Oil and gas resources of shale formation orderly accumulation and coexistence as well as its prospecting significance: A case study of Chang 7 shale formation in Ordos Basin
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摘要:
页岩层系内的非常规油气已成为全球油气勘探开发的热点，这些资源的形成与富有机质页岩密切相关，形成演化有序、空间分布上共生。目前的研究通常按非常规油气类型单独进行，尚未从页岩层系整体角度考虑各类油气资源的分布规律。在大量调研国内外页岩层系油气资源分布规律的基础上，提出页岩层系油气资源有序共生，并以鄂尔多斯盆地长7页岩系为例进行解剖，按照成熟度阶段、埋藏深度和有机质丰度，将长7页岩层系油气资源分成露头-浅埋藏油页岩区、中等成熟-中等埋深压裂页岩油区、中等成熟-中等埋深原位改质页岩油区、高成熟度-深埋页岩气区和紧邻-夹层致密砂岩油五大区域。基于页岩系统油气资源有序共生关系，提出页岩层系油气资源立体勘探开发的观点，以期对页岩层系非常规油气资源有效利用提供新思路。
Abstract:Shale system contains abundant unconventional oil and gas resources and has become a hot area of exploration and production. This system includes such resources as shale oil and gas, tight oil and gas, and oil shale. These unconventional resources are related to the organic-rich shale and are in orderly accumulation along with the maturity and coexistence in space. However, there is a blank in the systematic study of unconventional resources. Based on the shale system, the authors studied the world's oil and gas resources distribution and put forward the argument of the shale oil and gas resources orderly accumulation and coexistence in the shale system. Taking Chang 7 shale formation of Ordos basin system as an example, the authors used the shale oil and gas resources orderly accumulation method and divided the Chang 7 shale system resources into outcrop oil shale, moderate buried depth fracturing shale oil, moderate buried depth ICP shale oil, large buried depth shale gas and tight oil areas. Based on this understanding, the authors suggest stereoscopic exploration and development in the shale system, which will provide guidance for oil and gas resources exploration and development in the shale system.
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研究区位于大兴安岭火山喷发带北段西部，夹持于北侧的蒙古-鄂霍茨克缝合带与南侧的得尔布干断裂之间[1]。古生代—中新生代，依次经历了古亚洲洋构造域、蒙古-鄂霍茨克构造域和太平洋构造域的演化与多重影响[2-8]，地质构造较复杂。大兴安岭北部地区中生代火山岩大面积分布，主要为中侏罗世—早白垩世火山岩，早侏罗世火山岩较少。大兴安岭北段基本无早侏罗世火山岩的认识也为大多数地质工作者所接受。近年来通过区域地质调查工作的开展，在该段见有早侏罗世火山岩的报道[9]，在大兴安岭北段新林北西部战备村幅新建有下侏罗统战备村组（J1z），为一套浅灰色、灰白色流纹质火山碎屑岩、流纹质火山熔岩、碎屑熔岩夹少量火山沉凝灰岩。笔者[10]在大兴安岭北段西部乌音呼日乐庙等四幅区调中发现一套早侏罗世火山岩（图 1），通过地质调查综合研究，证实该套地层的岩石组合、同位素年龄及上、下层位关系均不同于大兴安岭北部以往任何地层单位，与大兴安岭中段下侏罗统柴河组（J1c）可对比，因此首次将柴河组引入本区。
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Qhal—一级阶地冲积物；Qheld—残坡积物；K1d—大磨拐河组；J3m—满克头鄂博组一段；J1c—柴河组；1—次粗安岩；2—石英脉；3—流纹岩脉；4—火山口位置；5—植物化石及碎片；6—不整合接触；7—地层产状；8—性质不明断层；9—正断层；10—测年样品点位；11—剖面。F1—鄂霍茨克缝合带；F2—得尔布干断裂带；F3—贺根山缝合带；F4—佳木斯伊通断裂；F5—敦化密山断裂Figure 1. The tectonic location (a, b) and geological sketch map(c) of the studied area1. 地层沿革及创名
《东北地区区域地层表》黑龙江省分册[12]将柴河组的时代归入早侏罗世，取名“查依河组”。1990年朱洪森等在完成一二五公里幅和索伦军马场幅1：20万区调时，鉴于“查伊河”系“柴河”音译之误，地形图上已统一使用柴河一名，为便于今后地质找矿工作的应用，将“查伊河组”改为柴河组，时代置于早侏罗世②。《内蒙古自治区岩石地层》 [13]将其划归为红旗组，描述为“下部以灰白色砾岩夹薄层砂岩为主；上部为砂岩、粉砂岩、泥岩及数层煤层。1：5万河源幅③工作恢复柴河组这一地质填图单位，但层序与1：20万一二五公里幅完全相反，下部为一套灰黑色单成分砾岩夹砂岩，砾石主要由石英砂岩、长石石英砂岩组成；中部为灰黑色砾岩、泥质粉砂岩组成，其内经鉴定含有植物化石。该植物群在中国北方中侏罗世以后极少见，时代可能为晚三叠世—早侏罗世。上部为砾岩、细砾岩、细砂岩与安山岩、球粒流纹岩互层，与上覆白音高老组角度不整合接触，与白垩纪钾长花岗斑岩侵入接触（图 2）。典型剖面（柴河镇西蘑阿公路北山柴河组剖面，起点位置：x=363829.20，y=5274305.90，h= 862.60）特征描述如下。
