沉积有机质的演化作用上课讲义

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1、沉积有机质的演化作用 沉积有机质的完整演化历程包括：沉积有机质的完整演化历程包括： 沉积作用：沉积作用：外、内营力地质作用外、内营力地质作用 埋藏作用：埋藏作用：内营力地质作用内营力地质作用 风化作用：风化作用：外、内营力地质作用外、内营力地质作用 思考题：思考题： 沉积有机质是呈渐进式演化还是呈阶跃式演化，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？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？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固态有机质与流体有机质的成生演

2、化之间表现为 何种动态关系？何种动态关系？ 一、一、 沉积有机质演化阶段沉积有机质演化阶段 一、一、 沉积有机质演化阶段沉积有机质演化阶段 （一）固态沉积有机质的演化阶段（一）固态沉积有机质的演化阶段图图4-1 4-1 沉积有机质演化阶段与特征之间的关系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（二）流体地质有机质的演化阶段 无机流体无机流体:H2O、CO2、N2以及某些稀有气体等以及某些稀有气体等 有机流体有机流体:烃类，包括石油和天然气。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石油天然气为有机质在演化中形成的衍生物 干气干气：泥炭褐煤泥炭褐煤

3、 阶段阶段 天然气的形成经历天然气的形成经历 湿气湿气：气煤：气煤瘦瘦煤阶段煤阶段 干气干气：贫煤：贫煤无烟煤阶段无烟煤阶段 生油门限或石油生成线生油门限或石油生成线：褐煤褐煤长焰煤阶段长焰煤阶段 生油死限或石油死亡线生油死限或石油死亡线：焦煤阶段的初期：焦煤阶段的初期 “生油窗生油窗”：生油门限与生油死限之间生油门限与生油死限之间 物理、化学标志应具备的条件物理、化学标志应具备的条件 演化程度相同时，性质稳定或变异性较小；演化程度相同时，性质稳定或变异性较小； 在沉积有机质中分布广泛，易于寻找；在沉积有机质中分布广泛，易于寻找； 演化程度不同时，同种参数的演化幅度要足够大；演化程度不同时，同

4、种参数的演化幅度要足够大； 是沉积有机质的主要成分或重要成分是沉积有机质的主要成分或重要成分, ,代表性较强；代表性较强； 面积要足够地大，便于观察测量面积要足够地大，便于观察测量主要的参数类型主要的参数类型 物理参数：物理参数：R Ro o,max,max、 R Ro o,ran,ran 、 R Ro o,m,m 化学参数化学参数: : V Vdafdaf、Q Qdafdaf、 M Madad 有机元素有机元素: : C Cdafdaf、H Hdafdaf、O Odafdaf及其原子比（及其原子比（H H/ /C C和和O O/ /C C） 辅助参数：辅助参数：显微硬度、荧光参数以及某些光谱

5、参数等显微硬度、荧光参数以及某些光谱参数等 二、二、 沉积有机质演化标志沉积有机质演化标志 二、二、 沉积有机质演化标志沉积有机质演化标志 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，演化位置发生显著的变化，这种变化反映出质变的特征，煤化煤化跃变或有机质成熟跃变跃变或有机质成熟跃变 三三 、沉积有机质演化跃变、沉积有机质演化跃变第第一一次次跃跃变变位置：位置：Ro,max 0.6% CY Vdaf 43% Cdaf 80%作用：作用：沥青化作用、芳构化作用沥青化作用、芳构化作用

6、 产物：产物：原生腐殖酸消失，进入烟煤阶段，油气开始大原生腐殖酸消失，进入烟煤阶段，油气开始大量生成，出现次生显微组分（沥青质体，渗出量生成，出现次生显微组分（沥青质体，渗出沥青体）沥青体） 物性：物性：反射率增大很快，次生荧光出现反射率增大很快，次生荧光出现 第第二二次次跃跃变变位置：位置：R Ro,maxo,max 1.3% JM V 1.3% JM Vdafdaf 29% C 29% Cdafdaf 87% 87%作用：作用：芳构化作用、环缩合作用、热解作用芳构化作用、环缩合作用、热解作用 产物：产物：生油停止，生油停止，CHCH4 4大量生成，裂隙气大量生成大量生成，裂隙气大量生成 物

