古地理学报 2006年8月 4.1沉积环境和有机质 生物聚合物分解为简单分子的细菌作用过程中产生 封闭还原环境是有机物向烃类转化必不可少的的。CO2的另一个可能来源为有机质的成岩反应 条件。甲烷细菌是专性厌氧菌,只有在缺氧的还原这些反应与干酪根的早期演化有关,并受温度的控 环境下才能生长。当其生存环境中氧的含量达到制,其发生的深度超过了已知的微生物活动下限 0.1%时,生长就会受到明显的抑制,适合甲烷细深部的、非微生物反应生成的CO2对浅部沉积物中 菌发育的氧化还原电位Eh为-540~-590mV。甲烷形成的相对贡献还没有定量化。但是,如果成 因此,在自然地质条件下,只有氧、硝酸盐和绝大岩CO2是甲烷生成的主要来源,那么寄主沉积物中 部分硫酸盐被还原形成还原环境之后,甲烷细菌才沉积的有机质类型和数量,除了对活动微生物群体 能生长(王庭斌,2002)。生物气产率在淡水湖泊、的最初支撑外,可能不重要。 沼泽环境为50~100(m2n),在大陆架是5 作者不排除 Noble和Henk(1998)所说的深部 10g/(m2n),在开阔海洋为0012g{m2)(张义成岩CO2是甲烷生成所需碳源的主要来源可能性, 纲和陈焕疆,1983),现代淤泥生物气模拟生成实验但就“对于生物气形成,沉积有机质的丰度、类型 也证实了陆相(湖、河滨)淤泥比海相(滨海)淤泥产并不重要,沉积有机质丰富程度跟生物气的形成没 气率高(陆伟文和海秀珍,1991) 有直接的关系”(张水昌等,2005)的说法是否正确, 虽然微生物群落还可能利用其它形式的有机尚待商榷。作者认为生物甲烷的形成与有机质丰度 质,但是陆地植物碎屑仍然是代谢有机质的主要形有密切的关系,有机质丰度越高,生物气产量越 式( Noble and henk,1998)。已知的生物气发育区,高,只是与石油的形成相比,生物气生成对有机质 就其气源岩有机质而言,大多数属于腐殖型或腐泥丰度的要求较低。正如张厚福等人(1999所说的 腐殖型。陈英等人(1994)也认为,自然界中的甲烷拥有丰富的原始有机质,特别是腐殖型和混合型有 产率在水生草本植物茂盛的地区和有陆源草本植物机质,是细菌活动所需碳源的物质基础。以杭州湾 供给的地区要比离岸较远的海区高,富含陆源有机地区晚第四纪天然气为例,从地质、地球化学等方 组分的有机质是有利于生物气形成的重要母质类型面看,该区天然气属于典型的原生生物气(林春明 之一,其中尤以草本植物丰富的腐殖型或腐泥腐殖和钱奕中,1997; Lin et al.,2004),该区也是一 型更为有利。草本植物、菌孢子和藻等水生生物对个研究生物气作用极好的天然实验室( Ridgley, 造就高产率水溶性有机物有利,草本植物和藻、菌2004,私人通信)。杭州湾地区浅海灰色淤泥质粘 等水生生物的CN一般小于30,木本植物CN大土平均有机碳040%,河漫滩一河口湾灰及灰黑 于40。C/N低,有利于细菌繁殖和利用,在20 色粘土平均有机碳0.64%,有机碳、氯仿“A” 40之间有利于甲烷的形成,如柴达木盆地东部第和总烃含量随深度增加(由浅海相一河漫滩一河口 四纪和杭州湾地区第四纪气源岩母质都是以腐殖型湾相)呈递增变化(图2表1),在非气田区气源岩有 和含腐泥腐殖型为主,CN为15~46,平均小于机碳数值(图2左侧)比气田区要低(图2右侧)。杭 30(周翥虹等,1994;林春明和钱奕中,1997),生州湾地区所有的商业性生物气均赋存在下切河谷 成了大量的生物气。 内、被河漫滩一河口湾相而非浅海相气源岩包围的 现代海洋环境观察表明,对甲烷生成作用和先砂质透镜体中 Lin et a,2004),有机质含量的差 于甲烷生成及保障甲烷生成的各种不同的代谢过程别是造成这种现象的原因之一。总体来说,河漫滩 来说,有机质是必不可少的。为了保障海相沉积物 河口湾有机质的类型和丰度比浅海环境更有利于 中甲烷的生成,所需要的可代谢有机物最少应当相生物气的生成和聚集。另外,根据萧山地区采集的 当于0.5%有机碳( Rice and Claypool,1981)。实验200多个土壤样品甲烷细菌实验分析,夹灶浅气田 研究表明,沉积环境中的有机质含量与发酵细菌数区域甲烷细菌含量最大(图3),与气藏的实际分布 量之间存在一定的相关性,即有机质的丰度越大, 比较吻合(林春明等,1997; Lin et al..,204),在 发酵细菌的数量也就越多(张辉等,1992) 非浅气田区域甲烷细菌含量要小的多。 Noble和Henk(1998)认为甲烷生成所需要的4.2温度 碳元素(如乙酸盐和二氧化碳)由其它的将复杂有机 温度是影响生物气形成的主要因素之一,但关于 201994-2007chinaAcademicJoumalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net411 沉积环境和有机质 封闭还原环境是有机物向烃类转化必不可少的 条件。甲烷细菌是专性厌氧菌 , 只有在缺氧的还原 环境下才能生长。