潘松圻，鄒才能，李勇, 荊振華,3，劉恩濤，袁銘，張國(guó)生，楊智，吳松濤，邱振，劉翰林,3

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；3.北京大學(xué)，北京 100871；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074）

0 引言

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。自18世紀(jì)60年代工業(yè)革命起，化石能源一直是人類能源利用的主體。20世紀(jì)以來(lái)，隨著風(fēng)、光、水、核能發(fā)電等技術(shù)突破，新能源（廣義概念，即指非化石能源）迅速崛起，在一次能源結(jié)構(gòu)中占比持續(xù)增加。2000年以來(lái)，世界能源消費(fèi)年均增長(zhǎng)2.1%，煤炭、原油、天然氣年均增長(zhǎng)率分別為2.5%、1.2%、2.6%，核能負(fù)增長(zhǎng)0.18%，而新能源增速13.4%，遠(yuǎn)超其他能源。世界一次能源消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)，但增速放緩，總體呈現(xiàn)“五化”趨勢(shì)：①能源品種多元化發(fā)展，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源廣泛發(fā)展，近10年來(lái)年均增長(zhǎng)分別達(dá)21%、50%；②傳統(tǒng)能源清潔化利用，煤制油氣、煤炭地下氣化、煤電超低排放，油品質(zhì)量持續(xù)提升；③低碳能源規(guī)?；鲩L(zhǎng)，天然氣、新能源等清潔能源占比由1965年的21%上升至2019年的40%；④終端用能電氣化趨勢(shì)，電氣化率由2000年的15%上升至2019年的20%，預(yù)計(jì)2040年將達(dá)36%；⑤能源系統(tǒng)智能化管理，構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、多網(wǎng)融合、雙向響應(yīng)與協(xié)同配置。從未來(lái)能源發(fā)展趨勢(shì)看，能源利用呈現(xiàn)從高碳向低碳、無(wú)碳轉(zhuǎn)變，新能源漸入發(fā)展黃金期。

當(dāng)今世界正處在化石能源與新能源同時(shí)并舉發(fā)展時(shí)期，尋找更多化石能源、開發(fā)利用更多新能源是能源研究者的使命。中國(guó)能源資源稟賦呈現(xiàn)“新能源無(wú)限、富煤但油氣不足”的特點(diǎn)，決定我國(guó)能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)從目前以煤炭為主的“一大三小”，向未來(lái)以新能源為主的“三小一大”轉(zhuǎn)化，依靠新能源實(shí)現(xiàn)“能源獨(dú)立自主”和碳中和。煤、石油、天然氣等化石能源是生物與地球環(huán)境相互作用、協(xié)同演化的產(chǎn)物，反映生物初級(jí)生產(chǎn)力到沉積有機(jī)質(zhì)、再到埋藏有機(jī)質(zhì) 3個(gè)階段的地球生物學(xué)過(guò)程[1]。地質(zhì)歷史時(shí)期，受超大陸裂解、大氣氧含量升高、全球性冰期、火山活動(dòng)、海平面升降、海洋缺氧等眾多地質(zhì)事件控制，生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了以 1次生命大爆發(fā)和 5次生物大滅絕為代表的演化歷史。寒武紀(jì)生命大爆發(fā)豐富了生物物種多樣性，大滅絕使生物圈原先的生態(tài)平衡被基本或徹底打破[2]，帶來(lái)后續(xù)物種的起源乃至繁盛，為化石能源形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，超過(guò)90%的油氣資源形成于僅占地球演化史10%的顯生宙。因此，從地球演化過(guò)程中的生物事件出發(fā)，梳理生物起源、繁盛與滅絕同富有機(jī)質(zhì)層系的時(shí)空配置關(guān)系，為化石能源研究提供基于生物-地球協(xié)同演化的正演視角。在此背景下，基于“地球、能源、人類”三者相互影響及協(xié)同演化，提出一門研究化石能源和新能源資源與技術(shù)、能源發(fā)展戰(zhàn)略的交叉學(xué)科十分必要，為碳中和、宜居地球背景下能源高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 生物事件對(duì)富有機(jī)質(zhì)層系形成控制與影響

地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與火山活動(dòng)、海平面升降、氣候突變、大氣氧化、水體缺氧、生物滅絕等事件多因素耦合，控制生物起源、繁盛與滅絕，直接或間接影響富有機(jī)質(zhì)層系形成與分布（見表1）。其中，氧化事件、冰期—間冰期旋回、火山事件等與富有機(jī)質(zhì)層系沉積緊密關(guān)聯(lián)。

