油页岩工业分类早期单纯的注重其有机质的化学性质划分级别, 根据碳元素含量(C_daf%)、氢元素含量(H_daf%)及含油率、发热量等参数, 把油页岩分为5个等级(Д о б р я н с к и й , 1947)( 表 1), 但这种分类取值较高, 二级至五级油页岩实为煤。前苏联Ч е р е м о в с к и й (1988)对油页岩进行了系统的工业分类, 主要依据含油率、有机质含量、灰分及对应的发热量等参数, 同时认为不同工业类型油页岩对应的有机质类型存在一定的差别( 表 2)。由于作者主要针对前苏联油页岩矿床进行工业分类, 所选取的含油率界限偏高。赵隆业等(1991a, 1991b)根据含油率对中国油页岩进行了3个级别的分类, 同时依据灰分的相对含量将油页岩划分为低灰分(含量小于65wt.%)和高灰分(含量66 wt.%~83 wt.%)油页岩( 表 2)。作者在中国油页岩资源评价的基础上, 根据含油率将油页岩分为3个品级:低品质油页岩(含油率:3.5 wt.%~5 wt.%)、中等品质油页岩(含油率:5 wt.%~10 wt.%)、优质油页岩(含油率大于10wt.%)(刘招君等, 2009a, 2009b), 并发现油页岩的含油率与有机质丰度(TOC)、热裂解烃含量(S₂)、发热量、挥发分等呈现明显的正相关, 与密度、灰分等指标呈现明显的负相关(刘招君等, 2009a; 李宝毅等, 2012; Sun等, 2013a), 但是这些指标与油页岩含油率的关系受有机质类型和成熟度的影响。总体来说, 油页岩工业分类主要依据相关测试数据来确定, 均具有明确的界限和相应的划分等级, 且被广泛认可, 值得借鉴。

表1

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表1(Table1)

表1 油页岩按化学性质分类(据Д о б р я н с к и й , 1947) Table1 Classification of oil shale by chemical character (after Д о б р я н с к и й , 1947) 油页岩品级 Cdaf/% Hdaf/% 含油率/wt.% 发热量/MJ· kg-1 一级 < 60 < 7.3 18~25 24.3~26.4 二级 60~65 7.3~7.8 25~35 26.4~28.5 三级 65~70 7.8~8.3 35~45 28.5~31.4 四级 70~75 8.3~8.9 45~57 31.4~35.6 五级 75~80 8.9~9.3 > 57 35.6~37.5

表1 油页岩按化学性质分类(据Д о б р я н с к и й , 1947) Table1 Classification of oil shale by chemical character (after Д о б р я н с к и й , 1947)

表2

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表2 油页岩工业分类 Table2 Industry classification of oil shale 油页岩 品级 Ч е р е м о в с к и й (1988) 赵隆业等(1991a) 含油率/wt.% 灰分/wt.% TOC/wt.% 发热量/MJ· kg-1 有机质类型 含油率/wt.% 灰分/wt.% 发热量/MJ· kg-1 高品质 > 20 < 60 45~30 > 10.4 腐泥或腐殖— 腐泥质 > 8 40~65 > 9.5 中品质 20~10 60~70 30~15 10.4~8.4 腐泥和腐殖混合 8~5 65~83 9.5~2.9 低品质 < 10 70~85 15~10 7.0~6.3 腐泥— 腐殖质 5~3.5 83~88 < 2.9

