能源地质学第一章 沉积有机质的物质的形成与聚集

第一节沉积有机质的成因第二节近现代沉积有机质的物质组成第三节沉积有机质的聚集

第一章沉积有机质的形成与聚集一、沉积有机质的来源二、生物解剖结构与化学组成三、生物质向沉积有机质的转化

第一节沉积有机质的成因（一）概述1、有机质的定义包括一切生物体及其分解或合成的各种产物。

2、沉积有机质的分类

按成岩状态沉积物中有机质沉积岩中有机质

按聚集状态聚集有机质分散有机质一、沉积有机质的来源（二）自然界中有机碳的循环

1、自然界中碳的分类

类型形式

数量（t）有机碳

沉积体1.3×1016

生物体

(0.3~1.3)×1012无机碳（氧化碳）沉积岩中碳酸盐

6×1016

非沉积岩中碳酸盐

1×1016

海水中碳酸盐

5×1013

火成岩和变质岩（元素碳）

1×1016

溶解于海水中的碳

1×1012大气二氧化碳中碳

1×1012

还原碳：有机碳，如生物质碳氧化碳：无机碳，如碳酸盐岩元素碳：如石墨，金刚石沉积有机碳（还原碳）类型形式数量（t）

不溶有机碳

粘土岩和页岩

8.9×1015

碳酸盐岩

1.8×1015砂岩1.3×1015煤层(厚度>0.6m)

1.5×1013可溶有机碳储集岩中沥青

2.8×1014

储集岩中石油

2.7×1014

非储集岩中沥青

5×1011

非储集岩中石油

1.1×1011

2、自然界中碳的循环

图2-1有机碳及沉积有机碳的循环聚集聚集思考题：

1.有机碳循环的不完整性会造成什么样的结果？2.有机碳循环研究对化石能源矿产的地质意义？

初次循环二次循环

几天~几十年几百万年~数亿年

水、生物、大气圈岩石圈表层岩石圈表层岩石圈浅层沉积有机质化石能源矿产（三）沉积有机质的来源

图1-2生物进化与沉积有机质地史分布示意图（据钟宁宁、秦勇等，1995）图1-4沟鞭藻与世界特大型油田分布的关系（据何承全，1984）思考题：为什么到元古界末期才有煤层形成？（一）生物解剖结构

动物（细胞膜）低等植物植物高等植物根

表皮：角质层、腊质

茎

周皮：木栓层皮层：通气、吸收维管束：木质部叶：表皮、叶肉、叶脉二、生物解剖结构与化学组成缘孔图1-5高等植物茎干的解剖结构（据高信曾等，1978）管胞管胞木射线动物来源的有机碎屑往往是海相或湖相沉积有机质的一种重要赋存形式，古生界沉积岩中常见的动物有机碎屑来源于笔石、几丁虫、虫颚以及某些来源不明的动物有机体，均为现代已灭绝了的动物。图1-8笔石体形态及表皮解剖结构（据Goodarzi，1984）（二）生物质的化学组成

1、化合物组成

纤维素碳水化合物半纤维素

果胶质化合物木质素芳香族高分子聚合物蛋白质含氮化合物类脂化合物混合物（脂肪、蜡质）2、化合物稳定性序列（抗降解能力）蛋白质<色素<脂肪<半纤维素<纤维素<木质素<木栓质<种子皮壳<角质<孢粉素<蜡质和树脂3、化合物的化学结构4、化合物元素组成生物体化合物不同有机元素不同有机质的元素和生烃能力不同

表1-1植物及其化合物的元素组成

元素/%植物化

合

物

浮游植物菌类陆生植物纤维素木质素蛋白质脂肪蜡质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－－思考题1.生物质化合物的稳定序列及其原因？在沉积有机质研究中的意义？2.化合物在生物质中的分布？3.生物体的不同生物组成中有机元素的相对丰度及其地质意义？（一）沉积有机质形成过程1、作用过程

再循环

死亡

分配

生物作用吸收生物质降解产物物理化学作用大气、水体

埋葬作用沉积有机质气态分子和水分解产物：氨基酸，糖类等生物遗体其它小分子化合物合成产物：腐殖酸，沥青质沉积有机质生物残体有机碎屑：生物残体氧化－降解阶段还原－合成阶段沉积－埋藏阶段三、生物质向沉积有机质的转化3、影响因素生物体本身的化学组成影响因素水体的动力状态水介质性质（氧化还原、酸碱度、温度）

