沉積有機質(zhì)的物質(zhì)的形成與聚集

沉積有機質(zhì)的物質(zhì)的形成與聚集第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日一、沉積有機質(zhì)的來源二、生物解剖結(jié)構(gòu)與化學組成三、生物質(zhì)向沉積有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化

第一節(jié)沉積有機質(zhì)的成因第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（一）概述

1、有機質(zhì)的定義包括一切生物體及其分解或合成的各種產(chǎn)物。

2、沉積有機質(zhì)的分類

按成巖狀態(tài)沉積物中有機質(zhì)沉積巖中有機質(zhì)

按聚集狀態(tài)聚集有機質(zhì)分散有機質(zhì)一、沉積有機質(zhì)的來源第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

（二）自然界中有機碳的循環(huán)

1、自然界中碳的分類

類型形式

數(shù)量（t）有機碳

沉積體1.3×1016

生物體

(0.3~1.3)×1012無機碳（氧化碳）沉積巖中碳酸鹽

6×1016

非沉積巖中碳酸鹽

1×1016

海水中碳酸鹽

5×1013

火成巖和變質(zhì)巖（元素碳）

1×1016

溶解于海水中的碳

1×1012大氣二氧化碳中碳

1×1012第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

還原碳：有機碳，如生物質(zhì)碳氧化碳：無機碳，如碳酸鹽巖元素碳：如石墨，金剛石沉積有機碳（還原碳）類型形式數(shù)量（t）

不溶有機碳

粘土巖和頁巖

8.9×1015

碳酸鹽巖

1.8×1015砂巖1.3×1015煤層(厚度>0.6m)

1.5×1013可溶有機碳儲集巖中瀝青

2.8×1014

儲集巖中石油

2.7×1014

非儲集巖中瀝青

5×1011

非儲集巖中石油

1.1×1011

第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2、自然界中碳的循環(huán)

圖2-1有機碳及沉積有機碳的循環(huán)聚集聚集第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日思考題：

1.有機碳循環(huán)的不完整性會造成什么樣的結(jié)果？

2.有機碳循環(huán)研究對化石能源礦產(chǎn)的地質(zhì)意義？

初次循環(huán)二次循環(huán)

幾天~幾十年幾百萬年~數(shù)億年

水、生物、大氣圈巖石圈表層巖石圈表層巖石圈淺層沉積有機質(zhì)化石能源礦產(chǎn)第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（三）沉積有機質(zhì)的來源

圖1-2生物進化與沉積有機質(zhì)地史分布示意圖（據(jù)鐘寧寧、秦勇等，1995）第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

圖1-4溝鞭藻與世界特大型油田分布的關(guān)系（據(jù)何承全，1984）思考題：為什么到元古界末期才有煤層形成？第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（一）生物解剖結(jié)構(gòu)

動物（細胞膜）低等植物植物高等植物根

表皮：角質(zhì)層、臘質(zhì)

莖

周皮：木栓層皮層：通氣、吸收維管束：木質(zhì)部葉：表皮、葉肉、葉脈二、生物解剖結(jié)構(gòu)與化學組成緣孔圖1-5高等植物莖干的解剖結(jié)構(gòu)（據(jù)高信曾等，1978）管胞管胞木射線第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

動物來源的有機碎屑往往是海相或湖相沉積有機質(zhì)的一種重要賦存形式，古生界沉積巖中常見的動物有機碎屑來源于筆石、幾丁蟲、蟲顎以及某些來源不明的動物有機體，均為現(xiàn)代已滅絕了的動物。圖1-8筆石體形態(tài)及表皮解剖結(jié)構(gòu)（據(jù)Goodarzi，1984）第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（二）生物質(zhì)的化學組成

1、化合物組成

纖維素碳水化合物半纖維素

果膠質(zhì)化合物木質(zhì)素芳香族高分子聚合物蛋白質(zhì)含氮化合物類脂化合物混合物（脂肪、蠟質(zhì)）2、化合物穩(wěn)定性序列（抗降解能力）蛋白質(zhì)<色素<脂肪<半纖維素<纖維素<木質(zhì)素

<木栓質(zhì)<種子皮殼<角質(zhì)<孢粉素<蠟質(zhì)和樹脂第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日3、化合物的化學結(jié)構(gòu)第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日4、化合物元素組成生物體化合物不同有機元素不同有機質(zhì)的元素和生烴能力不同

