第六章有机地球化学1

1、p 有机地球化学概念有机地球化学概念p有机地球化学研究任务有机地球化学研究任务第六章第六章 有机地球化学有机地球化学 u自然界中有机质与元素的生物循环自然界中有机质与元素的生物循环u煤的有机地球化学煤的有机地球化学u石油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、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。发展与演化规律的科学。u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

2、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。l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

3、法。（一）自然界中有机质1、有机质的元素组成碳、氢、氧、氮、磷、硫及其它微量元素有机质有机质COH石油石油泥炭泥炭煤煤近代沉积物中有机质近代沉积物中有机质沉积岩中的有机质沉积岩中的有机质79-8950-6565-91566428-452-2830239-156-74-689常见有机质的主要化学组成（转引自张长年等，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演化过程中，对元素的选择遵循原则：生物演化过程中，对元素的选择遵循原则：（1 1）丰度规则丰度规则生物体一般选择自然环境中丰度最高元素；生物体一般选择自然环境中丰度最高元素；（2 2）生物利用度

4、生物利用度（bioavailability)bioavailability)规则规则（3 3）有效性有效性原则原则生物总体上选择更加有效的化合物利用。生物总体上选择更加有效的化合物利用。（4 4）基本适宜基本适宜原则原则2、有机质的化合物组成烃烃脂肪烃脂肪烃碳环烃碳环烃饱和烃饱和烃不饱和烃不饱和烃脂环烃脂环烃芳香烃芳香烃正构烷烃正构烷烃异构烷烃异构烷烃烯烃烯烃二烯烃二烯烃炔烃炔烃有机化合物三种类型：有机化合物三种类型：(1)(1)链状化合物或脂肪族化合物：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化合物中碳的骨架是一个或长或短的链子(2)(2)碳环化合物碳环化合物化合物中碳

5、的骨架是环状的，包括脂环化合物和芳香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。族化合物。(3)(3)杂环化合物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化合物里的环由碳原子和其他非碳的原子组成的HHHC=CHCCHHHHHHHHHHHH结构式结构式 CH3HCCCCCHHCHHHHHHHHCHHHHHH正丁烷与异丁烷正丁烷与异丁烷 一些重要的官能团一些重要的官能团化合物的性质主要由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决定，反应主要发生在官能团及其相关部位，具有相同团及其相关部位，具有相同的官能团的化合物具有类似的官能团的化合物具有类似性质。性质。3 3

6、、有机质的化合物结构、有机质的化合物结构立体异构体的概念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。的现象。立体异构体又可分为：顺、反异构（或几何异构）、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。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。生物有机质中的化合物常存在立体异构现象。 1）.顺、反异构顺、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。因素

7、，如分子中存在双键或环。（1）含双键化合物的顺、反异构体）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。若两个相同的基团都在双键的同一方叫顺式，反之，为反式。C=CABABC=CABADC=CABBAC=CABDA顺式反式（2) 环状化合物的顺、反异构体环状化合物的顺、反异构体u当环上有两个或两个以上的碳原子连着两个不同的原子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。或基团时，就存在顺、反异构。u若两个相同的基团都在环平面的同一方叫顺式（若两个相同的基团都在环平面的同一方叫顺式（C is-), 在不同一方的叫反式（在不同一方的

8、叫反式（trans-）。）。 u一般，基团分布在环平面上方的键用实线表示，分布在一般，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。下方的用虚线表示。CCCCCCH3CH3HHCCCCCCH3CH3HH（顺式）（顺式）（反式）（反式）CH3CH3HH顺顺1,2-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷CH3CH3HH反反1,2-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷CH3CH3CH3HHHr-1r-1反反2,2,顺顺3-3-三甲基环己烷三甲基环己烷CH3CH3CH3HHr-1r-1顺顺2,2,顺顺3-3-三甲基环己烷三甲基环己烷 2）.对映异构对映异构u把具有把具有“实物实物”与与“镜影镜影”

9、这种特征的现象称为这种特征的现象称为“手征性手征性”。u当与碳原子连接的四个原子（或基团）的空间分布具有手征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。性特征子，这个碳原子就叫手征性碳原子。u对应异构体用对应异构体用R R、S S标记，标记，R R表示表示Ractus,Ractus,意思是意思是“右右”; S ; S 为为Sinirtar,Sinirtar,意为意为“左左” ，拉丁文。，拉丁文。CH3COOHHOHHOCH3COOHH CH3COOHHOHHOCH3COOHH1234 反时针，反时针，S型型 顺时针，顺时针，R型型“序列规则序列规则

10、”：首先，根据将与手征性碳原子相连的四个原子（或基团）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列，分别用排列，分别用1 1到到4 4表示。将标为表示。将标为1 1的基团放在观察者的最远位置，再从基的基团放在观察者的最远位置，再从基团团4 4开始，按开始，按4 4、3 3、2 2的顺序，如果是顺时针方向排列，则称的顺序，如果是顺时针方向排列，则称“R R”构型，若构型，若是反时针方向，则为是反时针方向，则为S S构型。构型。 3）.构象异构体构象异构体同一构

