第六章20世纪地球化学的重要研究领域Word格式文档下载.docx
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德国著名科学家A.特莱布斯（Teribs）在这个阶段首次发现并证实了地质卟啉化合物来自植物叶绿素。
美国科学家SmithP.V.（1952，1954）和前苏联科学家B.B.Be6ep（1954）等成功地从现代海洋沉积物中分离鉴定出微量类似于石油的烃类化合物，从而奠定了石油的有机成因理论基础。
以后各种色谱技术（尤其是气相色谱技术）广泛应用于研究地质体中的微量可溶有机组分（DegensE.T.eta1．，1962）。
60年代初BregerL.R.（1963）主编出版了第一部大型专著《有机地球化学》。
MaнcкaяC.M.和JpesobaT.B.合著的《有机质的有机地球化学》（1964）是至今仍有一定参考价值的沉积金属矿产的有机地球化学著作。
1959年国际地球化学宇宙化学协会正式在欧洲成立了有机地球化学分会。
1962年以来每两年在欧洲召开一次国际性有机地球化学会议，并出版《有机地球化学进展》论文集。
60年代以来，随着我国石油工业的发展，特别是大庆油田等大型陆相油田的相继发现与开发，国内相关部门开展了生油岩研究，积累了大量资料，总结出我国陆相泥质生油岩的许多规律性认识。
70年代初，中国科学院地球化学研究所筹建起我国第一个具有先进设备的有机地球化学实验室，并于1989年成为有机地球化学国家重点实验室。
石油部、地质部以及各油田都建立起生油研究实验室，广泛采用有机地球化学指标，开展各油气盆地的生油评价研究。
20多年来，我国有机地球化学及其在油气勘探中的应用取得了突飞猛进的发展，大大促进了我国陆相生油理论的发展。
80年代以来，我国出版了一系列有关专著和教科书。
如《有机地球化学》（傅家谟等，1982），《中国陆相油气生成》（石油勘探开发科学研究院地质研究所，1982），《陆相有机质演化和成烃机理》（黄第藩等，1984），《松辽盆地陆相石油地质》（杨万里等，1985），《碳酸岩有机地球化学》（傅家谟，1989）和《煤成烃地球化学》（傅家谟等，1990）等等。
1982年以来，召开了7次全国有机地球化学学术会议。
我国有机地球化学学科研究在一些重要领域，如陆相生油理论、分子有机地球化学等方面的研究与应用水平已进入国际先进行列（中国科学院地球化学研究所，1999）。
二、有机质和有机碳演化
有机质的演化是指生物死亡埋藏后，有机体的生物降解以及有机大分子的热降解与聚合，并最终转化为甲烷、水、二氧化碳和石墨等无机物的演化全过程，现已建立起初步的有机质演化模式，这一模式已为石油有机成因的观点奠定了理论基础（中国科学院地球化学研究所，1999）。
有机碳演化是指天体演化，包括地球演化过程中，无机物质如甲烷、水、二氧化碳和氨等逐步演化产生简单有机化合物和生物大分子的过程，以及在生物圈出现后，这些有机质的进一步演化。
前一部分属于前生期化学演化，许多有机地球化学家正在从事这一研究，主要研究天体物质（月岩与陨石，包括我国吉林陨石，以及地球古老岩石）中的有机化合物，模拟天体（包括地球）早期演化环境条件的合成实验，如著名的Miller-Urey模型实验。
由于前生期化学演化的研究，生命科学已进入到一个崭新的阶段。
后一部分研究主要属于分子古生物学或古生物化学领域，目前开展得较差，但也十分重要，很可能是解决生物进化机理以及生物与环境关系问题的重要途径之一（中国科学院地球化学研究所，1999）。
三、分子有机地球化学
（一）分子有机地球化学发展概况
分子有机地球化学是有机地球化学的一个重要分支领域，近年来，由于色谱、质谱技术的不断更新，分子有机地球化学研究取得了重大进展。
