有机地球化学

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有机地球化学是地球化学的一个分支。研究地质体中有机质的组成、结构、起源和演化的学科。研究内容包括:有机质的分布和类型、有机质的起源和演化。

有机地球化学发展简史

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开发利用可燃矿产的长期过程中,对石油和煤的化学组成与性质逐步
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积累了丰富的知识,从而促进了有机地球化学的萌芽与发展。
20世纪20年代苏联的В.И.维尔纳茨基 先后发表了《生物圈》、《地球化学概论》等专著,系统总结和论述了地壳中碳与活质的地球化学。
1927年他领导筹建了世界上第一个专业实验室──活质实验室。
1934年德国化学家A.特赖布斯从原油和页岩中分离鉴定出了色素──金属卟啉化合物,并证明了石油是生物成因的。
60年代以来开始盛行干酪根降解成油的石油成因新观点,并在生油岩评价与油源对比方面成功地采用了许多新方法、新技术。由于采用了各种色谱技术、色谱-质谱-电子计算机、核磁共振、高分辨电子显微镜等,已能从分子水平研究地质类脂物,并已深入研究和新发现了许多重要的生物标志化合物或分子化石;对高分子量有机质,如腐殖酸与干酪根等的研究也正在开始取得突破。

有机地球化学分布类型

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地壳岩圈中的有机质约共有3.8×1015吨,主要呈分散状态产于细粒沉积物中,页岩有机质达 3.6×1015吨,而煤和石油有机质分别仅为6×1012吨和0.2×1012吨。
地质体中的有机质主要有3类:
地质类脂物 指沉积有机质(含煤、石油)中能够溶于氯仿等有机溶剂而不溶于水的一大类有机化合物。包括烃类、醇类、有机酸(如脂肪酸)、甾族化合物及其衍生物。地质类脂物直接来源于生物脂类,能够较好地反映原始母质、沉积与成岩环境。因其分子量较低,易于研
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究,是目前研究得最深入的一类有机质。其中一部分已成为有广泛意义的生物标志化合物或分子化石。生物标志化合物是沉积地层中检测到的有机化合物,其基本骨架类似于天然产物中某种已知结构的化合物。例如氧钒脱氧叶红初卟啉与其生物的天然产物──叶绿素a相联系,具有相类似的分子骨架。生物标志化合物为可燃矿产成因与评价提供了大量行之有效的信息指标,在油气勘探评价中具有重要意义。
腐殖酸 可溶于无机碱的沉积有机质。包括两大类,碱抽提液用无机酸处理后,沉淀的部分叫胡敏酸,不沉淀的部分称富啡酸。腐殖酸是原始有机物腐烂分解后,进一步聚合为干酪根的中间产物,分子量约为700~300000,广泛分布于土壤以及湖沼、海洋和泥炭等近代沉积物中。
干酪根 在沉积有机质中,既不溶于无机碱又不溶于有机溶剂的一部分有机聚合物。干酪根占岩石有机质的80%以上,按原始母质性质可划分为3类:①腐泥型,主要由动物与低等植物遗体组成,富含类脂化合物与蛋白质的分解产物,以脂肪烃结构为特征,H/C比高;②过渡型,腐泥型与腐殖型之间的过渡型;③腐殖型,主要由高等植物遗体组成,富含木质素与碳水化合物分解产物,以
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芳烃结构为特征,H/C比低。采用H/C比和O/C比可将干酪根划分为与上述分类大致相当的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类干酪根。3类干酪根的H/C原子比与O/C原子比分别为:Ⅰ型>1.25,≤0.8;Ⅱ型1.25~0.85,0.8~1.5;Ⅲ型≤0.85,≥1.5。干酪根因分子量太大,难于研究。最近人们采用了各种物理测试方法和降解技术,试图通过鉴定降解产物来建立可靠的干酪根结构模式,并探索干酪根的成因和评价。

有机地球化学起源演化

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包括有机质演化和有机碳演化。有机质的演化是指生物死亡埋藏后,有机体的生物降解以及有机大分子的热降解与聚合,并最终转化为甲烷二氧化碳和石墨等无机物的演化全过程。
现已建立起初步的有机质演化模式,这一模式已为石油成因的现代观点奠定了理论基础
有机碳演化则是天体(包括地球)演化过程中,无机物质(如甲烷、水、二氧化碳和氨等)逐步演化产生简单有机化合物和生物大分子,以及在生物圈出现后,这些有机质的进一步演化。

有机地球化学应用领域

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除石油地球化学与煤地球化学外,主要应用于下述几个方面。
许多沉积金属矿床的成因与有机质有着十分密切的联系。有机质在
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成矿元素的迁移和富集过程中起着十分重要的作用,如吸附作用、化学沉积作用和形成较稳定的有机-金属络合物。有机质与铀、锗、钒、钼、铜、铁、锰、钴、镍、金、银、汞、铝、锌、镉等成矿元素的迁移和富集有着密切的联系。层控矿床和层状硫化物矿床的有机地球化学研究,特别是层控矿床成因与油气矿藏成因、演化关系的研究,是有机金属成矿理论研究的重要新领域。
研究现代沉积物与水体(包括沉积物孔隙水)中有机质的组成与分布。这一研究有助于阐明沉积岩的成因以及石油、天然气与煤的早期形成作用。深海沉积物中已发现许多属于陆源的生物标志化合物,如芘、高碳数烷烃、二萜类,证明了浊流沉积物来源于大陆边缘。在湖沼方面,对比研究了不同湖泊沉积物的有机地球化学特征,例如形成于大型淡水湖泊、微咸水湖泊、盐湖火山碎屑岩湖泊相的生油岩的有机地球化学特征各不相同。
人类活动,如使用农药,大量消耗化石燃料(石油、煤等),工厂废物和海上油轮事故等都可能产生大量有毒的有机化合物,如含氮化合物、含磷化合物、含氯化合物,以及苯、酚和各种稠环芳烃化合物,从而严重污染环境。稠环芳烃(PHA)及其烷基同系物是一类致癌物质(如3-4-苯并芘)也是一类生物标志物。它们的产出与分布与人类和大自然燃烧利用石油、煤和森林木材有关。
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20世纪50年代模拟原始大气环境合成了众多的氨基酸,证明从原始大气中的简单分子可以合成在生物学上有重要意义的有机分子,同时也证明陨石等宇宙物质和地球古老岩石中发现的有机化合物是生命前期化学演化的物质基础和直接证据。至今已从陨石中鉴定出52种氨基酸(主要是非蛋白氨基酸)及其他有机质,如烃类、杂环化合物、脂肪酸等。用这些分子化石,并结合非洲南部大陆岩层中发现的类细菌和类藻化石,可以证明生命在地球上至少已存在30亿年。

有机地球化学未来展望

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沉积岩有机质,特别是生物标志化合物及其成因机理研究,以
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及干酪根的组成与结构研究,将会取得重要进展。
地球形成早期阶段的碳循环属于前生期化学演化,化学演化是解决生命起源的一把钥匙,将会受到相当的重视。
石油成因现代理论的产生,促进了石油资源的远景评价和地质勘探工作。
油气地球化学等应用领域将会相应地获得重要进展。
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