地球化学有机质类型与研究方法
地球化学中的有机地球化学
地球化学中的有机地球化学地球化学是一门研究地球化学元素的分布、运移、化学特性及其在地球圈层中的变化规律的科学。
有机地球化学则是研究有机物质在地球中的分布、特性、形成与演化的学科。
它是现代地球化学领域中的一个分支，与矿物地球化学、水文地球化学等有机结合，构成了地球化学研究的核心内容。
本文将从有机地球化学的研究对象、有机质的主要成分、有机地球化学古气候学、有机地球化学与环境科学等几个方面结合实例进行阐述。
一、有机地球化学的研究对象有机地球化学的研究对象包括石油、煤炭、天然气、沉积岩石等。
这些物质均含有不同程度的有机质，是现代人类社会生产生活的重要能源与原料资源。
石油、煤炭、天然气是含碳量极高的有机物，其成分除了含碳之外，还含有氢、氮、硫等元素。
石油和天然气是构成地球深部烃类资源的主要成分，而煤炭则是由大量的植物残骸在地质历史长期压缩和化学反应形成的，是地球上储量最丰富的燃料。
沉积岩石则是指岩石中含有可见的、经过生物化学反应后形成的化石和其他有机标志物的沉积物。
有机质最为集中的地方是深度较浅的沉积岩系。
研究沉积岩石中的有机质，有助于了解岩石的沉积环境、沉积旋回、海水温度、海平面变化等。
有机质通常包括一系列的生物标志物，如芳香烃、脂肪烃等，这些标志物具有结构独特、成分多样、稳定性高的特征，可以用来将岩石的沉积环境重建出来。
二、有机质的主要成分有机质的主成分是有机碳、有机氮、有机硫、有机氧等元素的有机物。
为了更好的理解有机质和岩石成因的关系，我们需要掌握有机质的具体特征。
（1）碳同位素组成燃料油、煤中的有机碳含量可以用碳同位素组成进行表征。
碳同位素组成是指不同样品中碳的不同原子量之间的比例，以表征碳源以及化学分馏过程。
同位素测量得到的结果是以δ13C ‰ (PDB) 的形式表示的。
其中δ13C为样品同位素组成相对于标准物质Pee Dee Belemnite（PDB）的偏移值，计算公式如下：δ13C ‰ (PDB) = [(13C/12C)样品/(13C/12C)PDB - 1] × 1000‰（2）生物标志物分析生物标志物分析是有机地球化学中的重要研究手段之一。
地球化学指标揭示古环境变化的过程
地球化学指标揭示古环境变化的过程地球化学是研究地球物质组成及其变化规律的学科，通过分析地球各种物质中的元素、同位素以及有机物，可以揭示地球的演化历史和古环境变化的过程。
地球化学指标作为重要的研究手段，为我们了解地球的演化历程提供了关键的线索。
一、地球化学指标的种类及其应用地球化学指标可以分为多种类型，如元素含量、同位素比值、有机质组分等。
每一种指标都承载着特定的信息，通过综合分析不同指标，可以更全面地认识古环境变化的过程。
1. 元素含量：地球化学元素的含量和分布在不同的环境条件下会有所变化。
例如，沉积物中重金属元素的富集程度可以反映气候变化和环境污染的程度。
研究人员可以通过测量沉积物中元素的含量，推测出古环境的变化情况。
2. 同位素比值：同位素是元素具有相同原子序数但质量数不同的核种。
同位素比值的变化往往与地质过程和生物活动相关。
例如，植物吸收不同同位素比值的碳，体现在大气中，可以通过分析大气中的同位素比值，了解古植被覆盖的变化。
3. 有机质组分：有机质是地球表面重要的碳储存库，其组分和组成方式直接反映了古环境的变化。
通过分析有机质中的各种化学组分，可以了解古生态系统的结构和功能的变化。
二、地球化学指标在古环境研究中的应用实例1. 元素含量的应用：锰元素在海洋沉积物中的含量可以反映海洋氧化还原环境的变化。
通过分析锰元素的含量，可以推测出过去海洋环境的亮度和湿度的变化情况。
此外，铅元素在湖泊沉积物中的含量可以作为工业活动和人类活动的指示物，用于研究工业化对环境的影响。
2. 同位素比值的应用：氧同位素的变化可以揭示古气候变化的过程。
通过分析沉积物和古生物中氧同位素的比值，可以推测出古气候的湿度和海洋环流的变化。
碳同位素的变化可以反映古植物生理活动和生态系统的演化。