表2 油页岩工业分类 Table2 Industry classification of oil shale

国内外学者对油页岩成因分类主要依据油页岩中有机质显微组分、油页岩聚集环境及其形成的构造背景进行。

依据显微组分进行油页岩成因分类较为普遍。Г и н э б у р г (1986)( 表 3)和З е л е н и н 和О з е р о в (1983)( 表 4)通过对前苏联众多油页岩矿床的岩石成分进行观察, 按照干酪根的组分将油页岩分为腐泥型、腐殖— 腐泥型和腐泥— 腐殖型3类, 并给出不同类型油页岩中有机质氢元素相对含量、含油率、总硫含量及相应的工业利用方向, 此种为较为综合的成因— 工业分类方案; 赵隆业等(1990)在以上3种油页岩分类的基础上, 结合具体显微组分(主要为:结构藻、层状藻、树皮体、孢子体、胶质体、树脂体等)所占的比例, 进一步将油页岩分为8类( 表 5)。作者认为此分类方案中的腐殖残值型油页岩实为含油煤, 因其产油率较高, 逐渐引起人们的重视, 但是含油煤有机质丰度极高, 灰分小于40%, 应属于煤类, 而非油页岩; Cook和Sherwood(1991)以沥青质体、层状藻和结构藻为三端元, 根据其相对含量将油页岩划分为层状、结构和比托3种油页岩岩石类型, 并在海相环境中, 依据以上3种显微组分的相对含量, 将海相油页岩划分为马洛斯、比托和塔斯曼/库克油页岩, 在非海相的环境中, 根据藻类(层状藻或结构藻)、高等植物稳定组分、镜质体与惰质体的相对含量, 将油页岩分为烛煤、托班(结构藻为主)、莱克(层状藻为主)和煤质页岩, 此种分类和澳大利亚学者 Hutton(1985, 1987)的油页岩分类方案类似( 表 6)。

表3

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表3 油页岩成因类型— 化学成分分类 (据Г и н э б у р г , 1986) Table3 Classification of oil shale by genetic type and chemical composition(after Г и н э б у р г , 1986) 有机质类型 藻类体数量/个 有机质氢元素含量/% 腐泥 80~93 8.5~11 腐殖— 腐泥 70~80 7~8.5 腐泥— 腐殖 50~70 6~7

表3 油页岩成因类型— 化学成分分类 (据Г и н э б у р г , 1986) Table3 Classification of oil shale by genetic type and chemical composition(after Г и н э б у р г , 1986)

表4

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表4 油页岩按工业— 成因性质分类 (据З е л е н и н 和Oз е р о в , 1983) Table4 Classification of oil shale by industrial and genetic character(after З е л е н и н and О з е р о в , 1983) 级-组-种 腐泥质 腐殖腐泥 腐泥腐殖 发热量 /MJ· kg-1 高发热量 12.5 中发热量 8.4~12.5 低发热量 6.3~8.4 亚级— 含油率 /wt.% 高含油率 中含油率 低含油率 中有机质 (40~50) 中有机质 (40~50) 中有机质 (30~40) 低灰分(< 60) 中灰分(60~70) 高灰分(> 70) 组— T/Q比 > 6 5~6 < 5 亚组— 煤岩 显微组分 结构藻类体 无结构藻类体 结构藻类体 镜质体— 腐泥 腐殖混合组分 腐泥腐殖 混合组分 镜质体+壳质体 +胶质藻类体 胶质藻类体+ 壳质体+镜质体 种— 矿物质 碳酸盐质 (CaO+MgO=20%) 硅铝质 (CaO+MgO ≤ 10%) 硅质 (SiO2+Al2O3 ≥ 70%) 硅铝— 碳酸盐质 (CaO+MgO=10%~20%) 亚种— 硫 /wt.% 低硫(< 2) 中硫(2~4) 高硫(> 4) 伴生组分 稀有分散元素高, 可工业利用Al、K、Na、Ca、P等 工业利用方向 化学工业、能源工业、建材工业 硫化工产品、 能源工业

表4 油页岩按工业— 成因性质分类 (据З е л е н и н 和Oз е р о в , 1983) Table4 Classification of oil shale by industrial and genetic character(after З е л е н и н and О з е р о в , 1983)

表5

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表5 赵隆业等(1990)油页岩成因类型 Table5 Genetic type of oil shale according to Zhao et al.(1990) 分类 依据 油页岩分类 亚类 腐泥型油页岩 结构藻类体油页岩 胶质藻类体油页岩 腐泥质油页岩 混合型油页岩 含藻类体混合型油页岩 含藻类体树皮体混合型油页岩 含藻类体角质体小孢子体混合型油页岩 含藻类体树脂体混合型油页岩 烛煤油页岩 腐殖残值型油页岩 * 实为含油煤 注: * 为本文作者理解。

表5 赵隆业等(1990)油页岩成因类型 Table5 Genetic type of oil shale according to Zhao et al.(1990)

