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1、能源地质学考研复试用中国矿业大学能源地质学讲义绪 论一、能源与环境地球变暖：大量的使用一次能源，大致大气中CO2不断增加（包括CH4），在过去的年中，大气中CO2浓度ppm/a，由于浓度增加，大气向外太空的能量释放减少。另一方面，森林面积以17万km2/a减少，使CO2的被固定量减少，地球变暖，导致气候失常，如厄尔米诺现象。19世纪末以后，地球的平均气温上升了0 .3.6，海平面也上升了1 05cm（岩佐茂，2000）。2010年全球CO2产量预测（单位：百万吨）（国际能源了望，）北 美欧 洲东 欧中 国世界合计石 油8906353901713531天然气424288484251546煤 炭6

2、0936538410413017合 计19231288125812378095注：年：百万吨。臭氧层破坏：臭氧层存在于地球高空30km的同温层中。氯氟烃对影响，其代表是CFC，逸散大高空，可存在10年，受紫外线影响，分解出Cl2，一个Cl2可以分解个O3。我国北方O3约.29mm，南方仅.69mm。酸雨：酸雨主要有SO 2和NO2造成，它们与云反应形成酸离子。正常雨的PH值：5.6，小于5.6，即为酸雨。主要影响植物和生物以及土壤。 4 土地荒漠化： 由于资源开发，植被破坏，土地荒漠化（土地退化与沙质荒漠化）。我国现有荒漠化土地2.641106km2（蒋焕洲，），占国土陆地面积的27.3%，相

3、当于个广东省的幅员，涉及个省（区、市）的471个县（旗），主要分布在我国北方的个省（区、市）。目前，荒漠化仍呈快速发展之势，每年荒漠化净增面积已超过6670km2，仅沙化土地每年就净增2461.23 km2，按目前的速度发展。当然，不全是资源开发造成的，其中约7 .9%（崔书红，），其次还有不当农业活动，过渡放牧，开路，植被破坏等等。二、能源现状：能源是社会经济发展中具有战略意义的资源。随着人类社会对能源需求的不断增加，促使能源消费构成发生了变化。目前，能源消费中：原油：38%；天然气%；煤：%，其它：%。化石能源是不可再生能源，系太阳能经地史时间埋藏才得以产生的。地球经历500Ma生产堆积而

4、现存的碳及碳氢化合物资源，其石油 天然气消费时间跨度2100年，煤如有节制使用可再使用年。化石能源可采年限（马润田，2000）品种天然气石油煤炭 使用时间6345219在全球石油工业史上，全球年新增储量（发现量加油田扩大）超过年生产量。1962年全球原油发现量已达高峰，从年起，全球年生产量超过年发现量，油田扩大储量大于年发现量。1997年石油生产量高达亿桶。二种观点：夕阳产业与未必。吨煤=3.5桶石油，1桶油=170 m3天然气；桶油=115.4kg。1、煤炭工业：世界煤炭总资源量约14.3万亿吨，其中探明储量为. 7万多亿吨。经详查的可采储量约为.04万亿吨。足够全球几百年之需。中国煤炭储量

5、5.06万亿吨，其中米浅为亿吨，仅次于俄罗斯，大于美国，位住第二。1952年年中国能源消费结构（单位：%）（邵培玉等，）1952年1970年1980年1990年1995年1997年煤炭95.080.972.276.275.073.5石油3.3714.720.716.6 17.31 8.6天然气0.020.93.12.11.82.2水电1.612.54.05.15.95.7总计1001001001001001002、石油工业：目前，全球探明石油储量约1370亿吨，比年增加亿吨，按目前.7亿吨/年开采，大约还可以开采年左右，据地质学家预测，地球深层大约还有700亿吨未被发现的石油。也即亿吨。储量还

