18第七章有機(jī)地球化學(xué)

1、第七章有機(jī)地球化學(xué),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),2,有機(jī)地球化學(xué)概述,有機(jī)地球化學(xué)主要研究天然有機(jī)質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及它們?cè)诘刭|(zhì)體中的分布、轉(zhuǎn)化和參與地質(zhì)作用時(shí)的行為等。在某種意義上，有機(jī)地球化學(xué)是拓寬了的生物地球化學(xué)，它既包括生物改變大氣圈、水圈和沉積巖石圈化學(xué)特征的作用及生物對(duì)元素遷移的控制和影響，也包括非生物成因有機(jī)化合物在地球早期的發(fā)生、發(fā)展和生命的出現(xiàn)，還包括生物成因有機(jī)化合物的變化、聚集、轉(zhuǎn)移及其

2、對(duì)元素分配的影響。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),3,有機(jī)地球化學(xué)的發(fā)展,20世紀(jì)80年代前，韋爾納茨基和維諾格拉多夫創(chuàng)立生物地球化學(xué)時(shí)，側(cè)重研究生物參與的地球化學(xué)作用，隨著地球化學(xué)與有機(jī)化學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科的雜交和滲透，產(chǎn)生和發(fā)展了地球化學(xué)的這一個(gè)新的重要分支——有機(jī)地球化學(xué)。因此有機(jī)地球化學(xué)是地學(xué)、有機(jī)化學(xué)和生物學(xué)互相滲透發(fā)展起來(lái)的一門邊緣學(xué)科。早期有機(jī)地球化學(xué)的形成與發(fā)展得益于石油地球化學(xué)的進(jìn)步，并在很大

3、程度上受石油地球化學(xué)影響，但隨著高精度分析測(cè)試方法和同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用，有機(jī)地球化學(xué)研究領(lǐng)域不斷拓展，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于能源、礦產(chǎn)資源、海洋、環(huán)境和生命科學(xué)。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),4,有機(jī)地球化學(xué)的研究?jī)?nèi)容,包括基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面：基礎(chǔ)研究的內(nèi)容是：①探討無(wú)機(jī)物質(zhì)（CH4、H2O、CO2和NH3等）逐步演化產(chǎn)生簡(jiǎn)單有機(jī)化合物和生物大分子的過(guò)程；②有機(jī)體的生物降解及有機(jī)大分子的熱降解和聚合并最終轉(zhuǎn)換為

4、無(wú)機(jī)物的演化過(guò)程；③為了沉積巖有機(jī)質(zhì)來(lái)源、沉積和成巖作用的物理化學(xué)條件，進(jìn)行生物標(biāo)志化合物的研究，即分子有機(jī)地球化學(xué) 。④有機(jī)質(zhì)同位素組成、分餾與成因；⑤干酪根的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),5,應(yīng)用研究領(lǐng)域包括：①可燃性礦產(chǎn)的成因和遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)有機(jī)地球化學(xué)研究②沉積有機(jī)地球化學(xué)（海洋與沼澤有機(jī)地球化學(xué)）③礦床有機(jī)地球化學(xué) ④環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)研究,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),6

5、,有機(jī)地球化學(xué)的學(xué)科方向,石油有機(jī)地球化學(xué)沉積有機(jī)地球化學(xué)（海洋與湖沼有機(jī)地球化學(xué)）礦床有機(jī)地球化學(xué)環(huán)境有機(jī)地球化學(xué),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),7,7 有機(jī)地球化學(xué),7.1 自然界中的有機(jī)質(zhì)和元素的生物循環(huán)7.2 可燃類礦床的有機(jī)地球化學(xué)7.3 金屬成礦過(guò)程中生物和有機(jī)質(zhì)的作用,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),8,7.1 自然界中的有機(jī)質(zhì)和元素的生物循環(huán),7.1.1 自然界中的有