表1-2植物与泥炭有机质化学组成的比较

有机质来源

化合物组成（干燥基%）

纤维素木质素蛋白质沥青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）沉积有机质的形成作用

1、作用类型

泥炭化作用

对象：高等植物遗体

环境：沼泽、泥炭沼泽

反应：氧化、还原、合成

产物：植物残体＋腐植酸腐泥化作用

对象：菌藻类低等植物

环境：水体较深的滞流贫氧环境

反应：还原、合成等化学作用

产物：腐泥、软泥、残体、原生沥青质

图1-12凝胶化作用与丝炭化作用关系示意图

（据热姆丘日尼科夫等，1960）

丝炭化作用一、沉积有机质的三重属性二、腐植酸的化学组成三、可抽提沥青的化学组成

第二节近现代沉积有机质的物质组成

1、概述思考题：从哪些视角，采用哪些方法来研究沉积有机质？表2-2沉积有机质的三重属性

一、沉积有机质的三重属性沉积有机质三重属性

生物学属性

高等植物植物残体学低等植物古生物学动物岩石学属性

生物残屑，有结构的

有机岩石学高度降解产物，无定形成分

化学属性

不溶有机质（干酪根）有机地球化学可溶有机质（可提取物—水溶、水解、碱溶、有机溶剂）

2、不溶有机质（干酪根）

干酪根:不溶于有机溶剂的有机质浓缩物.

沉积岩中有机质的含量大都在0.5～1.5％之间，为了便于研究，往往要将其富集起来。物理方法干酪根的提取和分离方法化学方法物理化学方法

★物理方法浮选法、超声波法、电磁法、静电法以及基于矿物和有机质湿润性质差异的分离方法

★化学方法盐酸+氢氟酸溶解无机矿物

思考题:干酪根的制备及意义?

干酪根的类型及生烃贡献?2、可溶有机质

可溶有机质

水溶：热水可抽提有机质糖类、有机酸水解：强或弱酸纤维素、半纤维素碱溶：腐植酸

NaOH、NaP2O7有机溶剂：可抽提沥青沥青质、蜡褐煤蜡：110℃，苯抽提物>3%德国：12%~20%，最高50~60%云南：<9%

泥炭蜡：表1-3我国泥炭化合物平均化学组成（干基，%）泥炭类型有机质化合物组成水溶物+半纤维素水解物腐殖酸苯溶物木质素藓类29.545.9221.462.543.04

草本-藓类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）的定义

具有酸性、亲水性、吸附性和复杂多样结构的芳香性化合物。2、腐植酸的结构

0.001~0.1μm的球形微粒联成的团聚体，无定形高分子胶体。由芳核（单环、多环）、桥键（单桥、双桥）和活性基团（-COOH、-OH、-C=O、-OCH3、C-O-C）联结而成。

图1-14腐殖酸分子基本结构单元示意图（柴岫等，1990）

二、腐植酸的化学组成

3、腐植酸的产率与含量

腐植酸的产率（HAt）——碱溶一次抽提腐植酸的含量——碱溶多次抽提4、腐植酸的分类

有机质类型腐植酸的产率（HAt）泥炭10~50%褐煤120~80%褐煤2<20%根据溶解性质黄腐酸溶于酸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、腐植酸的成因判别（1）H/C、N/C、O/C原子比

图1-15腐殖酸成因判别的范氏图解（转引自Burand，1980）

1—海洋、湖泊水下沉积物2—寒冷气候或酸性介质3—热带潮湿气候4—干湿季节明显交替气候H/C海相和湖相软泥腐殖酸中的氢和氮总体上高于泥炭和土壤，但碳含量相对较低，造成氢碳比和氮碳比显著较高。（2）稳定碳同位素δ13C

光合作用的差异:

海水中的碳酸盐化合物，HCO３-1离子的δ13C在0‰左右大气中的CO2，δ13C分布于-7~-9‰之间

思考题：

1.腐植酸类型及元素组成与沉积环境的关系？

2.如何通过腐植酸来判断沉积有机质的成因？生物中腐殖酸海洋浮游生物海相沉积物腐殖酸陆生和淡水植物陆相沉积物腐殖酸δ13C/‰-13~-28-21~-23-14~-32-25~-271、可抽提物类型