表1-1植物及其化合物的元素組成

元素/%植物化

合

物

浮游植物菌類陸生植物纖維素木質(zhì)素蛋白質(zhì)脂肪蠟質(zhì)C45.048.054.044.462.053.077.581.0H7.07.56.06.26.17.012.013.5O45.032.537.049.431.923.010.55.5N3.012.02.8－－16.0－－第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日思考題

1.生物質(zhì)化合物的穩(wěn)定序列及其原因？在沉積有機質(zhì)研究中的意義？

2.化合物在生物質(zhì)中的分布？

3.生物體的不同生物組成中有機元素的相對豐度及其地質(zhì)意義？第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（一）沉積有機質(zhì)形成過程

1、作用過程

再循環(huán)

死亡

分配

生物作用吸收生物質(zhì)降解產(chǎn)物物理化學作用大氣、水體

埋葬作用沉積有機質(zhì)氣態(tài)分子和水分解產(chǎn)物：氨基酸，糖類等生物遺體其它小分子化合物合成產(chǎn)物：腐殖酸，瀝青質(zhì)沉積有機質(zhì)生物殘體有機碎屑：生物殘體氧化－降解階段還原－合成階段沉積－埋藏階段三、生物質(zhì)向沉積有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2、作用方式細碎作用（機械作用）：物理作用，生物碎片腐敗作用（腐朽作用）：喜氧性細菌、真茵消化作用（代謝作用）：糞粒、團塊有機質(zhì)發(fā)酵作用（縮合作用）：厭氧性細菌、酶碳水化合物糖蛋白質(zhì)氨基酸脂肪脂肪酸木質(zhì)素腐殖酸和腐殖質(zhì)吸附作用（無機礦物）：沉淀、凝聚、轉(zhuǎn)化作用

化學作用（水解作用）：水合作用、重排作用壓實作用：重力作用

第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日3、影響因素生物體本身的化學組成影響因素水體的動力狀態(tài)水介質(zhì)性質(zhì)（氧化還原、酸堿度、溫度）

表1-2植物與泥炭有機質(zhì)化學組成的比較

有機質(zhì)來源

化合物組成（干燥基%）

纖維素木質(zhì)素蛋白質(zhì)瀝青A腐殖酸植物莎

草50.0020~305~105~100木本植物50.6020~301~71~30泥炭草本泥炭19.690.7503.5643.58木本泥炭0.890.3901052.88第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（二）沉積有機質(zhì)的形成作用

1、作用類型

泥炭化作用

對象：高等植物遺體

環(huán)境：沼澤、泥炭沼澤

反應(yīng)：氧化、還原、合成

產(chǎn)物：植物殘體＋腐植酸腐泥化作用

對象：菌藻類低等植物

環(huán)境：水體較深的滯流貧氧環(huán)境

反應(yīng)：還原、合成等化學作用

產(chǎn)物：腐泥、軟泥、殘體、原生瀝青質(zhì)

第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2、泥炭化作用方式

①凝膠化作用：強覆水、缺氧、還原、厭氧微生物

方式

②絲炭化作用：氧化（暴露、流水、火災(zāi)）

③殘植化作用：覆水（流動）、富氧

①透明殘體：腐植酸＋瀝青質(zhì)＋水分

結(jié)果

②不透明殘體：化學結(jié)構(gòu)高度縮聚的惰性物質(zhì)

③殘積類脂物質(zhì)：孢子＋花粉＋角質(zhì)層＋樹脂＋木栓層思考題：

1.三種泥炭化作用方式的條件及其產(chǎn)物？

2.沉積有機質(zhì)被埋藏后凝膠化作用是否還能進行？第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日圖1-12凝膠化作用與絲炭化作用關(guān)系示意圖

（據(jù)熱姆丘日尼科夫等，1960）

絲炭化作用第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日一、沉積有機質(zhì)的三重屬性二、腐植酸的化學組成三、可抽提瀝青的化學組成

第二節(jié)近現(xiàn)代沉積有機質(zhì)的物質(zhì)組成

第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日1、概述思考題：從哪些視角，采用哪些方法來研究沉積有機質(zhì)？表2-2沉積有機質(zhì)的三重屬性

一、沉積有機質(zhì)的三重屬性沉積有機質(zhì)三重屬性

生物學屬性

高等植物植物殘體學低等植物古生物學動物巖石學屬性

生物殘屑，有結(jié)構(gòu)的

有機巖石學高度降解產(chǎn)物，無定形成分

化學屬性

不溶有機質(zhì)（干酪根）

有機地球化學可溶有機質(zhì)（可提取物—水溶、水解、堿溶、有機溶劑）

第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2、不溶有機質(zhì)（干酪根）

干酪根:不溶于有機溶劑的有機質(zhì)濃縮物.