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图 2 大兴安岭中段柴河镇西山柴河组实测剖面③1—杏仁角闪安山岩；2—流纹岩；3—球粒流纹岩；4—正长花岗斑岩；5—砾岩；6—复成分细砾岩；7—复成分砂砾岩；8—变质石英细砂岩；9—变质长石细砂岩；10—变质粉砂质泥岩；11—白垩纪钾长花岗斑岩；12—同位素采样点；13—植物化石；Figure 2. Geological section of Chaihe Formation in Xishan area, Chaihe Citytown, Central Daxing' anling Range上覆：下白垩统白音高老组（K1b）
~~~~~~~~~~~~~角度不整合~~~~~~~~~~~
柴河组(T3⌢c) ＞333m
10.黄绿色变质石英细砂岩 20.90m
9.灰黑色变质复成分细砾岩 8.20m
8.灰白色球粒流纹岩 4.1m
7.黄绿色变质粉砂质泥岩 1.30m
6.杏仁角闪安山岩 7.10m
5.黄绿色浅变质复成分砂砾岩 16.90m
4.泥质粉砂岩，含植物化石Pterophyllum sp., Ctenis sp., Perophyllum sp., Cladophlebis sp., Phenicopsis sp., Pitypphyllum sp., Neocalamites sp., Clenis sp. 7.7m
3.灰黑色砾岩 127.50m
2.黄绿色变质长石细砂岩，碎屑锆石U-Pb同位素年龄为227.1~2079.3Ma 40.8m
1.灰黑色砾岩 88.5m
——————未见底——————
2. 岩石学
2.1 岩石组合特征及地层层序
在研究区内柴河组分布面积不大，呈近椭圆形的不规则状出露，分布面积约15km2（图 1），向北侧仍有延伸。岩性组合为灰色、灰紫色多斑状粗安岩、角砾状粗安岩、安山岩、英安岩，底部为绿灰色、灰褐色含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、沉凝灰岩、英安质火山角砾岩。粗安岩大多为斑状、多斑状结构，斑晶具有长石斑晶较大、含量较多的特点，长石斑晶普遍为2~6mm，大者可达8~10mm，风化面上呈板柱状、长柱状，岩石具有块状构造，局部杏仁状构造发育。与上侏罗统满克头鄂博组、大磨拐河组角度不整合接触。
研究区内该组地层由PM4剖面（内蒙古新巴尔虎右旗吞特果尔查干下侏罗统柴河组剖面）控制（图 3），剖面描述如下。
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图 3 大兴安岭北段新巴尔虎右旗吞特果尔查干柴河组实测剖面（PM4）1—粗安岩；2—辉石粗安岩；3—角砾状粗安岩；4—粗安质含集块角砾熔岩；5—少斑状安山岩；6—角砾状少斑安山岩；7—英安岩；8—英安质火山角砾岩；9—含砾砂岩；10—粗砂岩；11—粉砂岩；12—沉凝灰岩；13—次粗安岩；14—斜长流纹岩脉；15—正断层；16—同位素；17—植物化石。J1c—柴河组；K1d—大磨拐河组Figure 3. Geological section of Chaihe Formation in Tunteguoerchagan area, Xin Barag Right Banner, the northern Daxing' anling RangePM4剖面位于1：5万乌音呼日乐庙幅北东部，起点坐标x：20474989.96、y：5392165.88。上侏罗统满克头鄂博组、下白垩统大磨拐河组呈角度不整合覆盖在柴河组之上。控制厚度1122.50m。层序特征如下。
——————未见顶——————
16.紫红色粗安质含集块角砾熔岩 15.70m
15.灰紫色少斑状安山岩 58.00m
14.灰紫色角砾状少斑安山岩 15.40m
13.灰紫色多斑状粗安岩（斜长流纹岩脉侵入） 94.90m
12.灰紫色角砾状粗安岩（SHRIMP锆石U-Pb同位素年龄为183.8±3.9Ma） 109.50m
11.灰紫色粗安岩（次粗安岩侵入） 145.90m
10.灰紫色多斑粗安岩 130.10m
9.灰紫色少斑状安山岩 96.40m
8.紫灰色多斑状粗安岩（次粗安岩侵入） 180.20m
7.浅灰色英安岩 49.40m
6.紫灰色多斑状辉石粗安岩 87.70m
5.浅灰色英安质火山角砾岩 13.62m
4.浅灰色沉凝灰岩 45.59m
3.灰色、灰褐色粉砂岩、细砂岩、板岩互层产出（断层发育），产植物化石Podozamites sp.（苏铁衫属）、Equisetites sp.（似木贼属） 23.79m
2.绿灰色粗砂岩 33.85m
1.绿灰色含砾砂岩 ＞23.58m
————————未见底————————
剖面岩性组合下部为绿灰色、灰色含砾砂岩、粗砂岩、粉砂岩及沉凝灰岩，上部为紫灰色、灰紫色多斑状辉石粗安岩、多斑状粗安岩、角砾状粗安岩、少斑状安山岩、英安岩、粗安质含集块角砾熔岩及英安质火山角砾岩。下部碎屑岩层理较发育，堆积的总趋势是由下至上粒度变细，碎屑的成分复杂多样，粒径较大的砾石一般磨圆度较差，为快速堆积的产物。化石保存不佳，只在下部粉砂岩中采到有鉴定意义的化石，而粗碎屑岩中，多见植物叶片、茎杆等保存不完整、无鉴定意义的化石碎片，在柴河组的细砂岩、粉砂岩中发现有植物化石，可鉴定的有Podozamites sp.（苏铁衫属）（图版Ⅰ-a）、Equisetites sp.（似木贼属）（图版Ⅰ-b）。岩石特征和古生物特点反映的沉积环境应该是内陆湖盆环境沉积。柴河组主体以火山岩为主，具有5个火山喷发韵律，划分原则为火山喷发沉积作用-爆发作用-喷溢作用-溢流作用。第一韵律为4~11层：火山喷发沉积相-爆发相-溢流相；第二韵律为12~13层：喷溢相-溢流相；第三韵律为14~15层：喷溢相-溢流相；第四韵律为16层：喷溢相。通过各韵律及层厚说明，火山喷发早期第一韵律以大规模溢流相为主，以喷发沉积相开始，溢流相结束，为较完整的喷发韵律，火山喷发有规律性，此为一反韵律，说明火山喷发较连续、平静，早期火山爆发均发生一定时间的间断，出现火山碎屑沉积相，早期火山活动则经历较长时间的沉积间断，堆积较厚的沉凝灰岩-粉砂岩等，说明早期火山活动较弱。第二、三、四韵律均以喷溢相开始，溢流相结束，火山喷发有规律性，未见沉积相，说明后期火山喷发的时间间隔较短，火山活动较剧烈。岩石特征和古生物、火山活动特点所反映的沉积环境应该是内陆湖盆环境沉积，并伴随较大规模的火山喷溢和溢流活动。
