第六章20世纪地球化学的重要研究领域

—1—第六章20世纪地球化学的重要研究领域20世纪地球化学在应用领域方面不断拓宽，其中比较突出的重要领域主要有：矿床地球化学、有机地球化学、环境地球化学、勘查地球化学、构造地球化学、流体地球化学和区域地球化学。在中国，有一些研究领域得到长足发展，已建立起以国家级或部门级重点（开放）实验室为标志的研究基地。例如，在中国科学院地球化学研究所（贵阳）建设的“环境地球化学国家重点实验室”和“中国科学院矿床地球化学开放研究实验室；在中国科学院广州地球化学研究所建设的“有机地球化学国家重点实验室”；在中国地质科学院地球物理地球化学研究所（廊坊）建设的“勘查地球化学国家工程实验室”；在南京大学建设的“内生矿床成矿作用国家重点实验室”。上述实验室为地球化学的这些重要研究领域提供了科技发展研究基地。以基地为依托，国际国内许许多多热爱这些领域研究事业的地球化学工作者一道努力，推动着地球化学学科飞速发展。第一节有机地球化学青春焕发有机地球化学是地球化学的一个重要分支。它是地学与有机化学、生物学互相渗透发展起来的一门新兴边缘学科，主要研究天然产出有机质的组成，结构和性质，以及它们在地质体中的分布、转化和参与地质营力的作用等，它与能源、矿产资源、海洋、环境和生命科学等重大生产和基础理论课题有着十分密切的联系，萌芽于本世纪20年代的有机地球化学青春焕发，具有强大的生命力（中国科学院地球化学研究所，1999）。一、有机地球化学的发展简史有机地球化学的研究始于本世纪20年代。B.И.维尔纳茨基在20年代初期先后发表了《生物圈》等专著，领导筹建了世界上第一个有关的实验室——活质实验室。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—2—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—3—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—4—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