2011 第八章 有机质的演化及其影响因素
有机质生烃演化的阶段性与生
地球化学特征
地球化学特征变化
随着有机质生烃演化进入成熟阶段，地球化学特征发生显著变化。该阶段的主要特征包括石油中饱和烃和芳香烃 含量增加，而沥青质含量减少；同时，天然气中甲烷含量增加，而乙烷和丙烷等较重烃类含量减少。
地球化学特征意义
成熟阶段的地球化学特征反映了有机质的演化程度和生烃潜力。这些特征对于判断有机质的生烃演化阶段、石油 和天然气的生成潜力以及油气勘探具有重要的指导意义。
热解产物
热解产物类型
在有机质生烃演化进入成熟阶段后，热解产物主要包括石油和天然气。石油主 要由饱和烃、芳香烃和沥青质组成，而天然气主要由甲烷、乙烷和丙烷等烃类 气体组成。
热解产物特征
成熟阶段的热解产物具有较高的石油和天然气产量，且石油的轻质组分较多， 而重质组分较少。此外，该阶段的天然气中甲烷含量较高，而乙烷和丙烷等较 重烃类含量较低。
05
有机质生烃演化影响因素
温度与压力
温度
随着温度的升高，有机质生烃演化速率加快，不同温度下有机质生烃演化阶段存 在差异。
压力
压力对有机质生烃演化的影响主要体现在对有机质分子结构的压缩和改变，进而 影响生烃过程。
时间与空间
时间
有机质生烃演化是一个长期的过程，随着时间的推移，有机质生烃演化阶段和产物也会发生变化。
04
过成熟阶段
生物标志化合物
姥鲛烷系列
姥鲛烷和植烷在过成熟阶段大量出现，是判断有机质生烃演化进入过成熟阶段的重要标志。
甾烷系列
随着有机质生烃演化进入过成熟阶段，C27、C29甾烷的丰度增加，而C28甾烷的丰度减少。
萜烷系列
过成熟阶段，三环葵烷和五环葵烷等高级萜烷大量出现。
热解产物
石油
深海沉积环境下的有机质来源及演化规律研究
深海沉积环境下的有机质来源及演化规律研究深海是地球上最广阔的生态系统之一，其沉积物中含有丰富的有机质，是人类了解地球史和现代生态系统的重要窗口。
深海沉积物源于陆地或来自海洋生物，其中的有机质来源及质量定义了深海生态系统的基本特征。
本文将探讨深海沉积环境下的有机质来源及演化规律研究。
一、深海有机质来源深海沉积物中的有机质来源有三种主要途径：陆源输入、海洋有机质输入和海底生物残骸沉积。
其中，陆源输入主要是因为陆地上的植被生长，植物和土壤在风化和侵蚀的过程中将有机质输入海洋；海洋有机质输入主要是因为海洋中微生物和浮游生物的活动产生大量有机质，也受到沿海湖泊、河流、河口和陆架的影响；海底生物残骸沉积则是由于海洋生物体死亡后残骸沉积造成的。
二、深海有机质演化规律深海沉积物中的有机质演化受到多种因素影响，包括有机质来源、沉积环境、物理化学作用和生物作用等。
根据有机质的化学结构和组成成分，其演化规律可大致分为以下几个阶段。
1.早期识别阶段在这一阶段，沉积物中的有机质可能只是来自海洋有机质或混合了来自多个来源的有机质，没有明确的成分组成信息。
此时，通过对沉积物样品中不同来源标志物的分析，如脂类、生物标志物、化石残留物等，可以识别有机质的来源。
2. 进一步成分分析阶段在此阶段，研究者需要通过各种化学手段对有机质进行精细的分析，以便确定其分子结构和成分组成，如气质联用、核磁共振等高级手段。
这种分析不仅可以确定有机质来源，还可以揭示沉积环境变化、气候变化、生命演化等重要信息。
3. 生物转化阶段深海沉积物中存在一些真菌和物种特殊的细菌，它们能对有机质进行一定的分解和转化。
这个过程称为生物转化。
真菌和细菌将有机质中的高分子化学物质分解成低分子的物质，并转化成相应的代谢产物，如二氧化碳和甲烷等。
这个过程对样品的分析和解释具有很大的影响。
4. 地化作用阶段在丰富的深海沉积物质源的作用下，发生的一些物理化学作用也会改变有机质的组成和结构。
第八章 有机质生烃演化的阶段性与生烃模式
干酪根演化过程中三个阶段的特征： （1）成岩阶段：刚形成的年轻干酪根结构松散、芳香片排列无序，缩聚 程度甚低，故镜质体反射率低，小于0.5％-0.7%，颜色较浅，荧光强。 含氧高，O/C原子比大。随着演化，O/C原子比迅速下降。总之，该阶段 主要以脱氧为特征。 （2）深成阶段：温度升高，镜质体反射率增大，Ro0.5-0.7%—2.0％， 干酪根开始降解，伴随着大量烃类的生成，H/C原子比迅速下降，干酪根 颜色由于芳核的缩合而发生明显的变化，逐渐变深，荧光减弱。该阶段 以主要以脱氢为特征。
（3）变质阶段：温度继续升高，镜质体反射率继续增大，Ro>2.0％，残 留的干酪根中仅含少量短烷基链。H/C和O/C原子比均降到最低值。干酪 根颜色变为黑色，荧光消失，芳香片层排列定向，干酪根形成了愈来愈 稳定的结构。该阶段以富碳、缩聚为特征。
第三节 生烃演化模式 —————————————————————————
第二节 干酪根的演化 ————————————————————————— 一、含量上的变化
实验室同样模拟出干酪根生成石油的过程。干酪根 在人工加温热降解过程中，先是生成液态烃，然后 液态烃裂解，生成气态烃。
法国石油研究院人工加热现代沉积物中的干酪根实验结果 （以产物占干酪根质量分数表示）
加热温度 ℃