通过分析古植物中碳同位素的比值，可以推断出古植被类型和古环境的变化。
3. 有机质组分的应用：通过研究沉积物中有机质的组分和来源，可以了解陆地生态系统的变化。
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
地球化学中的元素地球化学行为与地球形成机制研究方法
地球化学中的元素地球化学行为与地球形成机制研究方法地球化学是研究地球上化学元素存在、分布、转移和环境效应等方面的学科。
元素地球化学行为与地球形成机制研究方法是地球化学研究的重要内容，本文将介绍地球化学中的元素地球化学行为以及研究这些行为的方法。
一、地球化学行为的基本概念在地球化学中，元素地球化学行为是指地球上元素在地球系统中的分布、转换和循环等过程。
了解元素地球化学行为可以帮助我们揭示地球的起源、演化和变化规律。
元素地球化学行为主要包括以下几个方面：1. 元素在地壳中的分布：地壳是地球最外层的固体壳层，包括陆壳和海壳。
不同元素在地壳中的分布不均匀，有些元素丰富，而有些元素相对较少。
了解元素在地壳中的分布可以帮助我们研究地球的成分和地球壳的形成机制。
2. 元素的富集与稀释：地球上某些地方可能富集了某种元素，形成了矿床或矿点；而其他地方则可能存在元素稀释的现象。
这些元素的富集与稀释与地球内部、外部环境条件等有密切关系，研究这些现象可以帮助我们了解地球的资源分布和形成机制。
3. 元素的转移与迁移：元素在地球系统中可以通过地球体系内部和地球体系之间的相互作用进行转移和迁移。
例如，岩石的风化、溶解和沉积作用可以将元素从地壳中释放出来，进入水体或大气中。
了解元素的转移与迁移过程可以帮助我们揭示地球系统中不同组分之间的相互作用和能量传递规律。
4. 元素的循环和生物地球化学行为：生物活动对地球化学行为也有重要影响。
例如，植物的吸收作用可以将元素从土壤中吸收到植物体内，进而进入食物链。
动物的新陈代谢过程、有机物的分解和燃烧等过程也会影响元素的循环和地球化学行为。
二、元素地球化学行为研究方法为了研究元素地球化学行为，地球化学家采用了多种不同的方法和技术。
下面介绍几种常用的研究方法：1. 地球化学剖面方法：地球化学剖面是指沿着某一条地理剖面收集样品，并对其进行元素分析。
通过对地球化学剖面的研究，可以得到地壳中不同元素的含量、分布和变化规律，揭示地球元素地球化学行为的时空差异。
烃源岩地球化学
显微组分组成一、显微组分组成与有机质类型根据源岩干酪根所表现出来的化学性质，源岩中的有机质被划分为腐泥型（Ⅰ型）、过渡型（Ⅱ型）和腐殖型（Ⅲ型）三种类型。
这种有机质类型实际上是根据显微组分混合物的平均化学成分在van krevelen图解上的演化轨迹划分出来的。
有机质类型的差别，实质上是显微组分的差别（表2-12），由于镜质组、惰性组、壳质组和腐泥组构成了源岩有机质的绝大部分，所以也就是它们组成上的差别。
造成显微组分组成差别的原因，一是原始物源不同，二是沉积环境和微生物改造作用的差异。
对于煤层而言，有机质都是原地堆积的，原始物源的差别是最主要的。
而对于碎屑岩和碳酸盐岩，沉积环境的控制作用更明显，腐泥物质的形成往往与滞留缺氧的特定环境有关；惰性组、镜质组和壳质组等腐殖物质则是沉积物的碎屑成分，必然按其颗粒大小，形状、比重和抗磨蚀性被分选。
像惰性组分脆易碎，抗磨性差，经过不长距离搬运便成为细小的碎屑，但有时盆地边缘森林火灾形成的丝质体也可能被风力送至比较远的地方还见棱见角，呈比较大的碎片出现。
壳质组分比重小、性韧抗磨，其化学成分对地表地质营力的侵蚀破坏非常稳定，故而在煤岩学中也被称为稳定组分（liptinite），壳质组分很容易被水流、风力运送，散布在各种环境的沉积物中。
镜质组分的性质介于惰性组分和壳质组分之间。
若镜质组分的先质是腐殖溶胶的话，则可能出现在沉积盆地的较深水相带。
源岩形成于不同环境中，自然也就是有不同的显微组分组成。
1.Ⅰ型有机质（图版Ⅷ-1,2）Ⅰ型有机质的显微组分组成简单。
腐泥组含量60%以上，壳质组含量0—40%，镜质组+惰性组含量小于10%。
