沉积有机质的演化作用

1、第一节第一节 演化的阶段与标志演化的阶段与标志 第二节第二节 演化产物演化产物 第三节第三节 演化的地质地球化学机理演化的地质地球化学机理 第四节第四节 沉积有机质的演化类型沉积有机质的演化类型 第四章第四章 沉积有机质的演化作用沉积有机质的演化作用 第一节第一节 演化的阶段与标志演化的阶段与标志 一、一、 沉积有机质演化阶段沉积有机质演化阶段 二、二、 沉积有机质演化标志沉积有机质演化标志 三、三、 沉积有机质演化跃变沉积有机质演化跃变 沉积有机质的完整演化历程包括：沉积有机质的完整演化历程包括： 沉积作用：沉积作用：外、内营力地质作用外、内营力地质作用 埋藏作用：埋藏作用：内营力地质作用内

2、营力地质作用 风化作用：风化作用：外、内营力地质作用外、内营力地质作用 思考题：思考题： 沉积有机质是呈渐进式演化还是呈阶跃式演化，沉积有机质是呈渐进式演化还是呈阶跃式演化， 抑或二者兼而有之？抑或二者兼而有之？ 聚集与分散有机质的演化能否相互对应？采用哪聚集与分散有机质的演化能否相互对应？采用哪 些标志来定义其演化进程？些标志来定义其演化进程？ 固态有机质与流体有机质的成生演化之间表现为固态有机质与流体有机质的成生演化之间表现为 何种动态关系？何种动态关系？ 一、一、 沉积有机质演化阶段沉积有机质演化阶段 一、一、 沉积有机质演化阶段沉积有机质演化阶段 （一）固态沉积有机质的演化阶段（一）固

3、态沉积有机质的演化阶段 图图4-1 4-1 沉积有机质演化阶段与特征之间的关系沉积有机质演化阶段与特征之间的关系 （二）流体地质有机质的演化阶段（二）流体地质有机质的演化阶段 无机流体无机流体:H2O、CO2、N2以及某些稀有气体等以及某些稀有气体等 有机流体有机流体:烃类，包括石油和天然气。烃类，包括石油和天然气。 石油天然气为有机质在演化中形成的衍生物石油天然气为有机质在演化中形成的衍生物 干气干气：泥炭褐煤泥炭褐煤 阶段阶段 天然气的形成经历天然气的形成经历 湿气湿气：气煤：气煤焦煤阶段焦煤阶段 干气干气：贫煤：贫煤无烟煤阶段无烟煤阶段 生油门限或石油生成线生油门限或石油生成线：褐煤褐煤

4、长焰煤阶段长焰煤阶段 生油死限或石油死亡线生油死限或石油死亡线：焦煤阶段的初期：焦煤阶段的初期 “生油窗生油窗”：生油门限与生油死限之间生油门限与生油死限之间 物理、化学标志应具备的条件物理、化学标志应具备的条件 演化程度相同时，性质稳定或变异性较小；演化程度相同时，性质稳定或变异性较小； 在沉积有机质中分布广泛，易于寻找；在沉积有机质中分布广泛，易于寻找； 演化程度不同时，同种参数的演化幅度要足够大；演化程度不同时，同种参数的演化幅度要足够大； 是沉积有机质的主要成分或重要成分是沉积有机质的主要成分或重要成分, ,代表性较强；代表性较强； 面积要足够地大，便于观察测量面积要足够地大，便于观察

5、测量 主要的参数类型主要的参数类型 物理参数：物理参数：R Ro o,max ,max、 、 R Ro o,ran ,ran 、 、 R R o o,m ,m 化学参数化学参数: : V Vdaf daf、 、Q Qdaf daf、 、 M Mad ad 有机元素有机元素: : C Cdaf daf、 、H Hdaf daf、 、O Odaf daf及其原子比（ 及其原子比（H H/ /C C和和O O/ /C C） 辅助参数：辅助参数：显微硬度、荧光参数以及某些光谱参数等显微硬度、荧光参数以及某些光谱参数等 二、二、 沉积有机质演化标志沉积有机质演化标志 二、二、 沉积有机质演化标志沉积有机

6、质演化标志 煤化跃变或有机质成熟跃变煤化跃变或有机质成熟跃变 三三 、沉积有机质演化跃变、沉积有机质演化跃变 第第 一一 次次 跃跃 变变 位置：位置：Ro,max 0.6% CY Vdaf 43% Cdaf 80% 作用：作用：沥青化作用、芳构化作用沥青化作用、芳构化作用 产物：产物： 原生腐殖酸消失，进入烟煤阶段，油气开始大原生腐殖酸消失，进入烟煤阶段，油气开始大 量生成，出现次生显微组分（沥青质体，渗出量生成，出现次生显微组分（沥青质体，渗出 沥青体）沥青体） 物性：物性：反射率增大很快，次生荧光出现反射率增大很快，次生荧光出现 第第 二二 次次 跃跃 变变 位置：位置：R Ro,max