6、算丰富，但分布极不均匀，在1370亿吨中，少数石油输出国占有大约亿吨，约占%，以目前开采水平达90年，而经济合作的工业发达国家仅占%，约亿吨，仅够开采15年（刘敏，）。图年至年世界基本能源供应量的发展趋势（赵洪滨等，2000）截至年月日，世界石油剩余探明储量前10位国家和地区分别是沙特阿拉伯亿吨、伊拉克亿吨、阿联酋亿吨、科威特亿吨，伊朗亿吨、委内瑞拉亿吨、独联体78亿吨、墨西哥亿吨、利比亚亿吨、中国亿吨。据年结束的全国第二轮油气资源的评价结果，全国石油的总资源量94010 8t，其中陆上为69410 8t ，占.8%，海域为4610 8t，. 2 %（翟光明，2000）。中国最终可采储量约为1

7、0 8t计算，估计其东部约占10 8t ，西部约10 8t（其中塔里木盆地约占3210 8t ，准噶尔盆地约710 8t ，柴达木盆地约10 8t ，吐哈盆地约410 8t ），中部、南部、西藏和大陆架海域约2910 8t 。若按年年产量.6610 8t，年.8510 8t，达到10 8t的峰值，稳产，最终缓慢递减。如此，若年产210 8t 计算，可产约年（翟光明，2000）。3、天然气工业：（翟光明，2000）世界上已探明天然气储量：0 12 m3（刘敏，）。中国拥有丰富的天然气资源量，天然气的总资源量为 3 8. 1410 12 m3，中陆上为.910 12 m3，. 1 %（翟光明，）。

8、海域为8. 1410 12 m3，占.5%。据估计，最终资源量达21.6610 12 m3 。截止年累计采出量仅为314810 8 m3 。年天然气年产量为25510 8 m3，05年约达36310 8 m3 ，年10 8 m3 。若按天然气年产量10 8 m3计算，开采年才为710 12 。所以，中国丰富的天然气资源，为中国21世纪的天然气开采提供了雄厚的物质基础。4、煤层气方面：煤层气本身是我国世纪可靠的重要接替洁净能源之一。煤层气与煤共伴生并储存于煤层中，甲烷（）含量%以上，热值高于卡m3，是一种比常规天然气更洁净的高效气体能源。我国煤层气资源量十分丰富，埋深2000以浅的煤层气资源量约

9、为万亿m3 ，约占世界煤层气资源量的%（孙茂远，）。二、未来的能源发展趋势1、常规油、气、煤未来年一次性能源仍占统治地位（任新华，1998），石油仍将是最重要的能源：2010年石油消耗为亿吨SKE（给文缩写代表油当量或煤当量），但其比重将由现在的.2减少到.2。特别是OECD国家采用一系列节能技术和代油措施并不再兴建以石油为燃料的热电厂，石油用耗相对值将下降，但由于交通特别是航空业的发展，石油消耗绝对值仍上升。为了满足世界石油消耗增长绍求，中东和委内瑞拉的石油产量需比现在增加一倍。国际能源机构预测，世界将不会发现像上述地区那样规模和经济的新油田。但上述地区如要增加产量目前却缺乏足够的投资，且其

10、中有些国家还不允许他国分享它们的石油财富，所有这些因素将导致今后石油供不应求和涨价。2）天然气应用前自光明：未来的15年中，天然气消耗增长最快。到年，其消耗比例达到23.5，比1991年增长.5，即15亿吨SKE，年增长率.4，在所有一次性能源消耗中，其增长率最高。人们将天然气誉为世纪能源：天然气的优点是清洁、高热值、低成本、符合环境保护的时代要求，因而被称为最理想的城市能源。表1煤、石油、天然气废气排放水平的比较SIO2NO2CO 2煤100100100石油687180天然气0203757煤炭的利用前景令人鼓舞： 煤的消耗增长和其他能源同步，到2010年将比年增长，即增长亿吨。年煤总消耗量达

11、到48亿吨SKE，占总能源消耗量的，主要用于发电，电力工业主要建立在煤炭工业上，在焦炭和热能市场的比例逐步减少。第三世界煤炭消耗增长大于世界平均水平，年增长率为3.8，年消耗量将比年增加一倍。2、中国的“西气东输”战略：（苗承武，）西气东输是实施西部大开发战略的标志性工程，1996年就开始规划设计，年开展可行性研究，年立项，2001年开始管道建设，年底实现管道全线贯通，其管道线路起自塔里木轮南，经库尔勒、哈密、柳园、武威、静边、郑州、南京到上海，全长4200km，一期工程总投资1200亿元，其仅次于三峡的工程。2004年将塔里木盆地的天然气输送到长江三角洲地区，年供气1120亿m3、稳定供气达

