热解和生物降解对木本泥炭生烃与结构演化的红外光谱响应
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本 泥炭 生烃 与 结构 演化 的红外 光 谱 响应
鲍 园 ， 琚 宜文 ，韦重韬 ， 王超勇 ， 李小诗
１ ． 中国 科 学 院 计 算地 球 动力 学 重点 实 验 室 ，中 国 科 学 院 大学 地 球 科 学 学 院 ，北 京 １ ０ ０ ０ ４ ９
特征及泥炭经热解 和微 生物降解 作用 后分 子结构演化特征 的
认识 ， 研究成果可为生物成 因气 、热成 因气 的生成演 化特征
及 生 烃 机 理认 识 提 供理 论 依 据 。
微生 物降解共 同作 用 下 的结构 变化 特征 与 生烃 机理认 识 不 足 。众所周知 ，热解 作用生成 的热成 因气与 微生物 降解作用 生成 的生 物成因气是煤层气 的主要成 因类 型［ ５ ］ ，而煤层气 的 勘探 开发 结果 也 已表明在较多含煤盆地 的煤层 内赋存着 生物
第３ ５ 卷， 第３ 期
２ ０ １ ５年 ３ 月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ５ ， Ｎｏ ． ３ ， ｐ ｐ ６ ０ ３ — ６ ０ ８ Ｍａ ｒ ｃ ｈ ，２ ０ １ ５
动ｓ 一０键在 ３ ５ ０℃之后 的样 品中出现且含量逐渐增加 ， 说 明其对微 生物 降解具抑 制作 用 ； 泥炭经微生物降 解 作用后 ，酚、醇羟基 、 醛羰基 、 芳香酸酯 、亚 甲基和磷酸根 的相 对含量都 大幅下降 ，且这些基 团的分子 间
作用力相对减弱 。
关键词
木本泥炭 ；热解 作用 ； 生物 降解作用 ； 分子结构 ； 红外光谱
现对成煤母质 （ 泥炭） 在 生物 降解 和热解作用过程 中生烃演化
结构 的演 化 。 傅里 叶变换 红外 光谱 作为分析物质 分子结构具
有独 特的优势 ， 在煤及煤层气 地质领域 已取得 广泛应 用 ， 也 取 得 较 多新 的 认识 ｌ ３ ］ ， 但是对 于成煤 母质 （ 泥炭 ） 在 热 解 和
热成因气和微生物降解作用生成生物成 因气 的生烃潜 力） 及发 生微生物 降解和 热解 作用 前后样 品的分子结
构变化特征及其机理 。 结果表 明随模拟 温度 的升 高 ， 热解气烃类 气体（ 主要为 Ｃ Ｈ ） 累计 产率逐渐增加 ， 非烃 类 气体 （ 如Ｃ ０ ２ ） 分别在 ２ ５ ０和 ３ ７ ５℃出现两个产气高 峰 ； 随煤岩镜质组反射率的升高 ， 微生物对其 降解 能力 逐 渐减弱 ； 镜质组反射率介 于 １ ． ６ ～１ ． ８ 的泥炭热 解样没 有气体 产出 ；泥炭经热 解作用 后 ，羟基含量 随 热解温度的升高先减少后增多 ， 醛 羰基 、 亚 甲基 和磷 酸根的含量 降低 ， 芳香酸酯呈不单一减少趋 势 ， 伸缩振
文献 标 识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ ｌ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３ — ０ ６ ０ ３ — ０ ６
中图分类号 ： Ｐ ５ １ １ ． ５
此， 选择木本泥炭作为初 始实验 样品 ，在实验 室条件下 ， 通
２ ．煤层气资源与成藏 过程教育部重点实验室 ，中国矿业大学资源 与地球科学学院 ，江苏 徐州 ２ ２ １ ０ ０ ８
摘
要
傅里叶变换红外光谱分析物质分子结构具有 独特 的优 势。为认 识成煤 有机质在 微生物 降解和热解
阶段的生烃演化特征及物质结构变化特征 ， 采用密封体系生烃 热解和厌 氧微生 物降解岩 样生烃物 理模拟实 验及傅 里叶变换红外光谱分析等技术手段 ，研究 了成煤母质 （ 木本 泥炭 ） 的生烃演化特征（ 包括 热解作用生成
与热混合 成因煤层气ｌ ６ ’ 。 泥炭 的形 成 过 程 是 有 机 质 缓 慢 聚 集 且 大 分 子 有 机 组 成 部
