教學(xué)第八章有機(jī)地球化學(xué)課件

第八章有機(jī)地球化學(xué)主講人：梁建軍第八章有機(jī)地球化學(xué)主講人：梁建軍1有機(jī)地球化學(xué)：地球和天體中有機(jī)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及它們的發(fā)生、發(fā)展和演化規(guī)律。有機(jī)化合物大多來(lái)自于生命體，它們結(jié)合到沉積巖中，并被保留在各個(gè)地史時(shí)期。由于自然過(guò)程和人為活動(dòng)的影響，它們循環(huán)到地球表層，并再次參與生命合成反應(yīng)。地學(xué)、有機(jī)化學(xué)和生物學(xué)交叉滲透的邊緣學(xué)科；應(yīng)用領(lǐng)域：早期有機(jī)地球化學(xué)的形成和發(fā)展得益于石油地球化學(xué)的進(jìn)步，并在很大程度上受石油地球化學(xué)的影響；目前廣泛應(yīng)用于能源、礦產(chǎn)資源、海洋、環(huán)境、生命科學(xué)。有機(jī)地球化學(xué)：地球和天體中有機(jī)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及它2第一節(jié)生物圈地球上各種生物生存和分布的地球外圈，稱為生物圈（Biosphere）生物圈-維爾納茨基跨越接近地表的大氣圈、水圈和巖石圈，是地球上最大的生物群落環(huán)境，其中包含著生物與生物之間，以及生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系。與生命有關(guān)聯(lián)的元素目前已知（或推測(cè)）的有30多種第一節(jié)生物圈地球上各種生物生存和分布的地球外圈，稱為生物圈3生物圈的地球化學(xué)組成分為：①生物本身，包括植物、動(dòng)物及微生物等②生物環(huán)境，包括土壤、水、空氣等③生物源的巖石、礦物等，即腐殖質(zhì)、煤、石油和天然氣等碳、氫和氧是生物體中最豐富的三種元素；碳、氮、氫和氧在生物圈中集中的現(xiàn)象并不是偶然的，這些元素是元素周期表中原子序數(shù)較小，揮發(fā)性較大的元素，很容易形成許多有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物，因此，它們便于用來(lái)進(jìn)行生物化學(xué)能的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化；生物圈的地球化學(xué)組成分為：①生物本身，包括植物、動(dòng)物及微生物4生物元素在元素周期表中分布范圍較廣，包括主族元素、金屬元素和過(guò)渡元素。C、H、O、N、S、P等主族元素在生命體中占有最大的組分比例，是生命體的基本結(jié)構(gòu)材料，也是是有機(jī)地球化學(xué)研究的主要對(duì)象。生命元素的分類和作用生物元素在元素周期表中分布范圍較廣，包括主族元素、金屬元素和5必需元素：存在于健康組織中，與生物學(xué)功能有關(guān)；在各種屬的生物體內(nèi)均有恒定的濃度范圍；去除會(huì)引發(fā)病變，重新攝入后能恢復(fù)；18種，H、C、O、N、P、S、Cl、I、Na、K、Ca、Mg、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Mo;有益元素：B、F、Si、Se、Sr、V、Cr、Ni、Sn、Br、W沾染元素：濃度可變，生理作用未完全確定；有害元素界線不固定，依生物體對(duì)元素需求和元素的濃度和存在形式而定生物元素分為四大類生命元素的分類和作用必需元素：存在于健康組織中，與生物學(xué)功能有關(guān)；在各種屬的生物6在生物演化過(guò)程中，生物對(duì)元素的選擇主要遵循如下規(guī)則：豐度規(guī)則：有若干種選擇時(shí)，生物體選擇自然界豐度最高的元素；生物利用度規(guī)則：在豐度規(guī)則前提下，元素更易溶解、遷移和轉(zhuǎn)化；有效性規(guī)則：選擇更有效的化合物；基本適宜規(guī)則：具有完成生物功能的能力；在生物演化過(guò)程中，生物對(duì)元素的選擇主要遵循如下規(guī)則：豐度規(guī)則7生命元素的化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)化合物的基本特征易成鍵：共價(jià)鍵、氫鍵等；多樣的鍵長(zhǎng)、鍵角；復(fù)雜的三維排列；生命元素的化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)化合物的基本特征易成鍵：共價(jià)鍵、氫鍵8第八章有機(jī)地球化學(xué)課件9二光合作用和有機(jī)質(zhì)的形成光合作用的過(guò)程是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，是地球上新的有機(jī)碳合成的唯一途徑。其它生物和微生物都依賴降解生物體提供的有機(jī)質(zhì)而生活。自然界中有兩類光合作用：綠色植物的光合作用細(xì)菌的光合作用地球上的碳循環(huán)是根據(jù)光合作用的速率大于呼吸速率的正平衡進(jìn)行的二光合作用和有機(jī)質(zhì)的形成光合作用的過(guò)程是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能10光合作用是唯一能分離氧的，廣泛存在于地表的化學(xué)反應(yīng)，大氣圈的游離氧全部都來(lái)自生命光合作用。地球形成之初，原始大氣主要為氫和氦，由于太陽(yáng)風(fēng)的作用逐漸逃逸；太古宙早期的大氣主要是水、CO2、N2、CO、SO2、HCl、CH4和NH3，還原性，來(lái)自于火山活動(dòng)釋放的氣體。37億a前，原始海洋中出現(xiàn)生命——異養(yǎng)體，依賴非生物作用產(chǎn)生的有機(jī)分子存活。光合作用：藍(lán)綠藻，20億a，氧化環(huán)境光合作用是唯一能分離氧的，廣泛存在于地表的化學(xué)反應(yīng)，大氣圈的11三生物圈的演化生物經(jīng)過(guò)了由低級(jí)到高級(jí)，簡(jiǎn)單到復(fù)雜，單一到多樣的進(jìn)化歷程。生物的進(jìn)化分為：前生命的化學(xué)進(jìn)化和生物進(jìn)化，前者短暫，后者漫長(zhǎng)。

