沉積巖或沉積物中的有機(jī)質(zhì)統(tǒng)稱為沉積有機(jī)質(zhì)（陳家良等，2004）。沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源于活的有機(jī)體及其新陳代謝的產(chǎn)物，包括煤、瀝青等聚集有機(jī)質(zhì)以及泥巖、灰?guī)r等巖石中的分散有機(jī)質(zhì)（圖2-8）。有機(jī)體死亡后遭受降解，一部分降解產(chǎn)物通過(guò)生物作用再循環(huán)，另一部分通過(guò)某些物理化學(xué)作用被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單分子逸入大氣或水體，還有一部分與分解后的生物殘?bào)w一道隨同礦物質(zhì)混入沉積物中被埋藏下來(lái)，形成了所謂的沉積有機(jī)質(zhì)。陳家良等（2004）系統(tǒng)歸納和總結(jié)了沉積有機(jī)質(zhì)的來(lái)源及形成過(guò)程。

一、沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源

生物界包括植物界和動(dòng)物界，由它們形成的沉積有機(jī)質(zhì)有較大的區(qū)別。植物是沉積有機(jī)質(zhì)形成的主要來(lái)源，動(dòng)物的軟體組織易于分解而很少保存，菌類程度不等地參與了沉積有機(jī)質(zhì)的形成過(guò)程。煤及煤系地層中的有機(jī)質(zhì)來(lái)源于高等陸生植物，湖相泥巖、油頁(yè)巖等優(yōu)質(zhì)油源巖中的分散有機(jī)質(zhì)主要由低等菌藻類和某些水生高等植物形成。在受海水影響的煤中，往往也有相當(dāng)數(shù)量的菌類參與成煤。據(jù)研究，華北南部上石炭統(tǒng)太原組煤的有機(jī)質(zhì)中菌類來(lái)源可占10%以上，在美國(guó)佛羅里達(dá)州微生物至少提供了泥炭有機(jī)物質(zhì)的5%～10%。

沉積有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)和聚集規(guī)模受生物界演化進(jìn)程的影響。最早的低等生物菌藻類化石記錄存在于南非威斯蘭群古老沉積巖，形成于距今31億～33億年前。在距今7億～8億年的中-晚元古代，菌藻等生物開(kāi)始大量繁盛并持續(xù)至今，以至于在從元古宇到新生界的沉積巖或沉積物中均能追蹤到低等生物普遍參與沉積有機(jī)質(zhì)形成的蹤跡，這不僅成為各地質(zhì)時(shí)代分散沉積有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，而且在元古宙和早古生代某些特定的環(huán)境下聚集形成了最早的煤——石煤。

圖2-8 沉積物中的沉積有機(jī)質(zhì)

a.渤海灣盆地古近系砂巖中的有機(jī)質(zhì)碎屑顯微結(jié)構(gòu)（焦養(yǎng)泉攝，2007）；b.鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組砂巖中的瀝青脈顯微結(jié)構(gòu)（焦養(yǎng)泉攝，2006）；c.松遼盆地南部錢(qián)家店鈾礦姚家組儲(chǔ)層砂體中有機(jī)質(zhì)碎屑顯微結(jié)構(gòu)（焦養(yǎng)泉等，2012）；d.鄂爾多斯盆地直羅組炭化植物莖桿（焦養(yǎng)泉攝，2001）

在距今約4億年的志留紀(jì)末—泥盆紀(jì)初，植物界登陸，開(kāi)始了高等植物演化及工業(yè)性煤層聚集的地質(zhì)進(jìn)程，幾乎在植物界的每一重大演化或繁盛階段，均有大規(guī)模聚煤作用發(fā)生（圖2-9）。中-晚泥盆世的裸蕨植物在我國(guó)南方形成角質(zhì)殘植煤，石炭紀(jì)—二疊紀(jì)蕨類植物的繁盛導(dǎo)致全球性聚煤作用的發(fā)生，侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)裸子植物的繁盛導(dǎo)致我國(guó)北方出現(xiàn)了廣泛而持久的聚煤作用，早第三紀(jì)被子植物的繁盛是造成南、北半球形成巨厚煤層的重要原因。