11、型的化合物，由于单键的旋转万象产生的分子同一构型的化合物，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。中各原子或基团在空间的不同排列形式叫构象。123456123456说明构象与构型区别的分子模型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环己烷的椅式和船式构象 当当C-HC-H键在环平面上方时，用实线或实心园点表示，键在环平面上方时，用实线或实心园点表示，称为称为（H H），在平面下时，用虚线或空心园点表），在平面下时，用虚线或空心园点表示，称示，称（H H）。）。HHn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

12、个顶点(这个位置最稳定)，此时，碳原子具有对称性。n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 4）光学异构）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。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。平面偏振光向左旋转，另一种分子则使平面偏振光向右

13、旋转。这两种异构体就是光学异构体。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，所以又叫由于它们互为实物和镜影的关系，所以又叫对映异构体对映异构体，简，简称为对映体。将偏振光朝左旋的，叫左旋体（）；朝右旋的，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（）。叫右旋体（）。构型：构型：不同的空间排列叫做不同的构型。不同的空间排列叫做不同的构型。标准：标准：一般都以甘油醛作为标准，人为地规定右旋甘油醛用符一般都以甘油醛作为标准，人为地规定右旋甘油醛用符号号D来表示。左旋甘油醛便应该是它的对映体，并用符号来表示。左旋甘油醛便应该是它的对映体，并用符号L来表来表示它的构型

14、。示它的构型。p含含有两个相同的不对称碳原子的光学异构。有两个相同的不对称碳原子的光学异构。p以酒石酸为例，在酒石酸分子中的两个不对称碳原以酒石酸为例，在酒石酸分子中的两个不对称碳原子子，都与，都与- -H H、-O-OH H、-COOH-COOH和和-C-CH(H(O OH)(H)(COOHCOOH) )四个基相结合。这样的分子可四个基相结合。这样的分子可以有三种异构休，其投影式如下：以有三种异构休，其投影式如下：5 5）内、外消旋化合物）内、外消旋化合物顺时针方向顺时针方向右旋体右旋体反时针方向反时针方向左旋体左旋体内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

15、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p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。物叫氨基酸。p蛋白质是由大约蛋白质是由大约2020种氨基酸相互间用氨基和羧基通过失水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。形成酞胺键构成的，水解后，可以生成各种氨基酸。p蛋白质容易受喜氧细菌破坏，不利保存。现代沉积物物中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含氨基酸

16、达0.5mg/g0.5mg/g，古代沉积物中，贝壳类化石硬体和硅，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。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p脂类指不溶于水但溶于有机溶剂（乙醚和苯）的一类物质。脂类指不溶于水但溶于有机溶剂（乙醚和苯）的一

17、类物质。p脂类分解成脂肪酸（脂类分解成脂肪酸（RCOOH)RCOOH)。脂肪酸与其它脂类可聚合成聚。脂肪酸与其它脂类可聚合成聚酯类。酯类。p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。很稳定，成为化石的植物角质有如琥珀。p脂类的特点：一是抗腐能力强；二是化学成分和结构都最接脂类的特点：一是抗腐能力强；二是化学成分和结构都最接近石油。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

18、机质 5、脂类p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。 p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。p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。p构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连的作用。p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

19、种复杂酚类聚合物。p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。p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。是腐殖质的主要部分，是腐殖质中能溶于碱溶液的部分。腐殖质腐殖质呈暗色至黑棕色的一组无定形胶体状高分子物质，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。由动植物遗体经过腐解生成。腐殖质腐殖质是天然水体中最重要的有机配体（螯合剂）。河水是天然水体中最重要的有

20、机配体（螯合剂）。河水中腐殖质的平均含量为中腐殖质的平均含量为101050mg/L50mg/L，底泥中腐殖质含量更为，底泥中腐殖质含量更为丰富，约占底泥丰富，约占底泥1%1%3%3%。对金属元素和人为污染物质在地表。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。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。腐殖质腐殖质p腐殖酸腐殖酸（Humic Acid，简写，简写HA）

21、，），是腐殖质的主要部分，是腐殖质的主要部分，是腐殖质中能溶于碱溶液的部分。是腐殖质中能溶于碱溶液的部分。p是动植物遗骸，经过微生物的分解和转化，以及一系列是动植物遗骸，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、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。河流、海洋以及泥炭（又称草炭）、褐煤、风化煤中。

22、p按自然界分类，它可以分为三类，即土壤腐殖酸、水体按自然界分类，它可以分为三类，即土壤腐殖酸、水体腐殖酸和煤炭腐殖酸。腐殖酸和煤炭腐殖酸。p有相当多的资料表明，腐殖酸水解可以产生多种氨基酸。有相当多的资料表明，腐殖酸水解可以产生多种氨基酸。腐殖酸腐殖酸腐殖酸的物理化学性质p腐殖酸的元素组成为C5060，H36，N 1.56，S1，其余大部分为Op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。p腐殖酸是一种亲水性可逆胶体，比重在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（330

