新疆三塘湖盆地芦草沟组油页岩特征及成矿背景

徐银波，毕彩芹，张家强，李 锋，仝立华，陶 树

(1.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083;2.中国地质调查局非常规油气重点实验室,北京 100083;3.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)

0 引言

三塘湖盆地是我国重要的陆相含油气盆地，侏罗系、三叠系、二叠系和石炭系等多个层系均发育油气藏(梁世君，2020)，同时盆地内有着丰富的非常规油气资源，发育致密油、页岩油、页岩气、煤层气等资源(陈孟晋和张建博，2003；贾承造等，2012；马永生，2020；张金川等，2021)。其中芦草沟组被认为是三塘湖盆地重要的烃源岩和储油层(马剑等，2015)。同时，芦草沟组中也发育丰富的油页岩资源(夏明，2020)，但油页岩资源勘探程度低，有待进一步查明和开发利用。目前，盆内油页岩地质研究工作只进行了油页岩微量、稀土特征和构造背景的研究(Tao et al.，2017；张国伟等，2017)。本文通过对三塘湖盆地石头梅地区二叠系芦草沟组的油页岩进行品质特征和形成环境的研究，从而为本区油页岩的研究和下一步的勘探开发利用提供参考。

1 地质背景

三塘湖盆地西邻准噶尔盆地，南与吐哈盆地隔山相望，是我国西北一个北西-南东向展布的山间狭长盆地，盆地面积约2.3万km2(熊春雷等，2021)。大地构造上位于西伯利亚板块与哈萨克-准噶尔板块的结合部位，夹持在阿曼太-扎河坝与卡拉麦里巨型缝合带之间(李玮等,2012)(图1a)，是一叠合于古生代褶皱基底之上的晚古生代-中新生代叠合改造型陆内沉积盆地(周鼎武等，2006)。盆地所处大地构造位置决定了其具有复杂的构造演化历史,多期改造造就了现今“南北分带，东西分块”的构造格局(刘兴旺等，2010)。盆地自南向北分为西南逆冲推覆带、中央坳陷带、东北冲断隆起带三个带(王琼等，2020)。受海西、燕山等构造运动的影响，经过多次挤压与推覆，中央坳陷带逐渐形成现今“四凸五凹”9个构造单元的特征(图1b)(陈常超等，2018)。

三塘湖盆地以古生界为基底(朱伯生等，1997)，其上发育以陆内河流、湖泊相为特征的二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和第三系等陆源碎屑沉积(周鼎武等，2006)(图1c)。盆地构造演化过程大致分为4个阶段：早二叠世伸展断陷-拗陷盆地形成阶段、晚二叠世-早三叠世区域挤压改造阶段、中晚三叠世-古近纪拗陷盆地形成阶段和新近纪挤压逆冲-走滑改造及山间拗陷盆地形成阶段(柳益群等，2006)。

图1 新疆三塘湖盆地大地构造位置图(a)(据肖旭常等，1992；刘兴旺等，2010)，构造单元划分图(b)(据舒晴等，2018；梁世 君，2020)和沉积构造演化图(c)(据孙芹，2012)Fig.1 Tectonic setting(a,after Xiao et al.,1992;Liu et al.,2010),tectonic units(b,after Shu et al.,2018;Liang,2020) and sedimentary tectonic evolution(c,after Sun，2012) of the Santanghu Basin in Xinjiang1-井位；2-城镇；3-二级构造分界线；4-凹陷区；5-凸起区；6-大断裂；7-深断裂及俯冲方向；8-盆地边界；9-三塘湖盆地1-borehole location;2-town;3-second-order tectonic boundary;4-sag;5-uplift;6-large fault;7-deep fault and subduction direction;8-basin boundary;9-Sangtanghu Basin

中二叠世该区为一个以内碎屑为主的欠补偿陆内裂谷型深水湖盆(柳益群等，2011)。其中芦草沟组为盆地内重要的烃源岩和储集层段发育层位(马剑等，2015；方向等，2021)，盆地内已发现的中侏罗统、中二叠统及三叠系油气均主要来自芦草沟组烃源岩(Li et al.，2015；冯亚琴等，2021)。芦草沟组为一套半深湖-滨浅湖泥页岩、碳酸盐岩和火山碎屑岩沉积，最大厚度可达800 m，从下到上又可进一步分为芦一段、芦二段和芦三段三个岩性段。其中芦草沟组二段为主要烃源岩发育层位(方向等，2021)，也是油页岩发育的主要层位。芦草沟组主要分布于马郎凹陷、条湖凹陷，以及三塘湖乡、石头梅和跃进沟地区(栗维民和梁浩，2001；柳益群等，2011；齐雪峰等，2013)。本次研究主要针对石头梅地区的芦草沟组地层。