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三、不同类型干酪根的生烃模式
不同显微组份生烃演化模式的比较 （据程克明，1990；赵长毅等，1996）
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第三节 生烃演化模式 ————————————————————————— 油气生成改进模式
第三节 生烃演化模式 —————————————————————————
一、成岩作用
对整个沉积体系而言，成岩作用的结果是将松 散的沉积物变成固结的沉积岩，主要的作用因素是 压实和胶结。但对有机质而言，成岩作用的主要结 果是形成干酪根，同时释出H2O、CO2、CH4、NH3、 N2 、H2S等，并伴有一定量的继承性的可溶烃类和 非烃类，该阶段起作用的主要因素是微生物（细 菌），在有利的条件下，可以生成大量的生物甲烷 气。
我国农田土壤有机质演变
土壤有机质是土壤肥力的基础和核心！ （1）有机质包含了植物生长所需要的许多营养元 素，大量元素N/P/K，中量、微量元素！ （2）土壤有机质维持和改善土壤的物理性状（容 重、孔隙度及其分布，保持水分能力……) (3)为微生物提高碳源（能源），促进土壤生物活 性和土壤养分有效性 提高土壤有机质是培育土壤肥力的根本，是保障国 家粮食安全（高产稳产、藏粮于土）的根本！
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变化速率 g/kg· yr -0.05 0 0 -0.1 0 0.48 -0.05 0 0.15 0.22 0 0.28 0.62 0.86
回归系数 0.66* 0.71** 0.82** 0.63* 0.78** 0.86** 0.82** 0.77** 0.89**
黑龙江哈尔滨
10 5 0 1990 1992 1994 1996 1998 年份 2000 2002 2004
2. 环境意义
（引自 Eswaren, 2002）
2. 环境意义
农田土壤有机碳约占全球土壤碳库10%， 其微小变化将引起大气CO2浓度较大波动； 增加农田土壤的碳固定，温室气体排放， 减缓气候变化
(CO2)/10-6
大气CO2的年输入量
增加陆地土壤的碳收 集与固定，减缓气候 变暖趋势
350 345 340 335 330 325 320 315 310
全国定位试验点分布示意图
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● CSFEN was established in 1990 ● There are 9 experimental sites in the network all over China Black soil Gray dessert soil Drab fluvo-aquic soil
课程设计 有机质成烃演化曲线和成熟度分区
课程设计内容一有机质成烃演化曲线和成熟度分区一、目的和要求有机质演化曲线和反射率等值线是反映盆地内某一油气源层中有机质成烃演化的基本图件，对认识有机质成烃的演化阶段，油气资源的远景评价和定量计算都有十分重要的意义。
本次设计要求完成某一成油气层的有机质成烃演化曲线和镜煤反射率（Ro%）等值线图的编制，并作简要说明，以便加深对有机质成烃模式及其演化阶段的认识，培养利用煤岩学的基本方法之一——镜煤反射率，对生油气层进行初步的评价和解释的能力。
二、步骤(1) 在课下复习好有关有机质成烃演化以及煤岩学方法在油气勘探中的应用等章节的内容。
(2) 阅读附表1所提供的资料，掌握某一生油气层的氯仿抽提物(g)/有机碳(g)的比值、烃(g)／有机碳(g)的比值、C24－C30正烷烃CPI值和镜质体反射率(Ro%)等随埋藏深度或(温度)的增加而发生的变化规律。
(3) 在坐标纸上确定纵坐标(深度)和横坐标氯仿抽提物(g)／有机碳(g)，烃(g)／有机碳(g)和CPl 的比例尺。
比例尺选择以能清楚表达曲线图为准。
(4) 根据附表1上提供的数据作出氯仿抽提物(g)/ 有机碳(g)的比值，烃(g)／有机碳(g)的比值和C24—C30正烷烃CPI值同深度的关系曲线。
在镜煤反射率散点图(图1)上以Ro(%)=0.5，1.2，2.0勾出反射率的等值线。
(5) 根据上述关系曲线，划分有机质成烃的演化阶段(未成熟、成熟、过成熟阶段)。
对各演化阶段的基本特征加以简单的小结。
（6）根据反射率等值线图以Ro(%)=0.5，1.2，2.0为界线用不同线条或不同颜色划分出有机质演化和成熟程度的不同区域(未成熟、成熟、过成熟区)。
阐明各不同成熟区的主要产物，及其对指导找油气工作的实际意义。
烃源岩中有机质的丰富程度和向油气的转化程度可以通过某些反映有机质丰度和成熟度的参数变现出来。
1．常用的有机质丰度指标目前常用的有机质丰度指标主要包括有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”、总烃含量（HC）和岩石热解生烃潜量（S1+S2）等，这些指标数值越大，意味着有机质越丰富，通常这比较有利于油气的生成。
