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前面对油气生成的一般原理进行了详细的论述，其中也涉及天然气的成因问题。前面已经提及，在不同类型的有机质(干酪根)中，Ⅲ型干酪根更趋向于生气;在有机质的未成熟阶段通过生物化学作用可以生成生物化学气，在有机质的成熟阶段可以生成热解气，在有机质的过成熟阶段可以生成裂解气等。然而，天然气和石油在成因上的差异远不止这些，它们在母质类型、生成机理和形成环境上都存在差异，从而造成天然气的成因类型更加多种多样。本文将在进一步介绍天然气生成特点的基础上，重点阐述不同成肉类型天然气的基本特征和鉴别标志。

天然气的生成特点

与石油相比，天然气的生成具有成气母质类型多、成气机理多、成气环境广的特点。

生气母质的多元性

生成天然气的母质具有多元性的特点。石油主要是由I 型和II1 型干酪根生成的，而生成天然气的母质在类型上要比生袖的母质更多，因此天然气在成因上是多元的。

1.无机物

根据有机生油理论，石油是有机成因的。但是除有机成因的天然气外，还有一部分天然气却是无机成因的，它们由无机物生成。例如CO2 气可以通过CaCO3 的受热分解而形成，CO2 在细菌作用下可以通过还原反应形成CH4 等。

2. 原始沉积有机质

沉积有机质在没有变成干酪根之前，通过细菌的分解作用就可以生成天然气，沼气的形成就是原始有机质生气的很好的例子。

3. 各种类型的干酪根

原始有机质通过有机质的成岩作用形成干酪根后，通过热降解作用和热裂解作用可以形成天然气。不同类型的干酪根在演化过程中的生气能力是不同的， I型和II型干酪根以生油为主，也可以生成一部分天然气;而Ⅲ型干酪根则以生气为主，生油有限。

4. 液态石油和分散可溶有机质

由干酪根生成的液态烃在高温条件下可以进一步发生裂解，长链的短类可以裂解成短链的短类以至最后裂解为甲烷，这是I 型和II 型干酪根在演化过程中生气的重要途径。液态烃在地下的赋存状态主要有两种方式：一种是呈聚集状态的石油；另一种是以分散状态存在的液态烃，也就是岩石中的分散可溶有机质。它们都是形成天然气的重要母质。

生气机理的多样性

石油主要是在有机质的成熟阶段由干酪根的热降解作用生成的，而形成天然气的机理则是多种多样的。在前面的章节中已经讲到，在生物化学生气阶段，细菌的生物化学作用可以生成天然气，干酪根和液态烃的热降解和热裂解作用也可以生成天然气。除此之外，天然气还可以通过无机化学反应生成。

1.生物化学作用

微生物的生物化学反应可以生成甲烷。国内外对于生物气的成因都有较多研究，但对微生物作用形成甲烷的机理至今还不十分清楚，不过它是一种包括各种辅助酶在内的独特的生物化学反应。在微生物的作用下，甲烷的形成主要有两种途径，一种是乙酸的发酵;另一种是二氧化碳的还原。这两种生气途径可以分别用下面的反应过程表示:

CO2+3H2—CH4+H20（辅酶M）

CH 3 COO-+H+—CH4 +CO2（产甲烷菌）

2. 热降解作用

在有机质的演化过程中，干酪根在温度的作用下发生热催化作用，连接在干酪根核上的支链和侧链断裂形成烃类，这就是热降解反应。对于I型和Ⅱ型干酪根，由于含有较多的长链，因此以生油为主，但也含有一些短链，这些短链的断裂就形成了天然气；而Ⅲ型干酪根以短链为主，在热降解过程中则以生气为主。

3. 热裂解作用

裂解作用主要是高温条件下，有机质C-C 键断裂而形成小分子结构烃类的作用。这种C-C 键断裂后必须通过加氢才能形成相对分子质量低的烃类，因此，在裂解反应中，氢的补给是一个重要的条件，热裂解作用可以使长链的烃类发生断裂形成短链的烃类，这样就形成了天然气。这种生气机理是液态石油和可溶有机质裂解成天然气的主要机理。

