华北北部中元古界下马岭组页岩有机岩石学研究.pdf
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1、第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月OIL&GAS GEOLOGY华北北部中元古界下马岭组页岩有机岩石学研究吴进1,2,罗情勇1,2,钟宁宁1,2,方子龙1,2,段金材1,2,张无忌1,2,崔雅鑫1,21.中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室,北京 102249;2.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249摘要:华北北部中元古界下马岭组页岩是中国最古老的海相烃源岩之一,生源简单,有机质丰度高且成熟度低,但目前仍缺少对其显微组分面貌和成因的详细研究。通过有机岩石学方法,研究了下马岭组页岩中显微组分的组成、特征及其成因。结果表明,下马岭组页岩中显微组分组成较复杂,
2、包括沥青质体、层状藻类体、类镜质组颗粒、矿物沥青基质和沥青铀钍矿。在显微镜下观察到类镜质组颗粒、沥青质体和层状藻类体存在光性过渡变化,它们的随机反射率呈现出逐渐减小的趋势,荧光逐渐增强。这种光性的过渡变化与它们的成因紧密相关。随着缺氧微生物降解作用的逐渐增强,层状藻类体会逐步降解形成沥青质体和类镜质组颗粒。有机质遭受放射性矿物颗粒的离子辐射聚合作用后形成沥青铀钍矿,其中放射性矿物颗粒主要为独居石和钍石。放射性矿物颗粒的热辐射对有机质成熟度有一定的影响,但是影响范围较小。关键词:显微组分;成因;海相烃源岩;页岩;下马岭组;中元古界;华北北部中图分类号:TE122.1 文献标识码:AOrganic
3、 petrology of shales in the Mesoproterozoic Xiamaling Formation in the northern part of North ChinaWU Jin1,2,LUO Qingyong1,2,ZHONG Ningning1,2,FANG Zilong1,2,DUAN Jincai1,2,ZHANG Wuji1,2,CUI Yaxin1,21.National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering,China University of Petroleum(Beijin
4、g),Beijing 102249,China;2.College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,ChinaAbstract:The shales of the Mesoproterozoic Xiamaling Formation in the northern part of North China,which rank among Chinas most ancient marine source rocks,are characterized by simple biotic s
5、ources,high organic matter abundance,and low maturity.However,there is a lack of detailed study on the morphologies and origins of macerals in these shales.This study delves into the composition,characteristics,and origins of macerals in these shales using organic petrological methods.The results hi
6、ghlight a complex maceral composition in the Xiamaling Formation shales,encompassing bituminite,lamalginite,vitrinite-like maceral particles,mineral-bituminous groundmass,and thucholite.Notably,microscopic examinations illuminate transitional shifts in the optical properties of vitrinite-like macera
7、l particles,bituminite,and lamalginite.These shiftsa gradually decreasing random reflectance and progressively increasing fluorescenceare intimately linked to the origins of these macerals.As lamalginite undergoes gradually enhanced anaerobic microbial degradation,it evolves into bituminite and vitr