常见的富集的Ⅰ型有机质，如各种腐泥煤（藻煤、烛藻煤等），主要的显微组分是藻类体和沥青质体，孢子体也是腐泥煤的常见组分。
一般不存在惰性组分或偶尔见丝质体碎屑和惰屑体。
沥青质体作为基质，而藻类体A和孢子体则是被基质“胶结”的形态分子。
一些腐泥煤中，无结构镜质体含量可达15%左右，呈条带状、脉状出现。
第二章地球化学有机质类型与研究方法
1、岩石（土壤）样品索氏抽提法 利用加热有机溶剂在抽提器中反复回流，通过干净溶剂不断与样品接触，使有机质逐渐溶解出来，直至全部溶解于有机溶剂中，达到与矿物质相分离的目的。 溶剂：二（三）氯甲烷 碎样：粉碎至100目 脱硫：加活性铜片 过程：连续抽提72小时
二、地质体中有机质类型 地质体中的有机质是生物体有机组分，在成岩作用过程中的残留物及演化产物。残留物是动植物中稳定的化合物，其碳骨架不变，只是发生脱官能团、氢化等作用，如色素（如卟啉等）；而新产生的有机物则破坏了原始碳骨架，形成了不同结构的有机化合物。 在有机地球化学中将地质体中有机质划分为五类： 1、类脂化合物 在生物化学中中指能溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂而不溶于水的一类有机合物，包括烃类、醇类、脂肪酸等及其衍生物。 烃类：主要有烷烃、烯烃、炔烃、萜烯、芳香烃、环烷烃及类异戊二烯等； 醇：自然界产出的醇主要C14~C34脂肪醇； 脂肪酸：C10~C35脂肪酸
岩样
抽提
沥青A族组分分离
沉淀沥青质
芳烃组分
可溶部分
饱和烃组分
非烃组分
络合
正构烷烃
异构/环烷烃
不同环数芳烃分离
有机酸、醇分离
粉碎至100目
氯仿索氏抽提
岩石残渣
干酪根分离
原油分离
沥青质
柱层析、薄板层析
正已烷或石油醚
氯仿/乙醇
二氯甲烷
石油醚
GC、同位素
GC、GC/MS
GC、GC/MS
GC、GC/MS
岩石、原油样品具体分析流程：
2、油砂、沥青样品的冷泡法 将油砂、沥青样品破碎后，在玻璃器具中，用有机溶剂（如二氯甲烷）浸泡，一定时间后用过滤法分离有机萃取物。
地球化学在石油勘探中的应用
地球化学在石油勘探中的应用地球化学是研究地球化学元素在地球上的分布、循环和变化规律的学科。
在石油勘探中，地球化学技术是一种非常重要的工具，能够帮助勘探人员确定油藏的类型、评估石油资源和预测油田的开发潜力。
本文将介绍地球化学在石油勘探中的应用。
一、沉积岩中的有机质分析地球化学技术可以通过分析沉积岩中的有机质，确定有机碳含量、有机质成熟度和有机质类型等参数，从而判断沉积岩中是否具有形成石油和天然气的潜力。
通过对有机质的热解实验和热模拟实验，可以评估油源岩的成熟度，进一步推测石油的生成和运移过程。
二、地球化学勘探寻找石油和天然气地球化学技术可以通过分析土壤、岩石、地表水、地下水、矿泉水等不同介质中的石油和天然气示踪物，帮助确定潜在的油气藏。
通过研究这些示踪物的组合和特征，可以找到富集石油和天然气的区域，指导勘探人员开展准确的勘探工作。
三、地球化学技术在油藏评价中的应用地球化学技术可以通过研究油藏中的岩石、矿物和流体等样品，了解油藏的物理性质、化学特征和地质背景，对油藏进行评价和描述。
通过分析油藏样品中不同石油组分的比例和性质，可以判断石油的类型、质量和资源量，为石油开发提供重要依据。
四、地球化学技术在油田开发中的应用地球化学技术可以通过分析石油田中的油气示踪物和地层水的化学组成，了解石油田的产油机理、油藏补给方式和储量分布规律，为油田的有效开发和提高产能提供科学依据。
地球化学技术还可以帮助调查地下水对油气开发的影响和石油污染的防治措施。
五、地球化学技术在环境保护中的应用随着石油勘探和开采的不断深入，环境保护成为一个重要的问题。
地球化学技术可以通过分析地下水、土壤、沉积物和大气等介质中的石油污染物，了解石油的分布、迁移和转化规律，为石油污染的防治提供科学依据。
总结：地球化学技术在石油勘探中起到了至关重要的作用。
通过分析沉积岩中的有机质、勘探寻找石油和天然气、油藏评价和油田开发中的应用以及环境保护方面的应用，地球化学技术为石油勘探和开发提供了全方位的支持和指导。