溶于苯苯沥青（褐煤蜡、泥岩蜡）

溶于氯仿（CHCl3）氯仿沥青Ａ

二硫化碳（CS2）

二氯甲烷（CH2CL2）

2、氯仿沥青Ａ族组成

三、可抽提沥青的化学组成氯仿沥青Ａ族组成

烃类

饱和烃

芳烃非烃类胶质半流体状，溶于石油醚

沥青质黑色固体，不溶于石油醚思考题：氯仿沥青Ａ族组分研究的环境意义？1）生物质的烃类/非烃比率远远高于沉积有机质，表明在生物质向沉积有机质转化过程中生物烃类受到明显损失；2）海相和湖相沉积有机质的饱和烃／芳烃比率往往高于泥炭沼泽相，这是浮游生物脂肪含量较高而陆生植物富含木质纤维素的必然结果；3）泥炭氯仿沥青A中烃含量和烃类/非烃比率均具有藓类泥炭＞草本泥炭＞木本泥炭的特征，这同样与沉（堆）积介质条件、微生物活动性以及植物有机组成有关；4）年轻沉积有机质内从活的生物体中继承下来的直接烃类起着生物标记化合物的作用。第三节沉积有机质的聚集

一、陆地与海洋的沉积环境组合二、泥炭的聚集环境三、分散有机质的沉积分配四、沉积有机质的分布1、沉积有机质聚集条件1）足够生物量的供给；2）存在生物聚合物向沉积聚合物转化的环境条件；3）保证沉积有机质不被无机沉积物过分“稀释”而相对集中;4）沉积有机质形成后能够得以妥善保存而在一定地质历史中不被再次破坏。一、陆地与海洋的沉积环境组合沉积环境类型及其空间配置关系示意图（转引自任明达等，1985）

二、泥炭的聚集环境1、泥炭沼泽的概念地表土壤充分润湿，有季节性或长期性积水，而且生长了大量的喜湿植物，在地洼地带堆积有机质，并使其转化为泥炭层的地区。2、泥炭沼泽的形成水域沼泽化：由湖泊、河流、泻湖等水域转化而来陆地沼泽化：由陆地演化而来（存在草甸泥炭沼泽化

和森林泥炭沼泽化两种基本形式）3、泥炭沼泽的演化阶段

低位沼泽中位沼泽高位沼泽

（1）低位沼泽（营养沼泽）

地下水潜水面高于沼泽水面，地下水、地表水供应营养成分，生长富营养的植物，介质为中性或微碱性，泥炭厚、灰分高、沥青质含量和焦油产率较低。

（2）高位沼泽（贫营养沼泽或凸起沼泽）

地下水潜水面低于沼泽水面，仅有大气降水补给，沼泽水源供应不充足，水中缺少矿物质养分，尤其是中心地带植物残体分解速度慢，与沼泽周边相比，泥炭层凸起，水质介质为酸性，泥炭灰分低、有机质含量高，厚度较薄。（3）中位沼泽介于高位与低位沼泽之间的一种过渡类型，介质处于中性到微酸性。

泥炭沼泽完整发育过程示意图1－富营养泥炭；２－中营养泥炭；３－贫营养泥炭；4—潜水面陆地沼泽化水域沼泽化

浅水缓岸深水陡岸4（4）泥炭沼泽的垂向结构特征

氧化环境的表层垂向结构

过渡条件的中间层

还原环境的底层沼泽类型低位沼泽中位沼泽高位沼泽植物种类

高等植物

中等养分植物

中等养分植物

地理位置

地形低洼处

中等地形较高处介质特征

中性微碱性

中性－微酸性

酸性泥炭厚薄

厚薄

灰分含量

高中等低表2-2各阶段泥炭沼泽的特征4、泥炭堆积方式

（1）原地聚集（微异地聚集）底板“根土岩”，煤中陆源物质少，大面积稳定。

（2）异地聚集直接底板为粗碎屑岩，碳酸岩底板，斜插、倒立的树干和树桩化石。

河北易县易水河河湾异地成因泥炭层剖面图（据杨起等，1979）

5、泥炭堆积速率大气和土壤温度植物产率沉积环境植物残体的分解强度降解率泥炭产率沼泽类型及稳定性

增长率不同自然地带植物残体的堆积率与分解率（据柴岫等，1990）

自然地带最热月平均气温（ºC）

堆积率（t/ha）-1

分解率（t/ha）-1

极地冻原带苔原带针叶林带阔叶林带