7、性：物性：光性光性 （荧光性消失，显微组分各向异性增长）；（荧光性消失，显微组分各向异性增长）；最小最小 密度、水分、硬度、孔隙度、孔容、内密度、水分、硬度、孔隙度、孔容、内表面积、湿润热；表面积、湿润热；最大最大 结焦性、发热量、脆度、内生裂隙结焦性、发热量、脆度、内生裂隙 第第三三次次跃跃变变位置：位置： Ro,max 2.5% WY Vdaf 8% Cdaf 91%作用：作用： 热裂解（脱甲基）作用热裂解（脱甲基）作用产物：产物： 热裂解气（干气）高峰热裂解气（干气）高峰物性：物性： 壳质组反射率大于惰质组，各向异性（壳质组反射率大于惰质组，各向异性（R R）增长）增长 第第四四次次跃跃

8、变变位置：位置：Ro,max 3.7% WY3WY2 Vdaf 4% Cdaf 93.5%作用：作用：环缩合作用，秩理化作用、拼叠作用环缩合作用，秩理化作用、拼叠作用 产物：产物：进入超无烟煤（预石墨化）阶段，生烃作用停止进入超无烟煤（预石墨化）阶段，生烃作用停止 物性物性壳质组反射率最大；壳质组反射率最大；顺顺磁性暂时消失；磁性暂时消失；导电性明显增强；导电性明显增强；孔隙性、大分子结构出现转折孔隙性、大分子结构出现转折 跃变特征 跃变序次 第一次第二次第三次第四次第五次跃变点位置 0.6%Ro,max, 43%Vdaf,80%Cdaf 1.3%Ro,max, 29%Vdaf,87%Cdaf

9、 2.5%Ro,max, 8%Vdaf,91%Cdaf 3.7%Ro,max, 4%Vdaf,93.5%Cdaf 6.5%Ro,max, 3%Vdaf,96%Cdaf 跃变机理 沥青化作用芳构化作用 芳构化作用环缩合作用热裂解作用 热裂解（脱甲基）作用 环缩合作用拼叠作用 环缩合作用拼叠作用秩理化作用 演化产物 原生腐殖酸消失，进入生油窗, 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 生烃作用基本停止, 达到生气死限 镜质组和壳质组的预石墨化进程显著开始 主要物理性质变化 镜质组反射率开始显著增高, 次生荧光开始出现 镜质组的密度、水分、显微硬度、

10、孔隙率等达到最小值 镜质组光学各向异性显著增大, 显微硬度开始急剧增高 顺磁性暂时消失, 孔隙性演化趋势发生转折 显微组分光学各向异性急剧增大 表4-1 沉积有机质演化跃变的主要特征 第二节第二节 沉积沉积有机质的演化产物有机质的演化产物 一、沉积固态有机质产物一、沉积固态有机质产物二、流体有机质产物二、流体有机质产物 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固态有机质产物演化的总体规律沉积固态有机质产物演化的总体规律 某些原生显微组分消失，同时新生

11、成了某些显微组某些原生显微组分消失，同时新生成了某些显微组分；分； 肉眼可见的光泽逐渐增强，条带状结构趋于明显；肉眼可见的光泽逐渐增强，条带状结构趋于明显； 显微组分的荧光性和透光性逐渐消失，反光性持续显微组分的荧光性和透光性逐渐消失，反光性持续增强；增强； 孔隙性、吸附性等物理性质出现规律性演化；孔隙性、吸附性等物理性质出现规律性演化； 一、沉积固态有机质产物一、沉积固态有机质产物 一、沉积固态有机质产物一、沉积固态有机质产物 二二 流体有机质产物流体有机质产物 气态的天然气（不包括沼气）气态的天然气（不包括沼气）广义的石油广义的石油 液态的原油、液态的原油、 固态的沥青和地蜡等固态的沥青和