我国分子有机地球化学研究，特别是陆相沉积物的生物标志物研究在最近一些年内也取得了长足进展，例如生物标志物应用于未成熟原油的研究，陆相沉积环境的判识和新生物标志物的研究等（中国科学院地球化学研究所，1999）。
我国在现代分子有机地球化学研究上起步较晚。
70年代末，中国科学院地球化学研究所、北京石油化工研究院分别采用国产色谱-质谱仪和进口色谱-质谱-电子计算机，开展了生物标志物的初步研究工作。
80年代初，石油部、地质矿产部和中国科学院的许多有机地球化学实验室都引进了C-GC-MS以及C-GC-MS-MS仪器，从而使我国分子有机地球化学研究呈现出可喜的局面，在短短七八年内从无到有，发展成为我国有机地球化学的一个极其活跃的分支领域。
不仅在新的生物标志物（如各种陆源萜类烃、含硫化合物）的检出、生物标志物的定性与定量技术等基础研究方面，而且在应用生物标志物进行陆相油气勘探评价方面，积累了大量资料，取得了长足的进展，1986年，中国科学院有机地球化学开放研究实验室在贵阳召开的生物标志物与干酪根进展学术会议上，著名生物标志物专家SchenckP.教授、SimoneitB.R.T.教授和ConnanJ.博士等都对我国生物标志物研究方面取得的进展给予了高度的评价（中国科学院地球化学研究所，1999）。
80年代以来，生物标志化合物的研究及其在油气勘探中的应用得到广泛发展。
生物标志物被应用于探讨有机质类型和有机相、成熟度以及原油对比和油源对比，华北油田勘探开发研究院、新疆石油管理局勘探开发研究院以及北京石油勘探开发科学研究院等，在这方面做了大量工作（中国科学院地球化学研究所，1999）。
对我国不同类型生油岩和原油中生物标志物的组成也有较多研究，如探讨了生物标志化合物组成与沉积相、生物输入源等的关系（尚慧芸、姜乃煌，1983；
FanPu，1985；
李任伟等，1988；
WangTieguan，1988；
傅家谟、盛国英，1989）。
近年来我国已出版了有关生物标志化合物的专著：
《中国陆相原油和生油岩中的生物标志化合物》（曾宪章等）；
《生物标志物地球化学研究》（王铁冠等，1990）；
《生物标志物质量色谱图集》（王培荣，1993）。
新生物标志化合物的研究从一个重要侧面反映了某一国家或实验室在分子有机地球化学研究领域的实力和水平。
新生物标志物研究包含了多方面的工作，如新化合物的发现和确认，以及生物标志物的异常丰度与分布，特征的产出与成因类型以及演化新途径、新模式等。
盛国英等（1991）曾简要介绍了我国陆相沉积物生物标志物研究的某些进展。
我国在新生物标志物研究方面做了大量工作并取得了较好成绩，但由于在新生物标志物标样合成技术方面十分落后，致使某些新化合物发现后因很难确认而得不到国际同行的肯定（中国科学院地球化学研究所，1999）。
我国新生物标志物研究的进展主要表现在陆相沉积物和原油中已检测出一系列的新生物标志化合物，包括国际上首次报道的新化合物、新标志化合物的同系物、未知化合物和在国内首次报道的新化合物以及这些化合物的成因演化和标志意义研究。
在我国丰富的陆相生油岩和原油中发现和检出了许多新生物标志化合物，取得了丰富多彩的成果（中国科学院地球化学研究所，1999），例如碳酸盐岩和陆相生油岩中红色素的发现（盛国英、傅家谟，1984），茂名油页岩中丛粒藻类烃标志化合物的研究（傅加谟等，1985），准噶尔盆地原油中降解淄烷的发现（蒋助生，1986），盐湖相生油岩和原油中有机含硫化合物和脱羟基维生素E等化合物的检出（盛国英等，1986，1987）等。
此外，在陆源高等植物输入的标志化合物研究方面也显示出特色，如奥利烷、芒柄花根烷、Υ羽扇烷、螺旋淄烷等五环三萜类化合物的研究（曾宪章等，1981；
