烴源巖不同性質有機酸的分離及其檢測方法

杜佳宗，何 蓓，蔡進功*，雷天柱，劉 慶，謝忠懷

1. 同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；2. 中國科學院 地質與地球物理研究所 油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000；3. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司勘探開發研究院，東營 257015

1 前言

有機質是泥巖烴源巖中重要組成部分，在演化過程中會生成大量的有機酸（Seewald, 2003）。有機酸是重要的生烴母質，Maher等（2008）對硬脂酸的生烴模擬實驗表明，有機酸脫羧及之后的裂解是有機質生烴的重要過程。最近Bu等（2017a）利用蒙脫石—硬脂酸復合體進行生烴模擬，發現CO2和低分子氣態烴共同增加，也表明有機酸脫羧作用可促進烴類生成。此外，有機酸還會參與復雜的有機—無機相互作用，Ramos和Huertas（2013，2014）礦物溶解實驗表明小分子有機酸(如乳酸和檸檬酸)可以促進礦物溶解。Li等（2016）對烴源巖蒙脫石伊利石化的研究表明，有機酸的生成可以改變蒙脫石伊利石化機制，該結論也被Du等 (2019) 模擬實驗結果證實。因此關注烴源巖中有機酸的特征對深化認識有機質生烴和有機—無機相互作用等都具有重要的意義。

在泥質烴源巖中90%以上有機質是與粘粒礦物相復合的（Leithold et al., 2005; Dickens et al., 2006），并且有機質在粘土礦物中有不同的賦存特 征（Tyson, 1995; Zhu et al., 2014, 2018）。游離有機質賦存在礦物之間的孔隙中（盧龍飛等, 2013; Angst et al., 2017），以物理吸附的方式與礦物結合（Ransom et al., 1998; Salmon et al., 2000）， 由于結合較弱，可利用索氏抽提將該類有機質與礦物相分離。礦物結合有機質以化學吸附方式與礦物結合，如吸附在粘土礦物層間（Keil et al., 1994; Keil and Cowie, 1999; Satterberg et al., 2003; Zimmerman et al., 2004），是沉積有機質的主要賦存方式(Mayer, 1994), 并且結合緊密，不能利用索氏抽提與粘土礦物分離。有機酸作為烴源巖中最為重要的一類有機質，各類官能團的存在使得其具有很強的活性（Keil and Mayer, 2014），既可以進入粘土礦物層間與粘土礦物結合（如賴氨酸）（Kitadai et al., 2009; Du et al., 2019），也可以吸附在粘土礦物外表面（如硬脂酸）（Bu et al., 2017a, b），還可以賦存于礦物孔隙之間，由此可見，有機酸同樣具有多種賦存形式。前人根據有機酸賦存態的差異建立了多種分類方法，如將烴源巖中的脂肪酸劃分為瀝青脂肪酸、干酪根脂肪酸、強干酪根脂肪酸（史繼揚和向明菊, 2000; 孟仟祥等, 2005）；按不同的處理方式分為游離酸、堿解酸、酸解酸和強結合態酸（盧龍飛等, 2011）。但這些方法劃分出的不同類型有機酸的定性和定量檢測存在難題。目前常見的檢測方法有離子色譜法、氣相色譜—質譜法等。離子色譜法具有分析速度快、精度高、分辨率高等諸多優點，但缺點在于僅能夠對能溶于水的有機酸進行檢測。氣相色譜—質譜法雖然簡單快速，但易受無機物的干擾。因此現有有機酸劃分方案和有機酸檢測方法具有矛盾性，即劃分出的不同有機酸類型難以利用現有檢測方法進行定性和定量研究，使得開展烴源巖有機酸特征研究具有很大的局限性。同時現有的檢測方法只針對特定固體酸類型具有很好檢測效果，而對泥頁巖中各種類型有機酸不能進行全面檢測。因此本文立足于檢測手段的可行性，根據有機酸性質和賦存態特征，建立有效和系統的有機酸分離和檢測方法，全面獲取烴源巖中不同類型有機酸特征，為深入認識有機質生烴和有機—無機相互作用奠定基礎。