表6

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表6 Hutton(1985, 1987)油页岩分类 Table6 Oil shale classification according to Hutton(1985, 1987) 沉积环境 陆相(沼泽* ) 湖相 海相 岩石类型 烛煤 托班油页岩 层状油页岩 海相油页岩 塔斯曼油页岩 库克油页岩 主要组分 孢子体、树脂体、 角质体 结构藻 (托班藻) 层状藻类体 层状藻类体 沥青质体 结构藻类体 结构藻类体 次要组分 镜质体 惰性体 镜质体 惰性体 结构藻类体 镜质体 注: * 为本文作者理解。

表6 Hutton(1985, 1987)油页岩分类 Table6 Oil shale classification according to Hutton(1985, 1987)

从以上国内外油页岩成因分类来看, 油页岩的有机质来源(有机显微组分)是进行油页岩分类的关键参数, 其沉积环境直接影响油页岩中的有机质来源, 也是油页岩分类的重要依据。

深湖位于湖盆中风暴浪基面之下、水体最深部位, 岩石类型以质纯泥岩为主, 发育水平层理和细水平纹层(姜在兴, 2009)。由于深湖环境水深较大, 水体相对稳定且易于分层, 水底长期处于缺氧或贫氧状态, 且离岸远, 陆源碎屑注入少, 可以有效地阻止有机质被稀释破坏, 是有机质聚集和保存的良好场所。同时, 远离河口或湖沼区域, 陆源高等植物的输入量少, 水底基本沉积层状藻、结构藻等湖泊生物和黏土( 表 7; 图1-a, 1-b)。因此, 在深湖环境中沉积的油页岩基本以湖泊生物来源为主, 有机质类型主要为Ⅰ 型, 在生物标志化合物中代表藻类等湖泊生物来源的短链正构烷烃(nC_13-20)相对含量较高, 规则甾烷C₂₇/C₂₉及甾类/藿类比值较高; 在水体相对较浅的区带由于镜质体等陆源高等植物组分的输入, 沉积少量含Ⅱ ₁型有机质的油页岩, 中链正构烷烃(nC_21-25)和长链正构烷烃(nC_27-35)的相对含量有所增加, 规则甾烷C₂₇/C₂₉和甾类/藿类比值减少。一般此种类型的油页岩以东北地区的松辽盆地青山口组和嫩江组油页岩、抚顺计军屯组富矿油页岩、鄂尔多斯盆地延长组油页岩、准噶尔盆地芦草沟组油页岩最为典型( 表 7, 图2-a)。

表7

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表7 不同陆相沉积环境油页岩有机质类型及来源 Table7 Organic matter type and resources of oil shale in different continental sedimentary environments 沉积 环境 主要有机 质类型 主要有机质来源 备注 深湖 腐泥型 (Ⅰ 型) 层状藻、结构藻、孢子体等 少量Ⅱ 1型 半深湖 腐殖腐泥型 (Ⅱ 1型) 孢子体、角质体、树脂体、藻类体、镜质体等 少量Ⅱ 2型 湖沼 腐泥腐殖型 (Ⅱ 2型) 镜质体、树皮体、木栓体、孢子体、角质体等 少量Ⅱ 1型

表7 不同陆相沉积环境油页岩有机质类型及来源 Table7 Organic matter type and resources of oil shale in different continental sedimentary environments

半深湖环境位于正常浪基面以下、风暴浪基面以上的范围, 岩石类型多为暗色泥岩、粉砂质泥岩, 常具有砂质条带或透镜体, 主要发育水平层理, 可见波状层理(姜在兴, 2009)。半深湖静水环境中, 水底往往处于贫氧的状态, 同时在高湖泊生物生产力的背景下, 形成大量的有机质来源。相对于深湖环境, 半深湖水体较浅、沉积速率较大, 有机质得以快速沉降、埋藏和保存, 也具备油页岩形成的条件。与深湖区域相比, 半深湖离岸较近, 水底不仅聚集了大量的藻类体等湖泊生物, 同时还有大量的孢子体、角质体、镜质体、树脂体等浅水水生植物和陆源高等植物组分的供给( 图 1-c, 1-d; 表7), 形成的油页岩具有湖泊生物和陆源有机质双向来源, 导致半深湖沉积的油页岩有机质类型主要为Ⅱ 型, 其中以Ⅱ ₁型为主( 图 2-b), 生物标志化合物显示正构烷烃nC_13-20/nC_27-35小于深湖油页岩, 规则甾烷C₂₇/C₂₉和甾类/藿类比值也比深湖油页岩低。桦甸、梅河、罗子沟等盆地古近系发育此类油页岩。在半深湖环境中, 也会存在少量浅水浮游植物、孢子体等易于生烃的有机质富集, 形成Ⅰ 型有机质的油页岩, 如桦甸盆地第4层(最高含油率可达25%)油页岩( 图 2-b)。同时也会存在一些油页岩含大量的镜质体等陆源有机质输入, 导致油页岩有机质类型为Ⅱ ₂型, 如依兰盆地达连河组页岩段的油页岩( 图 2-b)。

