第8章-有机地球化学.ppt

1、,第八章 有机地球化学,本章的主要内容,地质体中的有机质特征 生物标志化合物 石油及天然气地球化学 煤的地球化学,本章的主要内容,有机地球化学是地球化学的重要分支之一。 主要研究内容：地质体中有机质的组成、结构及其发生、发展与演化的规律。 应用领域：能源、矿产资源、海洋、环境、生命科学。,一、地质体中的有机质,定义：指存在于沉积物、沉积岩中的各种有机化合物的总称。,成岩过程中残存下来的稳定性较高的有机物，如氨基酸、脂肪酸、卟啉等,主要来源,成岩过程中新生的有机物，如烃类、腐植酸和干酪根等,一、地质体中的有机质,沉积物中的有机质主要来自上覆的水体,在微生物的作用下进行分解而消耗,在水体有机质供应

2、充分或出于还原环境时，通过吸附、胶体絮凝等作用沉淀下来,沉淀方式： （1）水中的溶解有机质或颗粒有机质通过吸附作用与矿物颗粒（如粘土矿物）结合成大的颗粒体，沉淀下来进入有机物。 （2）胶体状的有机质通过絮凝作用变为絮状体，接着沉淀下来； （3）颗粒较大的有机质以及贝壳的骨骼通过重力作用沉到水底，进入沉积物中； （4）原地生成于沉积物中的有机质（如底栖生物和微生物提供的有机质）在沉积物沉淀的过程中将被直接掩埋在沉积物中。,一、地质体中的有机质,沉积物中有机质的含量、存在形式以及类型等，与有机母质的来源、水体中有机物的产率和类型、水体的物化条件和水动力条件、沉积颗粒的大小和沉积环境的等关系密切。,

3、在现代沉积物中，沉积物的颗粒越细，有机质含量越高。 在以砂沉积为主的高能环境中，有机质不稳定，其中有机质含量最低；粘土矿物中有机质含量较高。,页岩中有机质含量约为2.1%；碳酸盐岩中有机质含量约为0.29%；砂岩中有机质含量仅为0.05%。,总之，在一个能充分提供有机质的静水环境、细粒矿物、具有中等沉积速率的地区，沉积物中往往含有丰富的有机质。 在海洋的大陆架、大斜坡和海湾等部位，沉积物中有机物的含量一般较高。河流入海口的三角洲沉积物中一般也富集有机质。,一、地质体中的有机质,一、地质体中的有机质,沉积岩中有机质由两部分组成： （1）可用苯、苯-甲醇等有机溶剂萃取的可溶性有机物，称为可溶抽提物

4、，主要有饱和烃、芳香烃、杂原子化合物等组成； （2）干酪根：不能被有机溶剂萃取的不溶有机物。其含量占沉积岩中有机质的绝大部分（约90%以上）。,一、地质体中的有机质,干酪根的形成方式：,聚合,氧化,中间产物,聚合,干酪根,第二种：碳水化合物或蛋白质,聚合,腐植酸,聚合,干酪根,第一种：不饱和化合物,第三种：脂肪、碳水化合物或蛋白质,微生物作用,腐植酸,聚合,干酪根,根据干酪根形成母质的来源和性质,腐泥型：主要由动物和低等植物遗体组成，富含脂肪和蛋白质等分解产物，以脂肪烃结构为特点，H/C值大，O/C值小，生油潜力大,腐殖型：主要由高等植物遗体组成，富含木质素与碳水化合物的分解产物，以芳香结构为

5、特点，H/C值小，O/C值大，生油潜力大,定义1：又称分子化石、地球化学化石或指纹化石。指沉积物中的有机质以及原油、油页岩、煤中那些直接或间接来源于活的生物体的有机化合物。这些有机化合物在沉积岩成岩过程中具有一定的稳定性，没有或只有少量的化学变化，基本上保持了原始生物的碳骨架，具有明显的原始母质的分子结构特征，分子量高。 简单地讲，是指直接或通过早期成岩作用从活的生物体中继承下来的一类化学结构比较特殊的有机化合物。 生物标志化合物的组成与原始生物的种属和沉积环境的更密切相关，具有重要的研究意义：,二、生物标志化合物概念和研究意义,研究意义： （1）可根据生物标志化合物的分布特点、结构演化模式来

