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深究油页岩腐泥煤石煤 - 一个“化”字引发的思考 精选

已有 2644 次阅读 2023-2-6 23:16 |系统分类:科研笔记

页岩油的定义有问题?油气在哪儿有最富集?

        页岩油与油页岩如绕口令,腐泥煤,石煤是煤吗,也晕,这几年随着页岩气火了。今天在查腐泥煤的时候,居然查到了油页岩和腐泥煤有牵连,是亲戚?1987年全国矿产储量委员会所编写的《矿产工要求参考手册》,地质出版社,第83页出现了这样的定义,“油页岩是一种高灰分的可以燃烧的有机岩石(或称腐泥煤)”。我一下有点懵,以为我又双叒叕外行了?于是请教煤专家,落实此事。居然发现,这可能是一个错误,这可是被列为了国家标准了啊。原文如下:

图片1.png

图1 矿产工要求参考手册截图

        于是百度了一下,居然百度也是这么写的,在百度上搜索一下油页岩,在组成一栏这样写道:

        “油页岩又称为油母页岩,是在内陆湖海或滨海潟湖深水还原条件下,由低等植物和矿物质形成的一种腐泥物质,是高灰分的腐泥煤。”

        看其引文,原来来自另一个国家标准《矿井地质手册 地质·安全·资源卷》. 北京:煤炭工业出版社,2015.09,也是多位专家写的,第257页是这样的文字和百度的文字一样,说明百度没转述错。另外,在2003年出版的《沉积学》教科书P255也基本是这样写的"油页岩又称为油母页岩,是指主要由藻类及一部分低等生物的遗迹经腐泥化作用和煤化作用而形成的一种高灰分的低变质的腐泥煤"。

        于是,我有点怀疑人生了,想看看咋回事儿。有2个纳闷,一是油页岩是不是页岩,如果不是页岩,它是不是煤?因为作为煤的话,其碳含量是有一个下限的,即碳含量应至少大于50%(具体数字忘达);纳闷二,油页岩是经腐泥化作用就成了腐泥煤了?会不会是“腐泥化煤”被漏写了一个字“化”字成“腐泥煤”了,二者可是天壤之别。正确的定义应该是酱紫的:

        油页岩又称为油母页岩,是在内陆湖海或滨海潟湖深水还原条件下,由低等植物和矿物质形成的一种腐泥物质,是高灰分的腐泥化煤

        这就是由一个“化”字引发的思考。但这些国家标准没修改,导致后来的一些文献就将错就错了。

        如最新的黄建国(2022)所写的“西准噶尔额敏东缘晚泥盆世油页岩的发现及沉积环境浅析”一文,明确写明,“在成因上,油页岩的形成过程与腐泥煤基本相同”,这就不是笔误了,是真不明白,还引用了 BRAUCKMANN C(1993)的文献,说是这个文献里说的,我没细看,只是看他引用了此文献。

       带着两个疑问,一顿猛查,第一个问题,油页岩的有机碳含量,以前只关注页岩气和页岩油。松辽盆地青一段油页岩TOC大约1%-16%,多数为3-8%(唐佰强,2021),的确比普通的烃源岩高;柴北缘团鱼山地区中侏罗统石门沟组油页岩,TOC最高为29%(陈玲玲,2018),而与之共生的煤的TOC下限为48.9%, 29%至48.9%有个明显的间断,从这里可以看到,油页岩还是页岩,没特别之处,有机碳含量就是为最高29%还不能被定义为煤。

        另外,有一个概念“石煤“,在《能源矿产》P59有一个定义,称”石煤“,又称为石炭,银炭,砂炭,石板煤,煤岩,是赋存于泥盆纪以前的古老岩层中的固体可燃有机岩,未见木质结构,可见三叶虫,腕足,笔石等海相生物化石,可能主要由海生菌藻类在浅海,半深海或泥炭中形成的腐泥质煤。显然,石煤也是腐泥型,和腐泥煤一样,石煤只是加了个时间限制,泥盆纪之前的老腐泥煤,其形成环境相同。

