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1、有机地球化学,有机地球化学概念 有机地球化学研究任务,自然界中有机质与元素的生物循环 煤的有机地球化学 石油的有机地球化学,有机地球科学概念 研究地质体与天体中有机质组成、结构及其发生、发展与演化规律的科学。 有机地球化学涵盖了油气地球化学、煤与煤成烃地球化学、有机实验地球化学、有机包裹体地球化学、氨基酸生物地球化学、界面有机地球化学、宇宙有机地球化学、固体矿床有机地球化学、环境有机地球化学、生物标志物地球化学等。,有机地球化学研究任务 研究地质体内有机质的成因和演化规律；有机物与无机物之间相互作用的实质和聚集条件；服务于能源、金属非金属矿产的勘探开发和利用。有机地球化学在油气能源勘探中发挥着
2、重要作用。 研究各种生物标志物对沉积环境、有机质母源和成矿条件等方面的指示作用，为认识有机质演化、沉积-成岩（矿）过程、事件沉积（缺氧事件和冰期事件等）开辟新的研究途径。,有机地球化学研究任务 研究地球古老岩石、陨石及其它宇宙中有机化合物的产生条件，阐明有机碳演化的规律，探索生命发生、发展及其早期生命演化的可能过程。 研究天然的和合成的有机污染物的迁移规律及其引起的环境质量变化，寻求控制环境恶化和改善环境的途径和方法。,（一）自然界中有机质 1、有机质的元素组成 碳、氢、氧、氮、磷、硫及其它微量元素,常见有机质的主要化学组成（转引自张长年等，1993）,一、自然界中有机质与元素的生物循环,生物
3、演化过程中，对元素的选择遵循原则： （1）丰度规则 生物体一般选择自然环境中丰度最高元素； （2）生物利用度（bioavailability)规则 （3）有效性原则 生物总体上选择更加有效的化合物利用。 （4）基本适宜原则,2、有机质的化合物组成,有机化合物三种类型： (1)链状化合物或脂肪族化合物： 化合物中碳的骨架是一个或长或短的链子 (2)碳环化合物 化合物中碳的骨架是环状的，包括脂环化合物和芳香族化合物。 (3)杂环化合物 化合物里的环由碳原子和其他非碳的原子组成的,结构式,正丁烷与异丁烷,一些重要的官能团,化合物的性质主要由官能团决定，反应主要发生在官能团及其相关部位，具有相同的官能
4、团的化合物具有类似性质。,3、有机质的化合物结构,立体异构体的概念 立体异构是指化合物的结构式相同但立体构型不同的现象。 立体异构体又可分为：顺、反异构（或几何异构）、对映异构（或旋光异构）和构象异构三种形式。 生物有机质中的化合物常存在立体异构现象。,1）.顺、反异构 分子产生顺、反异构现象，在结构上在分子中存在限制旋转的因素，如分子中存在双键或环。 （1）含双键化合物的顺、反异构体 若两个相同的基团都在双键的同一方叫顺式，反之，为反式。,顺式,反式,（2) 环状化合物的顺、反异构体,当环上有两个或两个以上的碳原子连着两个不同的原子或基团时，就存在顺、反异构。 若两个相同的基团都在环平面的同
5、一方叫顺式（C is-), 在不同一方的叫反式（trans-）。 一般，基团分布在环平面上方的键用实线表示，分布在下方的用虚线表示。,（顺式）,（反式）,2）.对映异构,把具有“实物”与“镜影”这种特征的现象称为“手征性”。 当与碳原子连接的四个原子（或基团）的空间分布具有手征性特征子，这个碳原子就叫手征性碳原子。 对应异构体用R、S标记，R表示Ractus,意思是“右”; S 为Sinirtar,意为“左” ，拉丁文。,1,2,3,4,反时针，S型,顺时针，R型,“序列规则”：首先，根据将与手征性碳原子相连的四个原子（或基团）确定一个先后顺序，即按与手征性碳原子相连的原子的原子序数由小到大排
6、列，分别用1到4表示。将标为1的基团放在观察者的最远位置，再从基团4开始，按4、3、2的顺序，如果是顺时针方向排列，则称“R”构型，若是反时针方向，则为S构型。,3）.构象异构体,同一构型的化合物，由于单键的旋转万象产生的分子中各原子或基团在空间的不同排列形式叫构象。,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,说明构象与构型区别的分子模型,环己烷的椅式和船式构象,当C-H键在环平面上方时，用实线或实心园点表示，称为（H），在平面下时，用虚线或空心园点表示，称（H）。,连接着四个相同的原子(成原子团)的碳原子处于一个正四面体的中心，而四个基团占据正四面体的四个顶点(这个位置最稳定)，此时，
