黑龙江宁安盆地古近系油页岩沉积环境分析

周动力,董青松

(1.中国石化股份胜利油田分公司 西部新区研究中心,山东 东营 257067; 2.内蒙古自治区第二地质矿产勘查开发院,内蒙古 巴彦淖尔 015000)

黑龙江宁安盆地古近系油页岩沉积环境分析

周动力1,董青松2

(1.中国石化股份胜利油田分公司 西部新区研究中心,山东 东营 257067; 2.内蒙古自治区第二地质矿产勘查开发院,内蒙古 巴彦淖尔 015000)

分析宁安盆地古近系化石类型和含量特征,以及油页岩中岩石矿物组成含量特征及各种元素的地球化学特征,阐述研究区油页岩形成时的古气候条件及沉积环境.结果表明:古植物类型以温带、亚热带的草本植物、落叶阔叶林为主,矿物组成含量体现富含高岭石、伊蒙混层较少的特点;微量元素质量比m(Mn)/m(Ti)值介于0.02～0.11之间,m(Sr)/m(Ba)值介于0.48～0.68之间,m(Ni)/m(Co)值介于1.97～3.02之间,m(Ni)/m(V)值介于0.10～0.39之间,m(V)/m(V+Ni)值介于0.72～0.91之间;稀土元素中δCe值分布在0.76～0.87之间.研究区内油页岩形成时的气候主要为温带—亚热带半湿润、湿润、多雨的气候条件;形成于近岸、陆相淡水浅湖—沼泽,贫氧的还原性沉积环境中.该研究对明确研究区油页岩形成时的沉积环境及其勘探潜力具有一定意义.

海浪拗陷;古近系;油页岩;沉积环境;宁安盆地

0 引言

随着油页岩等非常规油气资源成为重要的接替能源,需要对油页岩的形成环境等进行研究.沉积岩中的生物化石类型及其组合特征,大致可以表明它所属的沉积生活环境,反映岩石沉积时的古气候条件[1];黏土矿物是沉积岩的重要组成部分,其含量、特征、成分类型等可以反映地史时期古气候的变化,利用黏土矿物指标可以重建盆地的古气候环境条件[2-5];沉积岩中的化学元素及其化合物在古气候、源区母岩性质、沉积环境及沉积介质等方面的影响下,呈现一定的分散和富集规律,元素含量的变化能够在一定程度上反映沉积时的环境条件[6-7].

王冠民等研究济阳拗陷古近系泥页岩中的孢粉组合特征,认为孢粉组合特征能够反映古气候特征及古气候分区[8];李祥辉等分析华北—东北南部地区中生代中晚期黏土矿物特征,认为黏土矿物中存在高含量的伊利石、蒙脱石,说明黏土矿物处于干冷气候环境,高含量的高岭石说明黏土矿物处于湿热气候环境[2];钱一雄等分析塔里木盆地卡塔克南缘良里塔格组沉积岩地球化学元素特征,认为低m(Mn)/m(Ti)值指示水体较浅的沉积环境,低m(Mn)/m(Ti)值指示低盐度的淡水环境,δCe中低负异常,形成于还原条件下的沉积环境[9];颜佳新等研究湖北巴东栖霞组沉积岩地球化学特征,认为低m(Ni)/m(V)及m(V)/m(V+Ni)值反映贫氧的沉积环境[10].

目前,利用生物化石类型及其组合特征,以及黏土矿物及地球化学元素含量特征等方面,对宁安盆地古近系油页岩的沉积环境条件的综合研究较少.笔者分析宁安盆地海浪拗陷古近系黄花组油页岩中古生物化石类型和含量特征、岩石矿物组成含量特征及各种元素的地球化学特征,恢复研究区古近系油页岩形成的沉积环境条件,对明确研究区油页岩形成时的沉积环境及其勘探潜力具有一定意义.

1 地质概况

宁安盆地位于黑龙江省东部的牡丹江地区,属于中生代多阶箕状断(拗)陷盆地.盆地基底位于老爷岭前寒武纪结晶地块次级构造单元(佳木斯隆起带和张广才岭—太平岭边缘隆起带)之上[11];盆地基底由元古界深变质岩、古生界浅变质岩及兴东期(元古宙)、海西期、印支期和燕山期等多期花岗岩和花岗闪长岩构成.牡丹江断裂将宁安盆地划分为东西两部分,西部为海浪拗陷,东部为石岩—磨刀石断陷.按照基底构造和盖层发育特征,海浪拗陷分为5个次级构造单元,自北向南依次为复兴凹陷(Ⅰ1)、张明凸起(Ⅰ2)、海浪凹陷(Ⅰ3)、中部凸起(Ⅰ4)和兴华凹陷(Ⅰ5),呈北西西向—近东西向相间排列,构成“三凹夹两凸”的构造格局(见图1)[12].