有机地球化学
腐殖酸成分变化由沉积环境、有机母质类型、聚合 程度和成熟度决定。如海洋和湖泊腐殖酸主要来自 藻类；泥炭和煤源于高等植物。腐殖酸中元素组成 幅度很大，总体分子量很大
2、腐殖酸的物理-化学性质
腐殖酸通常呈黑色、棕色、黄色胶体状 态，具有很强的吸附性和吸水性
1.胶体性质—强吸附功能 2.有明显的酸性 3.亲水性
主碳峰n-C15、n-C17和n-C27、 n-C29，前者为燥类后者为高等 植物，混合源
（2）指示沉积物的成熟度（CPI值）
（3）指示环境的氧化-还原条件
正烷烃偶碳优势出现在强还原环 境或有蒸发盐、碳酸盐产出环境。
以伊利石和蒙脱石为催化剂时， 形成奇碳优势正烷烃。
7.2 可燃类矿床的有机地球化学
➢3.石油化合物组成：这些烃类可以划分为3
个系列：①链烷烃（石蜡）；②环烷，环状类 型的烃类；③苯型的烃类。
➢4.石油的热力学条件。 ➢5.石油的原始母质
7.2.2.2 我国海相石油地球化学研究
石油主要产在海相沉积盆地，我国以湖相沉积盆地 为主。但碳酸盐在我国分布非常广泛，尤其是东部 地区，大面积分布的海相新元古宙至三叠纪碳酸盐 地层累计厚度超过10km。新疆寒武纪、二叠纪和 第三系海相岩层中含有碳酸岩，在这些碳酸盐岩为 主的海相沉积中广泛产出石油、气苗，而且已发现 许多属于原生成因工业油、气藏。针对这套地层海 相碳酸盐岩地层，尤其是南方碳酸盐岩地层具有有 机质含量低、热演化程度高的特点，许多研究单位 对其进行了有机地球化学研究，对碳酸盐岩生油与 碳酸盐岩生油评价等有关问题进行研究。
7.3.1 有机质对金属的富集作用
7.3.1.1 7.3.1.2 7.3.1.3 7.3.1.4 7.3.1.5
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干酪根的镜下(透射光)照片
干酪根显微组分—藻类体（荧光）
干酪根显微组分—孢子体（荧光）
三、有机质的地球化学演化
在成岩作用早期：大部分生物大分子，如蛋白质、多糖类将在细菌 作用下，迅速分解小分子化合物，如氨基酸、单糖等；然后这些化 合物相互作用，聚合成腐殖酸等物质；最后形成干酪根。 在成岩作用后期：干酪根在温度作用下，相继裂解成石油和天然气； 最终转变成石墨。
2、氨基化合物 包括胺、氨基酸、含氮环状化合物。
胺：是氨分子中的一个或多个氢原子被烃基取代的化合物； 氨基酸：组成蛋白质的基本单元； 一些含氮环状化合物：
3、色素 包括叶绿素、血红素、叶黄素等及它们的演化产物卟啉等。
4、碳水化合物 各种糖类和纤维素等，易在成岩作用被降解。
5、干酪根 岩石中不溶于一般有机溶剂的那部分有机质，占沉积物总有机质
保留时间 (min)
GC/MS质量色谱图
相 对 强 度
总离子流图 (TIC)
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
m/z 191 质量色谱图
35
40
45
50
55
60
65
70
保留时间
H/C
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
➢ 绝大部分有机质呈分散状态存在于沉积物中，其余则分布于生物 圈、水圈和大气圈中。
➢ 有人认为，百分之六十至七十的有机质是由浮游生物和细菌提供 的。保存下来的有机质多少则取决于沉积环境的保存条件，如沉 积速率、氧化还原性、生物降解等。
二、地质体中有机质类型
地质体中的有机质是生物体有机组分，在成岩作用过程中的残留 物及演化产物。残留物是动植物中稳定的化合物，其碳骨架不变， 只是发生脱官能团、氢化等作用，如色素（如卟啉等）；而新产生 的有机物则破坏了原始碳骨架，形成了不同结构的有机化合物。
者混合，让水中有机质进入有机相，静止后放出下部水相，获得溶 有有机质的有机相。
三、有机质的分离和纯化