23、340 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胶体性质腐殖酸粒径在腐殖酸粒径在6 6100nm100nm，恰好处于胶体粒径的范围之内。，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。溶液之前先发生胶体作用。有明显的酸性有明显的酸性含有羧基、酚羟基等酸性基团，其溶液含有羧基、酚羟基等酸性基团，其溶液pH=3-4pH=3-4。一般富。一般富里酸中羧基含量比胡敏酸大里酸中羧基含量比胡敏酸大2 24 4倍，富里酸对金属离子倍，富里酸对金属离子的溶解能力比胡敏酸强。的

24、溶解能力比胡敏酸强。酸性表现为：酸性表现为： (a)(a)能和苛性钠、氢氧化钠等中和而生成能和苛性钠、氢氧化钠等中和而生成盐盐; (b); (b)能和金属铁作用释放出氢；能和金属铁作用释放出氢；(c)(c)能分解碳酸盐、能分解碳酸盐、磷酸盐、醋酸盐和硅酸盐，使这些酸游离出来；磷酸盐、醋酸盐和硅酸盐，使这些酸游离出来；(d)(d)能能和醇作用生成酯。和醇作用生成酯。亲水性亲水性腐殖酸的亲水程度取决分子中的羧基、酚羟基、醇羟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。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，大分子中存在有桥键，碳网具有疏松的海绵状结构，大量

25、水分子就可以分布于这些梅绵状空隙中。即使是风干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了的腐殖酸也还可能含有2525的水分。的水分。腐殖酸于芳核与侧链间的比例，即取决于缩合程度。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，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。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。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干酪根是相当于煤与石油总储量

26、的1000倍与倍与16000倍。倍。沉积岩有机质中分布最广、数量最多的一类有机质，沉积岩有机质中分布最广、数量最多的一类有机质，约占地质体中有机质的约占地质体中有机质的95，其余为沥青。，其余为沥青。估计岩石中平均干酪根为估计岩石中平均干酪根为0.3，地壳中干酪根总量约，地壳中干酪根总量约为为31015t，大约，大约干酪根沉积有机质中的干酪根沉积有机质中的干酪根1 1）、干酪根的定义和形成）、干酪根的定义和形成v定义：定义： 油母质，沉积岩中不溶于非氧化型酸、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碱和非极性有机溶剂的分散沉积有机质。v形成过程：形成过程：生物有机组

27、分生物有机组分较小碎片较小碎片生物化学及化学降解生物化学及化学降解腐殖物腐殖物质质缩合作用、聚合作用缩合作用、聚合作用干酪根失去失去O O2 2 H H2 2O NHO NH3 3成成岩岩作作用用水体水体生生 物物 体体( (藻类、细菌、浮游生物和高等植物藻类、细菌、浮游生物和高等植物) )死亡死亡生物有机组分生物有机组分( (类脂化合物、蛋白质、糖类和木质素类脂化合物、蛋白质、糖类和木质素) )被其它被其它生物吞食生物吞食保存到保存到沉积物（岩）中沉积物（岩）中氧化分解氧化分解沉积有机质沉积有机质生物化学分解作用生物化学分解作用 可溶有机质可溶有机质不溶有机质不溶有机质(干酪根干酪根)2）.

28、干酪根的成分干酪根的成分v成分：成分：黑色或褐色粉末，是一种高分子聚合物，无黑色或褐色粉末，是一种高分子聚合物，无固定的化学成分固定的化学成分C（79%）H（9%）O（3%）S（5%）N（2%）微量元素。）微量元素。石石油油干干酪酪根根加加氢氢、去去氧氧、富富集集碳碳3）.干酪根类型干酪根类型化学分类化学分类根据碳、氢、氧元素的组成，将干酪根根据碳、氢、氧元素的组成，将干酪根分为分为型、型、型、型、型型 3种类型。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:

29、H/C0.460.93, O/C 0.050.30 (法国石油研究)。类型类型型型型型型型H/C1.1-1.61.1-1.350.7-1.1O/C0.06-0.160.08-0.20.1-0.25来源来源藻类、水生低等藻类、水生低等微体生物，富含微体生物，富含脂肪结构脂肪结构水生低等生物，水生低等生物，高等植物富类高等植物富类脂组分脂组分高等植物，富含高等植物，富含芳核与杂原子，芳核与杂原子，可作为气源物质可作为气源物质生油潜生油潜力力大大主要形成石油、主要形成石油、油页岩、藻烛煤油页岩、藻烛煤中等中等主要形成石油、主要形成石油、有伴生气有伴生气低低主要生成天然气、主要生成天然气、腐殖煤腐殖煤