沉積巖中有機質(zhì)的含量大都在0.5～1.5％之間，為了便于研究，往往要將其富集起來。物理方法干酪根的提取和分離方法化學方法物理化學方法

★物理方法浮選法、超聲波法、電磁法、靜電法以及基于礦物和有機質(zhì)濕潤性質(zhì)差異的分離方法

★化學方法鹽酸+氫氟酸溶解無機礦物

思考題:干酪根的制備及意義?

干酪根的類型及生烴貢獻?第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2、可溶有機質(zhì)

可溶有機質(zhì)

水溶：熱水可抽提有機質(zhì)糖類、有機酸水解：強或弱酸纖維素、半纖維素堿溶：腐植酸

NaOH

、NaP2O7有機溶劑：可抽提瀝青瀝青質(zhì)、蠟褐煤蠟：110℃

，苯抽提物>3%

德國：12%~20%，最高50~60%

云南：<9%

泥炭蠟：第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日表1-3我國泥炭化合物平均化學組成（干基，%）泥炭類型有機質(zhì)化合物組成水溶物+半纖維素水解物腐殖酸苯溶物木質(zhì)素蘚類29.545.9221.462.543.04

草本-蘚類14.096.6530.851.876.42草本9.163.5433.141.414.85

木本0.480.6139.825.610.85第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日1、腐植酸（HA）的定義

具有酸性、親水性、吸附性和復(fù)雜多樣結(jié)構(gòu)的芳香性化合物。2、腐植酸的結(jié)構(gòu)

0.001~0.1μm的球形微粒聯(lián)成的團聚體，無定形高分子膠體。由芳核（單環(huán)、多環(huán)）、橋鍵（單橋、雙橋）和活性基團（-COOH、-OH、-C=O、-OCH3、C-O-C）聯(lián)結(jié)而成。

圖1-14腐殖酸分子基本結(jié)構(gòu)單元示意圖（柴岫等，1990）

二、腐植酸的化學組成

第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日3、腐植酸的產(chǎn)率與含量

腐植酸的產(chǎn)率（HAt）——堿溶一次抽提腐植酸的含量——堿溶多次抽提4、腐植酸的分類

有機質(zhì)類型腐植酸的產(chǎn)率（HAt）

泥炭10~50%

褐煤120~80%

褐煤2<20%根據(jù)溶解性質(zhì)黃腐酸溶于酸1~2%富里酸棕腐酸溶于丙酮或乙醇

10%

胡敏酸黑腐酸沉淀部分85~90%第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日5、腐植酸的成因判別（1）H/C、N/C、O/C原子比

圖1-15腐殖酸成因判別的范氏圖解（轉(zhuǎn)引自Burand，1980）

1—海洋、湖泊水下沉積物2—寒冷氣候或酸性介質(zhì)3—熱帶潮濕氣候4—干濕季節(jié)明顯交替氣候H/C第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

海相和湖相軟泥腐殖酸中的氫和氮總體上高于泥炭和土壤，但碳含量相對較低，造成氫碳比和氮碳比顯著較高。（2）穩(wěn)定碳同位素δ13C

光合作用的差異:

海水中的碳酸鹽化合物，HCO３-1離子的δ13C在0‰左右大氣中的CO2，δ13C分布于-7~-9‰之間

思考題：

1.腐植酸類型及元素組成與沉積環(huán)境的關(guān)系？

2.如何通過腐植酸來判斷沉積有機質(zhì)的成因？生物中腐殖酸海洋浮游生物海相沉積物腐殖酸陸生和淡水植物陸相沉積物腐殖酸δ13C/‰-13~-28-21~-23-14~-32-25~-27第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日1、可抽提物類型溶于苯苯瀝青（褐煤蠟、泥巖蠟）

溶于氯仿（CHCl3）氯仿瀝青Ａ

二硫化碳（CS2）

二氯甲烷（CH2CL2）

2、氯仿瀝青Ａ族組成

三、可抽提瀝青的化學組成氯仿瀝青Ａ族組成

烴類

飽和烴

芳烴非烴類膠質(zhì)半流體狀，溶于石油醚

瀝青質(zhì)黑色固體，不溶于石油醚第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日思考題：氯仿瀝青Ａ族組分研究的環(huán)境意義？