1.1 生物繁盛形成有機(jī)碳源積累

生物起源與地球系統(tǒng)氧含量緊密相關(guān)，光合作用生物的繁盛程度受控于大氧化事件，進(jìn)而影響有機(jī)質(zhì)富集。生物進(jìn)化與氧含量密切相關(guān)，古元古代和新元古代兩次大氧化事件對(duì)應(yīng)原核生物向真核生物、單細(xì)胞生物向多細(xì)胞生物的演化[3-4]。氧是真核生物生存的基礎(chǔ)，氧含量提高是寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的先決條件。在古元古代早期（距今2.35～2.45 Ga前）發(fā)生第1次“大氧化事件”，大氣氧含量由小于現(xiàn)今大氣含氧量的0.1%增長(zhǎng)到1%～15%[5]，之后（距今約18.0～0.8 Ga前）地球氧含量相對(duì)穩(wěn)定[6-7]。第2次“大氧化事件”發(fā)生在新元古代中晚期（距今0.54～0.85 Ga），在距今約0.52 Ga時(shí)，大氣氧含量大幅提升至顯生宙水平，伴隨此次成氧事件，早期后生動(dòng)物開始出現(xiàn)，演化成寒武紀(jì)“生命大爆發(fā)”[8]。大氣氧含量與生烴母質(zhì)類型相關(guān)，地球厭氧光合作用細(xì)菌僅發(fā)育在小于現(xiàn)今大氣含氧量的0.1%條件下；藍(lán)細(xì)菌在現(xiàn)今大氣含氧量的0.1%～10.0%時(shí)達(dá)到繁盛；伴隨氧含量進(jìn)一步提升至現(xiàn)今大氣含氧量的10%～100%，藻類多樣性增強(qiáng)，真核藻類開始繁盛；陸生植物在氧含量進(jìn)一步升高到現(xiàn)今大氣含氧量的100%～150%時(shí)開始大規(guī)模繁盛[6,9]。大氣增氧導(dǎo)致不同類型生物變化，進(jìn)而影響富有機(jī)質(zhì)層系沉積。

海洋生物繁盛受冰期后陸源碎屑輸入增強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)活躍、氣候溫暖適宜等因素影響，利于有機(jī)碳源積累。冰期陸上巖石遭受冰川形成、運(yùn)移時(shí)的破壞作用，冰期后海洋陸源輸入通量增加；進(jìn)入間冰期，冰川消融退卻，釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，隨著冰川融水沖刷進(jìn)入海洋，為藻類繁盛提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[25]。間冰期深海大規(guī)模沉積的蒸發(fā)巖和磷塊巖等，反映上升洋流或陸源輸入大量氧化劑參與有機(jī)質(zhì)再循環(huán)，這一過(guò)程中有機(jī)磷重新釋放可導(dǎo)致海洋中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)加強(qiáng)，造成生物繁盛[25]。冰期后溫暖濕潤(rùn)氣候使風(fēng)化作用加強(qiáng)，伴隨大量陸源碎屑物質(zhì)和淡水注入海洋，淺海地區(qū)可能在較短時(shí)間內(nèi)形成溫暖、低鹽、高CO2、富營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境，有利于低等浮游藻類大量繁盛[26]。中國(guó)上揚(yáng)子地區(qū)在冰期后發(fā)育大套富有機(jī)質(zhì)層系，包括寒武系牛蹄塘組、筇竹寺組等，記錄了間冰期生物繁盛和有機(jī)質(zhì)富集。

生物繁盛得益于火山活動(dòng)提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，火山活動(dòng)對(duì)生產(chǎn)力的提高主要體現(xiàn)在：①火山灰富含F(xiàn)e、P、N、Si、Mn等營(yíng)養(yǎng)元素，可促進(jìn)藻類等生物繁盛，提高初級(jí)生產(chǎn)力[27-28]；②火山灰易與 SO2、HCl、HF等氣體發(fā)生反應(yīng)形成硫化物、鹵化物等鹽膜，在水體中快速溶解，顯著提高海水營(yíng)養(yǎng)程度[29]；③火山灰在海洋表面阻擋陽(yáng)光進(jìn)入，造成透光帶生物死亡，增強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)的埋藏保存[30]；④火山灰在海水中可以形成蒙脫石、綠泥石等黏土礦物，黏土礦物與有機(jī)質(zhì)結(jié)合，有利于有機(jī)質(zhì)的吸附沉積和富集[31]。2003年，Anatahan火山噴發(fā)顯著提高了太平洋表層生產(chǎn)力，約有 4 800 km2的藻類發(fā)育[32]；2008年Kasatochi火山引發(fā)了太平洋東北約（1.5～2.0）×106km2浮游生物繁盛[33]。中國(guó)松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組和嫩江組、鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組、三塘湖盆地二疊系蘆草溝組等頁(yè)巖中均發(fā)現(xiàn)不同程度的火山灰沉積，其中鄂爾多斯盆地南部三疊系延長(zhǎng)組 7段發(fā)育多套凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)夾層，被視作長(zhǎng)7段優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的重要條件。

