第九章 有机地球化学

第九章有机地球化学第一节概述有机地球化学是地球化学的一个重要分支，是一门新兴边缘学科，主要研究天然产出有机质的组成，结构和性质，以及它们在地质体中的分布，转化和参与地质营力的作用等。

它与能源、矿产资源、海洋、环境和生命科学等重大生产和基础理论课题有着十分密切的联系，因而具有强大的生命力。

一、有机地球化学的基础研究领域当前有机地球化学的基础研究主要集中于以下几个方面：探讨整个地质体中有机质的成因与演化模式，包括有机质的演化模式与有机碳的演化模式；生物标志化合物的成因研究，即分子有机地球化学；干酪根的结构与性质；有机质的同位素组成，分馏与成因等。

（1）有机质演化有机质的演化是指生物死亡埋藏后，有机体的生物降解以及有机大分子的热降解与聚合，并最终转化为甲烷、水、二氧化碳和石墨等无机物的演化全过程。

现已建立起初步的有机质演化模式。

这一模式已为石油有机成因的观点奠定了理论基础。

（2）有机碳演化（前生期化学演化与古生物化学）有机碳演化是指天体演化，包括地球演化过程中，无机物质如甲烷、水、二氧化碳和氨等逐步演化产生简单有机化合物和生物大分子的过程，以及在生物圈出现后，这些有机质的进一步演化。

前一部分属于前生期化学演化，许多有机地球化学家正在从事这一研究，主要研究天体物质（月岩与陨石，包括我国吉林陨石，以及地球古老岩石）中的有机化合物，模拟天体（包括地球）早期演化环境条件的合成实验，如著名的Miller-Urey模型实验。

由于前生期化学演化的研究，生命科学已进入到一个崭新的阶段。

后一部分研究主要属于分子古生物学或古生物化学领域，目前开展得较差，但也十分重要，很可能是解决生物进化机理以及生物与环境关系问题的重要途径之一。

（3）分子有机地球化学分子有机地球化学是上述理论研究以及有机地球化学应用研究的基础，是目前最受重视而又已取得较大进展的领域之一。

分子有机地球化学的研究内容很广泛，包括在石油、油页岩、煤、金属矿床有机质，现代沉积物以及气溶胶、水、土壤样品中检出的各类生物标志化合物及其地球化学意义的研究；新生物标志物的结构与成因、演化研究，包括他们的分离、纯化、确认技术，以及标样合成、新的分子有机地球化学参数的探讨等。

例如最近几年发现的含硫等杂环化合物的起源，演化及有机地球化学指标研究。

（4）干酪根与煤的结构及性质干酪根与煤的结构性质的研究，例如通过不同母质类型干酪根的物理性质与热解产物的研究，特别是高等植物母质来源的Ⅱ型干酪根与煤的结构性质的研究，可以发展陆相生油理论与煤成烃理论。

（5）同位素有机地球化学目前，有机地球化学研究的一个重要进展是采用有机同位素质谱法研究个别有机化合物的同位素比值，从而探讨天然有机物质以及石油，天然气等能源资源的成因与演化。

在这方面，国际上几个著名实验室，如美国的卡内基研究所、英国剑桥大学和美国印第安那大学等有关实验室，曾研究氨基酸，卟啉和烃类等单个化合物的碳、氢、氮同位素比值，并发展了有机气相色谱-同位素质谱技术。

这项技术将特别有助于研究高成熟度的有机质，如天然气、凝析油、过成熟生油岩、黑色页岩等有机质，用于原油对比、油源对比、油气运移、天然气判识与气源岩对比等。

GC-IRMS仪的出现将把分子有机地球化学研究推进到一个崭新的阶段。

二、有机地球化学应用研究领域（1）石油有机地球化学由于有机地球化学的深入研究，石油有机成因理论取得了巨大的进展，特别重要的是石油成因理论的这种深刻变化已大大推进了石油资源的远景评价与地质勘探工作。