        第二个问题,腐泥化作用后就成腐泥煤了?既然称腐泥煤,必然是腐泥质占主体,它是I型干酪根,而油页岩可以是III型干酪根,即腐殖型等多种类型,是不是酱紫的?再一通猛查,煤有三种类型,其中浅海型形成于浅海陆架,含腐泥煤层 (朱筱敏,2008),其腐泥质含量较高,和腐泥型油页岩相当;腐泥煤形成于湖泊、沼泽中的较深水部分的强还原环境,为低等藻类、浮游生物(肖贤明,1990),与油页岩、碳质页岩共生;腐泥煤也可形成于闭塞的浅海环境(郗兆栋,2016);早寒武世早-中期筇竹寺组页岩含多层海相藻煤,有机质类型为I、II1型,发育于浅海静水环境(陈志明,1989);山西省蒲县东河石炭二叠系藻煤(腐泥煤之一)中藻类体高达62%,按干酪根的显微组成划分公式可划分为II1型,与油页岩、腐殖煤互层,腐泥煤再细分为藻煤、烛藻煤、烛煤,腐泥质含量逐渐降低,腐殖质增加 (李太任,1993) ,腐殖质占比高时就变成了腐殖煤。结合国外的一些H/C,O/C数据做成范氏图解,如下图所示,从类型上看腐泥煤和烃源岩中的I型干酪根没有区别。湘西北慈页1井早寒武世牛蹄塘组富有机质页岩富含硅质和炭质,有机质类型为I型,TOC为3.57%,局部发育2~3层腐泥煤,发热量超过800kcal/kg(吴诗情, 2020)。

图14腐泥煤的类型jpg.jpg

图2 将腐泥煤组分投至干酪根类型范氏图上

        刘招君(2016)在文章里“中国陆相盆地油页岩成因类型及矿床特征”专门论述油页岩时,也提到了这些将油页岩当成腐泥煤的观点,他没否定这些,只是很严肃地提出了自已的观点,认为中国陆相盆地油页岩分为深湖腐泥型油页岩、 半深湖腐殖腐泥型油页岩和湖沼腐泥腐殖型油页岩 3 种成因类型。也就是说,油页岩也分为I型(腐泥型),II1型,II2型干酪根。漏说了一种?没纯腐殖型油页岩?再一通猛查,柴达木盆地团鱼山地区石门沟组油页岩和煤,居然均III型有机质,即油页岩也有腐殖型,如下图所示。  

图片2.png

图3  柴北缘团鱼山地区 IH—Tmax和S2—CTOC有机质类型判别

图中红圆园是油页岩,落在III型范围内  

        所以,将油页岩说成就是腐泥煤,或在成因上二者相同,显然存在问题。如果说,I型油页岩,和腐泥煤,具有相同的环境,这没人反对。

       此问题是不是问题,还需专家论证,毕竟是国家标准,或教科书,具有权威性。 

        另外,刘招君教授将油页岩按有机质类型分成三类是一大进步,但却少了第四种腐殖型油页岩?如柴北缘团鱼山III型油页岩;另外将类型与湖盆水深挂勾就没有太多依据了,是否是太绝对了?他虽然统计了我国二十多个湖盆的情况,但比较参数较少,重点是地化参数,认为代表藻类的湖泊生物来源的短链正构烷烃 ( nC13-20 ) 相对含量较高,因藻类就一定是深湖产生的,没有对有机质富集的部位进行深入分析。

        由他的分类引出本文的另一个话题,油气富集在哪儿?他代表主流观点,水体越深有机碳含量越高,也在国家标准和教材了。然鹅,但是,前述腐泥煤主要组分就是藻类,它是煤,水体不能太深,是在水体稍深一点的沼泽内产生的。如松辽盆地齐家古龙凹陷的青一段油页岩,是I型,腐泥型,厚层高TOC的页岩并未发育在盆地中心,而是盆地边缘,盆地边缘就有可能是沼泽或湖湾地貌较局限的环境;松南地区沙河子组及营城子组富有机质页岩均位于盆地边缘,并非越深TOC越高、类型越接近于I型(腐泥型),越浅TOC越低,III型(腐殖型),如图4所示。拜文华(2010)研究了二连盆地巴格毛德巴音戈壁组二段沉积相与油页岩厚度、含油率分布,如图5,可以看出,含油率最高的地方不在盆地中心,而在盆地东南边缘。由于此湖盆较小,故深湖-半深湖仍有一些油页岩,但单层厚度小,不具开采价值。

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图4 松辽盆地齐家古龙凹陷页岩发育与盆地位置关系

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图5 巴格毛德巴音戈壁组二段沉积相与油页岩厚度、含油率分布图

         在更早的时间,深湖富有机质已成共识、教材和标准,如刘官植(1959)认为深湖相是最富有机质的。1960年11月,在石油工业部召开的油气分布规律工作会上,肯定了深湖相生油的观点:“在振荡运动以沉降为主的、长期坳陷的内陆湖盆地的深水相到半深水相沉各区,是生油层形成和发育最有利的地事”。陕北延河区上三叠统,可能的生油岩系出现于盆地持续下降阶段,属浅湖及较深湖(赵霞飞,1962)。邓茨兰(1963)首次用化学资料来说明沉积环境,认为陆相湖盆最扩张时期较深湖相沉积,TOC高:良好的生油层,较深湖相或浅湖相,TOC=1%中等生油层,浅湖相,TOC=0.5%; 较差的生油层,滨湖沉积,TOC<0.3%。 中新生代陆相生油岩评价标准,认为深湖,较深湖TOC最高(锦言,1977),并提出了我国第一个中、新生代陆相生油岩评价标准: 图片1.png 图6 中新生代陆相生油岩评价标准