1.2 生物滅絕關(guān)聯(lián)有機(jī)質(zhì)層系沉積

生物滅絕通常伴隨大量有機(jī)碳沉積，氧化還原條件變化、火山活動(dòng)等因素共同控制有機(jī)質(zhì)富集，其影響因素主要包括水體底部氧化還原條件和水體表層生產(chǎn)力兩個(gè)方面，其中較高的初級(jí)生產(chǎn)力是有機(jī)質(zhì)大量形成的前提，底層缺氧水體是有機(jī)質(zhì)保存的基礎(chǔ)[34]。與滅絕事件伴生的火山活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面升降等因素會(huì)顯著影響初級(jí)生產(chǎn)力和氧化還原條件的變化。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖沉積與奧陶紀(jì)末生物大滅絕密切相關(guān)[35]，奧陶紀(jì)末生物大滅絕伴隨全球氣候逐漸變暖和海平面快速上升，海洋陸棚底部發(fā)育硫化缺氧水體，為有機(jī)質(zhì)保存提供條件；同時(shí)藻類等浮游生物因捕食者減少而大量繁殖，使海洋表層初級(jí)生產(chǎn)力大幅提高，具有很高的 Ba、P、Zn等營(yíng)養(yǎng)元素含量，因此產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)，為富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)[34]。與此同時(shí)，大滅絕期間發(fā)生多期火山噴發(fā)活動(dòng)，不僅為海洋提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)阻止光照加劇了海底缺氧環(huán)境，對(duì)有機(jī)質(zhì)沉積具有促進(jìn)作用[35]。

2 重大生物事件與富有機(jī)質(zhì)層系

地球演化歷史中發(fā)生若干重大生物事件，包括 1次生命大爆發(fā)和 5次生物大滅絕，對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)影響深遠(yuǎn)[2,36]（見表2）。在此過(guò)程中，生物的起源、繁盛與滅絕受多種因素控制，與地質(zhì)歷史時(shí)期有機(jī)碳源含量波動(dòng)緊密關(guān)聯(lián)，影響有機(jī)質(zhì)生成與保存，進(jìn)而控制富有機(jī)質(zhì)層系形成（見圖1）。通過(guò)分析6次重大生物事件及其關(guān)聯(lián)的環(huán)境背景和生態(tài)系統(tǒng)變化，揭示生物與地球環(huán)境的相互作用與協(xié)同演化，尋找發(fā)現(xiàn)地球系統(tǒng)演化背景下富有機(jī)質(zhì)層系分布規(guī)律。

圖1 顯生宙以來(lái)全球古生態(tài)變化、重大生物與地質(zhì)事件及油氣資源分布（據(jù)文獻(xiàn)[2]、[48-57]修改；括號(hào)中為距今時(shí)間）

2.1 寒武紀(jì)生命大爆發(fā)與富有機(jī)質(zhì)層系

寒武紀(jì)生命大爆發(fā)引發(fā)一系列生態(tài)連環(huán)效應(yīng)，開始形成了以后生動(dòng)物為主導(dǎo)的海洋生態(tài)系統(tǒng)。寒武紀(jì)生命大爆發(fā)是后生動(dòng)物門類在較短的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)（距今約514～541 Ma前）首次爆發(fā)式繁盛，至少發(fā)育20個(gè)現(xiàn)生動(dòng)物門類和 6個(gè)滅絕動(dòng)物門類，形成各具特色的生物群，如澄江、清江、梅樹村、牛蹄塘等生物群。多種環(huán)境因素共同激發(fā)了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，但各因素相互作用機(jī)理仍有待進(jìn)一步揭示[37]。寒武紀(jì)時(shí)期，海底熱液活動(dòng)及上升洋流帶來(lái)生物所需的微量元素使生物大量繁殖，顯著提高了初級(jí)生產(chǎn)力，為有機(jī)質(zhì)富集提供物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，底部缺氧水體為有機(jī)質(zhì)保存提供良好條件，形成高有機(jī)碳豐度的頁(yè)巖層系。中國(guó)揚(yáng)子地臺(tái)下寒武統(tǒng)筇竹寺組、牛蹄塘組發(fā)育50～600 m厚黑色頁(yè)巖，分布面積超90×104km2，TOC值為0.5%～9.0%，Ro值為1%～5%，處于過(guò)成熟階段，是中國(guó)南方重要的頁(yè)巖氣勘探層系[38]。寒武系富有機(jī)質(zhì)層系具有全球分布特征，在世界多個(gè)地區(qū)廣泛分布，如歐洲Alum頁(yè)巖、澳洲Arthur頁(yè)巖、俄羅斯Olenyok油頁(yè)巖等。