30、按物质来源，干酪根分为三类：按物质来源，干酪根分为三类：(1)(1)腐泥型腐泥型主要由动物与低等植物遗体组成，是含脂类化合物和蛋白质主要由动物与低等植物遗体组成，是含脂类化合物和蛋白质的分解产物，以脂肪烃结构为特征的分解产物，以脂肪烃结构为特征, H/C, H/C值较高；基本对应值较高；基本对应或或I型型（2 2）腐殖型）腐殖型主要由高等植物遗体组成，富含木质素和碳水化合物的分解主要由高等植物遗体组成，富含木质素和碳水化合物的分解产物，以芳烃结构为特征产物，以芳烃结构为特征,H/C,H/C值较低；基本对应值较低；基本对应型型(3) (3) 腐殖腐泥型腐殖腐泥型上述两者的过渡型。上述两者的过渡型

31、。干酪根显微组分按煤岩学分类可分为以下几类：干酪根显微组分按煤岩学分类可分为以下几类：（1 1）腐泥组腐泥组 ：一是无定形：一是无定形 ， 二是藻质体，二是藻质体，多为浅多为浅黄至棕黄色，明亮，透明或半透明黄至棕黄色，明亮，透明或半透明；（2 2）壳质组壳质组 ：一是孢粉体：一是孢粉体 ，二是树脂体，二是树脂体 ，三是角，三是角质体质体 ， 四是木栓体四是木栓体 ， 五是表皮体五是表皮体 ，呈黄色为主，呈黄色为主的色调，透明或半透明，镜下明亮的色调，透明或半透明，镜下明亮 ；（3 3）镜质组镜质组：一是结构镜质体：一是结构镜质体 ，二是无结构镜质组，二是无结构镜质组，颜色棕至棕红色颜色棕至棕红

32、色；（4 4）惰质组惰质组： 以丝质体为常见，呈段块状、碎片状、以丝质体为常见，呈段块状、碎片状、条带状、浑圆状。黑色不透明（透射光）。条带状、浑圆状。黑色不透明（透射光）。1 1为藻腐泥型干酪根为藻腐泥型干酪根 2 2为腐植为腐植腐泥型干酪腐泥型干酪根根干酪根的光学分类干酪根的光学分类 用用25-50倍油浸镜头，通过反射光观察煤或干酪根倍油浸镜头，通过反射光观察煤或干酪根的显微组分的显微组分腐植型干酪根腐植型干酪根干酪根是一种具有网状交联三维结构复杂的大分子缩聚干酪根是一种具有网状交联三维结构复杂的大分子缩聚物，由缩合物，由缩合多环芳烃核多环芳烃核、桥键桥键和和官能团官能团三部分组成，在三部

33、分组成，在其结构格架的空隙中可能存在各类游离的有机小分子。其结构格架的空隙中可能存在各类游离的有机小分子。有机岩石学研究表明，干酪根实际上是有各种显微组分有机岩石学研究表明，干酪根实际上是有各种显微组分组成的复杂混合物，在光学显微镜下呈均质无结构部分，组成的复杂混合物，在光学显微镜下呈均质无结构部分，在在TEMTEM下呈有结构和组织形态。下呈有结构和组织形态。干酪根的结构干酪根的结构1a1a、2a2a、3a3a分别为分别为、型未成熟干酪根型未成熟干酪根结构的概念模式结构的概念模式p水体中有机质的存在形式水体中有机质的存在形式分溶解有机质（真溶液与胶体）分溶解有机质（真溶液与胶体）颗粒有机质（粒

34、径大于颗粒有机质（粒径大于0.45微米）。微米）。p有机质的组成与分布有机质的组成与分布用总有机碳、总有机氮、溶解有机碳、溶解有机用总有机碳、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，来估算水体中氮、溶解有机磷、颗粒有机碳等，来估算水体中有机质的量。有机质的量。（二）环境中腐殖物质 （1）光合作用）光合作用12H2O + 6CO2 + 光光 C6H12O6 (葡萄糖葡萄糖) + 6O2+ 6H2O 此反应是植物和动物中所有有机质的最初来源。此反应是植物和动物中所有有机质的最初来源。（2）充氧条件下的腐解作用。）充氧条件下的腐解作用。充氧腐解作用代表了充氧腐解作用代表了光合作用

35、的反过程光合作用的反过程，是动植物死亡后、，是动植物死亡后、在组织内自溶酶作用下遗体发生分解，随后细菌和其它微在组织内自溶酶作用下遗体发生分解，随后细菌和其它微生物参与完成分解破坏和矿化的总过程。最终产物是二氧生物参与完成分解破坏和矿化的总过程。最终产物是二氧化碳和水。化碳和水。（3）缺氧条件下的腐解作用）缺氧条件下的腐解作用如发酵作用，产生的能量较低。如发酵作用，产生的能量较低。（三）、有机质演化过程中的有机反应（三）、有机质演化过程中的有机反应 （4）氧化还原反应。）氧化还原反应。有机物得氧或去氢的反应称为氧化反应；有机物得氧或去氢的反应称为氧化反应；加氢或去氧的反应称为还原反应。加氢或去

