18第七章有機地球化學

1、第七章有機地球化學,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,2,有機地球化學概述,有機地球化學主要研究天然有機質的組成、結構和性質，以及它們在地質體中的分布、轉化和參與地質作用時的行為等。在某種意義上，有機地球化學是拓寬了的生物地球化學，它既包括生物改變大氣圈、水圈和沉積巖石圈化學特征的作用及生物對元素遷移的控制和影響，也包括非生物成因有機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化合物的變化、聚集、轉移及其

2、對元素分配的影響。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,3,有機地球化學的發(fā)展,20世紀80年代前，韋爾納茨基和維諾格拉多夫創(chuàng)立生物地球化學時，側重研究生物參與的地球化學作用，隨著地球化學與有機化學、生物學、生物化學等學科的雜交和滲透，產生和發(fā)展了地球化學的這一個新的重要分支——有機地球化學。因此有機地球化學是地學、有機化學和生物學互相滲透發(fā)展起來的一門邊緣學科。早期有機地球化學的形成與發(fā)展得益于石油地球化學的進步，并在很大

3、程度上受石油地球化學影響，但隨著高精度分析測試方法和同位素示蹤技術的應用，有機地球化學研究領域不斷拓展，現(xiàn)在廣泛應用于能源、礦產資源、海洋、環(huán)境和生命科學。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,4,有機地球化學的研究內容,包括基礎研究和應用研究兩個方面：基礎研究的內容是：①探討無機物質（CH4、H2O、CO2和NH3等）逐步演化產生簡單有機化合物和生物大分子的過程；②有機體的生物降解及有機大分子的熱降解和聚合并最終轉換為

4、無機物的演化過程；③為了沉積巖有機質來源、沉積和成巖作用的物理化學條件，進行生物標志化合物的研究，即分子有機地球化學 。④有機質同位素組成、分餾與成因；⑤干酪根的結構與性質。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,5,應用研究領域包括：①可燃性礦產的成因和遠景評價有機地球化學研究②沉積有機地球化學（海洋與沼澤有機地球化學）③礦床有機地球化學 ④環(huán)境有機地球化學研究,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,6

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

6、機質7.1.2 有機反應、能量的轉換和儲存7.1.3 元素的生物地球化學循環(huán)7.1.4 有機質的同位素研究7.1.5 生物標志化合物,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,9,7.1.1 自然界中的有機質,7.1.1.1 各類地質體中的有機質7.1.1.2 環(huán)境中的腐殖物質7.1.1.3 水體中有機質的存在形式、組成與分布,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,10,7.1.1 自然界中的有

7、機質,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,11,7.1.1.1 各類地質體中的有機質,從廣義有機地球化學角度，綜合考慮沉積物中殘存有機質和變化有機質，地質體有機質分為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 有機地球化學,12,地質體中有機質類型,①蛋白質②脂類（脂肪）③碳水化合物④色素及其衍生物⑤木質素⑥腐殖酸和干酪根,2007年2月18日,第7章 有機地球化學

8、,13,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,14,7.1.1.2 環(huán)境中的腐殖物質,腐殖物質是地球表面分布很廣的天然物質，它存在于土壤、湖泊、河流以及海洋中。腐殖物質的分子量范圍可從幾百到幾萬，是無定形的褐色或者黑色的親水的酸性的高分子物質。它的存在不僅能改變環(huán)境的物理性質，使營養(yǎng)元素（特別是微量元素）易于傳遞和有效地被生物吸收，而且有強烈的吸附能力，能與金屬元素形成穩(wěn)定的絡合物，從而對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 有機地球化學,15,1 腐殖質的組成與分類★,腐殖酸的分子式： C68H53O40CH3(OH)4(COOH4)按腐殖物質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機酸（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 有機地球化學,16,腐殖酸成分變化由沉積環(huán)境、有機母質類型、聚合程度和成熟度決定。如海洋和湖泊腐殖酸主要來自藻類；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 有機地球化學,17,2、腐殖酸的物理-化學性質,腐殖酸通常呈黑色、棕色、黃色膠體狀態(tài)，具有很強的吸附性和吸水性 1.膠體性質—強吸附功能2.

11、有明顯的酸性3.親水性,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,18,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,19,7.1.1.3 水體中有機質的存在形式、組成與分布,1、存在形式：溶解有機質和顆粒有機質。2、組成與分布：天然水中有機化合物的成分和結構都十分復雜，通常只能用一些綜合參數(shù)，如總有機碳、總有機氮、溶解有機碳、溶解有機氮、溶解有機磷、顆粒有機碳等來估計水中的有機質的量。如水的COD 測定,2007年2月18

12、日,第7章 有機地球化學,20,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,21,不同深度的海水中顆粒有機碳含量是不同；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 有機地球化學,22,7.1.2 有機反應、能量的轉換和儲存,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5.

