<trans-title>Oil Shale Mineralization and Geological Events in China

LIU Rong; ZHANG Kun; LIU ZhaoJun; YAN Xu; YU JiaQi

doi:10.14027/j.issn.1000-0550.2020.104

Volume 39 Issue 1

Feb. 2021

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LIU Rong, ZHANG Kun, LIU ZhaoJun, YAN Xu, YU JiaQi. Oil Shale Mineralization and Geological Events in China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(1): 10-28. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.104

Citation:

LIU Rong, ZHANG Kun, LIU ZhaoJun, YAN Xu, YU JiaQi. Oil Shale Mineralization and Geological Events in China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(1): 10-28. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.104

Oil Shale Mineralization and Geological Events in China

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.104

LIU Rong^{1, 2
,},
ZHANG Kun^{1
,
,},
LIU ZhaoJun^{1, 2},
YAN Xu¹,
YU JiaQi¹

1.
College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China
2.
Key Laboratory of Oil Shale and Coexistent Energy Minerals of Jilin Province, Changchun 130061, China

Funds:

National Natural Science Foundation of China 42072122

Received Date: 2020-06-30
Publish Date: 2021-02-06

Abstract

Research findings increasingly indicate that geological events such as volcanic action， hydrothermal fluids， ocean anoxia， climate mutation， transgression， gravity flow and so on are frequently evident in the sedimentary sequences of oil shale （a type of fine-grained sedimentary rock rich in organic matter）. High paleolake productivity and a stable reducing environment are important considerations for oil shale mineralization. A summary of the genesis and distribution behavior of oil shale in 50 basins （95 mining areas） in China reveals that the geological events listed above have led to various degrees of algal and microbial blooms which changed the water conditions in ancient lakes and formed the stable layered lacustrine environments that are important for oil shale mineralization. However， frequent volcanic eruptions release large amounts of gas and ash， and intermittent hydrothermal fluids at high temperature and pressure. Also， frequent gravity flow is not conducive to oil shale enrichment. The present study focuses only on a single event. In future it will be necessary to promote interdisciplinary studies of sedimentology， geochemistry and microbiology from the perspective of earth system science to reveal the ecological cyclic accumulation processes of unconventional oil and gas resources and major geological environment mutation. This will add to our understanding of the combined effects of various geological events on oil shale mineralization， and enrich the theory of unconventional oil and gas sedimentology.
- oil shale mineralization,
- geological events,
- paleolake productivity,
- reduction environment,
- oil shale genesis

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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0 引言

油页岩是一种固体可燃有机矿产，灰分含量高，含油率≥3.5%，发热量通常≥4 187 J/g，有机质含量高，主要由腐泥和腐殖质以及腐泥—腐殖质组成，在低温干馏下，可以得到油页岩油，是一种重要的非常规油气资源。我国油页岩资源丰富，居世界第二位^[1]。我国石油对外依存度突破70%，油页岩资源有望成为重要的战略资源及补充能源。目前吉林大学和吉林众诚油页岩公司已经成功地开采出原位油页岩油，结合我国资源开发现状，寻找适合原位开发的高含油率“甜点区”成为了加快推进我国油页岩原位开发的重点问题。

随着油页岩资源勘探开发的不断推进，油页岩成矿机制成为了学者们研究的难点和热点的问题之一，研究发现：在这些含油页岩的沉积组合序列中，高含油率油页岩发育经常与火山作用、重力流作用、海侵作用等事件沉积伴生。在美国绿河油页岩^[2-3]，中国松辽盆地^[4-5]、准噶尔盆地^[6-7]、鄂尔多斯盆地^[8-10]及北票盆地^[11]的含油页岩岩系中均发现了数层凝灰岩层；鄂尔多斯盆地^[12-13]、依兰盆地^[14-16]、朝阳盆地^[17]中的含油页岩岩系中还发现了频繁的重力流沉积。在松辽盆地^[18-19]、黄县盆地^[20]中发现了多种海侵沉积标志。鄂尔多斯盆地^[21]、桐柏盆地^[22]、银额盆地含油页岩岩系中发现了热液沉积^[23]（表1）。同时，油页岩也是一种有机质异常富集的沉积岩，其形成是否与这些事件之间存在一定的时空耦合关系?这些事件沉积对油页岩，特别是对高含油率的油页岩“甜点区”的发育是促进还是抑制?