36、氧的反应称为还原反应。 丙酮乙醛（5）聚合（加聚）反应。）聚合（加聚）反应。相对分子质量小的不饱和化合物聚合成相对分子质量大的相对分子质量小的不饱和化合物聚合成相对分子质量大的高分子化合物的反应。如简单烃转化为复杂烃（石油）就高分子化合物的反应。如简单烃转化为复杂烃（石油）就是典型的聚合反应。丙烯加聚：是典型的聚合反应。丙烯加聚： （6）缩合聚合（缩聚）反应。）缩合聚合（缩聚）反应。单体间相互反应而生成高分子化合物，同时还生成小分子单体间相互反应而生成高分子化合物，同时还生成小分子（如水、氨、氯化氢等）的反应（又叫逐步聚合反应）。（如水、氨、氯化氢等）的反应（又叫逐步聚合反应）。如：氨基酸缩聚

37、如：氨基酸缩聚（三）、演化过程中的有机反应（三）、演化过程中的有机反应（7）解聚合反应。）解聚合反应。将大分子分裂为小分子的过程叫解聚合反应。将大分子分裂为小分子的过程叫解聚合反应。在一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的长链烃，在一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的长链烃，断裂为相对分子质量小、沸点低的短链烃的反应断裂为相对分子质量小、沸点低的短链烃的反应 （三）、演化过程中的有机反应（三）、演化过程中的有机反应（四）元素的生物地球化学循环（四）元素的生物地球化学循环 1.1.碳循环碳循环二氧化碳问题：碳库和库间的交换：碳源和碳二氧化碳问题：碳库和库间的交换：碳源和碳汇的表达：碳循环中的反

38、馈：碳漏失：数值模汇的表达：碳循环中的反馈：碳漏失：数值模拟拟2.2.氮循环氮循环3.3.磷循环磷循环, ,硫循环硫循环碳循环碳循环波恩大学的波恩大学的FlohnFlohn的研究表明：的研究表明：在以北纬在以北纬4040度和南纬度和南纬1010度为中心度为中心的两个纬度带，可能出现降水明显减少和温度明显上升的趋势。的两个纬度带，可能出现降水明显减少和温度明显上升的趋势。而在北纬而在北纬10-2010-20度之间、北纬度之间、北纬5050度以北地区及南纬度以北地区及南纬3030度以南地区度以南地区的降水将会增多的降水将会增多，这些变化对世界水资源的分布可能有明显影响。，这些变化对世界水资源的分布

39、可能有明显影响。美国克罗拉多河系的主要流域盆地位于北纬美国克罗拉多河系的主要流域盆地位于北纬4040度左右。目前约有度左右。目前约有85%85%的降水被蒸发掉，只有的降水被蒸发掉，只有15%15%的降水流入克罗拉多河。若气温上的降水流入克罗拉多河。若气温上升摄氏几度，降水减少升摄氏几度，降水减少10-15%10-15%，克罗拉多河的平均流量就要减，克罗拉多河的平均流量就要减少少50%50%或更多。即使水库大量贮水来补充流量，也才仅仅满足农或更多。即使水库大量贮水来补充流量，也才仅仅满足农业灌溉的需要。地表和地下水供应的重大变化，在世界上其他地业灌溉的需要。地表和地下水供应的重大变化，在世界上其

40、他地区可能也会发生。一些河流的平均流量可能显著增大，从而导致区可能也会发生。一些河流的平均流量可能显著增大，从而导致所在地区经常洪水泛滥。而另一些地区的河流，流量会大大减少，所在地区经常洪水泛滥。而另一些地区的河流，流量会大大减少，又会严重影响农业的灌溉。又会严重影响农业的灌溉。对水资源的影响对水资源的影响大气中二氧化碳的增加对大范围的雨灌农业影响很复杂，比大气中二氧化碳的增加对大范围的雨灌农业影响很复杂，比灌溉农业的影响更难估计。灌溉农业的影响更难估计。二氧化碳是植物的一种养料，也是光合作用的原料之一。二氧化碳是植物的一种养料，也是光合作用的原料之一。较较高的二氧化碳浓度有利于高的二氧化碳浓

41、度有利于光合作用光合作用的进行，使植物生长得更快。的进行，使植物生长得更快。许多植物在富二氧化碳的环境里，会部分关闭它们的气孔即许多植物在富二氧化碳的环境里，会部分关闭它们的气孔即叶孔，结果就能减少水分的蒸发。这样，玉米、甘蔗、高粱以叶孔，结果就能减少水分的蒸发。这样，玉米、甘蔗、高粱以及其他一些作物在大气二氧化碳含量增加时，缺水对它们的影及其他一些作物在大气二氧化碳含量增加时，缺水对它们的影响会小一些。也就是说，响会小一些。也就是说，在高纬度地区，二氧化碳所引起的高在高纬度地区，二氧化碳所引起的高温，可以延长作物生长期，这样就有可能扩大雨灌农业区。温，可以延长作物生长期，这样就有可能扩大雨灌