2 样品采集测试及分析方法

本文利用三塘湖盆地石头梅地区的全取心井—巴油页1井开展研究。该井井深410.6 m，取心403.78 m，取心率98.34%，取心完整，有利于开展进一步分析。对该井进行了系统的TOC、含油率取样分析后，确定油页岩样品7块(图2)，系统开展了岩石热解分析、主量元素、微量元素、灰分、挥发份分析和发热量测试。

图2 巴油页1井油页岩样品位置图Fig.2 Sampling position of oil shale in well Byy-11-泥岩；2-油页岩；3-粉砂岩；4-细砂岩；5-中砂岩；6-粗砂 岩；7-砾岩；8-泥灰岩；9-辉绿岩1-mudstone；2-oil shale；3-siltstone；4-fine sandstone；5-medium sandstone；6-coarse sandstone；7-conglomerate；8-marl；9-diabase

所有样品测试均在吉林大学测试中心完成，其中含油率测试运用低温干馏法(SH/T0508-92)完成，分析误差小于0.4%，运用美国LECO碳硫仪，依据GB/T19145-2003对样品TOC进行测试，分析误差小于0.2%，运用法国Vinci Rock eval-6热解分析仪，依据GB/T 18602-2012对样品进行测试，分析误差小于0.2%。主量元素分析依据GB/T14506.28，运用熔片法X-射线荧光光谱(XRF)，分析误差小于1%。微量元素依据Q/JUTC010-2007，主要采用等离子体质谱法(ICP-MS)，分析误差小于5%。运用量热仪依据GB/T213-2008对样品进行发热量测试，分析误差不超过120J/g。运用马弗炉依据GB/T212-2008进行灰分、挥发分分析，分析误差0.5%和0.3%；运用定硫仪依据GB/T214-2007进行全硫测定，分析误差0.1%。

3 油页岩特征

在全取心井岩心观察的基础上，对钻井芦草沟组泥岩进行了系统的测试分析，结果显示油页岩全部发育于芦草沟组二段(图2)。

3.1 油页岩岩石学特征

研究区油页岩主要为灰黑色、深灰色，密度相对较小，主要为块状，油页岩与灰色、灰黑色泥岩互层产出，在油页岩和泥岩中可见黄铁矿及鱼鳞化石等。

3.2 油页岩工业品质特征

研究区油页岩挥发分含量为6.79%～16.8%，发热量为2951.31 J/g～6191.91J/g。含油率为3.54%～8.2%，属于低-中等品质油页岩(刘招君等，2009)。灰分含量为79.03%～81.27%，属于高灰分油页岩(赵隆业等，1991)。根据硫的分类(李锋等，2021)，本区油页岩的硫含量为0.23%～1.31%，平均为0.65%，属于低硫-特低硫型油页岩(表1)。

3.3 油页岩有机质丰度

三塘湖盆地石头梅地区油页岩TOC含量为6.17%～12.4%，生烃潜量(S1+S2)为1.43 mg/g～94.41mg/g(表1)。对该区油页岩含油率和TOC相关性分析发现，两者呈正相关关系(图3)，根据两者的相关公式，推测研究区泥岩有机质丰度(TOC)>6.56%，则可达到油页岩品位；有机质丰度(TOC)>8.98%，则可达到中等品质油页岩(含油率≥5%)品位。

表1 三塘湖盆地油页岩工业品质相关参数表Table 1 Industry quality parameters of oil shale in Santanghu Basin

