生物起源与地球系统氧含量紧密相关, 光合作用生物的繁盛程度受控于大氧化事件, 进而影响有机质富集。生物进化与氧含量密切相关, 古元古代和新元古代两次大氧化事件对应原核生物向真核生物、单细胞生物向多细胞生物的演化^{[3, 4]}。氧是真核生物生存的基础, 氧含量提高是寒武纪生命大爆发的先决条件。在古元古代早期（距今2.35~2.45 Ga前）发生第1次“ 大氧化事件” , 大气氧含量由小于现今大气含氧量的0.1%增长到1%~15%^[5], 之后（距今约18.0~0.8 Ga前）地球氧含量相对稳定^{[6, 7]}。第2次“ 大氧化事件” 发生在新元古代中晚期（距今0.54~0.85 Ga）, 在距今约0.52 Ga时, 大气氧含量大幅提升至显生宙水平, 伴随此次成氧事件, 早期后生动物开始出现, 演化成寒武纪“ 生命大爆发” ^[8]。大气氧含量与生烃母质类型相关, 地球厌氧光合作用细菌仅发育在小于现今大气含氧量的0.1%条件下; 蓝细菌在现今大气含氧量的0.1%~10.0%时达到繁盛; 伴随氧含量进一步提升至现今大气含氧量的10%~100%, 藻类多样性增强, 真核藻类开始繁盛; 陆生植物在氧含量进一步升高到现今大气含氧量的100%~150%时开始大规模繁盛^{[6, 9]}。大气增氧导致不同类型生物变化, 进而影响富有机质层系沉积。

海洋生物繁盛受冰期后陆源碎屑输入增强、营养物质循环活跃、气候温暖适宜等因素影响, 利于有机碳源积累。冰期陆上岩石遭受冰川形成、运移时的破坏作用, 冰期后海洋陆源输入通量增加; 进入间冰期, 冰川消融退却, 释放大量营养物质, 随着冰川融水冲刷进入海洋, 为藻类繁盛提供营养物质^[25]。间冰期深海大规模沉积的蒸发岩和磷块岩等, 反映上升洋流或陆源输入大量氧化剂参与有机质再循环, 这一过程中有机磷重新释放可导致海洋中营养物质循环加强, 造成生物繁盛^[25]。冰期后温暖湿润气候使风化作用加强, 伴随大量陆源碎屑物质和淡水注入海洋, 浅海地区可能在较短时间内形成温暖、低盐、高CO₂、富营养的环境, 有利于低等浮游藻类大量繁盛^[26]。中国上扬子地区在冰期后发育大套富有机质层系, 包括寒武系牛蹄塘组、筇竹寺组等, 记录了间冰期生物繁盛和有机质富集。

生物繁盛得益于火山活动提供的营养物质, 火山活动对生产力的提高主要体现在:①火山灰富含Fe、P、N、Si、Mn等营养元素, 可促进藻类等生物繁盛, 提高初级生产力^{[27, 28]}; ②火山灰易与SO₂、HCl、HF等气体发生反应形成硫化物、卤化物等盐膜, 在水体中快速溶解, 显著提高海水营养程度^[29]; ③火山灰在海洋表面阻挡阳光进入, 造成透光带生物死亡, 增强了有机质的埋藏保存^[30]; ④火山灰在海水中可以形成蒙脱石、绿泥石等黏土矿物, 黏土矿物与有机质结合, 有利于有机质的吸附沉积和富集^[31]。2003年, Anatahan火山喷发显著提高了太平洋表层生产力, 约有4 800 km²的藻类发育^[32]; 2008年Kasatochi火山引发了太平洋东北约（1.5~2.0）× 10⁶ km²浮游生物繁盛^[33]。中国松辽盆地上白垩统青山口组和嫩江组、鄂尔多斯盆地三叠系延长组、三塘湖盆地二叠系芦草沟组等页岩中均发现不同程度的火山灰沉积, 其中鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组7段发育多套凝灰岩和凝灰质夹层, 被视作长7段优质烃源岩发育的重要条件。