4. 无机化学反应

无机化学反应生成天然气最常见的实例是CaC03 在高温下分解为CO2 和CaO ，这是无机CO2 形成的重要机理。无机烃类气体的存在已经有许多地质和地球化学证据• 但其形成机制比较复杂，它们可能与地壳深部的无机化学反应有关(戴金星等， 1995) 。

生气环境的广泛性

除母质类型和生成机理外，天然气的形成环境也比石油的形成环境广泛得多。已知石油主要形成于有机质的热催化阶段，其形成的深度以1000~5000m 范围为主，地层温度在65~180℃， 而天然气几乎可以形成于各种深度和环境。在地表和近地表环境中，由于厌氧细菌对有机质的发酵作用可以生成天然气，沼气就是在地表条件下天然气生成的典型实例，在一些沼泽中，由于有机质的分解也可以形成天然气，与生油的过程相伴生，在石油生成的深度范围内，可以生成天然气；当埋藏深度过大，液态石油已经不能存在了，这时天然气还可以继续生成。研究表明，甲烷可以在高达600℃ 的温度下存在；也已经有证据证明，无机甲烷可以在地壳深处甚至在地幔中生成（戴金星等， 1995）。

综上所述，生成天然气的物质不仅可以是不同类型的沉积有机质，也可以是无机物；天然气不仅可以由干酪根热降解和热裂解作用以及液态烃的热裂解作用形成，也可由细菌的生物化学作用形成，或由无机物合成和分解作用形成；其形成的环境多样，既可以在沉积有机质埋藏极浅、温度较低的环境下由生物细菌还原作用形成，也可在埋藏中、深层条件下由干酪根和储层石油热解和裂解形成，甚至可来自高温热液或高温和成。因此，天然气有比石油更广泛的形成条件，天然气不仅能伴随石油的形成过程而生成，而且能在许多不适于生油的条件和环境中大量形成。表1 概括对比了天然气和石油生成特点的主要差异。

表1 天然气和石油生成特点比较

天然气的成因类型及基本特征

根据生成天然气的原始物质的类型和天然气的形成机理，可以对天然气的成因类型进行划分。首先根据成气物质的来源，可把天然气划分为无机成因气和有机成因气。
无机成因气泛指各种环境中由无机物质形成的天然气，无机成因气根据其形成机制可以进一步划分为幔源气、宇宙气、岩浆岩气、变质岩气、放射作用气、无机盐类分解气。

有机成因气泛指沉积岩中分散和集中有机质或可燃有机矿产形成的天然气。根据形成天然气的有机质类型和生气机理，可以对有机成因气进行进一步的划分。根据形成有机成因气原始有机质类型的不同，可以把有机成因气划分为油型气和煤型气。由腐泥型有机质及其干酪根生成的天然气称为油型气，而腐殖型有机质及其干酪根形成的天然气称为煤型气。根据生气机理和演化阶段的不同，煤型气和油型气又可以分别进一步划分为生物成因气、热降解气和热裂解气。天然气成因类型的划分见表2 。

表2 天然气成因类型划分

不同成因类型天然气的鉴别方式

地壳中的天然气绝大部分是气体化合物与气体元素的泪合物，只有个别特殊情况下才由单一气体组成。因此，识别天然气的成肉类型应该是对天然气中各种组分的成因进行识别，但这样要花费大量的时间和财力，所以，一般只鉴别天然气中几个主要组分的成因类型。另一方面，在理论上不同成因天然气的地球化学特征有所不同，欲寻求统一的标准来识别各种不同类型的天然气，目前尚难做到。

鉴别烃类气体成因通常根据以下三方面的资料（1）天然气的组成特点，如碳同位素组成、甲烷含量等参数。（2）成气母质的有机质类型和演化程度等。（3） 天然气伴生物特征，如凝析油的成分、储层沥青的成分等。