姜乃煌等，1984）。
（二）分子有机地球化学应用展望
虽然分子有机地球化学已经成为石油勘探中不可缺少的一部分，但至今也还存在着一些亟待研究解决的薄弱环节，例如还缺乏判识石油运移、高成熟有机质成熟度的有效指标，未成熟原油和煤成油的油源对比标志物与参数，单个化合物碳同位素比值资料的综合解释，生物标志物与有机岩相微成份的内在联系与标志，以及应用生物标志物划分地层时代等。
此外，探索表征有机质在金属成矿中作用的标志物，寻找反映古气候、古温度、古二氧化碳分压以及古植被、古生态的灵敏标志物与参数，研究海洋生物的有机质结构组成，研究气溶胶、水体和土壤有机质的组成、分布与特征，特别是有毒有害有机物的组成等涉及金属成矿学、海洋学与湖泊学、海洋生物学和环境科学等领域问题时，分子有机地球化学也已显示出广泛的应用前景。
四、同位素有机地球化学
目前，有机地球化学研究的一个重要进展是采用有机同位素质谱法研究个别有机化合物的同位素比值，从而探讨天然有机物质以及石油，天然气等能源资源的成因与演化。
在这方面，国际上几个著名实验室，如美国的卡内基研究所，英国剑桥大学和美国印第安那大学等有关实验室，曾研究氨基酸、卟啉和烃类等单个化合物的碳、氢、氮同位素比值，并发展了有机气相色谱-同位素质谱技术，这项技术将特别有助于研究高成熟度的有机质，如天然气，凝析油、过成熟生油岩、黑色页岩等有机质，用于原油对比、油源对比、油气运移、天然气判识与气源岩对比等。
GC-IRMS仪的出现将把分子有机地球化学研究推进到一个崭新的阶段（中国科学院地球化学研究所，1999）。
五、石油有机地球化学
干酪根与煤的结构性质的研究，例如通过不同母质类型干酪根的物理性质与热解产物的研究，特别是高等植物母质来源的皿型干酪根与煤的结构性质的研究，可以发展陆相生油理论与煤成烃理论。
（一）石油有机地球化学
由于有机地球化学的深入研究，石油有机成因理论取得了巨大的进展，特别重要的是石油成因理论的这种深刻变化已大大推进了石油资源的远景评价与地质勘探工作，有机地球化学已被视为石油勘探的三大学科（地球物理学，石油地质学与有机地球化学）支柱之一。
当前在我国油气勘探中煤成烃、煤成气、煤成油和高成熟海相地层油气成因评价研究十分重要，而较为薄弱的方面是烃类运移和盆地模拟。
烃类运移的研究，特别是石油在生油岩中初次运移的机理及运移排烃效率的研究是当前石油成因理论中关键而又较为落后的一环，它直接关系到石油勘探特别是生油量计算问题，采用实验模拟与天然生油岩排烃剖面对比的方法，进行排出烃类的各种分子有机地球化学参数对比研究，并研究排烃后生油岩中各种有机岩石学等物理化学参数的变化，最后采用各种参数的综合数学模拟研究，可以有效地探讨石油初次运移机理与标志（中国科学院地球化学研究所，1999）。
（二）煤成气地球化学
1、国外煤成气地球化学研究
关于煤作为天然气源岩的重要性，是由大量地质、地球化学和煤岩学研究工作加以证实的。
最早从事这一地球化学工作的是Karweil（1956，1969）和Patijn（1964）。
关于西北欧主要气田气源岩——石炭系煤成气地球化学问题还有许多学者进行了研究（Stahl，1968；
Bartenstein与Teichmü
ller，1974；
Lutz等，1975）。
这些研究确定了煤可产出天然气，并能释放和聚集成大型工业气藏的重要观点（傅家谟等，1990）。
很多学者对煤成熟过程中形成天然气的机理研究做出了贡献。
例如早期Jü
ntgen与Karweil（1966）、Jü
ntgen与Klein（1975）的论文探讨了不同煤岩组分成熟成气的过程。
在煤成气判识方面，应用得最多的重要指标是同位素，在这方面做出重要贡献的也是德国学者。
