2011-第六章-有机质的沉积分布特征

第六章有机质的沉积分布特征有机质的沉积特征（即沉积物中有机质的数量和性质）生物的发育及有机质的来源有机质沉积的环境重点讨论：沉积环境及其对有机质沉积的影响不同沉积环境有机质的沉积特征。取决于取决于有机质的含量、性质、组成和产状随沉积环境（相）、地质时代、岩性和先质有明显的变化。第一节有机质沉积的一般特征1．大多数沉积有机质以分散的形式存在，只有少部分以煤和油气藏的富集方式存在以富集态存在于煤和油中的有机质的仅占分散有机质总量的1/600和1/18000。2．有机质的沉积分布特征随地质时代而变水生生物水生生物和陆源高等植物的双重贡献我国学者统计显示，中新生代有机质的丰度一般高于古生代，从老到新，有机质含量呈现增大的趋势泥页岩2.1％碳酸盐岩0.29％砂岩0.05％沉积岩有机碳的平均含量其他学者的统计显示：总体的趋势完全一致Hunt（1961）的统计显示：3．有机质的数量和性质随岩性而变数量4．有机质的数量和性质随沉积环境（相）而变（第三节详述）在介绍与此有关的细节之前，有必要先讨论有机质的沉积环境及其对有机质沉积的影响。页岩优于粉砂岩、砂岩粒度越细有机质性质越好碳酸盐岩有机质性质一般较好来源于水生生物海相宏观藻除外性质沉积环境是指发生沉积作用的地貌单元，是物理上、化学上、生物学上有别于相邻地区的地球表面。而沉积相是沉积环境的物质表现。第二节沉积环境及其对有机质沉积的影响沉积作用绝大部分发生在覆水盆地中。因此主要讨论水体环境。因此要认识沉积环境及其对有机质沉积的影响，首先需要剖析环境的物理、化学及生物学参数及其对有机质沉积的影响。一、环境的物理参数及其对有机质沉积的影响物理环境是指沉积物和有机质从中降落的沉积介质的动态和静态的物理性质。对有机质沉积有重要影响的物理参数是：水流流速；水体深度与浪基面的深度；沉积速度与沉降速度。1．水流流速被搬运和沉积的碎屑粒径受水流流速的控制。以颗粒形式存在的有机质，密度较低，易于搬运而难以沉积，仅当水流速度非常之低时，有机碎屑才能与细小的粘土矿物一起沉积。水流速度搬运能力水流速度有机、无机颗粒由粗到细的逐步沉积底栖生物和微生物1232．水体深度与浪基面深度及其对有机质沉积的影响浪基面是指水盆地波浪有效作用水体的底面。浪基面的深度与水体面积有关，海洋的深，湖泊的浅。沉积物的沉积和保存浪基面湍流高能环境静水低能环境上下水体深度控制①当水体深度远小于浪基面深度时为动水、高能、氧化环境，有机质和细碎屑不易沉积，即使沉积下来也容易被氧化，因此以砂砾、介壳、砂屑灰岩等粗屑沉积为特征，有机质含量很低；②当水体深度稍大于浪基面深度时为静水、低能、还原环境，以具致密纹理的粉砂岩和泥质岩为特征，当有机质来源丰富时，可形成大范围丰富的有机质沉积；③当水体深度远大于浪基面深度时，太深的水体不利于有机质的沉积，有机质经过很深的水体，常被其它生物或氧化所消耗。水体深度远小于浪基面深度，不行水体深度稍大于浪基面深度，正好水体深度远大于浪基面深度，不行3．沉积速率（vddeposition）与沉降速率（vssedimentation）及其对有机质沉积的影响一般而言，较快的沉降和沉积有利于有机质的保存，有机质的丰度较高。过快或过慢的沉积速率都不利于有机质的沉积和保存。界面还原环境水体沉积物就沉降与沉积速率的比较来说：①若沉降速率远远超过沉积速率（vsvd），水体急剧变深，沉积物补给不足，生物死亡后，在下沉过程中易遭受巨厚水体所含氧气的氧化破坏，多以粘土及化学溶解物质沉积为主；②若沉降速率显著低于沉积速率（vsvd），由于补偿远大于沉降速率，水体迅速变浅，直至盆地填满消亡，上升为陆地，沉积物暴露地表，有机质易受空气中的氧气所氧化，也不利于有机质的堆积和保存；③只有在长期持续下沉过程中伴随着适当的升降，沉降速率与沉积速率相近或前者稍大时(vs≈vd)，才能持久保持还原环境。