表三 天然气的鉴别方式

沉积有机质的成烃演化主要分为三个阶段，分别是成岩作用阶段、深成作用阶段和深成作用阶段。

成烃演化阶段

成岩作用阶段
此阶段从沉积有机质被埋藏开始到门限深度为止，R0＜0.5%。成岩作用早期，有机质要经历细菌分解和水解，随着埋深的增加，细菌作用趋于终止，进而演化为地质聚合物即干酪根。成岩作用阶段尤其是早期牲畜的烃类产物，是生物甲烷和少量高分子烃。
在有机质成岩作用晚期，地下水对碳酸盐、铝硅酸盐和硅酸盐矿物的溶解能力增加，有助于形成溶蚀的次生空隙。
深成作用阶段
为干酪根生成油气的主要阶段，也可称油和湿气阶段。此阶段划分2个带，油带R0为0.5-1.3%，又叫低-中成熟阶段，其中低熟油带R0为0.5-0.7%，中熟油带R0为0.7-1.3%，干酪根通过热降解作用主要产生成熟的液态石油。轻质油和湿气带又叫高成熟阶段，在较高的温度下，干酪根和已形成的石油发生热裂解，C1-C8的轻烃迅速增加，还可形成凝析气。
准变质作用阶段
该阶段埋深大、温度高，R0＞2.0%。由在成熟阶段干酪根上的较长烷基链已消耗殆尽，所以生油潜力枯竭，只能在热裂解作用下生成高温甲烷，而且先前生成的轻质油和湿气也将裂解为热力学上最稳定的甲烷。该阶段也称热裂解干气阶段。

有机质成岩演化与成烃作用（据Tissot&Welte，1984）

促使沉积有机质演化成烃的因素

促使沉积有机质演化成烃的因素主要有细菌、温度和时间、催化剂、放射性、压力等。

细菌

按其生活习性可分为3类：喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。

细菌所起的作用是将原始的有机质中的O、S、N、P等元素分离出来，使C、H特别是H富集起来。细菌一般作用于有机质改造早期。

温度和时间

只有对沉积有机质演化而成的干酪根加热以后才能生成石油烃类；

温度较低时，加热干酪根生成的液态烃和挥发组分产率较低。只有达到一定温度，才会大量生成液态烃。而温度继续上升到一定程度，液态烃又会减少，气态烃生成量继续增加。

有利于油气生成的地质环境

一是有丰富的有机质，二是有适宜的物理化学条件，前者是生油的物质基础，后者为生油提供了保障。

岩相古地理环境

无论海相还是陆相都有可能具备适合于油气生成的岩相古地理条件。海洋中以浅海为最有利的生油环境。陆地上的深水-半深水湖泊也比较有利。从气候来看，温暖、湿润的气候是生物繁殖和发育的外部有利条件。

大地构造条件

只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降、沉降速度略大于或接近沉积速度地区，才能持久保持还原环境。

沉积有机质是通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏下来的那部分有机质。

从前寒武纪到泥盆纪，沉积有机质的唯一来源是海洋浮游植物（藻类）和细菌，泥盆纪以后，高等植物也开始变的重要起来。尤其是在成煤作用方面起特别重要的作用，但就对沉积有机质的贡献而言，则远不及海洋浮游植物和细菌。

沉积有机质组成

沉积有机质主要有碳水化合物、木质素、蛋白质、脂类组成，主要元素组成见表1。

表1 沉积有机质的原始生化组成

沉积有机质的原始生化组成—脂类

狭义的理解主要是动植物的油脂。

广义的理解包括油脂、固醇类、萜类、烃类和色素,所以有人也称其为类脂。

它们的共同特性是不溶于水，但溶于极低性的有机溶剂如氯仿、四氯化碳、乙醚、苯和丙酮。

脂类的特点：一是抗腐能力强；二是化学成分和结构都最接近石油。

沉积有机质的原始生化组成—碳水化合物

碳水化合物是单醣或单醣的聚合体的总称，通式可写为C n（H2O）m，包括葡萄糖、淀粉、纤维素、几丁质等，他们是植物的主要组成，动物中数量较少。但是碳水化合物大多容易被喜氧细菌消耗或被水解，难以保存下来。