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图版Ⅰa.柴河组Podozamites sp.（苏铁衫属）叶的断片；b. Equisetites sp. (似木贼属)茎上有节，肋和沟；c.灰色、灰褐色粉砂岩、细砂岩、板岩互层产出；d.粗安岩斑晶粗大；e.粗安岩正交偏光微观特征；f.辉石粗安岩正交偏光微观特征。Pl—斜长石；Cpx—单斜辉石图版Ⅰ.该组在研究区被中侏罗统塔木兰沟组、上侏罗统满克头鄂博组及下白垩统大磨拐河组角度不整合覆盖，未见与其他地质体直接接触。
2.2 岩石学特征
柴河组沉积岩为以陆源为主的碎屑岩，包括砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、粉砂质板岩等（图版Ⅰ-c）。火山岩主体为粗安岩，次为安山岩、英安岩。
粗安岩岩石多为灰色、灰紫色、暗紫色，斑晶较多、较大，斑晶主要为斜长石，含量为5%~ 40%（图版Ⅰ-d），大小普遍在2~6mm之间，大者可达8~10mm，具板柱状、长柱状结构，块状构造，局部杏仁状构造较发育。根据斑晶矿物岩性，可细分为粗安岩（图版Ⅰ-e）和辉石粗安岩（图版Ⅰ-f）。
其中，辉石粗安岩为多斑结构，基质微晶结构，块状构造。斑晶主要为单斜辉石和斜长石。其中，单斜辉石呈无色正中高突起，柱状，大小为0.3~1.2mm，最高干涉色达二级蓝，可能是普通辉石，含量为2%；斜长石呈板柱状，大小为0.2~ 4mm，部分具绢云母化，部分具麻点结构或环边麻点结构，含量为40%。基质中斜长石微晶针柱状，大小为0.1~0.3mm，杂乱分布，其间隙分布少量隐晶质和小于0.05mm的金属矿物（10%），含量为58%（图版Ⅰ-f）。
3. 测试方法
本次选取的测年样品采自柴河组剖面PM4（图 3），地理坐标为北纬48°39′23″、东经116°40′57″。采集的样品在河北省廊坊峰泽源岩矿检测技术实验室采用常规方法进行粉碎，并用强磁选和电磁选方法进行分选，在双目镜下挑选出晶形较好、无明显裂痕和包体的锆石颗粒。锆石制靶、透射光、反射光及阴极发光（CL）图像采集、样品定年测试在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心完成，测试仪器为SHRIMP（Sensitive High Resolution Ion MicroProbe）仪，具体分析测试方法见宋彪[14]。
样品主量元素分析在内蒙古自治区第十地质矿产勘查开发院完成，分析使用GGX-610原子吸收分光光度计、T6新悦可见光分光光度计及SRJX8-13箱式电阻炉，各项相对偏差及相对偏差允许限符合《地质矿产实验室测试质量管理规范》。微量和稀土元素分析测试在华北有色地质勘查局燕郊中心实验室完成，采用Thermo ICP-6000电感耦合等离子体光谱仪（ICP-AES）完成，微量和稀土元素分析结果在检出限3倍以内时，相对标准偏差小于等于40%，在检出限3倍以上时，相对标准偏差小于等于25%。锆石Hf同位素分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室Neptune Plus多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）上完成，激光剥蚀光束斑直径为32μm，具体分析测试方法见Wu等[15]，用蓬莱锆石作为标样，检测其测试结果。
4. 测试结果
4.1 主量元素
由柴河组火山岩代表性样品的主量元素分析结果(表 1)可知，柴河组火山岩的SiO2含量为53.76.54%~61.76%，平均值为57.58%，总体为中性火山岩；Al2O3含量为16.10%~17.53%，平均值为16.68%，Fe2O3含量为3.88%~8.61%，平均值为5.70%，FeO含量为1.56%~3.05%，平均值为2.23%，MgO含量为1.56%~3.99%，平均值为3.02%。K2O+Na2O含量为5.65%~8.95%，平均值为6.71%，整体偏高。显示出柴河期火山岩具有富硅碱、贫铁镁的特点。根据火山岩TAS分类图解（图 4-a），柴河组火山岩属于钙碱性系列，岩性为粗安岩和少量玄武粗安岩。在硅碱图解（SiO2-K2O）（图 4-b）中，柴河组火山岩主要集中于高钾钙碱性系列。
表 1 柴河组火山岩主量元素含量及有关参数Table 1. Content and parameter ratio of major elements of volcanic rocks in Chaihe Formation样号 岩性 氧化物含量/% CIPW标准矿物 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 烧失量 总计 Q An Ab Or C Hy Il Mt Ap SI DI AR σ43 A/CNK R1 R2 A/MF C/MF D1039-1 粗安岩 54.54 1.37 17 5.11 3.05 0.11 3.77 6.59 3.65 2.16 0.39 1.85 99.59 23.4 30.33 4.16 12.84 2.83 12.83 2.62 5.08 0.91 21.45 40.4 1.65 2.88 0.836 1594 1233 0.83 0.59 D1208-1 粗安岩 54.68 1.37 16.8 6.23 2.19 0.09 3.99 4.83 5.02 1.85 0.34 2.36 99.75 25.26 21.86 8.53 10.99 5.21 12.89 2.62 5.49 0.79 20.96 44.78 1.93 3.98 0.882 1182 1050 0.79 0.42 PM4-20 次粗安岩 57.47 1.32 16.1 5.63 2.1 0.07 2.96 2.74 6.09 0.65 0.48 4.05 99.66 45.38 10.53 0 3.87 11.65 9.64 2.53 5.25 1.12 17.18 49.25 2.11 3.1 1.025 1290 761 0.91 0.28 PM4-44 粗安岩 61.58 1.12 16.46 4.4 1.59 0.07 1.56 1.7 5.15 3.8 0.33 1.89 99.65 30.68 6.31 16.33 22.57 6.92 4.59 2.14 4.58 0.77 9.53 69.58 2.94 4.28 1.05 1208 585 1.39 0.26 PM4-57 