沉降速率远大于沉积速率，不行沉降速率接近或稍大于沉积速率，正好沉降速率远小于沉积速率，不行生物大量繁殖有机质免遭氧化长期保持有利水体深度保证丰富的原始有机质沉积下来沉积厚度大埋藏深度大生、储层频繁相间广泛接触有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃二、环境的化学参数及其对有机质沉积的影响环境的化学参数主要包括氧化－还原电位(Eh)、酸碱度（pH）、盐度和温度。1．氧化－还原电位（Eh）氧化－还原电位是环境氧化还原能力的量度，主要受含氧量控制，是对有机质沉积保存最重要的环境要素。Eh等于零时，为中性；Eh为正值时，表明环境富氧，为氧化环境，有机质被氧化、消耗，转化成CO2和H2O，变价元素（如Fe，Mn等）将会以高价态存在；Eh为负值时，表明环境缺氧，为还原环境，变价元素以低价态存在。含铁自生矿物，由氧化环境至还原环境出现次序为：褐铁矿－赤铁矿－海绿石－鳞绿泥石－菱铁矿－白铁矿和黄铁矿（氧化环境）（弱氧化弱还原环境）（弱还原环境）（强还原环境）褐铁矿limonite（主要成分FeO(OH)·nH2O）赤铁矿Hematite（主要成分Fe2O3）海绿石Glauconite（钾、铁、铝或镁的水合硅酸盐）绿泥石chlorite(Mg,Fe,Al)6(Si,Al)4O10(OH)8菱铁矿siderite（主要成分FeCO3）白铁矿marcasite（主要成分FeS2）黄铁矿pyrite（主要成分FeS2）pH＝7.8（约为海水的PH值）方解石在pH≥7.8时可自由沉淀；而在较弱的碱性环境中它只是副矿物；而当pH＜7，则完全没有方解石。地球化学界面（或地球化学墙）氧化环境还原环境有机质不能保存氧化－还原电位2．酸碱度（pH值）酸碱度的划分主要根据水介质中氢离子浓度，pH=-lg[H+]。酸性介质pH7，二氧化硅沉淀，碳酸钙溶解中性介质pH=7，碱性介质pH7。碳酸钙沉淀，二氧化硅溶解因此，根据粘土矿物的组合特征反映水介质的酸碱度。酸碱度粘土矿物沉积pH值=5－7高岭石沉积pH值=7－8.5酸性环境中性、弱碱性环境蒙脱石沉积关系密切pH≥7.8时，弱碱性有机质常与碳酸盐一起沉积有机质含量较高成烃潜力较高pH7.0时，酸性沼泽环境有机质多为腐殖型3．盐度水的盐度是其中所溶解的固体物质的质量百分比。水体含盐度直接影响着生物群落的发育和沉积物的性质。正常盐度的海水生物种类最多盐度偏高或偏低生物种类都减少（生物总量不一定减少）盐度增加有利于有机质沉积后的保存微生物的发育受到抑制盐跃层水体对流停滞4．温度影响生物的发育及其产率通过影响无机矿物的沉积来影响生物的发育和沉积在热带、温带水盆地形成温跃层生物礁生活在热带海洋中显微粒状灰质藻主要生长在温暖地区硅藻大量发育在寒冷地区温度和蒸发作用盐度生物的发育使水体对流停滞下部水体缺氧有利于有机质的保存温跃层三、水体环境的生物参数及其对有机质沉积的影响微生物（细菌）分布最广繁殖最快温度（0－100℃）埋深（0~几千米）淡水和咸水压力（达几百atm）生活习性喜氧细菌厌氧细菌通性细菌可将有机质中的O、S、H、P等元素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来，产生CH4、H2、CO2、有机酚和其它碳氢化合物。微生物能合成少量C15以上的烷烃和环烷烃，以用来作为其细胞结构的一部分。微生物的重要作用（1）将沉积物中的有机质分解和转化为较小的单体（2）加速还原环境的形成（3）死亡的微生物直接作为沉积有机质的来源这些单体随后可能被氧化、消耗，也可能被保存。有利于有机质的保存微生物的呼吸有机质的分解消耗氧气还原环境不利生油的有机质有利生油的有机质微生物改造不过，上述三类环境参数并不是孤立，而是相互依存互相影响的。四、各类环境参数之间的相互关系物理上动水高能环境静水低能环境化学上氧化环境还原环境生物学上需氧（喜氧）环境厌氧环境第三节不同沉积环境（相）有机质的沉积特征不同水体环境有机质的性质有机质的数量海洋环境过渡环境湖泊环境沼泽环境海洋是最大的生物生活空间，也是有机质得以沉积和保存的最大空间。