辽西朝阳盆地下白垩统九佛堂组油页岩高精度有机质富集机制研究

【摘要】：在辽西地区朝阳盆地,下白垩统九佛堂组以保存丰富的热河生物群化石以及赋存丰富的油页岩资源而闻名。然而,未见对该层位与重力流和火山碎屑沉积岩互层的富有机质岩石的详细研究。盆地演化、重力流、火山作用对油页岩形成的综合影响仍不清楚。此外,研究区湖相碳循环也未见报道。本次,主要通过岩石学、有机岩石学、沉积学、层序地层学、元素地球化学、有机地球化学、锆石U-Pb地质年代学以及无机碳同位素手段来开展相关研究。基于岩石学、沉积学以及层序地层学理论,建立了九佛堂组三段的层序地层格架。识别出由低水位、水进、髙水体和水退体系域组成的一个完整的三级层序。三角洲相在低水位和水退体系域较为发育,湖相在水进高水体和高水位体系域广泛发育,而重力流在各体系域均有发育。研究认为,盆地东部同沉积伸展断陷作用导致了盆地具有东断西超的半地堑形态,基准面先上升后下降。断陷作用还是火山喷发、地震和重力流的主要触发机制。根据沉积学、岩石学和工业品质分析,朝阳盆地油页岩沉积于半深湖-深湖环境,具有中低品质(含油率3.5～7.7 wt%)、低发热量(2261.86～5325.75 J/g)、高灰分(78～88 wt%)为主的特征。较高品质的油页岩为灰黑色,多发育水平层理,指示未遭受生物扰动且发生了季节性分层的静水环境。通过一系列评价参数和技术手段,明确了湖相源岩的特征和形成条件,包括古气候(化学蚀变指数CIA、C-value)、陆源无机碎屑输入(Zr、Th)、水体古盐度和氧化还原性(Sr/Ba、δU、(Cu+Mo)/Zn、姥鲛烷/值烷、伽马蜡烷指数GI和β-胡萝卜烷相对含量)、有机质来源(氢指数HI vs.最大热解峰温T_(max)的有机质类型判别图、C_(24)四环萜烷/(C_(24)四环萜烷+C_(23)13β(H),14α(H)-三环萜烷)、C_(19)三环萜烷/(C_(19)三环萜烷+C_(23) 13β(H),14α(H)-三环萜烷、C_(27)/C_(29)ααα-20R甾烷、C_(28)/C_(29)ααα-20R甾烷、4-甲基甾烷指数、甲藻甾烷指数和C_(31)四甲基甾烷指数)和初级生产力(Ba/Al、Ba_(bio))。湖相细粒沉积岩沉积时期,气候由较为湿润向半湿润-半干旱转变化,出现明显变冷趋势。相比于浅湖相,在发育油页岩的半深湖-深湖相,陆源有机和无机碎屑输入减少,有机质来源以水生生物为主,水体缺氧程度、水体盐度及初级生产力均明显增大。结合富有机质油页岩沉积受重力流影响而不发育的事实,以及若干来自地球化学方面的数据支持(Zr和δU具有负相关关系;半深湖-深湖相中受重力流影响的沉积岩具有较低的总有机碳含量TOC、较高的C_(24)四环萜烷/(C_(24)四环萜烷+C_(23) 13β(H),14α(H)-三环萜烷)、C_(19)三环萜烷/(C_(19)三环萜烷+C_(23) 13β(H),14α(H)-三环萜烷和姥鲛烷/值烷比值、较低的伽马蜡烷指数,且有机质类型多由Ⅰ型变为II_1型),认为重力流携带陆源碎屑物质和一定氧气,不利于有机质的富集。薄片鉴定、有机显微组分鉴定和有机地球化学方法被用于研究空降火山灰对油页岩形成的影响。含厚层凝灰岩层的油页岩样品中,在厚层凝灰岩层下部,可见大量鱼骨、介形虫和藻类体,且藻类体在凝灰岩层上部的密集程度逐渐由很低向较高转变。因此,认为厚层凝灰岩层反映的大量火山灰的输入可能引发水体毒化,进而导致某些水生生物的大量死亡。含薄层凝灰岩层的油页岩样品中,凝灰岩纹层中大量结构藻的出现、丰富的可指示沟鞭藻来源的生物标志化合物(C_(31) 4,22,23,24-四甲基甾烷指数)、高C_(27)/C_(29)ααα-20R和C_(28)/C_(29)ααα-20R甾烷比值、高4-甲基甾烷指数、甲藻甾烷指数和C_(31)四甲基甾烷指数值,它们共同指示了半咸水-咸水沟鞭藻贡献的增加,反映了特定半咸水-咸水沟鞭藻对火山灰输入的积极响应。因此,认为薄层凝灰岩反映的少量火山灰输入很可能导致了火山肥化作用,有利于较高品质油页岩的形成。以锆石U-Pb定年的绝对年龄(121.06±0.63 Ma,119.72±0.40 Ma,119.9±0.65 Ma)限制为主,认为朝阳盆地九佛堂组三段含油页岩系的沉积与早阿普第阶全球海洋缺氧事件(OAE1a)时期的海相富有机质黑色页岩沉积具有等时性。认为~(12)C在湖水和大气系统之间的交换可引发湖泊内部碳循环对全球碳循环进行一定的响应。受Ontong Java海台活动和辽西地区火山活动减弱以及全球海相黑色页岩和富有机质油页岩沉积导致的有机碳大量埋藏的共同影响,研究区目的层δ~(13)C_(carb)发生持续正偏。全球范围内的有机质持续埋藏可储存大量火山成因CO_2,其与逐渐减弱的Ontong Java海台活动以及逐渐减弱的中国东北地区火山活动一起,可能导致全球和区域性的大气CO_2浓度降低,进而导致气候变冷。研究区气候向半湿润半干旱的转变多伴随有较强的蒸发作用,可能导致水体盐度的增加。由于中国东北部一系列赋油页岩断陷盆地形成于相似的地质背景之下,本次研究可为中国东北部同时期形成的油页岩资源的勘探工作提供很好的理论支持。本次研究的火山活动、古气候、有机碳埋藏以及湖相碳循环之间的响应可对中国北部同时期湖相烃源岩研究产生一定的指导作用。