8、inite-like maceral particles.Additionally,the organic matter forms thucholites after experiencing ionizing radiation-induced polymerization of radioactive mineral particles,which primarily comprise monazite and thorite.The thermal radiation of these particles appears to have a certain influence on o
9、rganic matter maturity only in a limited range.Key words:maceral,origin,marine source rock,shale,Xiamaling Formation,Mesoproterozoic,northern North China引用格式:吴进,罗情勇,钟宁宁,等.华北北部中元古界下马岭组页岩有机岩石学研究 J.石油与天然气地质,2023,44(5):1218-1230.DOI:10.11743/ogg20230511.WU Jin,LUO Qingyong,ZHONG Ningning,et al.Organic p
10、etrology of shales in the Mesoproterozoic Xiamaling Formation in the northern part of North China J.Oil&Gas Geology,2023,44(5):1218-1230.DOI:10.11743/ogg20230511.文章编号:0253-9985(2023)05-1218-13doi:10.11743/ogg20230511收稿日期:2023-03-07;修回日期:2023-08-15。第一作者简介:吴进(1995),男,博士研究生,有机岩石学与油气地球化学。Email:。通信作者简介:罗
11、情勇(1987),男,博士、教授,有机岩石学与油气地球化学。Email:.基金项目:国家自然科学基金优秀青年基金项目(42122016);中国石油大学(北京)科学基金项目(2462020YXZZ021,2462021QNXZ001)。中元古代是海洋生物演化和全球气候变化的重要时期,生源主要为低等水生生物,通常被称为“boring billion(乏味10亿年)”,但在世界范围内仍发育了大量的富有机质烃源岩,如中国华北地区的高于庄组白云岩、洪水庄组页岩和下马岭组页岩1-5,澳大利亚McArthur 盆 地 Roper 群 Velkerri 组 页 岩6-8,印 度Vindhyan 盆地 Vind
12、hyan 群页岩9-10,以及欧洲和西伯利亚的中元古界Riphean系烃源岩11-12,它们记录了该时期重要的环境和生物信息。Luo等13和Luo等14分别分析了中国华北地区中元古界的洪水庄组和下马岭组页岩的生物标志物,它们的正构烷烃主峰碳分布在C15C18,藿烷的相对浓度较高,甾烷未检出或少量检出,表明原核生物是洪水庄组和下马岭组页岩沉积时期的主要生源。近年来,下马岭组页岩的古环境和古气候研究引起了广泛关注,研究表明,下马岭组沉积时期大气中的含氧量达到了现今大气中含氧量的4%,足以满足沉积水体中动物的呼吸和绿藻的大量繁殖4,15-17。因有机质成熟度低,下马岭组页岩也常被用于研究海相烃源岩的
13、生烃效率和孔隙发育机制等18-20。然而,目前针对前寒武系海相烃源岩的有机岩石学研究还比较欠缺。Crick等7-8发现澳大利亚中元古代Velkerri组黑色页岩的显微组分组成主要为层状藻类体、矿物沥青基质、固体沥青和沥青铀钍矿等。秦婧等 21 和Luo等 13 针对华北北部中元古界洪水庄组显微组分组成及特征开展了详细研究,发现其中的显微组分组成主要包括藻类体、腐泥碎屑体、类镜质组颗粒、矿物沥青基质和惰质组等。本文采集了华北北部下花园地区下马岭组页岩样品,通过有机岩石学手段,研究了下马岭组页岩的显微组分组成及其特征,结合古环境和古气候等,探讨了下马岭组页岩中典型显微组分的成因,这有助于认识中元古
14、界海相烃源岩中有机质的形成和富集。1地质背景燕山地区位于华北克拉通中北部,是华北地台上的活动性构造单元,被称为“燕山沉降带”,呈现出“五坳两隆”的区域构造格局22,自西向东依次为宣龙坳陷、密怀隆起、京西坳陷、冀东坳陷、冀北坳陷、山海关隆起和辽西坳陷(图1)23-25。在早元古代末期吕梁运动的伸展挤压构造背景下,形成了东西向展布的燕山裂陷槽,它的产生和发展控制着华北地区中-新元古界的构造格局23-25。本文研究区位于宣龙坳陷东南部下花园地区。燕山地区中-新元古界是中国最古老的海相沉积层系之一,地层自下而上分为7个系12个组26(图2)。00b中亚造山带郯庐断裂日本海渤海黄海上海大别山秦岭扬子克拉
15、通华夏古陆东海北京华北克拉通内蒙地轴张家口涿鹿怀来蔚县密怀隆起京西坳陷北京香河兴隆承德平泉宽城冀北坳陷冀东坳陷唐山昌黎山海关山海关隆起凌源辽西坳陷北票阜新北京地名研究区范围采样点宣龙坳陷构造边界华北克拉通边界60 km1 000 kma图1 华北北部构造区划简图和采样点位置13,25Fig.1 Map showing the tectonic regionalization of the northern part of North China and the location of the sampling point13,25a.华北克拉通位置;b.华北北部构造区划简图第 5 期吴进,等.
