有机地球化学

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1、第七章 有机地球化学2007年2月18日1第7章 有机地球化学v有机地球化学概述有机地球化学主要研究天然有机质的组成、结 构和性质，以及它们在地质体中的分布、转化 和参与地质作用时的行为等。 在某种意义上，有机地球化学是拓宽了的生物 地球化学，它既包括生物改变大气圈、水圈和 沉积岩石圈化学特征的作用及生物对元素迁移 的控制和影响，也包括非生物成因有机化合物 在地球早期的发生、发展和生命的出现，还包 括生物成因有机化合物的变化、聚集、转移及 其对元素分配的影响。2007年2月18日2第7章 有机地球化学v有机地球化学的发展20世纪80年代前，韦尔纳茨基和维诺格拉多夫 创立生物地球化学时，侧重研究

2、生物参与的地 球化学作用，随着地球化学与有机化学、生物 学、生物化学等学科的杂交和渗透，产生和发 展了地球化学的这一个新的重要分支有机 地球化学。因此有机地球化学是地学、有机化 学和生物学互相渗透发展起来的一门边缘学科 。 早期有机地球化学的形成与发展得益于石油地球化 学的进步，并在很大程度上受石油地球化学影响， 但随着高精度分析测试方法和同位素示踪技术的应 用，有机地球化学研究领域不断拓展，现在广泛应 用于能源、矿产资源、海洋、环境和生命科学。 2007年2月18日3第7章 有机地球化学v有机地球化学的研究内容 包括基础研究和应用研究两个方面： q基础研究的内容是： 探讨无机物质（CH4、H

3、2O、CO2和NH3等）逐 步演化产生简单有机化合物和生物大分子的过程 ； 有机体的生物降解及有机大分子的热降解和聚 合并最终转换为无机物的演化过程； 为了沉积岩有机质来源、沉积和成岩作用的物 理化学条件，进行生物标志化合物的研究，即分 子有机地球化学 。 有机质同位素组成、分馏与成因； 干酪根的结构与性质。 2007年2月18日4第7章 有机地球化学q应用研究领域包括： 可燃性矿产的成因和远景评价 有机地球化学研究 沉积有机地球化学（海洋与沼泽有机地 球化学） 矿床有机地球化学 环境有机地球化学研究 2007年2月18日5第7章 有机地球化学有机地球化学的学科方向石油有机地球化学 沉积有机地

4、球化学（海洋与湖沼有机 地球化学） 矿床有机地球化学 环境有机地球化学2007年2月18日6第7章 有机地球化学7 有机地球化学l7.1 自然界中的有机质和元素的生物循环l7.2 可燃类矿床的有机地球化学l7.3 金属成矿过程中生物和有机质的作用2007年2月18日7第7章 有机地球化学7.1 自然界中的有机质和 元素的生物循环l7.1.1 自然界中的有机质l7.1.2 有机反应、能量的转换和储存l7.1.3 元素的生物地球化学循环l7.1.4 有机质的同位素研究l7.1.5 生物标志化合物2007年2月18日8第7章 有机地球化学7.1.1 自然界中的有机质l7.1.1.1 各类地质体中的有

5、机质l7.1.1.2 环境中的腐殖物质l7.1.1.3 水体中有机质的存在形式、组成 与分布2007年2月18日9第7章 有机地球化学7.1.1 自然界中的有机质2007年2月18日10第7章 有机地球化学7.1.1.1 各类地质体中的有机质l从广义有机地球化学角度，综合考 虑沉积物中残存有机质和变化有机 质，地质体有机质分为5类：类脂化 合物；氨基化合物；色素；碳水化 合物；干酪根 ：2007年2月18日11第7章 有机地球化学地质体中有机质类型l蛋白质l脂类（脂肪）l碳水化合物l色素及其衍生物l木质素l腐殖酸和干酪根 2007年2月18日12第7章 有机地球化学2007年2月18日13第7