Stahl（1974，1977）根据甲烷碳同位素建立了判别煤成气和油型气的13C1-R0回归方程（傅家谟等，1990）。
在煤成气地球化学研究方面做出重要贡献的还有其他国家的，如苏联学者，在热模拟实验研究含煤地层有机质演化产气率与产物特征方面，做了一些工作，又如澳大利亚学者（Saxby，1984）在延长模拟实验的作用时间（达6年）等方面做了不少研究工作（傅家谟等，1990）。
2、国内煤成气地球化学研究
我国煤成气地球化学研究起步较晚。
70年代末北京石油勘探开发科学研究院等率先开展煤成气专题研究，并提出煤系是我国天然气勘探的新领域（戴金星，1980）。
70年代至80年代初，研究了四川天然气田和文留煤成气藏等的同位素和稀有气体组成特征以及天然气的成因判识（徐永昌等，1979）；
沈平等，1984；
朱家蔚等，1984）。
1983年，国家正式将“煤成气的开发研究”列入“六五”科技攻关重点项目，从而开创了我国煤成气地质地球化学系统研究新的重要时期（傅家谟等，1990）。
在煤成气地球化学特征和判别指标研究方面，除发展了国外已有的如碳、氢同位素和汞的丰度等主要指标外，还提出了凝析油的同位素、甲烷系同位素、苯指数等11项指标，从不同的地球化学体系论述了油型气和煤成气的鉴别。
采用热模拟实验和矿井煤层甲烷实测等方法，系统地研究了煤系有机质的成气待征和产气率。
在模拟实验方面，采用不同褐煤样、不同显微煤岩组分样品及特种煤样，系统研究了煤成气的产气率和产物的特征，取得了许多重要的新认识（傅家谟等，1990）。
（三）煤成油地球化学
煤成油的研究历史不长。
早期Broohs和Smith（1967，1969）的地球化学论著论证了澳大利亚普斯兰盆地陆生植物的生油能力。
以后，在世界一些地方相继发现并经研究证实了一些由陆生植物有机质或含煤地层有机质演化而成的煤成油田。
这方面的典型例子有澳大利亚吉普斯兰盆地来源于富氢壳质组的原油，与树脂体输入有关的加拿大马更些三角洲油田的凝析油，尼日利亚的尼日尔三角洲油田以及印尼的马哈卡姆三角洲油田等。
Snowdon和Powell（1982）；
Ekweozer等（1979）；
Durand和Paratte（1983）；
Hoffmann等（1984）的研究认为，这些油田的原油主要来源于腐殖型有机质，显示典型煤成油的特征，如极高的姥鲛烷/植烷值和有时高的含蜡量等（傅家谟等，1990）。
近年来国外在煤成油母质输入标志物研究方面做了大量研究，主要是陆源植物输入萜类化合物的研究，如与树脂体有关的二萜类烃（Simoneit等，1987），以及三萜类烃和某些倍半萜类化合物（Alexander等，1983）。
Ekweozer等（1979）研究了尼日利亚的尼日尔三角洲原油，发现这一原油特别富含陆源三萜烷，尤其是奥利烷。
具有类似特点的还有印度尼西亚的马哈卡姆三角洲原油，它们也富含陆源三萜烷，如奥利烷和降A羽扇烷等（Hoffmann等，1984）。
澳大利亚原油富含某些陆源输入特征的二萜类化合物，包括三环二萜类化合物（Philp等，1981）与四环二萜类化合物（傅家谟等，1990）。
在我国陆相石油地球化学特别是原油生物标志物组成研究方面，发现某些原油含有丰富的陆源三萜烷。
这表明陆源高等植物的母质输入占有重要比例，某些原油有可能为III型干酪根生成（王忠然等，1983；
卢松年等，1987；
傅家谟，1987；
梅博文，1986）。
近年来，中国科学院地球化学研究所在开展煤成气地球化学研究的同时，重视了我国煤成油母质某些富氢特种煤，如同云南泥炭基褐煤（傅家谟等，1987；
陆杰等，1987，1988）和富氢煤岩显微组分（傅家谟等，1987）的热模拟成油，以及可溶有机质烷烃馏分与芳烃馏分的生物标志物组成特征等的研究（傅家谟等，1990）。