海洋、湖泊中的浮游生物有機(jī)質(zhì)是形成石油的主要物質(zhì)來(lái)源。全球有3萬(wàn)多個(gè)可開(kāi)采的油田，在其中200余個(gè)巨型油田的生油巖中都發(fā)現(xiàn)有豐富的溝鞭藻和疑源類化石。我國(guó)也不例外，如大慶、勝利、遼河、大港、蘇北等油田的古近系生油巖，不僅存在溝鞭藻和疑源類化石，而且也有大量綠藻門(mén)的盤(pán)星藻、管枝藻以及甲藻門(mén)化石。尤其是特大型油田，它們分布的地質(zhì)時(shí)代、地理位置與化石溝鞭藻的分布高度一致（圖2-10）。

然而，無(wú)論是高等植物還是低等生物，它們既能形成分散有機(jī)質(zhì)，又可成為聚集有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源。早古生代石煤中有機(jī)質(zhì)來(lái)源于低等生物，在我國(guó)主要分布于陜南、鄂西、黔東、湘西北和浙北等地。晚古生代以來(lái)的腐植煤盡管主要由高等陸生植物形成，但其中不乏低等生物來(lái)源的腐泥煤夾層或透鏡體，如在山東淄博、肥城等礦區(qū)下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層頂部，連續(xù)賦存著厚0.3～0.5m、面積達(dá)數(shù)平方千米的腐泥煤分層。湖相及海相油源巖中沉積有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于菌藻類生物，但晚古生代以來(lái)的油源巖中都含有數(shù)量不等的高等陸生植物碎屑及其降解產(chǎn)物。

圖2-9 成煤植物演化示意圖（據(jù)楊起和韓德馨，1979）

Hunt（1963）計(jì)算出沉積巖中有機(jī)物總量為3.8×1015t，而以富集狀態(tài)存在于煤和石油中的有機(jī)物分別為6.0×1012t和0.2×1012t，它們僅占有機(jī)物總量的1/600和1/19 000，在頁(yè)巖中所含的有機(jī)物卻高達(dá)3.6×1015t。

分散沉積有機(jī)質(zhì)通常來(lái)源于聚集的有機(jī)質(zhì)，它們或者是降解的產(chǎn)物，或者是經(jīng)改造的產(chǎn)物。一個(gè)典型的例子來(lái)自于鄂爾多斯盆地北部，第四系的干旱湖泊沉積物中可能積累了大量與湖濱泥炭沼澤有關(guān)的分散有機(jī)質(zhì)。在露頭上，古湖泊出露的寬度并不大，一般在幾千米左右，這為我們追蹤分散有機(jī)質(zhì)的來(lái)源提供了方便。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該湖泊的中心是由分散有機(jī)質(zhì)構(gòu)成的炭質(zhì)泥巖組成，濱岸帶則發(fā)育有泥炭沼澤沉積和富螺化石的濱岸沙壩沉積。綜合分析認(rèn)為，湖泊中心的分散有機(jī)質(zhì)來(lái)源于濱岸帶的泥炭沼澤環(huán)境（圖2-11）。