图3 三塘湖盆地油页岩含油率与TOC关系图

3.4 油页岩有机质类型

本文利用有机碳和热解分析数据对三塘湖盆地石头梅地区油页岩的有机质类型进行判别。结果显示有机质类型主要为I型，表明其有机质来源主要为湖泊浮游生物(图4)。

图4 三塘湖盆地芦草沟组油页岩有机质类型

3.5 油页岩有机质成熟度

前人在研究热解参数在生油岩研究的应用中，将热解参数Tmax作为划分有机质成熟度的一项重要参数。不同的有机质类型划分界限不一致，针对I型有机质，Tmax<437 ℃时(对应Ro为0.5%)，有机质处于未成熟阶段；Tmax为437 ℃～460 ℃(对应Ro为0.5%～1.3%)，进入生油窗(邬立言和顾信章，1986)。测试结果显示研究区样品Tmax值分布区间为443℃～448 ℃，平均值为445 ℃(表1)，显示其成熟度处于低成熟阶段。利用HI-Tmax图解可以进行有机成熟度的推测(Espitalié et al.，1984)，结果显示(图5),研究区泥岩样品的Ro分布区间为0.5上下，表明样品有机质成熟度主要为低成熟。

图5 三塘湖盆地芦草沟组油页岩Ro推测值

3.6 油页岩无机地球化学特征

三塘湖盆地油页岩中主量元素测试结果显示，主要成分是SiO2、Al2O3和CaO，三种成分的总和占59.05%～81.97%，平均为69.67%。其中SiO2的含量最高，为36.32%～72.95%，Al2O3的含量为5.96%～12.98%，CaO的含量为3.06%～-17.46%。FeT、MgO、K2O、Na2O和P2O5，平均含量都在1%～3%之间，TiO2和MnO含量最少，在1%以下(表2)。

表2 三塘湖盆地芦草沟组油页岩主量元素(%)测试结果Table 2 Contents (%) of major elements of Lucaogou Formation oil shale in Santanghu Basin

对比平均页岩的成分(Wedepohl，1971)，三塘湖油页岩中CaO、P2O5富集，Al2O3、K2O和TiO2亏损，而SiO2、FeT、MgO、Na2O和MnO与平均页岩中的含量相当(图6a)。

根据三塘湖盆地油页岩中微量元素测试结果(表3)，对其进行平均页岩标准化(Wedepohl，1971)，结果显示(图6b)，Sr、Mo、Ag、Sb、Ge等元素富集，B、V、Ni、Rb、Th、U、Ga、Ba、Cu、Zr等元素亏损。

图6 平均页岩标准化后的三塘湖油页岩主量元素(a)和微量元素(b)

表3 三塘湖盆地芦草沟组油页岩微量元素(×10-6)测试结果Table 3 Contents (×10-6) of trace elements of Lucaogou Formation oil shale in Santanghu Basin

4 油页岩形成环境

4.1 沉积环境

本文利用岩性组合特征和地球化学参数来综合判断油页岩的沉积环境。研究区油页岩与深灰色、灰色泥岩互层发育，在泥岩中可见黄铁矿及鱼鳞化石等，一般呈块状，没有明显的生物扰动现象。Zr/Al比值和Rb/K比值可以用于反映沉积古水深。Zr/Al值越小，表示离岸越远，水体更深(Das and Haake,2003;吴育平等，2021)。而Rb/K值则是越大，反映水体越深(郑一丁等，2015)。研究区油页岩Zr/Al值分布区间为1.56～3.19，平均值为2.15，Rb/K比值分布区间为2.75～4.19，平均值为3.34(表4)。Zr/Al值和Rb/K值显示研究区油页岩沉积水体深度略浅于鄂尔多斯盆地长七段深水页岩(Zr/Al值为1.31～2.62，平均1.70；Rb/K值为3.44～4.79，平均4.13)(郑一丁等，2015；Fu et al.，2018)，为深水环境。Th/K比值可用于判断水动力条件，当Th/K>6时代表高能水体环境，3

表4 三塘湖盆地芦草沟组油页岩成矿条件参数Table 4 Parameters of metallogenic conditions of Lucaogou Formation oil shales in Santanghu Basin

4.2 古盐度

Sr/Ba、B/Ga等比值是用于判断水体盐度的重要参数(邓宏文和钱凯，1993)。国内学者在对湖盆古盐度研究中将Sr/Ba<0.5划为淡水，0.51为咸水(钟红利等，2012；唐俊林等，2020)。钟红利等(2012)把B/Ga>6划分为咸水，2～6为半咸水，小于2为淡水-微咸水。本研究区油页岩样品Sr/Ba比值分布区间为0.88～6.16，且只有一个值小于1。由于芦草沟组含有较高的碳酸盐(杜江民等，2020)，造成Sr元素局部富集(邓宏文和钱凯，1993)，从而使得Sr/Ba值可能局部偏高。研究区油页岩的B/Ga分布区间为1.09～4.07，且主要分布区间在2～6之间(表4)。综合分析Sr/Ba和B/Ga比值，研究区油页岩沉积时水体盐度较高，主体应为半咸水环境。