第八章 有机质生烃演化的阶段性与生烃模式
沉积有机质的深成作用阶段，可以分两个温度段 来描述： （1）当地下温度增加到125℃以前，即在50－125℃ 范围内，干酪根由于受热而大量热降解生成烃类。此 时表现为可溶有机质数量迅速增加，这一温度段生成 的C15－C40的烃类，约占全部烃类生成总量的80－90 ％左右。沉积有机质在这一演化阶段中是处于成熟状 态，生成的主要产物为液态烃即石油。
2012-9-18
三、不同类型干酪根的生烃模式
不同显微组份生烃演化模式的比较 （据程克明，1990；赵长毅等，1996）
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第三节 生烃演化模式 ————————————————————————— 油气生成改进模式
第三节 生烃演化模式 —————————————————————————
第三节 生烃演化模式 —————————————————————————
一、有机质生烃演化（油气的形成 过程）的阶段性
未熟阶段 成熟阶段 成岩作用阶段 深成作用阶段
过成熟阶段
变质作用阶段
沉积有机质的演化阶段
1、未熟阶段
相当于有机质的成岩作用阶段，也就是干酪根的形 成阶段。该阶段沉积物埋藏浅，有机质经历的温度较 低，一般低于50～60℃，对应的干酪根镜质组反射率 （Ro）小于0.5%。 此阶段的化学作用过程以生物化学作用为主，故该 阶段也叫有机质的生物化学-地球化学作用阶段，有 机质演化的结果是形成了干酪根。
（2）当温度继续增加到大于125℃时，即在125－ 200℃范围内，此时将发生强裂的热裂解反应，它不 仅可促使干酪根上较短的侧链脱落，同时也可使原先 生成的较长链烃的碳－碳键发生断裂，而且这样形成 的轻质烃往往优于从干酪根上各种键断裂产生的烃， 结果就出现了以湿气和凝析油为主的阶段，即沉积有 机质的高成熟阶段。在这一温度范围内，C1－C3烃的 含量相对增加，其它较高碳数的烃含量则相对下降。 同时，残余干酪根的结构开始呈现聚合大于裂解的趋 势。
有机质的成烃模式及阶段划分
温度一般为80－150℃
该阶段生成的油气可占干酪根总生油气量的 70%－80%以上。
一般在Ro为1.0%左右时液态油产率达到最大值 生油高峰。
之后由于有机质生油潜量的不断消耗，油的产 率不断下降，天然气的产率则不断上升，气油比不 断增加。该阶段为正常原油形成阶段。
➢生烃门限
指沉积盆地中干酪根开始明显热降解生烃作用 的起始成熟度或深度。显然，生烃门限的概念不表 示形成未熟油的门限条件。
图标元素
医疗
图标元素
2．在随成熟度增加的整个生烃演化过程中，生成 的石油的物理性质和化学性质表现出有规律的变化：
密度降低，颜色变浅。化学组成中，杂原子化合物 （NOS化合物）丰度下降，低碳数化合物丰度增加， 碳稳定同位素δ13C变重，气油比（GOR）增加。用以 表征成熟度的参数值增加。
3．对有机质成烃模式的发展和改进主要体现在以 下三方面：一是强调可溶有机质和不溶有机质作为一 个有机联系的整体的相互转化；二是强调不同来源、 不同组成的有机质的成烃特征，包括成烃量、气/油比、 成烃门限、高峰、油窗宽窄等均有所不同；三是作为 干酪根晚期成烃模式的补充，提出了多种未熟－低熟 油的生成模式。
专著：黄第藩，张大江，王培荣等中国未 成熟石油成因机制和成藏条件石油工业出版社， 2003
质疑：
（庞雄奇等，2001）
我国储量最大、被视为未熟－低熟油典型代表
济阳坳陷八面河油田
成熟源岩主要贡献 + 未熟源岩的少量贡献
未熟－低熟的特征
生物标志化合物特征
第三节 碳酸盐岩有机质的成烃模式
在上世纪九十年代之前，我国的油气勘探更多集
被称为 有明显的正构烷烃奇偶优势
数量一般较少
第八章-2 有机质丰度评价指标---有机碳含量
体积法： 体积法：将产生的二氧化碳 经过净化进容量气管， 经过净化进容量气管，先计 量体积，然后用氢氧化钾吸 量体积， 收二氧化碳， 收二氧化碳，最后测量剩余 体积。 体积。从两次体积差计算二 氧化碳体积。 氧化碳体积。
容量法与库 仑法： 仑法：两者 都采用氢氧 化钡吸收二 氧化碳， 氧化碳，用 草酸标准溶 液检测剩余 的氢氧化钡。 的氢氧化钡。 库仑法则用
2、基本原理 、
将岩石样品粉碎至粒径小于 将岩石样品粉碎至粒径小于0.2mm，用盐酸 粒径小于0.2mm， 加热煮沸，除去碳酸盐后的剩余残渣（除去 加热煮沸，除去碳酸盐后的剩余残渣（ 无机碳），在高温有部分氧气存在的条件下 无机碳），在高温有部分氧气存在的条件下 ）， 将有机质燃烧成二氧化碳。 将有机质燃烧成二氧化碳。检测产生的二氧 化碳量并将其换算成碳元素的含量 化碳量并将其换算成碳元素的含量，最终计 碳元素的含量， 算出有机碳的含量。 算出有机碳的含量。
