有机质的成岩作用

聚煤作用为沉积盆地提供了大量的腐植类和腐泥类沉积有机质，当这些沉积有机质被沉积埋藏之后，它们与普通的沉积物一样也要经历复杂的成岩作用和演化过程。因为煤和油气作为能源矿产的重要性，所以人们更为重视以煤和油气生成过程的有机质成岩作用的研究。前者是成煤作用，而后者属于腐泥型分散有机质的成岩作用。

一、成煤作用及其演化阶段

由植物转变成煤经历了十分复杂的过程，成煤作用的第一阶段首先是泥炭化作用阶段，即由植物残体或藻类演化为泥炭，第二阶段是煤化作用阶段，即煤地质学所定义的“煤成岩和变质作用阶段”，是指从褐煤最终形成无烟煤的全过程。表4-2总结了成煤作用与成岩作用阶段的对应关系，表4-3列出了成岩作用阶段对应的煤阶与有机质成熟阶段的关系。

1.成煤作用的泥炭化阶段

成煤作用的泥炭化阶段，主要是生物降及生物分子缩聚作用阶段。从泥炭的化学组成及变化的角度看，泥炭化作用阶段主要是研究植物有机体在沼泽中如何转变为腐植酸、沥青质等新产物的过程。泥炭化作用具体体现为凝胶化作用、丝炭化作用、残植化作用和腐泥化作用（特指藻类成煤作用）。

凝胶化作用主要指发生于滞水盆地还原条件下木质素-纤维素转化为褐色胶状物的过程。在转化过程中，由于细胞壁腔膨胀程度的差异，分别形成木质结构镜质体或不显木质结构的团块状镜质体。胶状物进一步形成溶胶，再经失水凝聚则成煤中的基质镜质体。

表4-2 成煤作用与成岩作用阶段的对应关系（据刘宝珺和张锦泉，1992）

表4-3 成岩作用阶段与煤阶、有机质成熟阶段的对应关系（据刘宝珺和张锦泉，1992）

丝炭化作用主要发生于充氧环境条件中，是喜氧微生物作用或火焚作用的产物。丝炭化作用过程中能较好地保留植物的组织结构，丝炭化物质具有富碳贫氢的特点。

残植化作用一般发生于弱氧化环境，凝胶化作用和丝炭化作用的产物被充分分解破坏并以CO2和H2O的形式迁走，植物残留的稳定组分（角质层、树皮、树脂及孢粉）富集而形成残植煤雏形的过程。这是泥炭化作用中的一种特殊情况。

腐泥化作用是针对成煤物质是藻类而言的，藻类中大量的脂肪转化为脂肪酸及甘油，脂肪酸在碱性介质条件下凝聚并缩合成腐泥质，以构成腐泥煤或油页岩的雏形。

在泥炭化作用过程中，由于成煤物质、环境及生物化学条件千差万别，导致泥炭组成的异常复杂性。这种复杂性不仅体现于显微组成方面，也体现于分解度（植物残体与腐植质之间的比值——一般用纤维量表征），有机质含量（腐植酸、富啡酸、草木犀酸、胡敏酸、苯沥青及还原糖等），含氧官能团，p H值及Eh值，发热量，挥发分产率及矿物质等多个方面。

2.成煤作用的煤化作用阶段

成煤作用的煤化作用阶段，是一个主要受热力因素影响而导致泥炭演变的阶段，大致相当于褐煤至无烟煤阶段。演变的总体趋势是碳含量增高及氢氧含量的减少，挥发分降低及H／C原子比下降（图4-20）。