通过抽提获得的有机质是混合物，必须加以分离和纯化，才能进一 步分析和鉴定。 1、柱层析法 利用硅胶和氧化铝的吸附性和冲洗剂的不同极性，分步将抽提物分 离成几个组分： 脱沥青质：加过量石油醚沉淀去除沥青质； 制柱：活化→填柱→润湿→加样； 冲洗剂：正已烷或石油醚→饱和烃组分；
利用液相色谱仪分离混合有机质。 4、络合法
利用分子筛和尿素络合法，将饱和烃分离成正构烷烃和异构/环烷两 个组分。
5、干酪根制备 岩石抽提残渣 →加稀HCl去除碳酸 盐矿物→加稀HF去除硅酸盐矿物 → 用物理法或化学法去除黄铁矿。
具体流程：
条件：T=60~70℃；N2保护，不断搅拌
岩样残渣
用水浸泡 4h 脱水溶盐
岩石中的有机质大多呈分散状态存在，且含量通常较低，利用有 机溶剂将这些分散态的有机质从岩石基质提取出来的过程称有机质 的抽提。
1、岩石（土壤）样品索氏抽提法 利用加热有机溶剂在抽提器中反
复回流，通过干净溶剂不断与样品 接触，使有机质逐渐溶解出来，直 至全部溶解于有机溶剂中，达到与 矿物质相分离的目的。 溶剂：二（三）氯甲烷 碎样：粉碎至100目 脱硫：加活性铜片 过程：连续抽提72小时
6NHCl处理 2h 脱碳酸盐
6NHCl+40%HF (2:3)处理
4h
脱硅酸盐
6NHCl处理
脱新生矿物
烘干 60℃
氯仿抽提 脱黄铁矿
沥青C Zn还原
干酪根
三、有机质的分析和鉴定
经分离后的不同类型有机质，用不同的仪器进行分析、鉴定。 饱和烃、芳烃：气相色谱（GC）、气相色谱/质谱联用仪
（GC/MS）、同位素； 非烃、沥青质：红外光谱（IR）、同位素、核磁共振（NMR）等； 干酪根：元素分析、显微有机颗粒、红外光谱、同位素、核磁共振
有机质的地球化学演化
第二节 地质体中有机质的研究方法
一、样品的采集、保存和预处理
1、原油样品 用棕色玻璃瓶在低温下保存，防止氧化和轻组分挥发；
2、天然气样品 用钢瓶采集、保存；
3、岩石样品 用稀盐酸和清水清洗表面，清除表面污染物、油漆等，不用塑料
袋包； 4、现代沉积物
用冷冻干燥法保存；
二、有机质的抽提（萃取）
2、油砂、沥青样品的冷泡法 将油砂、沥青样品破碎后，在玻璃器具中，用有机溶剂（如二
氯甲烷）浸泡，一定时间后用过滤法分离有机萃取物。
3、大气飘尘样品超声波抽提法 将附有大气飘尘的滤纸翦成碎片，放入磨口玻璃瓶中，加入有机
溶液剂，用超声波水浴中；一定时间后，用离心、过滤方法分离有 机萃取物。
4、水样有机质萃取法 将一定量水样放入分液漏斗中，再加1、类脂化合物
在生物化学中中指能溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂而不溶于水的 一类有机合物，包括烃类、醇类、脂肪酸等及其衍生物。 烃类：主要有烷烃、烯烃、炔烃、萜烯、芳香烃、环烷烃及类异戊二烯 等； 醇：自然界产出的醇主要C14~C34脂肪醇； 脂肪酸：C10~C35脂肪酸
第三章 地质体中有机质类型和研究方法
第一节 地质体中有机质的分布和类型
一、地球上有机质的丰度和分布
➢ 地质体中的有机质是地壳中所有含碳链化合物的总称，不包括碳 酸盐、二氧化碳、金刚石、石墨等含碳物质。有机质中的碳为还 原型的，而无机质中的碳则为氧化型的。
➢ 沉积岩中有机质总量接近3.8×1015吨，其中页岩含3.6×1015吨， 占95%以上；煤和石油分别为6×1012吨和0.2×1012吨。
等； 未经分离的样品分析：
原油：全油气相色谱、碳同位素等； 岩石：有机碳含量（TOC）、岩石热解（OSA）、无机元素； 天然气：气相色谱、同位素等。
全油气相色谱图
C18
相
对
强
C12
度
C8
C30
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00 90.00 100.00
二氯甲烷→芳烃组分； 三氯甲烷/乙醇→非烃组分；
2、薄层色谱法（TLC） 利用硅胶G薄层板的吸附性和冲洗剂的溶解性，将抽提物展离成几 个组分：
制板：制板→活化→洗板→点样； 展开：正已烷或石油醚→将饱和烃、芳烃和非烃组分展离成带→ 将不
同条带刮下→ 冲洗、过滤→ 收集组分； 3、液相色谱法（TC）