在垂直方向上按光亮度分：强光带，海面至80m水深弱光带，80－200m水深无光带，200m以下一、海洋环境有机质的沉积特征海洋环境的差异性和分带性十分明显。在水平方向上，随着离岸远近和水深分为：滨海（潮间）带；浅海带；半深海带；深海带。水深200－4000m的连续水域水深超过4000m的连续水域滨海（潮间）带，高潮线至低潮线之间浅海带，低潮线至200m水深的连续水域，其海底地形为大陆架（陆棚）浅海带浪基面以上浪基面以下浅海陆棚相滨岸相（或海岸相、海滩相）滨海（潮间）带1．滨岸带不利于有机质沉积保存滨岸带由于位于波浪作用、潮汐进退的高能、氧化环境之中，有机质难以沉积聚集，是有机质沉积贫乏的环境。2．浅海陆棚是海洋内有机质的主要沉积区浅海内陆海（如黑海、里海）有障壁的陆缘浅海（渤海、墨西哥湾）无障壁的开阔浅海（东海、黄海）浅海带浪基面以上浪基面以下适宜的温度、阳光、丰富的养分使其生物初产率高静水、低能还原环境沉积速率适中，可使有机质得到较为迅速的埋藏，保存条件良好。富含有机质的细粒沉积物分布广、厚度大，有机质总量大。由于以水生生物的贡献为主，有机质性质较好，倾向于产油。是油气生成的良好区域。浅海带3．大陆斜坡及其邻近的深海盆地是有机质沉积较为丰富的地区，仅次于浅海带有机质主要来自上部的浮游生物和浊流、重力流沉积从大陆架和三角洲地区带来的有机质。浊流不仅搬运来大量的砂体，同时也有富含有机质的泥质物，使大陆斜坡沉积物中具有较丰富的有机质。4．远洋盆地（半深海－深海）是有机质沉积的贫瘠区虽然环境特征为静水、低能的还原环境，但远洋盆地由于营养物质缺乏、光照度极低、生物不发育、沉积速率缓慢，有限的有机质在下沉过程中，被水中的溶解氧或某些深海生物所消耗，形成有机质沉积的贫瘠区。二、过渡环境有机质的特征过渡环境是指海陆交互的沉积环境，如三角洲、河口湾、泻湖、港湾、堤礁及深入大陆的地表海。分流河道三角洲前缘前三角洲三角洲平原砂质大致按粒度分别卸载沉积浅水、高能、氧化静水、低能、还原环境有机质丰度往往很高有机质的类型以混合型为主有机质沉积贫乏浪基面以下“唯海相才能生油”，“中国贫油论”。湖泊也是沉积物和有机质堆积的重要场所。有些湖盆，含有非常丰富的有机质沉积，如我国松辽、渤海湾等大型湖盆，成为重要的含油气盆地。二元多方向性，越往湖盆中心，陆源有机质的影响越小。三、湖泊环境有机质的特征沉积有机质的丰度无不取决于两个主要因素：有机质的供给和保存。湖盆有何不可？从湖泊边缘到中心，随着水体逐步加深，湖泊从滨湖、浅湖逐步过渡到深湖－半深湖相有利区在哪？从湖盆边缘到中心，有机质的丰度逐渐升高，陆源有机质的贡献逐渐减少，有机质类型逐渐变好。四、沼泽环境有机质的沉积特征沼泽是地形上平坦低洼，构造上持续缓慢沉降，气候温暖潮湿，致使土壤充分湿润、季节性或长期积水、水体停滞、丛生着多年喜湿性植物的低洼地段。有机质丰度很高，可高达70－90%有机质类型单一，以腐殖型为主成煤、成煤系气的环境小结1．沉积环境控制有机质的沉积。环境参数可分为物理的，化学的和生物的三大类，相互独立又相互关联。2．海洋环境有机质沉积的主要特征是：远洋盆地有机质来源是单一的，近陆海具二元性；有利的环境是，表层生物高产、下层缺氧还原、持续较快沉降；海盆的滨岸带和中心远洋区是有机质沉积的贫乏区；两者之间的浅海带和大陆斜坡及其邻近的深海盆地是海洋有机质的主要沉积区。3．海陆过渡环境有机质沉积的特点是：有机质来源具二元性，混合型有机质是重要类型；低能缓流环境有利于有机质沉积，主要是前三角洲亚环境、河口湾滨外亚环境、近海湖、泻湖浪基面以下的环境。4．湖泊环境有机质沉积特征是：有机质来源具二元多方向性，湖泊亚环境及有机质分布多呈环带状；浪基面以下的还原环境是有机质的有利沉积区和富集区，如深湖－半深湖、湖湾、湖泊前三角洲等亚环境；在有利条件下，可沉积丰度高、数量大、类型好的有机质。5．沼泽环境有机质沉积特征是：有机质来源的原地单一性；温和潮湿气候和长期停滞的水体、植物的持续繁盛是沼泽泥炭沉积的良好环境；形成