粗安岩 59.24 0.99 16.57 3.88 2.4 0.09 2.81 5.36 3.53 2.51 0.38 1.75 99.51 31.04 24.26 4.59 14.93 4.16 9.36 1.89 4.15 0.89 18.7 50.56 1.76 2.22 0.907 1928 1045 1.07 0.63 BK03-3 粗安岩 61.76 1.37 16.29 6.05 1.56 0.14 1.69 2.47 4.27 2.67 0.53 1.08 99.88 30.46 8.82 20.42 15.84 6.25 6.2 2.61 5.22 1.23 10.57 66.72 2.17 2.55 1.131 1750 670 1.15 0.32 BK03-5 粗安岩 53.76 1.69 17.53 8.61 2.75 0.06 2.62 5.38 3.95 1.7 0.45 1.47 99.97 22.64 23.86 12.06 10.09 4.67 11.61 3.22 6.79 1.05 13.62 44.79 1.65 2.93 0.967 1452 1054 0.81 0.45 平均值 57.58 1.32 16.68 5.70 2.23 0.09 2.77 4.15 4.52 2.19 0.41 2.06 99.72 29.84 18.00 9.44 13.02 5.96 9.59 2.52 5.22 0.97 16.00 52.30 2.03 3.13 0.97 1486 914 0.99 0.42 ![]()
图 4 柴河组火山岩TAS分类图解(a)和SiO2-K2O图解(b)01—玄武安山岩；02—安山岩；03—英安岩；S1—粗面玄武岩；S2—玄武粗安岩；S3—粗安岩；T—粗面岩、粗面英安岩；R—流纹岩；Pc—苦橄玄武岩；B—玄武岩；U1—碱玄岩/碧玄岩；U2—响岩质碱玄岩；U3—碱玄质响岩；Ph—响岩；F—副长岩Figure 4. TAS classification(a) and SiO2-K2O diagrams (b) of volcanic rocks in Chaihe Formation4.2 稀土元素
稀土元素含量及参数特征见表 2。稀土元素总量（ΣREE）为131.17×10-6~274.6×10-6，平均值为204.11 × 10-6，为较高丰度型；LREE/HREE值为8.87~15.89，稀土元素配分曲线右倾（图 5-a），斜率略大，属轻稀土元素富集型；δEu值为0.60~0.92，配分曲线个别样品的Eu略呈“谷”状，显示负Eu异常。上述特征显示，岩浆经历的结晶分离作用较弱。
表 2 柴河组火山岩稀土元素含量及有关参数Table 2. Content and parameter ratio of REE of volcanic rocks in Chaihe Formation样号 岩性 稀土元素含量/10-6 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y D1039-1 粗安岩 25.5 54.5 7.01 31 6.16 1.59 5.12 0.73 3.53 0.63 1.76 0.24 1.49 0.21 16.1 D1208-1 粗安岩 22.1 48.1 6.19 27.1 5.15 1.5 4.66 0.62 3.12 0.55 1.37 0.19 1.16 0.16 13.1 PM4-20 次粗安岩 33.7 70.6 8.95 38.6 6.72 1.81 6.35 0.89 4.38 0.82 2.14 0.29 1.81 0.27 20.7 PM4-44 粗安岩 46.9 107 12.2 51 9.87 1.76 7.68 1.1 5.45 0.96 2.63 0.38 2.47 0.35 24.8 PM4-57 粗安岩 44.3 88.4 10.2 40 6.44 1.66 5.07 0.7 2.98 0.5 1.31 0.19 1.11 0.16 12.5 BK03-3 粗安岩 61.4 112 15.8 62.5 11.2 2.02 9 1.23 6.28 1.12 3.07 0.44 2.93 0.44 29.4 BK03-5 粗安岩 21.4 46.7 5.63 24.6 5.02 1.41 4.26 0.59 3.11 0.56 1.52 0.21 1.36 0.2 14.6 平均值 36.47 75.33 9.43 39.26 7.22 1.68 6.02 0.84 4.12 0.73 1.97 0.28 1.76 0.26 18.74 样号 岩性 ∑REE LREE HREE LR/HR δEu （La/Yb）N （Ce/Yb）N （La/Sm）N （Gd/Yb）N Sm/Nd D1039-1 粗安岩 155.57 125.76 13.71 9.17 0.84 11.54 9.46 2.60 2.77 0.20 D1208-1 粗安岩 135.07 110.14 11.83 9.31 0.92 12.84 10.73 2.70 3.24 0.19 PM4-20 次粗安岩 198.03 160.38 16.95 9.46 0.84 12.55 10.09 3.15 2.83 0.17 PM4-44 粗安岩 274.55 228.73 21.02 10.88 0.60 12.80 11.21 2.99 2.51 0.19 PM4-57 粗安岩 215.52 191.00 12.02 15.89 0.86 26.91 20.60 4.33 3.69 0.16 BK03-3 粗安岩 318.83 264.92 24.51 10.81 0.60 14.13 9.89 3.45 2.48 0.18 BK03-5 粗安岩 131.17 104.76 11.81 8.87 0.91 10.61 8.88 2.68 2.53 0.20 平均值 204.11 169.38 15.98 10.63 0.80 14.48 11.55 3.13 2.86 0.18 ![]()
图 5 柴河组火山岩稀土元素标准化配分图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)Figure 5. Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace elements diagrams (b) of volcanic rocks of Chaihe Formation4.3 微量元素
微量元素分析结果见表 3，各岩石样品的蛛网图型式基本一致，反映岩石的母岩浆应该具有同源性（图 5-b）。岩石样品低Sr、Ba，富集Rb、U等大离子亲石元素及Th，亏损高场强元素Nb。
