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1、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,第四章 沉积有机质的演化作用,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,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： 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？,一、 沉积有机质演化阶段,一、 沉积有
2、机质演化阶段,（一）固态沉积有机质的演化阶段,图4-1 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 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：气煤焦煤阶段 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,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； 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； 是沉积
3、有机质的主要成分或重要成分,代表性较强； 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 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,二、 沉积有机质演化标志,二、 沉积有机质演化标志,煤化跃变或有机质成熟跃变,三 、沉积有机质演化跃变,表4-1 沉积有机质演化跃变的主要特征,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,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，同时新生成了某些显微组分
4、； 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，反光性持续增强； 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,二 流体有机质产物,气态的天然气（不包括沼气） 广义的石油 液态的原油、 固态的沥青和地蜡等,原 油 的 化 学 成 分,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； 石油的化合物组成比天然气更为复杂； 分子量 H/C原子比 石油： 75275 1.42.2 天然气： 20 34 两者在物理性质方面的差别更为明显； 二者的运移能力、运移速度、运移规模有差异。,图4-7 世界气藏中天然气的
5、成分构成 （转引自陈荣书等，1986 ）,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、有机质演化的反应动力学模型* 三、沉积有机质演化的地质因素,（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原子比均等于零,一、演化的地球化学机理,一、演化的地球化学机理,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
6、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。,（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）,（一）受热温度 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
7、率之间 的乘积，用HFU或mW/m2表示。 异常低热地热场：地温梯度小于2/100m 正常地热场：24/100m 异常高热地热场：大于4/100m,二、有机质演化的地质因素,（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。,沉积有机质成熟度与温度时间关系的图解模型 （引自Bostick，1979）,（三）演化压力 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
8、进作用。,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,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。 希尔特定律或规则 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。,一、深成演化作用,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 的，系岩浆上涌带来的热流与正 常地热场背
9、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：起源于岩浆向地壳浅部 侵入，但岩浆体未能进 入烃源原岩层。,二、岩浆热演化作用,特点： 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 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）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； 3）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、 似流变结构、裂解碳等各类新生光学结构；,
10、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； 6）同生矿物受到较为强烈的改造，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 发份产率、H/C等相对较低； 8）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 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,
11、2、岩浆接触热演化作用 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。 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 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 具有短时高温的作用特征。 岩基、岩株、岩床、岩墙、岩脉,特征： 1）变质范围窄于深成热变质和区域岩浆热变质； 2）接触带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 分带明显： 4）出现热变组分和热变结构，各向异性质、小球体等 镶嵌结构； 5）煤的工艺性质发生变化，Vdaf、Hdaf、Qdaf、C
12、daf Ad ； 6）常有围岩蚀变现象，变质岩、变质结构,安徽淮北某煤矿煤的接触演化分带（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,湖南南部骑田岭花岗岩周围的煤级分带 （转引自韩德馨等，1998）,三、沉积有机质的动力演化作用,美国学者怀特早在1913年就根据对北美阿帕拉契亚煤田的研究提出了煤的“动力变质”概念。 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 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。,热源： 1）深部岩浆分异的气液 2）高温承压水引起的地热异常 特征： 矿化现象形成低、中温热液矿脉 原因：断层、岩层热导率等 事例：青海的热水煤田QMWY 内蒙古伊敏煤田五牧场矿区HMWY 云南西部腾冲第四纪泥炭变成烟煤,四、热水变质作用,
能源地质学第四章沉积有机质的演化作用