2.2 奧陶紀(jì)末生物大滅絕與富有機(jī)質(zhì)層系

奧陶紀(jì)、志留紀(jì)之交生物大滅絕與氣候突變、冰川發(fā)育、海平面升降等因素緊密相關(guān)，造成了約 61%的生物屬、86%的生物種滅絕。此次滅絕事件由2幕構(gòu)成，第1幕發(fā)生于凱迪末期到赫南特早期，第2幕發(fā)生在赫南特晚期[2,58]。其中第1幕與赫南特冰期起始時(shí)間一致[2]，地球氣候急劇變冷，海平面快速下降，海洋富氧，深處洋流活躍[59]。大滅絕第2幕起始于赫南特晚期之初，全球氣候快速回暖，岡瓦納冰蓋消融，海平面迅速上升，淺水海底嚴(yán)重缺氧，洋流循環(huán)幾乎停滯，導(dǎo)致冷水生物發(fā)生大規(guī)模滅絕[60]。古溫度變化造成溫室-冰室-溫室效應(yīng)頻繁轉(zhuǎn)換是此次生物大滅絕的主要原因[36]。奧陶紀(jì)、志留紀(jì)之交大量筆石繁盛，形成全球廣泛分布的黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，這是中國(guó)南方地區(qū)重要的頁(yè)巖氣勘探層系。全球范圍內(nèi)，奧陶紀(jì)、志留紀(jì)之交黑色頁(yè)巖分布廣泛，如歐洲 Llandovery頁(yè)巖、澳洲Godwyer頁(yè)巖、非洲Tannezuft頁(yè)巖等。中國(guó)南方五峰組—龍馬溪組厚層黑色頁(yè)巖頁(yè)巖氣資源豐富，這套頁(yè)巖層系厚度超300 m，頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)段”位于龍馬溪組底部，厚度10～60 m，TOC值0.4%～9.6%，屬于Ⅰ型干酪根，Ro值 2.3%～3.8%，處于過(guò)成熟干氣階段，形成威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧—昭通、涪陵等諸多頁(yè)巖氣產(chǎn)氣區(qū)。2019年，頁(yè)巖氣年產(chǎn)量達(dá)154×108m3[34]，中國(guó)南方地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖已經(jīng)成為全球第2大頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)。

2.3 晚泥盆世生物大滅絕與富有機(jī)質(zhì)層系

晚泥盆世弗拉期-法門期（F-F期）之交的生物滅絕導(dǎo)致至少 75%物種消亡，生物群落結(jié)構(gòu)明顯更替，深刻改變地球生命演化進(jìn)程。晚泥盆世俄羅斯地臺(tái)和西伯利亞板塊上大規(guī)?；鹕阶饔每赡苁窃斐蓺夂颦h(huán)境劇變的誘導(dǎo)因素，導(dǎo)致 F-F期全球氣候快速變冷、淺海區(qū)域缺氧、頻繁的海平面升降等，觸發(fā) F-F期生物大滅絕[42]。該時(shí)期海水明顯分層，缺氧水體擴(kuò)散至淺水區(qū)域，引發(fā)陸架缺氧，有機(jī)碳埋藏增多，導(dǎo)致了大氣 CO2分壓下降，引起全球氣候快速變冷。諸多證據(jù)顯示 F-F期出現(xiàn)全球性缺氧現(xiàn)象，包括草莓狀黃鐵礦富集[61-62]、氧化還原敏感元素豐度異常（U、Mo、V、Ce等）[63]、U同位素（238U/235U值）負(fù)偏移[64]、兩次顯著的碳同位素組成正偏移以及硫同位素組成異常[60]等。F-F期生物繁盛與滅絕為有機(jī)質(zhì)沉積提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。海平面上升、缺氧事件等環(huán)境條件有利于沉積有機(jī)質(zhì)埋藏與保存。泥盆紀(jì)晚期，在全球范圍內(nèi)發(fā)育大量富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，如北美地區(qū)的Bakken、Marcellus和Woodford頁(yè)巖、非洲Frasnian頁(yè)巖、歐洲Rudov Bed頁(yè)巖等，使晚泥盆世—早石炭世成為全球 6大烴類聚集期之一[65]。美國(guó)威利斯頓盆地海相Bakken頁(yè)巖是北美最早實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油氣工業(yè)化生產(chǎn)地區(qū)之一，埋深2 590～3 200 m，TOC值11%～20%，有機(jī)質(zhì)以Ⅱ型干酪根為主，Ro值0.7%～1.0%，含油飽和度平均值68%，含油面積達(dá)7×104km2。在志留紀(jì)末期到早、中泥盆世，草本類裸蕨植物群擴(kuò)展到陸地，形成了煤線或薄煤層。到晚泥盆世，裸蕨植物基本消失，以石松、楔葉、種子蕨等為主的新類型迅速繁殖，出現(xiàn)了更多的木本植物，形成了薄層或者透鏡狀分布腐殖煤系地層[66]。

