从寒武纪到新近纪, 均发育油页岩沉积(钱家麟和尹亮, 2008), 但是油页岩存在主要的成矿期次。以往常规认为油页岩为深水沉积, 沉积于烃源岩主要时期, 如古生代中二叠世准噶尔盆地芦草沟组沉积时期, 中生代中、晚三叠世鄂尔多斯盆地延长组沉积时期和晚白垩世松辽盆地青山口组和嫩江组沉积时期(刘招君等, 2009), 值得注意的是新生代古近纪始新世为最近的一期烃源岩成矿期, 如渤海湾盆地沙河街组沉积时期(罗佳强和沈忠民, 2005)。这些时期沉积的油页岩资源量占中国陆相盆地油页岩总资源量的90%以上, 为油页岩形成的4个主要成矿期。

此外, 在古生代晚石炭世— 早二叠世、 中生代中侏罗世、 早白垩世和古近纪古新世— 始新世等主要的成煤期, 一些盆地在构造沉降最大阶段, 稳定的深水区也沉积油页岩, 油页岩矿床规模相对较小, 同样是油页岩形成的重要时期。 如鄂尔多斯盆地晚石炭世— 早二叠世太原组沉积时期(熊熠华, 2017)、 柴达木盆地中侏罗世石门沟组沉积时期(李永红, 2018; Meng et al., 2019; Wang et al., 2020)、 辽西盆地群早白垩世九佛堂组沉积时期(Zhang et al., 2020a), 敦密断裂带与依兰伊通断裂带盆地群始新世含油页岩层系沉积时期(柳蓉等, 2008, 2012; 刘招君等, 2009, 2016b; 刘志逊等, 2014; Sun et al., 2016; Bai et al., 2017)和伦坡拉盆地始新世丁青湖组沉积时期(杜佰伟等, 2016; 谢尚克等, 2018)等。 值得注意的是, 近几年众多学者在成煤期的含煤层系中也发现共生油页岩矿床(刘招君等, 2016a, 2016b; 王东东等, 2016; Song et al., 2017; Lü et al., 2017; 徐银波等, 2019; Wang et al., 2020), 这些油页岩往往为煤层的顶底板(图 1), 厚度较小, 是与煤协同开发的优质资源, 目前民和盆地中侏罗统窑街组和黄县盆地始新统李家崖组煤系油页岩得到了良好的开发利用。

图 1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 1 中国5种典型的煤与油页岩共生组合(据王东东等, 2016)Fig.1 Five types of coexistence of coal and oil shale in China (after Wang et al., 2016)

沉积岩中有机质富集往往受大气组成的影响(张水昌等, 2005; 王平丽等, 2013; 曹新星等, 2016)。在各个地质历史演化阶段, 大气成分存在明显的不同, 主要表现在O₂和CO₂含量的消长关系(Boucot and Gray, 2001; 张水昌等, 2005)。显生宙以来大气中O₂和CO₂的演化趋势表明, 中、晚石炭世— 早二叠世, 侏罗纪— 早白垩世和古近纪均为成煤高峰期, 对应的大气O₂含量基本为周期性O₂循环的最高值, 尤其古生代成煤高峰期的O₂含量已超过30%, 其他成煤期也基本保持在25%以上, 而CO₂浓度基本保持在4%以下。中、晚二叠世, 中、晚三叠世和晚白垩世为主要的烃源岩形成时期, 大气O₂浓度基本保持在20%以上, CO₂浓度也不超过6%。煤和烃源岩形成时期大气CO₂浓度高于现代CO₂浓度, 表明这些富有机质沉积岩也易于形成于温室背景中。烃源岩和煤形成时期相对高O₂和低CO₂浓度, 一定程度上抑制了碳酸盐沉积与大气CO₂、海洋水CO₂的循环, 促进光合作用, 诱发高的陆生高等植物和水生生物生产力, 为煤、烃源岩和油页岩形成奠定基础。但是相对于煤和烃源岩, 油页岩形成的条件更为特殊, 因此各个油页岩成矿期持续时间明显小于成煤期或成烃源岩期。结合上述油页岩成矿期次, 基本可以确定大规模油页岩矿床形成的古大气背景为中高O₂和中低CO₂浓度, 而小规模油页岩矿床形成于高O₂和低CO₂浓度的古大气背景(图 2)。