16、华北北部中元古界下马岭组页岩有机岩石学研究中元古代是海洋生物演化和全球气候变化的重要时期,生源主要为低等水生生物,通常被称为“boring billion(乏味10亿年)”,但在世界范围内仍发育了大量的富有机质烃源岩,如中国华北地区的高于庄组白云岩、洪水庄组页岩和下马岭组页岩1-5,澳大利亚McArthur 盆 地 Roper 群 Velkerri 组 页 岩6-8,印 度Vindhyan 盆地 Vindhyan 群页岩9-10,以及欧洲和西伯利亚的中元古界Riphean系烃源岩11-12,它们记录了该时期重要的环境和生物信息。Luo等13和Luo等14分别分析了中国华北地区中元古界的洪水庄组
17、和下马岭组页岩的生物标志物,它们的正构烷烃主峰碳分布在C15C18,藿烷的相对浓度较高,甾烷未检出或少量检出,表明原核生物是洪水庄组和下马岭组页岩沉积时期的主要生源。近年来,下马岭组页岩的古环境和古气候研究引起了广泛关注,研究表明,下马岭组沉积时期大气中的含氧量达到了现今大气中含氧量的4%,足以满足沉积水体中动物的呼吸和绿藻的大量繁殖4,15-17。因有机质成熟度低,下马岭组页岩也常被用于研究海相烃源岩的生烃效率和孔隙发育机制等18-20。然而,目前针对前寒武系海相烃源岩的有机岩石学研究还比较欠缺。Crick等7-8发现澳大利亚中元古代Velkerri组黑色页岩的显微组分组成主要为层状藻类体、
18、矿物沥青基质、固体沥青和沥青铀钍矿等。秦婧等 21 和Luo等 13 针对华北北部中元古界洪水庄组显微组分组成及特征开展了详细研究,发现其中的显微组分组成主要包括藻类体、腐泥碎屑体、类镜质组颗粒、矿物沥青基质和惰质组等。本文采集了华北北部下花园地区下马岭组页岩样品,通过有机岩石学手段,研究了下马岭组页岩的显微组分组成及其特征,结合古环境和古气候等,探讨了下马岭组页岩中典型显微组分的成因,这有助于认识中元古界海相烃源岩中有机质的形成和富集。1地质背景燕山地区位于华北克拉通中北部,是华北地台上的活动性构造单元,被称为“燕山沉降带”,呈现出“五坳两隆”的区域构造格局22,自西向东依次为宣龙坳陷、密怀
19、隆起、京西坳陷、冀东坳陷、冀北坳陷、山海关隆起和辽西坳陷(图1)23-25。在早元古代末期吕梁运动的伸展挤压构造背景下,形成了东西向展布的燕山裂陷槽,它的产生和发展控制着华北地区中-新元古界的构造格局23-25。本文研究区位于宣龙坳陷东南部下花园地区。燕山地区中-新元古界是中国最古老的海相沉积层系之一,地层自下而上分为7个系12个组26(图2)。00b中亚造山带郯庐断裂日本海渤海黄海上海大别山秦岭扬子克拉通华夏古陆东海北京华北克拉通内蒙地轴张家口涿鹿怀来蔚县密怀隆起京西坳陷北京香河兴隆承德平泉宽城冀北坳陷冀东坳陷唐山昌黎山海关山海关隆起凌源辽西坳陷北票阜新北京地名研究区范围采样点宣龙坳陷构造边
20、界华北克拉通边界60 km1 000 kma图1 华北北部构造区划简图和采样点位置13,25Fig.1 Map showing the tectonic regionalization of the northern part of North China and the location of the sampling point13,25a.华北克拉通位置;b.华北北部构造区划简图1219第 44 卷石 油 与 天 然 气 地 质其中,铁岭组沉积后期受“芹峪运动”的影响,地层抬升遭受风化剥蚀,与上覆下马岭组呈平行不整合接触24,27-28。下马岭组沉积末期的“蔚县运动”导致其与上覆长龙山组