2.4 二疊紀(jì)末生物大滅絕與富有機(jī)質(zhì)層系

二疊紀(jì)、三疊紀(jì)之交發(fā)生顯生宙以來(lái)最大的一次生物滅絕事件，大約 90%海洋生物和 70%陸生生物消失，顯著改變了地表生態(tài)系統(tǒng)。此次大滅絕發(fā)生于古生代—中生代的重要地質(zhì)轉(zhuǎn)折時(shí)期，地球發(fā)生了超大陸聚合、超級(jí)火山爆發(fā)、海平面升降、大洋缺氧和氣溫波動(dòng)等環(huán)境巨變事件[67]。觸發(fā)大滅絕的原因包括小行星撞擊、火山噴發(fā)、海平面下降、海洋缺氧、高溫事件、酸化事件等[36]，其中西伯利亞火成巖伴隨大量CO2釋放、陸地生態(tài)野火頻發(fā)、海洋循環(huán)停滯、海洋酸化和缺氧、溫度大幅升高與大滅絕具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[2,68]。從石炭紀(jì)、二疊紀(jì)到三疊紀(jì)，地球經(jīng)歷了冰室到溫室氣候轉(zhuǎn)變，發(fā)生了海洋和陸表植物的更替及遷移[69]。二疊系成為全球重要的富有機(jī)質(zhì)層系之一。截至2018年底，美國(guó)二疊盆地探明原油和天然氣技術(shù)可采儲(chǔ)量分別為119×108t和8.5×1012m3[24]。該時(shí)期中國(guó)華南和華北處于古特提斯島洋體系，形成了一套完整二疊系沉積地層。四川盆地上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度達(dá)40 m以上，熱演化程度適中，具有良好的含氣性和勘探開發(fā)潛力。華北地區(qū)鄂爾多斯盆地東緣二疊系發(fā)育富有機(jī)質(zhì)的煤系和過(guò)渡相頁(yè)巖層系，山西組下段試氣產(chǎn)量穩(wěn)定，展現(xiàn)出良好的勘探開發(fā)潛力。石炭紀(jì)—二疊紀(jì)是全球范圍內(nèi)第1次大的聚煤期，以石松類占優(yōu)勢(shì)的沼澤森林是主要的成煤環(huán)境。

2.5 三疊紀(jì)末生物大滅絕與富有機(jī)質(zhì)層系

三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)之交生物大滅絕使海洋生態(tài)系統(tǒng)中約52%的屬和 76%的種滅絕，反映了溫室氣候背景下生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)。晚三疊世發(fā)生了一系列全球性重大構(gòu)造和氣候變化，包括泛大陸裂解、古特提斯洋關(guān)閉、中大西洋火山噴發(fā)和卡尼期濕潤(rùn)事件等[70-71]。晚三疊世大氣中 CO2含量達(dá)到中生代最高水平[45]，而O2含量處于最低水平[72]。該時(shí)期古環(huán)境復(fù)雜多變、海平面急劇變化、古構(gòu)造活動(dòng)頻繁[73]。頻繁的火山活動(dòng)導(dǎo)致CO2、CH4濃度上升，強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)使極端氣候頻現(xiàn)，破壞陸地生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致水循環(huán)和地表風(fēng)化增強(qiáng)，陸源輸入劇增，最終導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)崩潰[74]。此次滅絕前后，極端氣候頻發(fā)，總體受缺氧事件影響，為廣泛分布的富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖沉積提供了環(huán)境條件。晚三疊世發(fā)生了以卡尼期為代表的溫室氣候影響，富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖廣泛沉積于古特提斯洋陸架地區(qū)，如加拿大Montney頁(yè)巖、歐洲的Emm頁(yè)巖、澳洲的Kockatea頁(yè)巖等。

2.6 白堊紀(jì)末生物大滅絕與富有機(jī)質(zhì)層系

天體撞擊和火山噴發(fā)等因素誘發(fā)白堊紀(jì)末生物大滅絕，海洋生物約 16%科和47%屬消亡。天體撞擊地球[75]和大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)[76]導(dǎo)致大氣 CO2含量增加、酸雨頻發(fā)、火山煙塵彌漫，生態(tài)環(huán)境顯著惡化，生物光合作用受阻，海洋無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物的多樣性均大幅下降[77-78]。此次大滅絕事件以富銥黏土為標(biāo)志層，黏土中可見沖擊石英、玻隕石、富鎳尖晶石等，碳同位素值明顯負(fù)偏移[54]。白堊紀(jì)—古近紀(jì)地球氣候和環(huán)境顯著變化，生物更替速度加快，生物滅絕對(duì)應(yīng)黑色頁(yè)巖等富有機(jī)質(zhì)層系發(fā)育。白堊紀(jì)中期缺氧環(huán)境下形成的富有機(jī)質(zhì)層系成為全球主要大油田的烴源巖[79]。如中國(guó)松遼盆地白堊系泉頭組—青山口組、美國(guó)Eagle Ford頁(yè)巖、Niobrara頁(yè)巖等。白堊紀(jì)末大滅絕后，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)，新生屬種在古近紀(jì)繁盛。中國(guó)渤海灣盆地早古近紀(jì)孔店組三段—二段沉積期生物種屬快速增加，在多個(gè)坳陷發(fā)育黑色頁(yè)巖沉積。其中黃驊坳陷滄東凹陷孔二段平均TOC值達(dá)3.26%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，Ro值多為 0.50%～0.92%，烴源巖最大厚度 400 m。此次生物滅絕之前的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)是全球第2大成煤期，在中國(guó)新疆、陜北、內(nèi)蒙、東北等地區(qū)形成了厚煤層[70]。