6、機(jī)質(zhì)7.1.2 有機(jī)反應(yīng)、能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存7.1.3 元素的生物地球化學(xué)循環(huán)7.1.4 有機(jī)質(zhì)的同位素研究7.1.5 生物標(biāo)志化合物,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),9,7.1.1 自然界中的有機(jī)質(zhì),7.1.1.1 各類地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)7.1.1.2 環(huán)境中的腐殖物質(zhì)7.1.1.3 水體中有機(jī)質(zhì)的存在形式、組成與分布,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),10,7.1.1 自然界中的有

7、機(jī)質(zhì),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),11,7.1.1.1 各類地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì),從廣義有機(jī)地球化學(xué)角度，綜合考慮沉積物中殘存有機(jī)質(zhì)和變化有機(jī)質(zhì)，地質(zhì)體有機(jī)質(zhì)分為5類：類脂化合物；氨基化合物；色素；碳水化合物；干酪根 ：,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),12,地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)類型,①蛋白質(zhì)②脂類（脂肪）③碳水化合物④色素及其衍生物⑤木質(zhì)素⑥腐殖酸和干酪根,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué)

8、,13,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),14,7.1.1.2 環(huán)境中的腐殖物質(zhì),腐殖物質(zhì)是地球表面分布很廣的天然物質(zhì)，它存在于土壤、湖泊、河流以及海洋中。腐殖物質(zhì)的分子量范圍可從幾百到幾萬(wàn)，是無(wú)定形的褐色或者黑色的親水的酸性的高分子物質(zhì)。它的存在不僅能改變環(huán)境的物理性質(zhì)，使?fàn)I養(yǎng)元素（特別是微量元素）易于傳遞和有效地被生物吸收，而且有強(qiáng)烈的吸附能力，能與金屬元素形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而對(duì)金屬元素和人為釋放的污染物在地表的遷

9、移和富集有重要意義。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),15,1 腐殖質(zhì)的組成與分類★,腐殖酸的分子式： C68H53O40CH3(OH)4(COOH4)按腐殖物質(zhì)在酸和堿中的溶解度可劃分為：①胡敏素（humin, 亦稱胡咖酸）：不溶于堿溶液而能溶于乙酰溴；②胡敏酸（humin acid）：在堿提取液中能被無(wú)機(jī)酸（鹽酸和硫酸）沉淀的那一部分；③富里酸（fulvic acid）：為堿提取液用酸

10、處理后留在溶液中的部分。后二者（②③）總稱腐殖酸。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),16,腐殖酸成分變化由沉積環(huán)境、有機(jī)母質(zhì)類型、聚合程度和成熟度決定。如海洋和湖泊腐殖酸主要來(lái)自藻類；泥炭和煤源于高等植物。腐殖酸中元素組成幅度很大，總體分子量很大,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),17,2、腐殖酸的物理-化學(xué)性質(zhì),腐殖酸通常呈黑色、棕色、黃色膠體狀態(tài)，具有很強(qiáng)的吸附性和吸水性 1.膠體性質(zhì)—強(qiáng)吸附功能2.

11、有明顯的酸性3.親水性,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),18,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),19,7.1.1.3 水體中有機(jī)質(zhì)的存在形式、組成與分布,1、存在形式：溶解有機(jī)質(zhì)和顆粒有機(jī)質(zhì)。2、組成與分布：天然水中有機(jī)化合物的成分和結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜，通常只能用一些綜合參數(shù)，如總有機(jī)碳、總有機(jī)氮、溶解有機(jī)碳、溶解有機(jī)氮、溶解有機(jī)磷、顆粒有機(jī)碳等來(lái)估計(jì)水中的有機(jī)質(zhì)的量。如水的COD 測(cè)定,2007年2月18

12、日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),20,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),21,不同深度的海水中顆粒有機(jī)碳含量是不同；不同洋區(qū)表層顆粒物微量元素研究：Mn、Co、V主要存在陸源物質(zhì)和自生沉積中；Pb、Zn分布在浮游生物中；Cu、Ba在三者中都有分配。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),22,7.1.2 有機(jī)反應(yīng)、能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存,1.光合作用2.充氧條件下的腐解作用3.缺氧條件下的腐解作用4.氧化還原反應(yīng)5.

