Control Factors of Terrestrial Organic Matter Distribution in Delta-shallow Sea Sedimentary System

沉积有机质是指生物遗体及生物的分泌物和排泄物随无机质一起沉积后，被直接保存下来或进一步经过生物降解、沉积埋藏、成岩作用等演化过程形成的有机物^[18]。根据有机质来源将其分为海洋有机质和陆源有机质两类，陆源有机质是指源于湖泊水生生物和源于高等植物的有机质；海洋有机质指源于浮游植物藻类及各种浮游动物的有机质^[19]。有机质含量常用有机碳含量进行表征。前人对沉积历史过程中三角洲—浅海沉积体系陆源有机质分布规律的研究较少^{[17, 20-23]}，而将今论古是地球科学研究中常用的方法之一^[24-25]，因此，可通过对现代入海河口及三角洲沉积体系陆源有机质分布规律的研究揭示其控制因素，但仍需考虑陆源有机质沉积后在地质历史过程中的改造作用。现代入海河口及三角洲沉积体系陆源有机质供应可分为颗粒有机碳（POC）及溶解有机碳（DOC），其含量比例约为2:3^[26]，颗粒有机碳可通过机械搬运直接进行沉积，而溶解有机碳则形成絮凝体或经生物作用形成生物残体或粪球粒进行沉积^[27]，并且水体中POC与DOC相互转化保持动态平衡^[27-28]。对于石油地质而言，仅沉积并保存下来的有机质才有可能成为油气生成的母质。

影响陆源有机质分布的因素较多，目前前人对古代入海三角洲体系陆源有机质分布的研究相对较少^{[17, 20-23]}。现有研究主要集中在澳大利亚北卡那封盆地、尼日尔三角洲盆地、我国南海地区琼东南盆地、珠江口盆地等地区，普遍认为陆源有机质分布受沉积相、古气候、水动力、古构造等因素控制，并未对其影响因素进行具体研究。而对现代入海河口及三角洲沉积体系陆源有机质分布有大量研究^[25-34]。研究表明，不同地区陆源有机质分布的影响因素有所差异^[29-35]。李中乔^[29]在对越南红河水下三角洲的研究中认为陆源有机质主要受沉积物粒度、沉积速率、氧化降解等因素控制；Ramaswamy et al.^[30]在对缅甸伊洛瓦底大陆架的研究中认为陆源有机质主要受沉积物粒度、沉积速率、距物源距离等因素控制；Hu et al.^[31]在对渤海和黄海陆架沉积物中有机碳研究中认为，陆源有机质主要受沉积物粒度、水动力条件、物源供应、生物作用等因素控制，不同地区研究结果差异较大。对于同一地区不同学者也有不同的观点^[36-38]，在对长江口及其邻近海域陆源有机质分布研究中，朱纯等^[36]认为陆源有机质主要受水动力类型、水动力强度、与物源距离等因素控制；邵锡斌等^[37]认为陆源有机质主要受盐度、总悬浮颗粒物浓度、生物作用等因素控制；吕艳美等^[38]认为陆源有机质主要受沉积物粒径、水动力强度、距河口距离等因素影响。关于有机质的保存也有学者进行了相关研究，Benner et al.^[39]和Hernes et al.^[40]认为有机质的降解过程主要包括光降解及生物降解作用，因此影响生物作用的一切环境因素也控制了有机质的保存^[39-40]。已有研究对陆源有机质分布的影响因素认识有所不同，所以，对陆源有机质分布控制因素进行系统的归纳探讨显得尤为重要。

结合前人研究，笔者认为陆源有机质分布的控制因素可分为物源条件、搬运与沉积条件、沉积与保存条件三大类。物源条件主要包括碎屑粒度、植物碎屑输入、矿物组成、有机质组成、物源供给等因素，搬运条件主要包括水动力类型、水动力强度及搬运距离等因素，沉积与保存条件主要包括光降解、生物作用、成岩作用、水体盐度、水体pH值、Eh值及温度。且各影响因素相互影响，并非相互独立，其他因素通过对以上因素的控制而影响陆源有机质分布。

在三角洲—浅海沉积体系中，陆源有机质与沉积物一起被水流输送到海洋，绝大部分颗粒有机质会保存在边缘海的沉积物中^[29]，而溶解有机质则形成絮凝体或经生物作用形成生物残体或粪球粒进行沉积。有机质通常以吸附态附着在沉积物颗粒表面，所吸附的量与沉积物的比表面积有关^[41-42]，因此，物源供给量及物源比表面积相关因素均对陆源有机质分布有控制作用，沉积物比表面积受沉积碎屑粒度、植物碎屑输入、沉积物矿物成分等因素影响。溶解有机质的生物降解过程受初始有机质组成的影响^[28]。