6、章 有机地球化学7.1.1.2 环境中的腐殖物质l腐殖物质是地球表面分布很广的天然物质，它存 在于土壤、湖泊、河流以及海洋中。l腐殖物质的分子量范围可从几百到几万，是无定 形的褐色或者黑色的亲水的酸性的高分子物质。 它的存在不仅能改变环境的物理性质，使营养元 素（特别是微量元素）易于传递和有效地被生物 吸收，而且有强烈的吸附能力，能与金属元素形 成稳定的络合物，从而对金属元素和人为释放的 污染物在地表的迁移和富集有重要意义。2007年2月18日14第7章 有机地球化学1 腐殖质的组成与分类 l腐殖酸的分子式：C68H53O40CH3(OH)4(COOH4)q按腐殖物质在酸和碱中的溶解度可划分为

7、：v胡敏素（humin, 亦称胡咖酸）：不溶于碱溶 液而能溶于乙酰溴；v胡敏酸（humin acid）：在碱提取液中能被无 机酸（盐酸和硫酸）沉淀的那一部分；v富里酸（fulvic acid）：为碱提取液用酸处理 后留在溶液中的部分。v后二者（）总称腐殖酸。2007年2月18日15第7章 有机地球化学腐殖酸成分变化由沉积环境、有机母质类型、聚合 程度和成熟度决定。如海洋和湖泊腐殖酸主要来自 藻类；泥炭和煤源于高等植物。腐殖酸中元素组成 幅度很大，总体分子量很大 2007年2月18日16第7章 有机地球化学2、腐殖酸的物理-化学性质l腐殖酸通常呈黑色、棕色、黄色胶体状态 ，具有很强的吸附性和吸水

8、性 l1.胶体性质强吸附功能l2.有明显的酸性l3.亲水性2007年2月18日17第7章 有机地球化学2007年2月18日18第7章 有机地球化学7.1.1.3 水体中有机质的存在形式 、组成与分布l1、存在形式：溶解有机质和颗粒有机质。l2、组成与分布：天然水中有机化合物的成 分和结构都十分复杂，通常只能用一些综合 参数，如总有机碳、总有机氮、溶解有机碳 、溶解有机氮、溶解有机磷、颗粒有机碳等 来估计水中的有机质的量。l如水的COD 测定2007年2月18日19第7章 有机地球化学2007年2月18日20第7章 有机地球化学不同深度的海水中颗粒有机碳含量是不同；不同洋区 表层颗粒物微量元素研

9、究：Mn、Co、V主要存在陆源物 质和自生沉积中；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21第7章 有机地球化学7.1.2 有机反应、能量的转换和储存l1.光合作用l2.充氧条件下的腐解作用l3.缺氧条件下的腐解作用l4.氧化还原反应l5.聚合反应l6.解聚合反应l7.加成反应2007年2月18日22第7章 有机地球化学2007年2月18日23第7章 有机地球化学7.1.3 元素的生物地球化学循环l7.1.3.1 碳的地球化学循环l7.1.3.2 氮的地球化学循环l7.1.3.3 硫的地球化学循环l7.1.3.4 氧的地球化学循环2007年2月18日24

10、第7章 有机地球化学2007年2月18日25第7章 有机地球化学2007年2月18日26第7章 有机地球化学2007年2月18日27第7章 有机地球化学2007年2月18日28第7章 有机地球化学2007年2月18日29第7章 有机地球化学7.1.4 有机质的同位素研究l沉积有机质中有机元素的稳定同 位素，将对确定沉积有机质来源 、沉积环境、形成和转化机制等 具有重要意义 2007年2月18日30第7章 有机地球化学2007年2月18日31第7章 有机地球化学7.1.5 生物标志化合物l1、生物标志化合物l又称化学化石、地球化学化石或指纹 化合物等。指来源于有机质以及原油 、油页岩、煤中那些活

11、生物体，在有 机质演化过程中具有一定的稳定性， 没有或很少发生变化，基本保持原始 生化组分的碳骨架，记载了原始生物 母质的特殊分子结构信息的有机化合 物。 2007年2月18日32第7章 有机地球化学q通过对比碳的化合物及其生物前身物质，可以 推断化合物的成因，并提供重要的地质、地球 化学信息。q生物标志化合物所提供的信息包括：q不同类型碳的化合物的相对丰度，如正烷烃 奇偶优势、植烷和姥鲛烷的比值等；q有机物质的分子结构，特别是有机分子的立 体结构，愈是复杂的化合物往往能提供愈多的 信息；q烃类、脂肪酸、腐殖酸等的同位素组成。2007年2月18日33第7章 有机地球化学2、应用生物标志化合物应