42、农业区。 对雨灌农业的影响对雨灌农业的影响西南极洲（指零度子午线到西南极洲（指零度子午线到180180度子午线以西的陆地和冰原度子午线以西的陆地和冰原部分）是众所关注的焦点，因为大气中二氧化碳含量增加所部分）是众所关注的焦点，因为大气中二氧化碳含量增加所引起的全球性变暖有可能使全世界的极地冰川融化。引起的全球性变暖有可能使全世界的极地冰川融化。广为关注的有关气候变暖的一个可能后果，便是西南极洲冰广为关注的有关气候变暖的一个可能后果，便是西南极洲冰原的消退问题，因为该冰原的大部分位于海平面以下。海平原的消退问题，因为该冰原的大部分位于海平面以下。海平面以上的冰川面积约面以上的冰川面积约20020

43、0万平方公里。如果这些冰全部进入海万平方公里。如果这些冰全部进入海洋，海面将升高洋，海面将升高5-65-6米，这将使荷兰、孟加拉、美国南部沿米，这将使荷兰、孟加拉、美国南部沿海低地的许多沿海城市被海水吞没，还会淹没许多世界上人海低地的许多沿海城市被海水吞没，还会淹没许多世界上人口密集的河流三角洲地带的大量农田。口密集的河流三角洲地带的大量农田。 冰原消退冰原消退自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储存于大自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储存于大量的地壳沉积岩中量的地壳沉积岩中。一方面沉积岩中的碳通过自然和人为的各种化学作用分解后一方面沉积岩中的碳通过自然和人为的各种化学作用

44、分解后进入大气和海洋；进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。才是地球环境最主要的控制因素。全球碳循环全球碳循环碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、碳的地球化学

45、循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移生物圈及海洋之间的迁移, ,而且是对大气二氧化碳和海洋二氧化而且是对大气二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。碳的最主要的控制。沉积物含有两种形式的碳：干酪根和碳酸盐沉积物含有两种形式的碳：干酪根和碳酸盐。在风化过程中，干酪根与氧反应产生二氧化碳，在风化过程中，干酪根与氧反应产生二氧化碳，碳酸盐的风化作用却很复杂。含在白云石和方解石矿物中的碳碳酸盐的风化作用却很复杂。含在白云石和方解石矿物中的碳酸镁和碳酸钙受到地下水的侵蚀，产生出溶解的钙离子、镁离子酸镁和碳酸钙受到地下水的侵蚀，产生出溶解的钙离子、镁离子和重碳酸根离子。它们由地下

46、水最终带入海洋。和重碳酸根离子。它们由地下水最终带入海洋。在海洋中，浮游生物和珊瑚之类的海生生物摄取钙离子和重碳在海洋中，浮游生物和珊瑚之类的海生生物摄取钙离子和重碳酸根离子来构成碳酸钙的骨骼和贝壳。酸根离子来构成碳酸钙的骨骼和贝壳。生物死了之后，碳酸钙就沉积在海底而最终被埋藏起来。生物死了之后，碳酸钙就沉积在海底而最终被埋藏起来。碳的地球化学循环碳的地球化学循环地球系统碳循环的时间尺度地球系统碳循环的时间尺度地球系统中的碳分布在各圈层中，地球系统中的碳分布在各圈层中，通过各种过程相互交换，密度越通过各种过程相互交换，密度越大的圈层里碳储量越大，但交换大的圈层里碳储量越大，但交换的速率也越慢。

47、一般而言，大气的速率也越慢。一般而言，大气圈与陆地生物圈、表层海水之间圈与陆地生物圈、表层海水之间的碳交换是在的碳交换是在100102年的时间年的时间尺度内，但大气圈的碳储量只有尺度内，但大气圈的碳储量只有750Gt；岩石圈的碳储量比大气；岩石圈的碳储量比大气圈高出近万倍，但通过板块俯冲圈高出近万倍，但通过板块俯冲或者高原隆升放出或消耗或者高原隆升放出或消耗CO2的的循环长达循环长达107年以上。年以上。碳库和库间的交换碳库和库间的交换 最主要的碳库最主要的碳库沉积岩碳库沉积岩碳库 无机碳无机碳 有机碳有机碳 海洋碳库海洋碳库 无机碳无机碳 有机碳有机碳 大气中的大气中的CO2 碳库之间的交换

48、碳库之间的交换 大气大气/海洋海洋(可逆过程可逆过程) 大气大气/陆地陆地(岩石风化过程岩石风化过程) 生物的光合作用生物的光合作用大陆岩石的风化作用大陆岩石的风化作用 碳酸盐岩石中白云石和方解石的分解碳酸盐岩石中白云石和方解石的分解 COCO2 2+H+H2 2O=HO=H2 2COCO3 3 CaCO CaCO3 3+H+H2 2COCO3 3=Ca=Ca2+2+2HCO+2HCO3 3- - MgCOMgCO3 3+H+H2 2COCO3 3=Mg=Mg2-2-+2HCO+2HCO3 3- - 风化形成的风化形成的CaCa2+2+,Mg,Mg2+2+,HCO,HCO- -3 3进入海洋被