7、碳原子具有对称性。 当碳原子连接四个不同的基团时，这种对称性就消失了，成为一个不对称的分子，因而可有两种也只能有两种立体异构体存在：,4）光学异构,光学异构,它们彼此互为实物和镜影，二者无论如何不能重叠，正象左右手不能重叠一样，这说明它们不是相同的化合物。 这两种化合物具有相同的物理和化学性质，但是一种分子使平面偏振光向左旋转，另一种分子则使平面偏振光向右旋转。这两种异构体就是光学异构体。 由于它们互为实物和镜影的关系，所以又叫对映异构体，简称为对映体。将偏振光朝左旋的，叫左旋体（）；朝右旋的，叫右旋体（）。,构型：不同的空间排列叫做不同的构型。 标准：一般都以甘油醛作为标准，人为地规定右旋甘
8、油醛用符号D来表示。左旋甘油醛便应该是它的对映体，并用符号L来表示它的构型。,含有两个相同的不对称碳原子的光学异构。 以酒石酸为例，在酒石酸分子中的两个不对称碳原子，都与-H、-OH、-COOH和-CH(OH)(COOH)四个基相结合。这样的分子可以有三种异构休，其投影式如下：,5）内、外消旋化合物,内消旋化合物,蛋白质、脂类、碳水合物、色素、木质素，还有少量其他化合物。化学成分分类见教材 P304表8.1,一、自然界中有机质与元素的生物循环,（一）自然界中有机质 1 有机质的元素组成 2有机质的化合物组成 3自然界中有机质分类,羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代的化合物叫氨基酸。
9、蛋白质是由大约20种氨基酸相互间用氨基和羧基通过失水形成酞胺键构成的，水解后，可以生成各种氨基酸。 蛋白质容易受喜氧细菌破坏，不利保存。现代沉积物物中含氨基酸达0.5mg/g，古代沉积物中，贝壳类化石硬体和硅质岩类中氨基酸保存较好，古氨基酸部分与非蛋白质聚合物结合成腐殖质，部分呈吸附态存在。一般海相沉积物中氨基酸高于湖相，碳酸盐沉积物高于泥质。,氨基酸与蛋白质,（一）自然界中有机质 4、氨基酸与蛋白质,一、自然界中有机质与元素的生物循环,（一）自然界中有机质 4、氨基酸与蛋白质,脂类指不溶于水但溶于有机溶剂（乙醚和苯）的一类物质。 脂类分解成脂肪酸（RCOOH)。脂肪酸与其它脂类可聚合成聚酯类
10、。 脂类可转化为沉积物中的沥青类，也可结合到腐殖质或干酪根中。接近脂类的植物角质、树脂和烃统称泛脂类。植物角质很稳定，成为化石的植物角质有如琥珀。 脂类的特点：一是抗腐能力强；二是化学成分和结构都最接近石油。,脂类,一、自然界中有机质与元素的生物循环,（一）自然界中有机质 5、脂类,碳水化合物亦称糖类化合物，是自然界存在最多、分布最广的一类重要的有机化合物。葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素等都属于糖类化合物。 糖类化合物是一切生物体维持生命活动所需能量的主要来源。 主要由C，H，O三种元素组成，分子中H和O的比例通常为2：1，与水分子中的比例一样，故称为碳水化合物。,碳水化合物,沉积物中的色素：叶绿
11、素色素叶绿素和卟啉；叶红素橙色素、胡萝卜素和叶黄素；黄素脘、黄色素等。,色素及其衍生物,卟啉化合物： 卟啉、叶绿素、血红素等杂环化合物，由碳、氢、氮、硫等组成。,构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连的作用。 由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合物。 从化学观点来看，木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子，它与纤维素、半纤维素一起，形成植物骨架的主要成分，在数量上仅次于纤维素。 填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度，利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭（抗腐烂性）。,木质素,是腐殖质的主要部分，是腐殖质中能溶于碱溶液的部分。