2 烴源巖中有機酸性質與有機質賦存態關系

2.1 有機質賦存態

烴源巖中的有機酸主要來源于有機質，前人的研究表明，有機質在烴源巖中不是孤立存在，而是與無機礦物密切共生，在地質環境中它們是一個不可分割的整體（苗建宇等, 1999; 張林曄等, 2003; 蔡進功等, 2009），有機質和無機礦物之間存在不同的鍵合方式，這構成了烴源巖中有機質賦存態的多樣性（Kennedy et al., 2002; 蔡進功, 2004; Williams et al., 2005; Cai et al., 2007）。從傳統的有機地球化學角度將烴源巖中的有機質分為可溶和顆粒有機質。顆粒有機質穩定，不會受到酸處理、堿處理和氧化劑氧化的影響，屬于難溶性有機質?？扇苡袡C質以物理吸附和化學吸附方式與粘土礦物相結合，造成了有機質賦存態的差異性。通常認為能夠通過有機溶劑抽提得到的有機組分為游離態有機質，主要以非共價鍵吸附于礦物表面或束縛于礦物微孔隙（Zhu et al., 2016），吸附力以范德華力為主（Keil and Mayer, 2014）。礦物結合有機質以化學吸附方式與礦物結合，與礦物的分離無法通過有機溶劑抽提實現，需采用堿解、酸解、熱降解或強氧化劑等方式處理（Eusterhues et al., 2003, 2005; Zhu et al., 2016）。結合態有機質形式多樣，包括被碳酸鹽結合或封裹、被粘土礦物吸附，以非共價鍵結合并被包絡在非共價鍵締合結構網絡中等（宋一濤等, 2005）。相互作用方式包括配位體交換、陽離子橋、水橋、離子偶極和陽離子交換等（Keil and Mayer, 2014）。

2.2 有機酸性質及其與有機質賦存態關系

烴源巖作為無機礦物與有機質的集合體，其中含有多種類型的無機礦物，這為有機酸以不同方式與無機礦物鍵合奠定了基礎。在土壤學和現代沉積物研究中，Zegouagh等（2000）將海洋表層沉積物中的有機酸分為溶劑抽提的游離態酸、傳統皂化方法得到的堿解酸、相轉移催化皂化得到的堿解酸、酸解得到的酸解酸以及熱解得到的強結合態酸五種。盧龍飛等 （2011）對東海表層沉積物在溶劑抽提之后, 采用先堿解后酸解的相繼處理手段分出三種賦存態, 以此解聚和離散粘土聚集體來釋放更多的有機酸。另外，在對烴源巖中脂肪酸的檢測中，有人將脂肪酸分為瀝青脂肪酸、干酪根脂肪酸和強干酪根脂肪酸等（史繼揚和向明菊, 2000; 孟仟祥等, 2005）?；谝陨涎芯?，可以認識到烴源巖中的有機酸類型多樣，在不同的地質環境以及長期的地質埋藏過程中，經歷復雜的地質作用，形成多種多樣的賦存方式。