图4-20 煤化作用中氧（a）和氢（b）的变化趋势（Krevelen，1961）

V.镜质组；E.壳质组；M.微粒体；1.孢子；2.粗粒组；3.藻质体；4.干酪根；5.相同牌号线

煤化作用伴随有大量气体的产出。顿涅茨煤样的热模拟实验发现，在褐煤-长焰煤阶段，生成的气体虽然最多，但CO2占了72%～92%，烃类气体小于20%，其中重烃小于4%；长焰煤-气煤-肥煤-焦煤阶段，烃类气体大量增加，达70%～80%，虽仍以CH4为主，但有较多重烃产出，在肥煤-焦煤阶段重烃（C2—C6）可占气态烃的10%～20%；瘦煤-贫煤-无烟煤阶段，气态烃占70%，但其中98%以上为甲烷气。

煤化作用是一个碳不断增加的过程，伴随这一过程氧及氢的含量不断下降，煤的不同显微组分在递变幅度上存在差异（图4-20）。但是，Ro孢粉颜色以及煤抽提物等是随着煤化作用的进程而有序演化的（表4-3）。

二、烃类形成过程中的有机质成岩作用与演化

对腐泥型分散有机质的成岩作用研究主要是针对油气的成因而展开的。Tissot（1978）曾经归纳了沉积有机质演化的一般模式（图4-21）。其中所列的成岩作用阶段、深成作用阶段及变质作用阶段，大体分别与早期成岩、晚期成岩及有机变质三个作用阶段相对应。

图4-21 沉积有机质演化模式示意图（a.据Tissot，1978；b.据Tissot，1979）

HC.烃；（N，S，O）.重杂元素；CH.碳水化合物；AA.氨基酸；FA.富啡酸；HA.腐植酸；L.类脂物

早期成岩阶段（成岩作用阶段）是生物聚合物形成干酪根的过程，腐殖物为其中间产物。这一阶段大体与成煤作用的泥炭化阶段相对应，主要地球化学作用为生物降解作用及缩合作用或两者的复合，Ro一般在0.5%以下。

晚期成岩阶段是干酪根热解形成油气的阶段，Ro为0.5%～2%。与成煤作用的煤化作用阶段相对应。主要地球化学作用为热降解作用及其伴生效应。

有机变质作用阶段是Ro大于2%的纯气、碳残余物及贫煤-半无烟煤-无烟煤的形成阶段，主要地球化学作用自然是有机变质作用和炭化作用。

对于油气的形成而言，干酪根被视为先质。可以依据干酪根元素及显微组分，并参考沉积有机质的形成条件和环境，将干酪根划分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型即腐泥，是指具有高的原始氢含量及低的氧含量干酪根，源生物大多为藻类等富含类脂物的有机质，官能团以脂链为主，含少量芳核及氧官能团，具有高的生油能力；Ⅲ型干酪根即腐殖型干酪根，具有低的原始氢含量及高的原始氧含量，主要由多芳核及含氧或其他杂原子官能团组成，脂链大多直接连于环状格架之上，源生物多半来自陆生高等植物，仅具较低的生油潜能，但有利于生气；Ⅱ型即为混合型或过渡型，生化特征及生油气潜能介于Ⅰ型和Ⅲ型干酪根之间。

三种类型的干酪根随着埋深递增，热作用加强，虽然各型干酪根的演化途径不同，但总体趋势一致而且可分出三个阶段：第一阶段相当于早期成岩作用阶段，即Tissot的初成阶段，其主要特征以氧的丢失，O／C原子比迅速下降，H／C原子比微弱下降为标志；第二阶段相当于晚期成岩阶段，即Tissot的深成作用阶段，以氢大量形成烃而导致干酪根H／C原子比迅速下降为标志；第三阶段相当于有机变质作用阶段，三种干酪根演化轨迹趋于合并，H／C原子比小于0.5，碳含量达到91%～93%。总体来看，干酪根热演化过程，是一个脱氧、失烃、富碳的过程，与石油的形成是一个氢富集及碳相对富集的过程，形成了鲜明的对照。

干酪根在成岩阶段的演化过程还可以应用其他热敏感指标加以标识，如Ro、孢粉颜色等（表4-4），这些信息为油气的勘探预测提供了重要地质依据。

表4-4 干酪根在成岩阶段的演变过程