生物来源物质

沉积岩或沉积物中的有机质统称为沉积有机质（陈家良等，2004）。沉积有机质来源于活的有机体及其新陈代谢的产物，包括煤、沥青等聚集有机质以及泥岩、灰岩等岩石中的分散有机质（图2-8）。有机体死亡后遭受降解，一部分降解产物通过生物作用再循环，另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，还有一部分与分解后的生物残体一道随同矿物质混入沉积物中被埋藏下来，形成了所谓的沉积有机质。陈家良等（2004）系统归纳和总结了沉积有机质的来源及形成过程。

一、沉积有机质来源

生物界包括植物界和动物界，由它们形成的沉积有机质有较大的区别。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过程。煤及煤系地层中的有机质来源于高等陆生植物，湖相泥岩、油页岩等优质油源岩中的分散有机质主要由低等菌藻类和某些水生高等植物形成。在受海水影响的煤中，往往也有相当数量的菌类参与成煤。据研究，华北南部上石炭统太原组煤的有机质中菌类来源可占10%以上，在美国佛罗里达州微生物至少提供了泥炭有机物质的5%～10%。

沉积有机质的性质和聚集规模受生物界演化进程的影响。最早的低等生物菌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31亿～33亿年前。在距今7亿～8亿年的中-晚元古代，菌藻等生物开始大量繁盛并持续至今，以至于在从元古宇到新生界的沉积岩或沉积物中均能追踪到低等生物普遍参与沉积有机质形成的踪迹，这不仅成为各地质时代分散沉积有机质的主要来源，而且在元古宙和早古生代某些特定的环境下聚集形成了最早的煤——石煤。

图2-8 沉积物中的沉积有机质

a.渤海湾盆地古近系砂岩中的有机质碎屑显微结构（焦养泉摄，2007）；b.鄂尔多斯盆地延长组砂岩中的沥青脉显微结构（焦养泉摄，2006）；c.松辽盆地南部钱家店铀矿姚家组储层砂体中有机质碎屑显微结构（焦养泉等，2012）；d.鄂尔多斯盆地直罗组炭化植物茎杆（焦养泉摄，2001）

在距今约4亿年的志留纪末—泥盆纪初，植物界登陆，开始了高等植物演化及工业性煤层聚集的地质进程，几乎在植物界的每一重大演化或繁盛阶段，均有大规模聚煤作用发生（图2-9）。中-晚泥盆世的裸蕨植物在我国南方形成角质残植煤，石炭纪—二叠纪蕨类植物的繁盛导致全球性聚煤作用的发生，侏罗纪—白垩纪裸子植物的繁盛导致我国北方出现了广泛而持久的聚煤作用，早第三纪被子植物的繁盛是造成南、北半球形成巨厚煤层的重要原因。

海洋、湖泊中的浮游生物有机质是形成石油的主要物质来源。全球有3万多个可开采的油田，在其中200余个巨型油田的生油岩中都发现有丰富的沟鞭藻和疑源类化石。我国也不例外，如大庆、胜利、辽河、大港、苏北等油田的古近系生油岩，不仅存在沟鞭藻和疑源类化石，而且也有大量绿藻门的盘星藻、管枝藻以及甲藻门化石。尤其是特大型油田，它们分布的地质时代、地理位置与化石沟鞭藻的分布高度一致（图2-10）。

然而，无论是高等植物还是低等生物，它们既能形成分散有机质，又可成为聚集有机质的主要来源。早古生代石煤中有机质来源于低等生物，在我国主要分布于陕南、鄂西、黔东、湘西北和浙北等地。晚古生代以来的腐植煤尽管主要由高等陆生植物形成，但其中不乏低等生物来源的腐泥煤夹层或透镜体，如在山东淄博、肥城等矿区下二叠统山西组3号煤层顶部，连续赋存着厚0.3～0.5m、面积达数平方千米的腐泥煤分层。湖相及海相油源岩中沉积有机质主要来源于菌藻类生物，但晚古生代以来的油源岩中都含有数量不等的高等陆生植物碎屑及其降解产物。

图2-9 成煤植物演化示意图（据杨起和韩德馨，1979）

Hunt（1963）计算出沉积岩中有机物总量为3.8×1015t，而以富集状态存在于煤和石油中的有机物分别为6.0×1012t和0.2×1012t，它们仅占有机物总量的1/600和1/19 000，在页岩中所含的有机物却高达3.6×1015t。

分散沉积有机质通常来源于聚集的有机质，它们或者是降解的产物，或者是经改造的产物。一个典型的例子来自于鄂尔多斯盆地北部，第四系的干旱湖泊沉积物中可能积累了大量与湖滨泥炭沼泽有关的分散有机质。在露头上，古湖泊出露的宽度并不大，一般在几千米左右，这为我们追踪分散有机质的来源提供了方便。调查发现，该湖泊的中心是由分散有机质构成的炭质泥岩组成，滨岸带则发育有泥炭沼泽沉积和富螺化石的滨岸沙坝沉积。综合分析认为，湖泊中心的分散有机质来源于滨岸带的泥炭沼泽环境（图2-11）。