圖2-10 幾種典型微體化石與世界特大型油田形成規(guī)模之間的時(shí)序關(guān)系（據(jù)何承全，1984）

另外一個(gè)實(shí)例來(lái)自于二連盆地額仁淖爾凹陷的努和廷泥巖型鈾礦床（焦養(yǎng)泉等，2009， 2015）。該礦床產(chǎn)出于上白堊統(tǒng)二連達(dá)布蘇組中，鈾礦被聚集于富含分散有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦且像標(biāo)志層一樣分布穩(wěn)定的暗色泥巖中。分析認(rèn)為，這是一個(gè)典型的形成于斷陷盆地裂后熱沉降階段的同沉積期鈾礦床。對(duì)沉積體系域重建和古脊椎動(dòng)物化石的研究發(fā)現(xiàn)，在晚白堊世盆地裂后熱沉降階段，該區(qū)發(fā)育了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的干旱湖泊，湖泊周邊具有由河流入湖形成的三角洲。在湖濱的三角洲沉積物中，埋藏有大量素食類恐龍化石。素食類恐龍化石的發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著晚白堊世穩(wěn)定湖泊邊緣具有豐富的植物。這樣一來(lái)，濱岸帶大量的植物殘?bào)w（部分可能是由恐龍改造了的植物殘?bào)w）等就有可能被源源不斷地輸送到湖泊中，河流-三角洲水系是其運(yùn)移的主要途徑。干旱氣候和穩(wěn)定構(gòu)造背景下的湖泊水體可能具有密度分層，這使湖泊底部水體不易流動(dòng)從而逐漸形成貧氧的還原環(huán)境，還原環(huán)境既有利于分散有機(jī)質(zhì)保存和富集，也有利于黃鐵礦的形成，這為鈾的充分吸附奠定了良好的沉積環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，該時(shí)期盆地邊緣具有豐富的花崗巖鈾源巖，隨水系進(jìn)入湖泊后，湖泊水體成為U6+的臨時(shí)載體，穩(wěn)定的湖泊使U6+有充分的時(shí)間吸附于湖泊泥巖和三角洲前緣泥巖之中，從而富集成礦（圖2-12）。

圖2-11 鄂爾多斯盆地北部考考烏蘇溝上游的第四系古湖泊沉積（焦養(yǎng)泉攝，2003）

a、b.富有機(jī)質(zhì)的黑色湖濱砂巖；c.湖濱沉積物中的螺化石；d.湖濱發(fā)育的泥炭沼澤

圖2-12 二連盆地額仁淖爾凹陷努和廷同沉積泥巖型鈾礦床的成礦模式圖（據(jù)焦養(yǎng)泉，2009；焦養(yǎng)泉等，2015）

a.鈾礦石（湖泊相富分散有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦的含石膏泥巖）；b.小層序中鈾礦化與湖泊擴(kuò)展事件關(guān)系；c.湖泊擴(kuò)展體系域與含礦性疊合圖，顯示鈾礦化與湖泊中心及其伴生的三角洲前緣關(guān)系密切；d.湖泊擴(kuò)展體系域發(fā)育時(shí)期的鈾成礦模式圖

二、沉積有機(jī)質(zhì)形成過(guò)程

生物質(zhì)向沉積有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，一般要經(jīng)歷氧化—降解、還原—合成和沉積—埋藏3個(gè)階段（圖2-13）。

圖2-13 沉積有機(jī)質(zhì)形成演化示意圖（據(jù)陳家良等，2004）

在氧化-降解階段，生物遺體暴露于大氣、水體或沉積表面的富氧條件中，在喜氧性微生物參與下遭受分解和水解。生物體中一部分物質(zhì)被徹底破壞，變成CO2、H2O等小分子產(chǎn)物逸入大氣或溶于水體。一部分由復(fù)雜的大分子化合物降解成相對(duì)簡(jiǎn)單、分子量相對(duì)較小的產(chǎn)物；另一部分穩(wěn)定性較強(qiáng)的物質(zhì)，特別是孢子、花粉、角質(zhì)層、樹(shù)脂等未受或僅受到微弱的降解而形成生物殘?bào)w，它們以固液態(tài)形式得以殘留。如果大氣或流水中的氧無(wú)限進(jìn)入，生物體則將被完全降解。

