“新能源地球化学”课堂中的学以致用

陶 树，汤达祯，许 浩，李 松

中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083

地球化学是地质学与化学相结合的一门边缘学科，其本质上隶属地球科学，含油气地球化学、元素地球化学等多个分支[1-3]。“新能源地球化学”是中国地质大学（北京）新能源地质与工程专业大三年级的一门专业主干课程，侧重于利用地球化学方法描述和探究非常规油气资源的形成及演化过程，重点应用于包括煤层气、页岩气、页岩油、油页岩等非常规油气资源的成因判识、资源潜力评价及成藏成矿过程解释。

当前，国际非常规油气资源勘探与开发势头迅猛，以美国为代表的诸多国家在页岩气、页岩油、煤层气、油页岩、油砂、致密油气等领域取得了重大突破，非常规油气资源已经成为能源结构中的重要一员，为缓解当今世界日益紧张的能源形势作出了突出贡献[4]。我国非常规油气资源丰富，自“九五”计划以来，国家逐渐加大在非常规油气资源领域的勘探与开发工作，煤层气、页岩油气、致密油气先后取得了商业化开发[5]。近年来，中国地质大学（北京）在煤层气、页岩气、页岩油、油砂和油页岩等非常规油气领域做了大量的科研工作。为了培养学生利用地球化学方法解决非常规油气资源勘探与开发中存在问题的能力，特此设置了“新能源地球化学”课程。由于非常规油气资源形成的实质也是有机碳的沉积和演化的结果，因此，“新能源地球化学”课程是以 “石油与天然气地质学”“煤地质学”和“沉积岩石学”为基础，以油气地球化学为授课主体，兼顾元素地球化学（包括微量元素地球化学、稀土元素地球化学、同位素地球化学等）和有机岩石学授课内容，着重解决非常规油气领域实际问题。

一、学好基础、揭示本质、机理应用

课堂教学中注重基础知识机理上的阐述，让学生掌握分析问题的方法，从而逻辑推理出问题本质。学生只有从机理上掌握了基础知识的本质，才能融会贯通，用好基础知识。

例如在讲到“生烃”方面的内容时，逻辑上解释是有机质的生烃，而最大的贡献者是干酪根，干酪根类型不同决定了有机质是倾向于生油还是生气。进一步引申到干酪根类型取决于沉积有机质的来源，而不同来源的沉积有机质又形成了不同的有机显微组分，因此，干酪根生烃的本质是干酪根中有机显微组分的生烃作用。在了解了本质的基础上，让学生思考“哪些有机显微组分可以生油”“哪些可以生气”“煤是否只能生气”等系列问题。通过研讨、分析得出，有机显微组分中腐泥组和壳质组生油能力较强，镜质组生气能力较强。煤中有机显微组分以镜质组为主，所以主要生气，形成了非常规天然气—煤层气（如我国沁水盆地、鄂尔多斯盆地煤层气开发示范基地），但当煤中壳质组含量较高时，也可以大规模生油，即形成了非常规石油—煤成油（如我国准噶尔盆地东部、吐哈盆地等煤系地层中均发现了大规模油田）。

二、追溯同源、探索去向、发散应用

学起于思，思起于源。归纳总结能力是学生素质和潜能的重要方面，在学生思维中占有重要位置。“新能源地球化学”课程要求学生在已学专业基础知识上，学会归纳总结、追溯同源，并采用类比的方法推测，发散应用所学知识。

例如在讲到“有机质热演化”时，有机质生成的油气如果发生了排烃作用，即油气从烃源岩中运移并储集在常规砂岩或碳酸盐岩等相对松散储层（孔隙度较大）中时，就形成了常规的油气资源；但是如果生成的油气储集在致密储层如致密砂岩、泥页岩中时，则形成了致密油（如美国威利斯顿盆地、阿根廷内乌肯盆地、我国松辽盆地和柴达木盆地等）、致密砂岩气（如美国西部落基山地区、加拿大阿尔伯达盆地、我国四川盆地和鄂尔多斯盆地等）等非常规油气资源；如果生成的油气未发生排烃作用，或者泥页岩烃源岩自身储集了大量的油气，则形成了页岩油（如美国二叠盆地、我国塔里木盆地和准噶尔盆地等）、页岩气（如美国阿巴拉契亚盆地、我国四川盆地和鄂尔多斯盆地等）、煤层气等非常规油气资源。

在此基础上，带领学生总结并提出观点，即：常规和非常规油气资源在很大程度上具有同源性（可能是同一套烃源岩），但在油气资源形成后的存储空间不同（去向不同）是常规和非常规油气资源差别叫法的主要原因。同时，我们可以进一步利用后面将要学习的同位素地球化学方法、生物标志化合物方法来追溯常规或非常规油气的来源。