         济阳坳陷下第三系陆相沉积。凹陷中心有机质丰富,以水生生物为主,向缘高等植物增多(张曼秋,1979),黄第藩(1982,P108)认为深湖-半深湖是最好的烃源岩,并提出了我国第二版的陆相生油层评价标准:

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图7 陆相生油层评价表

        胡见义(1991,P194)与黄第藩合写的教材中提出了同样的观点,深湖半深湖相最好,并列出了一个清晰的评价表,算作我国第三版的生油岩评价标准:

图片3.png

        1994年冯增昭主编的《中国沉积学》P884强调湖泊湖水最深的地区称为沉积中心,如果沉积中心是深湖相分布区,则是生油中心,即生油凹陷。还有很多文献,在此不列举了,主要是受这张图的影响,于是就将深湖-半深湖的TOC推测得很高,成为惯性思维:

图片4.png微信截图_20230207070506.png

        提到腐泥煤,有朋友就自然想到石煤,于是再增加一个话题,第三个话题,石煤。

        1975年西安煤田地质研究所的一篇文章《陕南早古生代煤性质及成因的初步研究》里说,我国南方苏、川、陕、桂、浙等省区广泛分布的早古生代地层中,普遍含有腐泥无烟煤(俗称石煤)。灰分高,TOC55-75%,差一点的50%。这的确是煤。

        1982年煤炭部组织召开了“中国南方石煤资源综合考察”评审会,当时这么重视,至少说明这个石煤是可燃的,固定碳应>50%;

        1990年周浩达对下扬子早寒武石煤进行了深入研究,其TOC一般为50-55%, 在盆地边缘沉积,而向盆地中心为碳质泥岩,无木质结构组分。也可称之为藻煤。

        2014年矿产资源工业要求手册-地质出版社,P59有这样一个定义,“石煤,泥盆纪前的固体可燃有机岩,未见木质结构,有三叶虫、腕足类、笔石类等海相生物化石,高灰低发热量的腐泥质煤,固定碳含量一般10-40%,元素碳含量>90%”。

        对石煤的环境判断,需要分清,“未见木质结构”是亚根儿都没有木头;还是有木头,只是没见到而已。这两个是有重大区别的,因为早古生代是藻类发育的时代,裸子植物是二叠纪才有,被子植物是白垩纪才有。如果因为未见木质结构,就直接被判定为较深水环境,难道早古生代就没有沼泽?细思极恐。很多证据都说中上扬子龙马溪组海相页岩都是I型干酪根,它一定就是深水环境,值得再思考。

        总结,如下:

        (1)百度里的油页岩的定义是错的(可能),油页岩不是腐泥煤,顶多是腐泥化煤,但其热量只有煤的1/2-1/5,有点迁强。石煤与腐泥煤腐泥型(I型)油页岩具有相似的沉积环境。石煤与腐泥煤都可以燃烧;油页岩固定碳也低5-29%,可以是腐泥型,腐殖型及中间型多种类型,油页岩是页岩,不是腐泥煤

        (2)有机质并不是富集于深湖-半深湖,水体越深油气越丰富的主流认识需要再研究。

参考文献

BRAUCKMANN C, CHLUPáC I, FEIST R. Trilobite atthe Devonian - Carboniferous boundary[J]. Annales De La Société Géologique De Belgique, 1993, 115 (2):507 -518.   

松辽盆地东南隆起区上白垩统...岩有机碳含量预测及效果评价_唐佰强

柴达木盆地团鱼山地区石门沟组煤与油页岩沉积环境_陈玲玲  

中国陆相盆地油页岩成因类型及矿床特征_刘招君 

全国矿产储量委员会. 1987. 矿产工要求参考手册. 地质出版社: 83- 92  

李增学.《矿井地质手册 地质·安全·资源卷》. 北京:煤炭工业出版社,2015.09 :13-14 

西准噶尔额敏东缘晚泥盆世油页岩的发现及沉积环境浅析_黄建国

2010-拜文华-浅湖-半深湖相湖湾环境油页岩成矿富集机理研究 

1959-刘官植-松遼平原含油性的新资料   



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