13、聚合反應(yīng)6.解聚合反應(yīng)7.加成反應(yīng),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),23,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),24,7.1.3 元素的生物地球化學(xué)循環(huán),7.1.3.1 碳的地球化學(xué)循環(huán)7.1.3.2 氮的地球化學(xué)循環(huán)7.1.3.3 硫的地球化學(xué)循環(huán)7.1.3.4 氧的地球化學(xué)循環(huán),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),25,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),

14、26,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),28,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),29,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),30,7.1.4 有機(jī)質(zhì)的同位素研究,沉積有機(jī)質(zhì)中有機(jī)元素的穩(wěn)定同位素，將對(duì)確定沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源、沉積環(huán)境、形成和轉(zhuǎn)化機(jī)制等具有重要意義,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),31,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),32,7.1.5 生物標(biāo)志化合物,1、生物標(biāo)志

15、化合物又稱化學(xué)化石、地球化學(xué)化石或指紋化合物等。指來(lái)源于有機(jī)質(zhì)以及原油、油頁(yè)巖、煤中那些活生物體，在有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中具有一定的穩(wěn)定性，沒(méi)有或很少發(fā)生變化，基本保持原始生化組分的碳骨架，記載了原始生物母質(zhì)的特殊分子結(jié)構(gòu)信息的有機(jī)化合物。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),33,通過(guò)對(duì)比碳的化合物及其生物前身物質(zhì)，可以推斷化合物的成因，并提供重要的地質(zhì)、地球化學(xué)信息。生物標(biāo)志化合物所提供的信息包括：①不同類型碳的化合物的相

16、對(duì)豐度，如正烷烴奇偶優(yōu)勢(shì)、植烷和姥鮫烷的比值等；②有機(jī)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，特別是有機(jī)分子的立體結(jié)構(gòu)，愈是復(fù)雜的化合物往往能提供愈多的信息；③烴類、脂肪酸、腐殖酸等的同位素組成。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),34,2、應(yīng)用生物標(biāo)志化合物應(yīng)用,解決地質(zhì)-地球化學(xué)問(wèn)題生物標(biāo)志化合物所提供的信息可用于判斷沉積物的物質(zhì)來(lái)源，區(qū)分沉積物屬海相成因或陸相成因，推斷沉積物沉積期和早期成巖階段的物理化學(xué)環(huán)境（如氧化-還原條件、沉積環(huán)境

17、的營(yíng)養(yǎng)狀況等），以及成巖作用的強(qiáng)度。（1）指示沉積巖中有機(jī)物質(zhì)的來(lái)源（2）指示沉積物的成熟度（3）指示環(huán)境的氧化-還原條件,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),35,（1）指示沉積巖中有機(jī)物質(zhì)的來(lái)源,正烷烴主峰碳為n-C15、 n- C17—低等水生燥類,主碳峰n-C15、n-C17和n-C27、n-C29，前者為燥類后者為高等植物，混合源,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),37,（2）指示沉積物的成熟度（C

18、PI值）,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),38,（3）指示環(huán)境的氧化-還原條件,正烷烴偶碳優(yōu)勢(shì)出現(xiàn)在強(qiáng)還原環(huán)境或有蒸發(fā)鹽、碳酸鹽產(chǎn)出環(huán)境。以伊利石和蒙脫石為催化劑時(shí)，形成奇碳優(yōu)勢(shì)正烷烴。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),39,7.2 可燃類礦床的有機(jī)地球化學(xué),7.2.1 煤的有機(jī)地球化學(xué)7.2.2 石油的有機(jī)地球化學(xué),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),40,煤是一類儲(chǔ)量豐富的固體可燃有機(jī)