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

14、26,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,28,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,29,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,30,7.1.4 有機質的同位素研究,沉積有機質中有機元素的穩(wěn)定同位素，將對確定沉積有機質來源、沉積環(huán)境、形成和轉化機制等具有重要意義,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,31,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,32,7.1.5 生物標志化合物,1、生物標志

15、化合物又稱化學化石、地球化學化石或指紋化合物等。指來源于有機質以及原油、油頁巖、煤中那些活生物體，在有機質演化過程中具有一定的穩(wěn)定性，沒有或很少發(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的特殊分子結構信息的有機化合物。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,33,通過對比碳的化合物及其生物前身物質，可以推斷化合物的成因，并提供重要的地質、地球化學信息。生物標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、對豐度，如正烷烴奇偶優(yōu)勢、植烷和姥鮫烷的比值等；②有機物質的分子結構，特別是有機分子的立體結構，愈是復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 有機地球化學,34,2、應用生物標志化合物應用,解決地質-地球化學問題生物標志化合物所提供的信息可用于判斷沉積物的物質來源，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環(huán)境（如氧化-還原條件、沉積環(huán)境

17、的營養(yǎng)狀況等），以及成巖作用的強度。（1）指示沉積巖中有機物質的來源（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 有機地球化學,35,（1）指示沉積巖中有機物質的來源,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 有機地球化學,37,（2）指示沉積物的成熟度（C

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

19、礦產，是我國能源的主要組成部分。煤和石油都屬可燃有機礦產，但石油和煤之間存在顯著差別：石油是液體，其原始物質來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構的固體有機物組成，H/C原子比僅為0.4%~1.0%，且成煤原始物質主要是高等植物。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,41,7.2.1 煤的有機地球化學,,1、煤成因、結構和化學組成研究①由陸上植物遺骸所形成②植物組成：纖維素（結

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

21、。最后達到完全芳香族化而進入石墨階段。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,44,2.煤形成過程,植物母質轉化為煤過程：生物化學階段和其它變質階段 生物化學階段主要為母質轉變?yōu)槟嗵?。泥炭形成過程包括：①水溶物質的迅速分解；②纖維素化合物的緩慢分解，泥炭性質取決于這些化合物分解是否完全。③微生物細胞物質的聚集。當環(huán)境不適合細菌活動時，生物化學階段結束。植物母質通過泥炭向煤進一步演化,2007年2月18日,第7章 有機地球

22、化學,45,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,46,3、影響煤等級的因素,①   埋藏時間，如古生宙的煤為高級變質煤，第三紀為低級變質煤；②     地殼運動和侵入體熱作用；③     褶皺和斷裂產生的擠壓力；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 有機地球

23、化學,47,7.2.2 石油的有機地球化學,7.2.2.1 石油的原始物質7.2.2.2 我國海相石油地球化學研究,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,48,7.2.2.1 石油的原始物質,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.石油的熱力學條件。5.石油的原始母質,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,49,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,50,7.2.2.2 我國海相石油地球化學研究,石油主要產在海相沉積盆地，我國以湖相沉積盆地為主。但碳酸鹽在我國分布非常廣泛，尤其是東部地區(qū)，大面積分布的海相新元古宙至三疊紀碳酸鹽地層累計厚度超過10km。新疆寒武紀、二疊紀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質含量低、熱演化程度高的特點，許多研究單位對其進行了有機地球化學研究，對碳酸鹽巖生油與碳酸鹽巖生油評價等有關問題進行研究。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,51,7.2.2.2 我國海相石油地球化學研究,1、碳酸鹽巖生油潛力2、碳酸鹽生油巖地球化學特征(type)3、碳酸鹽

26、生油巖評價,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,52,2、碳酸鹽生油巖地球化學特征(type),2007年2月18日,第7章 有機地球化學,53,2、碳酸鹽生油巖地球化學特征(type),2007年2月18日,第7章 有機地球化學,54,3、碳酸鹽生油巖評價,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,55,7.3 金屬成礦過程中生物和有機質的作用,7.3.1 有機質對金屬的富集作用7.3.2 層控礦床有機地球

27、化學,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,56,7.3.1 有機質對金屬的富集作用,7.3.1.1 生物對金屬的富集作用7.3.1.2 有機絡合物的形成機制7.3.1.3 有機質的物理吸附作用7.3.1.4 有機化學沉淀作用7.3.1.5 細菌對硫酸鹽的還原作用,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,57,7.3.1.1 生物對金屬的富集作用,2007年2月18日,第7章

28、 有機地球化學,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 有機絡合物的形成機制,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,60,7.3.1.2 有機絡合物的形成機制,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,61,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,62,2007年2月18日,第7章 有機

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

30、源層有機質以腐泥型為主7.3.2.2 容礦層有機質主要是石油瀝青7.3.2.3 石油瀝青演化與成礦溫度窗7.3.2.4 成礦流體有機質的性質及元素的活化、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系,7.3.2.1 礦源層有機質以腐泥型為主,湘、贛、浙等發(fā)育的下寒武統(tǒng)黑色頁巖系，主要由黑色碳質頁巖、黑色碳泥質硅質巖和黑色碳質硅質巖組成，其中賦存有很厚的石煤層、磷塊巖層、黑色頁巖

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 有機地球化學,66,7.3.2.4 成礦流體有機質的性質及元素 的活化、遷移與沉淀,同樣富含有機質，有機質的降解和熱演化導致成礦元素沉淀。,2007年2月18日,第7章 有機地球化學,68,第7章 復習思考題,1、地質體中的有機質的主要來源和主要化學組成。2、植物和動物中有機質基本分類★。3、腐殖酸分類及物理化學性質★。4、有機反應的類型。5、簡述碳