沉积物粒径越小，其比表面积越大，可吸附的有机质越多。因此，一般情况下总有机碳含量与沉积碎屑粒度呈负相关关系，这在诸多实际研究中也得到了证实^{[29-31, 35-38, 43]}。李中乔^[29]在对越南红河水下三角洲的研究和Hu et al.^[31]在对渤海和黄海陆架沉积物的研究均表明，表层沉积物中TOC与沉积物粒径呈明显的负相关关系（图 1a，b）；Ramaswamy et al.^[30]对伊洛瓦底大陆架和王润梅等^[43]对环渤海地区河流河口表层沉积物的研究中，均发现沉积物中黏土含量与TOC含量有较好的正相关关系（图 1c），于培松等^[35]对长江口和东海海域沉积物的研究中发现黏土和粉砂含量与TOC含量有较好的正相关关系（图 1d），沉积物中黏土与粉砂均为细粒沉积物，其含量与TOC含量呈正相关关系进一步印证了沉积物粒度与TOC含量呈负相关关系。即有机质具有亲细粒性。

Figure 1.  Relationship between grain size and total organic carbon (TOC) in sediments

但在现代沉积中，也存在有机碳含量与粒径呈正相关的情况，如来自密西西比河下游的沉积物中发现细粒沉积物含量与总有机碳含量呈正相关（图 2），且颗粒态木质素的∑8（∑8为每100 mg颗粒态样品的酚单体的S、V、C系列单体的总和，用于反映木质素含量）与粒度呈正相关关系，说明沉积物中混入了大量的植物碎屑，植物碎屑的粒径很大，但是含有极高的木质素，因此才会出现有机碳和粒径成正相关的现象^[38]。因此植物碎屑的输入会引起陆源有机质分布规律的异常。

Figure 2.  Relationship between fine matter content and TOC in the lower Mississippi River (data from reference [44])

沉积物颗粒的矿物组成是决定颗粒比表面积的重要因素，不同类型矿物的比表面积有较大的差异（表 1）^[45]，尤其是黏土矿物，且由于不同黏土矿物的结构与性质差异，对有机质的吸附作用也有一定的差异。已有研究发现海洋沉积物中有机质与黏土矿物关系密切^[46-47]，但其对有机质保存的理解仍有争议，部分学者认为矿物对有机质的吸附作用微乎其微^[48]，另一部分学者提出有机质与细粒物质的沉积类似，受水动力分异作用控制^[49]。笔者认为，对于陆源有机质而言，黏土矿物对有机质的吸附作用不可忽视且受一定的水动力分异作用控制，已有研究证实在土壤及烃源岩中大量有机质都与黏土矿物结合存在^[50-52]，这也证实了黏土矿物对有机质吸附作用的重要性；而沉积物存在以分散颗粒状态赋存的有机质^[53-54]，也就是说陆源有机质在搬运过程中会受到一定的水动力分异作用。

有机质组成决定了其生物可利用性，有机质由蛋白质、碳水化合物、类脂类、木质素和丹宁组成^[27]，在降解过程中蛋白质和碳水化合物将优先被异养生物利用^[55]，溶解有机质被异养生物利用合成结构复杂的有机质或以生物遗体的形式进行沉积，此外，海水中存在大量黏性颗粒物质可使溶解有机质聚合形成絮凝体进行沉积^[27]。同时，溶解有机质与颗粒有机质不断相互转化，只有当有机质聚集形成大颗粒足以克服水体浮力而沉降保存时，才具有石油地质意义。

陆源有机质随物源碎屑搬运入海进而沉积保存，一定程度上受物源的影响，包括物源供给量及有机碳含量，物源供给量较大时，河口处有较大的沉积速率，陆源有机质得以快速埋藏得以保存。除此之外，物源区岩性、植被、矿物自身性质等因素均可影响以上因素从而对陆源有机质分布间接控制。

搬运条件控制着沉积物的沉积范围及粒度分布规律^[56-57]，因此对陆源有机质分布也有重要的控制作用，包括水动力强度、水动力类型及搬运距离等因素。陆源有机质与物源碎屑随水流搬运沉积，水动力条件及水体自身性质决定了其分布范围。水动力对碎屑颗粒的分选作用使具有亲细粒性的有机质呈现规律性分布。