生物灭绝通常伴随大量有机碳沉积, 氧化还原条件变化、火山活动等因素共同控制有机质富集, 其影响因素主要包括水体底部氧化还原条件和水体表层生产力两个方面, 其中较高的初级生产力是有机质大量形成的前提, 底层缺氧水体是有机质保存的基础^[34]。与灭绝事件伴生的火山活动、构造运动、海平面升降等因素会显著影响初级生产力和氧化还原条件的变化。上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组黑色页岩沉积与奥陶纪末生物大灭绝密切相关^[35], 奥陶纪末生物大灭绝伴随全球气候逐渐变暖和海平面快速上升, 海洋陆棚底部发育硫化缺氧水体, 为有机质保存提供条件; 同时藻类等浮游生物因捕食者减少而大量繁殖, 使海洋表层初级生产力大幅提高, 具有很高的Ba、P、Zn等营养元素含量, 因此产生大量有机质, 为富有机质黑色页岩发育提供物质基础^[34]。与此同时, 大灭绝期间发生多期火山喷发活动, 不仅为海洋提供丰富的营养物质, 同时阻止光照加剧了海底缺氧环境, 对有机质沉积具有促进作用^[35]。

寒武纪生命大爆发引发一系列生态连环效应, 开始形成了以后生动物为主导的海洋生态系统。寒武纪生命大爆发是后生动物门类在较短的地质时期内（距今约514~541 Ma前）首次爆发式繁盛, 至少发育20个现生动物门类和6个灭绝动物门类, 形成各具特色的生物群, 如澄江、清江、梅树村、牛蹄塘等生物群。多种环境因素共同激发了寒武纪生命大爆发, 但各因素相互作用机理仍有待进一步揭示^[37]。寒武纪时期, 海底热液活动及上升洋流带来生物所需的微量元素使生物大量繁殖, 显著提高了初级生产力, 为有机质富集提供物质基础。同时, 底部缺氧水体为有机质保存提供良好条件, 形成高有机碳丰度的页岩层系。中国扬子地台下寒武统筇竹寺组、牛蹄塘组发育50~600 m厚黑色页岩, 分布面积超90× 10⁴ km², TOC值为0.5%~9.0%, R_o值为1%~5%, 处于过成熟阶段, 是中国南方重要的页岩气勘探层系^[38]。寒武系富有机质层系具有全球分布特征, 在世界多个地区广泛分布, 如欧洲Alum页岩、澳洲Arthur页岩、俄罗斯Olenyok油页岩等。

奥陶纪、志留纪之交生物大灭绝与气候突变、冰川发育、海平面升降等因素紧密相关, 造成了约61%的生物属、86%的生物种灭绝。此次灭绝事件由2幕构成, 第1幕发生于凯迪末期到赫南特早期, 第2幕发生在赫南特晚期^{[2, 58]}。其中第1幕与赫南特冰期起始时间一致^[2], 地球气候急剧变冷, 海平面快速下降, 海洋富氧, 深处洋流活跃^[59]。大灭绝第2幕起始于赫南特晚期之初, 全球气候快速回暖, 冈瓦纳冰盖消融, 海平面迅速上升, 浅水海底严重缺氧, 洋流循环几乎停滞, 导致冷水生物发生大规模灭绝^[60][36]。奥陶纪、志留纪之交大量笔石繁盛, 形成全球广泛分布的黑色富有机质页岩, 这是中国南方地区重要的页岩气勘探层系。全球范围内, 奥陶纪、志留纪之交黑色页岩分布广泛, 如欧洲Llandovery页岩、澳洲Godwyer页岩、非洲Tannezuft页岩等。中国南方五峰组— 龙马溪组厚层黑色页岩页岩气资源丰富, 这套页岩层系厚度超300 m, 页岩气“ 甜点段” 位于龙马溪组底部, 厚度10~60 m, TOC值0.4%~9.6%, 属于Ⅰ 型干酪根, R_o值2.3%~3.8%, 处于过成熟干气阶段, 形成威远、长宁— 昭通、涪陵等诸多页岩气产气区。2019年, 页岩气年产量达154× 10⁸ m^3[34], 中国南方地区五峰组— 龙马溪组页岩已经成为全球第2大页岩气产区。