3 地球系統(tǒng)與能源形成

富有機(jī)質(zhì)層系形成是生物事件、氣候事件、地質(zhì)事件等多因素綜合作用的結(jié)果，是地質(zhì)歷史時(shí)期大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈和天文旋回[80]等組成的復(fù)雜系統(tǒng)共同作用的產(chǎn)物。地球系統(tǒng)科學(xué)的誕生與發(fā)展[81-82]為研究富有機(jī)質(zhì)層系形成規(guī)律、探究人類活動(dòng)與能源發(fā)展的關(guān)系奠定了科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

距今約4.6 Ga前地球形成以來(lái)，太陽(yáng)成為驅(qū)動(dòng)地球系統(tǒng)演化的根本動(dòng)力[82]。距今約4.4 Ga前古海洋形成，原始大氣中的CH4、氨、CO2、水汽等物質(zhì)為孕育生命提供了基本條件。距今約3.5～3.8 Ga前原核生物出現(xiàn)，生命正式登上地球舞臺(tái)，為后續(xù)化石能源形成提供基礎(chǔ)。距今約6 Ma前原始人類誕生，開啟了能源利用時(shí)代。隨著人類社會(huì)進(jìn)步，薪柴、煤炭、油氣依次迭代成為最主要能源類型，目前已進(jìn)入由化石能源向新能源轉(zhuǎn)換的新階段[83]（見圖2）。

圖2 地球及能源演化模式圖

當(dāng)今，人類正在以前所未有的力度適應(yīng)和改造地球環(huán)境，其影響力超過(guò)任何地質(zhì)歷史時(shí)期。科學(xué)家劃定地質(zhì)歷史年代正處于人類世時(shí)期[84]，強(qiáng)調(diào)了人類活動(dòng)在地質(zhì)和環(huán)境中的核心作用。人類社會(huì)進(jìn)入第6次科技革命、第4次工業(yè)革命新時(shí)代?？茖W(xué)技術(shù)賦予人類利用自然界、改造自然界的更大能力，越來(lái)越對(duì)能源的發(fā)展方向起主導(dǎo)作用。能源利用從高碳能源向低碳、無(wú)碳趨勢(shì)發(fā)展，正在從資源型的“開發(fā)能源”時(shí)代向技術(shù)型的“創(chuàng)造能源”時(shí)代轉(zhuǎn)變。未來(lái)，有望走向以人工可控核聚變?yōu)榇淼摹叭嗽炷茉础?。在人類世時(shí)代，形成一個(gè)研究地球過(guò)去與現(xiàn)在、能源形成與演化、人類行為與能力的系統(tǒng)性學(xué)科十分必要。

4 化石能源研究與能源學(xué)發(fā)展

4.1 發(fā)展歷程

地球科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了從學(xué)科細(xì)分再到學(xué)科相互結(jié)合的過(guò)程，形成地球系統(tǒng)科學(xué)[82]。能源研究也遵循這一規(guī)律。目前，各類能源研究通常從資源利用角度出發(fā)，學(xué)科劃分越分越細(xì)，如煤田地質(zhì)學(xué)、石油與天然氣地質(zhì)學(xué)、非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)、新能源等。這些學(xué)科為揭示能源本質(zhì)、探討演化規(guī)律、指引發(fā)展方向奠定了理論基礎(chǔ)。但是，這些學(xué)科通常以單一能源類型的形成、演化、分布、聚集、利用等科學(xué)問(wèn)題為研究思路，尚未在地球系統(tǒng)框架下以地球演化的視角，綜合考慮不同時(shí)空尺度上地球、能源、人類的相互影響與協(xié)同演化。

人類誕生開啟了能源利用時(shí)代，自然資源客觀存在，人類活動(dòng)必須要開發(fā)利用能源。工業(yè)化以來(lái)，化石能源一直是主體資源，為人類社會(huì)發(fā)展提供了持續(xù)動(dòng)力。但是，資源枯竭、環(huán)境污染、全球變暖、能源公平等問(wèn)題，對(duì)能源發(fā)展提出了全新挑戰(zhàn)，制約了人類與地球環(huán)境和諧生存發(fā)展。能源是“宜居地球”建設(shè)的重要組成，需要基于人類社會(huì)發(fā)展，從過(guò)去考量能源的經(jīng)濟(jì)性、轉(zhuǎn)變?yōu)榭剂磕茉磳?duì)地球宜居性的影響，必須要突破傳統(tǒng)化石能源范疇，向清潔高效的新能源擴(kuò)展。因此，需要從地球系統(tǒng)演化角度出發(fā)，探究能源與地球、能源與環(huán)境、能源與人類的多元關(guān)系，開展能源學(xué)綜合研究。