有机地球化学已被视为石油勘探的三大学科（地球物理学，石油地质学与有机地球化学）支柱之一。

当前在我国油气勘探中煤成烃（煤成气，煤成油）和高成熟海相地层油气成因评价研究十分重要。

较为薄弱的方面是烃类运移和盆地模拟等。

烃类运移的研究，特别是石油在生油岩中初次运移的机理及运移排烃效率的研究是当前石油成因理论中关键而又较为落后的一环，它直接关系到石油勘探特别是生油量计算问题，采用实验模拟与天然生油岩排烃剖面对比的方法，进行排出烃类的各种分子有机地球化学参数对比研究，并研究排烃后生油岩中各种有机岩石学等物理化学参数的变化，最后来用各种参数的综合数学模拟研究，可以有效地探讨石油初次运移机理与标志。

（2）沉积有机地球化学（海洋与湖沼有机地球化学）生物标志化合物的发现和研究也为沉积岩的成因与海洋沉积物的研究开辟了新的途径，在判别沉积环境（海相和陆相），物质来源（陆地植物来源和水生生物来源）及早期成岩作用等方面已提出了许多新指标：如指示陆源有机质的酚醛、一元羧酸，指示咸化盆地相的正烷烃偶奇优势，指示强还原环境的甾醇，指示成岩作用的卟啉等以及它们的立体异构体参数。

同时海洋沉积物的研究，也为有机地球化学，特别是石油与天然气成因的研究提供了重要的基础。

因此，有机地球化学已经成为海洋科学的重要组成之一，如著名的深海钻探工程（DSDP）20多年来就一直进行着海洋沉积物的有机地球化学研究。

（3）矿床有机地球化学铁、锰、磷、铝等沉积矿床及层控矿床在成因上与有机质有着十分密切的联系。

成矿元素从母岩中风化、迁移，以及在水盆地内的沉积过程中，有机质，尤其是腐殖酸起了重要的作用。

同时有机质在沉积矿床成岩改造过程中也起了积极的作用，从层状铅、锌矿的矿石与脉石矿物的包体中已发现石油烃类和脂肪酸等有机化合物。

通过金属-氨基酸络合物的加热试验又获得了各种类似天然产出的金属硫化物。

因而提出了这类矿床由类似油田卤水的成矿母液改造形成的观点。

1980年11月在美国华盛顿召开了第一次金属矿床有机地球化学的国际讨论会。

1989年华盛顿第28届国际地质大会、1990年英国诺廷汉第13届国际沉积大会和1992年日本京都第29届国际地质大会上，生物成矿作用和有机成矿作用研究都已成为重要的议题，受到国内外专家的关注。

（4）环境有机地球化学有机地球化学应用的另一重要领域是环境科学。

通过研究现代沉积物和大气飘尘中广泛分布的类脂化合物，特别是稠环芳烃（PAH），如苯、萘、菲、荧蒽、芘等化合物及其衍生物，可以深入了解因能源开发利用引起的有机污染物的成因与输入源。

环境有机地球化学的又一重要方面是通过研究第四纪冰期及间冰期沉积物，如大洋沉积物、湖泊沉积物和黄土沉积物中的有机化合物，有可能提供几十万年以来全球气候变化、生物输入和沉积环境等多方面的信息。

例如最近英国著名分子有机地球化学家G.Eglinton教授的实验室通过研究不饱和长链酮，建立了U37k古温度指标，并成功地应用于测定十几万年以来大洋沉积物古温度的变化；美国印第安那大学J.M.Hayes的实验室最近在研究类脂物中单个化合物的613C同位素时，提出了测定古大气二氧化碳浓度的新指标（古压力计）等。

三、我国有机地球化学发展概况我国有机地球化学是解放后从无到有发展起来的。

60年代以前还没有有机地球化学的专门研究机构。

随着我国石油工业的发展，石油部和地质矿产部石油局所属的一些部门，以及有关院校，开展了生油岩研究。

这些单位曾采用沥青A、沥青A的族组成和元素组成等有机地球化学指标，广泛研究了我国各油区，各层位（震旦系至第三系）的生油岩，积累了大量分析资料。

当时的石油部北京石油科学研究院和地质矿产部上海中心实验室有着较好的设备条件和技术力量，在生油岩研究方面做了大量工作，总结了我国陆相泥质生油岩的许多规律性认识，并且成功地在石油勘探中推广应用。