水动力强度控制着碎屑颗粒可搬运的最远距离，强水动力条件会使颗粒有机质随细粒物质搬运到较远的地方，并且溶解有机质会随水体向更远的地方扩散，从而使有机碳可搬运至较远地区。长江口表层沉积物中陆源有机质表征参数∑（C₂₇+C₂₉+C₃₁）的含量向远离河口方向呈现明显增大趋势（图 3）^[36]，与水动力作用下沉积物的沉积规律一致，细粒物质含量向远离河口区增大；珠江口表层沉积物的正构烷烃C₂₉含量也呈现出向远离河口区方向增大的规律（图 4）^[58]，这都证明了水动力分选作用对陆源有机质分布有控制作用。当水动力达到一定强度时，已沉积的细粒沉积物会重新启动发生再搬运向深水区扩散，这是陆源有机质向深水区迁移的重要原因。李中乔等^[34]在对红河水下三角洲表层沉积的研究就发现了向远离河口方向，沉积物粒度呈现突然降低后增大的变化（图 5），突然降低是由于水动力的分选作用，之后粒度增大是由于发生了再搬运作用，而木质素∑8含量相应的呈现相反趋势。

Figure 3.  Variation of n-alkanes ∑(C₂₇+C₂₉+C₃₁) of the surface sediments in the Yangtze Estuary

Figure 4.  Distribution of n-alkanes C₂₉ in surface sediments of the Pearl River Estuary (modified from Pelejero^[58] )

Figure 5.  Variation of grain size and lignin content of surface sediments in the underwater delta of Honghe (data from reference [34])

潮汐、波浪、沿岸流等对陆源有机质的分布有控制和改造作用^{[36, 59-61]}。Yanagi et al.^[59]对东海细粒沉积物研究认为其主要来源于长江细粒物质，或长江口—浙江沿岸软泥区在环流作用下向冲绳海槽运移^{[36, 60]}，并有学者通过数值模拟证实了这一观点^{[59, 62]}，这可能也是造成深水区存在陆源有机质的主要原因；石晓勇等^[61]发现长江口颗粒有机碳分布受潮汐作用而呈现波浪型分布，这证实了不同类型水动力对陆源有机质分布有改造作用，且不同水动力类型作用机制有所差异。深水区沉积主要受重力搬运和牵引流沉积主导^[63]，环流、暖流、沿岸流等对有机质的搬运作用可能是陆源有机质存在于深水区的关键因素。

在现代沉积河口区，陆源有机质总体呈现明显的近河口富集特征，这可能是由于河口处较大的沉积速率有利于有机质的保存。在我国渤海湾、南黄海、长江口及珠江口等河口区，表层沉积物陆源有机质分布总体上均呈现向海方向含量降低的趋势^{[32-33, 35-38, 58]}。

陆源有机质随流水进入海洋，由于环境的改变对沉积物及有机质本身进行改造，或影响生物生长，从而控制有机质的分布，主要包括水体盐度、pH、Eh及温度。有机质沉积后，会经历一系列的改造和破坏作用，主要包括生物作用、光降解和成岩作用。

水体盐度、pH值及Eh值可通过对沉积物及有机质本身的改造作用从而控制有机质的分布。在密西西比河口沉积物的研究中，发现在咸淡水混合的中盐度区域颗粒有机碳（POC）和溶解有机碳（DOC）均存在转移和溶出的行为，而在高盐度区域出现POC和DOC的δ¹³C增大的趋势（图 6）^[64]，表明陆源有机质被大量移除，海洋有机质相对含量增高。Sholkovitz ^[65]对河口环境河水与海水混合时有机质絮凝作用的研究中认为，盐度小于20%时絮凝作用随盐度增大而增强。卢龙飞等^[66]认为黏土矿物对有机质的吸附作用与水体pH值有关，pH值在2.74左右吸附量最大。卢双舫等^[19]认为只有当Eh < 0时的还原环境有机质才能得以保存。

Figure 6.  Relationship between DOC-δ¹³C, POC-δ¹³C, and salinity in the Mississippi estuary (data from reference [64])

在三角洲—浅海沉积体系中，生物降解作用及生物现场生产对有机质沉积与保存过程有重要的控制作用，而水体盐度、pH、Eh及温度等环境因素会直接影响生物的种类及其生长。盐度和温度对生物群落结构的空间分布有着重要的控制作用^[67]；随着水体pH的适度增加，生物数量及活性增强，溶解有机质的生物可利用性增强^[55]；有机质中易降解成分含量越高，还原性细菌降解速率越快，沉积物Eh值越低，越有利于有机质保存^[68]。浮游生物利用溶解有机质及营养物质转化为自身组成物质和排出的粪球粒从而易于沉积，同时生物食用颗粒有机质时的物理破碎作用也可使颗粒有机质转化为溶解有机质^[27]，长江口陆源颗粒有机质就主要来源于浮游植物的现场生产^[29]；生物降解作用是陆源有机质移除的重要因素，在东海陆架、渤海海域、长江口及其邻近海域均存在明显的生物降解现象^{[29, 43]}。