表 3 柴河组火山岩微量元素含量Table 3. Content and parameter ratio of trace elements of volcanic rocks in Chaihe Formation10-6 样号 岩性 Rb Sr Ba Nb Ta Zr Hf Th Cr Co Ni Li Sc U Ti K/10-2 Rb/
SrBa/
SrNb/
TaZr/Hf Th/
UD1039-1 粗安岩 40.5 771 525 6.96 0.5 164 3.61 5.08 121 26 43.5 20.2 13.6 1.27 8223 2.02 0.05 0.68 13.92 45.43 4 D1208-1 粗安岩 35.3 863 598 6.08 0.45 161 3.65 4.18 139 23.6 41.3 26.2 14.3 1.07 7831 1.66 0.04 0.69 13.51 44.11 3.91 PM4-20 次粗安岩 23 583 244 8.66 0.63 240 6.68 7.08 93.5 23.7 34.3 36.4 10.9 1.86 7806 0.7 0.04 0.42 13.75 35.93 3.81 PM4-44 粗安岩 109 536 407 15.5 1.22 430 12.9 17.1 93 14.4 18.6 19.3 9.72 4.83 6983 3.62 0.2 0.76 12.7 33.33 3.54 PM4-57 粗安岩 51.9 747 539 11.2 0.72 281 6.23 6.85 128 19.9 31.5 28.2 11.3 1.48 6038 2.44 0.07 0.72 15.56 45.1 4.63 BK03-3 粗安岩 125 574 452 16.2 1.46 422 12.2 23.2 14.6 10.2 9.22 13.6 9.46 6.74 6910 3.12 0.22 0.79 11.1 34.59 3.44 BK03-5 粗安岩 49.5 974 465 5.22 0.58 152 8.56 6.26 45.2 23 27.7 18.2 13.5 1.34 7125 2.12 0.05 0.48 9 17.76 4.67 平均值 62.03 721 461 9.97 0.79 264 7.69 9.96 90.61 20.11 29.45 23.16 11.83 2.66 7274 2.24 0.10 0.65 12.79 36.61 4.00 4.4 SHRIMP锆石U-Pb年龄
对样品进行锆石U-Pb同位素分析。样品锆石CL图像显示，锆石颗粒晶形较好，具岩浆成因的振荡生长环带结构（图 6），为岩浆成因锆石。
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图 6 柴河组粗安岩锆石阴极发光（CL）图像和测点号Figure 6. CL images of zircon and serial number of measuring points of trachyandensite in Chaihe FormationPM4-44样品采自实测剖面PM4露头较好处，岩相学鉴定为角砾状粗安岩，地球化学成分为粗安岩。7个锆石测点均位于U-Pb谐和线上，206Pb/238U年龄加权平均值为183.8±3.9Ma（MSWD=1.16），代表岩浆结晶年龄（图 7；表 4）。另取自该期次粗安岩的年龄为178.3±2.7Ma。
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图 7 柴河组粗安岩锆石U-Pb谐和图Figure 7. Zircon U-Pb concordia plot of trachyandensite in Chaihe Formation表 4 下侏罗统柴河组粗安岩（PM4-44）SHRIMP锆石U-Th-Pb同位素测定结果Table 4. SHRIMP zircon U-Th-Pb isotopesanalyses of trachyandensite in Chaihe Formation of Lower Jurassic点号 元素含量 232Th/
238U同位素比值 同位素年龄/Ma 206Pbc/% U/10-6 206pb/10-6 Th/10-6 207Pb/206Pb* 1σ 207Pb*/235U 1σ 206Pb*/238U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 误差/% 1 4.21 161 4.7 87 0.56 0.044 26 0.196 27 0.0325 3.4 206.5 6.9 -126 650 264 2 0.37 286 6.86 165 0.60 0.0496 2.8 0.1898 3.9 0.02776 2.8 176.5 4.9 176 64 0 3 1.59 43 0.946 28 0.66 0.0487 15 0.169 16 0.02521 3.2 160.5 5.1 132 360 -21 4 0.52 248 6.2 155 0.64 0.0533 6.1 0.213 6.7 0.02896 2.8 184.0 5.1 341 140 46 5 0.87 220 5.71 126 0.59 0.0465 5.6 0.192 6.3 0.02989 2.8 189.8 5.3 24 130 -675 6 0.45 301 7.69 199 0.68 0.0496 4.6 0.202 5.4 0.02959 2.8 188 5.2 178 110 -6 7 -- 227 5.78 136 0.62 0.0523 2.5 0.2143 3.8 0.02972 2.8 188.8 5.2 298 57 37 8 1.00 318 7.68 204 0.66 0.0471 9.9 0.181 10 0.02784 2.8 177.0 5.0 53 240 -235 9 1.81 530 13.5 391 0.76 0.0474 7 0.19 7.5 0.02903 2.8 184.5 5.1 70 170 -165 注：Pbc为普通铅；Pb*为放射性铅 4.5 Hf同位素
早侏罗世柴河组火山岩为钾质钙碱性系列，是伸展环境的印证。柴河组粗安岩（PM4-44）的锆石Hf同位素显示，其εHf(t)值为+9.7~+11.4，其Hf同位素的二阶段模式年龄TDM2为495~612Ma（图 8；表 5），初始176Hf/177Hf值分布于0.282935~0.282991之间。这些数据说明，火山岩的原始岩浆来自新生中下地壳的部分熔融，也被得尔布干成矿带出露有新元古代的岩石所证实[16]。