图1 宁安盆地构造Fig.1 Structural map of Ning'an basin

宁安盆地发育的沉积盖层主要为白垩系、古近系、新近系和第四系.地层主要发育下白垩统穆棱组(K1m)和东山组(K1d)、上白垩统猴石沟组(K2h)和海浪组(K2h1)、古近系古新统黄花组(E1h)、新近系中—上新统道台桥组(N1-2d)和上新统高位玄武岩(βN2).研究区在海浪镇西南方向和牡丹江市区西南方向仅有几口钻井分布且均钻遇油页岩(见图1).油页岩主要发育在海浪拗陷古近系黄花组.

2 沉积环境分析

2.1 古生物特征

研究区油页岩中包含丰富的孢粉、藻类化石.孢粉类型数量占已鉴定的化石类型的86.1%～91.0%.其中,蕨类孢子类型最多,占已鉴定的化石类型的50.0%～53.4%;被子类花粉类型位居第二,占已鉴定的化石类型的36.1%～37.6%.

蕨类孢子以水龙骨单缝孢属Polypodiaceaespotites、海金砂孢属Lygodiumsporites、具唇孢属Toroisporis为主,含少量的桫椤孢属Cyathidites、三角孢属Deltoidospora、金毛狗孢属Cibotiumspora等(见图2).其中,水龙骨单缝孢属Polypodiaceaespotites属于沼泽环境下的草本植物;金毛狗孢属Ciboti-umspora属于大型树状陆生蕨类,生长环境多是阴湿酸性土壤,其存在通常指示亚热带的酸性土壤环境.

图2 宁安盆地HL Y1井油页岩孢粉类型Fig.2 Sporopollen content of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin

被子类花粉主要有椴粉属Tiliaepollenites,另外还存在一些脊榆粉属Ulmoideipites、梣粉属Fraxinoipollenites、桤木粉属Alnipollenites等,以及椴粉属Tiliaepollenites、芸香粉属Rutaceoipollis、楝粉属Meliaceoidites组合(见图2).其中,椴粉属Tiliaepollenites生长地区主要位于温带;桤木粉属Alnipollenites生长地区通常是阳光充足、气候温暖的丘陵及平原的河滩低湿地;梣粉属Fraxinoipollenites通常生长在温带和亚热带的平原或河谷地带;椴粉属Tiliaepollenites、芸香粉属Rutaceoipollis、楝粉属Meliaceoidites组合指示典型的亚热带气候.大多数植物属于热带、亚热带植物,并且适宜生长于湿润的沼泽湿地环境.因此,宁安盆地油页岩沉积时期气候环境主要为亚热带气候下的浅湖—沼泽环境.

2.2 岩石矿物特征

研究区油页岩粉晶X线衍射分析表明,油页岩主要矿物由石英、长石、针铁矿及黏土矿物组成(见表1).其中,黏土矿物含量丰富,质量分数超过60%,在黏土矿物中高岭石含量最高,平均质量分数为55%,蒙脱石含量较少;长石、石英的质量分数在15%左右.此外,还可见少量的方解石、黄铁矿.宁安盆地油页岩的矿物组成体现富含高岭石、伊蒙混层较少的特点,说明油页岩形成时期主要为温暖、潮湿、多雨的气候条件.

表1 宁安盆地HL Y1井油页岩粉晶X线衍射分析各矿物质量分数Table 1 Mineral percentage of powder X—ray diffraction of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin %

2.3 地球化学特征

2.3.1 m(Mn)/m(Ti)值

m(Mn)/m(Ti)值指示离岸距离的远近,常随着离岸距离的增加而增大,反映沉积物在盆地中被搬运距离的远近和沉积物沉积时的水体深度.通常,m(Mn)/m(Ti)＜0.1,反映油页岩形成于近岸的沉积环境中;m(Mn)/m(Ti)＞0.1,反映油页岩形成于远岸的沉积环境中[13-15].根据宁安盆地油页岩中相应元素化合物质量分数(见表2)计算的m(Mn)/m(Ti)值以小于0.1为主,平均值为0.05(见表3),说明研究区油页岩主要沉积于近岸环境中.

