能源地質(zhì)學(xué)第一章 沉積有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)的形成與聚集

第一節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的成因第二節(jié)近現(xiàn)代沉積有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)組成第三節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的聚集

第一章沉積有機(jī)質(zhì)的形成與聚集一、沉積有機(jī)質(zhì)的來(lái)源二、生物解剖結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成三、生物質(zhì)向沉積有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化

第一節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的成因（一）概述1、有機(jī)質(zhì)的定義包括一切生物體及其分解或合成的各種產(chǎn)物。

2、沉積有機(jī)質(zhì)的分類

按成巖狀態(tài)沉積物中有機(jī)質(zhì)沉積巖中有機(jī)質(zhì)

按聚集狀態(tài)聚集有機(jī)質(zhì)分散有機(jī)質(zhì)一、沉積有機(jī)質(zhì)的來(lái)源（二）自然界中有機(jī)碳的循環(huán)

1、自然界中碳的分類

類型形式

數(shù)量（t）有機(jī)碳

沉積體1.3×1016

生物體

(0.3~1.3)×1012無(wú)機(jī)碳（氧化碳）沉積巖中碳酸鹽

6×1016

非沉積巖中碳酸鹽

1×1016

海水中碳酸鹽

5×1013

火成巖和變質(zhì)巖（元素碳）

1×1016

溶解于海水中的碳

1×1012大氣二氧化碳中碳

1×1012

還原碳：有機(jī)碳，如生物質(zhì)碳氧化碳：無(wú)機(jī)碳，如碳酸鹽巖元素碳：如石墨，金剛石沉積有機(jī)碳（還原碳）類型形式數(shù)量（t）

不溶有機(jī)碳

粘土巖和頁(yè)巖

8.9×1015

碳酸鹽巖

1.8×1015砂巖1.3×1015煤層(厚度>0.6m)

1.5×1013可溶有機(jī)碳儲(chǔ)集巖中瀝青

2.8×1014

儲(chǔ)集巖中石油

2.7×1014

非儲(chǔ)集巖中瀝青

5×1011

非儲(chǔ)集巖中石油

1.1×1011

2、自然界中碳的循環(huán)

圖2-1有機(jī)碳及沉積有機(jī)碳的循環(huán)聚集聚集思考題：

1.有機(jī)碳循環(huán)的不完整性會(huì)造成什么樣的結(jié)果？2.有機(jī)碳循環(huán)研究對(duì)化石能源礦產(chǎn)的地質(zhì)意義？

初次循環(huán)二次循環(huán)

幾天~幾十年幾百萬(wàn)年~數(shù)億年

水、生物、大氣圈巖石圈表層巖石圈表層巖石圈淺層沉積有機(jī)質(zhì)化石能源礦產(chǎn)（三）沉積有機(jī)質(zhì)的來(lái)源

圖1-2生物進(jìn)化與沉積有機(jī)質(zhì)地史分布示意圖（據(jù)鐘寧寧、秦勇等，1995）圖1-4溝鞭藻與世界特大型油田分布的關(guān)系（據(jù)何承全，1984）思考題：為什么到元古界末期才有煤層形成？（一）生物解剖結(jié)構(gòu)

動(dòng)物（細(xì)胞膜）低等植物植物高等植物根

表皮：角質(zhì)層、臘質(zhì)

莖

周皮：木栓層皮層：通氣、吸收維管束：木質(zhì)部葉：表皮、葉肉、葉脈二、生物解剖結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成緣孔圖1-5高等植物莖干的解剖結(jié)構(gòu)（據(jù)高信曾等，1978）管胞管胞木射線動(dòng)物來(lái)源的有機(jī)碎屑往往是海相或湖相沉積有機(jī)質(zhì)的一種重要賦存形式，古生界沉積巖中常見的動(dòng)物有機(jī)碎屑來(lái)源于筆石、幾丁蟲、蟲顎以及某些來(lái)源不明的動(dòng)物有機(jī)體，均為現(xiàn)代已滅絕了的動(dòng)物。圖1-8筆石體形態(tài)及表皮解剖結(jié)構(gòu)（據(jù)Goodarzi，1984）（二）生物質(zhì)的化學(xué)組成

1、化合物組成

纖維素碳水化合物半纖維素

果膠質(zhì)化合物木質(zhì)素芳香族高分子聚合物蛋白質(zhì)含氮化合物類脂化合物混合物（脂肪、蠟質(zhì)）2、化合物穩(wěn)定性序列（抗降解能力）蛋白質(zhì)<色素<脂肪<半纖維素<纖維素<木質(zhì)素<木栓質(zhì)<種子皮殼<角質(zhì)<孢粉素<蠟質(zhì)和樹脂3、化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)4、化合物元素組成生物體化合物不同有機(jī)元素不同有機(jī)質(zhì)的元素和生烴能力不同

