第八章有机地球化学

油气源对比：运用有机地球化学原理，合理选择对比参数，来研究油、气、源岩之间的相互
关系。揭示三者的成因联系，油气的运移的方向、距离和油气的次生变化，圈定可靠的油气源， 指导油气的勘探和开发。 油气源对比主要运用生物标志化合物及其相关比值。
（二）煤的有机地球化学
石油的原始物质主要是低等水生浮游生物，n(H)/n(C) = 1.5~1.8 %； 煤的主要成分是具有芳香结构的固体有机物，其原始物质主要是高等植物，n(H)/n(C) = 0.4~1.0 %；
14N/15N 16O/18O 32S/34S
微生物作用下的同位素分馏基于反应动力学，即不同同位素在关键单向反 应中的反应速率不同。
Δ (SO42-–S2-) = 25 ‰
有氧时，有机质转化为CO2；缺氧环境中，有机质被微生物发酵为甲烷，这个过程受
动力同位素效应影响显著，导致生成的甲烷中特别贫13C，δ13C为-50‰ ~112‰
R 为气体常数；
反应速度主要取决于活化能和温度。活化能越大，反应速度越低，反应需要较 高的温度进行；活化能与断裂的键能成正比。
简化为
反应时间的自然对数与绝对温度成反比直线关系。
反应时间的自然对数与绝对温度成反比直线关系；所以沉积有机质的演化过程 中成油岩时代越新，所需成油的温度越高。 温度对有机质的热演化起主导作用，反应速度随温度成指数增长，而随时间成
第八章 有机地球化学
主讲人： 梁建军
三 沉淀有机质演化的化学动力学
一级反应
其中：反应物初始浓度为 C0，t 时刻的反应物浓度为 C，K 为反应速度常数；
阿伦尼乌斯提出了反应速度常数 K 与绝对温度 T 的关系；其中，A 是频率因子， 即单位时间单位溶剂内粒子碰撞的速度；E 活化能，即反应需要的最低能量；
第五节 有机地球化学的应用
一 可燃有机矿产地球化学
可燃有机矿产：石油、天然气、煤、油页岩 （一）石油天然气地球化学
沉积有机质在早期成岩过程中，深度0~数百米，由于 细菌和微生物的化学降解，产生少量的烃类和挥发性气体。 其中烃类保持了原始有机质的结构特征，构成生物标志化 合物； 埋深超过1500~2500m时，有机质进入成熟阶段，经受 的温度较高60~200oC，发生热催化作用，产生大量的烃类。 此时的烃类在结构上明显不同于原始有机质，郑万庭、环 烷烃和芳香烃原子数和分子量逐渐减少，奇数碳优势小时；
埋深超过3500~4000m，高温裂解，高峰两液态烃急剧
减少，低分子量的正构烷烃显著增加，形成凝析油和湿气； 埋深超过4000m，进入变质阶段，高温高压，已形成 的液态烃和重质气态烃强烈裂解，形成甲烷，干酪根进一
步缩聚。
油（气）源岩：即烃源岩，指生成并排出过工业数量油气的岩石，泥岩、页岩和 碳酸岩，甚至是煤层。油气源岩的质量取决于有机质的丰度、类型和成熟度。 有机碳含量（>1%）、氯仿抽提物和烃含量是常用的有机物丰度指标。 鉴定有机物成熟度的指标为干酪根的镜质组反射率和生物标志化合物浓度。
线性关系。
压力对有机质的演化起次要作用，存在矿物催化剂时，有机质的演化以催化裂 化为主。
第四节 沉积有机质的稳定同位素化学
同位素分馏作用，导致有机质的稳定同位素组成有显著变化，可以据此确 定有机质的来源、沉积环境、形成和转化机制。 一 光合作用和稳定碳同位素
样品中12C含量越高，则δ13C值越负；
ຫໍສະໝຸດ Baidu炭化作用的结果之一是生成腐殖质。随着沼泽沉积物的堆积和水的浸没，体系处
生物大分子分解为单体分子，然后单体 分子聚合形成干酪根。这一聚合作用也
会影响同位素分馏，但影响较小。
由于12C–12C更易断裂 ，所以生成的轻 质烃中12C较为富集，剩余的干酪根随 时间延长，而更加富集13C
三 碳的单体同位素研究及意义
由于同位素分馏，导致沉积有机物中的稳定同位素不仅与其生物质来源有关，而且与环境 条件和后期的演化过程相关。 单体生物标志化合物碳同位素研究 基于两个假设：具有共同来源的有机化合物表现相似的同位素组成； 成岩阶段单体生物标志化合物得同位素得以保持。 目前研究较多的单体生物标志化合物主要为：正构烷烃，烃类，氨基酸和糖类。 对东京湾沉积物（3m柱状样品和地标沉积样品）的单体长链正构烷烃的碳同位素组成进 行分析。结果表明：0~40 cm，现今到1965年的C27~C33正构烷烃的δ13C值为-30.5~-28.2‰， 其中偶碳数的正构烷烃的碳同位素重于奇碳数正构烷烃；70~220 cm样品中C27~C33正构烷烃 的δ13C值为-29.6~-32.9‰，且没有奇偶碳数的同位素差异。对比当地高等植物石蜡和油污中 的正构烷烃二端元的混合模型发现， δ13C的差异是高等植物蜡和油来源的正构烷烃混合引起 的，并根据其分布分析得出东京湾的污染较严重的时间段为1960~1965年。
所有自养生化过程都优先富集轻同 位素。
植物光合作用中，碳循环主要遵循
卡尔文循环，其δ13C为-26‰ ±7‰
大气中的12C被富集到生物体内，自身剩余的13C含量增大。海洋中碳酸盐源于 空气中可溶的CO2，所以海洋碳酸盐中也富集13C。
二 沉积有机质演化过程中的同位素分馏 沉积有机质在成岩作用中的同位素变化因素： 微生物作用下的生物大分子脱基团作用； 抗分解能力强的组分易于保存。 会发生同位素分馏的元素包括：12C/13C H/D
成煤主要由四类有机化合物组成：糖、木质素、蛋白质和脂类。
煤的显微组分（显微镜下可以区分的有机组分）分为：镜质组、惰性组和壳质组。 镜质组：源于木质素和纤维素，富含氧，挥发性中等；
惰性组：成煤植物在泥炭沼泽时期经历不同形式和不同程度氧化得到的，碳含量最高（> 90 %），氢含量（< 5 %）、氧含量和挥发分都低。
壳质组（也称稳定组、类脂组）：源于植物中的类脂化合物，碳含量低，氢含量高（> 6 %），挥发分产率高。 煤的物理化学性质决定于三种组分的含量和煤化作用程度。 泥炭化作用（生物化学煤化作用）：以植物遗体为主的沉积物沉积速率和沉降速率相等时， 形成巨厚的沉积有机质堆积。然后，在微生物参与下发生生物化学和化学作用，有机质逐渐 转化为泥炭。