１ 实验部分
实验 原始样 品于 ２ ０ １ ２年 ５月采 自黑龙江省 哈尔滨 尚志
市 鱼 池 乡 机 械 化村 ， 为 现 代 沼 泽 剖 面 下 的 黑 褐 色 木 本 泥 炭 样 品， 采样深度为 ０ ． ２ ～Ｏ ． ４ １ Ｔ Ｉ ， 有 机碳含 量为 ３ １ ． ２ ５ ，有 机 硫含 量为 ０ ． １ ３ ， 样 品 有 机 质 类 型 为 Ⅲ型 。泥 炭 样 （ Ｎ Ｔ） 与热 解 样 （ 设定热解温度分别 为 １ ５ ０ ， ２ ５ ０ ， ３ ０ ０ ， ３ ５ ０ ， ３ ７ ５和
引 言
泥炭 在地质条件下经生物化学和物理化学作用 向煤 岩转 化过程 中会产生 甲烷气体 ，又称煤层 甲烷或煤 层气 ，而煤层 气作 为一 种重要的洁净天然气能源 ，已广泛地 引起 相关学 者 的关 注 ｌ １ ］ 。 在 泥 炭 向煤 岩 转 化 过 程 中 ，还 包 括 有 机 质 分 子
分不发生 降解 的作用过程¨ ８ ］ ， 对 泥炭样 品进行生 物降解与热 解生烃模 拟实 验可 反 映成 煤 有机 质生 烃 作用 全 过程＿ ９ ］ 。因
收 稿 日期 ：２ ０ １ ４ － ０ ２ － ２ ０ 。修 订 日期 ： ２ ０ １ ４ － ０ ５ — ２ １
基金项 目： 博 士 后 科 学 基金 项 目（ ２ ０ １ ４ Ｍ５ ５ ０ ８ ０ ９ ） ，国家 自然科 学 基 金项 目（ ４ １ ３ ７ ２ ２ １ ３ ） 和 国家科 技重 大 专 项项 目（ ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ３ ４ — ０ ０ ５ ；
过生物成因气模 拟产出实验和常规热压生烃热模拟实验来还
原成煤有机质在地质历史时期经历的生物降解 和热解作用过
程， 实验结束后收集 固体残渣 ， 并 用红外光 谱仪对 这些 固体 样品及实验前原始样品进行化学结构变化测试 ，收集实验过
程中产出的气体 ， 并对这些气体组分 进行分 析测试 ，以期实
鲍 园 ， 琚 宜文 ，韦重韬 ， 王超勇 ， 李小诗
１ ． 中国 科 学 院 计 算地 球 动力 学 重点 实 验 室 ，中 国 科 学 院 大学 地 球 科 学 学 院 ，北 京 １ ０ ０ ０ ４ ９
特征及泥炭经热解 和微 生物降解 作用 后分 子结构演化特征 的
认识 ， 研究成果可为生物成 因气 、热成 因气 的生成演 化特征
及 生 烃 机 理认 识 提 供理 论 依 据 。
微生 物降解共 同作 用 下 的结构 变化 特征 与 生烃 机理认 识 不 足 。众所周知 ，热解 作用生成 的热成 因气与 微生物 降解作用 生成 的生 物成因气是煤层气 的主要成 因类 型［ ５ ］ ，而煤层气 的 勘探 开发 结果 也 已表明在较多含煤盆地 的煤层 内赋存着 生物
第３ ５ 卷， 第３ 期
２ ０ １ ５年 ３ 月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ５ ， Ｎｏ ． ３ ， ｐ ｐ ６ ０ ３ — ６ ０ ８ Ｍａ ｒ ｃ ｈ ，２ ０ １ ５
动ｓ 一０键在 ３ ５ ０℃之后 的样 品中出现且含量逐渐增加 ， 说 明其对微 生物 降解具抑 制作 用 ； 泥炭经微生物降 解 作用后 ，酚、醇羟基 、 醛羰基 、 芳香酸酯 、亚 甲基和磷酸根 的相 对含量都 大幅下降 ，且这些基 团的分子 间
作用力相对减弱 。
关键词
木本泥炭 ；热解 作用 ； 生物 降解作用 ； 分子结构 ； 红外光谱
现对成煤母质 （ 泥炭） 在 生物 降解 和热解作用过程 中生烃演化
结构 的演 化 。 傅里 叶变换 红外 光谱 作为分析物质 分子结构具
有独 特的优势 ， 在煤及煤层气 地质领域 已取得 广泛应 用 ， 也 取 得 较 多新 的 认识 ｌ ３ ］ ， 但是对 于成煤 母质 （ 泥炭 ） 在 热 解 和
