第四章沉积有机质的演化作用

人工模拟条件下沉积有机质演化温度效应的资料对比 中国平顶山煤热模拟结果 温度(℃) 常温 200 250 Ro,max (%) 1.08 1.10 1.11 温度(℃) 300 350 500 Ro,max (%) 1.21 1.79 2.74 加热速率 缓慢 中等 快速 前苏联煤热模拟所需温度 (℃) 长焰煤 70~90 80~120 <300 肥 煤 瘦 煤 无烟煤 300~350 350~450 600~700
二、 沉积有机质演化标志
物理、化学标志应具备的条件
① 演化程度相同时，性质稳定或变异性较小；
② 在沉积有机质中分布广泛，易于寻找； ③ 演化程度不同时，同种参数的演化幅度要足够大；
④ 是沉积有机质的主要成分或重要成分,代表性较强；
⑤ 面积要足够地大，便于观察测量
主要的参数类型
物理参数：Ro,max、 Ro,ran 、 Ro,m
位置： Ro,max 0.6% CY Vdaf 43% Cdaf 80% 第 作用： 沥青化作用、芳构化作用 一 原生腐殖酸消失，进入烟煤阶段，油气开始大 次 量生成，出现次生显微组分（沥青质体，渗出 跃 产物： 沥青体） 变 物性： 反射率增大很快，次生荧光出现
位置：Ro,max 1.3%
JM
Vdaf 29%
（二）受热时间
演化时限：在某一温度段下演化发生进展的时
间，亦称有效受热时间。
演化程度与时间为线性关系，但与温度之
间表现为指数关系，因此温度是控制演化程度
的关键因素；如果演化程度一定，则温度与时 间互为补偿，即短时高温或长时低温可以达到 同样的演化效果。
• 就镜质组反射率为演化标志的模型而言，总体 上可概括为四大类模型与四个发展阶段，
• • • •
第一阶段，简单函数关系模型， 第二阶段，受热时间-经验法模型， 第三阶段，为反应活化能—温度函数模型， 第四阶段，平行化学反应动力学模型。
沉积有机质成熟度与温度－时间关系的图解模型 （引自Bostick，1979）
结论
• 第一，受热温度如果无法达到临界活化能的需求，时 间效应则不显著； • 第二，在其他地质因素相近的情况下，演化程度的高 低取决于受热时间的长短； • 第三，演化程度与时间和温度的关系服从时温补偿原 理，短时高温和长时低温有可能达到同样的演化程度； • 第四，沉积有机演化是一个连续的过程，在一个不存 在构造不整合面的垂向连续剖面上，演化程度不应该 发生间断现象。
Cdaf 87%
作用：芳构化作用、环缩合作用、热解作用
第 产物：生油停止，CH 大量生成，裂隙气大量生成 4 二 次 光性 （荧光性消失，显微组分各向异性增长）； 跃 最小 密度、水分、硬度、孔隙度、孔容、内 变 物性： 表面积、湿润热；
最大
第 三 次 跃 变
结焦性、发热量、脆度、内生裂隙
Ro,max 2.5% WY Vdaf 8% Cdaf 91% 位置： 热裂解（脱甲基）作用 作用：
表4-1 沉积有机质演化跃变的主要特征 跃变 特征 跃变 点 位置 跃变序次 第一次 0.6%Ro,max, 43%Vdaf, 80%Cdaf 第二次 1.3%Ro,max, 29%Vdaf, 87%Cdaf 第三次 2.5%Ro,max, 8%Vdaf, 91%Cdaf 第四次 3.7%Ro,max, 4%Vdaf, 93.5%Cdaf 环缩合作 用拼叠作 用 生烃作用 基本停止, 达到生气 死限 顺磁性暂 时消失, 孔 隙性演化 趋势发生 转折 第五次 6.5%Ro,max, 3%Vdaf, 96%Cdaf 环缩合作用 拼叠作用 秩理化作用 镜质组和壳 质组的预石 墨化进程显 著开始
显微组分 光学各向异 性急剧增大
第二节 沉积 有机质的演化产物
一、沉积固态有机质产物 二、流体有机质产物
一、沉积固态有机质产物
固态有机质产物的特征主要通过物质组成、物理性质、化学性质等得以体 现，物质组成包括了岩石学组成和化学组成，物理性质，光学、吸附性、 孔隙性等
一、沉积固态有机质产物 一、沉积固态有机质产物