前生命的化學(xué)進(jìn)化：由無(wú)機(jī)物質(zhì)到有機(jī)生命；

異養(yǎng)假說(shuō)和類蛋白微球?qū)W說(shuō)：水、還原性大氣和充足的能源（放電、宇宙射線、熱能和太陽(yáng)能）環(huán)境中，無(wú)機(jī)小分子氨基酸等有機(jī)小分子蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)大分子團(tuán)聚體和類蛋白球等多分子體系，進(jìn)入前細(xì)胞構(gòu)造階段37~38億a左右，細(xì)胞出現(xiàn)生物圈的演化特征三生物圈的演化生物經(jīng)過(guò)了由低級(jí)到高級(jí)，簡(jiǎn)單到復(fù)雜，單一到多12生物進(jìn)化：前顯生宙微觀進(jìn)化過(guò)程

從太古宙初到元古宙末，歷時(shí)30億a，原核生物是主體，生物進(jìn)化主要表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和代謝方式的改變，即從異養(yǎng)生物到自養(yǎng)生物、從無(wú)氧呼吸到有氧呼吸、從原核生物到真核生物的進(jìn)化。原始異養(yǎng)生物逐漸為自養(yǎng)的、行光合作用的生物所代替。顯生宙宏觀進(jìn)化過(guò)程

生物組織器官的進(jìn)化、物種分異和生物多樣性的變化。重要事件主要是：動(dòng)植物的分化、生物從水生到陸生，以及人類的起源。生物進(jìn)化：13主要生物類型的演化及其對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)從前寒武紀(jì)到泥盆紀(jì)，有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源是海洋浮游植物。從泥盆紀(jì)開(kāi)始，有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮叩戎参?。估?jì)目前海洋浮游植物和陸生高等植物產(chǎn)生的有機(jī)碳數(shù)量大致相等。