12、年。据测算，需天然气可采储量3600亿m3（地质储量亿m3）。目前，在库车地区已探明克拉大气田和个中型气田，探明天然气地质储量3110亿m3左右。此外，塔里木盆地其他地区还探明地质储量1006亿m3（共探明天然气地质储量亿m3，占%）。另外，鄂尔多斯地区近年发现大型气田。煤层气天然气的补充：“西气东输”工程经过多个大型煤层气田，总资源量近10万亿m3 ,相当于塔里木盆地的天然气资源量。“西气东输”工程经过多个大型煤层气田 ,总资源量近万亿m3，从西到东依次为塔北、淮南、鄂尔多斯西部、渭北、鄂尔多斯东（吴建光等，2000）。3、天然气水合物二十一世纪的新能源：天然气水合物是甲烷等气体和水分子组成

13、的类似冰状的固态物质，其分子式为，其中是以甲烷气体为主的气体分子数，为水分子数。形成水包气的笼形物，其中的水结晶成等轴晶系，而不是象冰那样的六方晶系，从结晶化学上说，天然气水合物就是甲烷与水的笼形结构物，其所含的甲烷受结构中甲烷分子与水分子关系的控制，理论上一个饱和的天然气水合物分子结构内，甲烷与水的克分子比为1：，换算为标准温压下的体积比是：，也就是说在标准温压下1 m3 气水合物可含m3 甲烷气和0.8 m3的水。可见其蕴藏的甲烷气资源量十分巨大。天然气水合物赋存于水深 1 0 050（两极地区）和40 0（赤道海域）的深海海底以下数百米至1000多米的沉积层内，这里的压力和温度条件能使天

14、然气水合物处于稳定的固态。据估计海洋沉积层天然气水合物中甲烷的资源量为31015.61018 m3之间，可满足人类需求多年。而美国东南部布莱克海岭天然气水合物中的甲烷量可满足美国目前消费水平105年的消耗量。目前估算的全球化石燃料矿物（石油、天然气和煤）储量的含碳量为5万亿吨，而天然气水合物中甲烷的含碳量为其两倍，,达10万吨。4、非化石能源1）核能未来核能发电量只略有增加，其相对比例将从目前118下降到。IEA认为核能发电未能迅速增加原因主要是：切尔诺贝利核事故后，对安全的严格要求大大增加了核电投资和运营费用；核电建设准备期长和审批手续极为繁杂；核废料最终安全存放以及民众反对兴建核电站等原因

15、。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚变，太阳就是依此而释放出巨大的能量。大家熟悉的原子弹则是用裂变原理造成的，目前的核电站也是利用核裂变而发电。核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。 2）其它能源 诸如太阳能、水能、风能、潮汐能、地热等能源

16、也将又有一定的增加，但至少在2050年前无法占据主导地位。 John D.Edwards（ 1997）在AAPG，BULLETIN指出，世纪下半叶，可更新能源（太阳能、热能、光电能、风能、地热、水电、核能）可满足一半以上的需求，21世纪是石油天然气彻底枯竭的时代。我们必须投资新型能源的开发。最可能的依赖能源是太阳能、煤和核能。5 中国世纪能源战略（周凤起，国家发展计划委员会能源研究所原所长） 由于世纪能源资源与需求矛盾；能源利用与环境保护的矛盾。 节能优先战略：能源效率低，年中国能源效率为%，约比国际先进水平低10个百分点，终端利用效率也低个百分点以上。 优化能源结构： 1 950年煤炭世界一

17、次能源结构中占. 7%, 1970年下降到.5%，年为.9% ，而年世界能源结构中石油占9.5%，天然气占23.5%，二者共占%。而中国呢？ 发展清洁煤技术：减少煤炭在终端的直接利用，提高煤炭转换为电力和气体、液体燃料的比例，必须发展清洁煤燃烧技术。 保证能源供应安全：A多元化、多边化和多途径：多元化进口多种油、气产品；多边化从多国或多地区进口油、气；多途径进口方式的多样化。B建立储备制度：建立国家和地区的石油储备体系。C石油的替代：水煤浆代油，此技术应积极推广；煤合成液体燃料，现与美、日、德等国合作研究开发；生物质液化，可引进技术或进行合作生产；发展天然气汽车和电动汽车。 提供优惠政策推动可