49、生物攝取形进入海洋被生物攝取形成碳酸盐骨骼和壳成碳酸盐骨骼和壳 CaCa2+2+HCO+HCO3 3- -=CaCO=CaCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 MgMg2+2+HCO+HCO3 3- -=MgCO=MgCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 上述过程中上述过程中, ,一半的一半的HCOHCO3 3- -形成形成CaCOCaCO3 3沉积沉积, ,另一半变为另一半变为COCO2 2逸逸入大气入大气: HCO: HCO3 3- -= 1/2H= 1/2H2 2O+COO+CO2 2 碳源和碳汇的表达碳源和碳汇的表达dCOdCO2 2/dt=(Gou+Ch+Foss

50、+Sh+R)/dt=(Gou+Ch+Foss+Sh+R)(Feng+Hai+Gh+Mai)(Feng+Hai+Gh+Mai)Gou:Gou:地球内部释放的地球内部释放的COCO2 2; ;Ch:Ch:陆地风化陆地风化; ;Foss:Foss:人类燃烧燃料的排放人类燃烧燃料的排放:;:;Sh:Sh:人类对生态系统的破坏人类对生态系统的破坏; ;R:R:植物的自养呼吸植物的自养呼吸; ;Feng:Feng:矿物风化矿物风化(CaSiO(CaSiO2 2+CO+CO2 2=CaCO=CaCO2 2) )Hai:Hai:海洋溶解的大气海洋溶解的大气COCO2 2 ;Gh:;Gh:植物的光合作用植物的光

51、合作用;Mai:;Mai:沉积在沉积在海洋和陆地的碳海洋和陆地的碳碳漏失碳漏失 百年之内碳循环可省略许多因素百年之内碳循环可省略许多因素: : 源仅考虑人类破坏生态系统源仅考虑人类破坏生态系统(5.5(5.510101515gC)gC)和燃和燃料排放料排放(1.6(1.6 10 101515gC);gC); 汇仅考虑植物光合作用汇仅考虑植物光合作用(0.6 (0.6 10 101515gC)gC)和海气和海气作用作用(2.0 (2.0 10 101515gC);gC); 如果大气每年增加约如果大气每年增加约3.2 3.2 10 101515gC,gC,则有则有3.2+0.6+2-5.5-1.6

52、=-1.33.2+0.6+2-5.5-1.6=-1.3的碳漏失的碳漏失. . 对源和汇精确量化还要作出进一步努力对源和汇精确量化还要作出进一步努力. .1.碳循环：二氧化碳问题：碳库和库间的交换：碳源和碳汇的表达：碳循环中的反馈：碳漏失：数值模拟2.氮循环3.磷循环（四）元素的生物（四）元素的生物地球化学地球化学循环循环p氮在地球大气圈、岩石圈和生物圈都有广泛的分布氮在地球大气圈、岩石圈和生物圈都有广泛的分布: :大气中氮的储量最为丰富大气中氮的储量最为丰富; ;在地壳中的氮也是常见元素之在地壳中的氮也是常见元素之一。生物圈中的氮总量最少，但是它对生命体却有着决定一。生物圈中的氮总量最少，但是

53、它对生命体却有着决定性的作用。性的作用。p氮的原子数为氮的原子数为7 7，有，有6 6个同位素。个同位素。N N1414（99.63%99.63%）和）和N N15 15 （0.366%0.366%）稳定）稳定, ,余为放射性同位素。余为放射性同位素。p氮是地球生命体的必需元素，是农业生产的增产要素（植氮是地球生命体的必需元素，是农业生产的增产要素（植物生长的三要素物生长的三要素N N、P P、K K）。）。 危害：氧化物危害：氧化物NONO、NO2NO2、N2ON2O、NO3NO3- -、NONO2 2- -； 氢化物氢化物NH3NH3、NHNH4 4+ +是生态的危害因子。是生态的危害因子

54、。温室气体，破坏臭氧层，使水体富营养化，造成温室气体，破坏臭氧层，使水体富营养化，造成酸雨。酸雨。氮的简介氮的简介每年进入大气每年进入大气14.3TgN， 10.3TgN在平流层中转化，在平流层中转化，还有约还有约4TgN滞流在大气中，成为温室气体。滞流在大气中，成为温室气体。1.1.碳循环：碳循环：二氧化碳问题：碳库和库间的交换：碳源和碳汇的表达：碳循环中的反馈：碳漏失：数值模拟2.2.氮循环氮循环3.3.磷循环、磷循环、硫循环、水循环硫循环、水循环（四）元素的生物（四）元素的生物地球化学地球化学循环循环自然界的硫最初来自于黄铁矿（自然界的硫最初来自于黄铁矿（FeS2FeS2）和黄铜矿）和黄