浮游植物呈現(xiàn)三個(gè)生產(chǎn)高峰期：1）前寒武紀(jì)至早古生代為第一高峰期，光和細(xì)菌和藍(lán)藻為主的有機(jī)碳；2）泥盆紀(jì)至三疊紀(jì)時(shí)，有機(jī)碳產(chǎn)量較低。晚侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)，鈣質(zhì)浮游生物（溝鞭藻和顆石藻）為主，為另一高峰；3）白堊紀(jì)末至早古新世，浮游植物產(chǎn)量下降。晚古新世和始新世產(chǎn)量增加，出現(xiàn)第三個(gè)高峰。現(xiàn)代海洋浮游植物主要的原始生產(chǎn)者是溝鞭藻、硅藻和顆石藻。

細(xì)菌對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)存在爭(zhēng)議。由于其微小，缺少硬體部分，很少成為化石；水生富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中，80%的光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)菌，由此斷定細(xì)菌至少提供了泥炭中有機(jī)質(zhì)的5%~10%。主要生物類型的演化及其對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)從前寒14

浮游動(dòng)物以浮游植物為食，減少了浮游植物對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的直接貢獻(xiàn)，但增加了浮游動(dòng)物及其排泄物等有機(jī)質(zhì)的來(lái)源。晚侏羅世大量出現(xiàn)的浮游紡錘蟲(chóng)被認(rèn)為是某些海相沉積物中的主要有機(jī)質(zhì)。從寒武紀(jì)開(kāi)始，浮游動(dòng)物都提供了相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)質(zhì)，然而魚(yú)類提供的有機(jī)質(zhì)可忽略不計(jì)。

陸生高等植物是泥炭的重要成分，但因地質(zhì)時(shí)期不同，并不總是沉積有機(jī)質(zhì)的重要貢獻(xiàn)者。最早出現(xiàn)在志留紀(jì)沉積物中，泥盆紀(jì)較普遍，石炭紀(jì)以石松類和楔葉類為主。古生代末期，蕨類植物滅絕，之后以裸子植物為主。早白堊紀(jì)時(shí)期，被子植物為主。浮游動(dòng)物以浮游植物為食，減少了浮游植物對(duì)沉積有15第八章有機(jī)地球化學(xué)課件16第二節(jié)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)是有機(jī)地球化學(xué)研究的對(duì)象，主要來(lái)源于生物及其新陳代謝的產(chǎn)物，經(jīng)歷沉積、成巖和變質(zhì)等一系列化學(xué)過(guò)程，以不同形態(tài)保留在各地質(zhì)體中。為了追索地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，揭示有機(jī)質(zhì)變化的地球化學(xué)過(guò)程和結(jié)果，需要研究生物有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生和聚集、生物圈的特征及其演化。一、生物的化學(xué)組成及其特征生物有機(jī)質(zhì)主要由碳水化合物（糖類）、蛋白質(zhì)、脂類和木質(zhì)素組成。此外，還有數(shù)量不大，但對(duì)生命活動(dòng)十分重要的有機(jī)物質(zhì)，如核酸、纖維素、丹寧、樹(shù)脂等。

在不同生物體中，有機(jī)組分的含量和類型存在顯著差異。如藻類富含蛋白質(zhì)和脂類；高等植物富含纖維素和木質(zhì)素。同種組分在不同生物體內(nèi)也存在不同特征。如高等植物內(nèi)的脂類不同于低等植物的脂類。第二節(jié)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)是有機(jī)17