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图 8 柴河组粗安岩锆石t-εHf(t)图解Figure 8. The zircon t-εHf(t) diagram of trachyandensite in Chaihe Formation表 5 柴河组粗安岩锆石Hf同位素分析结果Table 5. Magmatic zircon Hf isotope data of trachyandesite in Chaihe Formation点号 t/Ma 176Yb/177Hf 176Lu/177Hf 176Hf/177Hf 176Hf/177Hf(cm) 2σ εHf(0) εHf(t) 2σ TDM1/Ma TDM2/Ma fLu/Hf PM4-44-2 176.5 0.049360 0.001730 0.282991 0.282989 0.000008 7.7 11.4 0.27 379 495 -0.95 PM4-44-4 184 0.045065 0.001596 0.282957 0.282955 0.000014 6.5 10.3 0.49 428 569 -0.95 PM4-44-5 189.8 0.043504 0.001556 0.282945 0.282943 0.000009 6.0 10.0 0.32 444 592 -0.95 PM4-44-6 188 0.046250 0.001714 0.282963 0.282961 0.000008 6.7 10.6 0.28 420 553 -0.95 PM4-44-7 188.8 0.035605 0.001276 0.282935 0.282933 0.000007 5.7 9.7 0.27 455 612 -0.96 PM4-44-8 177 0.051378 0.001896 0.282975 0.282973 0.000010 7.1 10.8 0.34 405 534 -0.94 PM4-44-9 184.5 0.051587 0.001880 0.282944 0.282942 0.000007 6.0 9.8 0.26 450 599 -0.94 注：测试单位为中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室 5. 讨论
5.1 形成时限
在1990年索伦军马场地区1：20万资料②中，柴河组时代为早侏罗世，在岩石地层清理中，由于资料少，考虑其分布局限，区域上没有可填图性，将沉积岩归属为红旗组，火山岩归属至塔木兰沟组。
2011年河源幅1：5万区调③和2013年1：25万柴河镇幅④区调将柴河组时代又厘定为晚三叠世，主要依据下部地层中含植物化石为侧羽叶，Pterophyllum sp; 蓖羽叶，Ctenis sp; 侧羽叶，Perophyllum sp.，枝脉蕨，Cladophlebis sp.，Phenicopsis sp; 松型叶，Pitypphyllum sp.，新芦木，Neocalamites sp.，蓖羽叶，Clenis sp，该植物群在中国北方中侏罗世以后极少见，延续的时限大约在晚三叠世—早侏罗世。
1：5万河源幅等四幅区调③对柴河组砂岩碎屑锆石进行了年龄测定并进行年龄频率分布统计，其结果表明，锆石年龄分布跨度为晚三叠世（227.14Ma）—古元古代（2079.32Ma），年龄集中在晚三叠世（峰值234.5Ma）和古元古代（峰值991Ma），说明柴河组砂岩的物源主要来自以上2个时期，为此将其时代定为晚三叠世。
本文柴河组仅出露于工作区的北部，区内出露面积约15km2，处于邻幅接图部分，向北图幅外部仍有延伸（图 1）。该组粗安岩的同位素测年结果为183.8.8±3.9Ma，另取该期次粗安岩年龄为178.3± 2.7Ma，在柴河组底部层位的细砂岩、粉砂岩中发现大量植物化石，可鉴定的有Podozamites sp.（苏铁衫属）、Equisetites sp.（似木贼属）。该化石曾在红旗组（J1h，塔他营子组）出现，为早侏罗世的重要分子。这些化石的发现为柴河组的时代归属提供了依据。综合同位素、化石资料，限定柴河组时代为早侏罗世。
5.2 岩浆源区及构造环境
柴河组下部碎屑岩层理较发育，堆积的总趋势为由下至上粒度变细，碎屑的成分复杂多样，粒径较大的砾石一般磨圆度较差，为快速堆积的产物。化石保存不佳，多见有植物叶片、茎杆等保存不完整的化石碎片，由岩石特征和古生物特点反映的沉积环境应该是陆相湖盆沉积环境。
在里特曼-戈蒂里图解（Logσ-Logτ图解）上，柴河组火山岩样品点落到B区（图 9-a），指示柴河组火山岩具有造山带火山岩特征。在Th-Hf/3-Ta构造环境判别图解（图 9-b）中，样品点主要投在钙碱性火山弧玄武岩区。在Ta/Hf-Th/Hf判别图（图 9-c）中，主要落入陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区，并且靠近大陆拉张带（或初始裂谷）玄武岩区一侧。在(Yb+Ta)-Rb判别图（图 9-d）中，落入火山弧花岗岩区。
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图 9 柴河组火山岩构造环境判别图a—里特曼-戈蒂里图解；b—Th-Hf/3-Ta图解；c—Ta/Hf-Th/Hf图解；d—（Yb+Ta）-Rb图解。A—非构造带火山岩；B—造山带火山岩；C—A、B区派生的碱性岩。N-MORB—正常洋脊玄武岩区；E-MORB+WPB—异常型洋脊拉斑玄武岩区和板内玄武岩及其分异产物；WPAB—板内碱性玄武岩区；IAT—拉斑型岛弧玄武岩，CAB—钙碱性火山弧玄武岩区。Ⅰ—板块发散边缘N-MORB区；Ⅱ—板块汇聚边缘（Ⅱ1—大洋岛弧玄武岩区；Ⅱ2—陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区）；Ⅲ—大洋板内洋岛、海山玄武岩区及T-MORB、E-MORB区；Ⅳ—大陆板内（Ⅳ1—陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区；Ⅳ2—陆内裂谷碱性玄武岩区；Ⅳ3—大陆拉张带（或初始裂谷）玄武岩区）；Ⅴ—地幔热柱玄。ORG—洋脊花岗岩；WPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；COLG—同碰撞花岗岩Figure 9. Discrimination of tectonic setting for volcanic rocks in Chaihe Formation综合判断，早侏罗世柴河组火山岩形成于大陆边缘弧环境。本文柴河组火山岩及根河地区确定的一套早侏罗世玄武岩-玄武安山岩钙碱性火山岩组合[17-18]，反映了活动陆缘的构造背景。在满洲里地区与乌奴格吐山斑岩型铜钼矿床密切相关的花岗岩和具有矿化的蚀变花岗岩的形成时代也为早侏罗世(180~183Ma)[19]，该期花岗岩具有斑岩型钼矿的成矿属性，判定它们应形成于活动陆缘的构造背景，反映成矿时代的Re-Os同位素年龄为178Ma[20]。综合上述特征可以判定，在早侏罗世，额尔古纳地块西缘处于活动陆缘的构造背景。此时，小兴安岭-张广才岭存在同时代的双峰式火成岩，由此说明，额尔古纳地块上发育的早侏罗世钙碱性火山岩不是古太平洋板块俯冲作用的产物，而应是蒙古-鄂霍茨克大洋板块向额尔古纳地块下俯冲作用的结果[6]。