表1-1植物及其化合物的元素組成

元素/%植物化

合

物

浮游植物菌類陸生植物纖維素木質(zhì)素蛋白質(zhì)脂肪蠟質(zhì)C45.048.054.044.462.053.077.581.0H7.07.56.06.26.17.012.013.5O45.032.537.049.431.923.010.55.5N3.012.02.8－－16.0－－思考題1.生物質(zhì)化合物的穩(wěn)定序列及其原因？在沉積有機(jī)質(zhì)研究中的意義？2.化合物在生物質(zhì)中的分布？3.生物體的不同生物組成中有機(jī)元素的相對(duì)豐度及其地質(zhì)意義？（一）沉積有機(jī)質(zhì)形成過(guò)程1、作用過(guò)程

再循環(huán)

死亡

分配

生物作用吸收生物質(zhì)降解產(chǎn)物物理化學(xué)作用大氣、水體

埋葬作用沉積有機(jī)質(zhì)氣態(tài)分子和水分解產(chǎn)物：氨基酸，糖類等生物遺體其它小分子化合物合成產(chǎn)物：腐殖酸，瀝青質(zhì)沉積有機(jī)質(zhì)生物殘?bào)w有機(jī)碎屑：生物殘?bào)w氧化－降解階段還原－合成階段沉積－埋藏階段三、生物質(zhì)向沉積有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化3、影響因素生物體本身的化學(xué)組成影響因素水體的動(dòng)力狀態(tài)水介質(zhì)性質(zhì)（氧化還原、酸堿度、溫度）

表1-2植物與泥炭有機(jī)質(zhì)化學(xué)組成的比較

有機(jī)質(zhì)來(lái)源

化合物組成（干燥基%）

纖維素木質(zhì)素蛋白質(zhì)瀝青A腐殖酸植物莎

草50.0020~305~105~100木本植物50.6020~301~71~30泥炭草本泥炭19.690.7503.5643.58木本泥炭0.890.3901052.88（二）沉積有機(jī)質(zhì)的形成作用

1、作用類型

泥炭化作用

對(duì)象：高等植物遺體

環(huán)境：沼澤、泥炭沼澤

反應(yīng)：氧化、還原、合成

產(chǎn)物：植物殘?bào)w＋腐植酸腐泥化作用

對(duì)象：菌藻類低等植物

環(huán)境：水體較深的滯流貧氧環(huán)境

反應(yīng)：還原、合成等化學(xué)作用

產(chǎn)物：腐泥、軟泥、殘?bào)w、原生瀝青質(zhì)

圖1-12凝膠化作用與絲炭化作用關(guān)系示意圖

（據(jù)熱姆丘日尼科夫等，1960）

絲炭化作用一、沉積有機(jī)質(zhì)的三重屬性二、腐植酸的化學(xué)組成三、可抽提瀝青的化學(xué)組成

第二節(jié)近現(xiàn)代沉積有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)組成

1、概述思考題：從哪些視角，采用哪些方法來(lái)研究沉積有機(jī)質(zhì)？表2-2沉積有機(jī)質(zhì)的三重屬性

一、沉積有機(jī)質(zhì)的三重屬性沉積有機(jī)質(zhì)三重屬性

生物學(xué)屬性

高等植物植物殘?bào)w學(xué)低等植物古生物學(xué)動(dòng)物巖石學(xué)屬性

生物殘屑，有結(jié)構(gòu)的

有機(jī)巖石學(xué)高度降解產(chǎn)物，無(wú)定形成分

化學(xué)屬性

不溶有機(jī)質(zhì)（干酪根）有機(jī)地球化學(xué)可溶有機(jī)質(zhì)（可提取物—水溶、水解、堿溶、有機(jī)溶劑）

2、不溶有機(jī)質(zhì)（干酪根）

干酪根:不溶于有機(jī)溶劑的有機(jī)質(zhì)濃縮物.

沉積巖中有機(jī)質(zhì)的含量大都在0.5～1.5％之間，為了便于研究，往往要將其富集起來(lái)。物理方法干酪根的提取和分離方法化學(xué)方法物理化學(xué)方法

★物理方法浮選法、超聲波法、電磁法、靜電法以及基于礦物和有機(jī)質(zhì)濕潤(rùn)性質(zhì)差異的分離方法

★化學(xué)方法鹽酸+氫氟酸溶解無(wú)機(jī)礦物

思考題:干酪根的制備及意義?