12、用解决地质-地球化学问题 生物标志化合物所提供的信息可用于判断沉积物的 物质来源，区分沉积物属海相成因或陆相成因，推 断沉积物沉积期和早期成岩阶段的物理化学环境（ 如氧化-还原条件、沉积环境的营养状况等），以及 成岩作用的强度。v（1）指示沉积岩中有机物质的来源v（2）指示沉积物的成熟度v（3）指示环境的氧化-还原条件2007年2月18日34第7章 有机地球化学（1）指示沉积岩中有机物质的来源2007年2月18日35第7章 有机地球化学v正烷烃主峰碳为n-C15 、 n- C17低等水生燥类主碳峰n-C15、n-C17和n-C27、 n-C29，前者为燥类后者为高等 植物，混合源2007年2月

13、18日36第7章 有机地球化学（2）指示沉积物的成熟度（CPI值 ） 2007年2月18日37第7章 有机地球化学（3）指示环境的氧化-还原条件l正烷烃偶碳优势出现在强还原环 境或有蒸发盐、碳酸盐产出环境 。l以伊利石和蒙脱石为催化剂时， 形成奇碳优势正烷烃。2007年2月18日38第7章 有机地球化学7.2 可燃类矿床的有机地球化学l7.2.1 煤的有机地球化学l7.2.2 石油的有机地球化学2007年2月18日39第7章 有机地球化学煤是一类储量丰富的固体可燃有机矿产，是我国 能源的主要组成部分。煤和石油都属可燃有机矿产，但石油和煤之间存 在显著差别：石油是液体，其原始物质来自低等水生浮游

14、生物 ，H/C原子比为1.51.8%；煤主要是由具芳香结构的固体有机物组成，H/C 原子比仅为0.4%1.0%，且成煤原始物质主要是 高等植物。 2007年2月18日40第7章 有机地球化学7.2.1 煤的有机地球化学1、煤成因、结构和化学组成研究 v 由陆上植物遗骸所形成 v 植物组成： v 纤维素（结构属脂类），分子式为C6H10O5 ，容易分解为CO2、CH4和脂肪酸。木质素（属芳香族型），分子式为C12H18O9 ，抗微生物腐蚀能力强。多数人认为木质素 是煤的原始母质 ；2007年2月18日41第7章 有机地球化学木质素结构纤维素结构2007年2月18日42第7章 有机地球化学q煤的化

15、学组成研究表明，煤主要由高 分子量复杂有机化合物组成。煤的分离 产物中大部分为芳香族化合物，芳香族 化程度随煤的变质程度增加而增大。最 后达到完全芳香族化而进入石墨阶段。2007年2月18日43第7章 有机地球化学2.煤形成过程植物母质转化为煤过程：生物化学阶段和其它变质阶 段 生物化学阶段主要为母质转变为泥炭 。泥炭形成过程 包括：水溶物质的迅速分解；纤维素化合物的缓 慢分解，泥炭性质取决于这些化合物分解是否完全。 微生物细胞物质的聚集。当环境不适合细菌活动时 ，生物化学阶段结束。l植物母质通过泥炭向煤进一步演化 2007年2月18日44第7章 有机地球化学2007年2月18日45第7章 有

16、机地球化学3、影响煤等级的因素 埋藏时间，如古生宙的煤为高级 变质煤，第三纪为低级变质煤； 地壳运动和侵入体热作用； 褶皱和断裂产生的挤压力； 埋深引起的增温和增压。其中埋 深引起的温压增加最受重视。 2007年2月18日46第7章 有机地球化学7.2.2 石油的有机地球化学q7.2.2.1 石油的原始物质q7.2.2.2 我国海相石油地球化学研究2007年2月18日47第7章 有机地球化学7.2.2.1 石油的原始物质1.石油的形成环境 2.石油的元素组成 ：原油在元素成分上是相 当固定的。一般含碳8387，含氢11 14，其他元素主要为O、N和S，最高含量约 为5。 3.石油化合物组成：这些烃类可以划分为3 个系