（1）碳水化合物（糖類）自然界分布最廣的有機(jī)物質(zhì)，是生物體的重要能量來(lái)源，而且為生命合成提供碳原子和碳鏈骨架。許多糖類物質(zhì)，如纖維素和幾丁質(zhì)，構(gòu)成某些動(dòng)植物的支撐組織。糖類的元素組成為碳、氫和氧，其分子通式為Cn(H2O)n，為多羥基的醛酮類。基本組成單元為β-D型葡萄糖。碳水化合物按其水解產(chǎn)物可以分為單糖（僅含一個(gè)醛/酮基團(tuán)）、低聚糖（2~10個(gè)醛/酮基團(tuán)）和多糖（>10個(gè)醛/酮基團(tuán)）。此外，糖也可以與非糖物質(zhì)結(jié)合形成結(jié)合糖，如與蛋白質(zhì)結(jié)合的葡萄糖胺。β-D型葡萄糖（1）碳水化合物（糖類）糖類的元素組成為碳、18纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁和支撐組織的重要成分，占自然界碳的含量的50%。由300個(gè)-2500個(gè)葡萄糖殘基組成，水解得到葡萄糖。幾丁質(zhì)是氨基糖的聚合物，可視為乙酰胺基CH3CONH取代了纖維素的兩個(gè)羥基。它比纖維素更能抵抗分解，是構(gòu)成節(jié)肢動(dòng)物和昆蟲(chóng)硬殼的主體，又稱為甲殼素。纖維素果膠藻酸幾丁質(zhì)纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁和支撐組織的重要成分，占自然界碳的含量19(2)脂類（Lipids）脂類不溶于水，易溶于氯仿、苯、乙醚、已烷和丙酮等非極性有機(jī)溶劑。脂類能被生物利用，作為構(gòu)造、修補(bǔ)組織或供給能量之用。常見(jiàn)的脂類化合物包括脂肪、臘、類固醇和磷脂。脂肪和脂肪酸（fatsandfattyacids）：脂肪是動(dòng)植物中最重要的脂類。它是由脂肪酸和甘油（丙三醇）結(jié)合而形成的。脂肪的化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，極易發(fā)生水解形成脂肪酸。脂肪酸的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，在低溫缺氧的環(huán)境中易于保存。蠟（waxes）：是高級(jí)脂肪酸與高級(jí)一元醇或甾醇形成的酯。含有少量游離高級(jí)脂肪酸、高級(jí)醇和長(zhǎng)鏈烴。蠟廣泛分布于生物界，有蜂蠟、蟲(chóng)蠟、植物蠟、羊毛蠟等，尤以各種植物蠟豐富。蠟在皮膚、羽毛、樹(shù)葉、果實(shí)表皮以及昆蟲(chóng)外骨骼上起保護(hù)作用，防止水份過(guò)度蒸發(fā)。它是石油中高碳數(shù)正構(gòu)烷烴的主要來(lái)源之一。(2)脂類（Lipids）脂肪和脂肪酸（fatsand20萜類和甾類化合物（terperoidsandsteroids）

自然界生物合成的一個(gè)重要方式就是異戊二烯單元（isoprene）的聚合反應(yīng)。凡有成倍的C5單元的天然生物產(chǎn)物，通常就是整個(gè)異戊二烯單元的連接。萜類和甾類化合物都符合“異戊二烯法則”。異戊二烯環(huán)狀單萜

萜類化合物的穩(wěn)定性和抵抗細(xì)菌降解的能力強(qiáng)于正烷烴，因而在地質(zhì)體中具有生物標(biāo)志化合物的重要特征，可反映原來(lái)生物物質(zhì)成分。

甾類化合物又稱類固醇，可視為部分或完全氫化的菲與環(huán)戊烷稠合的產(chǎn)物。甾族化合物在動(dòng)植物中均很豐富，而萜類化合物在高等植物中很普遍。膽甾醇萜類和甾類化合物（terperoidsandsteroi21磷脂（phospholipid）

甘油的三個(gè)羥基中有兩個(gè)與高級(jí)脂肪酸成酯，另一個(gè)和磷酸成酯。磷脂是細(xì)胞膜的重要成分，廣泛存在于動(dòng)物的腦、肝、腎、蛋黃，植物的種子、果實(shí)、孢子和微生物中。樹(shù)脂（resin）一切植物成分中抵抗化學(xué)和生物化學(xué)作用最強(qiáng)的一種萜類混合物，其主要成分是倍半萜、二萜和三萜類的衍生物。大部分樹(shù)脂是由不飽和的多環(huán)烯酸組成，是植物的重要組分之一。磷脂（phospholipid）樹(shù)脂（resin）22（3）色素（pigments）具有異戊間二烯結(jié)構(gòu)。葉綠素是生物體中最為重要且最為普遍的的一類有機(jī)色素，其基本結(jié)構(gòu)式是由四個(gè)吡咯環(huán)的α－碳原子通過(guò)四個(gè)次甲基（＝CH－）交替連接而成的卟吩核，再加上各種碳取代基構(gòu)成的。葉綠素本身很不穩(wěn)定，在地質(zhì)體中很少見(jiàn)到。其經(jīng)過(guò)降解釋放出其中的鎂，之后可能與其他金屬重新絡(luò)合生成卟啉，即鎂被其他金屬置換。類胡羅卜素是另一種重要的有機(jī)色素，它能使植物呈淡黃色到深紅色。