4.3 古气候

Sr/Cu比值可以用于判断泥岩沉积时期的古气候环境(邓宏文和钱凯，1993)。Sr/Cu比值大于10时，为干热气候，Sr/Cu比值小于10时为温暖湿润气候(Xu et al.，2016)。研究区样品的Sr/Cu比值8.21～63.14，总体值较大，表明气候条件以炎热气候为主(表4)。但是由于碳酸盐的影响造成局部Sr的富集，使得Sr/Cu局部偏高，判断气候具有一定的偏差。Fe/Mn值也可用来判断古气候的变化，高值代表温暖潮湿气候，低值代表干热气候(李春荣和陈开远，2008)。研究区油页岩Fe/Mn值为10.36～54.85，平均值27.16，对比鄂尔多斯盆地长7段，松辽盆地青山口组等温暖湿润条件下沉积的泥岩中Fe/Mn值(郑一丁等，2015；常思阳和郭巍，2016)，研究区油页岩的Fe/Mn值明显偏低，判断其沉积时主体为炎热气候。同时柳益群等(2006)在对新疆北部准噶尔盆地、吐哈盆地和三塘湖盆地中二叠统古生物、孢粉等特征研究时，也认为芦草沟组时期气候主要为炎热气候(柳益群等，2006)。

4.4 氧化还原条件

V/(V+Ni)比值一定程度上可以反映沉积时的氧化还原环境(邓宏文和钱凯，1993；侯东壮等，2019)，V/(V+Ni)值<0.46表示氧化环境，0.46～0.6之间为水体分层弱的贫氧环境，0.6～0.84之间为水体分层不强的厌氧环境，0.84～0.89之间为水体分层的厌氧环境(Jones and Manning，1994；宗毅等，2017)。研究区油页岩样品中V/(V+Ni)值为0.61～0.88，平均为0.74(表4)，表明研究区油页岩形成于水体分层不强的厌氧还原环境。

4.5 初始古湖泊生产力

TOC是直接表征古生产力状况的传统指标，但是受到氧化-还原环境和陆源碎屑物输入状况的影响(罗情勇等，2013)，可能无法准确表征初始古生产力。表层水的初始生产力被认为是影响有机质富集的关键因素(张水昌等，2005；尹锦涛等，2017)。初始生产力的地球化学指标包括P/Ti和Ba/Al(罗情勇等，2013)。磷(P)被广泛用于地质时期全球沉积物中古生产力状况的研究(Pujol et al.，2006)。但是实际应用中，为了排除有机质、自生矿物的稀释作用影响，使用Ti或Al等表征陆源碎屑输入的元素进行校正。因此P/Ti或P/Al比值被用于判断初始古生产力条件。研究区油页岩P/Ti比值为0.21～10.70，平均值为2.17(表4)，与相当于中等生产力的Ubara剖面燧石P/Ti值(平均0.34)和相当于高生产力的Ubara剖面黑色页岩P/Ti值(0.79)(Algeo et al.，2011)对比，表明研究区油页岩沉积时期的初始古生产力为中等-高(图7)。

图7 三塘湖油页岩Ba/Al与P/Ti关系图

沉积物中重晶石(BaSO4)的积累速率，与初级生产力之间呈正相关关系(罗情勇等，2013)，因此可以用Ba/Al来评价古生产力(Dean et al.,1997)，Al同样用于排除其他成分输入的影响。研究区油页岩Ba/Al值主要分布区间为74.7～110.06(表4)，与相当于高生产力的CCAL薄层沉积物的Ba/Al(约为100～120)(Dean et al.,1997)比，略低或相当，表明研究区油页岩沉积时期的初始古生产力为中等-高(图7)。

4.6 陆源碎屑输入

由于富含Ti的不溶性重矿物与较粗的沉积物部分有关，而Al很容易从原生矿物中浸出，然后被风化剖面中的次生粘土矿物固定，从而导致粘土矿物中Al的富集(Nesbitt and Markovics,1997)，因此Ti/Al比值可以指示陆源碎屑输入量(Roser et al.,1996;Song et al.,2019)。研究区油页岩Ti/Al比值为0.05～0.07，平均值为0.06，分布区间较小，表面油页岩形成时具有稳定的陆源碎屑输入量背景。