碳酸盐岩研究这些年越来越深入。 碳酸盐岩研究这些年越来越深入。由于我国 碳酸盐烃源岩多为古生界高成熟烃源岩 碳酸盐烃源岩多为古生界高成熟烃源岩，其 古生界高成熟烃源岩， 特征与国外有很大不同，TOC下限值为0.1% 特征与国外有很大不同，TOC下限值为 下限值为0.1% 。差烃源岩TOC为0.1%~0.2%，中等烃源岩 差烃源岩TOC为0.1%~0.2%， TOC为0.2%~0.3%，好的烃源岩TOC>0.3% TOC为0.2%~0.3%，好的烃源岩TOC>0.3% 。对不同地区不同演化阶段TOC划分标准， 对不同地区不同演化阶段TOC划分标准 划分标准，
油气测试分析技术与应用
第八章-2 有机质丰度评 第八章 价指标－ 价指标－有机碳含量
有机碳（ carbon） 是指沉积岩石中与有机 有机碳（organic carbon）：是指沉积岩石中与有机
2011油气地球化学考题(第一卷参考答案及评分标准)
密 封线姓名考试日期学号课程号教学班年级 课程名称专业《油气地球化学》 考试试卷（第一套）课程号3404007030考试时间 100 分钟一、名词解释（每题2分，共16分）1、立体异构立体异构是指具有相同的分子式和相同的原子连接顺序，但是由于分子内的原子在空间排布的位置不同而产生的异构2、稳定同位素根据目前的测试水平和技术条件，凡未发现有放射性衰变或裂变的同位素称为稳定同位素3、干酪根干酪根是指不溶于非氧化的无机酸、碱和有机溶剂的一切有机质 4、镜质体反射率指在油浸介质中测定的镜质体入射光强度与反射光强度的百分比。
（指在油浸介质中测定的镜质体反射率）。
5、有机成因天然气指沉积岩中分散状或集中状的有机质通过细菌作用、物理化学作用等形成的天然气6、地质色层作用适用专业年级（方向）： 资源勘查工程2008级 考试方式及要求：笔 试 闭 卷题 号一二三四五六总分 得 分 阅卷人密封线姓名考试日期学号课程号教学班年级课程名称专业油气在运移过程中，岩石矿物对石油中不同组分的吸附能力不同以及油气运移路径的差异等所引起的油气化学组成的变化称为地质色层作用。
7、生物标志化合物沉积物或岩石中来源于活体生物，并基本保存原始生化组分碳骨架的、记载原始生物母质特殊分子结构信息的有机化合物。
8、潜在烃源岩能够生成但尚未生成具有工业价值油气流的岩石。
二、填空题（每空1分，共30分）1、干酪根主要由芳核、侧链、含杂原子基团组成，从元素组成看，干酪根的热演化是 去氢 、 脱氧 、 富碳 的过程。
2、储集层中石油可能发生次生变化，其中 脱沥青作用、热蚀变作用 使原油性质变好， 生物降解、氧化作用、水洗作用 使原油性质变差。
3、实验室在分离石油的族组分过程中，通常用 正己烷 分离饱和烃，用 苯 分离芳香烃。
4、研究表明在相同演化阶段，油型气碳同位素相对富集 12C ，而煤型气碳同位素相对富集 13C ，成熟度相当或相近的 煤型气 碳同位素重于 油型气 。
第八章-影响有机质演化的地球化学因素
四、温度与时间的综合效应
时间和温度对生油门限的影响
资料来源
Albrecht Philippi Philippi Tissot
Connan
李永康等 周光甲等 王启军等 田克勤等 江继纲等 程克明等 梁狄刚等 杨少华等
地区
杜阿拉盆地 洛杉矶盆地 文图拉盆地
巴黎盆地 阿奎坦因盆地 法国卡马尔格盆地 沙巴苏洛海区 新西兰(海上)塔拉纳基
K E E E E K E E
地温梯 度℃ /100m 5.0 3.9 2.66 3.1 2.5 2.5
层组 年龄，
Ma 70 12 12 180 112 38 12 70 359 23
门限 温度，
℃ 65 115 127 60 90 106 120 80 62 95
门限深 度 m
1200 2440 2740 1400 3300 3250 3050 2900 1750 3350
•粘土矿物中蒙脱石是油气生成的很好的催化剂，伊利石次之， 实验证明至少有一半的脂肪酸脱羧基反应是由蒙脱石类的粘土 矿物起着催化作用。
第八章 影响有机质演化的地球化学因素
六、催化剂的作用
催化剂对反应速率的影响与浓度、温度的影响是不一样 的，后者并不改变反应的机理，而催化剂是通过改变反应机理 来影响反应速率的。催化剂的存在使反应活化能降低，加快反 应速率。
有机质生成石油烃类主要有两类反应，即C—C键断裂和脂肪 酸脱羧。其反应的活化能为60×4184J/mol，在实验室中只有 高于400℃下反应方可实现，而在沉积物中这类反应却可以进 行，它们的活化能为（20～35）×4184J/mol，表明在地质条 件下这类反应是在催化剂参加下完成的。在油气生成过程中催 化剂的催化作用在于催化剂与分散有机质作用，使后者的原始 结构破坏，促使分子重新分布，形成结构稳定的烃类。这种催 化剂主要有无机盐类和有机酵母两大类。
有机质在土壤中的类型及其转化关系
有机质在土壤中的类型及其转化关系引言：土壤是一个生命系统，其中包含着各种各样的有机物质，是农田、林地和自然生态系统中的至关重要的成分。
有机质在土壤中发挥着重要的作用，包括提供养分、促进土壤结构形成以及维持生物多样性等。
本文将探讨有机质在土壤中的类型及其转化关系。
一、有机质的类型有机质在土壤中的构成主要由三个部分组成，即植物遗体、微生物和土壤动物。
人们一般将有机质分为几种主要类型，包括植物残体、根系分泌物、微生物体和土壤动物体。
1.植物残体：植物残体是植物在生命周期结束后留下的遗体，包括树叶、枝条和根系等。