在烴源巖中常常按溶解性劃分有機酸類型，分為水溶性、脂溶性和難溶性有機酸。其中，1到4個碳原子的有機酸能與水混溶，隨著非極性烴基碳鏈的增長，分子相似性變差, 水溶性逐漸減小, 以致完全不溶于水。就溶于有機溶劑的情況而言,部分有機酸能夠通過索氏抽提進入氯仿瀝青“A”中，可將這部分有機酸稱為脂溶性有機酸。而一些則需要通過高溫條件下超長時間的抽提才會被部分抽提出來，部分學者將其稱為“干酪根有機酸”（史繼揚和向明菊, 2000; 孟仟祥等, 2005; 劉全有等, 2013），也可以稱其為難溶性有機酸。研究表明有機酸分子表面存在多種配位基，能夠與礦物表面形成多種配合物（吳宏海等, 2001），與金屬氧化物、粘土等礦物之間存在陽離子交換、配位體交換、疏水性作用、熵效應、氫鍵作用和陽離子鍵橋等多種鍵合模式（Shen, 1999; Keil and Mayer, 2014），并且結合位點因作用機制而出現差異，既可以進入粘土礦物層間與粘土礦物結合（如賴氨酸）（Kitadai et al., 2009; Du et al., 2019），也可以吸附在粘土礦物外表面（如硬脂酸）（Bu et al., 2017a, b），還可以賦存于礦物孔隙之間，使得不同性質有機酸在不同賦存態有機質中均存在。

為了建立有效的有機酸分離方案，需考慮不同性質有機酸與有機質賦存態的關系。對于水溶性有機酸，由于其溶于水的性質，可知其與礦物結合強度差，利用簡單的水洗即可從烴源巖中分離，因此主要存在于游離有機質中。此外，按照游離有機質和結合有機質的劃分方法，游離有機質為通過有機質溶劑抽提出的有機質，由于游離有機酸同樣溶于有機溶劑，因此在游離有機質還存在大量的脂溶性有機酸。而結合有機質為不能被有機溶劑抽提，只能利用酸解、堿解或氧化得到的有機質。在結合有機質中除了存在大量的難溶酸，水溶性和脂溶性有機酸由于粘土礦物層間保護等機制而不能被有機溶劑抽提，當經過酸解處理之后，這些有機酸從礦物層間釋放，仍會溶于水或有機溶劑，因此在結合有機質中存在水溶性、脂溶性和難溶性三種有機酸（圖1）。

圖1 不同性質有機酸與有機質賦存態的關系及分離檢測方法Fig. 1 The relationship between organic acids with different properties and organic matters with different occurrence, as well as the separation and detection methods

3 檢測方法現狀

目前已有的有機酸檢測，大致分為滴定法、液相色譜類、氣相色譜—質譜法和高分辨率質譜法（表1）。滴定法應用較早（Pittman and Lewan, 1994），該方法利用中和反應原理，配置堿性溶液滴定含有機酸溶液，用指示劑顯示反應終點，根據所用堿性溶液的含量，計算有機酸含量（羅文立等, 2013）。但該方法只能檢測有機酸的總量，不能對有機酸碳數分布及類型進行測定，也不能具體檢測出每種類型有機酸的含量，遠遠達不到目前研究所需要的檢測要求。

表1 不同檢測方法特點Table 1 Characteristics of different detection methods

液相色譜法、毛細管色譜法和離子色譜法是目前有機酸檢測常用的方法，液相色譜法多用于油田水及干酪根熱解液中低碳數酸的測定（程中第和應鳳祥, 1995; 朱抱荃等, 1996; 薛蓮等, 2011）；毛細管色譜法是在中空的毛細管內進行等速電泳，根據離子在電場中遷移速度的不同來達到分離的目的，柳常青等（1993）曾利用該方法檢測了油田水中的有機酸，但其最大缺點是對長碳鏈有機酸的檢測能力較弱。離子色譜法最早由Small 等（1975）開始利用，來對地層水中的羧酸陰離子進行檢測，該方法逐漸被許多研究者采用（Fisher, 1987; Fisher and Boles, 1990; 曾濺輝等, 2007），它具有分析速度快、精度高、分辨率高等諸多優點。但這三種方法共同的缺點是只能對存在于水溶液中的液態有機酸進行檢測，而烴源巖中的有機酸，尤其是很多大分子有機酸，是無法溶于水的，因此這些方法無法實現對烴源巖有機酸的全面檢測。