此外，中国科学院地球化学研究所还撰写了《煤成烃地球化学》专著，黄第藩等（1992）编译出版了《煤成油地球化学新进展》（傅家谟等，1990）。
近几年我国在煤成烃成因机理与模式等基础理论的研究方面，亦有重要进展，如气组分研究、碳同位素组成研究、煤成气鉴别研究（戴金星，1998）。
六、沉积有机地球化学
生物标志化合物的发现和研究也为沉积岩的成因与海洋沉积物的研究开辟了新的途径，在判别沉积环境（海相和陆相），物质来源（陆地植物来源和水生生物来源）及早期成岩作用等方面已提出了许多新指标：
如指示陆源有机质的酚醛、一元羧酸；
指示咸化盆地相的正烷烃偶奇优势，指示强还原环境的舀醇，指示成岩作用的叶咐等以及它们的立体异构体参数。
同时海洋沉积物的研究，也为有机地球化学，特别是石油与天然气成因的研究提供了重要的基础。
因此，有机地球化学已经成为海洋科学的重要组成之一，如著名的深海钻探工程（DSDP）20多年来就一直进行着海洋沉积物的有机地球化学研究（中国科学院地球化学研究所，1999）。
七、矿床有机地球化学
铁，锰、磷、铝等沉积矿床及层控矿床在成因上与有机质有着十分密切的联系。
成矿元素从母岩中风化、迁移，以及在水盆地内的沉积过程中，有机质、尤其是腐殖酸起了重要的作用。
同时有机质在沉积矿床成岩改造过程中也起了积极的作用，从层状铅、锌矿的矿石与脉石矿物的包体中已发现石油烃类和脂肪酸等有机化合物，通过金属-氨基酸络合物的加热试验又获得了各种类似天然产出的金属硫化物。
因而提出了这类矿床由类似油田卤水的成矿母液改造形成的观点。
1980年11月在美国华盛顿召开了第一次金属矿床有机地球化学的国际讨论会，1989年华盛顿第28届国际地质大会，1990年英国诺廷汉第11届国际沉积大会，1992年、1996年第29届和第30届国际地质大会上，生物成矿作用和有机成矿作用研究都已成为重要的议题，受到国内外专家的关注（盛国英等，1996）。
沉积金属矿床有机地球化学研究长期以来受到广泛重视（叶连俊，1963；
中国科学院地球化学研究所，1982）。
关于有机质在元素迁移、富集过程中的作用方面曾经积累了大量的实验研究资料，Манская和Прнозлова（1964）曾对这方面的资料做了较系统的总结。
他们论述了沉积有机质对U、Re、Ge、V、Mo、Cu、Fe、Mn、Co、Ni、Au、Ag、Hg、Cd、Zn等元素迁移、富集的作用特点，重点探讨了表生条件下各种形式有机质，包括河流、湖泊、土壤、沼泽中的有机质，如腐殖质、泥岩、褐煤等对元素的吸附、络合、迁移、富集的作用（中国科学院地球化学研究所，1999）。
有机质成矿理论研究的另一重要新领域乃是层控矿床和层状硫化矿床的有机地球化学研究。
例如Saxby（1973）为探讨金属与胱氨酸的成岩作用而做了一次十分有意义的热模拟实验。
结果表明，当温度达到200℃时，很容易由这些络合物生成Fe、Cu、Pb、Zn、Ni的硫化矿物，同时产生达35%的气体与25%的可溶油状物。
同样有意义的是在层状铅锌矿中发现了烃类化合物（Richard，1975），在伴生的萤石中找到了脂肪酸。
在上述研究基础上，提出了层状铅锌矿与油田卤水在成因上有密切联系的认识。
Saxby（1977）在论述层控矿床成因时，还进而提出了一个带普遍意义的重要观点，认为由于有机质的热稳定性低，尽管许多变质程度较高的层状金属矿床中有机质含量甚低，但有机质在金属沉积以及成岩成矿过程中的作用可能远比我们通常认识的大得多。
由此可见，尽管层控矿床矿源层的形成过程中有可能存在上述表生条件下腐殖酸和腐殖质迁移、富集金属元素的作用，但层控矿床形成时元素的再次溶解、迁移和富集的地球化学过程，则具有明显的成岩、后生性质，有机质可能主要以油田卤水伴生物的形式存在于成矿流体中。
