有机地球化学国家重点实验室简介

有机地球化学国家重点实验室简介

1.1简介

有机地球化学是研究地质体中有机质分布、迁移、富集与转化的科学。生物死亡后的有机质演化及其地球化学过程均属其研究范畴。有机地球化学是当代地球科学最重要的分支学科之一，其发展壮大，与人类面临的能源、环境等问题紧密相关，因而具有强大的生命力。有机地球化学已形成石油地球化学、环境有机地球化学和生物有机地球化学等三个较稳定的研究方向。

有机地球化学国家重点实验室于1989年获批准建设，1992年11月通过国家计委组织的验收并正式对外开放。现任学术委员会主任为北京大学陶澍院士，实验室主任为张干研究员。实验室现有固定人员72人，其中科研人员53人，技术支撑人员18人，行政秘书1人。现有在站博士后22人、在读博士/硕士研究生203名。实验室现有中国科学院院士1人，基金委“杰出青年基金”获得者6人，基金委“优秀青年基金”获得者3人，中组部“万人计划”入选者3人。实验室总面积7700平方米。现有11类大型/超大型仪器/设施、18个专业实验室，截至2017年底，大中型仪器设备原值逾2.2亿元。

“十三五”期间，实验室主要在油气地球化学和环境地球化学两大研究领域，在深层油气资源与评价、非常规油气资源与评价、环境有机污染过程与风险管控原理、大气环境化学与区域空气质量改善原理等四个主要研究方向，承担重大研究任务，组织和部署基础性、前瞻性研究。同时，亦针对区域与全球环境变化，开展有机生物地球化学探索性研究。

有机地球化学国家重点实验室的精神，是“学，思，锲而不舍”（已故傅家谟先生的座右铭）。实验室的使命，是成为国际有机地球化学研究的卓越中心，服务于化石能源勘探和环

境保护，为国家能源安全供给与环境可持续发展，作出不可替代的贡献。

1.2委员会

学术委员会、顾问委员会

学术委员会主任：陶澍副主任：彭平安

委员（按姓氏笔划排序）：

丁仲礼马永生王子健王铁冠朱永官朱伟林朱利中刘文汇刘丛强江桂斌肖贤明余刚张水昌张文正张林晔陈建民金之均赵进才郝吉明郝芳钟宁宁俞汉青贺克斌骆永明耿安松秦勇翁焕新郭正堂陶澍盛国英梁狄刚彭平安戴金星

实验室主任

主任：张干

副主任：王云鹏（常务）、王新明、于志强、田辉

主任助理：丁翔、吴亮亮

室务会成员：张干、王云鹏、王新明、于志强、田辉、胡建芳

综合办公室：

周佳怡

汪立新

冯文彪

1.4研究方向

“十三五”期间，实验室将主要在油气地球化学和环境地球化学两大研究领域，在深层油气资源与评价、非常规油气资源与评价、环境有机污染过程与风险、大气环境化学与污染机

理等四个主要研究方向，争取重大研究任务，组织和部署基础性、前瞻性研究工作，保障国家能源安全，服务国家和地方环境可持续发展。

深层油气地球化学与资源：研究深层-超深层油气地球化学作用与资源效应。“十三五”期间，在保持现有烃源岩地球化学与生烃动力学技术优势的基础上，发挥我所在分子有机球化学、生烃动力学与有机质表征方面的技术特长，开展基础和前瞻研究。

非常规油气资源与评价：研究页岩油气、致密油以及煤成油气等非常规油气的成因、储存机理和资源评价方法。“十三五”期间的重点工作，包括页岩有机质的理化性质表征、页岩孔隙表征与页岩油气资源评价方法等，旨在服务我国非常规天然气的勘探与评价。

环境有机污染过程、效应与管控原理：研究有机污染物在环境中的来源、过程、风险、效应及其控制和修复原理。“十三五”期间的研究重点，是环境中毒害有机污染物，尤其是新型污染物的环境行为、暴露及其生态与健康风险，为国家和地方环境有机污染控制与风险管控提供科技支撑。

大气环境化学与区域空气质量改善原理：研究大气环境化学机制和污染机理。“十三五”期间的研究重点，包括大气复合污染的烟雾舱模拟、大气有机氮化学、二次有机气溶胶化学，以及挥发有机污染物与区域臭氧污染控制原理等，旨在服务我国大气污染防控与区域空气质量改善。

