低热成熟度下沉积有机质分子组成与光学性质的纳米尺度关联：氧含量的关键作用

针对沉积有机质(SOM)分子表征的挑战，研究人员采用光学光热红外光谱(OPTIR)技术，在纳米尺度解析了Sunniland灰岩样品中不同显微组分(maceral)的官能团分布。研究发现氧含量(以羰基为指标)与荧光、阴极发光(CL)和反射率(%RoR)显著相关，揭示了低热成熟度阶段氧含量对SOM光学性质的决定性作用，为石油生成和古环境过程研究提供了新视角。

　　

在石油地质学和古环境重建领域，沉积有机质(SOM)的分子组成与光学性质的关系一直是研究的核心问题。传统技术如傅里叶变换红外光谱(FTIR)受限于微米级空间分辨率，难以区分相邻显微组分(maceral)的分子差异，而样品前处理过程中的混合效应更导致信息丢失。尤其对于低热成熟度样品，氧含量对光学性质的影响长期被忽视，这限制了荧光、阴极发光(CL)和反射率(%R_oR)等常规手段的数据解读。

美国地质调查局等机构的研究人员选择佛罗里达盆地早白垩世Sunniland灰岩为研究对象，该样品富含无定形有机质(AOM)、镜质体(vitrinite)、藻类体(telalginite)等多种显微组分，且处于未成熟阶段(%R_o≈0.36)。研究团队创新性地采用多模态显微技术联用方案：通过光学光热红外光谱(OPTIR)在500纳米分辨率下绘制羰基(C=O)、芳香碳(C=C)和亚甲基(CH₂)的官能团分布图，同步结合荧光显微镜、扫描电镜(SEM)和阴极发光(CL)成像，首次在纳米尺度建立了分子组成与光学参数的定量关系。

材料与方法
样品取自佛罗里达地质调查局岩心库，经ASTM D2797标准制备抛光片。反射率和荧光数据通过Leica DM 4000显微镜采集，CL成像使用Hitachi SU-5000电镜搭配Delmic SPARC探测器。关键创新技术OPTIR采用量子级联激光器(QCL)在1716 cm^-1(C=O)、1600 cm^-1(C=C)和1458 cm^-1(CH₂/CO₃)三个特征波段进行面扫描，空间分辨率达500 nm。数据分析通过IgorPro 9提取各显微组分的区域强度值。

结果与讨论
显微组分氧含量呈现显著差异：藻类体(telalginite)的羰基信号(均值973-1310 mV)远超固体沥青(solid bitumen, 576-742 mV)和惰质体(inertinite, 312-360 mV)。伪范克雷维伦图显示，氧碳比(O/C)比氢碳比(H/C)更能区分显微组分类型。

光学性质关联
羰基含量与荧光强度(R²=0.85)和CL响应(R²=0.77)呈强线性相关，与反射率呈幂律关系。相比之下，C=C和CH₂含量与光学参数无显著关联，颠覆了传统认为芳香缩合度主导光学性质的观点。

技术优势
OPTIR突破了阿贝衍射极限，首次实现相邻显微组分的原位分子表征。例如在100 μm范围内，成功区分了反射率相近(%R_oR≈0.27)但羰基含量差异达3倍的固体沥青与AOM。

结论与意义
该研究揭示了低热成熟度阶段氧含量对SOM光学性质的关键调控作用：

1. 藻类体因富含羰基呈现强荧光/CL，而惰质体因低氧含量表现为高反射率；
2. 传统反射率模型需纳入氧含量参数以提高低成熟样品的解释精度；
3. 多模态显微技术为页岩油气"甜点区"预测和古生产力重建提供了纳米尺度新工具。

论文发表于《Organic Geochemistry》，为理解有机质演化初期化学-光学响应机制建立了新范式，未来可扩展至不同沉积环境和成熟度序列的研究。