12、地蜡等原油中的烃类原油中的烃类非烃非烃饱和烃饱和烃不饱和烃不饱和烃链链烷烃烷烃环烷烃环烷烃正构烷烃正构烷烃异构烷烃异构烷烃芳香烃芳香烃单环单环多环多环稠环稠环原原油油的的化化学学成成分分石油与天然气基本性质的差别石油与天然气基本性质的差别 天然气的产出类型具有多样性的特征；天然气的产出类型具有多样性的特征； 石油的化合物组成比天然气更为复杂；石油的化合物组成比天然气更为复杂； 分子量分子量 H/CH/C原子比原子比 石油：石油： 75275 1.42.2 天然气：天然气： 150 250350 350450 250 1.11 500 2.74 快速 300 300 420480 600700

13、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。（二）受热时间（二）受热时间 演化时限：演化时限：在某一温度段下演化发生进展的时在某一温度段下演化发生进展的时 间，亦称有效受热时间。间，亦称有效受热时间。 演化程度与时间为线性关系，但与温度之演化程度

14、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。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

15、 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。（三）演化压力（三）演化压力 静压力静压力上覆岩柱的重力所引起上覆岩柱的重力所引起 动压力动压力构造挤压应力和构造剪切应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，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

16、起促进作用。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）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）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

17、般只在局部发生，在区域上没有重要意义。第四节第四节 有机质演化的类型有机质演化的类型一、有机质深成热演化作用一、有机质深成热演化作用二、岩浆热演化作用二、岩浆热演化作用三、三、动力演化作用动力演化作用 四、燃烧热演化作用四、燃烧热演化作用五、热液热演化作用五、热液热演化作用 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。断加大的过程中进行的。 正常热演化作用正常热演化作用 沉积有机质的沉积有机质的 演化程度随埋演化程度随埋 深的加大而增深的加大而增 高的现象。高的现象。 希尔特定律或规则希尔特定律或规则 一一、深成演化作用深

18、成演化作用 希尔特定律希尔特定律在地质体中具体表现在地质体中具体表现形式：形式： 第一，煤级或有机质成熟度在平面和垂向上具有分带现象，且等煤级或成熟带相对较宽，但等演化带的宽度决定于地层倾角和演化梯度； 第二，上覆地层厚度增大，沉积有机质的演化程度增高。表 4-7 青海木里煤田早中侏罗世煤层煤级的垂向分布（据朱小丽，1987，整理） 煤层 层间距 （m） Vdaf （%） Cdaf （%） Ro，max （%） 煤级 M3 28 87 1.58 焦煤 M2上 56 18 90 1.71 贫煤 M2下 24 14 91 1.83 贫煤 M1 60 21 89 1.40 焦煤 M0 30 29 8

19、4 0.77 气煤 表 4-8 江苏徐州煤田晚古生代煤系煤层煤级的垂向分布（据杨起等，1979，补充） 反反希尔特定律希尔特定律 早期研究者在各煤层之间的砂岩中发现了碎屑破裂、晶早期研究者在各煤层之间的砂岩中发现了碎屑破裂、晶格错位等显微构造现象，认为反希尔特现象是由层间推覆构格错位等显微构造现象，认为反希尔特现象是由层间推覆构造所致；后来进一步研究发现，在中部、上部煤层以及煤层造所致；后来进一步研究发现，在中部、上部煤层以及煤层间砂岩存在较为强烈热液矿化特征，并据此认为热水选择性间砂岩存在较为强烈热液矿化特征，并据此认为热水选择性侵入是造成中、上部煤层的煤级高的于下部煤层的重要原因侵入是造成

20、中、上部煤层的煤级高的于下部煤层的重要原因表 4-8 江苏徐州煤田晚古生代煤系煤层煤级的垂向分布（据杨起等，1979，补充） 显微组分特征 层 位 Ro，max （%） Vdaf （%） 基质镜质体 沥青体 荧光镜质体 下石盒子组 0.92 37 山西组 0.84 38 含量较低 含量较低 含量较低 太原组 0.71 45 含量较高 含量较高 含量较高 徐州煤田从太原组经山西组到下石盒子组，成煤环境徐州煤田从太原组经山西组到下石盒子组，成煤环境由受海水强烈影响的泥炭沼泽向纯陆相泥炭沼泽转化，沉积由受海水强烈影响的泥炭沼泽向纯陆相泥炭沼泽转化，沉积有机质的生物降解程度逐渐降低，造成富氢镜质组显微