沉积有机质显微组分在演化过程中的脱氢、脱氧轨迹（据克瑞维伦，1961） A，藻类体；E，角质体；V，镜质组；F，丝质体
甲氧基（-COH3）和羧基 （-COOH）褐煤阶段的 消失， 演化阶段的关键标志 羰基（-C=O）逐渐脱落；
羟基（-OH）未成熟阶 段——泥炭的脱落较为显 著，但此后相当长的演化 阶段中脱落速度相对较慢， 进入高成熟（焦煤）阶段 后急剧脱落，在过成熟阶 段基本消失。
① 沉积有机质是呈渐进式演化还是呈阶跃式演化， 抑或二者兼而有之？ 聚集与分散有机质的演化能否相互对应？采用哪 些标志来定义其演化进程？ 固态有机质与流体有机质的成生演化之间表现为 何种动态关系？
②
③
（一）固态沉积有机质的演化阶段
图4-1
Baidu Nhomakorabea
沉积有机质演化阶段与特征之间的关系
（二）流体地质有机质的演化阶段
地热场温度由大地热流形成，即地温梯度 乘埋藏深度再加上地表浅处恒温带温度。 地温梯度：单位深度条件下地温的变化幅 度，一般用℃/100m表示。 大地热流值：地温梯度与岩石热导率之间 的乘积， 用微卡 / 平方厘米 · 秒（ HFU ）或毫瓦 /米（ mW/m 2 ） 表 示。
1HFU=1微卡/（平方厘米· 秒）=41.86毫瓦/平方米
无机流体:H2O、CO2、N2以及某些稀有气体等
有机流体:烃类，包括石油和天然气。
石油天然气为有机质在演化中形成的衍生物 干气：泥炭～褐煤 阶段 天然气的形成经历 湿气：气煤~瘦煤阶段 干气：贫煤~无烟煤阶段 生油门限或石油生成线：褐煤~长焰煤阶段 生油死限或石油死亡线：焦煤阶段的初期 “生油窗”：生油门限与生油死限之间
沉积固态有机质产物演化的总体规律
① 某些原生显微组分消失，同时新生成了某些显微组
分；
② 肉眼可见的光泽逐渐增强，条带状结构趋于明显； ③ 显微组分的荧光性和透光性逐渐消失，反光性持续 增强； ④ 孔隙性、吸附性等物理性质出现规律性演化；
二 流体有机质产物
广义的石油
气态的天然气（不包括沼气） 液态的原油、 固态的沥青和地蜡等 正构烷烃
120~140 >150 <300
150~180 250~350 420~480
结论
• 第一，当其他地质因素相同或相似时，沉积有 机质受热温度升高，其演化程度增高，生烃量 增大； • 第二，受热速率不仅是控制沉积有机质演化程 度的重要因素，同时也隐含着时间的因素，是 短时高温或长时低温作用下均可能达到同样演 化效果的理论推测的显示形式； • 第三，受热温度受控于构造历史及其控制之下 古地热场类型和历史； • 第四，受热温度降低，沉积有机质的演化作用 将会停止，这是沉积有机质演化具有不可逆性 的具体体现。
• 环缩合作用
分子间或分子内彼此原不相联结的两个碳原子联结起来形成新 的碳——碳键，从而生成新的化合物的反应。
拼叠作用
基本结构单元之间相互联结而使沉积有机质化学结构短程有序 化范围增大的作用。
作业： 简述沉积有机质演化的地 球化学机理在阶段性与阶跃性 上的表现特征。
二、有机质演化的地质因素
（一）受热温度
异常低热地热场：地温梯度小于2℃/100m 正常地热场：2~4℃/100m 异常高热地热场：大于4℃/100m
自然条件下沉积有机质演化温度效应的资料对比 贵州与河南煤 参数 成煤时代 最大埋深(m) 最高受热温度(℃) Ro,max (%) 盘县月亮田 晚二叠世 3650 105 0.92 惠水断杉 晚二叠世 4050 120 1.21 焦作焦西 早二叠世 3950 250~330 4.0± 参数 成煤时代 目前埋深(m) 上覆地层时代 Ro,max (%) 周口坳陷煤 南6井 早二叠世 897~1732 晚新生代 0.85 南 11 井 早二叠世 2940~4252 晚新生代 0.84
第四节
有机质演化的类型
一、有机质深成热演化作用
二、岩浆热演化作用 三、动力演化作用 四、燃烧热演化作用 五、热液热演化作用
一、深成演化作用
深成演化作用：是在正常地热场条件下、埋藏深度不
断加大的过程中进行的。
正常热演化作用 沉积有机质的 演化程度随埋 深的加大而增 高的现象。 希尔特定律或规则