同时，实验室亦针对区域与全球环境演变，开展有机生物地球化学的自由探索研究。

图：有机地球化学国家重点实验室的“十三五”科研布局框架

1.5专业实验室

（1）页岩气资源评价实验室 (Shale Gas Evaluation Lab) 实验室功能

页岩气资源评价实验室包括6台仪器，主要是用于评价页

岩储集层的物性，包括孔径及孔隙度、渗透率、比表面积与页

岩吸附能力等参数，为页岩气的资源评价提供科学依据。实验

室有3名专门从事技术和研究的人员负责仪器使用、管理并指

导研究生做与页岩气储层评价相关的实验。

主要仪器

①场发射扫面电镜（FE-SEM，日立SU8000）。用于观测页岩纳米级孔隙发育特征及矿物能谱分析；可提供二次电子（SE）和背散射（BSE）图像；

②氩离子研磨仪（日立IM4000）。用于制备FE-SEM纳

米孔隙观测需要的页岩及其它岩石高平整度剖面；

③比表面积分析仪（麦克莫瑞提克ASAP2020）。通过测定N2、CO2等气体的亚临界吸附曲线，分析岩石比表面积和孔

径分布特征；

④磁悬浮高温高压吸附仪（荷兰安米德ISOSORP-HP Static II）。测定多孔材料在高温（至200 oC）高压（至

35MPa）下对非腐蚀性气体的吸附能力，可用于评价页岩气的资源潜力；

⑤氦气孔隙度测定仪（岩心公司UltraPore-300）。用于测定页岩等岩石的骨架体积及孔隙度，评价页岩等岩石的储集能力；

⑥脉冲衰减渗透率测定仪（岩心公司PDP-200）。主要用于测量岩石样品的克氏渗透率，评价页岩等致密岩石的渗透能力；测量范围为0.00001-10 md，可与岩芯夹持器连接使用，覆压最大可达60-70MPa。

页岩中的有机质孔研究实例：

富有机质页岩高温高压吸附曲线研究实例：

（2）有机岩石学与显微拉曼-红外光谱实验室(Organic Petrology Lab)

实验室功能

有机岩石学与显微拉曼-红外光谱实验室是包括多种显微观察分析和测定的综合技术平台，主要用于观测研究烃源岩中和

储集岩中分布的各种固体和流体有机质以及封存在矿物流体包

裹体中的各种含烃流体物质的物理化学性质和组成结构特征，

为油气成因和勘探评价提供科学依据；也可用于观测现代地质

环境中赋存各类有机质的形态和组成结构特征为环境地质评价

提供依据。实验室有3名专门从事技术和研究的人员负责仪器

使用、管理并指导研究生做有关有机岩石学方面的基本观测实验。

主要仪器

①3Y-Leica DMR显微光度计，用于测定固体有机质热演化程度的镜质组反射率VRo%；显微有机质的荧光曲线和色度和显微照相；

②- Linkam 600G冷然台-Leica DMR研究显微镜，用于

测定矿物流体包裹体均一温度、盐度，并配合显微图像分析系

统与PVTsim软件进行流体包裹体捕获压力和密度计算；

③实体荧光显微境用于观察岩心、岩屑等样品的形态、

空隙与荧光有机物质的分布特征；

④HORIBA-JY LabRAM全自动显微激光拉曼光谱仪，可以精确测定各种有拉曼活性物质的拉曼散射，特别是广泛用于测

定各种矿物岩石中的气体包裹体组成的拉曼位移和样品中固体

有机质的D峰，G峰，G’峰的拉曼位移数据用以计算热演化程度的拉曼反射率(LRo%)；

⑤HORIBA-JY Xplora精巧型多功能显微激光拉曼光谱仪，不仅适用于一般样品的快速拉曼测定，而且是第一台带荧

光系统的拉曼显微镜，便于拉曼测点的选择。此外便于安装Linkam 600G冷然台等温压系统，测定样品在不同温度压力条件下的拉曼位移数据；

⑥HYPERIONTM显微红外光谱仪（Microspectroscopy），主要用于分析荧光包裹体和烃源岩和干酪根有机组分的红外吸收特征、以及矿物、岩石、等大分子材料中非对称振动的红外光谱，为探讨物质的组成结构和油气源成因与对比提供科学依据。