21、组分有机质的生物降解程度逐渐降低，造成富氢镜质组显微组分（如具有荧光的基质镜质体）的含量随层位增高而减少，导（如具有荧光的基质镜质体）的含量随层位增高而减少，导致镜质组反射率随层位增高而增大。致镜质组反射率随层位增高而增大。 岩浆热演化作用：是在异常高热地热场条件下发生岩浆热演化作用：是在异常高热地热场条件下发生 的，系岩浆上涌带来的热流与正的，系岩浆上涌带来的热流与正 常地热场背景的叠加作用常地热场背景的叠加作用 。 1、区域岩浆热演化作用、区域岩浆热演化作用 区域岩浆热演化作用：起源于岩浆向地壳浅部区域岩浆热演化作用：起源于岩浆向地壳浅部 侵入，但岩浆体未能进侵入，但岩浆体未能进 入入煤系

22、煤系层。层。 二、岩浆热演化作用二、岩浆热演化作用 特点：特点：1 1）等演化线或等演化面的产状往往与煤层的产状无关，只与等演化线或等演化面的产状往往与煤层的产状无关，只与 岩浆侵入体的顶面形态基本一致；岩浆侵入体的顶面形态基本一致； 德国布腊姆舍岩体与沉积有机质等演化线之间的关系 （引自Teichmuller等，1982） 2 2）等演化带的宽度多窄于深成热演化作用，在水平分带等演化带的宽度多窄于深成热演化作用，在水平分带 和垂向分带中都是如此；和垂向分带中都是如此；3 3）等演化线的展布方向往往与构造线方向不一致，表明等演化线的展布方向往往与构造线方向不一致，表明 浅部构造对区域岩浆热演化

23、作用的控制作用相对较弱。浅部构造对区域岩浆热演化作用的控制作用相对较弱。 4）光学各向异性显微组分较为普遍，出现了镶嵌结构、光学各向异性显微组分较为普遍，出现了镶嵌结构、 似流变结构、裂解碳等各类新生光学结构；似流变结构、裂解碳等各类新生光学结构；a各向同性体；b各向同性体，粗、细粒镶嵌结构；c球粒状各向异性热解炭；d中间相小球体反射正交偏光e粗粒镶嵌结构；f片状、纤维状粗粒镶嵌结构体；g球粒状各向异性热解炭；h各向异性丝质体反射正交偏光5）次生气孔较为发育，尤其是在镜质组中普遍可见；次生气孔较为发育，尤其是在镜质组中普遍可见；6）同生矿物受到较为强烈的改造，黄铁矿等的重结晶明显；同生矿物受到

24、较为强烈的改造，黄铁矿等的重结晶明显；7）与同演化程度的深成热演化沉积有机质相比，氢含量、挥与同演化程度的深成热演化沉积有机质相比，氢含量、挥 发份产率、发份产率、H/C等相对较低；等相对较低；8）蚀变矿化现象普遍存在，广泛发育热液脉体，蚀变矿化现象普遍存在，广泛发育热液脉体， F、Cl、As 等与岩浆期后热液有关的元素往往较为富集，特别是流体等与岩浆期后热液有关的元素往往较为富集，特别是流体 包裹体，是一种良好的地质温度计和地质压力计。包裹体，是一种良好的地质温度计和地质压力计。9）重磁异常：隐伏岩体的存在，正航磁异常重磁异常：隐伏岩体的存在，正航磁异常2、岩浆接触热演化作用、岩浆接触热演化

25、作用 岩浆接触热演化作用起源于岩浆与含沉积有岩浆接触热演化作用起源于岩浆与含沉积有 机质岩系或有机质的近距离或直接接触。机质岩系或有机质的近距离或直接接触。 岩浆高温的热传导、气水热液以及岩浆期岩浆高温的热传导、气水热液以及岩浆期 后残余释放热导致沉积有机质发生演化，岩浆侵后残余释放热导致沉积有机质发生演化，岩浆侵 位时对地层造成的压力也对演化起到了重要推动位时对地层造成的压力也对演化起到了重要推动 作用。因此，岩浆接触热演化作用对沉积有机质作用。因此，岩浆接触热演化作用对沉积有机质 具有短时高温的作用特征。具有短时高温的作用特征。 岩基、岩株、岩床、岩墙、岩脉岩基、岩株、岩床、岩墙、岩脉特征