氣相色譜—質譜也是檢測有機酸的一種常見方法，這種方法前期要對樣品進行抽提，然后通過柱層析（Nishimura et al., 2006）或皂化萃取法（Willey et al., 1975）對其中的有機酸組分進行分離，并經甲酯化或硅烷化后進入氣相色譜—質譜儀進行檢測（盧龍飛等, 2011; Yamamoto et al., 2013; Hilts et al., 2014; Spangenberg et al., 2014; Tesi et al., 2014）。這種方法的缺點在于許多小分子的有機酸無法被氣相色譜—質譜檢測到，還有一些與干酪根大分子結合的有機酸也無法被抽提和檢測，導致許多有機酸組分的喪失。

蔣啟貴等（2014）利用傅立葉變換離子回旋共振質譜儀檢測模擬實驗生成油中的有機酸組分，采用ESI電離源和負離子模式，通過負離子電噴霧—高分辨質譜法分析檢測出了十類主要雜原子化合物類型，主要為含氮和含氧化合物，其中，通過O2類化合物DBE的計算，認為樣品中 DBE 值大于和等于1的基本屬于羧酸物質，很好地指示了不同演化階段脂肪酸、環烷酸和芳香酸的生成情況，該方法能夠檢測比較多類型的有機酸種類，但該方法目前還未能進行定量分析。

由此可見，現有研究方法分別針對不同類型的有機酸或有機酸的某些參數進行檢測，但尚無一種方法能夠對有機酸所有類型有機酸進行分析檢測，因此想要對烴源巖中有機酸進行全面系統的檢測，及必然需結合不同的分析方法。

4 不同性質有機酸分離和檢測方法

根據不同性質有機酸在不同賦存態有機質中的分布特征，以及各類分析測試方法的優勢所在，在此建立系統分離和檢測方法，最大限度地提取和分離烴源巖中不同性質有機酸，并進行全面的檢測。

對于游離有機質中的水溶性有機酸，由于其可溶于水，并且與礦物結合強度差（吳宏海等，2001），利用去離子水進行水洗即可從礦物中分離出來，并且由于脂溶性有機酸不溶于水，可使水洗分離出的有機酸中不含脂溶性有機酸。對于脂溶性有機酸的分離，利用水洗殘渣，在索氏抽提器中以二氯甲烷作為溶劑進行抽提，脂溶性有機酸會進入到抽提物中（Zargari et al., 2015; Qi et al., 2019），之后對抽提物進行濃縮，利用皂化萃取的方法將其中的有機酸轉化為有機酸鹽提取出來（Willey et al., 1975）。經過上述操作之后已經將游離有機質中的水溶性和脂溶性有機酸進行分離，并且此時抽提殘渣中只剩下結合有機質。

前人利用多種方法進行結合態有機酸的分離和檢測（表2），如利用高壓釜并在高溫條件下對殘渣進行皂化，促進結合態有機酸的釋放（劉全有等，2013），然后再通過酸化和甲酯化對其進行氣相色譜—質譜檢測（史繼揚和向明菊，2000）。除高溫高壓的方法外，還可通過許多化學方法對殘渣中的有機酸進行分離，如當樣品中碳酸鹽含量較高時，先用鹽酸對殘渣進行酸化，釋放被碳酸鹽結晶包裹的有機酸，然后可通過皂化萃取后利用氣相色譜—質譜法對其進行檢測（孟仟祥等，2005）；還可以通過堿解—酸解—氫氟酸解的相繼處理方式逐步處理殘渣，對每一步處理得到的樣品進行皂化萃取，然后利用氣相色譜—質譜儀進行定性和定量分析（盧龍飛等，2011）。如前所述，結合態有機質中具有不同性質有機酸，由于性質的差異，對這些有機酸的分離和檢測不能一概而論。由于結合態有機質與礦物的強結合作用（Keil et al., 1994; Zhu et al., 2016），首先需將有機質與礦物進行分離，之后再對分離出的有機質中不同性質有機酸進行分離（圖2）。對于礦物和有機質的分離，采用濃度為12%的鹽酸和濃度為40%的氫氟酸，體積1:1混合后制備成混合溶液處理抽提殘渣，對無機礦物進行酸解（宋一濤等，2005）。酸解處理之后水溶性有機酸存在于酸解液中，而脂溶性和難溶性有機酸則殘留在酸解殘渣中。將酸解液濃縮之后利用水洗得到水溶性有機酸，對酸解殘渣利用二氯甲烷進行索氏抽提，得到脂溶性有機酸，之后分別和游離有機質中分離出的水溶性和脂溶性有機酸混合得到水溶性和脂溶性有機酸總量，而難溶性有機酸殘留在殘渣之中。

