泌阳凹陷和沾化凹陷是我国东部2个富烃凹陷,也是国内页岩油重点攻关地区。本文以泌阳凹陷核桃园组三段5号页岩层和沾化凹陷沙三下亚段页岩层为研究对象,根据岩心、测井、录井资料以及大量分析测试资料,运用沉积学、岩石学、地球化学等理论和技术方法,研究富有机质泥页岩岩石学特征,揭示泥页岩内矿物组成和有机质分布的非均质性特征。在此基础上探讨陆相断陷盆地富有机质页岩非均质性控制因素,进而总结陆相断陷湖盆富有机质泥页岩发育模式。通过本次研究,取得了以下主要研究进展和成果认识:1.揭示了两个典型地区富有机质泥页岩层形成背景和分布特征本文选择泌阳凹陷核三段5号页岩和沾化凹陷沙三下亚段泥页岩为重点解剖对象。其中,泌阳凹陷核桃园组三段5号泥页岩层有机碳含量为2.14%-4.96%,平均值为3.27%,深凹区丰度最高,有机质类型主要为Ⅰ和Ⅱ,为偏油型母质类型。沾化凹陷沙三下亚段有机碳含量为1.6%-9.1%,有机质类型主要为Ⅰ和Ⅱ。研究表明,泌阳凹陷和沾化凹陷富有机质页岩层均形成于断陷盆地中晚始新世强烈裂陷阶段,尽管这些断陷盆地广泛发育泥页岩层,但这些泥页岩层中有机质富集段形成通常具有以下特点:①发育于半深湖-深湖环境,②沉积于咸水-半咸水环境,③大多发育于湖扩体系域或高位体系域早期。2.总结了富有机质泥页岩层岩相的非均质性特征富有机质泥页岩层除发育陆源粗碎屑夹层外,通常纹层十分发育,如富有机质纹层、富碳酸盐纹层和粉砂纹层等。有机质富集的泥页岩的岩相大多位于富灰质区和过渡区,主要岩相为低硅低粘土钙质页岩、中硅中粘土钙质页岩。但不同体系域岩性相具有较大差异,湖扩体系域到高位体系域岩性相从富灰向富硅和富粘土变化,这种变化说明在底部蒸发作用强烈,灰质泥页岩为主,向上水体加深,蒸发作用减弱,至高位体系域时期陆源碎屑供给增强,粘土质泥页岩或粉砂质泥页岩明显增多。3.查明了典型断陷盆地富有机质泥页岩矿物组成成分的非均质性陆相断陷湖盆富有机质泥页岩层中粘土矿物类型主要为伊蒙混层、伊利石、高岭石和绿泥石以及蒙脱石,其中伊蒙混层和伊利石占粘土矿物总量的比例最大,绿泥石、高岭石含量极低。脆性矿物总体含量均较高,其中石英矿物含量最高,其次为钠长石,方解石和白云石含量次之。不同体系域泥页岩中矿物组成具有明显差异,其中粘土矿物含量在湖扩体系域含量要稍低于高位体系域含量,脆性矿物含量在湖扩体系域含量也明显低于高位体系域含量。与海相页岩层相比,陆相富有机质泥页岩层具有脆性矿物含量高,一般70%以上,脆性指数高的特点。4.揭示了层序格架下有机质分布非均质性和有机相差异泥页岩中有机质分布与岩性密切相关,灰质页岩中有机碳含量偏高、粘土质页岩有机碳含量次之,硅质含量高的岩相有机碳最低;有机质分布还与体系域位置相关,湖扩体系域和高位体系域早期有机质含量明显高于低位体系域和高位体系域晚期。富有机质泥页岩层识别出3类有机相类型,即藻源相、壳源相和混源相,其中藻源相还可进一步细分为藻亚相和藻泥亚相。同样,这些有机相展布与体系域位置密切相关,湖扩早期主要发育壳源相,湖扩晚期到高位早期主要发育藻源相,高位晚期主要发育混源相。在湖扩体系域不同准层序或准层序组通常见到藻亚相和藻泥亚相互层。5.查明了典型断陷盆地富有机质页岩非均质性的控制因素1)页岩岩相非均质性的控制因素:泥页岩岩相非均质性既包括宏观非均质性,也包括微观非均质性。宏观非均质性体现在沉积物粒度、结构构造、岩性、纹层及其组合的变化;微观非均质性主要体现在有机碳含量、显微组分、矿物含量、矿物颗粒排列方式、地化指标的差异性。泥页岩的岩相非均质性首先受控于背景环境,包括古构造、古气候及沉积环境,其次受控于物源供给、湖平面变化,此外,后期成岩作用也会对泥页岩的岩相非均质性产生一定影响。中国东部断陷盆地富有机质泥页岩层-主要烃源岩均发育于中晚始新世强烈裂陷阶段和干旱-湿热气候条件,这是富有机质泥页岩层形成的一级控制因素。2)页岩有机质非均质性的控制因素:泥页岩中有机质富集程度既与背景环境(古气候、古盐度)、古生产力有关,还与保存条件(特别是氧化还原条件)有关。泌阳凹陷5号页岩层分析揭示了自下而上随着湖平面上升,水体由咸水向半咸水或淡水的转变,而温暖潮湿气候下藻类渤发对应的高生产力水平和干旱炎热气候下咸化水体的盐度分层是5号页岩层有机质富集的关键。沾化凹陷沙三下泥页岩层形成于窄而深湖盆,有机质含量同样与湖平面变化有关,从湖扩体系域到高位体系域水体淡化、陆源碎屑供给增强,导致了较高TOC含量分布于湖扩体系域晚期和高位体系域早期。6.总结了两个典型断陷盆地富有机质页岩形成模式泌阳凹陷核三段5号页岩和沾化凹陷沙三下亚段泥页岩有机质富集模式略有差异。泌阳凹陷核三段5号页岩有机质富集具有以下特点,5号页岩层形成湖扩体系域,湖扩体系域早期为咸水环境,湖泊水体盐度高,适合有机质保存,至湖扩体系域晚期随着湖平面上升,水体加深,水体淡化,导致湖扩体系域早期TOC含量好于湖扩体系域晚期,随着湖平面进一步上升,渐变为淡水弱氧化-氧化环境,有机质含量极低。整个三级层序代表了从咸水-淡水的浅水-半深湖环境。沾化凹陷沙三下亚段泥页岩有机质富集具有以下特点,湖扩体系域早期为咸水环境,以干旱气候为主,湖泊水体盐度高,水体较低,不适合有机质保存,TOC含量低,至湖扩体系域晚期及高位体系域早期,湖水加深,高古生产力及盐水分层,导致该时期TOC含量最高,高位体系域晚期随着陆源碎屑增多,有机质含量减少,TOC含量降低。整个三级层序代表了从咸水-半咸水的浅水-深湖环境,整体有机质含量较高,且以湖扩体系域晚期及高位体系域早期为TOC含量最高。