沉积有机质的原始生化组成—蛋白质

蛋白质是组成细胞的基础物质，在动物组织中含量最高，低等植物中的含量高于高等植物。蛋白质只要经过去羧基和去氨基后便可形成烃类。

蛋白质构成了生物体中大部分含氮化合物。

蛋白质容易受喜氧细菌破坏，不利保存。

沉积有机质的原始生化组成—木质素

木质素仅存在高等植物中，是一种贫氢、富碳、富氧、富含芳环结构的高分子聚合物。

木质素具有比纤维素还强的抗腐能力，是成煤的重要母质，也可生成天然气，也可能是石油中芳烃的母质之一。

沉积有机质的形成

沉积有机质是随无机质点一起沉积并保存下来的生物残留物质，它主要是生物的遗体也包括其生命过程的排泄物和分泌物。

进入沉积物中的有机质，主要部分是新生成的复杂分子，他们在生物体中找不到对应物。

从生物物质的发源地说，沉积有机质一方面来源于水盆地本身的所谓原地有机质，另一方面来自由河流从周围陆地携带的异地有机质，其中有少量的是来自剥蚀更老的沉积层中有机质即再沉积的物质。

沉积有机质的分布和丰度

丰度用有机碳含量表示。
绝大多数沉积有机质呈分散状态与泥质沉积物相伴生。
沉积岩中有机质分布的另一特点是不同地质时代是不均衡的。
不同沉积环境或者不同岩性岩相条件下沉积物中的有机碳含量差别很大。
沉积有机质分布主要的影响因素：
生物物质的产量：主要取决于阳光、温度、湿度、含盐度和营养。在海洋，温湿带的浅海区有良好的透光性和营养条件，在大陆以湿热带最重要。
原始有机质的保存条件：指生物死亡后的沉降、沉积和埋藏过程中的氧化还原条件。
沉降、沉积速度：有机、无机质点的绝对速度；有机、无机质点的相对速度。
沉积物的粒度：粒度越细所含有机质越多。

沉积有机质中的干酪根

干酪根是沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和有机溶剂的分散有机质。干酪根的元素组成中以C为主，其次为H和O，还有N、S等。它们一般分布范围C：70-90%，H：3-10%，O：3-19%，N：0.4-4%，S：0.2-5%（据Tissot，1984）

干酪根的成分和结构

近年来，通过对干酪根进行高温热解或低温降解，揭示出它们含有活的有机体的全套有机结构，包括萜类、卟啉、氨基酸、羧酸、酮、醇、烯烃和醚桥等，说明干酪根系由生物转变而成。通过电子衍射和X射线、红外吸收光谱、核磁共振、波谱分析等物理方法，发现干酪根在结构上是一种复杂的三维大分子，它有很多结构单元（核）。由环状化合物组成（芳香环、杂环），多个核通过桥键相连接，在桥和后上都有可能具有官能团。

干酪根的类型

干酪根是分散的有机质的主体，它的类型基本代表岩石中分散有机质的类型。
根据元素分析将其分为3大类：Ⅰ型是分散有机质干酪根中经细菌改造的极端类型。Ⅱ型是生油岩中常见的干酪根，又称腐泥型。
Ⅲ型是由陆生植物组成的干酪根，又称腐植型。Ⅳ是残余型。

Ⅰ型未成熟干酪根

Ⅱ型未成熟干酪根

Ⅲ型未成熟干酪根

藻腐泥型干酪根

腐植—腐泥型干酪根

腐植型干酪根

干酪根的光学分类

孢粉学家用HCL和HF除去无机矿物质后，将有机残渣（干酪根）放在显微镜透射光下观测，划分出藻质、无定形、絮质、草质、木质和媒质五种组分。随着埋深加大，地温升高，上述组分的生油潜能按藻质—无定形—草质—木质—媒质顺序依次降低，（H/C）原子比也降低。