4.2 能源學(xué)概念及內(nèi)涵

能源兼具兩種利用屬性，一種是通過(guò)轉(zhuǎn)化自然形成的或人工開發(fā)的載能物質(zhì)獲取能量，另一種是利用自然資源作為化工或工業(yè)生產(chǎn)原料獲取物質(zhì)產(chǎn)品。因此，從獲取能量的角度看，能源是指由地球系統(tǒng)演化形成或來(lái)自地球外，可被人類加工利用獲取能量的所有自然物質(zhì)的總和。

按地球空間可分為地下、地表和地外能源，包括：①地下淺層生物成因的煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源和無(wú)機(jī)成因鈾、釷等核能原料，以及地下深層流體作用形成的地?zé)崮?、無(wú)機(jī)氣等能源；②地表系統(tǒng)中地質(zhì)營(yíng)力成因的風(fēng)能、潮汐能、水能等；③地外天體系統(tǒng)中的太陽(yáng)能等。

按物質(zhì)組成屬性可分為碳系能源、氫系能源和其他能源。碳系能源指由碳基物質(zhì)形成或衍生出的、能被轉(zhuǎn)化成能量并釋放CO2的自然資源，通常包括煤、石油、天然氣、生物質(zhì)能等。氫系能源指由含氫元素物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能量（如水能、潮汐能等）或由氫核物理反應(yīng)直接釋放的能量（太陽(yáng)能、核聚變能等）或間接驅(qū)動(dòng)的能量（風(fēng)能、地?zé)崮艿龋?。其他能源指由既不含碳、也不含氫的物質(zhì)（如鈾、釷等）經(jīng)核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量。

能源學(xué)的概念是指立足地球系統(tǒng)演化，在時(shí)間和空間尺度研究各類能源形成分布、評(píng)價(jià)選區(qū)、開發(fā)利用、有序替代、發(fā)展前景等內(nèi)容的學(xué)科，核心是研究地球、能源、人類三者相互影響與協(xié)同演化。能源學(xué)的內(nèi)涵包括 3個(gè)核心內(nèi)容：①地球系統(tǒng)背景下能源的形成、能源消耗對(duì)地球氣候環(huán)境的反饋，體現(xiàn)地球與能源之間的相互關(guān)系；②地球環(huán)境孕育人類演進(jìn)、人類行為改造地球環(huán)境，體現(xiàn)地球與人類之間的相互關(guān)系；③人類利用技術(shù)開發(fā)能源、能源驅(qū)動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步，體現(xiàn)人類與能源之間的相互關(guān)系。能源學(xué)的研究目的是從資源角度出發(fā)，揭示地球系統(tǒng)中化石能源與非化石新能源共生分布關(guān)系、碳系能源與氫系能源有序接替轉(zhuǎn)型、能源體系與宜居地球綠色和諧發(fā)展的規(guī)律。

能源學(xué)的研究對(duì)象不完全局限于賦存于地層中的化石能源，是向地表系統(tǒng)能源延伸（如水能、風(fēng)能、潮汐能等），從碳系能源向氫系能源擴(kuò)展。研究不完全局限于揭示地質(zhì)歷史時(shí)期與化石能源形成分布有關(guān)的生物演化、有機(jī)質(zhì)沉積、物質(zhì)循環(huán)等，而是從地球演化史、能源形成史、人類發(fā)展史角度出發(fā)，揭示能源的過(guò)去形成規(guī)律、現(xiàn)在分布規(guī)律與未來(lái)發(fā)展規(guī)律。

4.3 能源學(xué)研究?jī)?nèi)容與框架體系

能源學(xué)研究聚焦化石能源形成與開發(fā)、新能源發(fā)展與有序替代、深地與深空能源探索及利用、能源發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃等 4個(gè)內(nèi)容：①化石能源形成與開發(fā)研究地質(zhì)歷史時(shí)期，由生物遺體在地殼淺層沉積并埋藏的演化規(guī)律，體現(xiàn)地球環(huán)境影響生物、生物行為改造環(huán)境的協(xié)同演化；②新能源發(fā)展與有序替代研究地球表層系統(tǒng)中、由地質(zhì)或人類營(yíng)力產(chǎn)生的風(fēng)、光、水、地?zé)?、核能等非化石能源，體現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化自然資源、能源驅(qū)動(dòng)人類活動(dòng)的相互作用；③深地與深空能源探索及利用研究與地幔、地核相關(guān)的深部能源成因、資源潛力、有效利用，以及地外能源探索等問(wèn)題，體現(xiàn)人類不斷探究地球深層、探索宇宙深空的努力；④能源發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃研究地球系統(tǒng)中各類能源利用規(guī)劃、轉(zhuǎn)型發(fā)展布局、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等內(nèi)容，體現(xiàn)氣候變化和碳減排約束下構(gòu)建清潔高效能源體系、建設(shè)碳中和愿景下“綠色家園、宜居地球”的發(fā)展需求。