晚泥盆世弗拉期-法门期（F-F期）之交的生物灭绝导致至少75%物种消亡, 生物群落结构明显更替, 深刻改变地球生命演化进程。晚泥盆世俄罗斯地台和西伯利亚板块上大规模火山作用可能是造成气候环境剧变的诱导因素, 导致F-F期全球气候快速变冷、浅海区域缺氧、频繁的海平面升降等, 触发F-F期生物大灭绝^[42]。该时期海水明显分层, 缺氧水体扩散至浅水区域, 引发陆架缺氧, 有机碳埋藏增多, 导致了大气CO₂分压下降, 引起全球气候快速变冷。诸多证据显示F-F期出现全球性缺氧现象, 包括草莓状黄铁矿富集^{[61, 62]}、氧化还原敏感元素丰度异常（U、Mo、V、Ce等）^[63]、U同位素（²³⁸U/²³⁵U值）负偏移^[64]、两次显著的碳同位素组成正偏移以及硫同位素组成异常^[60]等。F-F期生物繁盛与灭绝为有机质沉积提供丰富的物质基础。海平面上升、缺氧事件等环境条件有利于沉积有机质埋藏与保存。泥盆纪晚期, 在全球范围内发育大量富有机质泥页岩, 如北美地区的Bakken、Marcellus和Woodford页岩、非洲Frasnian页岩、欧洲Rudov Bed页岩等, 使晚泥盆世— 早石炭世成为全球6大烃类聚集期之一^[65]。美国威利斯顿盆地海相Bakken页岩是北美最早实现页岩油气工业化生产地区之一, 埋深2 590~3 200 m, TOC值11%~20%, 有机质以Ⅱ 型干酪根为主, R_o值0.7%~1.0%, 含油饱和度平均值68%, 含油面积达7× 10⁴km²。在志留纪末期到早、中泥盆世, 草本类裸蕨植物群扩展到陆地, 形成了煤线或薄煤层。到晚泥盆世, 裸蕨植物基本消失, 以石松、楔叶、种子蕨等为主的新类型迅速繁殖, 出现了更多的木本植物, 形成了薄层或者透镜状分布腐殖煤系地层^[66]。

二叠纪、三叠纪之交发生显生宙以来最大的一次生物灭绝事件, 大约90%海洋生物和70%陆生生物消失, 显著改变了地表生态系统。此次大灭绝发生于古生代— 中生代的重要地质转折时期, 地球发生了超大陆聚合、超级火山爆发、海平面升降、大洋缺氧和气温波动等环境巨变事件^[67]。触发大灭绝的原因包括小行星撞击、火山喷发、海平面下降、海洋缺氧、高温事件、酸化事件等^[36], 其中西伯利亚火成岩伴随大量CO₂释放、陆地生态野火频发、海洋循环停滞、海洋酸化和缺氧、温度大幅升高与大灭绝具有很强的关联性^{[2, 68]}。从石炭纪、二叠纪到三叠纪, 地球经历了冰室到温室气候转变, 发生了海洋和陆表植物的更替及迁移^[69]。二叠系成为全球重要的富有机质层系之一。截至2018年底, 美国二叠盆地探明原油和天然气技术可采储量分别为119× 10⁸ t和8.5× 10¹²m^3[24]。该时期中国华南和华北处于古特提斯岛洋体系, 形成了一套完整二叠系沉积地层。四川盆地上二叠统龙潭组富有机质页岩厚度达40 m以上, 热演化程度适中, 具有良好的含气性和勘探开发潜力。华北地区鄂尔多斯盆地东缘二叠系发育富有机质的煤系和过渡相页岩层系, 山西组下段试气产量稳定, 展现出良好的勘探开发潜力。石炭纪— 二叠纪是全球范围内第1次大的聚煤期, 以石松类占优势的沼泽森林是主要的成煤环境。