图 2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 2 地质历史时期大气中O2与CO2含量变化的关系 (据Boucot and Gray, 2001; 张水昌等, 2005; 修改)Fig.2 Relationship between the atmospheric O2 and CO2 variations in geological history(modified after Boucot and Gray, 2001; Zhang et al., 2005)

从宏观时空角度看, 大气组成影响油页岩的成矿期次。从盆地角度看, 古气候和古构造对油页岩矿床规模起控制作用。构造和古气候协同影响盆地的充填状态(Carroll and Bohacs, 1999), 潜在可容纳空间(构造沉降)与沉积物+水体(古气候作用)的相对平衡控制着古湖泊的发生、分布和特征。湖盆充填状态可分为过补偿、补偿和欠补偿(图 3), 而油页岩在这3种盆地状态下均发育, 只不过矿床特征存在明显的差别(Carroll and Bohacs, 1999, 2001; Sun et al., 2013; 刘招君等, 2016b)。

图 3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 3 湖型模型示意图(据Carroll and Bohacs, 1999)Fig.3 Schematic lake-type model (after Carroll and Bohacs, 1999)

过补偿环境发生在温暖湿润的古气候背景下, 大量的水体和沉积物供给, 盆地构造沉降相对较小, 湖盆易于快速充填淤浅, 发生大规模的湖沼化, 促进煤层及与之共生的薄层油页岩沉积, 同时油页岩展布不稳定。该类型以民和盆地中侏罗统窑街组二段(郭巍等, 2006)、老黑山盆地下白垩统穆棱组(Song et al., 2017)、黄县盆地始新统李家崖组(Lü et al., 2017)和茂名盆地中新统油柑窝组的油页岩(李殿超等, 2006)较为典型。

中国陆相盆地油页岩普遍形成于补偿环境中, 该阶段也普遍为温暖湿润的古气候背景, 水体和沉积物供给较多, 伴随着与供给速率相似的盆地沉降速率, 湖盆中心地带长期处于深水环境, 促进厚度相对较大、展布稳定的油页岩矿床的发育, 该类型以准噶尔盆地中二叠统芦草沟组(Carroll, 1998; Tao et al., 2013; Li et al., 2019)、鄂尔多斯盆地中晚三叠统延长组(卢进才等, 2006; Zhang et al., 2020)、柴达木盆地中侏罗统石门沟组页岩段(Meng et al., 2019; Wang et al., 2020)、松辽盆地上白垩统青山口组和嫩江组(贾建亮, 2012; 孙平昌, 2013)、抚顺盆地始新统计军屯组(柳蓉等, 2008; Strobl et al., 2014)和茂名盆地中新统尚村组油页岩(李殿超等, 2006; 刘招君等, 2009)较为典型。另外, 中国还存在一些油页岩矿床沉积于不稳定的补偿环境中, 由于水体和沉积物供给具有一定的波动性, 导致深水环境持续时间相对较短, 沉积的油页岩厚度相对较小, 以辽西盆地群下白垩统九佛堂组(王宇林等, 2009)、桦甸盆地始新统桦甸组油页岩(Sun et al., 2013; Strobl et al., 2015)为典型实例。

欠补偿环境中形成的油页岩相对较少, 该环境多数形成于干燥的古气候背景下, 以蒸发环境为主, 缺少水体和沉积物供给, 伴随着一定的构造沉降, 形成欠补偿环境, 间歇性降雨会导致富有机质沉积岩发育, 形成蒸发岩与薄层油页岩互层的沉积建造, 油页岩分布局限。该类型以桐柏盆地始新统五里堆组油页岩为代表(周珍琦等, 2006; 许圣传等, 2012)。

关于古构造和古气候协同控矿作用还可以从更宏观的角度进行研究, 如地质历史时期不同期次的油页岩成因对比; 也可以从更小的地层单元进行识别, 如单个准层序内含油页岩层系演化机制分析。