第四章 沉积有机质的演化作用
第一节 演化的阶段与标志 第二节 演化产物 第三节 演化的地质－地球化学机理 第四节 沉积有机质的演化类型
第一节 演化的阶段与标志
一、 沉积有机质演化阶段
二、 沉积有机质演化标志
三、 沉积有机质演化跃变
一、 沉积有机质演化阶段 一、 沉积有机质演化阶段
沉积有机质的完整演化历程包括： 沉积作用：外、内营力地质作用 埋藏作用：内营力地质作用 风化作用：外、内营力地质作用 思考题：
热裂解气（干气）高峰 产物：
壳质组反射率大于惰质组，各向异性（△R）增长 物性：
位置：Ro,max 3.7% WY3~WY2 Vdaf 4% Cdaf 93.5%
作用：环缩合作用，秩理化作用、拼叠作用
第 四 次 跃 变 产物：进入超无烟煤（预石墨化）阶段，生烃作用停止 壳质组反射率最大； 顺磁性暂时消失； 物性 导电性明显增强； 孔隙性、大分子结构出现转折
第三节 沉积有机质 演化的地质－地球化学机理
一、有机质演化的地球化学机理*
二、沉积有机质演化的地质因素
一、演化的地球化学机理
演 缩聚作用：芳香稠环体系增大 化 降解作用：边基侧链发生降解 固态残余有机质 流体有机质
（一）脱边基侧链过程
脱氢过程：烷基与大分子骨架之间化学键的断裂 脱氧过程：羰基、羟基、醚基、羧基等与骨架的 键裂以及水、二氧化碳等逸出的过程 理想终点：H/C和O/C原子比均等于零
（二）芳香体系缩聚过程
芳环 缩合芳环
平面碳网
芳香稠环体系 基本结构单元:
延展度（La）
堆砌度（Lc） 层面间距（d） 碳网层数:堆砌度 与层面间距之比
沉积有机质大分子基本结构 单元维度示意图 （转引杨起等，1979）
• 沉积有机质缩聚过程主要起源于三种反 应机制， • 芳构化作用
非芳香化合物经由脱氢生成芳香化合物的作用机制
芳构化作用 跃变 沥青化作用 热裂解（脱 环缩合作用 甲基）作用 机理 芳构化作用 热裂解作用 原生腐殖酸 演化 消失，进入 产物 生油窗, 出 现次生组分 生油作用基 本结束, 甲 烷开始大量 生成 热裂解气大 量生成, 干 气生成达到 高峰
镜质组反射 镜质组的密 镜质组光学 主要 率开始显著 度、水分、 各向异性显 物理 增高, 次生 显微硬度、 著增大, 显 性质 荧光开始出 孔隙率等达 微硬度开始 变化 现 到最小值 急剧增高
化学参数: Vdaf、Qdaf、 Mad 有机元素: Cdaf、Hdaf、Odaf及其原子比（H/C和O/C） 辅助参数：显微硬度、荧光参数以及某些光谱参数等
三 、沉积有机质演化跃变
沉积有机质演化过程中其物理、化学性质通过量的积累而在一定 演化位置发生显著的变化，这种变化反映出质变的特征，煤化
跃变或有机质成熟跃变
链烷烃 异构烷烃 饱和烃 环烷烃 单环 不饱和烃 芳香烃 多环
原油中的烃类
非烃
稠环
原
油
的 化 学 成
分
石油与天然气基本性质的差别
① 天然气的产出类型具有多样性的特征；
② 石油的化合物组成比天然气更为复杂；
分子量 石油： 天然气： 75~275 <20 H/C原子比 1.4~2.2 3~4
③ 两者在物理性质方面的差别更为明显； ④ 二者的运移能力、运移速度、运移规模有差异。
（三）演化压力
静压力——上覆岩柱的重力所引起
动压力——构造挤压应力和构造剪切应力
静压力和动压力有利于沉积有机质物理性质的改变， 对其化学结构的改变起促进作用。
物理性质（孔隙性、全水分含量、发热量）
化学性质（反射率的变化）
结论
• 第一，静压力对沉积有机质化学结构的影响水分微弱， 甚至可能由于妨碍气、液态反应产物的逸出导致反应 体系无法达到新的平衡，进而阻碍了化学结构演化的 进程， • 第二，尽管静压力对化学结构的演化可能是一种次要 因素甚至不利因素，但静压力和动压力均可直接导致 沉积有机质的物理性质的改变，从而间接的促进演化 的进程； • 第三，强烈的构造剪切应力作用可促使芳香碳网或大 分子基本结构单元定向排列，极大地促进沉积有机质 化学结构的演化； • 第四，压力的影响一般只在局部发生，在区域上没有 重要意义。