5 讨论

在分析了油页岩的成矿背景的基础上，进一步利用Spss软件分析各参数与TOC的相关性，由于TOC与含油率成正相关关系，因此可以分析各成矿参数与油页岩品质相关性。结果显示(表5)，古水深参数Zr/Al与TOC相关系数为-0.669，呈较好的负相关关系，表明古水深越深越有利于优质油页岩的形成。古水动力参数Th/K与TOC相关系数为-0.460，呈较好的负相关关系，表明古水动力条件越弱越有利于优质油页岩的形成。水体盐度参数Sr/Ba与TOC相关系数为-0.059，无明显的相关性，表明芦草沟组油页岩所显示的半咸水-咸水盐度条件为较适宜的优质油页岩形成条件。古气候参数Fe/Mn与TOC相关系数为0.792，呈良好的正相关关系，表明Fe/Mn值越高，气候条件越偏向温暖湿润，越有利于优质油页岩的形成。氧化还原条件参数V/(V+Ni)与TOC相关系数为0.074，未显示明显的相关性，表明芦草沟组油页岩所显示的厌氧还原环境条件为较适宜的优质油页岩形成条件。初始古生产力参数Ba/Al与TOC相关系数为0.157，显示较弱的正相关关系，表明更高的古生产力更有利于高品质油页岩的形成。陆源碎屑输入量参数Ti/Al与TOC相关系数为0.179，显示较弱的正相关关系，表明比目前陆源碎屑输入量略高的环境背景，将对优质油页岩的形成更有利。

表5 三塘湖盆地石头梅地区芦草沟组油页岩TOC与各参数相关性系数表(N=7)

中二叠世时期，研究区古气候背景为温带-亚热带气候(赵锡文，1992)，其气候由乌拉泊时期的温暖气候转变为井井子沟-芦草沟时期的炎热气候(柳益群等，2006)。早二叠世初期，由于造山后伸展作用的延续，三塘湖地区在这种拉张的区域背景下形成断陷盆地(周鼎武等，2006)，中二叠世时期，构造活动平静，湖盆沉积范围扩大，沉积中心主要在中央坳陷区(李红等，2007)。芦草沟组时期盆地为近海陆源湖泊，在其东南部发育海相地层(孔凡军，1998；柳益群等，2006)，受海水倒灌影响，水体较深，主要为半深湖相，水体盐度较大(栗维民和梁浩，2001)。在此大背景之下，偏炎热的古气候条件，水体深度较大，水动力条件较弱的半深湖-深湖环境，半咸水-咸水条件，缺氧还原环境，初始古生产力中等-高，陆源碎屑输入量稳定等条件下，形成了油页岩。但此种成矿背景条件并非最佳的油页岩形成条件，因此研究区形成的油页岩品质偏低，为中等-低油页岩。分析油页岩品质和各成矿参数相关性可知，相比于三塘湖盆地油页岩的成矿条件，更温暖湿润的气候条件，更深的水体深度，更弱的水动力强度，相对高的初始湖泊生产力和陆源碎屑输入量为更佳的油页岩成矿背景，更有利于高品质油页岩的形成。

6 结论

(1)三塘湖盆地油页岩主要发育于芦草沟组二段，为特低-低硫型、高灰分、中-低品质油页岩。油页岩有机质丰度较高，有机质类型主要为I型，有机质成熟度为低成熟。主量元素以SiO2、Al2O3和CaO为主，具有CaO、P2O5、Sr、Mo、Ag、Sb、Ge等元素富集，而Al2O3、K2O、TiO2、B、V、Ni、Rb、Th、U、Ga、Ba、Cu、Zr等元素亏损的特点。

(2)三塘湖盆地油页岩的成矿背景为较为稳定的构造背景，偏炎热的气候条件，半咸水-咸水盐度条件和缺氧还原环境，水深较深且水动力条件较弱的半深湖-深湖环境，同时具有较高的初始湖泊生产力和稳定陆源碎屑输入量。

(3)油页岩的成矿背景和油页岩品质相关性显示，相比于三塘湖油页岩的成矿背景，更温暖湿润的气候条件，更深的水体深度，更弱的水动力强度，相对高的初始湖泊生产力和陆源碎屑输入量为更有利的油页岩成矿背景。