具体的沉积环境是油页岩沉积的直接场所。笔者曾总结沉积环境及其导致的有机质来源和保存差异是造成不同类型油页岩沉积的关键因素(刘招君等, 2016a)。中国陆相油页岩普遍沉积于深水(深湖— 半深湖)和浅水(湖沼)中, 但是不同盆地中相似的沉积环境还存在明显的物理、化学及生物特征差异。

长期稳定的深水环境普遍发育水体分层的现象, 湖底基本为缺氧— 贫氧环境, 对有机质来说, 具有良好的保存条件。但是深水环境也存在一定的水体性质差异, 如松辽盆地青山口组一段沉积时期, 水体基本为咸水— 半咸水(Bechtel et al., 2012; 贾建亮, 2012; 孙平昌, 2013), 导致水体含氧层较薄, 有效减少了有机质沉降过程中氧化和呼吸等破坏作用, 较大程度保存了有机质(图 4)。而以淡水为主的松辽盆地嫩江组二段沉积时期的古湖泊(孙平昌, 2013; Xu et al., 2019), 水体最大深度可达200 m(Feng et al., 2010), 导致有机质沉降过程中经历长时期的破坏作用, 油页岩品质较青山口组差(孙平昌, 2013)。当然除保存条件外, 湖泊生产力和有机质供给也对深水油页岩沉积起到重要作用。抚顺盆地计军屯组油页岩也沉积于深湖淡水环境, 推测最大水深可达上百米(Strobl et al., 2015)。抚顺盆地和松辽盆地油页岩均形成于缺氧的环境, 但抚顺盆地油页岩品质明显优于松辽盆地, 厚度明显大于松辽盆地, 这与抚顺盆地高古湖泊生产力和大量的陆源有机质供给有直接的关系。因此, 基本可以推测在深水环境中沉积的油页岩的形成过程中, 有机质来源及生物生产力的作用要比保存条件更重要一些。同时, 湖泊自身调节能力、生态效率等也对油页岩品质起到重要的影响作用。值得注意的是, 在深水和浅水高频变化的区域, 往往不具备稳定深水中长期的还原环境, 也不及河口和滨岸带生物生产力高, 但是该区域恰是频繁的良好保存条件和大量有机质供给的耦合地带, 水体相对较浅, 有机质沉降过程中破坏作用持续时间较短, 兼具相对较高的沉积速率, 有机质易于快速埋藏, 因此极易形成高品质、厚度较小的油页岩矿层(孙平昌等, 2011), 如桦甸盆地始新统油页岩, 单层厚度基本小于3 m, 最高含油率可达24.8%。由于该区域水文条件的复杂性, 导致该区域沉积的油页岩矿床无论在横向还是纵向, 都具有较强的非均质性(Sun et al., 2013)(图 5), 盆地间油页岩矿床更是差异明显, 如东北地区依兰盆地始新统达连河组半深湖沉积油页岩最高含油率仅为4.9%, 单层厚度多为1 m左右, 与桦甸盆地油页岩相差甚远。

图 4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 4 中国东北地区中生代松辽盆地上白垩统青山口组半深湖— 深湖油页岩形成环境模式(据Xu et al., 2019)Fig.4 Formation environment model of semi-deep to deep lake oil shale in the upper Cretaceous Qingshankou Formation in the Mesozoic Songliao Basin, Northeast China(after Xu et al., 2019)

图 5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 5 中国东北地区新生代桦甸盆地古近系桦甸组油页岩特征(据Sun et al., 2013)Fig.5 Oil shale characteristics of the Paleogene Huadian Formation in the Cenozoic Huadian Basin, Northeast China(after Sun et al., 2013)