图2-10 几种典型微体化石与世界特大型油田形成规模之间的时序关系（据何承全，1984）

另外一个实例来自于二连盆地额仁淖尔凹陷的努和廷泥岩型铀矿床（焦养泉等，2009， 2015）。该矿床产出于上白垩统二连达布苏组中，铀矿被聚集于富含分散有机质和黄铁矿且像标志层一样分布稳定的暗色泥岩中。分析认为，这是一个典型的形成于断陷盆地裂后热沉降阶段的同沉积期铀矿床。对沉积体系域重建和古脊椎动物化石的研究发现，在晚白垩世盆地裂后热沉降阶段，该区发育了一个相对稳定的干旱湖泊，湖泊周边具有由河流入湖形成的三角洲。在湖滨的三角洲沉积物中，埋藏有大量素食类恐龙化石。素食类恐龙化石的发现，预示着晚白垩世稳定湖泊边缘具有丰富的植物。这样一来，滨岸带大量的植物残体（部分可能是由恐龙改造了的植物残体）等就有可能被源源不断地输送到湖泊中，河流-三角洲水系是其运移的主要途径。干旱气候和稳定构造背景下的湖泊水体可能具有密度分层，这使湖泊底部水体不易流动从而逐渐形成贫氧的还原环境，还原环境既有利于分散有机质保存和富集，也有利于黄铁矿的形成，这为铀的充分吸附奠定了良好的沉积环境。研究发现，该时期盆地边缘具有丰富的花岗岩铀源岩，随水系进入湖泊后，湖泊水体成为U6+的临时载体，稳定的湖泊使U6+有充分的时间吸附于湖泊泥岩和三角洲前缘泥岩之中，从而富集成矿（图2-12）。

图2-11 鄂尔多斯盆地北部考考乌苏沟上游的第四系古湖泊沉积（焦养泉摄，2003）

a、b.富有机质的黑色湖滨砂岩；c.湖滨沉积物中的螺化石；d.湖滨发育的泥炭沼泽

图2-12 二连盆地额仁淖尔凹陷努和廷同沉积泥岩型铀矿床的成矿模式图（据焦养泉，2009；焦养泉等，2015）

a.铀矿石（湖泊相富分散有机质和黄铁矿的含石膏泥岩）；b.小层序中铀矿化与湖泊扩展事件关系；c.湖泊扩展体系域与含矿性叠合图，显示铀矿化与湖泊中心及其伴生的三角洲前缘关系密切；d.湖泊扩展体系域发育时期的铀成矿模式图

二、沉积有机质形成过程

生物质向沉积有机质的转化，一般要经历氧化—降解、还原—合成和沉积—埋藏3个阶段（图2-13）。

图2-13 沉积有机质形成演化示意图（据陈家良等，2004）

在氧化-降解阶段，生物遗体暴露于大气、水体或沉积表面的富氧条件中，在喜氧性微生物参与下遭受分解和水解。生物体中一部分物质被彻底破坏，变成CO2、H2O等小分子产物逸入大气或溶于水体。一部分由复杂的大分子化合物降解成相对简单、分子量相对较小的产物；另一部分稳定性较强的物质，特别是孢子、花粉、角质层、树脂等未受或仅受到微弱的降解而形成生物残体，它们以固液态形式得以残留。如果大气或流水中的氧无限进入，生物体则将被完全降解。

在还原-合成阶段，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，由表层的富氧环境过渡转变为底层的缺氧环境，厌氧性菌类开始活跃。在这种环境条件下，生物残体继续降解，降解产物与第一阶段残留下来的小分子降解物一道发生合成反应，形成腐植酸、沥青质等新产物。在此阶段，仍有降解程度不等的生物残体保留下来。

在沉积-埋藏阶段，经过上述过程改造的有机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表面环境。有机质在压实作用下，逐渐脱水，从生物有机质转化为沉积有机质。

通过上述过程，有机质的化学组成发生了变化（表2-5）。在沉积有机质中，生物质含有的蛋白质大部分消失，木质素和碳水化合物明显减少，新生成腐植酸、沥青等复杂高分子化合物。由此导致碳、氢、氮含量比生物质有所增髙，而氧含量略有降低。

表2-5 生物有机质和沉积有机质（转引自陈家良等，2004）

三、作为化石保存的生物残体

在地质记录中，有一部分生物有机体以化石的形式被保留了下来，这其中既包含了植物遗体，也包含了动物遗体。有作为原地埋藏的，也有作为异地埋藏的。这些化石作为沉积物的一份子，为我们了解生物界的演化历史和恢复古环境提供了重要依据。

图2-14 鄂尔多斯盆地北部侏罗系直罗组中源于植物被钙化后的沉积物（吴立群摄，2010）

a.平躺的钙化木（树干）；b.直立的钙化木（根）；c.钙化木化石内部的方解石晶体

植物化石通常被炭化和硅化，钙化者罕见。但是在鄂尔多斯盆地东北部，侏罗系却发育有大量的钙化木。在直罗组中，大部分钙化木以滞留沉积物形式平躺于河道砂体中，既显示了一定的搬运特征，还具有一定的古水流意义。还有少量的钙化木以直立状的植物根形式保留，显示了原地埋藏的特征。在一些钙化木的内部通常可以见到方解石晶体（图2-14）。在延安组中，无论是植物的根化石，还是植物的茎和叶化石，多数具有炭化特征。

图2-15 源于动物残体的原地和异地埋藏沉积物（焦养泉摄，2009）

a.四子王旗脑木根古近系动物脚骨化石（原地埋藏）；b.乌拉特中旗海流图市上白垩统河道砂岩中的恐龙骨骼碎屑（异地埋藏的滞留沉积物）；c.四子王旗脑木根古近系动物脊椎（微异地埋藏）；d.乌拉特后旗巴音满都呼上白垩统沙丘间滨湖地带的恐龙蛋化石（原地埋藏）

动物的外壳和骨骼化石是人们感兴趣的另一类源于生物的沉积物，它们大部分是碳酸盐质（主要是方解石和文石），少部分是磷酸盐质和硅质（蛋白石及其重结晶的玉髓、石英）。经过搬运以滞留形式出现的动物化石更容易被理解为是沉积物，如埋藏于河道砂体中的动物骨骼碎片。其实原地和微异地埋藏的动物化石同样也是沉积物（图2-15）。