盆地	准噶尔盆地	银额盆地	鄂尔多斯盆地	朝阳盆地	松辽盆地	依兰盆地	桐柏盆地	黄县盆地
地层	上二叠统	下白垩统	上三叠统	下白垩统	上白垩统	古近系	古近系	古近系
沉积环境	半深湖—深湖	半深湖	半深湖—深湖	半深湖—深湖	半深—深湖	半深湖—深湖	浅湖	湖沼
油页岩赋存形式	单独油页岩矿	单独油页岩矿	单独油页岩矿	单独油页岩矿	单独油页岩矿	单独油页岩矿	与碱共生	与煤互层
沉积构造	薄层状	块状、薄层状	块状、薄层状	块状、薄层状	块状、薄层状	块状	薄层状	块状
最大累计厚度/m	205	35.4	32	100	38.94	6.1	33.03	22
最高含油率/%	22.1	11.47	10.56	7.71	16.37	8.37	7.9	24.38
成因类型	Ⅰ~Ⅱ₁型	Ⅰ~Ⅱ₁型	Ⅱ₁	Ⅰ~Ⅱ₁型	Ⅰ型	Ⅰ~Ⅱ₁型	Ⅰ型	Ⅰ~Ⅱ₁型
湖水性质	半咸水—咸水	半咸水	淡水	淡水	淡水—半咸水	淡水	半咸水—咸水	半咸水—咸水
氧化还原条件	还原	还原	还原	还原	还原	弱还原	还原	弱还原
古气候	温暖湿润	半湿润—半干旱	温暖湿润	温暖湿润	温暖湿润	温暖湿润	温暖湿润	温暖湿润
事件沉积	火山、热液	热液	火山、热液、重力流	大洋缺氧、火山、重力流	大洋缺氧、火山、海侵	重力流	热液	海侵

Table 1. Characteristics and event deposition of oil shale in oil⁃bearing shale series in China

本文将从我国发育的50个盆地、95个含矿区油页岩出发^[1]，在系统的分析其分布规律、成因和成矿条件的基础上，总结并揭示地质事件与油页岩富集的耦合作用，从而丰富油页岩成矿理论及非常规油气沉积学的理论内涵。

4 认识与结论

（1）油页岩中有机质成因类型取决于藻类和微生物的堆积和陆源高等植物碎屑堆积的比例，主要有腐泥型和混合型，我国油页岩以腐泥型和腐殖腐泥型为主。藻类勃发和微生物繁盛是湖泊油页岩有机质的重要贡献。

（2）火山活动释放的火山灰为湖泊藻类提供了大量的营养物质，造成湖泊水体的富营养化，导致藻类和细菌的大量繁殖，有利于油页岩形成。但若过量的火山灰和频繁火山爆发释放大量气体将对油页岩富集带来不利的影响。

（3）热液事件与油页岩发育有着良好的耦合关系，热液携带营养元素的输入及释放的还原性气体，促进湖泊表层水体在生物的繁盛和底部厌氧的有机质保存条件，有利于油页岩富集；但也有学者研究表明相对高温高压的间歇性热液流体反而不利于生物生存并破坏稳定的缺氧环境，不利于油页岩富集。

（4）大洋缺氧事件普遍认为与海底大规模火成岩省有关，其引起的大气中CO₂浓度升高导致的温室效应，改变了古湖泊水体条件从而引发藻类勃发和微生物繁盛，有利于油页岩富集。