7、 o,max 1.3% JM V 1.3% JM Vdaf daf 29% C 29% Cdaf daf 87% 87% 作用：作用：芳构化作用、环缩合作用、热解作用芳构化作用、环缩合作用、热解作用 产物：产物：生油停止，生油停止，CHCH4 4大量生成，裂隙气大量生成大量生成，裂隙气大量生成 物性：物性： 光性光性 （荧光性消失，显微组分各向异性增长）；（荧光性消失，显微组分各向异性增长）； 最小最小 密度、水分、硬度、孔隙度、孔容、内密度、水分、硬度、孔隙度、孔容、内 表面积、湿润热；表面积、湿润热； 最大最大 结焦性、发热量、脆度、内生裂隙结焦性、发热量、脆度、内生裂隙 第第 三三 次次

8、 跃跃 变变 位置：位置： Ro,max 2.5% WY Vdaf 8% Cdaf 91% 作用：作用： 热裂解（脱甲基）作用热裂解（脱甲基）作用 产物：产物： 热裂解气（干气）高峰热裂解气（干气）高峰 物性：物性： 壳质组反射率大于惰质组，各向异性（壳质组反射率大于惰质组，各向异性（R R）增长）增长 第第 四四 次次 跃跃 变变 位置：位置：Ro,max 3.7% WY3WY2 Vdaf 4% Cdaf 93.5% 作用：作用：环缩合作用，秩理化作用、拼叠作用环缩合作用，秩理化作用、拼叠作用 产物：产物：进入超无烟煤（预石墨化）阶段，生烃作用停止进入超无烟煤（预石墨化）阶段，生烃作用停止

9、物性物性 壳质组反射率最大；壳质组反射率最大； 顺顺磁性暂时消失；磁性暂时消失； 导电性明显增强；导电性明显增强； 孔隙性、大分子结构出现转折孔隙性、大分子结构出现转折 跃变 特征 跃变序次 第一次第二次第三次第四次第五次 跃变 点 位置 0.6%Ro,max, 43%Vdaf, 80%Cdaf 1.3%Ro,max, 29%Vdaf, 87%Cdaf 2.5%Ro,max, 8%Vdaf, 91%Cdaf 3.7%Ro,max, 4%Vdaf, 93.5%Cdaf 6.5%Ro,max, 3%Vdaf, 96%Cdaf 跃变 机理 沥青化作用 芳构化作用 芳构化作用 环缩合作用 热裂解作用

10、热裂解（脱 甲基）作用 环缩合作 用拼叠作 用 环缩合作用 拼叠作用 秩理化作用 演化 产物 原生腐殖酸 消失，进入 生油窗, 出 现次生组分 生油作用基 本结束, 甲 烷开始大量 生成 热裂解气大 量生成, 干 气生成达到 高峰 生烃作用 基本停止, 达到生气 死限 镜质组和壳 质组的预石 墨化进程显 著开始 主要 物理 性质 变化 镜质组反射 率开始显著 增高, 次生 荧光开始出 现 镜质组的密 度、水分、 显微硬度、 孔隙率等达 到最小值 镜质组光学 各向异性显 著增大, 显 微硬度开始 急剧增高 顺磁性暂 时消失, 孔 隙性演化 趋势发生 转折 显微组分 光学各向异 性急剧增大 表4-

11、1 沉积有机质演化跃变的主要特征 第二节第二节 沉积沉积 有机质的演化产物有机质的演化产物 一、沉积固态有机质产物一、沉积固态有机质产物 二、流体有机质产物二、流体有机质产物 沉积固态有机质产物演化的总体规律沉积固态有机质产物演化的总体规律 某些原生显微组分消失，同时新生成了某些显微组分；某些原生显微组分消失，同时新生成了某些显微组分； 肉眼可见的光泽逐渐增强，条带状结构趋于明显；肉眼可见的光泽逐渐增强，条带状结构趋于明显； 显微组分的荧光性和透光性逐渐消失，反光性持续增强；显微组分的荧光性和透光性逐渐消失，反光性持续增强； 孔隙性、吸附性等物理性质出现规律性演化；孔隙性、吸附性等物理性质出现