干酪根的類型及生烴貢獻(xiàn)?2、可溶有機(jī)質(zhì)

可溶有機(jī)質(zhì)

水溶：熱水可抽提有機(jī)質(zhì)糖類、有機(jī)酸水解：強(qiáng)或弱酸纖維素、半纖維素堿溶：腐植酸

NaOH、NaP2O7有機(jī)溶劑：可抽提瀝青瀝青質(zhì)、蠟褐煤蠟：110℃，苯抽提物>3%德國(guó)：12%~20%，最高50~60%云南：<9%

泥炭蠟：表1-3我國(guó)泥炭化合物平均化學(xué)組成（干基，%）泥炭類型有機(jī)質(zhì)化合物組成水溶物+半纖維素水解物腐殖酸苯溶物木質(zhì)素蘚類29.545.9221.462.543.04

草本-蘚類14.096.6530.851.876.42草本9.163.5433.141.414.85

木本0.480.6139.825.610.851、腐植酸（HA）的定義

具有酸性、親水性、吸附性和復(fù)雜多樣結(jié)構(gòu)的芳香性化合物。2、腐植酸的結(jié)構(gòu)

0.001~0.1μm的球形微粒聯(lián)成的團(tuán)聚體，無(wú)定形高分子膠體。由芳核（單環(huán)、多環(huán)）、橋鍵（單橋、雙橋）和活性基團(tuán)（-COOH、-OH、-C=O、-OCH3、C-O-C）聯(lián)結(jié)而成。

圖1-14腐殖酸分子基本結(jié)構(gòu)單元示意圖（柴岫等，1990）

二、腐植酸的化學(xué)組成

3、腐植酸的產(chǎn)率與含量

腐植酸的產(chǎn)率（HAt）——堿溶一次抽提腐植酸的含量——堿溶多次抽提4、腐植酸的分類

有機(jī)質(zhì)類型腐植酸的產(chǎn)率（HAt）泥炭10~50%褐煤120~80%褐煤2<20%根據(jù)溶解性質(zhì)黃腐酸溶于酸1~2%富里酸棕腐酸溶于丙酮或乙醇

10%胡敏酸黑腐酸沉淀部分85~90%5、腐植酸的成因判別（1）H/C、N/C、O/C原子比

圖1-15腐殖酸成因判別的范氏圖解（轉(zhuǎn)引自Burand，1980）

1—海洋、湖泊水下沉積物2—寒冷氣候或酸性介質(zhì)3—熱帶潮濕氣候4—干濕季節(jié)明顯交替氣候H/C海相和湖相軟泥腐殖酸中的氫和氮總體上高于泥炭和土壤，但碳含量相對(duì)較低，造成氫碳比和氮碳比顯著較高。（2）穩(wěn)定碳同位素δ13C

光合作用的差異:

海水中的碳酸鹽化合物，HCO３-1離子的δ13C在0‰左右大氣中的CO2，δ13C分布于-7~-9‰之間

思考題：

1.腐植酸類型及元素組成與沉積環(huán)境的關(guān)系？

2.如何通過(guò)腐植酸來(lái)判斷沉積有機(jī)質(zhì)的成因？生物中腐殖酸海洋浮游生物海相沉積物腐殖酸陸生和淡水植物陸相沉積物腐殖酸δ13C/‰-13~-28-21~-23-14~-32-25~-271、可抽提物類型

溶于苯苯瀝青（褐煤蠟、泥巖蠟）

溶于氯仿（CHCl3）氯仿瀝青Ａ

二硫化碳（CS2）

二氯甲烷（CH2CL2）

2、氯仿瀝青Ａ族組成

三、可抽提瀝青的化學(xué)組成氯仿瀝青Ａ族組成

烴類

飽和烴

芳烴非烴類膠質(zhì)半流體狀，溶于石油醚

瀝青質(zhì)黑色固體，不溶于石油醚思考題：氯仿瀝青Ａ族組分研究的環(huán)境意義？1）生物質(zhì)的烴類/非烴比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沉積有機(jī)質(zhì)，表明在生物質(zhì)向沉積有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中生物烴類受到明顯損失；2）海相和湖相沉積有機(jī)質(zhì)的飽和烴／芳烴比率往往高于泥炭沼澤相，這是浮游生物脂肪含量較高而陸生植物富含木質(zhì)纖維素的必然結(jié)果；3）泥炭氯仿瀝青A中烴含量和烴類/非烴比率均具有蘚類泥炭＞草本泥炭＞木本泥炭的特征，這同樣與沉（堆）積介質(zhì)條件、微生物活動(dòng)性以及植物有機(jī)組成有關(guān)；4）年輕沉積有機(jī)質(zhì)內(nèi)從活的生物體中繼承下來(lái)的直接烴類起著生物標(biāo)記化合物的作用。第三節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的聚集