18、再生能源的发展。 第一章 沉积有机质的形成与聚集 沉积岩或沉积物中的有机质统称为沉积有机质，是形成化石能源矿产的物质基础。沉积有机质本身具有生物学、化学和岩石学的三重属性。 第一节 沉积有机质的成因 沉积有机质来源于活的有机体及其新陈代谢产物，包括煤、沥青等聚集有机质以及泥岩、灰岩等中的分散有机质。有机体死亡后遭受降解。一部分降解产物通过生物作用进行再循环，一部分通过某些物理化学作用被转化为简单分子逸入大气或水体，另一部分与分解后的生物残体一道，随同矿物质混入沉积物被埋藏下来，形成了所谓的沉积有机质。一 沉积有机质的来源（一）自然界中有机碳的循环 还原碳与氧化碳基本赋存形式。氧化碳为无机碳，主

19、要赋存在碳酸盐矿物中。还原碳主要为有机碳，狭义上指的是生物质通过生物化学作用和沉积作用保存在沉积岩或沉积物中的沉积有机碳，是构成沉积有机质的主要且必要的元素。碳及其化合物在自然界中是循环变化的，沉积有机碳存在两个循环：第一个循环从光合作用开始，植物通过光合作用利用二氧化碳而得以生长，植物为动物提供了食物，动植物死亡后在微生物（主要是细菌）参与下被分解缩会而进入沉积物，大量的含碳分解物以二氧化碳形式再次释放到大气或水体中去。循环时间较短，几天几十年，对化石能源的形成意义不大。如沉积物被进一步埋藏，沉积有机碳就进入了第二个循环，这个循环是在岩石圈中进行的。在此循环中，沉积有机质在地热场和地应力的作

20、用下发生演化，先后经历煤化作用（或有机成熟作用）以及石墨化作用阶段，其中部分沉积有机质生成石油和天然气等含碳化合物，最终变成元素碳的石墨，然后随地壳回返和地层的剥蚀风化，在岩石圈表层被氧化成二氧化碳而逸入大气，有机碳第二个循环在地质历史中周而复始，为化石能源矿产的形成提供了不竭源泉。循环期长达几百万年数亿年，是能源形成的过程，此循环往往是不完整的，因此，导致能源矿产分布的不均一。（二）沉积有机质的来源植物是沉积有机质形成的主要来源，动物的软体组织易于分解而很少保存，菌类程度不等地参与了沉积有机质的形成。煤及煤系地层中有机质多来源于由高等陆生植物，湖相泥岩、油页岩等优质油源岩中的分做有机质主要由

21、低等菌藻类和某些水生高等植物所形成。沉积有机质的性质和聚集规模受上物界演化进程的影。最早的低等生物曲藻类化石记录存在于南非威斯兰群古老沉积岩，形成于距今约31一亿年前。在距今约亿年的中一晚元古代，的藻等生物开始大量繁盛并持续至今。因此，石油开始形成，还有最早形成的煤一石煤，在具今约4亿年的志留纪末泥盆纪初，植物界登陆，始大量煤炭形成。列述一下大油田、大煤田的形成时代。二 生物解剖结构与化学组成（一）生物的解剖生物界分为植物界和动物界。（二）生物质的化学组成任何生物体，不外乎主要由碳、氢、氧、氮、硫构成，它们构成碳水化合物，本质素、蛋白质和类脂化合物4大物质，不同化合物的分子结构明显不同，进而导

22、致它们向沉积有机质转化过批中的稳定性有所差异。碳水化合物是单糖与其聚合体的总称，包括纤维素、半纤维素、果胶质等，在死亡植物体中易于水解或遭受菌类作用而生物降解。生物体中化合物组成不同，影响沉积有机质的元素组成特征和生烃行为。如本质素富碳、富氧和贫氢，蛋白质富氮、富硫，类脂化合物则富氢、富碳、贫氧，造成高等植物富碳、贫氢，低等植物富氢、贫氧的总体特征。三 生物质向沉积有机质的转化 从生物死亡、释放入周围环境到转化产物结合入沉积物的过程中，发生了一系列物理、化学和生物作用。这些作用的发生与发展严格受到水体状况、氧化还原电位、酸碱度、温度以及它们控制之下的生物产率、微生物活动性等因素的影响，进而决定