55、铜矿(CuFeS2)(CuFeS2)等含硫的矿物。但这些矿物被风化剥蚀后，硫就进入了土壤。等含硫的矿物。但这些矿物被风化剥蚀后，硫就进入了土壤。土壤中的硫一部分被地表径流溶解进入海洋，一部分被氧土壤中的硫一部分被地表径流溶解进入海洋，一部分被氧化以挥发性气体的形式进入大气，还有一部分被植物吸收，化以挥发性气体的形式进入大气，还有一部分被植物吸收，通过食物链的关系分布于生物圈。通过食物链的关系分布于生物圈。进入海洋的硫，一部分以沉积的方式，亿万年之后成为煤进入海洋的硫，一部分以沉积的方式，亿万年之后成为煤或石油中的硫，一部分进入生物体被吸收。或石油中的硫，一部分进入生物体被吸收。生物体中的硫在生

56、物体死亡腐败过程中，一部分以生物体中的硫在生物体死亡腐败过程中，一部分以H2SH2S的方的方式进入大气，其余的重又回到土壤，使循环得以继续。而大式进入大气，其余的重又回到土壤，使循环得以继续。而大气中的硫却以降水的形式落到海洋、土壤中，又开始了它们气中的硫却以降水的形式落到海洋、土壤中，又开始了它们的下一轮次的循环。的下一轮次的循环。硫循环硫循环p水是地球上分布最广的物质之一。大气圈、水圈、岩石圈水是地球上分布最广的物质之一。大气圈、水圈、岩石圈和生物圈处处都有水的踪迹。水也是地球上最古老的物质之和生物圈处处都有水的踪迹。水也是地球上最古老的物质之一。在地球形成之后不久，就产生了水。在以后漫长

57、的岁月一。在地球形成之后不久，就产生了水。在以后漫长的岁月中，水孕育了生命，自身也成为构成生命不可缺少的物质。中，水孕育了生命，自身也成为构成生命不可缺少的物质。p现在的地球，其现在的地球，其7070的表面为水所覆盖。在阳光照射下，的表面为水所覆盖。在阳光照射下，地面的水开始蒸发，水分进入大气并逐渐聚集为云层。云层地面的水开始蒸发，水分进入大气并逐渐聚集为云层。云层冷却到一定程度即出现降水（包括降雨和降雪）。水分又回冷却到一定程度即出现降水（包括降雨和降雪）。水分又回到地面并开始了新的循环。如此周而复始，构成了全球水的到地面并开始了新的循环。如此周而复始，构成了全球水的大循环。大循环。p生态系

58、统的水循环只是全球水循环的一小部分，但是由于生态系统的水循环只是全球水循环的一小部分，但是由于它和人类的紧密联系而显得更为重要。人类的活动深刻地改它和人类的紧密联系而显得更为重要。人类的活动深刻地改变了生态系统的水循环。同时它也对人类的生活造成了极大变了生态系统的水循环。同时它也对人类的生活造成了极大的影响。的影响。水循环水循环p全球生物地球化学循环是一个复杂的过程，受很多因素的全球生物地球化学循环是一个复杂的过程，受很多因素的影响。一种元素的循环一定会和其他元素的循环发生联系。影响。一种元素的循环一定会和其他元素的循环发生联系。 碳循环最终和硫，氮，磷，氧及氢循环都联系在一起。碳循环最终和硫

59、，氮，磷，氧及氢循环都联系在一起。p这个观点首先被这个观点首先被J.E.Lovelock在一本叫盖亚（在一本叫盖亚（gaia）的书中的书中提出。他赞成地球上的生物是相互联系的，而且倾向于地球提出。他赞成地球上的生物是相互联系的，而且倾向于地球上的生命系统会使环境朝更加适应自己的方向发展。上的生命系统会使环境朝更加适应自己的方向发展。pSo，地球就像一个巨大的有机体，发生在其内的各种循环，地球就像一个巨大的有机体，发生在其内的各种循环就像一个生理调节系统，有机体利用自身的调节能力控制着就像一个生理调节系统，有机体利用自身的调节能力控制着这些循环。这些循环。Lovelock在书中用的语句暗示了生物

60、圈的主动性。在书中用的语句暗示了生物圈的主动性。p事实上，生物多样性和个体数目的膨胀都是自然形成的，事实上，生物多样性和个体数目的膨胀都是自然形成的，而且受到自然控制的。这些过程也许可以认为是生物地球化而且受到自然控制的。这些过程也许可以认为是生物地球化学循环之间的相互联系。学循环之间的相互联系。盖亚假说：生物圈作为元素循环之间的相互联系盖亚假说：生物圈作为元素循环之间的相互联系（五）有机质的同位素研究（五）有机质的同位素研究生物（生物（动植物及微生物）在生存过程中经常与介质交换物质、动植物及微生物）在生存过程中经常与介质交换物质、并通过生物化学过程引起并通过生物化学过程引起C C、H H、O