图1

Fig.1

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	图1 不同沉积环境下油页岩的有机显微组分特征Fig.1 Organic maceral features of oil shale in different sedimentary environments

图2

Fig.2

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	图2 不同沉积环境油页岩有机质类型判别图解Fig.2 Discrimination diagram of organic matter type of oil shale in different sedimentary environments

作者所指的湖沼环境为沼泽到与其有成因联系的浅湖环境。一般在沼泽环境演化初期, 水流带来大量矿物质, 水体营养十分丰富, 高等植物和浅水生物极为繁盛, 沉积物中含大量的腐殖体, 形成泥炭, 后期变为煤层。当水体深度增大, 泥炭沼泽逐渐下沉, 并演化为浅湖环境, 高等植物因水深增大无法生存, 聚煤环境逐渐消失, 而浅水生物较为繁盛, 同时大量的陆源有机质注入促使腐殖质体和腐泥质体富集。由于大量的有机质存在, 造成水底为还原环境, 有利于形成腐泥腐殖型油页岩。当上述2种沉积环境交替出现时, 形成煤与油页岩互层沉积。因此, 湖沼环境沉积的油页岩有机质主要以镜质体、树脂体、角质体、木栓体和孢子体等为主( 图 1-e, 1-f; 表7), 还存在少量的藻类体, 形成的油页岩有机质类型偏向Ⅱ ₂型。此类型油页岩长链正构烷烃nC_27-23、规则甾烷C₂₉和藿烷具有明显高的相对含量。如老黑山穆棱组、柴达木石门沟组下含煤段、茂名古近系含煤层系等均发育此种类型的油页岩。在湖沼环境中若角质体、树脂体和孢子体所占比例较大, 则油页岩有机质类型偏向Ⅱ ₁型, 如依兰盆地达连河组下含煤段油页岩( 图 2-c)。

在大中型盆地的拗陷沉积阶段往往具有深湖环境, 易于沉积大规模的富有机质暗色泥岩和腐泥型油页岩, 如松辽盆地上白垩统青山口组和嫩江组、准噶尔盆地中二叠统芦草沟组、鄂尔多斯盆地上三叠统延长组、柴达木盆地中侏罗统石门沟组页岩段等。此种类型的盆地由于规模巨大、水体稳定, 沉积的油页岩矿床范围广、横向展布稳定, 在高的古湖泊生产力和良好保存条件下可形成优质油页岩, 最高含油率大于10%( 表 8)。同时良好的保存条件、高湖泊生产力和适当沉积速率的持续时间决定油页岩矿床的厚度和品质, 如准噶尔盆地芦草沟沉积时期, 湖盆长期处于前渊深凹陷阶段, 盆地充填为欠补偿— 补偿状态, 因此沉积了巨厚的(累计最大厚度可达160, m)、分布稳定的油页岩, 同时伴随着高的古湖泊生产力, 促进了优质油页岩的沉积(最高含油率为16.5%); 而松辽盆地和鄂尔多斯盆地古湖泊条件变化较准噶尔盆地相对频繁, 因此沉积了厚度和品质中等的油页岩。

在小型断陷盆地中也存在稳定的深湖环境, 此种沉积环境也具备形成腐泥型油页岩的条件, 极深的水体有效地减少了陆源碎屑和高等植物的输入, 水底长期处于缺氧或贫氧状态, 高湖泊生产力、欠补偿状态和持续稳定的深水环境促进了厚度巨大、品质良好的油页岩生成。但由于受盆地规模、主控断层和构造差异沉降的影响, 横向上油页岩厚度差异较大, 分布范围较小。以中国的抚顺盆地富矿油页岩段最为典型( 表 8), 其油页岩矿床分布范围仅为35, km², 沉降中心富矿油页岩最厚可达195.5, m, 而盆地边缘快速减为60.0, m, 相差巨大。