显微激光拉曼应用研究实例：

包裹体研究：用显微激光拉曼观测分析和均一温度测定，首次在四川普光大气田储层中发现了拉曼位移在2910-2911cm-1左右的高密度甲烷包裹体（0.334g/cm3），在地层中的捕获压力达170MPa【科学通报2010,55(3-4)】；并在川东北下志留统黑色页岩石英中发现密度>0.38 g/cm3的高压甲烷包裹体，冷冻测定中出现甲烷的气、液、固三个相。

高密度甲烷包裹体均一温度测定照片

高密度甲烷与轻烃包裹体的拉曼光谱固体有机质研究：根据固体有机质拉曼光谱中的D峰，G 峰与G’峰的系统测定拉曼位移数据，建立了评价高演化固体有机质热演化程度的拉曼反射率（LRo%）的三个公式: LRo%=0.0538d(G–）– 11.13 (1)

LRo%=16.81h(Dh/Gh)–8.87 (2)

LRo%=1.11 h(Dh/Gh) + 2.71 (3)

光片中的中间相结构焦沥青

固体有机质的显微激光拉曼光谱图

有机岩石学观测中的透光、荧光和反光干涉照片

（3） Rock-Eval实验室 (Rock-Eval Lab）

实验室功能

岩石热解方法通过按预置升温过程进行的热解来研究岩石的含烃量和生烃潜量。释放的烃类通过FID检测，形成热解峰值S1（热挥发的游离烃，代表含烃量）和S2（有机质降解生成的烃，代表生烃潜量）。同时，热解过程产生的CO和CO2可通过红外单元进行实时检测，从而给出有机质氧化状态的信息。此外，利用扩展升温程序得到的CO和CO2含量可用于确定样品的总有机碳（TOC）和矿物碳（TIC）含量。根据TOC和S2参数可计算岩石氢指数（HI），结合S2峰最高值对应的热解温度（Tmax），可以评价烃源岩中的有机质类型。在Windows操作系统下使用ROCK 6软件可以直观便捷地进行数据采集。

主要仪器

Rock-Eval 6型仪器。该仪器是基于法国石油研究院的专利技术而建立的岩石评价设备。新改进的Rock-Eval 6型仪器拓展了岩石热解方法的应用领域，采用的新技术可以同时获得有机质含量和矿物碳含量；更准确的温度测量使该设备可用于动力学分析；更高的温度范围使TOC和Tmax的测量更准确（尤

其对煤和有机质的检测）。对储层岩的性质建立了专门的分析方法。

应用实例

（4）挥发性有机物（VOCs）实验室(VOCs Lab)

实验室功能

大气中的挥发性有机物（VOCs）含量虽微，却对区域和全球气候环境问题有重要的影响。非甲烷烃类（NMHCs）是形成光化学烟雾的重要前体物；人为排放的氟氯烃类（CFCs）等卤代烃是破坏臭氧层的主要因素；另有一些物质，如苯等具有健康毒害作用；一些含硫化合物，如羰基硫（COS）和二甲基硫（DMS），不但是空气中重要的恶臭气体，还是大气中硫酸盐的重要来源，对全球辐射和气候变化有重要影响；此外，还有一些VOCs物质具有较高的全球增温潜势（GWPs），是《京都议定书》中关注的重要温室气体。

挥发性有机物（VOCs）实验室是广谱高精度分析测量环境样品中VOCs组分和含量的技术平台。

主要仪器

（1）两套基于液氮冷阱捕集的多检测器大气VOCs分析系统：可广谱高精度分析采气罐（CANISTER）或采气袋采集的气体样品中ppt~ppb级的VOCs，与自制进样口结合亦可完成吸附管采集气体样品和水、土样品中VOC分析。空气样品通过三级冷阱（液氮）浓缩并除水（H2O）、除二氧化碳（CO2）后，VOCs经色谱柱分离后同时进入质谱检测器（MSD）、火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）三个检测器进行分析测量，三个检测器信号互相映证、互相补充，实现VOCs的广

谱、精确的定性定量分析。

（2）热脱附-吹扫捕集系统（Tekmar 3000 Purge & Trap Concentrator / Tekmar 2016 Autosampler / Tekmar 6032 AeroTrap Agilent GC-MSD）：既可分析吸附管采集气样中的VOCs，又可通过吹扫捕集分析水样中的VOCs。

（3）质子转移-飞行时间质谱仪（PTR-ToF-MS）：用于在线高频分析VOCs的组分和浓度，最低检测限可达5 pptv（1 min），质量分辨率可达2000 m/Δm。