（3）色素（pigments）23（4）蛋白質(zhì)和氨基酸蛋白質(zhì)是由多種氨基酸組成的高度有序的聚合物。它們構(gòu)成了生物有機(jī)體中大部分含氮化合物。蛋白質(zhì)與其它分子結(jié)合形成生命過(guò)程中大部分重要的化合物，如細(xì)胞色素、酶、細(xì)菌的毒素和抗體、肌肉纖維、蠶絲和海綿等多種不同物質(zhì)。在有水存在時(shí)，不溶性蛋白質(zhì)由于酶的作用可以水解成水溶性的單體－氨基酸。大部分蛋白質(zhì)是由二十幾種氨基酸組成。

氨基酸分解形成C1~C7的烴類。生物體死亡后，氨基酸保存在遺骸和貝殼中，故在筆石、藻類、腕足類化石中均含有氨基酸。在不同沉積環(huán)境中，氨基酸的種類和含量不同。海相沉積物中氨基酸含量高于湖相沉積物，碳酸鹽沉積物中高于泥質(zhì)沉積物。（4）蛋白質(zhì)和氨基酸24（5）木質(zhì)素（lignin）植物細(xì)胞壁的主要成分，它包圍著纖維素并充填其間隙形成了支撐組織。木質(zhì)素可視為高分子量聚酚，其單體基本上是酚－丙烷基結(jié)構(gòu)的化合物，常帶有甲氧基等官能團(tuán)。木質(zhì)素性質(zhì)十分穩(wěn)定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水體中，在水和微生物的作用下，木質(zhì)素分解，與其它化合物形成腐殖質(zhì)。（5）木質(zhì)素（lignin）25沉積圈的有機(jī)質(zhì)占地球總有機(jī)質(zhì)的85%以上，分布高度分散、不均衡二地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)各種生物的遺體和代謝產(chǎn)物，經(jīng)掩埋演化生成的新的有機(jī)物及其衍生物。不包括貝殼、骨骼、牙齒等無(wú)機(jī)部分。1沉積有機(jī)質(zhì)的來(lái)源沉積圈的有機(jī)質(zhì)占地球總有機(jī)質(zhì)的85%以上，分布高度分散、不均26殘存的穩(wěn)定性較高的有機(jī)物：氨基酸、脂肪酸、卟啉、色素等新產(chǎn)生的有機(jī)物：烴類、腐殖酸和干酪根

由于復(fù)雜的反應(yīng)，新產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)失去了有序的骨架結(jié)構(gòu)。