在大中型坳陷盆地边缘和小型断陷盆地均可发育半深湖油页岩, 大中型盆地半深湖环境沉积的腐殖腐泥型油页岩相比深湖区沉积的腐泥型油页岩, 其单层厚度和累计厚度小, 油页岩品质较差, 分布较局限; 其主要原因为保存条件较差。如松辽盆地东南隆起区边缘上白垩统青山口组沉积的半深湖油页岩, 累计厚度仅为4, m, 含油率最高为4.9%。

在小型断陷盆地, 半深湖腐殖腐泥型油页岩往往形成于盆地演化的鼎盛阶段。由于盆地规模较小, 古气候、构造沉降、沉积物供给的演化容易造成整个湖盆变为深水或满盆砂的现象。沉积环境的高频更替, 导致半深湖环境持续时间较短, 沉积油页岩厚度较薄, 单层厚度介于0.7~3, m之间, 累计厚度几米到几十米( 表 8)。由于沉积环境的多变性, 半深湖环境的有机质保存条件和古湖泊生产力也存在明显的不同, 导致油页岩在垂向上存在明显的不同, 如桦甸盆地第4层油页岩最高含油率可达25%, 而第7层和第8层的油页岩平均含油率不到6%。深水环境的范围和构造沉降控制油页岩的展布, 如桦甸盆地桦甸组油页岩在水进体系域, 随着可容纳空间的增大, 油页岩层展布面积逐渐增大, 并在高水位体系域达到最大(Sun等, 2013b), 油页岩厚度最大的区域位于控盆断裂一侧, 随着离控盆断裂的距离增大, 油页岩的单层和累计厚度也逐渐变小(孙平昌等, 2011)。此种类型的油页岩在梅河、罗子沟、民和等盆地也十分典型。

湖沼腐泥腐殖型油页岩多沉积于小型断陷盆地演化的初期或末期阶段, 油页岩往往为煤层的顶底板, 其单层厚度薄(基本小于1, m), 累计厚度均不超过10, m, 为可容纳空间频繁变化的产物。当可容纳空间较小时为沼泽煤层沉积, 可容纳空间增大, 沼泽覆水演变为油页岩沉积环境, 浅水和离岸近的环境易于有机质的快速埋藏和保存, 使得此环境中的油页岩有机质丰度极高, 品质良好。但由于构造活动、物源与水源供给变化、沉积环境的快速更替等多因素影响, 湖沼沉积油页岩分布范围十分小, 横向连续性差。如老黑山油页岩中有机质丰度最大可达42.1%, 含油率为19.8%, 平均含油率为7.0%左右, 横向相隔几千米钻井中的油页岩层数和厚度明显不同。此种类型的油页岩在茂名盆地油柑窝组、依兰盆地达连河组含煤段、老黑山盆地穆棱组和柴达木盆地小煤沟组十分常见( 表 8)。

此外, 在大中型盆地中, 沉降持续时间相对较长, 具有水体深度差异明显的特征, 存在着由岸边湖沼向湖盆中心深湖区域的沉积相带变化。在湖泊生产力、浅水生物和陆源高等植物大繁盛的背景下, 3种类型的油页岩均可形成。在岸边沼泽区域, 沉积腐泥腐殖型油页岩, 油页岩与煤层高频互层沉积, 具有单层厚度和累计厚度小、含油率高的特点。由岸边沼泽进入浅湖区域后, 由于水体含氧程度增加、水能量加强, 不具备油页岩沉积的条件; 随着离岸距离和水体深度进一步增大, 水底变为贫氧环境, 形成品质较差、厚度较薄的半深湖腐殖腐泥型油页岩; 进而到达水深最大区域, 水底为缺氧环境, 陆源有机质影响达到最小, 有机质主要为湖泊生物来源, 可沉积厚度和品质中等的深湖腐泥型油页岩。此种类型的油页岩则以渤海湾盆地和北部湾盆地最为典型, 以北部湾为例, 在北部湾盆地南部边缘儋州含矿区长坡组发育湖沼相高品质薄层腐泥腐殖型油页岩, 西北部乌石凹陷流沙巷组半深湖— 深湖环境沉积厚层暗色泥岩与腐殖腐泥型— 腐泥型油页岩, 但是儋州含油页岩系与乌石凹陷含油页岩层系是否形成于同一时期还有待进一步研究。