因此，早侏罗世柴河组陆缘弧的火山岩组合及区域上的花岗岩组合共同说明，早侏罗世蒙古-鄂霍茨克洋向南东方向俯冲于额尔古纳地块之下，在额尔古纳地块形成陆缘弧火山岩及侵入岩的产物。
5.3 地质意义
区内柴河组和原柴河组完全可以进行对比，只是区内火山岩多，原柴河组火山岩少，出露局限。在1990年索伦军马场地区1：20万资料中，柴河组时代为早侏罗世，在岩石地层清理中，由于资料少，考虑其分布局限，区域上没有可填图性，将沉积岩归属为红旗组，火山岩归属至塔木兰沟组。从现有资料看，柴河组在区域上有一定范围分布，是一套中（偏碱性）-中酸性火山岩、火山碎屑岩及沉凝灰岩、砂砾岩、砂岩等。前人对柴河组处理有误，柴河组与红旗组没有可比性，不属于煤系地层，但其与原柴河组岩性组合、面貌相当，有可比性。
根据前人近年来以不同比例尺开展区域地质调查成果和对原柴河组不同阶段的认识情况，结合该区目前取得的地层资料，以及岩性组合特征、植物化石组合、层位接触关系及火山岩的同位素年龄资料，重新厘定柴河组含义，指位于塔木兰沟组之下、一套以火山岩为主的地层，下部为绿灰色、灰色含砾砂岩、粗砂岩、粉砂岩、沉凝灰岩等，上部为紫灰色、灰紫色、灰色粗安岩、辉石粗安岩、安山岩、英安岩、粗安质含集块角砾熔岩、英安质火山角砾岩等；含植物化石，同位素测年结果为178.3~183.8± 3.9Ma，其上被塔木兰沟组、满克头鄂博组和大磨拐河组不整合覆盖，因此将其时代归为早侏罗世。
大兴安岭北部地区属于早侏罗世的地层较少（其中早侏罗世火山岩更少见），区域上有下侏罗统红旗组（J1h，塔他营子组），为一套陆相含煤地层。更大范围见有属于早侏罗世的火山岩年龄，1：25万漠河县幅修测项目工作时，在内蒙古满归镇建立的满归变中酸性火山岩，地层呈孤岛状分布于满归镇西侧，出露面积约41.66km2，岩石类型主要为变质安山岩、变质火山凝灰岩、变质英安岩，锆石U-Pb同位素年龄为199±1Ma，时代为早侏罗世[5]。唐杰等[5]在张广才岭地区的帽儿山组双峰式火山岩中获取的锆石U-Pb同位素年龄为179~184Ma，时代为早侏罗世。郑吉林等[9]在新林北西部战备村幅新建的下侏罗统战备村组（J1z），为一套浅灰色、灰白色流纹质火山碎屑岩、流纹质火山熔岩、碎屑熔岩夹少量火山沉凝灰岩，同位素年龄为178~192Ma，时代为早侏罗世。
以上研究说明，大兴安岭存在早侏罗世的火山岩事件，通过已经确定的早侏罗世火山岩分布范围、岩浆性质，早侏罗世火山活动范围较大，岩浆性质较复杂，目前研究程度很低，可能不少早侏罗世火山岩因传统认识等原因未填制出，应该引起地质工作者的重视，有待后续工作进一步研究。
6. 结论
（1）大兴安岭北段西部首次厘定出下侏罗统柴河组，该组地层底部为沉积岩、中上部为火山岩组合。下部层位含有较丰富的化石，有Podozamites sp.（苏铁衫属）和Equisetites sp.（似木贼属）。火山岩是一套中（偏碱性）-中酸性火山岩、火山碎屑岩组合。火山岩SHRIMP锆石U- Pb测年结果为183.8±3.9Ma，属于早侏罗世。
（2）岩石化学、地球化学资料显示，柴河组火山岩形成构造环境为活动大陆边缘，综合判断，其为早侏罗世蒙古-鄂霍茨克洋向南东方向俯冲的产物。
（3）早侏罗世柴河组火山岩的发现及其他早侏罗世火山岩共同说明，大兴安岭地区存在早侏罗世火山活动事件。下侏罗统柴河组的厘定为大兴安岭地区中生代火山岩地层划分提供了新资料，对大兴安岭北段区域构造演化探讨具有重要的地质意义。
致谢: 感谢邹才能院士为首席的国家973项目组及长庆油田研究院油探室成员的支持，感谢审稿专家提出的建设性意见。 -
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图 1 油气资源类型与特征、赋存状态及开采方式
Figure 1. Types and characteristics of oil and gas resources, occurrence and exploitation model
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图 2 页岩层系非常规油气资源类型有序演化
Figure 2. Orderly evolution of unconventional hydrocarbon resource types in shale strata
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图 3 页岩层系非常规油气资源空间共生图
Figure 3. Spatial association map of unconventional oil and gas resources in shale strata
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图 4 鄂尔多斯盆地长7页岩层系油气资源有序聚集
Figure 4. Orderly accumulation of oil and gas resources in Chang 7 shale strata of Ordos Basin
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图 5 页岩层系油气资源针对性技术系列
Figure 5. Specific technical series of oil and gas resources in shale strata
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图 6 页岩层系非常规油气资源立体勘探示意图
Figure 6. Stereoscopic exploration sketch diagram of unconventional oil and gas resources in shale strata
表 1 页岩层系油气资源形成条件与甜点区