涂光炽（1988）曾多次详细论述了油气矿床与活泼元素改造矿床的关系，以及有机质在层控矿床成因中的作用，认为在成矿机制方面，油气矿床和改造矿床是十分相似的。
油气矿床的生油层（岩）相当于改造矿床的矿源层（岩），储油层相当于储矿层，区别在于，对一些改造矿床来说，基底常是矿源岩，提供大量成矿物质；
而对油气矿床来说，基底一般不起这种作用，不是生油岩。
油气矿床与改造矿床一样，都是层控矿床，沉积阶段提供了一定的成矿物质基础，但较分散；
富集成矿是在后期地质作用中发生的。
所谓活泼元素改造矿床系指Hg、As、Sb、U、Mo、Pb、Zn等化学行为比较活泼的元素富集形成的矿床。
八、环境有机地球化学
环境有机地球化学研究地表环境中有机物质（含有机污染物）的来源、迁移、转化与归宿，以及有关全球性和区域局部性环境问题，它是环境地学和有机地球化学的一个重要分支领域（傅家谟等，1996）。
区域环境中有机污染物的分布、来源、迁移转化和归宿，即有机污染物的表生地球化学，是环境有机地球化学的主要研究内容。
我国幅员广阔，不同地区的自然地理条件、人口分布、能源结构、经济结构和经济发展模式各具特点，区域环境污染的发生和发展过程也因此而存在显著差别，客观上为环境有机地球化学提供了丰富的研究素材，使其充满生命力；
而在另一方面，对区域有机污染发生和发展过程的深入认识，无疑也可为区域有机污染的宏观调控和区域可持续发展战略提供科学依据。
区域环境有机地球化学主要包括区域有机污染的高分辨沉积记录研究和有机污染物的表生地球化学（傅家谟、盛国英，1996）。
分子标志物的研究是环境有机地球化学的基础与前沿研究内容。
它提供环境中有机物质（包括污染物）的来源和演化的示踪指标体系，可应用于环境污染源的判识、追踪和污染责任仲裁、污染物输移示踪等，并可籍之区分不同污染源的相对贡献，广义的分子标志物还包括古气候古环境的分子有机指标。
分子标志物本身可以是污染物，也可以是无害的天然有机化合物。
经典有机地球化学对包括化石燃料在内的天然有机物质组成和演化的理解，为确定（Identity）环境中的人为污染物提供了认识基础；
通过对代表性点源的解剖及污染物表生地球化学行为的研究，可以探索新的分子标志物；
色渗同位素比值质谱（GC-IRMS）技术的应用，可使分子标志物的概念延伸到有机化合物单体同位素组成层次（傅家谟等，1996）。
古气候和全球变化研究是环境有机地球化学应用的另一重要领域。
例如，通过研究第四纪冰期及间冰期沉积物（大洋沉积物、湖泊沉积物和黄土沉积物等）中的有机化合物，有可能提供几十万年以来全球气候变化、生物输入和沉积环境等方面的信息。
例如最近英国著名分子有机地球化学家EglintonG.教授的实验室通过研究不饱和长链酮，建立了U37k古温度指标，并成功地应用于测定十几万年以来大洋沉积物古温度的变化；
美国印第安那大学HayesJ.M.的实验室最近在研究类脂物中单个化合物的δ13C同位素时，提出了测定古大气二氧化碳浓度的新指标（古压力计）等（傅家谟等，1996）。
第二节环境地球化学造福人类
环境地球化学是20世纪60年代兴起的一门新的研究领域，它是研究人类赖以生存的地球环境的化学组成、化学作用、化学演化与人类相互关系的科学。
这种关系主要是指两方面的内容：
一是原生环境的地球化学性质与植物、动物和人体健康的关系；
二是人类活动对环境的化学组成、化学作用、化学演化的影响及其环境效应。
可以说，环境地球化学是一门造福于人类的地
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