4.4 能源學(xué)研究意義

能源學(xué)的提出對(duì)完善學(xué)科體系、促進(jìn)能源發(fā)展、明確能源轉(zhuǎn)型方向、推動(dòng)碳中和地質(zhì)學(xué)研究、建設(shè)宜居地球具有5方面意義：①能源學(xué)從地球系統(tǒng)演化角度出發(fā)，完善單一類型劃分的能源學(xué)科，從系統(tǒng)演化角度揭示能源發(fā)展規(guī)律，對(duì)完善能源研究學(xué)科體系具有重要意義；②立足從化石能源向非化石新能源演進(jìn)的轉(zhuǎn)型規(guī)律，聚焦地表、地下、地外能源開發(fā)與利用，對(duì)推動(dòng)能源向低碳清潔化發(fā)展具有促進(jìn)意義；③從能源利用歷史出發(fā)，提出能源從高碳向低碳、無(wú)碳轉(zhuǎn)化發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)化石能源、新能源共同發(fā)展，對(duì)加快能源轉(zhuǎn)型和途徑具有戰(zhàn)略意義；④聚焦深時(shí)與現(xiàn)代碳循環(huán)過(guò)程，研究從碳源到碳匯的沉積學(xué)、地球化學(xué)等機(jī)理與過(guò)程，對(duì)促進(jìn)碳中和地質(zhì)學(xué)發(fā)展具有前瞻意義；⑤通過(guò)探討“地球、能源、人類”三者在不同時(shí)空尺度的相互關(guān)系，對(duì)可持續(xù)開發(fā)利用地球能源、清潔綠色發(fā)展、建設(shè)宜居地球具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

重大生物事件影響地球生態(tài)系統(tǒng)演變，地球生態(tài)系統(tǒng)演變又控制生物的繁盛與滅絕，二者復(fù)雜交織、螺旋演進(jìn)，對(duì)應(yīng)形成了多套富有機(jī)質(zhì)層系，以烴源巖和煤等形式成為化石能源。地質(zhì)歷史時(shí)期 6次重大生物事件只代表地球生物演化的關(guān)鍵時(shí)期，生物起源、繁盛與滅絕是生物事件的表現(xiàn)形式，無(wú)論是生命爆發(fā)還是滅絕之后的物種延續(xù)，為化石能源的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)?；茉吹男纬煞植寂c生物事件緊密相關(guān)，生物事件研究是揭示深時(shí)地質(zhì)作用與化石能源形成的鑰匙?；茉床粌H為人類活動(dòng)提供了能量，還是化工生產(chǎn)的重要原料，在未來(lái)發(fā)展中仍具有重要地位。

從地球系統(tǒng)演化角度出發(fā)，提出能源與地球、能源與環(huán)境、能源與人類的多元關(guān)系為基礎(chǔ)，開展系統(tǒng)科學(xué)研究的能源學(xué)。能源學(xué)是指立足地球系統(tǒng)演化，從時(shí)間和空間尺度，研究各類能源形成分布、評(píng)價(jià)選區(qū)、開發(fā)利用、有序替代、發(fā)展前景等內(nèi)容的科學(xué)。能源學(xué)的內(nèi)涵包括：①地球系統(tǒng)背景下能源的形成、能源消耗對(duì)地球氣候環(huán)境之間的相互關(guān)系；②地球環(huán)境與人類、人類行為改造地球環(huán)境、地球與人類之間的相互關(guān)系；③人類利用開發(fā)能源技術(shù)、能源促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步、人類與能源之間的相互關(guān)系 3個(gè)核心內(nèi)容。能源學(xué)研究聚焦化石能源形成與開發(fā)、新能源發(fā)展與有序替代、深地與深空能源探索及利用、能源發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃等4個(gè)方面。能源學(xué)的提出對(duì)完善學(xué)科體系、促進(jìn)能源發(fā)展、明確能源轉(zhuǎn)型發(fā)展方向、推動(dòng)碳中和地質(zhì)學(xué)研究建設(shè)宜居地球具有重要意義。

能源學(xué)的提出立足于當(dāng)前地球生態(tài)系統(tǒng)和人類科技的持續(xù)發(fā)展。未來(lái)不同時(shí)期，由于主體能源類型不同，關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題也會(huì)隨之演變，以“地球”、“能源”與“人類”為基礎(chǔ)的能源學(xué)也勢(shì)必不斷革新與發(fā)展。