岩。

3) 炭山地区油页岩化学蚀变指数为74.87~84.35，Sr/Ba值为0.33~0.83，平均为0.61，Th/U值为1.00~3.50，综合表明该地区油页岩沉积环境为温暖、温润的缺氧、贫氧的陆相淡水湖泊环境和沼泽环境。