一、陸地與海洋的沉積環(huán)境組合二、泥炭的聚集環(huán)境三、分散有機(jī)質(zhì)的沉積分配四、沉積有機(jī)質(zhì)的分布1、沉積有機(jī)質(zhì)聚集條件1）足夠生物量的供給；2）存在生物聚合物向沉積聚合物轉(zhuǎn)化的環(huán)境條件；3）保證沉積有機(jī)質(zhì)不被無(wú)機(jī)沉積物過(guò)分“稀釋”而相對(duì)集中;4）沉積有機(jī)質(zhì)形成后能夠得以妥善保存而在一定地質(zhì)歷史中不被再次破壞。一、陸地與海洋的沉積環(huán)境組合沉積環(huán)境類型及其空間配置關(guān)系示意圖（轉(zhuǎn)引自任明達(dá)等，1985）

二、泥炭的聚集環(huán)境1、泥炭沼澤的概念地表土壤充分潤(rùn)濕，有季節(jié)性或長(zhǎng)期性積水，而且生長(zhǎng)了大量的喜濕植物，在地洼地帶堆積有機(jī)質(zhì)，并使其轉(zhuǎn)化為泥炭層的地區(qū)。2、泥炭沼澤的形成水域沼澤化：由湖泊、河流、瀉湖等水域轉(zhuǎn)化而來(lái)陸地沼澤化：由陸地演化而來(lái)（存在草甸泥炭沼澤化

和森林泥炭沼澤化兩種基本形式）3、泥炭沼澤的演化階段

低位沼澤中位沼澤高位沼澤

（1）低位沼澤（營(yíng)養(yǎng)沼澤）

地下水潛水面高于沼澤水面，地下水、地表水供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)成分，生長(zhǎng)富營(yíng)養(yǎng)的植物，介質(zhì)為中性或微堿性，泥炭厚、灰分高、瀝青質(zhì)含量和焦油產(chǎn)率較低。

（2）高位沼澤（貧營(yíng)養(yǎng)沼澤或凸起沼澤）

地下水潛水面低于沼澤水面，僅有大氣降水補(bǔ)給，沼澤水源供應(yīng)不充足，水中缺少礦物質(zhì)養(yǎng)分，尤其是中心地帶植物殘?bào)w分解速度慢，與沼澤周邊相比，泥炭層凸起，水質(zhì)介質(zhì)為酸性，泥炭灰分低、有機(jī)質(zhì)含量高，厚度較薄。（3）中位沼澤介于高位與低位沼澤之間的一種過(guò)渡類型，介質(zhì)處于中性到微酸性。

泥炭沼澤完整發(fā)育過(guò)程示意圖1－富營(yíng)養(yǎng)泥炭；２－中營(yíng)養(yǎng)泥炭；３－貧營(yíng)養(yǎng)泥炭；4—潛水面陸地沼澤化水域沼澤化

淺水緩岸深水陡岸4（4）泥炭沼澤的垂向結(jié)構(gòu)特征

氧化環(huán)境的表層垂向結(jié)構(gòu)

過(guò)渡條件的中間層

還原環(huán)境的底層沼澤類型低位沼澤中位沼澤高位沼澤植物種類

高等植物

中等養(yǎng)分植物

中等養(yǎng)分植物

地理位置

地形低洼處

中等地形較高處介質(zhì)特征

中性微堿性

中性－微酸性

酸性泥炭厚薄

厚薄

灰分含量

高中等低表2-2各階段泥炭沼澤的特征4、泥炭堆積方式

（1）原地聚集（微異地聚集）底板“根土巖”，煤中陸源物質(zhì)少，大面積穩(wěn)定。

（2）異地聚集直接底板為粗碎屑巖，碳酸巖底板，斜插、倒立的樹干和樹樁化石。

河北易縣易水河河灣異地成因泥炭層剖面圖（據(jù)楊起等，1979）

5、泥炭堆積速率大氣和土壤溫度植物產(chǎn)率沉積環(huán)境植物殘?bào)w的分解強(qiáng)度降解率泥炭產(chǎn)率沼澤類型及穩(wěn)定性

增長(zhǎng)率不同自然地帶植物殘?bào)w的堆積率與分解率（據(jù)柴岫等，1990）

自然地帶最熱月平均氣溫（oC）

堆積率（t/ha）-1

分解率（t/ha）-1

極地凍原帶苔原帶針葉林帶闊葉林帶