（4）分析VOCs大气二次氧化产物的GC-MSD：用于分析典型人为源VOC（如苯系物）和自然源VOC（如异戊二烯和单萜烯）大气氧化生成的半挥发性有机物。

（5）自主搭建的GC系统用于分析CO2和CH4：CO2和CH4分析检测限可达10ppb左右，用于气体样品中CO2和CH4的高

精度测定。

（5）气溶胶物理化学实验室（Aerosol Physical Chemistry Lab）

实验室功能：

气溶胶物理化学实验室（Laboratory of Aerosol Physical Chemistry）主要研究化学反应对大气气溶胶颗粒物

化学成分、理化性质和环境及气候效应的影响。主要关注的理

化性质包括吸湿性（hygroscopicity）、云凝结核活性（cloud condensation nucleation activity）、冰核活性（ice nucleation activity）、光学性质和重要微量营养元素（主要

是铁和磷）的可溶性等。相关研究以实验室模拟研究为主，结合外场观测，并注重与数值模拟同行的紧密合作。

主要仪器：

蒸汽吸附分析仪（Q5000SA，美国TA Instruments）：用于测定不同温度（5-85摄氏度）和相对湿度（0-98%）下颗粒物的吸湿性（吸附水的含量）。

云凝结核计数仪（Cloud Condensation Nuclei Counter，CCNc 100，美国Droplet Measurement Technologies）：用于测定不同水蒸气超饱和度下（0-2%）活化为云滴的气溶胶颗粒

物的数浓度。

（6）单颗粒气溶胶及云雾凝结核在线观测实验室（Laboratory for real-time detection of individual particles and cloud/fog condensation nuclei）

实验室功能:

单颗粒气溶胶及云雾凝结核在线观测实验室是基于外场观

测大气单个气溶胶颗粒及云雾凝结核理化特征的综合技术平

台。实验室重点分析气溶胶及云雾凝结核的粒径、混合状态、

吸湿性和光学性质等理化特征；研究理化特征对二次气溶胶形

成、云雾形成及光学效应的影响；认识气溶胶的环境及气候效应。基于单颗粒的气溶胶理化特征分析从新的视角深化对气溶胶来源、老化过程及其环境气候效应的认识。综合性外场观测实验涵盖城市、城郊及高山背景站点，力求从区域角度深入认识气溶胶的形成、演变和其环境气候效应。

主要仪器:

①单颗粒气溶胶质谱仪（Single Particle Aerosol Mass Spectrometer, SPAMS）：该仪器由广州禾信仪器股份有限公司研制，利用空气动力学透镜作为颗粒物接口；利用双光束测径原理进行气溶胶粒子计数 (< 20个/s)和粒径分析

（100-2000 nm）；利用飞行时间质谱原理分析化学成分；最终实现单个亚微米气溶胶粒子粒径和化学组成的在线测量。

②地用恒流虚拟撞击颗粒物采样探头系统（Ground-based Counterflow Virtual Impactor Inlet System, CVI Inlet –Model 1205）是产生一个带有精确控制，过滤和加热的恒流气流，在探头的进口阻断某些大小粒径的颗粒进入探头。只有大

于某个可控的粒子大小的液滴可以穿过逆流区并进入到蒸发室中，在这水被蒸发，剩余干燥的凝结核粒子，作为CCN研究对象。

③吸湿串联电迁移率分析仪（Humidified Tandem Differential Mobility Analyzer, HTDMA）: 本系统包含了一台差分迁移分析仪、一台单分散气溶胶发生器和一套湿度控制系统；测量气溶胶颗粒的粒径分布和在相对湿度为10-90%条件下的吸湿增长因子（GF）。与SPAMS联用，可研究气溶胶混合状态、老化过程等对吸湿增长特性的影响。

④扫描电迁移率分析仪（Scan Mobility Particle Sizer， SPMS+C）用于在线测量亚微米级气溶胶的数浓度粒径分布特征。

⑤黑碳仪（Aethalometer, AE-33）用于在线测量气溶胶在不同波长（370 nm, 470nm, 520nm, 590nm, 660nm, 880nm, 950 nm）的光学吸收系数，获得黑碳（BC）的浓度。

气溶胶及云雾凝结核颗粒的单颗粒质谱特征实例：

气溶胶及云雾凝结核颗粒的粒径分布特征实例：