这些植物残体通过腐解和分解等过程逐渐转化为土壤有机质。
2.根系分泌物：植物的根系分泌物是通过植物根部排出的物质，包括根脱落物、蛋白质和酮等。
这些根系分泌物能够提供给微生物和土壤动物，进而影响土壤有机质的转化。
3.微生物体：土壤中的微生物数量庞大，大部分有机质的分解转化都是由它们完成的。
微生物包括细菌、真菌和放线菌等，它们通过分解有机质获取能量和养分，并将其中的有机碳固定为土壤有机质。
4.土壤动物体：土壤动物包括蚯蚓、线虫和昆虫等，它们通过摄食植物残体和微生物体等有机物质来源，并通过排泄作用将有机质转化为更加稳定的形态。
二、有机质的转化关系有机质在土壤中的转化过程是一个复杂的生物地球化学循环过程，包括有机质的输入、分解、转化和固定等过程。
1.有机质的输入：有机质的输入是指有机质进入到土壤中的过程，在农田中，主要包括植物残体的割草和在土壤中留下的根系残留物。
这些植物残体通过植物的呼吸和分解等过程逐渐进入土壤有机质循环过程。
2.有机质的分解：有机质的分解是指有机质中的碳、氮、磷等元素在微生物和土壤动物的作用下逐渐分解并释放出来。
微生物通过产生酶类分解植物残体中的纤维素和半纤维素等复杂碳水化合物，将其转化为简单的有机酸、糖和氨基酸等。
土壤动物则通过摄食微生物体和植物残体将有机质进一步分解。
3.有机质的转化：有机质的转化是指有机质中的碳、氮、磷等元素在土壤中相互转化的过程。
了解沉积物有机质分布规律推测古环境演化
了解沉积物有机质分布规律推测古环境演化沉积物是地球表面最重要的自然记录者之一，其中的有机质含量和组成可以为我们重建古环境和古气候提供重要线索。
通过了解沉积物有机质分布规律，我们可以推测古环境的演化过程。
本文将从有机质的来源、分布规律和古环境演化的推测等方面进行探讨。
首先，沉积物中的有机质来源复杂多样。
有机质主要来自陆地和海洋生物的遗骸和废物，也包括植物残骸、藻类和细菌的有机物。
陆地生态系统通过土壤侵蚀、河流冲刷和大气尘埃沉积等途径将有机质输入到湖泊、河流和海洋中。
此外，海洋生态系统中的藻类和浮游生物通过死亡和沉积也为沉积物有机质的来源做出贡献。
其次，在不同环境条件下，沉积物中的有机质含量和组成存在明显的分布规律。
从陆地到海洋，有机质的含量逐渐增加。
在陆地环境中，河流和湖泊的沉积物中有机质含量较低，主要集中在湖泊底部和河口。
而在海洋环境中，海底沉积物中的有机质含量较高，尤其是在富营养化区域。
此外，纬度和气候条件也会影响沉积物中有机质的分布规律。
在极地和高纬度地区，冰芯沉积物中常含有大量的有机质，而赤道地区则多为矿物质为主的沉积物。
沉积物中有机质的组成也可以提供关于古环境演化的信息。
通过对沉积物中有机质的分析，可以推测不同时期的气候条件、植被类型和陆地利用情况等。
例如，陆地植被的变化会导致沉积物中植物标志物的组成和含量发生变化。
通过分析沉积物中的花粉、孢粉等植物遗物，可以推测出古植被的类型和演化历史。
此外，不同类型的有机质在化学组成上也存在差异，如沉积物中脂肪酸、蛋白质和多糖等有机质的组成与来源密切相关，可以提供古环境演化的重要线索。
通过沉积物中有机质的分布规律，我们可以推测古环境的演化过程。
例如，在湖泊沉积物中，有机质的含量和组成在不同时期会发生变化。
当湖泊富营养化时，藻类和浮游生物的生产力增加，导致沉积物中有机质的含量上升。
而当湖泊进一步富营养化或者受到干旱等环境因素影响时，湖泊中的氧气含量减少，有机质的降解速率下降，导致沉积物中有机质的密度增加。
土壤有机质的形成与保持机制研究
土壤有机质的形成与保持机制研究土壤是大自然的恩赐，是生命的基础。
而土壤中最重要的一个组成部分就是有机质，其含量和质量直接影响着土地的肥力、农作物的生长和水循环等自然生态系统的健康。
有机质是由各种生物和非生物因素组合而成的有机物质，在土壤中扮演着重要的角色。
因此，有机质的形成和保持机制是研究土壤生态的核心之一。
本文将探讨土壤有机质的形成与保持机制，以期更好地了解这一领域的重要问题。
一. 环境因素对土壤有机质形成的影响环境因素是土壤有机质形成中极为重要的因素之一。
不同的气候、生物、土地利用和管理方式会影响到土壤有机质的生成和组成。
气候要素，如温度、降雨量和湿度等，会影响到有机质的分解和形成速率。
例如，高温和高湿度的环境会促进有机物质的分解，从而减少有机质的存储。
相反，在低温和低湿度的环境下，有机质分解速度会放缓，有机质的储存量则增加。
生物因素是土壤有机质形成中同样重要的因素。
微生物包括细菌、真菌和土壤动物等，它们在分解有机物方面发挥了重要作用。
土壤中生存的微生物，特别是真菌，可以分泌酶类，从而将有机物分解为更小的化合物。
微生物通过分解活性有机物、生物死亡和排泄物等来形成新的有机物。
土地利用和管理方式也会影响到土壤有机质形成。
不同的农作物种植、施肥和耕作方式等对土壤的有机质生成和流失都有影响。
例如，长期种植某些农作物，如玉米、小麦和棉花，会增加土地中的有机质，因为这些农作物的残留物质可以作为有机质的来源。
耕作方式也会影响到土地的有机质。
秸秆覆盖和无耕作方式可以减少土地中水分的蒸发，增加土壤有机质的量。