煤岩学家在显微镜在用25-50倍油浸镜头，通过反射光观察煤或干酪根的显微组分，其划分如下：

• 壳质组/脂质组：孢质体、角质体、藻质体、树脂体
• 镜质组：前镜质体、真镜质体及其变种
• 惰性组：碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体

目前，测镜煤的反射率已经成为判断有机质成熟度的主要标志。这三组的反射率是顺序增加的，而生油潜能却是顺序降低的。

油气成因主要分为无机成因说和有机成因说。

油气无机成因说

1. 19世纪中叶提出的碳化物说；
2. 1889年提出了宇宙说；
3. 1904年又提出了火山说；
4. 20世纪初又提出了岩浆说和高温生油说。
5. 20世纪随着板块理论的兴起又有油气深成说和深源气的提出以及在褶皱带前缘断裂带的找油活动。

但是，无机成因说解释不了为什么世界90%以上的石油都埋藏在沉积岩中，为什么石油具有只有生物有机质才有的旋光性、生物标志化合物等问题。

油气有机成因说

认为油气起源于活的有机体，即由地史中动植物的遗体转化而来。根据主张石油形成于沉积物成岩作用的早期或晚期又分为早期有机成因说和晚期有机成因说。

19世纪中叶以来，提出了动物说、植物说以及动植物混成说。进入20世纪，混成说得到了进一步的发展，认为富含分散有机质的淤泥就是生成石油的母岩。到了50年代初，Smith提出了“石油是早期生成的烃类富集而成”。后来有人又提出了只有当母岩埋藏达到一定的深度和温度时，有机质才大量的生成液态的成熟烃。因此晚期生油说得到了更多人的拥护。

油气有机成因的证据

• 世界上90%以上油气都产自沉积岩。
• 油气在地壳中的出现和富集程度与地史上生物的发育和兴衰息息相关，油气储量的时代分布与地层中分散有机质以及煤和油页岩等有机矿产的时代分布具有相关性。
• 在油气田剖面中，含油气层位总与富含有机质的层位有依存关系。
• 灰岩晶洞和介壳以及封闭的砂岩透镜体中的油气只能源于沉积有机质。
• 油气的元素组成包括微量元素组成都与有机质和有机矿床相近。
• 石油以及绝大多数天然气的碳稳定同位素组成与生物物质的碳稳定同位素有关。
• 石油普遍具有荧光性。
• 模拟实验表明从多种有机质中可得到油气的烃类。
• 现代测试可从现代和古代沉积物中鉴定出各种油气中的烃类。

早期有机成因说

• 实验发现，一些生物组分如类脂物、蛋白质和碳水化合物在一定条件下都可生成烃类。
• 在现代或近代的沉积物中，观察有有机质向烃类的转化。
• 某些细菌是有机质加氢、去羧基转化为类石油物质的媒介，而这一过程完成于沉积物埋藏不深的阶段。

难点：

1. 世界上发现的原生油气藏几乎都在上新世纪以前；
2. 现代沉积物中的烃类性质与真正的石油不同。

晚期成因说

应该看到，原始有机质从沉积、埋藏到转化为石油和天然气，是一个逐渐演化的过程。在承认晚期成油起主要作用的同时，也不能一概否定早期成油的影响，只不过在生油的量上可能多少不一，以晚期为主。

现在看来，液态石油的成因主要是晚期成因，而天然气的成因条件转化较为宽松。

气与油的成因差别

1. 天然气气源广阔，是多源的，相对而言，油源范围较窄，往往受到有机物源的限制，是少源的。沉积层系中烃源岩类型在很大程度上决定气和油的生成比重，几乎所有有机质岩类（腐植型、腐泥型、混合型有机质），不同环境（海相、湖相、沼泽相）的有机岩类均有成气条件。
2. 生气是多阶段的，而油则是在有机质达到中演化阶段生成的。
3. 油、气都属于流体矿产，但其流动、扩散性质以及成藏、保存条件都有很大差别。