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 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 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 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 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 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 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 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 75 2751 4 2 2天然气 203 4 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 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 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 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 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率之间的乘积 用微卡 平方厘米 秒 HFU 或毫瓦 米 mW m2 表示 1HFU 1微卡 平方厘米 秒 41 86毫瓦 平方米异常低热地热场 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 二 有机质演化的地质因素 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 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 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 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 一 深成演化作用 希尔特定律在地质体中具体表现形式 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 反希尔特定律 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 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 但岩浆体未能进入煤系层 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 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 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 CdafAd 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 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