表2 不同分離方法的分離結果Table 2 Separation results of different separation methods

圖2 不同性質有機酸分離和檢測路線圖Fig. 2 Workflow of separation and detection methods of organic acids with different properties

水溶性有機酸一般分子量較小，離子色譜對小分子有機酸的檢測效果較好，因此選取離子色譜對分離出的水溶性有機酸進行檢測。目前離子色譜對有機酸的檢測多用于環境科學、化學或食品科學（Qiu and Jin, 2002; Mato et al., 2005; 林華影等, 2007; 潘丙珍等, 2013），地質樣品中利用該方法檢測有機酸根，一般只限定少數結構簡單的有機酸類型，如甲酸、乙酸和丙酸等（曾濺輝等, 2007; 鐘穎等, 2010）。為盡可能多地檢測樣品中的水溶性有機酸，利用奎尼酸、乳酸、乙酸、丙酸、甲酸、丙酮酸、正庚酸、琥珀酸、酒石酸、馬來酸、α-酮戊二酸、富馬酸、檸檬酸、異檸檬酸、順烏頭酸、反烏頭酸16種水溶性有機酸制作標準溶液，獲取有機酸標準曲線和標準曲線方程，之后利用待測樣品的出峰時間和峰面積對水溶性有機酸進行定性和定量研究，該檢測方法大大增加了烴源巖中水溶性有機酸的檢測范圍。

對于脂溶性有機酸，選用氣相色譜—質譜進行檢測。但脂溶性有機酸不能直接進入氣相色譜儀中，采用皂化萃取的方法將脂溶性有機酸轉化為有機酸鹽，酸化后再通過甲酯化或硅醚化等衍生化使其滿足上機條件，并且加入一定量的芥酸內標為之后進行定量奠定基礎。利用待測樣品的出峰時間和分子量對脂溶性有機酸進行定性，利用內標質量、內標峰面積、待測樣品峰面積計算得到不同脂溶性有機酸的含量。

對難溶性有機酸采用紅外光譜進行檢測，紅外光譜一般用于確定分子結構、官能團等，用于定量比較少見，尤其是對烴源巖中的有機酸定量更為少見，因此利用有機酸標準樣品建立標準曲線十分必要。本方法選用硬脂酸與氧化鋁混合配置成不同酸濃度的標準樣品，分別進行紅外檢測并找出羧基特征峰并對峰面積進行計算。標樣中1720 cm-1左右為樣品的羧基中C=O的伸縮振動峰，羧酸根的對稱伸縮振動頻率和不對稱伸縮振動頻率分別為 1420～1390 cm-1和 1620～1540 cm-1(Nguyen et al., 1991; 葛云等, 2009; 翁詩甫, 2010)，不選～1600 cm-1和～1418 cm-1左右的-COO振動峰，是因為1600 cm-1振動峰可能會受到1635 cm-1左右的水峰干擾，1418 cm-1可能會受飽和C-H的變形振動影響（張燕興等, 2010）。利用峰面積和羧基含量建立標準曲線，通過標準曲線對樣品中的羧酸進行定量。在進行檢測時，常發現1720 cm-1的羧基振動峰與1644 cm-1的水振動峰發生重合，此時利用peakfit v4.12軟件對測試曲線進行分峰擬合即可得到羧基特征峰面積。