1）生物質(zhì)的烴類/非烴比率遠遠高于沉積有機質(zhì)，表明在生物質(zhì)向沉積有機質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中生物烴類受到明顯損失；

2）海相和湖相沉積有機質(zhì)的飽和烴／芳烴比率往往高于泥炭沼澤相，這是浮游生物脂肪含量較高而陸生植物富含木質(zhì)纖維素的必然結(jié)果；

3）泥炭氯仿瀝青A中烴含量和烴類/非烴比率均具有蘚類泥炭＞草本泥炭＞木本泥炭的特征，這同樣與沉（堆）積介質(zhì)條件、微生物活動性以及植物有機組成有關(guān)；

4）年輕沉積有機質(zhì)內(nèi)從活的生物體中繼承下來的直接烴類起著生物標記化合物的作用。第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)沉積有機質(zhì)的聚集

一、陸地與海洋的沉積環(huán)境組合二、泥炭的聚集環(huán)境三、分散有機質(zhì)的沉積分配四、沉積有機質(zhì)的分布第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日1、沉積有機質(zhì)聚集條件

1）足夠生物量的供給；

2）存在生物聚合物向沉積聚合物轉(zhuǎn)化的環(huán)境條件；

3）保證沉積有機質(zhì)不被無機沉積物過分“稀釋”而相對集中;4）沉積有機質(zhì)形成后能夠得以妥善保存而在一定地質(zhì)歷史中不被再次破壞。一、陸地與海洋的沉積環(huán)境組合第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2、沉積環(huán)境的定義

沉積環(huán)境是由一組物理、化學、生物學上有別于相鄰地區(qū)的自然地理單元。3、沉積環(huán)境組合的類型三角洲沖積扇過渡環(huán)境濱海平原大陸環(huán)境

河流水下淺灘湖泊海洋環(huán)境

淺海

深海第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日沉積環(huán)境類型及其空間配置關(guān)系示意圖（轉(zhuǎn)引自任明達等，1985）

第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日二、泥炭的聚集環(huán)境1、泥炭沼澤的概念地表土壤充分潤濕，有季節(jié)性或長期性積水，而且生長了大量的喜濕植物，在地洼地帶堆積有機質(zhì)，并使其轉(zhuǎn)化為泥炭層的地區(qū)。2、泥炭沼澤的形成水域沼澤化：由湖泊、河流、瀉湖等水域轉(zhuǎn)化而來陸地沼澤化：由陸地演化而來（存在草甸泥炭沼澤化

和森林泥炭沼澤化兩種基本形式）3、泥炭沼澤的演化階段

低位沼澤中位沼澤高位沼澤

第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（1）低位沼澤（營養(yǎng)沼澤）

地下水潛水面高于沼澤水面，地下水、地表水供應(yīng)營養(yǎng)成分，生長富營養(yǎng)的植物，介質(zhì)為中性或微堿性，泥炭厚、灰分高、瀝青質(zhì)含量和焦油產(chǎn)率較低。

（2）高位沼澤（貧營養(yǎng)沼澤或凸起沼澤）

地下水潛水面低于沼澤水面，僅有大氣降水補給，沼澤水源供應(yīng)不充足，水中缺少礦物質(zhì)養(yǎng)分，尤其是中心地帶植物殘體分解速度慢，與沼澤周邊相比，泥炭層凸起，水質(zhì)介質(zhì)為酸性，泥炭灰分低、有機質(zhì)含量高，厚度較薄。（3）中位沼澤介于高位與低位沼澤之間的一種過渡類型，介質(zhì)處于中性到微酸性。

第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日泥炭沼澤完整發(fā)育過程示意圖1－富營養(yǎng)泥炭；２－中營養(yǎng)泥炭；３－貧營養(yǎng)泥炭；4—潛水面陸地沼澤化水域沼澤化

淺水緩岸深水陡岸4第43頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日（4）泥炭沼澤的垂向結(jié)構(gòu)特征

氧化環(huán)境的表層垂向結(jié)構(gòu)

過渡條件的中間層

還原環(huán)境的底層沼澤類型低位沼澤中位沼澤高位沼澤植物種類

高等植物

中等養(yǎng)分植物

中等養(yǎng)分植物

地理位置

地形低洼處

中等