19、礦產(chǎn)，是我國(guó)能源的主要組成部分。煤和石油都屬可燃有機(jī)礦產(chǎn)，但石油和煤之間存在顯著差別：石油是液體，其原始物質(zhì)來(lái)自低等水生浮游生物，H/C原子比為1.5~1.8%；煤主要是由具芳香結(jié)構(gòu)的固體有機(jī)物組成，H/C原子比僅為0.4%~1.0%，且成煤原始物質(zhì)主要是高等植物。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),41,7.2.1 煤的有機(jī)地球化學(xué),,1、煤成因、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成研究①由陸上植物遺骸所形成②植物組成：纖維素（結(jié)

20、構(gòu)屬脂類），分子式為C6H10O5，容易分解為CO2、CH4和脂肪酸。 木質(zhì)素（屬芳香族型），分子式為C12H18O9，抗微生物腐蝕能力強(qiáng)。多數(shù)人認(rèn)為木質(zhì)素是煤的原始母質(zhì) ；,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),42,木質(zhì)素結(jié)構(gòu),纖維素結(jié)構(gòu),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),43,③煤的化學(xué)組成研究表明，煤主要由高分子量復(fù)雜有機(jī)化合物組成。煤的分離產(chǎn)物中大部分為芳香族化合物，芳香族化程度隨煤的變質(zhì)程度增加而增大

21、。最后達(dá)到完全芳香族化而進(jìn)入石墨階段。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),44,2.煤形成過(guò)程,植物母質(zhì)轉(zhuǎn)化為煤過(guò)程：生物化學(xué)階段和其它變質(zhì)階段 生物化學(xué)階段主要為母質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵?。泥炭形成過(guò)程包括：①水溶物質(zhì)的迅速分解；②纖維素化合物的緩慢分解，泥炭性質(zhì)取決于這些化合物分解是否完全。③微生物細(xì)胞物質(zhì)的聚集。當(dāng)環(huán)境不適合細(xì)菌活動(dòng)時(shí)，生物化學(xué)階段結(jié)束。植物母質(zhì)通過(guò)泥炭向煤進(jìn)一步演化,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球

22、化學(xué),45,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),46,3、影響煤等級(jí)的因素,①   埋藏時(shí)間，如古生宙的煤為高級(jí)變質(zhì)煤，第三紀(jì)為低級(jí)變質(zhì)煤；②     地殼運(yùn)動(dòng)和侵入體熱作用；③     褶皺和斷裂產(chǎn)生的擠壓力；④ 埋深引起的增溫和增壓。其中埋深引起的溫壓增加最受重視。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球

23、化學(xué),47,7.2.2 石油的有機(jī)地球化學(xué),7.2.2.1 石油的原始物質(zhì)7.2.2.2 我國(guó)海相石油地球化學(xué)研究,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),48,7.2.2.1 石油的原始物質(zhì),1.石油的形成環(huán)境2.石油的元素組成 ：原油在元素成分上是相當(dāng)固定的。一般含碳83％～87％，含氫11％～14％，其他元素主要為O、N和S，最高含量約為5％。3.石油化合物組成：這些烴類可以劃分為3個(gè)系列：①鏈烷烴（石蠟）；②

24、環(huán)烷，環(huán)狀類型的烴類；③苯型的烴類。4.石油的熱力學(xué)條件。5.石油的原始母質(zhì),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),49,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),50,7.2.2.2 我國(guó)海相石油地球化學(xué)研究,石油主要產(chǎn)在海相沉積盆地，我國(guó)以湖相沉積盆地為主。但碳酸鹽在我國(guó)分布非常廣泛，尤其是東部地區(qū)，大面積分布的海相新元古宙至三疊紀(jì)碳酸鹽地層累計(jì)厚度超過(guò)10km。新疆寒武紀(jì)、二疊紀(jì)和第三系海相巖層中含有碳酸巖，在這