12、 腐殖质呈暗色至黑棕色的一组无定形胶体状高分子物质，由动植物遗体经过腐解生成。 腐殖质是天然水体中最重要的有机配体（螯合剂）。河水中腐殖质的平均含量为1050mg/L，底泥中腐殖质含量更为丰富，约占底泥1%3%。对金属元素和人为污染物质在地表的迁移和富集有重要的意义。,腐殖酸,腐殖物质按其在酸、碱溶液中的溶解度，通常分为三个级分: 胡敏素，即腐殖物质中不溶于碱的部分；而能溶于乙酰溴； 胡敏酸，即腐殖质中溶于碱不溶于酸（遇无机酸能沉淀）的部分； 富啡（里）酸，即腐殖质中既溶于碱又溶于酸的部分。 后两者总称腐殖酸。,腐殖质,腐殖酸（Humic Acid，简写HA），是腐殖质的主要部分，是腐殖质中能
13、溶于碱溶液的部分。 是动植物遗骸，经过微生物的分解和转化，以及一系列的化学过程和积累起来的一类有机物质。它是由芳香族及其多种官能团构成的高分子有机酸，具有良好的生理活性和吸收、络合、交换等功能。它广泛存在于土壤、湖泊、河流、海洋以及泥炭（又称草炭）、褐煤、风化煤中。 按自然界分类，它可以分为三类，即土壤腐殖酸、水体腐殖酸和煤炭腐殖酸。 有相当多的资料表明，腐殖酸水解可以产生多种氨基酸。,腐殖酸,腐殖酸的物理化学性质 腐殖酸的元素组成为C5060，H36，N 1.56，S1，其余大部分为O 以苯、萘、蒽、吡啶等芳香环作为骨架，具有羧基、羰基、酚基、醇基和甲氧基等。 腐殖酸是一种亲水性可逆胶体，比
14、重在1.3301.448之间，通常呈黑色或棕色胶体状态，其颜色和比重随煤化程度的加深而增加。具有疏松的“海绵状”结构，使其产生巨大的表面积（330340 m2/g）和表面能，构成了物理吸附的应力基础。,腐殖酸的物理化学性质 胶体性质 腐殖酸粒径在6100nm，恰好处于胶体粒径的范围之内。腐殖酸的表面积大、粘度较高、吸附能力强，在溶于碱溶液之前先发生胶体作用。 有明显的酸性 含有羧基、酚羟基等酸性基团，其溶液pH=3-4。一般富里酸中羧基含量比胡敏酸大24倍，富里酸对金属离子的溶解能力比胡敏酸强。 酸性表现为： (a)能和苛性钠、氢氧化钠等中和而生成盐; (b)能和金属铁作用释放出氢；(c)能分
15、解碳酸盐、磷酸盐、醋酸盐和硅酸盐，使这些酸游离出来；(d)能和醇作用生成酯。,亲水性 腐殖酸的亲水程度取决分子中的羧基、酚羟基、醇羟基等都是亲水基团。 分子中存在有桥键，碳网具有疏松的海绵状结构，大量水分子就可以分布于这些梅绵状空隙中。即使是风干了的腐殖酸也还可能含有25的水分。 腐殖酸于芳核与侧链间的比例，即取决于缩合程度。缩合程度低者有胶溶倾向，对电解质有较高的稳定性，有较大的移动能力。,腐殖酸的物理化学性质,沉积物和沉积岩中不溶于水、酸、碱、普通有机溶剂的那部分有机质的总称。 干酪根是相当于煤与石油总储量的1000倍与16000倍。沉积岩有机质中分布最广、数量最多的一类有机质，约占地质体
16、中有机质的95，其余为沥青。 估计岩石中平均干酪根为0.3，地壳中干酪根总量约为31015t，大约,干酪根,沉积有机质中的干酪根,1）、干酪根的定义和形成,定义：,油母质，沉积岩中不溶于非氧化型酸、 碱和非极性有机溶剂的分散沉积有机质。,形成过程：,生物有机组分,成岩作用,水体,干酪根的形成过程,2）.干酪根的成分,成分：,黑色或褐色粉末，是一种高分子聚合物，无固定的化学成分C（79%）H（9%）O（3%）S（5%）N（2%）微量元素。,3）.干酪根类型化学分类,根据碳、氢、氧元素的组成，将干酪根分为型、型、型 3种类型。,3类干酪根的H/C原子比与O/C原子比分别为： 型: H/C 1.751.25， O/C 0.0260.12； 型: H/C 1.250.65, O/C 0.040.13； 型: H/C0.460.93, O/C 0.050.