二. 有机物质分解与土壤有机质形成的关系有机物质分解和土壤有机质形成是土壤有机质的来源之一。
有机质在土壤中被微生物分解产生了能量和生物质，其中有机质的分解过程中释放的二氧化碳可以用作气候变化指标。
土壤微生物分解的生物质是有机质的主要来源之一，尤其是在理化因素影响下，如土壤pH、温度、湿度和土壤中的氧气含量等。
2.9 有机质演化生烃的影响因素
第二章石油和天然气的成因2.9 有机质演化生烃的影响因素不同深度沉积物中有机质与石油的元素组成（据C.E.ZoBell）深度物质类型碳，%氢，%氧，%氮，%硫，%浅↓ 深海洋腐殖泥52630110.8近代沉积5872490.6古代沉积739140.30.3石油85130.50.40.1 随埋深加大，氧、氮、硫逐渐减少，而碳、氢相对富集。
元素沉积岩中的有机质，%石油，%碳52 ～ 7183 ～ 87氢7 ～ 1011 ～ 15氧15 ～ 35痕量～ 4氮 4 ～ 6痕量～ 4硫——痕量～ 4沉积岩中有机质与石油的元素组成对比表有机质去氧、加氢、富集碳还原条件烃类沉积有机质向石油转化的作用符合化学动力学的一级反应。
-dC A /dt =KC A式中 C A —— 反应物（干酪根）在t 瞬间的浓度； t —— 反应时间；K —— 反应速度常数（降解速率）；负号 —— 反应物浓度随反应进行生成物增加而减少。
1974年，法国学者 J.Connan2.9.1 温度和时间K 0——指数前因子（频率因子）：单位时间单位容积内粒子碰撞次数（次/S .cm 3）； R ——气体常数（8.315 J/K.mol ）；E ——反应物活化能；T ——绝对温度（K ）（273.15+t ℃ ）；e ——自然对数的底（2.71828）RTE eK K -=0 K 值可由阿伦尼乌斯（Arrhenius ，1889）方程求得：有机质热解生油的速率随温度增加呈指数增加。
根据即反应时间的对数 ln t 与反应温度 T 成反比。
这说明在石油形成过程中，温度与时间共同决定着有机质演化的程度，二者存在着互相补偿的关系。
换算，可得时间—温度定量关系式：-dC A /dt = KC A RTE eK K -=0常数-⋅=TR E t 1ln当温度太低时，有机质热解速度很慢。
只有当温度升高到一定值，有机质才开始大量转化为油气，这个温度界限称为有机质的成熟温度或门限温度，其相应的深度称为门限深度，此即生烃门限。
影响土壤有机质转化的因素
影响土壤有机质转化的因素土壤有机质的转化受各种外界环境条件的影响，由于微生物是土壤有机质分解和周转的驱动力，因此凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机物质的分解和转化。
一、有机残体的特性新鲜多汁的有机物质比干枯秸秆易于分解，有机物质的细碎程度影响其与外界因素的接触面，从而也影响其矿化速率特别重要的是有机物质组成中的碳氨比（指有机物中碳素总量和氮素总量之比）对其分解速度影响很大。
氮是组成微生物体细胞的要素，而有机质中的碳则既是微生物活动的能源，又是构成体细胞的主要成分。
一般来说，微生物组成自身的细胞需要吸收1份氮和5份碳，同时还需20份碳作为生命活动的能源，即微生物在生命活动过程中，需要有机质的碳氮比约为25:1。
当有机残体的碳氮比在25:1左右时，微生物活动最旺盛，分解速度也最快，如果被分解有机质的碳氮比<25:1,对微生物的活动有利，有机质分解快，分解释放出的无机氨除被微生物吸收构成自己的身体外，还有多余的氮素存留在土壤中，可供作物吸收。
如果碳氮比>25:1,微生物就缺乏氮素营养，生长发育受到限制，不仅有机质分解慢，而且有可能使微生物和植物争夺土壤中原有的有效氮素养分，使作物处于暂时缺氮的状态。
所以有机残体的碳氮比大小，会影响它的分解速度和土壤有效氮的供应。
各种植物残体的碳氮比不同，禾本科的根若和茎秆的碳氮比为（50～80):1,故残体的分解较慢，土壤硝化作用受阻的时间也较长，而豆科植物的碳氮比为（20～30):1,故分解速度快，对硝化作用的阻碍很小。
此外成熟残体比嫩多汁残体碳氮比要高。
为了防止植物缺氮，并促使其迅速分解，在使用含氨量低的水稻、小麦等作物秸秆时应同时适当补施速效氮肥。
二、土壤的水分和通气状况有机质的分解强度与土壤含水量有关。
当土壤在风干状态（只含吸湿水）时，微生物因缺水而活动能力降低，分解很缓慢，当土壤湿润时，微生物活动旺盛，分解作用加强。
但若水分太多，使土壤通气性变坏又会降低分解速度。
沉积有机质的演化作用课件
沉积有机质包括多种类型，如腐泥型、腐殖型、 类脂型等。这些不同类型的有机质具有不同的化 学和物理性质，对沉积物的形成和演化产生不同 的影响。
沉积环境
沉积有机质的演化受到沉积环境的影响。通过对 沉积环境进行分析，可以了解古地理、古气候、 古生态等方面的信息。
演化历程
沉积有机质的演化是一个长期而复杂的过程，包 括有机质的生成、分解、氧化、还原等环节。通 过对这些环节进行分析，可以了解沉积有机质的 演化历程和演化规律。
沉积有机质的演化作用课件
contents
目录