25、些碳酸鹽巖為主的海相沉積中廣泛產(chǎn)出石油、氣苗，而且已發(fā)現(xiàn)許多屬于原生成因工業(yè)油、氣藏。針對(duì)這套地層海相碳酸鹽巖地層，尤其是南方碳酸鹽巖地層具有有機(jī)質(zhì)含量低、熱演化程度高的特點(diǎn)，許多研究單位對(duì)其進(jìn)行了有機(jī)地球化學(xué)研究，對(duì)碳酸鹽巖生油與碳酸鹽巖生油評(píng)價(jià)等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),51,7.2.2.2 我國(guó)海相石油地球化學(xué)研究,1、碳酸鹽巖生油潛力2、碳酸鹽生油巖地球化學(xué)特征(type)3、碳酸鹽

26、生油巖評(píng)價(jià),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),52,2、碳酸鹽生油巖地球化學(xué)特征(type),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),53,2、碳酸鹽生油巖地球化學(xué)特征(type),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),54,3、碳酸鹽生油巖評(píng)價(jià),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),55,7.3 金屬成礦過(guò)程中生物和有機(jī)質(zhì)的作用,7.3.1 有機(jī)質(zhì)對(duì)金屬的富集作用7.3.2 層控礦床有機(jī)地球

27、化學(xué),2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),56,7.3.1 有機(jī)質(zhì)對(duì)金屬的富集作用,7.3.1.1 生物對(duì)金屬的富集作用7.3.1.2 有機(jī)絡(luò)合物的形成機(jī)制7.3.1.3 有機(jī)質(zhì)的物理吸附作用7.3.1.4 有機(jī)化學(xué)沉淀作用7.3.1.5 細(xì)菌對(duì)硫酸鹽的還原作用,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),57,7.3.1.1 生物對(duì)金屬的富集作用,2007年2月18日,第7章

28、 有機(jī)地球化學(xué),58,配位體：Fe—卟啉、咪、—NH2=NH1R2S、—COO-等Mg——COO－、=PO4－等；Cu——NH2、=NH、R2S、—S－等,7.3.1.2 有機(jī)絡(luò)合物的形成機(jī)制,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),60,7.3.1.2 有機(jī)絡(luò)合物的形成機(jī)制,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),61,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),62,2007年2月18日,第7章 有機(jī)

29、地球化學(xué),63,7.3.1.3 有機(jī)質(zhì)的物理吸附作用7.3.1.4 有機(jī)化學(xué)沉淀作用 當(dāng)含有溶解形式金屬的地下水或熱水滲透至富有機(jī)質(zhì)的沉積物或沉積巖中時(shí)，含碳物質(zhì)（還原劑）可以使某些易溶的高價(jià)離子還原并發(fā)生沉淀和富集，富含有機(jī)碳巖層中的U、Au可能由此種機(jī)制形成。7.3.1.5 細(xì)菌對(duì)硫酸鹽的還原作用,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),64,7.3.2 層控礦床有機(jī)地球化學(xué),7.3.2.1 礦

30、源層有機(jī)質(zhì)以腐泥型為主7.3.2.2 容礦層有機(jī)質(zhì)主要是石油瀝青7.3.2.3 石油瀝青演化與成礦溫度窗7.3.2.4 成礦流體有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)及元素的活化、遷移與沉淀7.3.2.5 改造礦床與油氣礦床在空間展布上的密切關(guān)系,7.3.2.1 礦源層有機(jī)質(zhì)以腐泥型為主,湘、贛、浙等發(fā)育的下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖系，主要由黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、黑色碳泥質(zhì)硅質(zhì)巖和黑色碳質(zhì)硅質(zhì)巖組成，其中賦存有很厚的石煤層、磷塊巖層、黑色頁(yè)巖

31、型釩礦層和鎳鉑多金屬富集層——礦源層,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),66,7.3.2.4 成礦流體有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)及元素 的活化、遷移與沉淀,同樣富含有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)的降解和熱演化導(dǎo)致成礦元素沉淀。,2007年2月18日,第7章 有機(jī)地球化學(xué),68,第7章 復(fù)習(xí)思考題,1、地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源和主要化學(xué)組成。2、植物和動(dòng)物中有機(jī)質(zhì)基本分類★。3、腐殖酸分類及物理化學(xué)性質(zhì)★。4、有機(jī)反應(yīng)的類型。5、簡(jiǎn)述碳