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银额盆地楚鲁隆起巴音戈壁组含油页岩岩系有机质富集机制研究

张坤  
【摘要】:研究区楚鲁隆起是银额盆地早白垩世裂谷断陷群的组成部分,其中巴音戈壁组发育一套含油页岩岩系。结合前人的锆石放射性同位素年代学资料及本次对研究区热河生物群化石、孢粉种属分析可知,巴音戈壁组二段的沉积时代属于早白垩世Barremian晚期-Aptian早期。本论文在对研究区开展沉积相及层序地层学研究的基础上,通过孢粉学、岩石学、矿物学、有机地球化学、元素地球化学及同位素地球化学等技术手段,针对巴音戈壁组二段的沉积-层序演化、古气候演化、热水沉积特征、古湖泊水体条件及有机质来源特征进行了分析,探讨了其有机质富集机制。根据岩石学、矿物学及地球化学分析得出,研究区巴音戈壁组二段发育丰富的油页岩、泥岩及碳酸岩(如白云岩、白云质泥岩、泥灰岩等)沉积,并含有丰富的热河生物群化石。其中油页岩有机质丰度较高,含油率在3.68%-9.86%之间,平均值为6.02%,总有机碳(TOC)含量最高可达13.6%,生烃潜力S_1+S_2最高可达136.54mg/g,全硫(TS)含量在0.04%-2.49%之间,全氮(TN)含量在0.07%-0.47%之间。油页岩有机显微组分以藻类体(层状藻及结构藻)为主,其次为孢子体,并含有少量的角质体、镜质体、惰质体。Ro及T_(max)值指示了巴音戈壁组二段有机质处于未成熟-低成熟阶段。通过油页岩的工业品质分析可知,巴音戈壁组油页岩为中等品质高灰分低发热量低硫油页岩。通过野外踏勘、剖面测量及岩心观察,在研究区主要识别出湖泊相及近岸水下扇相沉积,湖泊相划分为半深湖-深湖及浅湖亚相,近岸水下扇相划分为内扇、中扇及外扇亚相。在此基础上,依据层序地层学原理,建立了研究区巴音戈壁组的层序地层格架,识别出一个三级层序。研究区大部分地区发育完整的水进体系域(TST)及高水位体系域(HST),局部发育低水位体系域(LST)及水退体系域(RST)。半深湖-深湖相主要发育在HST中,是油页岩形成的有利相带和体系域,浅湖相主要发育在RST中,近岸水下扇发育在TST的半深湖-深湖相中,且主要沉积于研究区的东南部。研究区东南部靠近盆地的主控断层-阿尔金断裂带,同生断层活动可能成为近岸水下扇的触发机制。同时受其影响,巴音戈壁组二段的沉积厚度在研究区上具有西北薄东南厚的特征。在对孢粉种类及数量进行统计的基础上,恢复了巴音戈壁组二段的古气候演化过程,整体上具有暖温带-温带的古气候背景。研究区的古植被类型以针叶林为主,其次为常绿阔叶林及草本植物,含有少量的落叶阔叶林及灌木植物。同时,高山型孢粉(云杉、冷杉及雪松花粉)与热带-亚热带植物孢粉混生的现象暗示了研究区周围存在高山的古地理格局。此外,结合元素比值(Sr/Cu及Al_2O_3/Mg O)、古风化指数(CIA、CIW及PIA)及有机碳同位素(δ~(13)C_(org))等地球化学资料进一步证实了巴音戈壁组二段的TST、HST及RST分别主要经历了温凉-半湿润、温暖-半湿润及温凉-半干旱半湿润的古气候演化过程。利用植物碎屑化石的碳同位素(δ~(13)C_(wood))恢复巴音戈壁组二段古大气CO_2浓度,p CO_2值在340.77-1384.74ppm之间,p CO_2高值对应了古气温相对较高的温暖-半湿润古气候特征。结合元素地球化学、生物标志化合物及有机氮同位素(δ~(15)N),揭示了巴音戈壁组二段的有机质的古湖泊水体条件(氧化还原性及古盐度)、有机质来源、陆源碎屑供给及微生物活动特征。