湖沼环境位于极浅水和水上地带, 充分与大气接触, 在清水草型时期基本为含氧环境; 而在浊水藻型时期, 水底含氧性普遍变差(秦伯强等, 2004)。高低位沼泽区域植被繁盛, 原地埋藏碳化成煤。沼泽区域水体覆盖基本可形成2种环境, 一种为清水草型浅湖, 具有一定的水动力条件的活水, 水草改善水体营养程度, 完成湖泊水体修复(Jeppesen et al., 2007), 此种环境在煤层上部往往沉积含大量植物化石的粉砂岩及浅灰色泥岩, 有机质丰度相对较低, 如中生界中侏罗统柴达木盆地大煤沟组煤层顶底板(黄献好等, 2020); 另一种则是在沼泽之上、由于基准面抬升直接形成浊水藻型浅湖, 基本为死水, 湖泊发生营养化, 藻类繁盛(秦伯强等, 2004), 沼泽聚集的大量有机质和营养化的水体共同导致水底基本为缺氧环境, 极浅水促进有机质快速沉降, 浊水引发相对较高的沉积速率, 有机质得以快速埋藏, 形成油页岩, 以柴达木盆地中生界中侏罗统石门沟组和老黑山盆地下白垩统穆棱组煤层顶底板为典型代表(宋宇, 2017; Wang et al., 2020)(图 6)。这种类型的环境持续时间相对较短, 分布范围较小, 导致该类型的油页岩矿床往往具有有机质丰度高、厚度小、分布局限、横纵向非均质性强的特点(刘招君等, 2016a)。

图 6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 6 中国东北地区中生代老黑山盆地下白垩统穆棱组准层序内部油页岩与煤形成环境模式(据宋宇, 2017)Fig.6 Formation environment model of oil shale and coal in single parasequence in the lower Cretaceous Muling Formation in the Mesozoic Laoheishan Basin, Northeast China(after Song, 2017)

无论在深水还是浅水沉积的油页岩, 均与湖平面变化有直接的关系。油页岩层均可以作为湖平面抬升的标志, 往往为每期准层序的底界面(图 5, 图 7)(Passey et al., 1990; 刘立和王东坡, 1996; Bohacs et al., 2000; Peters et al., 2000; 刘招君等, 2011; Sun et al., 2013; 王东东等, 2016)。在层序格架中, 油页岩主要沉积于水进体系域和高水位体系域, 并随着基准面的抬升, 油页岩的展布范围和厚度逐渐增大, 品质逐渐变好, 并在高水位体系域达到最佳(图 5, 图 7)(刘招君等, 2011; Sun et al., 2013; Lü et al., 2017; Wang et al., 2020)。

图 7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 7 中国东北地区中生代松辽盆地上白垩统青山口组层序地层格架(据刘招君等, 2011)Fig.7 Sequence stratigraphic framework of the upper Cretaceous Qingshankou Formation in the Mesozoic Songliao Basin, Northeast China(after Liu et al., 2011)

部分地质事件往往在油页岩成矿过程中扮演推动者的角色。作为细粒富有机质沉积岩, 油页岩也是记录这些地质事件的档案。研究表明, 影响油页岩成矿的主要地质事件包括缺氧、热液、海侵和火山等。

(1)缺氧事件

大洋缺氧事件(Oceanic Anoxic Events, OAE)促进了全球黑色富有机质页岩沉积(Sheridan and Larson, 1992; Jenkyns et al., 2002)(图 8)。表层水具有高繁殖率容易造成缺氧环境, 还可以促进中深水低氧区的扩大, 促进有机质的保存和富集(Dean et al., 1984)。缺氧事件对中国油页岩成矿也具有重要的促进作用, 羌塘地区侏罗系油页岩形成于Toarcian缺氧(T-OAE)背景中(伊帆等, 2016); Aptian-Albian缺氧事件(OAE1)促进了东北地区辽西盆地群下白垩统义县组— 九佛堂组油页岩沉积(万晓樵等, 2017); 基于松辽盆地上白垩统新的地层年龄数据(He et al., 2012; Wang et al., 2013), Cenomanian-Turonian缺氧事件(OAE2)导致了青山口组优质油页岩的形成, 嫩江组油页岩则与Coniacian-Santonian缺氧事件(OAE3)有关(孙平昌, 2013)。发生于55 Ma左右的古新世— 始新世极热事件(PETM)引起的缺氧事件对古近系油页岩形成应该也具有一定的促进作用。