热成因气和微生物降解作用生成生物成 因气 的生烃潜 力） 及发 生微生物 降解和 热解 作用 前后样 品的分子结
构变化特征及其机理 。 结果表 明随模拟 温度 的升 高 ， 热解气烃类 气体（ 主要为 Ｃ Ｈ ） 累计 产率逐渐增加 ， 非烃 类 气体 （ 如Ｃ ０ ２ ） 分别在 ２ ５ ０和 ３ ７ ５℃出现两个产气高 峰 ； 随煤岩镜质组反射率的升高 ， 微生物对其 降解 能力 逐 渐减弱 ； 镜质组反射率介 于 １ ． ６ ～１ ． ８ 的泥炭热 解样没 有气体 产出 ；泥炭经热 解作用 后 ，羟基含量 随 热解温度的升高先减少后增多 ， 醛 羰基 、 亚 甲基 和磷 酸根的含量 降低 ， 芳香酸酯呈不单一减少趋 势 ， 伸缩振
文献 标 识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ ｌ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３ — ０ ６ ０ ３ — ０ ６
中图分类号 ： Ｐ ５ １ １ ． ５
此， 选择木本泥炭作为初 始实验 样品 ，在实验 室条件下 ， 通
２ ．煤层气资源与成藏 过程教育部重点实验室 ，中国矿业大学资源 与地球科学学院 ，江苏 徐州 ２ ２ １ ０ ０ ８
摘
要
傅里叶变换红外光谱分析物质分子结构具有 独特 的优 势。为认 识成煤 有机质在 微生物 降解和热解
阶段的生烃演化特征及物质结构变化特征 ， 采用密封体系生烃 热解和厌 氧微生 物降解岩 样生烃物 理模拟实 验及傅 里叶变换红外光谱分析等技术手段 ，研究 了成煤母质 （ 木本 泥炭 ） 的生烃演化特征（ 包括 热解作用生成
与热混合 成因煤层气ｌ ６ ’ 。 泥炭 的形 成 过 程 是 有 机 质 缓 慢 聚 集 且 大 分 子 有 机 组 成 部
１ 实验部分
实验 原始样 品于 ２ ０ １ ２年 ５月采 自黑龙江省 哈尔滨 尚志
市 鱼 池 乡 机 械 化村 ， 为 现 代 沼 泽 剖 面 下 的 黑 褐 色 木 本 泥 炭 样 品， 采样深度为 ０ ． ２ ～Ｏ ． ４ １ Ｔ Ｉ ， 有 机碳含 量为 ３ １ ． ２ ５ ，有 机 硫含 量为 ０ ． １ ３ ， 样 品 有 机 质 类 型 为 Ⅲ型 。泥 炭 样 （ Ｎ Ｔ） 与热 解 样 （ 设定热解温度分别 为 １ ５ ０ ， ２ ５ ０ ， ３ ０ ０ ， ３ ５ ０ ， ３ ７ ５和
引 言
泥炭 在地质条件下经生物化学和物理化学作用 向煤 岩转 化过程 中会产生 甲烷气体 ，又称煤层 甲烷或煤 层气 ，而煤层 气作 为一 种重要的洁净天然气能源 ，已广泛地 引起 相关学 者 的关 注 ｌ １ ］ 。 在 泥 炭 向煤 岩 转 化 过 程 中 ，还 包 括 有 机 质 分 子
分不发生 降解 的作用过程¨ ８ ］ ， 对 泥炭样 品进行生 物降解与热 解生烃模 拟实 验可 反 映成 煤 有机 质生 烃 作用 全 过程＿ ９ ］ 。因
收 稿 日期 ：２ ０ １ ４ － ０ ２ － ２ ０ 。修 订 日期 ： ２ ０ １ ４ － ０ ５ — ２ １
基金项 目： 博 士 后 科 学 基金 项 目（ ２ ０ １ ４ Ｍ５ ５ ０ ８ ０ ９ ） ，国家 自然科 学 基 金项 目（ ４ １ ３ ７ ２ ２ １ ３ ） 和 国家科 技重 大 专 项项 目（ ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ３ ４ — ０ ０ ５ ；
过生物成因气模 拟产出实验和常规热压生烃热模拟实验来还
原成煤有机质在地质历史时期经历的生物降解 和热解作用过
程， 实验结束后收集 固体残渣 ， 并 用红外光 谱仪对 这些 固体 样品及实验前原始样品进行化学结构变化测试 ，收集实验过
程中产出的气体 ， 并对这些气体组分 进行分 析测试 ，以期实