23、了生物质的转化程度以及沉积有机质的性质。生物质向沉积有机质的转化，一般经历了氧化一降解、还原一合成和沉积一埋藏3个阶段。在氧化一降解阶段，氧化反应（腐朽或腐败作用），生物遗体暴露于大气、水体或沉积表面的富氧条件，在喜氧性材生物参与下受分解和水解。在还原一合成阶段，还原反应（发酵）与合成反应（缩合），随上覆水体逐渐加深、流动性减弱或沉积物逐渐堆积，介质的氧化还原电位降低，氧的供给受到限制；表层的富氧环境经由过渡层转变成底层的缺氧环境，厌氧细菌类开始活跃。形成腐殖酸、沥青质等新生产物。在沉积一埋藏阶段，经过上述过村改造的对几质与矿物质发生混合进而沉积，并随上覆沉积物的形成而脱离沉积表面。有机质在压

24、实作用下逐渐脱水，从生物有机质转化为沉积有机质。沉积有机质形成主要经历下列几种作用：（富集与分散）泥炭化作用： （残植化作用）腐泥化作用：近现代沉积有机质的物质组成一 沉积有机质的三重属性即指化学属性、生物属性和岩石学属性（图2）。二 腐植酸的化学组成腐植酸是一种具有杂多结构的芳香性化合物，具有酸性、亲水性、吸附性等重要物理特性。尽管对于腐植酸的分子结构一直意见不一，但普遍认为主要由：芳核、桥键和活性基团三部分组成。根据溶解性质，腐殖酸可分：可溶的黄腐酸；溶于丙酮或乙醇的棕腐酸；最后沉淀部分称为黑腐酸。化学属性沉积无或沉积岩 岩石学属性 生物学属性图 沉积有机质的三重属性及物质组成三 可抽提沥

25、青的化学组成就沉积有机质的可抽提沥青而言，氯仿沥青A常被用于有机地球化学研究，苯沥青则在地理学界广泛采用，并被用来进行泥炭、腐泥、褐煤等年轻沉积有机质利用方向的评价。从氯仿沥青A中，可分为烃类与非烃类，前者主要包括饱和烃和芳烃；后者由胶质及沥青质构成。非烃由氧、氮、硫的高分子杂原子化合物组成，其中胶质呈半流体状，可溶于石油醚和正戊烷，沥青质是结构更为复杂、分子量更高、烃类含量更少的暗色固态物质，不溶于石油醚。生物质和年轻沉积有机质的族组成均以非烃占绝对优势，这是沉积有机质进一步转化的重要物质基础；生物质的烃类/非烃比率远远高于沉积有机质，表明在生物质向沉积有机质转化过程中生物烃类受到明显损失，

26、而且在沉积表层中不能转化为烃类物质，年轻沉积有机质中的烃类几乎全是生物残留物。就沉积环境而言，陆相年轻沉积有机质的烃含量总体上低于滨海相和海相有机质，但深湖相沉积有机质的烃合培远远高了其它环境下形成的有机质，这与深潮中上层水体低等浮游生物繁盛导致生物质供给充足、而底层水体停滞缺氧提供了有利于有机质保存的条件有关。深海相沉积有机质的烃含量也相对校高，同样是上层水体浮游生物繁盛、下层水体及沉积表层缺氧还原的缘故。此外，海相和湖相沉积有机质的饱和烃芳烃比率往往高于泥炭沼泽相，这是陆生植物富含本质纤维素而浮游生物脂肪含量较高的必然结果。 对于泥炭的氯仿沥青A来说：1）于泥炭的形成位置有关。泥炭沼泽分为