6、确定生油母质的来源、类型，判别其成熟度，进行原油对比； （2）重建沉积环境，恢复古生态特征； （3）研究油气运移规律、煤及煤成气成因； （4）确定生物输入源的类型。 在众多的生物标志化合物中，研究较多的有：正构烷烃、类异戊二烯烃、卟啉化合物、萜类化合物、甾类化合物和芳香烃等。,二、生物标志化合物概念和研究意义,1.正构烷烃：又称饱和直链烷烃，属于甲烷系的碳氢化合物，通式为CnH2n+2。,二、生物标志化合物主要类型,是石油的主要成分之一，广泛分布与活的生物体、沉积物和沉积岩中。,主要类型：（1）高分子量（nC25 nC33）奇数碳的正构烷烃； （2）中等分子量（nC15 nC21）奇数碳的正构

7、烷烃； （3）具有奇偶优势的正构烷烃； （4）无奇偶优势的长链正构烷烃。,生物体中以偶数碳原子为主的脂肪酸、蜡和以奇数为主的正烷烃是沉积物有机质的主要来源。,二、生物标志化合物主要类型,2.无环的类异戊二烯烷烃：是一类具有规则甲基支链的饱和烃，属无环的萜类。,特征：（1）分子中每隔三个碳链（-CH2-）具有一个甲 基支链，形成一系列化合物； （2）来自陆生高等植物的叶绿素和古细菌； （3）热稳定性和抵抗微生物侵蚀的能力大于正 构烷烃，但在热解的情况下高碳数能裂解 成低碳数。,可用姥植比（Pr/Ph）来指示环境。 （1） Pr/Ph1时，属氧化环境； （3） Pr/Ph4时，指示原油为陆相。,二

8、、生物标志化合物主要类型,3.萜类化合物：是指环状的类异戊二烯型化合物，可以看成是由含5个碳原子的异戊二烯（通式为C5H8）以首尾相连而成。 每10个碳链即2个类异戊二烯单元构成一萜，可分为单萜、一萜、二萜、三萜和四萜。五萜以上属异戊二烯额的高分子聚合物，不属于萜类。,萜类的热稳定性和抵抗微生物降解能力大于正构烷烃，所以能稳定的存在于地质体中， 成为重要的生物标志化合物。,二、生物标志化合物主要类型,4.甾类化合物：是具有四个环（三个六元环和一个五元环）的化合物。可以看做是由部分氢化和完全氢化的菲与一个环戊烷稠合而成。,特征： （1）广泛存在与活的生物体中，以酸、醇、酮的形式出现； （2）甾类

9、化合物的碳数范围在C27 C30。 （3）可用C27/C29或C27/(C28+C29)来判别有机质的类型。 （4）生物体和低成熟沉积物中的甾类属稳定性低的构型，随埋藏深度增加成熟度增高，通过异构化、芳构化和侧链断裂等方式向稳定性更高的构型转化。,二、生物标志化合物主要类型,5.卟啉化合物：基本结构是由甲川桥连接的四个吡咯环组成的，最基本的化合物是卟吩（游离卟啉）。,特征： （1）化学性质稳定且分布广泛的一类生物标志化合物，在原油、煤、沥青中均可出现，但含量较低； （2）卟啉的性质和结构与沉积环境和有机质演化有关，因此可用来确定生油岩、研究沉积环境、划分沉积有机质的成熟度、进行油源对比等。,三