当其生存环境中氧的含量达到 011 %时 , 生长就会受到明显的抑制 , 适合甲烷细 菌发育的氧化还原电位 Eh 为 - 540～ - 590 mV。 因此 , 在自然地质条件下 , 只有氧、硝酸盐和绝大 部分硫酸盐被还原形成还原环境之后 , 甲烷细菌才 能生长 (王庭斌 ,2002) 。生物气产率在淡水湖泊、 沼泽环境为 50 ～ 100/ (m 2·a) , 在大陆架是 5 ～ 10 g/ (m 2·a) ,在开阔海洋为 01012 g/ (m 2·a) (张义 纲和陈焕疆 ,1983) ,现代淤泥生物气模拟生成实验 也证实了陆相(湖、河滨) 淤泥比海相 (滨海) 淤泥产 气率高(陆伟文和海秀珍 ,1991) 。 虽然微生物群落还可能利用其它形式的有机 质 , 但是陆地植物碎屑仍然是代谢有机质的主要形 式(Noble and Henk ,1998) 。已知的生物气发育区 , 就其气源岩有机质而言 , 大多数属于腐殖型或腐泥 腐殖型。陈英等人(1994) 也认为 , 自然界中的甲烷 产率在水生草本植物茂盛的地区和有陆源草本植物 供给的地区要比离岸较远的海区高 , 富含陆源有机 组分的有机质是有利于生物气形成的重要母质类型 之一 , 其中尤以草本植物丰富的腐殖型或腐泥腐殖 型更为有利。草本植物、菌孢子和藻等水生生物对 造就高产率水溶性有机物有利 , 草本植物和藻、菌 等水生生物的 C/ N 一般小于 30 , 木本植物 C/ N 大 于 40。C/ N 低 , 有利于细菌繁殖和利用 , 在 20～ 40 之间有利于甲烷的形成 , 如柴达木盆地东部第 四纪和杭州湾地区第四纪气源岩母质都是以腐殖型 和含腐泥腐殖型为主 , C/ N 为 15～46 , 平均小于 30 (周翥虹等 , 1994 ; 林春明和钱奕中 , 1997 ) ,生 成了大量的生物气。 现代海洋环境观察表明 , 对甲烷生成作用和先 于甲烷生成及保障甲烷生成的各种不同的代谢过程 来说 , 有机质是必不可少的。为了保障海相沉积物 中甲烷的生成 , 所需要的可代谢有机物最少应当相 当于 015 %有机碳(Rice and Claypool ,1981) 。实验 研究表明 , 沉积环境中的有机质含量与发酵细菌数 量之间存在一定的相关性 , 即有机质的丰度越大 , 发酵细菌的数量也就越多(张辉等 ,1992) 。 Noble 和 Henk (1998) 认为甲烷生成所需要的 碳元素(如乙酸盐和二氧化碳) 由其它的将复杂有机 生物聚合物分解为简单分子的细菌作用过程中产生 的。CO2的另一个可能来源为有机质的成岩反应。 这些反应与干酪根的早期演化有关 , 并受温度的控 制 , 其发生的深度超过了已知的微生物活动下限。 深部的、非微生物反应生成的 CO2对浅部沉积物中 甲烷形成的相对贡献还没有定量化。但是 , 如果成 岩 CO2是甲烷生成的主要来源 , 那么寄主沉积物中 沉积的有机质类型和数量 , 除了对活动微生物群体 的最初支撑外 , 可能不重要。 作者不排除 Noble 和 Henk (1998) 所说的深部 成岩 CO2是甲烷生成所需碳源的主要来源可能性 , 但就“对于生物气形成 , 沉积有机质的丰度、类型 并不重要 , 沉积有机质丰富程度跟生物气的形成没 有直接的关系”(张水昌等 ,2005) 的说法是否正确 , 尚待商榷。作者认为生物甲烷的形成与有机质丰度 有密切的关系 , 有机质丰度越高 , 生物气产量越 高 , 只是与石油的形成相比 , 生物气生成对有机质 丰度的要求较低。正如张厚福等人 (1999) 所说的 , 拥有丰富的原始有机质 , 特别是腐殖型和混合型有 机质 , 是细菌活动所需碳源的物质基础。以杭州湾 地区晚第四纪天然气为例 , 从地质、地球化学等方 面看 , 该区天然气属于典型的原生生物气 (林春明 和钱奕中 , 1997 ; Lin et al1 , 2004 ) ,该区也是一 个研究生物气作用极好的天然实验室 ( Ridgley , 2004 , 私人通信) 。杭州湾地区浅海灰色淤泥质粘 土平均有机碳 0140 % , 河漫滩 —河口湾灰及灰黑 色粘土平均有机碳 0164 % , 有机碳、氯仿 “A” 和总烃含量随深度增加 (由浅海相 →河漫滩 —河口 湾相) 呈递增变化(图 2 ;表 1) ,在非气田区气源岩有 机碳数值(图 2 左侧)比气田区要低(图 2 右侧) 。杭 州湾地区所有的商业性生物气均赋存在下切河谷 内、被河漫滩 —河口湾相而非浅海相气源岩包围的 砂质透镜体中(Lin et al1 , 2004 ) ,有机质含量的差 别是造成这种现象的原因之一。总体来说 , 河漫滩 —河口湾有机质的类型和丰度比浅海环境更有利于 生物气的生成和聚集。另外 , 根据萧山地区采集的 200 多个土壤样品甲烷细菌实验分析 , 夹灶浅气田 区域甲烷细菌含量最大(图 3) , 与气藏的实际分布 比较吻合(林春明等 , 1997 ; Lin et al1 , 2004 ) ,在 非浅气田区域甲烷细菌含量要小的多。 412 温度 温度是影响生物气形成的主要因素之一 , 但关于 322 古 地 理 学 报 2006 年 8 月