27、：高位沼泽、低位沼泽和中位沼泽。一般沼泽发育过程为低位沼泽（富营养阶段）中位沼泽高位沼泽（贫营养阶段）。形成的环境多变，主要为陆相过度相。2）泥炭植物堆积方式。原地（主要）与异地。原地堆积中，泥炭的堆积速度与气候条件和沉积环境密切相关。三种补偿关系。四 分散有机质的沉积分配 分散有机质在人陆海洋的各类沉积环境中均有产出，呈非连续状散布于沉积岩或沉积物中，以生物辞屑或有机肢体形式与陆相碎屑矿物共同沉积下来，多属异地和微异地成因。因此，与聚集有机质（如泥炭）相比，分散有机质的沉积分布规律一方面更为强烈地受到水流机械搬运与沉积作用因素控制，另一方面也充件地体现出“内源”与“外游”有机质展布的差异。陆

28、缘有机质影响因素：1）水流速率、水体深度、水介质化学性质、气候条件；2）离岸距离（包括水动力），盆源中央；3）水体含氧量。水生有机质：表面富氧，有利于生物繁盛，死后沉积界面低于氧化界面，则大量被保存，导致有机质丰度随深度增加而增高。因此，一般而言，优质生油岩主要形成于深水、滞留、缺氧的环境，如：深湖相、膏盐相、局限海相等。五 沉积有机质的分布 沉积有机碳仅占所有碳中的一小部分，总碳量约：1 .3x1016吨。每年新产生在海洋为1 .57x1016吨，陆地：1 .47.8x1016吨，仅有.0110%进入沉积物。沉积有机质在地质历史时期中的分布是不均一的。沉积有机质集中分布在寒武纪奥陶纪、石炭纪

29、二叠纪、侏罗纪白垩纪和下第三纪，这种分布特征不仅与生物界的演化更替有关，而且明显地受到全球气候变化的影响。沉积有机碳的地史分布在一定程度上决定了化石能源矿产的层位分布。从全球来看：煤炭资源主要分布在石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系和第三系；石油和天然气资源明显集中在侏罗系和白垩系，石油资源第三系也较丰富，天然气资源在志留系也有一定的分布。地域上，分布也存在不均一性。第二章 沉积盆地中有机质的演化有机质堆积 地壳沉降 埋藏 沉降幅度越大 沉积物堆积厚度也越大 被埋深处；压力、温度 升高，有机物的物质组成和化学性质、物理性质不断发生变化。划分三个阶段：成岩作用阶段、深成作用阶段和变质作用阶段。第一节

30、 有机质的成岩作用及其产物成岩作用：深度一般是几百米，少数可达千米左右，地温一般在50。主要发生生物化学作用和化学作用，还有压实、脱水、固结成岩等物理作用，该阶段的产物主要是形成干酪根，或者由泥炭或腐泥形成褐煤。微生物在分解有机质时可生成甲烷，在有条件的地方可形成生物成因甲烷气田。一 生物化学作用和化学作用沉积物中有喜氧和厌氧细菌可达几Ma/ml，对有机质进行分解和改造。利用酶把高分子的蛋白质、碳水化合物和脂类化合物分解成它们可以吸收的简单分子，部分成为细菌的细胞质，部分转变为气体。喜氧细菌，有机质被分解、改造，直至彻底破坏，变为水和二氧化碳。还原环境中，厌氧菌对有机质进行不同程度地分解、改造

31、，形成各种气态和液态产物，如CH4、O2、N 2、丁酸、醋酸等，并使有机质中的碳、氯富集。由于还原环境中酸性物质的增加，以及产生H2S，使水介质的酸度增加，不利于细菌的活动，微生物对有机质的降解作用逐渐减弱，而降解产物间的聚合和缩合等化学作用逐渐增强，沉积有机质逐渐变为缩聚的更稳定的物质，在油气地质中称之为干酪根，在煤地质中称之为腐植质，再由腐植质变化为褐煤。二 干酪根的物质组成和分类沉积岩中的有机质包括两个部分，一是用有机溶剂可抽提的沥青，约10%；一是不溶于有机溶剂的干酪根，约8090%。分散有机质比富集有机质要丰富倍。干酪根是由沉积岩中的有机质通过埋藏演化而成，其中还含有少量植物的碎屑，如孢子、花粉等残余物，在成岩阶段没有发生明显的变化而被保存下来，