10、、石油及天然气地球化学,1、石油的化学组成和类型,石油：是以液态形式存在于地下的碳氢化合物的混合物。 成分变化大主要受原始母质、形成条件和后期变化影响。 主要组成元素：碳、氢。 次要组成元素：氧、氮、硫、40余种微量元素。 烃类组成：饱和烃（约占57.2%）、芳香烃（约占28.6%）、胶质和沥青（约占14.2%）,石油与有机质微量元素含量分布极为相似，但与泥岩相差较大。,定义： 广义：一切经自然过程生成的气体。 狭义：指在沉积有机质演化过程中生成的可燃气体。,三、石油及天然气地球化学,2、天然气的化学组成和类型,三、石油及天然气地球化学,2、天然气的化学组成和类型,组成烃类气体和非烃类气体 烃

11、类气体中CH4所占比列最高，通过其与重烃的含量比例，可将天然气分为干气和湿气。干气不与油伴生，形成纯气藏；湿气常与油伴生。 非烃类气体包括CO2、H2S、N2和少量稀有气体。 类型（成因）生物成因气、油型气和煤成气。 生物成因气：指在成岩作用阶段，有机质经厌氧生物的发酵作用而形成； 油型气：有机质热裂解成油过程中与石油同时形成或过成熟阶段有机质和液态烃热裂解而成； 煤成气：煤系地层有机质在整个煤化过程中形成的天然气。,三、石油及天然气地球化学,3、石油和天然气形成的一般过程,石油和天然气是沉积有机质热演化过程的阶段性产物。演化过程可分为三个阶段： （1）成岩作用阶段； （2）深成热解作用阶段；

12、 （3）变质作用阶段。,成岩作用阶段：温度、压力低，促使有机质演化的主要营力是生物作用。,深成热解作用阶段：埋藏深度增加，温度持续上升，干酪根发生热降解，愈来愈多的C-C键断裂，生成大量的液态烃，并伴随一定量的气（主要有甲烷、乙烷、丙烷等）,三、石油及天然气地球化学,3、石油和天然气形成的一般过程,沉积物中的有机质,被微生物的新陈代谢所利用,转化为微生物的细胞,经缩合作用形成干酪根（生油母质）,变质作用阶段：温度进一步升高，干酪根中大部分侧链消耗殆尽，残余少量烷基侧链继续断裂，从干酪根生成的仅有少量甲烷。已形成的液态烃和重质气体裂解生成大量甲烷。,四、煤的地球化学,煤是沉积作用期间及期后，由植

13、物残体经过一系列的物理、化学和生物学变化而形成的，其中木质素、纤维素是成煤的主要组分。在煤形成初期，基本上是未变化的植物残体和泥煤，随着煤成熟度的增加，出现了大量的褐煤、烟煤和无烟煤。,1、煤的显微组成,四、煤的地球化学,煤的显微组成是研究煤成因的基础，也是煤岩学与煤地球化学相结合的枢纽。 煤中每一个可用显微镜鉴定的组分称之为一个显微组分或煤岩成分。,煤的显微组分,壳质组（或稳定组）：富类脂质植物遗体的残余物，如树脂腊、花粉、角质和藻类体。富含脂肪族成分，氢和挥发分含量高，碳含量低,镜质组（或腐殖组）：含木质素、纤维素的植物组织的残余物，如树皮、树干和树根等。富芳香族成分、氧含量高、挥发分和氢

14、含量中等,丝质组（或惰性组）：较硬的富碳脆性小颗粒，原始物质和化学成分 与镜质组相似，是丝碳化作用的产物，芳构化程度高，富含碳，氢、氧、挥发分含量低。,三种煤岩组分差异明显,四、煤的地球化学,四、煤的地球化学,煤中主要元素为碳、氢、氧，其次为硫和氮。 煤中还伴生有60余种微量元素，其中主要有V、U、Ga、Ge、Ni、Mo、Fe、Pb、Zn、Cu、Au、Ag等，且大部分元素含量都超过该元素的克拉克值， V、U、Ga、Ge、Ni、Mo在煤和煤系地层中可形成工业矿床。,2、煤的元素组成,矿床成因,生命活动，造成C、N、P、S、Fe、Si、Ca、Ba、Mn、I、Zn的聚集,生命有机体死亡后的聚积作用,化学方式，如V