Table 1 Formation conditions and sweet areas of oil and gas resources in shale strata
资源类型 形成条件与主控因素 形成机理 甜点区 针对性技术 油页岩 形成环境为高生产力湖湾、深湖或者陆棚上升洋流缺氧带，未经过深埋和异常热事件。高生产力、还原环境及低成熟为控制因素 低成熟度富有机质页岩，原地型资源 低成熟度，浅埋藏，富有机质，高含油率（> 3.5%）页岩区 露天开采回旋炉加热生产或者半地下开采技术 裂缝油 形成条件为成熟阶段泥页岩中的构造裂缝发育区带。构造及应力释放区，成熟阶段源岩内时期主控因素 裂缝为储集空间，近源聚集型 成熟的泥页岩中，构造裂缝相对发育带 裂缝预测技术，地应力分析与成像测井技术 页岩油 形成于富有机质页岩内，矿物孔和有机质孔隙共生，成熟度和运移距离控制油的品质。主控因素为成熟度、有机质丰度及孔隙度 矿物基质和有机质孔内，源内滞留型 中等成熟阶段泥页岩中，厚度大，脆性矿物含量高 暗色泥岩开展水力压裂，高有机炭的页岩 致密油 形成条件为大面积致密岩层、临近生油阶段的烃源岩，裂缝发育区及相对高孔渗区富集。孔隙度和源储配置关系为形成的主控因素 无机矿物粒间、粒内和溶蚀孔及裂缝，近源聚集 孔隙度和渗透率相对较大区域，厚度大，脆性矿物含量高 利用ICP技术利用水平井、体积压裂、无水压裂等技术开采 页岩气 形成条件富有机质页岩内，矿物孔和有机质孔隙共生，微裂缝发育带页岩气相对高产。有机质丰度、孔隙度及矿物组成是主控因素 有机质孔、无机矿物粒间、粒内和溶蚀孔及裂缝，近源聚集 孔隙度和渗透率相对较大区域，厚度大，脆性矿物含量高 利用水平井和体积压裂以及无水压裂等技术开采 致密气 形成条件为大面积致密岩层、临近处于生气阶段的气源岩，裂缝发育区及相对高孔渗区富集。孔隙度及源储配置关系为形成的主控因素 无机矿物粒间、粒内和溶蚀孔及裂缝，近源聚集 孔隙度和渗透率相对较大区域，厚度大，脆性矿物含量高 利用水平井、体积压裂、无水压裂等技术开采 
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表 2 中国页岩层系源岩特征、演化阶段及非常规油气资源类型
Table 2 Source rock characteristics, evolution stages and unconventional hydrocarbon resource types of shale strata in China
发育环境 盆地地区 时代地层 面积/104km2 厚度/m 有机炭/% 成熟度/% 非常规油气资源类型 海相页岩 塔里木 寒武系玉尔吐斯组 9.2 20~180 0.5~3.5 1.4~3.8 页岩气、致密气 奥陶系萨尔干-印干组 7.5 20~120 0.5~2.5 1.2~3.0 页岩气、致密气 华北 串岭沟-下马岭组 4.3 30~70 0.19~20 1.0~1.45 页岩油、页岩气、致密气 平凉组-府君山组 3.5 35~200 0.15~4.4 0.6~3.1 油页岩、页岩油、页岩气 扬子地台 奥陶系五峰组-龙马溪组 42 20~700 0.5~25.7 2.4~4.3 页岩气、致密气 德坞组-大塘组 6 50~150 0.65~3.07 2.2~3.0 页岩气、致密气 罗富组 13 100~600 0.27~2.33 1.8~3.5 页岩气、致密气 寒武系筇竹寺组 50 50~700 0.5~22 2.33~5.12 页岩气、致密气 陡山坨组 15 10~100 0.19~2.04 2.67~4.5 页岩气、致密气 大乘寺组 3 20~100 0.42~6.0 1.7~4.6 页岩气、致密气 羌塘 夏里组 4 20~850 0.8~15.17 0.93~1.3 页岩油、页岩气、致密气 肖茶卡组 6 50~728 0.1~13.45 2.62~4.35 页岩气、致密气 陆相页岩 松辽 白垩系嫩江组 7.5 100~150 0.7~10 0.4~1.1 油页岩、页岩油、致密油 白垩系青山口组 9.2 50~609 0.5~5.4 0.4~1.3 油页岩、页岩油、致密油 渤海湾 古近系沙河街组 2.3 400~1200 0.8~33 0.3~1.8 油页岩、页岩油、致密油 古近系孔店组 0.61 200-800 0.3~7.0 0.63~2.2 油页岩、页岩油气、致密油气 鄂尔多斯 三叠系延长组 7.5 10~160 1.18~22 0.50~1.16 油页岩、页岩油、致密油 四川 侏罗系自流井-沙溪庙组 15.2 40~180 0.4~1.6 1.0~1.87 页岩油气、致密油气 三叠系须家河组 14 50~1000 1.0~4.5 1.0~2.2 页岩油气、致密油气 柴达木 新近系 1.0 200~560 0.29~1.81 0.45~0.6 油页岩、页岩油气、致密油气 古近系 0.92 300~600 0.4~3.85 0.8~0.9 油页岩、页岩油、致密油 准噶尔-吐哈 二叠系凤城/芦草沟 6.4 200~1250 1.73~34.4 0.54~1.8 油页岩、页岩油气、致密油气 水溪沟群 10 300~850 0.8~40 0.4~1.36 油页岩、页岩油气、致密油气 白碱滩组 7.5 40~300 1.0~5.14 0.52~1.4 油页岩、页岩油气、致密油气 塔里木 中下侏罗统康苏-杨叶组 10.2 42~795 0.42~6.33 0.8~2.0 页岩油气、致密油气 三叠系黄山-塔里奇克组 12.5 50~800 0.4~7.9 0.8~2.25 页岩油气、致密油气 海陆过渡
相页岩渤海湾 山西组 5 40~160 0.9~23.2 0.56~2.96 油页岩、页岩油气、致密油气 太原组 5 30~180 0.61~19.6 0.74~2.52 油页岩、页岩油气、致密油气 扬子 龙潭组 20~50 20~260 0.5~12.6 1.2~3.2 页岩油气、致密油气 梁山组 10~30 5~20 1.0~7.0 1.8~3.2 页岩油气、致密油气 鄂尔多斯 山西组 12.5 50~220 2.25~19.29 0.5~3.0 油页岩、煤层气、页岩油气、致密油气 太原组 12 20~60 3.33~23.38 0.5~2.6 油页岩、煤层气、页岩油气、致密油气 本溪组 10 10~50 0.54~11.71 0.7~2.8 煤层气、页岩油气、致密油气 准噶尔 巴山组 7.4 60~250 0.4~28.94 0.55~1.72 油页岩、页岩油气、致密油气 滴水泉组 10 100~300 0.17~26.76 0.93~1.86 页岩油气、致密油气
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