除生物降解作用外，光降解作用是有机质从水体移除的主要因素^{[28, 69-71]}，且光照有助于促进细菌对有机碳的利用^[28]。研究表明，海水及海洋沉积物中的陆源有机质不足河流输入量的一半，即大部分在进入海洋后被迅速移除^[72-73]，光降解及生物降解作用是否是导致这一现象的主要原因还有待证明。而生物现场生产作用可能成为控制陆源有机质分布关键因素之一，研究表明，长江口、黄河口、红河水下三角洲及密西西比河有机质的分布主要受陆源有机质输入的影响^{[34-36, 74-75]}，而美国东海岸约克河口有机质分布则主要受原地生物生产影响^[76]。因此，当环境利于生物生长，陆源有机质组成利于生物利用时，生物生产作用可能成为陆源有机质分布的主控因素。

关于成岩作用对有机质的改造研究较少，Lamb et al.^[77]认为成岩作用能降低C/N比，张成君等^[78]证实了这一点，表明了沉积作用早期有机质发生了明显的降解作用，降低了C/N比值；李中乔^[29]对渤海海域沉积物的研究中发现，随埋藏深度的增加，总有机碳先降低后平稳不变的趋势（图 7），但研究深度较浅，尚未达到成岩阶段，因此，陆源有机质在地质历史过程中，受成岩作用而发生降解是必然的，但其过程造成的有机质的改造及含量变化规律有待进一步研究。

Figure 7.  Variation of TOC with depth in the Bohai Strait sediments (after Li ^[29] )

影响陆源有机质分布的因素较多，且各因素间相互制约、相互影响，陆源有机质分布是各个因素共同作用的结果。碎屑粒度的大小决定了其可被搬运的距离，同时碎屑粒度及搬运距离均受水动力强度的控制；生物作用的强度受水体盐度、pH值、Eh值及温度等环境因素的影响，同时生物作用又对环境因素起调控作用；水动力强度会由于不同类型水动力的相互作用而改变，水流间的相互作用也可产生环流从而改变水动力类型（图 8）。但总的来说，以上讨论的各个因素已较全面的概括了陆源有机质分布的控制因素，其他因素均通过对以上因素的影响从而间接控制陆源有机质的分布。

Figure 8.  Fishbone diagram of control factors for terrestrial organic matter distribution

陆源有机质以颗粒有机质和溶解有机质的形式向海洋输送，当物源供给量大，沉积速率快时，颗粒有机质可随沉积物在河口处快速沉积埋藏；而当环境利于生物生长，有机质组成利于生物利用时，生物的现场生产作用可能成为陆源有机质分布的主要控制因素；利于有机质保存的还原、静水环境，决定了其是否有可能成为油气生成的母质。前人研究表明，以溶解态向深水区扩散的陆源有机质被大量移除，其原因有待进一步研究，即以溶解态向海洋中扩散的陆源有机质不足以形成规模性的沉积并成为油气生成的有效母质，但大量勘探实践证明，我国南海深水区崖城组烃源岩以陆源有机质为主^[79-80]，且北海、墨西哥湾、巴西及西非等地以深水浊积型烃源岩模式为指导均取得较大突破^[81]，因此，环流、暖流、沿岸流等大规模水动力作用对有机质的搬运可能是陆源有机质存在于深水区的关键因素。

三角洲—浅海沉积体系作为一种同时接受陆源物质及海洋生物供给的特殊沉积体系，同时具有陆源有机质和海洋有机质。陆源有机质受碎屑粒度、矿物组成、有机质组成、水动力类型、水动力强度、水体盐度及pH值等多因素控制，本文归纳为物源条件、搬运条件及沉积与保存条件三大类控制因素。目前对陆源有机质分布控制因素的系统研究较为缺乏，且由于地质历史过程中成岩作用对陆源有机质影响的研究难度较大，目前尚且缺乏该方面的研究；生物作用受环境因素影响较大，且对有机质的沉积与保存过程起重要作用，生物作用对陆源有机质分布的控制作用有待进一步系统研究；搬运条件对陆源有机质分布的控制作用尚缺乏针对性研究，这是陆源有机质在深水区存在的关键因素。因此，应加强水动力强度、水动力类型、有机质组成及生物作用等因素与陆源有机质分布规律的内在联系研究，以明确陆源有机质在深水区存在的原因及条件。