26、：特征： 1 1）变质范围窄于深成热变质和区域岩浆热变质；变质范围窄于深成热变质和区域岩浆热变质； 2）接触带接触带上被烘烤成天然焦或石墨；上被烘烤成天然焦或石墨； 3）变质程度、变质带宽度随离岩体的距离而变化，且变质程度、变质带宽度随离岩体的距离而变化，且 分带明显：分带明显： 4 4）出现热变组分和热变结构，各向异性质、小球体等出现热变组分和热变结构，各向异性质、小球体等 镶嵌结构；镶嵌结构； 5 5）煤的工艺性质发生变化，煤的工艺性质发生变化，Vdaf、Hdaf、Qdaf、Cdaf Ad ； 6 6）常有围岩蚀变现象，变质岩、变质结构常有围岩蚀变现象，变质岩、变质结构 安徽淮北某煤矿煤的

27、接触演化分带（引自杨起等，1979）1 辉绿岩；2 二级天然焦；3 一级天然焦； 4 无烟煤； 5 贫煤；6 瘦煤；7 焦煤；8 焦肥煤；9 夹矸；10 采样位置 表 4-9 山东陶枣煤田陶庄矿岩浆接触热演化煤的质量与距侵入体远近的关系（据吴传荣等） 采样点（由点 1 到点 8，逐渐远离侵入体） 煤质参数 1 2 3 4 5 6 7 8 Ad （%） 20.97 15.77 10.97 18.43 13.88 9.26 6.70 4.65 Vdaf （%） 11.44 7.38 5.05 9.98 15.84 29.00 31.76 39.30 湖南南部骑田岭花岗岩周围的煤级分带（转引自韩德馨

28、等，1998）2345三、沉积有机质的动力演化作用三、沉积有机质的动力演化作用 美国学者怀特早在美国学者怀特早在19131913年就根据对北美阿帕拉年就根据对北美阿帕拉契亚煤田的研究提出了煤的契亚煤田的研究提出了煤的“动力变质动力变质”概念。概念。 动力演化作用机理有三种假说动力演化作用机理有三种假说 摩擦热假说、机械化学假说、动力能假说摩擦热假说、机械化学假说、动力能假说 摩擦热假说 认为构造变动过程中产生了机械能，机械能致使岩石物质发生机械位移，机械位移导致摩擦热的产生，而摩擦热又促使了沉积有机质演化程度的增高。 实质是热能的作用，只是热能来源于构造应力导致的岩石物质摩擦能。机械化学作用假

29、说 前苏联科学院院士特罗菲穆特在1983年提出，认为构造的机械能是通过使岩石物质活化而直接导致沉积有机质发生化学反应，且其中没有热能参与，其能力来源于地震构造作用。动力能假说 肖贤明1986年特出，认为构造应力迫使沉积有机质中的芳香碳网发生重排，结果是使分子结构产生缩聚和秩理化程度增强，即构造动力本身可使沉积有机质的演化程度增高。共同的表现特征：共同的表现特征： 1）等演化带一般极为狭窄，平行于主构造线）等演化带一般极为狭窄，平行于主构造线分布，仅出现在构造形变极为强烈的地区。分布，仅出现在构造形变极为强烈的地区。 2）这种作用导致沉积有机质的密度增大，镜）这种作用导致沉积有机质的密度增大，镜质组反射率及光学各向异性明显增强，并可能有质组反射率及光学各向异性明显增强，并可能有局部石墨化作用的发生。局部石墨化作用的发生。 3）基本结构单元的理想几何形态呈长圆柱状，）基本结构单元的理想几何形态呈长圆柱状，即堆砌度大于延展度，延展度与堆砌度之比值小即堆砌度大于延展度，延展度与堆砌度之比值小于于1。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