12、规律性演化； 一、沉积固态有机质产物一、沉积固态有机质产物 一、沉积固态有机质产物一、沉积固态有机质产物 二二 流体有机质产物流体有机质产物 气态的天然气（不包括沼气）气态的天然气（不包括沼气） 广义的石油广义的石油 液态的原油、液态的原油、 固态的沥青和地蜡等固态的沥青和地蜡等 原油中的烃类原油中的烃类 非烃非烃 饱和烃饱和烃 不饱和烃不饱和烃 烷烃烷烃 环烷烃环烷烃 正构烷烃正构烷烃 异构烷烃异构烷烃 芳香烃芳香烃 单环单环 多环多环 稠环稠环 原原 油油 的的 化化 学学 成成 分分 石油与天然气基本性质的差别石油与天然气基本性质的差别 天然气的产出类型具有多样性的特征；天然气的产出类型

13、具有多样性的特征； 石油的化合物组成比天然气更为复杂；石油的化合物组成比天然气更为复杂； 分子量分子量 H/CH/C原子比原子比 石油：石油： 75275 1.42.2 天然气：天然气： 150 250350 350450 250 1.11 500 2.74 快速 300 300 420480 600700 （三）演化压力（三）演化压力 静压力和动压力有利于沉积有机质物理性静压力和动压力有利于沉积有机质物理性 质的改变，对其化学结构的改变起促进作用。质的改变，对其化学结构的改变起促进作用。 第四节第四节 有机质演化的类型有机质演化的类型 一、有机质深成热演化作用一、有机质深成热演化作用 二、岩

14、浆热演化作用二、岩浆热演化作用 三、三、动力演化作用动力演化作用 深成演化作用：深成演化作用：是在正常地热场条件下、埋藏深度不是在正常地热场条件下、埋藏深度不 断加大的过程中进行的。断加大的过程中进行的。 希尔特定律或规则希尔特定律或规则 正常热演化作用正常热演化作用 沉积有机质的沉积有机质的 演化程度随埋演化程度随埋 深的加大而增深的加大而增 高的现象。高的现象。 一一、深成演化作用深成演化作用 表 4-8 江苏徐州煤田晚古生代煤系煤层煤级的垂向分布（据杨起等，1979，补充） 显微组分特征 层 位 Ro，max （%） Vdaf （%） 基质镜质体 沥青体 荧光镜质体 下石盒子组 0.92

15、 37 山西组 0.84 38 含量较低 含量较低 含量较低 太原组 0.71 45 含量较高 含量较高 含量较高 徐州煤田从太原组经山西组到下石盒子组，成煤环境徐州煤田从太原组经山西组到下石盒子组，成煤环境 由受海水强烈影响的泥炭沼泽向纯陆相泥炭沼泽转化，沉积由受海水强烈影响的泥炭沼泽向纯陆相泥炭沼泽转化，沉积 有机质的生物降解程度逐渐降低，造成富氢镜质组显微组分有机质的生物降解程度逐渐降低，造成富氢镜质组显微组分 （如具有荧光的基质镜质体）的含量随层位增高而减少，导（如具有荧光的基质镜质体）的含量随层位增高而减少，导 致镜质组反射率随层位增高而增大。致镜质组反射率随层位增高而增大。 岩浆热

16、演化作用：是在异常高热地热场条件下发生岩浆热演化作用：是在异常高热地热场条件下发生 的，系岩浆上涌带来的热流与正的，系岩浆上涌带来的热流与正 常地热场背景的叠加作用常地热场背景的叠加作用 。 1、区域岩浆热演化作用、区域岩浆热演化作用 区域岩浆热演化作用：起源于岩浆向地壳浅部区域岩浆热演化作用：起源于岩浆向地壳浅部 侵入，但岩浆体未能进侵入，但岩浆体未能进 入烃源原岩层。入烃源原岩层。 二、岩浆热演化作用二、岩浆热演化作用 特点：特点： 1 1）等演化线或等演化面的产状往往与煤层的产状无关，只与等演化线或等演化面的产状往往与煤层的产状无关，只与 岩浆侵入体的顶面形态基本一致；岩浆侵入体的顶面形

17、态基本一致； 德国布腊姆舍岩体与沉积有机质等演化线之间的关系 （引自Teichmuller等，1982） 2 2）等演化带的宽度多窄于深成热演化作用，在水平分带等演化带的宽度多窄于深成热演化作用，在水平分带 和垂向分带中都是如此；和垂向分带中都是如此； 3 3）等演化线的展布方向往往与构造线方向不一致，表明等演化线的展布方向往往与构造线方向不一致，表明 浅部构造对区域岩浆热演化作用的控制作用相对较弱。浅部构造对区域岩浆热演化作用的控制作用相对较弱。 4）光学各向异性显微组分较为普遍，出现了镶嵌结构、光学各向异性显微组分较为普遍，出现了镶嵌结构、 似流变结构、裂解碳等各类新生光学结构；似流变结构