三叠纪、侏罗纪之交生物大灭绝使海洋生态系统中约52%的属和76%的种灭绝, 反映了温室气候背景下生态系统对气候变化的响应。晚三叠世发生了一系列全球性重大构造和气候变化, 包括泛大陆裂解、古特提斯洋关闭、中大西洋火山喷发和卡尼期湿润事件等^{[70, 71]}。晚三叠世大气中CO₂含量达到中生代最高水平^[45], 而O₂含量处于最低水平^[72]。该时期古环境复杂多变、海平面急剧变化、古构造活动频繁^[73]。频繁的火山活动导致CO₂、CH₄浓度上升, 强烈的温室效应使极端气候频现, 破坏陆地生态系统, 进而导致水循环和地表风化增强, 陆源输入剧增, 最终导致海洋生态系统崩溃^[74]。此次灭绝前后, 极端气候频发, 总体受缺氧事件影响, 为广泛分布的富有机质黑色页岩沉积提供了环境条件。晚三叠世发生了以卡尼期为代表的温室气候影响, 富有机质黑色页岩广泛沉积于古特提斯洋陆架地区, 如加拿大Montney页岩、欧洲的Emm页岩、澳洲的Kockatea页岩等。

天体撞击和火山喷发等因素诱发白垩纪末生物大灭绝, 海洋生物约16%科和47%属消亡。天体撞击地球^[75]和大规模火山喷发^[76]导致大气CO₂含量增加、酸雨频发、火山烟尘弥漫, 生态环境显著恶化, 生物光合作用受阻, 海洋无脊椎动物和脊椎动物的多样性均大幅下降^{[77, 78]}。此次大灭绝事件以富铱黏土为标志层, 黏土中可见冲击石英、玻陨石、富镍尖晶石等, 碳同位素值明显负偏移^[54]。白垩纪— 古近纪地球气候和环境显著变化, 生物更替速度加快, 生物灭绝对应黑色页岩等富有机质层系发育。白垩纪中期缺氧环境下形成的富有机质层系成为全球主要大油田的烃源岩^[79]。如中国松辽盆地白垩系泉头组— 青山口组、美国Eagle Ford页岩、Niobrara页岩等。白垩纪末大灭绝后, 生态环境逐渐恢复, 新生属种在古近纪繁盛。中国渤海湾盆地早古近纪孔店组三段— 二段沉积期生物种属快速增加, 在多个坳陷发育黑色页岩沉积。其中黄骅坳陷沧东凹陷孔二段平均TOC值达3.26%, 有机质类型以Ⅰ 型和Ⅱ ₁型为主, R_o值多为0.50%~0.92%, 烃源岩最大厚度400 m。此次生物灭绝之前的侏罗纪和白垩纪是全球第2大成煤期, 在中国新疆、陕北、内蒙、东北等地区形成了厚煤层^[70]。

地球科学的发展经历了从学科细分再到学科相互结合的过程, 形成地球系统科学^[82]。能源研究也遵循这一规律。目前, 各类能源研究通常从资源利用角度出发, 学科划分越分越细, 如煤田地质学、石油与天然气地质学、非常规油气地质学、新能源等。这些学科为揭示能源本质、探讨演化规律、指引发展方向奠定了理论基础。但是, 这些学科通常以单一能源类型的形成、演化、分布、聚集、利用等科学问题为研究思路, 尚未在地球系统框架下以地球演化的视角, 综合考虑不同时空尺度上地球、能源、人类的相互影响与协同演化。

人类诞生开启了能源利用时代, 自然资源客观存在, 人类活动必须要开发利用能源。工业化以来, 化石能源一直是主体资源, 为人类社会发展提供了持续动力。但是, 资源枯竭、环境污染、全球变暖、能源公平等问题, 对能源发展提出了全新挑战, 制约了人类与地球环境和谐生存发展。能源是“ 宜居地球” 建设的重要组成, 需要基于人类社会发展, 从过去考量能源的经济性、转变为考量能源对地球宜居性的影响, 必须要突破传统化石能源范畴, 向清洁高效的新能源扩展。因此, 需要从地球系统演化角度出发, 探究能源与地球、能源与环境、能源与人类的多元关系, 开展能源学综合研究。

能源兼具两种利用属性, 一种是通过转化自然形成的或人工开发的载能物质获取能量, 另一种是利用自然资源作为化工或工业生产原料获取物质产品。因此, 从获取能量的角度看, 能源是指由地球系统演化形成或来自地球外, 可被人类加工利用获取能量的所有自然物质的总和。