在還原-合成階段，隨上覆水體逐漸加深、流動(dòng)性減弱或沉積物逐漸堆積，介質(zhì)的氧化還原電位降低，氧的供給受到限制，由表層的富氧環(huán)境過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)榈讓拥娜毖醐h(huán)境，厭氧性菌類開(kāi)始活躍。在這種環(huán)境條件下，生物殘?bào)w繼續(xù)降解，降解產(chǎn)物與第一階段殘留下來(lái)的小分子降解物一道發(fā)生合成反應(yīng)，形成腐植酸、瀝青質(zhì)等新產(chǎn)物。在此階段，仍有降解程度不等的生物殘?bào)w保留下來(lái)。

在沉積-埋藏階段，經(jīng)過(guò)上述過(guò)程改造的有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)發(fā)生混合進(jìn)而沉積，并隨上覆沉積物的形成而脫離表面環(huán)境。有機(jī)質(zhì)在壓實(shí)作用下，逐漸脫水，從生物有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為沉積有機(jī)質(zhì)。

通過(guò)上述過(guò)程，有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成發(fā)生了變化（表2-5）。在沉積有機(jī)質(zhì)中，生物質(zhì)含有的蛋白質(zhì)大部分消失，木質(zhì)素和碳水化合物明顯減少，新生成腐植酸、瀝青等復(fù)雜高分子化合物。由此導(dǎo)致碳、氫、氮含量比生物質(zhì)有所增髙，而氧含量略有降低。

表2-5 生物有機(jī)質(zhì)和沉積有機(jī)質(zhì)（轉(zhuǎn)引自陳家良等，2004）

三、作為化石保存的生物殘?bào)w

在地質(zhì)記錄中，有一部分生物有機(jī)體以化石的形式被保留了下來(lái)，這其中既包含了植物遺體，也包含了動(dòng)物遺體。有作為原地埋藏的，也有作為異地埋藏的。這些化石作為沉積物的一份子，為我們了解生物界的演化歷史和恢復(fù)古環(huán)境提供了重要依據(jù)。

圖2-14 鄂爾多斯盆地北部侏羅系直羅組中源于植物被鈣化后的沉積物（吳立群攝，2010）

a.平躺的鈣化木（樹(shù)干）；b.直立的鈣化木（根）；c.鈣化木化石內(nèi)部的方解石晶體

植物化石通常被炭化和硅化，鈣化者罕見(jiàn)。但是在鄂爾多斯盆地東北部，侏羅系卻發(fā)育有大量的鈣化木。在直羅組中，大部分鈣化木以滯留沉積物形式平躺于河道砂體中，既顯示了一定的搬運(yùn)特征，還具有一定的古水流意義。還有少量的鈣化木以直立狀的植物根形式保留，顯示了原地埋藏的特征。在一些鈣化木的內(nèi)部通常可以見(jiàn)到方解石晶體（圖2-14）。在延安組中，無(wú)論是植物的根化石，還是植物的莖和葉化石，多數(shù)具有炭化特征。

圖2-15 源于動(dòng)物殘?bào)w的原地和異地埋藏沉積物（焦養(yǎng)泉攝，2009）

a.四子王旗腦木根古近系動(dòng)物腳骨化石（原地埋藏）；b.烏拉特中旗海流圖市上白堊統(tǒng)河道砂巖中的恐龍骨骼碎屑（異地埋藏的滯留沉積物）；c.四子王旗腦木根古近系動(dòng)物脊椎（微異地埋藏）；d.烏拉特后旗巴音滿都呼上白堊統(tǒng)沙丘間濱湖地帶的恐龍蛋化石（原地埋藏）

動(dòng)物的外殼和骨骼化石是人們感興趣的另一類源于生物的沉積物，它們大部分是碳酸鹽質(zhì)（主要是方解石和文石），少部分是磷酸鹽質(zhì)和硅質(zhì)（蛋白石及其重結(jié)晶的玉髓、石英）。經(jīng)過(guò)搬運(yùn)以滯留形式出現(xiàn)的動(dòng)物化石更容易被理解為是沉積物，如埋藏于河道砂體中的動(dòng)物骨骼碎片。其實(shí)原地和微異地埋藏的動(dòng)物化石同樣也是沉積物（圖2-15）。