（5）气候湿润事件不仅促进了湖泊生物和周边陆源植被的繁盛，同时，充足的降雨增加了地表径流，为湖盆提供了大量的陆源有机质，湖平面的升高促进了稳定的湖水氧化还原分层，有利于油页岩富集。

（6）海侵事件为陆相湖盆带来了藻类所需的营养元素，促进其勃发，同时，湖泊咸化也促进了水体盐度分层，氧化还原界面上移，有利于油页岩富集。

（7）重力流事件在一定程度上将原有沉积有机质造成强烈稀释，降低了有机质丰度，同时也将破坏原有的稳定还原环境，不利于油页岩富集。

5 结束语

地球作为一个庞大而复杂的生态系统，各个因素间都有着不同程度的联系，地质事件代表了其中某个因素的改变，但往往可能导致一系列不同的结果。地球内部构造作用而引发的火山及热液活动与有机质富集的关系密切，推断火山活动释放CO₂改变了区域或全球性的古气候，火山灰和热液流体可以增加水体中营养元素的输入而促进初级生产力的提高，热液活动通过营造缺氧硫化的底部水体条件为有机质提供良好的保存条件，但火山及热液活动释放的营养元素参与湖泊生态系统循环的过程及对有机质保存条件贡献的大小依然不清楚。同时，气候变暖促进海平面上升而引发的海侵事件对原有湖泊生态系统中物质循环所造成影响的研究较少。许多地质事件与有机质富集之间具有着良好的耦合关系，但缺乏从地质事件到有机质富集之间的生态变化过程的研究，如地质事件的发生对大气—陆地中各个循环系统的影响，今后需要促进多学科交叉，进一步加强多种地质事件耦合作用对油页岩成矿影响，丰富发展油页岩成矿理论与非常规油气沉积学，同时也为寻找非常规油气资源起到重要作用。

同时，页岩层系内的非常规油气已成为全球油气勘探开发的热点，这些资源的形成与富有机质页岩密切相关，形成演化有序、空间分布上共生。油页岩是有机质成熟度较低的浅埋藏的沉积矿床，与中等成熟—中等埋深页岩油区、高成熟度—深埋页岩气区和紧邻—夹层致密砂岩油构成了页岩非常规油气的共生序列。重要地质事件的耦合作用对非常规油气资源共生序列时空分布与富集均产生重大影响，因此，从多种事件的耦合机制出发，也将成为揭示页岩非常规油气的共生序列机制的重要思路，在寻找非常规油气资源中发挥重要作用。

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Oil Shale Mineralization and Geological Events in China

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.104

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1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China

2. Key Laboratory of Oil Shale and Coexistent Energy Minerals of Jilin Province, Changchun 130061, China

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2.1　油页岩中有机质原始物质来源

2.1.1　油页岩有机质成因类型

2.1.2　古湖泊生产力

2.2　油页岩中有机质聚集与保存

3.1　火山事件

3.2　热液事件

3.3　大洋缺氧事件

3.4　气候地质事件

3.5　海侵事件

3.6　重力流事件

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1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China 2. Key Laboratory of Oil Shale and Coexistent Energy Minerals of Jilin Province, Changchun 130061, China

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2.1 油页岩中有机质原始物质来源

2.1.1 油页岩有机质成因类型

2.1.2 古湖泊生产力

2.2 油页岩中有机质聚集与保存

3.1 火山事件

3.2 热液事件

3.3 大洋缺氧事件

3.4 气候地质事件

3.5 海侵事件

3.6 重力流事件

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1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China

2. Key Laboratory of Oil Shale and Coexistent Energy Minerals of Jilin Province, Changchun 130061, China

2.1　油页岩中有机质原始物质来源

2.1.1　油页岩有机质成因类型

2.1.2　古湖泊生产力

2.2　油页岩中有机质聚集与保存

3.1　火山事件

3.2　热液事件

3.3　大洋缺氧事件

3.4　气候地质事件

3.5　海侵事件

3.6　重力流事件