环渤海地区是我国重要的石油开采和加工区域，拥有丰富的石油资源。然而，石油泄漏及其引发的污染已成为该区域主要的生态隐患之一，尤其是在海洋和近岸生态系统中，不仅影响土壤和水体的质量，还对生物多样性和农业生产构成威胁。深刻认识该地区的石油地质特点和石油污染规律，有利于制定科学有效的污染防控措施、优化资源开发策略，并推动区域生态环境的恢复与可持续发展。
近日，天津大学地球系统科学学院戚羽霖教授课题组在环渤海地区石油地质以及石油土壤污染研究方面取得一系列进展。
课题组对沧东凹陷孔店组二段（Ek2）热液流体对烃源岩生烃和油气运移的影响进行研究。研究结果表明热液流体的高温加速了烃源岩中干酪根生烃，排出的烃固化形成固体沥青，而热液流体中的有机质则固化成焦沥青。烃源岩中含有较高的脂肪族组分，而低反射率固态沥青提取物中芳香族组分的比例更高。烃源岩中的O1、O2、N1O1和N1O2类极性化合物含量高于固体沥青，而S1和N1类化合物则表现出相反的趋势。本研究为理解热液作用下烃源岩生成烃类的过程提供了重要认识，探讨了热液改造区域非常规石油资源的潜力。研究工作以“Impact of Hydrothermal Fluids on Hydrocarbon Generation and Solid Bitumen Formation in the Kongdian Formation, Huanghua Depression, China”为题，发表在质谱领域主流期刊Journal of the American Society for Mass Spectrometry。
针对环渤海地区潜在的石油污染土壤问题，课题组通过石油淋滤土壤实验模拟石油中极性化合物在土壤中的迁移机制。研究结果表明，石油在土壤中的迁移能力有限，主要集中在40厘米以上的土层中。土壤中有机质的C/N、C/H比值以及δ13C值受到石油污染的显著影响。同时，不同化合物类别表现出不同的迁移能力，其中N1和N1O1化合物对土壤具有较强的吸附能力，而含氧化合物更容易随水迁移到较深的土层。此外，分子极性、不饱和度和分子大小是影响石油中极性化合物在土壤中迁移的关键因素。模拟实验为理解石油污染土壤中极性化合物的迁移行为及其对土壤生态环境的潜在影响提供了重要的科学依据。研究工作以“Assessment of the migration of polar compounds from petroleum-contaminated soil using column leaching experiment”为题，发表在质谱领域主流期刊Journal of the American Society for Mass Spectrometry。
鉴于石油及其产物在土壤微界面的复杂物理化学过程，课题组基于激光解吸电离成像技术开发了污染土壤原位质谱成像技术，实现了多芳环烃在土壤微界面微米尺度成像和定量分析研究。研究通过使用质谱成像技术检测薄片上多芳环烃污染物（苯并[a]芘、苯并[g,h,i]苝和二苯并[a,h]蒽），依托标准溶液建立标准曲线，计算出单点多芳环烃污染物浓度，从而实现土壤中多环芳烃污染物的微米级成像和ppm级别定量分析。该成果获批国家发明专利（ZL202410657975.5）。
图1 烃源岩与固体沥青中极性化合物分子质谱图
图2 不同深度石油污染土壤中极性化合物指标分布
图3 污染土壤中不同浓度苯并[a]芘、苯并[g,h,i]苝和二苯并[a,h]蒽质谱成像图谱
研究工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、国家自然科学基金委员会联合基金、中国博士后科学基金、重油加工国家重点实验室开放基金等资助。
论文信息
Han, Y., Han, Y., Wang, L., Volmer, D.A., Qi, Y. 2024. Impact of Hydrothermal Fluids on Hydrocarbon Generation and Solid Bitumen Formation in the Kongdian Formation, Huanghua Depression, China. Journal of the American Society for Mass Spectrometry 35, 12, 3274–3285. (https://doi.org/10.1021/jasms.4c00403）
Wang, J., Han, Y., Zhao, Z., Ma, C., Yu, G., Qi. Y. 2024. Assessment of the migration of polar compounds from petroleum-contaminated soil using column leaching experiment. Journal of the American Society for Mass Spectrometry 35, 12, 3037–3048. (https://doi.org/10.1021/jasms.4c00305）
专利信息
戚羽霖, 韩宇富, 王建文, 马超, 余光辉, 傅平青. 一种土壤微界面多芳环烃污染物原位质谱检测方法及应用: ZL202410657975.5 [P]. 2024-07-23.