• 引言 • 沉积有机质概述 • 沉积有机质的演化过程 • 沉积有机质对地质环境的响应 • 沉积有机质演化的未来趋势和挑战 • 结论与展望
01
引言
背景介 绍
沉积有机质是地球上生命的重要组成部分，它们在生物圈和岩石圈之间起到了关 键的桥梁作用。
在沉积学和地球化学领域，对沉积有机质的研究一直是一个热门话题，因为它们 可以揭示地质历史时期生物地球化学循环和环境变化的信息。
森林和草原等生态系统中的有机质能够吸收和释放大量 的碳，影响大气中的碳循环。
对水圈的影响
水圈是由海洋、河流、湖泊等水体组成 的复杂系统。
有机质可以影响水中的化学反应速度和 沉淀物的物群落和生态平衡。
沉积有机质在水圈中可以影响水的物理 性质，如颜色、气味、温度等。
综合性研究 沉积有机质的演化不仅涉及到生物学、化学、地 理学等多个学科，也将进一步推动多学科交叉， 促进综合性研究的发展。
挑战与问题
有机质保存的复杂性 有机质的保存受到多种因素的影响，如生物作用、化学作 用、物理作用等，其复杂性和不确定性给研究带来挑战。
全球变化的区域性差异 全球环境变化在不同地区表现出显著的差异，如何准确反 映这种区域性差异对有机质沉积的影响是研究面临的重要 问题。
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第四节 影响有机质演化的地球化学因素
涉及分解、聚合、裂解等反应
有机质
油气
反应将受到生物的和非生物的因素的影响
微生物、催化剂、温度、时间、放射性等
一、微生物的作用
这已在第六章第二节和本章第一节中介绍，这里 不再赘述。
二、温度（热应力）的作用
外冷
埋深增大所导致 的热应力增高
内热
干酪根裂解生成油气
断键裂解反应 × C——C 干酪根（有机质） 因此： 反应进程将在很大程度上受控于温度的高低。 油气
2930cm-1 ， 2860cm-1
峰迅速降低，表 明 大 量 CH3 、 CH2 基以烃类形 式排出 930cm-1 － 700cm-1 范围峰的出现反映 芳香环上C－H面 外弯曲振动 这是芳香核脱烷 基或是环烷烃逐 渐芳构化的结果
③ ④
第三阶段：
C＝O，CH3 、CH2 基团的峰继续下降 趋于消失，相当于 最 后 CH4 的 形 成 阶 段
六、干酪根颜色及荧光性的变化
干酪根的颜色可以作为反映成熟度的标志。
两种方法: 生物残体的颜色变化
牙形石 孢子 花粉 藻类
干酪根的颜色变化 随着成熟度的提高，二者的颜色均由浅变深， 由黄色到褐色、黑色。
一般来说
浅黄色、黄色 深黄色－浅褐色（浅棕色） 深褐色（暗棕色）－黑色
未成熟和低成熟 成熟阶段 过成熟
（2）0.5％＜Ro＜0.7％为深成阶段，有机质低成熟。 （3）0.7％＜Ro ＜1.3％为深成阶段，有机质达到成 熟，为主要的生油阶段 。
（4）1.3％＜Ro＜2％为深成阶段后期，有机质达到 高成熟，主要产湿气和凝析油。 （5）Ro ＞2％为有机变质阶段，有机质过成熟，主 要产干气。干酪根则经强烈的芳构化、缩聚而趋向 于形成仅含碳元素的石墨。
范特霍夫（Van’t Hoff）规则认为，当反应物浓度 不变时，温度每升高10K，化学反应速率一般增加 到2－4倍，即：
KT 10 V 2 ~ 4 KT
式中KT为反应速率常数，T为温度。 如果V＝2，则埋深到120℃时的反应速率约为温度为 20℃时的地表处的一千倍（210＝1024）
如果V＝4，则为约一百万倍。 可见，温度对成烃反应的速率有极其重要的影响。
表述温度与化学反应速率（常数）关系有更为准 确的方法，这就是阿仑尼乌斯公式。
K Ae
E / RT
式中 K —— 反应速率常数； E ——活化能（J· -1 ），使分子成为能发生 mol 反应的活化分子所需要的最低能量； A ——指前因子（频率因子）（S－1），使活化 分子发生有效碰撞的具有正确取向的碰撞频数（＝碰 撞总数· 正确取向的碰撞频率）； R ——气体常数（8.314J· -1· -1）； mol K T ——反应时绝对温度，K。
四、芳香烃随埋藏深度的变化
芳香烃随埋藏深度变化的特征与饱和烃类似。
芳香烃的生成量较少
下降的速度慢
说明芳烃化合物的化 学稳定性比饱和烃大。
埋深 环数 浅 多
深
少
五、不同类型干酪根形成烃类的演化特征
示意图
同盆地、同时代才有意义
图8—23 不同类型干酪根中正构烷烃和支链烷烃的生成与 埋深的关系
图8－24 不同类型干酪根中芳香烃和环烷烃的生成 和埋藏深度的关系
干酪根的碳 同位素组成
来源（先质） 同位素分馏效应 类脂化合物 轻 蛋白质 重 碳水化合物 重
干酪根的
脂族结构比较富含12C
杂原子结构比较富含13C
早期的成岩作用阶段：
优先脱去的是杂原 子化合物 有机质（干酪根） 逐渐富集12C。
深成作用阶段：
12C－12C键 13C－12C键
裂解 所需的能量
少 多 多8％ 少
碳同位素组成
重
干酪根 原油 轻 丁烷 丙烷 乙烷 甲烷 脂族链 杂原子
C－C结构同位素 组成逐渐烷与干酪 根的同位素组成就趋于一致。
第三节 可溶有机质的演化
含量 组成 性质 分子结构
埋深 浅 温度 低
干酪根的
有规律的变化
深
高
演化产物
可溶有机质