按地球空间可分为地下、地表和地外能源, 包括:①地下浅层生物成因的煤、石油、天然气等传统化石能源和无机成因铀、钍等核能原料, 以及地下深层流体作用形成的地热能、无机气等能源; ②地表系统中地质营力成因的风能、潮汐能、水能等; ③地外天体系统中的太阳能等。

按物质组成属性可分为碳系能源、氢系能源和其他能源。碳系能源指由碳基物质形成或衍生出的、能被转化成能量并释放CO₂的自然资源, 通常包括煤、石油、天然气、生物质能等。氢系能源指由含氢元素物质转化的能量（如水能、潮汐能等）或由氢核物理反应直接释放的能量（太阳能、核聚变能等）或间接驱动的能量（风能、地热能等）。其他能源指由既不含碳、也不含氢的物质（如铀、钍等）经核裂变反应产生的能量。

能源学的概念是指立足地球系统演化, 在时间和空间尺度研究各类能源形成分布、评价选区、开发利用、有序替代、发展前景等内容的学科, 核心是研究地球、能源、人类三者相互影响与协同演化。能源学的内涵包括3个核心内容:①地球系统背景下能源的形成、能源消耗对地球气候环境的反馈, 体现地球与能源之间的相互关系; ②地球环境孕育人类演进、人类行为改造地球环境, 体现地球与人类之间的相互关系; ③人类利用技术开发能源、能源驱动人类社会进步, 体现人类与能源之间的相互关系。能源学的研究目的是从资源角度出发, 揭示地球系统中化石能源与非化石新能源共生分布关系、碳系能源与氢系能源有序接替转型、能源体系与宜居地球绿色和谐发展的规律。

能源学的研究对象不完全局限于赋存于地层中的化石能源, 是向地表系统能源延伸（如水能、风能、潮汐能等）, 从碳系能源向氢系能源扩展。研究不完全局限于揭示地质历史时期与化石能源形成分布有关的生物演化、有机质沉积、物质循环等, 而是从地球演化史、能源形成史、人类发展史角度出发, 揭示能源的过去形成规律、现在分布规律与未来发展规律。

能源学研究聚焦化石能源形成与开发、新能源发展与有序替代、深地与深空能源探索及利用、能源发展战略与规划等4个内容:①化石能源形成与开发研究地质历史时期, 由生物遗体在地壳浅层沉积并埋藏的演化规律, 体现地球环境影响生物、生物行为改造环境的协同演化; ②新能源发展与有序替代研究地球表层系统中、由地质或人类营力产生的风、光、水、地热、核能等非化石能源, 体现技术转化自然资源、能源驱动人类活动的相互作用; ③深地与深空能源探索及利用研究与地幔、地核相关的深部能源成因、资源潜力、有效利用, 以及地外能源探索等问题, 体现人类不断探究地球深层、探索宇宙深空的努力; ④能源发展战略与规划研究地球系统中各类能源利用规划、转型发展布局、能源结构优化等内容, 体现气候变化和碳减排约束下构建清洁高效能源体系、建设碳中和愿景下“ 绿色家园、宜居地球” 的发展需求。

能源学的提出对完善学科体系、促进能源发展、明确能源转型方向、推动碳中和地质学研究、建设宜居地球具有5方面意义:①能源学从地球系统演化角度出发, 完善单一类型划分的能源学科, 从系统演化角度揭示能源发展规律, 对完善能源研究学科体系具有重要意义; ②立足从化石能源向非化石新能源演进的转型规律, 聚焦地表、地下、地外能源开发与利用, 对推动能源向低碳清洁化发展具有促进意义; ③从能源利用历史出发, 提出能源从高碳向低碳、无碳转化发展趋势, 促进化石能源、新能源共同发展, 对加快能源转型和途径具有战略意义; ④聚焦深时与现代碳循环过程, 研究从碳源到碳汇的沉积学、地球化学等机理与过程, 对促进碳中和地质学发展具有前瞻意义; ⑤通过探讨“ 地球、能源、人类” 三者在不同时空尺度的相互关系, 对可持续开发利用地球能源、清洁绿色发展、建设宜居地球具有指导意义。