2.3.2 m(Sr)/m(Ba)值

锶与钡可以形成可溶性重碳酸盐、氯化物和硫酸盐而进入水溶液中,与锶相比钡的化合物溶解度要低.通常,海水中锶含量远大于钡的,导致从陆相到海相盐度越高,沉积物中m(Sr)/m(Ba)值逐渐增大.在黏土或泥岩中该值大于1为海相沉积,小于1为陆相沉积[16-18].根据宁安盆地油页岩相应元素质量分数(见表4)计算的m(Sr)/m(Ba)值为0.48～0.68,平均值为0.56(见表3),说明研究区油页岩沉积环境属于陆相淡水环境.

表2 宁安盆地HL Y1井油页岩常量元素化合物质量分数Table 2 Macroelement compound quality content of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin %

表3 宁安盆地HL Y1井油页岩Mn、Ti及Sr、Ba质量比Table 3 Ratio of Mn、Ti、Sr、Ba quality of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin

表4 宁安盆地HL Y1井油页岩稀土及微量元素质量分数Table 4 REE and microelement content of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin 10-6

2.3.3 m(Ni)/m(Co)、m(Ni)/m(V)、m(V)/m(V+Ni)值

钒(V)和镍(Ni)具有比较活泼的化学性质.在氧化或者碱性环境中,钒元素容易发生迁移;在还原或者过渡环境中,尤其是酸性或弱酸性条件下,钒元素容易沉淀.因此,m(Ni)/m(Co)、m(Ni)/m(V)以及m(V)/m(V+Ni)值等地球化学指标通常指示水体的氧化还原性质,高的m(Ni)/m(Co)值反映还原条件,而m(Ni)/m(V)值随着沉积环境的还原性增加而下降.通常把m(V)/m(V+Ni)=0.46作为氧化、还原环境的分界值,m(V)/m(V+Ni)在0.84～0.89之间反映较强的水体分层,底层水体中出现H2S的厌氧环境;比值在0.54～0.82之间为水体分层不强的厌氧环境;比值在0.46～0.60之间为水体分层弱的贫氧环境,m(V)/m(V+Ni)＜0.45为富氧的沉积环境[19-21].

宁安盆地油页岩的m(Ni)/m(Co)值介于1.97～3.02之间,平均值为2.54;m(Ni)/m(V)值介于0.10～0.39之间,平均值为0.20;m(V)/m(V+Ni)值介于0.72～0.91之间,平均值为0.84(见表5).由表5可以看出,这些参数指示的意义比较一致,盆地内油页岩形成的沉积环境为贫氧的还原环境.

表5 宁安盆地HL Y1井油页岩Ni、Co、V元素质量比Table 5 Ratio of Ni、Co、V quality of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin

2.3.4 稀土元素

沉积岩中稀土元素铈元素在氧化环境中容易富集,呈现明显的正异常,在还原条件下的沉积环境中,铈元素容易亏损,呈现明显的负异常[22-24].按照宁安盆地油页岩样品相应元素质量分数(见表4)计算结果,该区油页岩具有铈负异常和铕负异常(见表6),δCe的值分布在0.76～0.87之间,略低于1,指示研究区油页岩形成于还原环境中.

表6 宁安盆地HL Y1井油页岩稀土元素质量分数Table 6 REE geochemistry parameter of HL Y1 drill oil shale in Ning'an basin 10-6

3 结论

(1)宁安盆地古近系油页岩中古植物类型以温带、亚热带的草本植物、落叶阔叶林为主,矿物组成含量体现富含高岭石、伊蒙混层较少的特点,说明油页岩形成时的气候主要为温带-亚热带半湿润、湿润、多雨的气候条件.

(2)宁安盆地古近系油页岩中微量元素m(Mn)/m(Ti)值介于0.02～0.11之间,平均值为0.05;m(Sr)/m(Ba)值介于0.48～0.68之间,平均值为0.56,显示油页岩沉积在近岸、陆相淡水浅湖-沼泽环境中.

(3)宁安盆地古近系油页岩中m(Ni)/m(Co)值介于1.97～3.02之间,平均值为2.54;m(Ni)/m(V)值介于0.10～0.39之间,平均值是0.20;m(V)/m(V+Ni)值介于0.72～0.91之间,平均值为0.84;稀土元素中具有铈负异常和铕负异常,δCe的值分布在0.76～0.87之间,略低于1,表明盆地内油页岩形成的沉积环境为贫氧的还原条件.

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TE122.1

A

2095- 4107(2014)01- 0025- 06

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.01.004

2013- 12- 19;编辑:陆雅玲

国家自然科学基金项目(40672088)

周动力(1982-),男,硕士研究生,工程师,主要从事地质勘探方面的研究.