古水体氧化还原性的元素代理指标U_(EF)、Mo _(EF)、δU及DOP_T指示了巴音戈壁组二段主要经历了贫氧、贫氧-缺氧、缺氧及贫氧的演化过程。δ~(15)N值的正漂移指示了不完全反硝化作用的优势,缺氧的水体环境下反硝化细菌的活动性较强。古盐度的元素代理指标B/Ga、Sr/Ba及S/TOC暗示了巴音戈壁组二段主要经历了半咸水-咸水、半咸水、半咸水-咸水的变化趋势。油页岩中有机质的干酪根类型以Ⅰ型为主,部分为ⅠⅠ_1型。HST中的Ti含量及Ti/Al比值相对较低,暗示了较高湖平面条件下湖泊沉积物以内源供给为主。在热水沉积物中通过扫描电镜可见板状及放射状白铁矿、脉状黄铁矿与白云石的共生现象。地球化学资料证实了巴音戈壁组二段的热水活动主要发育在HST,部分出现在RST中。通过对白云石及方解石中的流体包裹体测温分析可知,巴音戈壁组的热液流体具有低温度、中盐度和高密度的特征。通过对巴音戈壁组二段古气候及沉积环境的演化特征进行详细分析可知,温暖-半湿润的古气候带来了充足的雨水促进了湖平面的上升,氧化还原界面的升高为有机质的富集提供了有利的保存条件。同时,温暖湿润的古气候有利于岩石的风化和陆源维管植被的生长,较高的古风化程度及较强地表径流为古湖泊输入了大量陆源营养物质(Fe、P、K等),促进了浮游藻类的繁盛及初级生产力的提高,为有机质富集提供了丰富的物质来源。古气候条件是驱动巴音戈壁组二段湖泊沉积演化和有机质富集的主控因素。巴音戈壁组二段油页岩沉积时期p CO_2的升高及古气候的暖化与早白垩世Aptian阶全球古气温的上升相关。古气候控制有机质富集机制的同时,湖底热水活动也对有机质的富集产生一定影响。巴音戈壁组二段的热水活动与盆地的张性断裂相关,热水沉积主要发生在HST中。强热水沉积往往对应了较高的古盐度及缺氧的水体环境,暗示了强烈的热水活动可能释放了更多的热液流体,促进了湖底盐度的增加以及湖底缺氧环境的形成。中等热水活动与高古湖泊生产力具有着耦合性,暗示了中等热水活动释放的营养元素可能促进了古湖泊初级生产力的提高,而较强的热液活动可能抑制了古湖泊初级生产力的提高。本文在对研究区进行古构造特征、层序地层格架建立、古气候演化、古植物类型、古水体条件及热水沉积特征研究的基础上,在层序地层格架内建立了不同体系域内的有机质富集模型。研究区受张性构造背景作用的影响,断陷发育,并伴随火山作用和岩浆活动。TST沉积时期,古植被类型以温带针叶林为主,主要呈现温凉-半湿润的古气候特征,湖泊为半咸水-咸水贫氧的水体条件,古湖泊生产力相对较低。HST沉积时期,随着大气CO_2浓度的快速升高,古气温的快速升高造成热带及热带-亚热带植被增多。温暖-半湿润的古气候条件促进了湖平面的升高,半深湖-深湖相广泛发育,水体的古盐度随之降低,湖底氧气含量降低,呈现半咸水贫氧-缺氧的水体条件。同时,适宜的湖泊生态环境促进了湖泊生物及湖泊周边陆源维管植物的繁盛,古生产力进一步升高。湖泊底部主要发育中等强度的热水活动,带来的营养元素促进了湖泊藻类的繁盛,有机质富集程度达到最高,沉积厚层油页岩。RST沉积时期,呈现温凉-半干旱半湿润的古气候特征,古气温下降,湖平面逐渐降低。古湖泊生产力达到最低。湖泊呈现半咸水-咸水贫氧的古水体条件,湖底的热水活动逐渐减弱,有机质富集程度明显降低。该模型揭示了研究区巴音戈壁组二段沉积时期的有机质富集机制,丰富了油页岩的成矿理论并为油气资源的勘探开发起到指导意义。


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