此外，各油田和普查大队的实验室也取得了一定的研究成果。

由于大庆等大型油田的相继发现与开发，我国在陆相生油理论方面做出了极其重大的贡献。

围绕陆相生油理论，中国科学院兰州地质研究所与有关单位协作，开展了我国某些浅水湖泊现代沉积物的有机地球化学研究，在总结大量资料的基础上，于1979年出版了《青海湖综合考察报告》。

该报告根据现代陆相湖泊沉积物中沥青的形成，论证了地质历史中陆相盆地的石油成因问题。

北京石油科学研究院则在60年代初就采用了一些重要的有机地球化学新指标，如卟啉、氨基酸等。

60年代末70年代初，中国科学院地球化学研究所筹建起我国第一个较完整的有机地球化学实验室，先后来用了气相色谱、红外光谱、顺磁共振谱、裂解色谱、色谱-质谱及高温高压模拟实验等技术，在引进和发展各项有机地球化学新指标，以及在石油演化、碳酸盐岩生油与吉林陨石有机质的研究等方面做了一定工作，并出版了我国第一本《有机地球化学》专著（1982），对我国有机地球化学的发展起了一定的推动作用。

近20年来，我国有机地球化学研究及其在油气勘探中的应用取得了突飞猛进的发展，成立了全国性的专业组织，召开了6届全国性有机地球化学学术会议（1982，1984，1986，1989，1992，1996），1987年在广州召开了全国青年有机地球化学家学术讨论会，1988年在北京召开了第二届亚非石油地球化学及勘探会议，还组织了其他有关的专业性会议，出版了或正在出版一系列高水平的有机地球化学和石油地球化学专著、论文集、年报等，在国内外刊物上发表了大量研究成果。

这些成果在我国石油勘探与评价中发挥了明显的效益。

一些重要领域如陆相生油理论、分子有机地球化学等方面的研究与应用水平，已进入国际先进行列。

第二节分子有机地球化学分子有机地球化学是有机地球化学的一个重要分支领域。

近年来，由于色谱-质谱技术的不断更新，分子有机地球化学，即生物标志物研究取得了重大进展。

我国分子有机地球化学研究，特别是陆相沉积物的生物标志物的研究在最近一些年内也取得了长足进展，例如生物标志物应用于未成熟原油的研究，陆相沉积环境的判识和新生物标志物的研究等。

我国在现代分子有机地球化学研究上起步较晚。

70年代末，中国科学院地球化学研究所、北京石油化工研究院分别采用国产色谱-质谱仪和进口色谱-质谱-电子计算机，开展了生物标志物的初步研究工作。

80年代初，石油部、地质矿产部和中国科学院的许多有机地球化学实验室都引进了C-GC-MS以及C-GC-MS-MS仪器，从而使我国分子有机地球化学研究呈现出可喜的局面，在短短七八年内从无到有，发展成为我国有机地球化学的一个极其活跃的分支领域。

不仅在新的生物标志物（如各种陆源萜类烃、含硫化合物）的检出、生物标志物的定性与定量技术等基础研究方面，而且在应用生物标志物进行陆相油气勘探评价方面，积累了大量资料，取得了长足的进展。

1986年，中国科学院有机地球化学开放研究实验室在贵阳召开的生物标志物与干酪根进展学术会议上，著名生物标志物专家P.Schenck教授、B.R.T.Simoneit教授和J.Connan博士等都对我国生物标志物研究方面取得的进展，给予了高度的评价。

汪燮卿等（1980）[57]和曾宪章等（1981）[64]在我国率先采用C-GC-MS仪研究了华北油田陆相生油岩和原油中的甾烷、萜烷。