图 8

Fig.8

Figure Option ViewDownloadNew Window

图 8 白垩纪全球碳循环相关的地质事件及其变化 据邹艳荣等, 2008, 修改。地质年龄据He et al., 2012。全球洋壳生长速率据Zhao, 2005。LIPs(大火成岩省)据Weissert and Erba, 2004。邓晋福等, 2005; Zhao, 2005。海平面变化曲线①据Miller et al., 2005; 曲线②据Watts and Steekler, 1979; 曲线③据Sahagian, 1993; 曲线④据Haq et al., 1987; 曲线⑤据Vail et al., 1977。古气温曲线据Zhao, 2005; 灰色区域古气温数据点据Emiliani et al., 1978。大气CO2(PAL: 现在大气压水准)据Robinson et al., 2002。OAE(大洋缺氧事件)黑色泥岩层和ORB(大洋红层)据Leckie et al., 2002; Weissert and Erba, 2004; 胡修棉, 2005Fig.8 Geological events related to the Cretaceous global carbon cycle and their changes

(2)火山活动和热液事件

火山灰及热液中存在的大量生命营养元素进入水体之中, 会发生水解作用, 成为生物生存的养料, 促进水生生物的大量繁盛, 有效提高生物生产力(Frogner et al., 2001; 梁钰等, 2014; 邱振等, 2019)。此外, 热液还可以提高水体的温度, 形成适宜生物生长的古水温条件(张文正等, 2010)。火山灰及热液对油页岩形成的影响研究主要集中在鄂尔多斯盆地延长组(图 8, 图 9)(贺聪等, 2017; 袁伟等, 2019; Zhang et al., 2020)。此外, 在中国辽西盆地群下白垩统义县— 九佛堂组、松辽盆地青山口组和嫩江组油页岩层中均发现火山灰沉积, 其对该地区油页岩的影响也值得进一步研究。

图 9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 9 中国中部中生代鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段油页岩沉积模式(据Zhang et al., 2020b)Fig.9 Sedimentary model of oil shale in the Member 7 of Triassic Yanchang Formation in the Mesozoic Ordos Basin, central China(after Zhang et al., 2020b)

(3)海侵事件

海侵作用会使陆相湖盆水体咸化, 也有利于水体分层, 这种条件有利于藻类体的保存与生烃转化。并且海水侵入向湖泊内带入大量海洋浮游生物, 从而促进富有机质沉积岩的发育, 水体盐度的增加也促进了水底缺氧环境的形成, 为有机质保存提供良好的条件(侯读杰等, 1999; 孟志勇, 2016)。众多学者研究表明, 松辽盆地青山口组和嫩江组油页岩沉积均受到海侵作用的影响(图 8)(王东坡等, 1994; 冯子辉等, 2009; 席党鹏等, 2010; Bechtel et al., 2012; Cao et al., 2016)。此外, 山东黄县盆地油页岩的形成也与周期性海水进退有关(许圣传等, 2006; Lü et al., 2017)。

在较高的大气O₂浓度背景下, 温暖湿润的古气候背景和盆地沉降最大阶段促进深水区域的形成, 陆上径流、火山灰携带营养物质进入湖泊, 也可能存在湖底热液或软泥释放营养物质, 诱发藻类等生物勃发, 继而湖泊生物和陆源有机质发生沉降。在全球缺氧、海侵事件、生物爆发或湖水分层等作用下, 深水区域形成稳定的含氧层和贫氧— 缺氧层。在有机质沉降过程中, 经过含氧层遭受氧化和呼吸等破坏作用, 在贫氧— 缺氧层至埋藏阶段发生硫化和生物降解甲烷化等作用(谢树成等, 2007)。直至经历一定埋藏和成岩作用, 生物作用逐渐减弱, 最终形成深水沉积油页岩。在这个形成过程中, 某些因素发生改变, 就会导致油页岩品质发生变化, 而深水区面积和有利条件的持续时间控制油页岩的矿床规模。