有规律的变化
干酪根的自由基浓度的变化
地质条件下
实验条件下
III型干酪根自由基浓度高，可能与III型干酪根富含芳香 结构，自由基能更稳定地存在有关。
五、镜质体反射率的变化
煤岩学研究中：
不受成分变化的影响
镜质体反射率
与有机质成熟度之间有着良好的相关性 又易精确测定
石油地质工作中：
分散有机质中镜质体组分的反射率来研究有机 质的热成熟度。
变化幅度小
变化幅度大， 容易识别
在成油阶段以 后不太稳定
镜质体反射率为什么可以成为有机质热演化程 度的指标？
热成熟过程中侧链裂解作为挥发份析出，干酪根本身的 芳构化和缩聚程度不断加大，形成更加密集的结构单元，从 而使透射率降低，反射率增高。
镜质体反射率随埋深（温度）的增加呈指数增长
常用的有机质成熟度Ro划分标准： （1）Ro＜0.5％为成岩阶段，有机质未成熟。
异构烷烃
正构烷烃 环烷烃
芳香烃 环烷烃
芳香烃
图8－25 在最大生油深度上由三种主要类型干酪根生成 的烃类组成（Tissot等，1978）（图中面积分别与每克有 机碳中各种烃类的质量成正比）
六、非烃随埋藏深度的变化
非烃化合物包括：
（1）胶质和沥青质，可以用氯仿抽提；
（2）其它的重沥青质化合物，只能用甲醇－苯 或者甲醇－丙酮－苯（MAB）混合溶剂抽提。 在浅层的沥青中胶质和沥青质含O、N、S多，随 着埋藏深度的增加，含量逐渐减少。
单体化合物
氨基酸 单糖 脂肪酸 酚 等
水溶解带走
微生物利用消耗
不溶作用 地质聚合物 腐殖质 干酪根 多聚体表面的亲水官能团逐渐减
缩聚
微生物作用下 通过活泼官能
团反应
少，从而导致有机质的水解性和 在酸碱溶液中溶解性逐步降低
有机质的成岩作用阶段 描述的是
生物体
干酪根
埋深范围：变化较大（几百m到几千m）。 控制因素： 温度（一般低于60℃）不是决定性的因素 微生物是主控因素
用紫外光或蓝光可激发出脂质组的荧光。当发荧 光分子聚合度加大时，就会因为吸收作用使荧光变弱。
未成熟
荧光强 成熟
多为绿色
黄色、浅褐色
荧光弱
Ro=1.3％时
荧光完全消失
七、热失重的变化
将有机质置于加热装置中，进行恒速升温热解， 测量样品在升温过程中因热解产物的消耗而引起的重 量减少，可得到的一条积分曲线。
12C－12C键 13C－12C键
热裂解过程中断裂的次数
生成的沥青 干酪根
碳同位素组成
轻（1－4‰） 重
生成物的碳同位素应该比反应物的碳同位素轻
演化
烃类
同位素组成轻
干酪根
残余干酪根
残余干酪根的δ13C同位素相对增加？
应该变重？ 不过： 还有一部分相对富集 13C 的杂原子基团脱去。
变化并不明显
原因： 轻的重的都损失
一、沥青和总烃含量随埋藏深度的变化
页岩中干酪根形 成 的 烃量 随 深度 （ 即 温 度 ）呈 对 数增 加 。 低值－高值－低值
低值－高值－低值
二、烷烃随深度的变化
1．饱和烃随埋深的变化
图8－14 杜阿拉盆地白 垩纪地层中的饱和烃和 芳香烃随埋深的变化
2．正构烷烃和异构烷烃 随深度的变化
图8－15 尤因塔盆地正构烷 烃和异构烷烃随深度的变化 （Tissot，1978）
930cm-1 － 700cm-1 谱带相对增强 ⑤
芳环上C＝C 的吸收谱带 突出
1610cm-1
反映了残余干酪 根中芳香结构不 断缩合并逐渐向 石墨演化
四、自由基浓度的变化
自由基是指共价键分子在均裂时，产生的带有不 配对电子的基团。 自由基的存在使物质具有顺磁性。电子顺磁共振 仪（ESR）可以通过测定顺磁性的强弱来反映自由基 的浓度。
这一阶段对应着石油形成的主要阶段。
埋深范围：可达数千米 控制因素： 微生物无法生存 温度大约在50－200℃，起主要作用
作用类型：热催化作用和热裂解作用 压力可高达几百个大气压
干酪根 较长的侧链 较短的侧链 脱落 断开 液态烃 气态烃 甲烷气（少量）
长链烃 碳－碳键
三、变质作用阶段
最低温度大约在200－300℃范围 沉积有机质的演化已经达到非常高的成熟阶段 芳构化作用增加 甲烷 焦沥青和石墨 最终产物 重质烃
干酪根
热降解率降低
缩聚现象增加 裂解
干气（甲烷为主）
第二节 干酪根的演化
含量 干酪根的变化 组成、结构 物理、化学性质
一、干酪根含量的变化
埋藏深度 （反映温度） 原因： 干酪根 不溶有机质 的相对含量 可溶有机质 的含量 可溶的油气
Tissot 等 ， 巴 黎盆地下托尔 辛页岩
二、元素组成的变化
第八章 有机质的演化及其 影响因素
保持浅埋 干酪根
相对比较稳定
沉降和沉积作用 成分、结构变化 干酪根 温度、压力 物理、化学性质变化 重排、断链
油气
干酪根 氯仿沥青“A”
随埋深（成熟度）
规律性变化
研究
油气的生成过程和机理
先了解有机质的成岩作用、深成（热解）作用 和变质作用。
第一节 有机质的成岩作用、深成（热解） 作用和变质作用
作用类型：生物化学作用和化学作用
沉积有机质经历了分解、缩聚和不溶解作用， 向干酪根演化。 化学特性和结构变化的趋势是：结构的缩聚程 度增高以及对强酸、强碱具有更大的化学惰性。
二、深成（热解）作用
埋深 浅 有机质
温度 低
压力 小
稳定性 强
深
高 脱官能团 碳链断裂