5 意義

通過對烴源巖有機酸的系統分離和檢測，建立了一套行之有效的檢測方法，并運用該方法對不同性質有機酸在組成、數量等方面的差異形成直觀認識，在此基礎上能夠總結烴源巖不同層段、不同深度的有機酸分布特征及其演化規律，為后續有機酸的深入研究奠定基礎；同時，我們也能對不同類型烴源巖中同一賦存形式有機酸的分布特征進行對比，探究烴源巖的類型差異、碳酸鹽含量、粘土礦物種類和含量等的差異對有機酸賦存形式的影響，這對于探索不同賦存形式有機酸的形成機理有著重要意義。

其次，前人的研究已經表明有機酸是一類重要的生烴母質，能夠通過脫羧作用生烴, 早在60年代Cooper就曾根據近代沉積物中正構烷烴具奇碳優勢而相似碳數的脂肪酸具偶碳優勢，提出沉積物中正構烷烴是由脂肪酸脫羧生成。有機質與礦物結合對有機質的保存至關重要（Keil et al., 1994; Bolan et al., 2011; Mahamat et al., 2017; Chen et al., 2018）。游離有機質主要通過范德華力和氫鍵等弱結合方式與粘土礦物結合(Lützow et al., 2006)，結合有機質主要是陽離子交換和陽離子橋等強結合方式結合粘土礦物（Parbhakar et al., 2007; Keil and Mayer, 2014; Bu et al., 2017a），又因為粘土礦物層間對有機質的保護作用 （Salmon et al., 2000; Cai et al., 2007; Li et al., 2016），因此熱穩定性有游離有機質＜化學吸附有機質＜層間有機質的趨勢（盧龍飛等, 2013）。由此可見，不同性質有機酸在不同賦有機質中分布的差異性可能造成不同性質有機酸具有不同的穩定性，導致生烴門限的差異性。因此系統分離和檢測有機酸可以對有機酸類型、豐度、總酸量等形成直觀認識，深化對有機質生烴理論的認識，在一定程度上為烴源巖的生烴量評價提供參考依據。

另外，有機酸還會參與復雜的有機—無機相互作用，Hamer等（2003）的研究表明水溶性小分子有機酸（如檸檬酸，醋酸和草酸）會造成酸敏性綠泥石中元素的差異溶解，證實有機酸作用是礦物轉化動力。同樣的，Ramos和Huertas（2013，2014）礦物溶解實驗也表明小分子有機酸（如乳酸和檸檬酸）可以促進礦物溶解，該過程通過有機酸在礦物表面形成配體或降低礦物表面離子活性實現。同時，對有機粘土復合體的研究表明，有機酸（如草酸、乙酸（Small, 1994）和賴氨酸（徐敏等, 2014））會促進蒙脫石四面體和八面體的溶解（Huang and Keller, 1971; Golubev et al., 2006; Pokrovsky et al., 2009），從而加速蒙伊化過程。Li等（2016）對烴源巖蒙脫石伊利石化的研究表明，有機酸賦存在蒙脫石層間時，低溫下對蒙伊化產生抑制作用，隨著反應的進行，有機酸從層間釋放從而改變蒙脫石伊利石化機制，該結論也被 Du等（2019）模擬實驗結果證實。上述研究成果均出自水溶性有機酸與礦物相互作用的研究，而對脂溶性有機酸（如硬脂酸）而言，由于其與粘土礦物結合作用較弱，與粘土礦物相互作用強度與水溶性有機酸出現差異（Bu et al., 2017a, b）。由此可見，有機酸性質的差異會導致有機—無機作用的差異，因此有機酸的系統性檢測有助于了解烴源巖中不同性質有機酸與礦物演化的關系，探討有機酸與礦物之間的相互作用機理，這對深入認識有機—無機相互作用具有重要意義。