21、之间呈角度不整合接触,存在约400 Ma的沉积间断24,29。锆石U-Pb定年表明,下马岭组年龄在1.401.35 Ga4,30-31,根据岩性组合特征可分为滨岸相、过渡相和滨外陆棚相3种亚相,总体上沉积于相对安静的水体环境中,主要发育一套富含有机质的海相黑色页岩,是中国北方中元古界重要的生油层系4,25,32。下马岭组自下而上可以分为4段,其中三段和四段是富有机质页岩主要层段,并发育2套辉长岩和辉绿岩(图2)。古地磁学证据表明,下马岭组沉积时期的古纬度位于1030N33-34。2样品与实验本研究共采集了7个华北北部下花园地区的下马岭组富含有机质的黑色页岩样品,均为露头样品。所有实验均在中国石
22、油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室完成。总有机碳含量(TOC)测定采用标准GB/T 191452003 沉积岩中总有机碳的测定。首先,将样品切除SiSiSiSiFeSiSiSiSiSiSiSiSi1 0001 6001 7001 5001 4009001 300Si中元古界新元古界界年龄/Ma组岩性剖面景儿峪组长龙山组下马岭组铁岭组洪水庄组雾迷山组杨庄组高于庄组大洪峪组团山子组串岭沟组常州沟组段岩性剖面沉积相四段三段二段一段浅海-深海陆棚相浅海陆棚相浅海陆棚相浅海陆棚相深海陆棚相深海陆棚相无障壁海岸相FeFeFeFeFe页岩砂岩灰岩白云岩泥灰岩泥云岩辉长辉绿岩云质灰岩硅质页岩铁质云岩角
23、度不整合 平行不整合砂质白云岩含泥质砂岩砂质页岩含砂岩透镜体页岩SiSiSiSiSi硅质云岩SiSiSiSiSi图2 燕山地区中-新元古界综合柱状图和研究区下马岭组综合柱状图13,25Fig.2 Composite stratigraphic columns showing the Mesoproterozoic-Neoproterozoic strata in the Yanshan area and the Xiamaling Formation in the study area13,251220第 5 期吴进,等.华北北部中元古界下马岭组页岩有机岩石学研究掉风化面后,研磨至200目。称
24、取粉末样品约0.10 g放置于石英坩埚中,缓慢滴入体积比为1 7的稀盐酸,直至样品不再反应,以除尽样品中的无机碳;接着用蒸馏水反复冲洗至中性,然后将样品置于70 的恒温干燥箱烘干,使用Leco CS-230碳硫测定仪测定TOC。热解分析使用OGE-VI岩石评价分析仪,采用标准GB/T 186022012 岩石热解分析。称取0.10 g粉末样品置于坩埚中,升温程序为:初始温度为 300 (保持3 min),升温速率为50/min,最终温度升至600,将岩石中的有机质热蒸发(热裂解)成气态烃类,利用氢火焰离子检测器测定岩石中的游离烃含量(S1)和残留烃含量(S2),并获得最高热解峰温(Tmax)等
25、参数。有机显微组分随机反射率测定遵循标准 SY/T 51242012 沉积岩中镜质体反射率测定方法。将岩石样品沿垂直层理方向切割成 2 cm2 cm1 cm规格的块状,待干燥后用环氧树脂将其固结,制作成块光片。在EcoMet 250/AutoMet 250磨抛机上先用金刚石砂纸研磨,然后用氧化铝抛光液抛光。样品的观测在配有 CRAIC显微镜光度计的 Leica DM4500显微镜下完成。反射率测定标样是反射率为 0.589%的蓝宝石。将含沥青铀钍矿的样品切割至适当大小,然后对样品待观察面进行打磨和抛光,干燥后进行氩离子抛光和喷碳处理。采用配有X射线能谱仪的扫描电子显微镜(Carl Zeiss
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