18、、裂解碳等各类新生光学结构； a各向同性体；b各向同性体，粗、细粒镶嵌结构； c球粒状各向异性热解炭；d中间相小球体 反射正交偏光 e粗粒镶嵌结构；f片状、纤维状粗粒镶嵌结构体； g球粒状各向异性热解炭；h各向异性丝质体 反射正交偏光 5）次生气孔较为发育，尤其是在镜质组中普遍可见；次生气孔较为发育，尤其是在镜质组中普遍可见； 6）同生矿物受到较为强烈的改造，黄铁矿等的重结晶明显；同生矿物受到较为强烈的改造，黄铁矿等的重结晶明显； 7）与同演化程度的深成热演化沉积有机质相比，氢含量、挥与同演化程度的深成热演化沉积有机质相比，氢含量、挥 发份产率、发份产率、H/C等相对较低；等相对较低； 8）蚀

19、变矿化现象普遍存在，广泛发育热液脉体，蚀变矿化现象普遍存在，广泛发育热液脉体， F、Cl、As 等与岩浆期后热液有关的元素往往较为富集，特别是流体等与岩浆期后热液有关的元素往往较为富集，特别是流体 包裹体，是一种良好的地质温度计和地质压力计。包裹体，是一种良好的地质温度计和地质压力计。 9）重磁异常：隐伏岩体的存在，正航磁异常重磁异常：隐伏岩体的存在，正航磁异常 2、岩浆接触热演化作用、岩浆接触热演化作用 岩浆接触热演化作用起源于岩浆与含沉积有岩浆接触热演化作用起源于岩浆与含沉积有 机质岩系或有机质的近距离或直接接触。机质岩系或有机质的近距离或直接接触。 岩浆高温的热传导、气水热液以及岩浆期岩

20、浆高温的热传导、气水热液以及岩浆期 后残余释放热导致沉积有机质发生演化，岩浆侵后残余释放热导致沉积有机质发生演化，岩浆侵 位时对地层造成的压力也对演化起到了重要推动位时对地层造成的压力也对演化起到了重要推动 作用。因此，岩浆接触热演化作用对沉积有机质作用。因此，岩浆接触热演化作用对沉积有机质 具有短时高温的作用特征。具有短时高温的作用特征。 岩基、岩株、岩床、岩墙、岩脉岩基、岩株、岩床、岩墙、岩脉 特征：特征： 1 1）变质范围窄于深成热变质和区域岩浆热变质；变质范围窄于深成热变质和区域岩浆热变质； 2）接触带接触带上被烘烤成天然焦或石墨；上被烘烤成天然焦或石墨； 3）变质程度、变质带宽度随离

21、岩体的距离而变化，且变质程度、变质带宽度随离岩体的距离而变化，且 分带明显：分带明显： 4 4）出现热变组分和热变结构，各向异性质、小球体等出现热变组分和热变结构，各向异性质、小球体等 镶嵌结构；镶嵌结构； 5 5）煤的工艺性质发生变化，煤的工艺性质发生变化，Vdaf、Hdaf、Qdaf、Cdaf Ad ； 6 6）常有围岩蚀变现象，变质岩、变质结构常有围岩蚀变现象，变质岩、变质结构 安徽淮北某煤矿煤的接触演化分带（引自杨起等，1979） 1 辉绿岩；2 二级天然焦；3 一级天然焦； 4 无烟煤； 5 贫煤；6 瘦煤；7 焦煤；8 焦肥煤；9 夹矸；10 采样位置 表 4-9 山东陶枣煤田陶庄

22、矿岩浆接触热演化煤的质量与距侵入体远近的关系（据吴传荣等） 采样点（由点 1 到点 8，逐渐远离侵入体） 煤质参数 1 2 3 4 5 6 7 8 Ad （%） 20.97 15.77 10.97 18.43 13.88 9.26 6.70 4.65 Vdaf （%） 11.44 7.38 5.05 9.98 15.84 29.00 31.76 39.30 湖南南部骑田岭花岗岩周围的煤级分带 （转引自韩德馨等，1998） 2 3 4 5 三、沉积有机质的动力演化作用三、沉积有机质的动力演化作用 美国学者怀特早在美国学者怀特早在19131913年就根据对北美阿帕年就根据对北美阿帕 拉契亚煤田的研究提出了煤的拉契亚煤田的研