在高的O₂浓度背景下, 温暖湿润的古气候导致沼泽环境基准面上升, 形成浅湖区域, 脆弱的浅水系统易于发生富营养化, 导致浑浊的浅湖藻类勃发, 同时也存在大量的浅水植物, 这些生物基本原地沉积埋藏。勃发的藻类和先期沼泽沉积的有机质促进了水底还原环境的形成。浑浊水体促进黏土和有机质快速沉降和埋藏, 期间有机质也受到短暂的呼吸、氧化、硫化、甲烷化等作用的破坏。经历一定埋藏和成岩作用, 生物作用逐渐减弱, 形成与煤互层的浅水沉积油页岩。湖泊系统的自身恢复和古气候的调节作用, 导致富营养化浅水区域持续时间较短, 因此, 此种类型的油页岩厚度薄, 分布局限。

中国大陆区域构造总体上发育三大构造域, 即古亚洲构造域、特提斯构造域和环太平洋构造域(任纪舜, 2005)。这3个构造域也控制了中国陆相油页岩的时空分布特征。

(1)古亚洲构造域

古亚洲构造域已发现的含油页岩盆地有中国西部新疆的准噶尔盆地和甘肃宁县地区的六盘山盆地。准噶尔盆地属于古亚洲构造域天山— 兴安造山系的斋桑— 准噶尔造山带, 六盘山盆地属于古亚洲构造域昆仑— 祁连— 秦岭造山系的祁连造山带, 2个含油页岩盆地油页岩形成时代均为晚古生代。此阶段油页岩主要分布于中国西部, 在温暖湿润古气候背景下, 在准噶尔等前陆盆地前渊凹陷处形成稳定的深水区域, 形成厚度巨大、分布范围广的深水油页岩。

(2)特提斯构造域

特提斯构造域中发现了许多的含油页岩盆地, 主要有柴达木、民和、羌塘等盆地, 这些盆地油页岩形成于中生代。其次, 在羌塘盆地边缘、滇藏造山带和华南加里东造山带也分布着一些新生代含油页岩盆地, 如伦坡拉、兰坪— 思茅和北部湾等盆地。其形成与分布具有由北向南(西藏地区)或由东向西(滇西地区)盆地形成时代依次变新的特征, 受其控制, 滇藏造山带含油页岩盆地分布规律也是由北向南(西藏地区)或由东向西(滇西地区)形成时代变新。在中侏罗世, 气候相对温暖湿润, 含煤层系和深水泥岩层系在盆地中交替发育, 大型盆地中易于形成深水油页岩和浅水油页岩2种类型, 而在小型盆地中则以浅水油页岩沉积为主。古近纪, 在一系列的断陷盆地中受古气候和盆地规模的双重控制, 除伦坡拉盆地外, 多数发育浅水油页岩。

(3)环太平洋构造域

环太平洋构造域含油页岩盆地的形成与分布主要受西太平洋构造域的控制, 从西向东即从板块内部向板块边缘, 含油页岩盆地类型依次为克拉通盆地、裂谷盆地和走滑盆地, 油页岩整体发育在温暖湿润的古气候背景下, 且呈现形成时代逐渐变新的规律。中国中部地区鄂尔多斯、四川盆地为大型的克拉通盆地, 油页岩发育的时代主要为三叠纪— 侏罗纪, 整体以深水油页岩为主; 中国东部和北部地区分布有大杨树盆地、辽西盆地群, 为陆内裂谷断陷期盆地, 在早白垩世普遍发育含煤及烃源岩层系, 目前与烃源岩发育同期层位中发现了众多深水油页岩矿床; 而松辽盆地为大型陆内裂谷拗陷期盆地, 深水油页岩沉积于晚白垩世。新生代含油页岩盆地主要是发育于古近纪的一系列走滑盆地, 形成夹持于太行山东断裂和郯城— 庐江断裂之间以渤海湾盆地为主体的盆地群, 北延到东北的依兰— 依通和敦密断裂带盆地群, 构成一个北北东向的经向含油页岩走滑盆地带, 沉降幅度相对较小的盆地发育多层浅水油页岩, 而在沉积幅度较大的地区易于形成厚层的深水油页岩。