三、引出问题、分析问题、启发应用

围绕学以致用的教学目标，针对性地引入问题，培养学生发现潜在问题的能力，通过思考、分析、讨论以解决问题，激发学生利用地球化学方法解决非常规油气问题的思维方式。

在追溯常规和非常规油气资源来源的基础上，继续在“有机质热演化”方面深入讨论，启发学生发现问题，即我们所列举的常规和非常规油气资源和有机质热演化程度是什么关系。显然，答案都是在油气大规模生成阶段，从此方面再引出问题：热演化程度很低的情况下会不会生烃？油气藏形成后会不会再发生变化？

下一步开展问题的分析和讨论，需要发挥教师的启发、组织、引导作用，学生在这个环节主要是理解问题要点、理清思路、学习相关知识点，同时积极参与讨论。通过前面分析已经得知有机质的生烃实质是有机显微组分生烃，而有些生烃组分在热演化程度很低的情况下就可以生烃，如木栓质体和树脂体；此外，热演化程度较低通常对应于有机质埋藏深度较浅，强烈的细菌活动会对有机质进行降解改造，同样可以生烃，从而形成了非常规油气资源—低熟油（如澳大利亚吉普斯兰盆地、我国渤海湾盆地等）以及生物成因气，当生物成因气埋藏于海底地层或永久冻结带时，就形成了另外一种重要的非常规能源—甲烷水合物（如我国南海海域、祁连山冻土带等）。先期形成的油藏如果在后期由于地壳抬升而暴露或接近地表，原油中轻质组分散失后则形成了非常规重质油如油砂（如加拿大阿尔伯达盆地、我国松辽盆地等）。

四、反演过去、再现历史、延伸应用

教学中通常需要利用现代分析技术反演某个地质现象或者地质单元的形成古地质背景，再现其形成过程，进而为现今寻找油气资源提供支撑。因此，讲授反演技术方法至关重要，如何在有限的课堂时间内让学生了解直至掌握这些方法，最终应用到将来的实际科研工作中是教学的难点。通过教学，一方面要让学生明白所学知识的重要性和适用性，另一方面培养学生的科研思维，即要有目的性、方法性和创新性。

首先，要明确目的性，即通过分析需要达到什么样的目标。通过地球化学方法可以反演沉积物源、油气运移通道、古沉积环境等，所以首先要明确具体要实现什么目的。

其次，要注意方法性，即通过什么方法能达到要求的目标，如生物标志化合物方法、同位素地球化学方法、微量元素地球化学方法等。进一步需要了解不同方法的适用性条件，各种方法所需要的数据及数据获取的实验方法等。

最后，在了解基础方法的基础上，通过阅读更多文献资料，总结当前应用领域和具体应用过程，多积累、多思考，才能有创新。

例如：如何利用元素地球化学方法再现某个地区页岩气烃源岩形成的古沉积环境、古气候、古物源、古构造等条件？为了实现这样的目标，首先引导学生使用正确的方法，比如沉积古环境包括了沉积水体的盐度，可以通过B元素含量、Sr/Ba比值来反演；沉积水体的氧化还原条件可以通过V/Ni、Th/U等比值来判断；干旱或温湿的古气候条件可以通过Sr/Cu和Rb/Sr比值来确定。古物源、古构造条件则可以通过多种图版来判识，如古物源的TiO2-Al2O3、Th/Sc-Zr/Sc、（La/Yb）n-Cen、La/Th-Hf等图版，古构造的La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10、La/Y-Sr/Cr等图版。了解方法以后，让学生利用数据实际操作，完成各种古地质条件的反演，比较多种方法所得结果之间的差异性和相关性，并用实际地质条件相验证，进一步遴选适合本区的地球化学方法。最后引导学生把相互关联的地质条件联系起来，逐渐培养学生建立宏观的地质思维模式。

五、结束语

新能源地质资源特别是非常规油气资源在我国能源结构中占据重要位置，发展势头迅猛，急需实干型专业人才。地球化学在非常规油气资源勘探与开发领域具有重要的应用前景，因而教师在课堂教学中把学生所学专业基础知识串起来，从问题本源出发，多启发、多发散、多延伸、多解剖、多总结，逐渐建立学生“用”的思维，把所学知识用于实际问题解决中去，真正做到学以致用。

[1]李开开，肖玲玲.研究型教学理念在“油气地球化学”课程中的实践[J].中国地质教育，2015，24（3）：57-60.

[2]冯海艳，杨忠芳.论地球化学专业本科生科研动手能力的提高[J].中国地质教育，2012，21（3）：108-110.

[3]龚庆杰，叶荣，张德会.《地球化学》课程的几种教学方法[J].中国地质教育，2003，12（1）：48-49.

[4]车长波，杨虎林，李富兵，等.非常规油气资源勘探开发政策思考[J].天然气工业，2008，28（12）: 4-6.

[5]许浩，唐书恒，汤达祯，等.新能源勘探开发一体化创新人才培养模式探索与实践[J].中国地质教育，2010，19（3）：18-20.