干酪根：水、酸、堿和有機(jī)溶劑都無(wú)法抽提的那部分有機(jī)質(zhì)的綜合。它是沉積巖中分布最普遍，數(shù)量最多的有機(jī)質(zhì)，約占地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)總量的95%。2地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的類型殘存的穩(wěn)定性較高的有機(jī)物：氨基酸、脂肪酸、卟啉、色素等2地27三個(gè)因素影響沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生原始有機(jī)質(zhì)產(chǎn)率相對(duì)平靜的水體沉積環(huán)境厭氧環(huán)境光合作用和光輻射強(qiáng)度的影響：產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)分布不均勻，熱帶>溫帶3沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生與保存三個(gè)因素影響沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生3沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生與保存28海水中浮游植物提供了有機(jī)質(zhì)的95%；海岸生態(tài)系統(tǒng)提供3%；淡水環(huán)境有機(jī)碳提供1%；其他來(lái)源總計(jì)不足1%；海水中浮游植物提供了有機(jī)質(zhì)的95%；29有機(jī)質(zhì)真正進(jìn)入沉積圈，得以被保留下來(lái)的僅為很少的部分；海洋中保留的為0.01%；大陸邊緣斜坡地帶保留較好；三角洲、沼澤、湖泊的保留能力也較好。濱海地區(qū)盡管有機(jī)質(zhì)數(shù)量充足，但劇烈的海流和較高的水中含氧量，加劇了有機(jī)質(zhì)的降解，保存較低；砂巖是高能氧化環(huán)境下的沉積，有機(jī)質(zhì)含量低；頁(yè)巖、沉積巖是低能還原條件下的沉積，有機(jī)質(zhì)含量較高；碳酸巖有機(jī)質(zhì)含量中等。有機(jī)質(zhì)真正進(jìn)入沉積圈，得以被保留下來(lái)的僅為很少的部分；30因此，對(duì)比生物前身物質(zhì)，可以推斷其成因，提供生物先質(zhì)（原始生物）的類型和地質(zhì)年齡，指示沉積和早期成巖階段的物理化學(xué)條件，提供成巖成礦方面的多種信息。三生物標(biāo)志化合物生物標(biāo)志化合物是指沉積物中的有機(jī)質(zhì)以及原油、油頁(yè)巖、煤中那些來(lái)源于活生物體，在有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中具有一定的穩(wěn)定性，沒(méi)有或很少發(fā)生變化，基本保存了原始生化組分的碳骨架，記載了原始生物母質(zhì)的特殊分子結(jié)構(gòu)信息的有機(jī)化合物。

生物標(biāo)志化合物可溶有機(jī)質(zhì)僅占有機(jī)質(zhì)的10%左右，它主要來(lái)源于生物體中原生烴類和其它類脂化合物的游離分子，它們構(gòu)成了生物標(biāo)志化合物。因此，對(duì)比生物前身物質(zhì)，可以推斷其成因，提供生31生物體中的脂肪酸、臘含以偶碳數(shù)正構(gòu)烷烴為主，因此碳數(shù)分布范圍、主峰碳數(shù)、分布曲線峰型和奇碳數(shù)分子與偶碳數(shù)分子的相對(duì)豐度都具有指示成因的意義?！疤純?yōu)勢(shì)指數(shù)”（CPI）和奇偶優(yōu)勢(shì)指數(shù)（OEP）是表征正構(gòu)烷烴奇碳數(shù)分子和偶碳數(shù)分子相對(duì)豐度的兩個(gè)參數(shù)。

1、正構(gòu)烷烴飽和直鏈烴，通式為CnH2n+2正構(gòu)烷烴構(gòu)成了沉積有機(jī)質(zhì)中正構(gòu)烷烴的主要來(lái)源，其具有高鍵能的碳－碳鍵，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，所以在一定程度上能保留它原有的結(jié)構(gòu)特征。生物體中的脂肪酸、臘含以偶碳數(shù)正構(gòu)烷烴為主，32Ci表示碳數(shù)為i的正構(gòu)烷烴的質(zhì)量百分濃度，Ci+2為主峰碳數(shù)由于原油中奇、偶C幾乎相當(dāng)，因此上述這些C優(yōu)勢(shì)指標(biāo)越接近于1，說(shuō)明其成熟度越高。在我國(guó)，CPI、OEP＞1.2時(shí)，未成熟，CPI、OEP＜1.2時(shí)成熟。正烷烴判別生油巖成熟度的依據(jù)：①石油中的正烷烴，主要是新生的，并且隨有機(jī)質(zhì)成熟度增加，低分子量正烷烴增多，致使正烷烴分布曲線的主峰移至低C數(shù)范圍（C29→C21）；②與此同時(shí)，早期具有明顯優(yōu)勢(shì)的奇數(shù)C原子隨熱解作用的繼續(xù)進(jìn)行，奇C優(yōu)勢(shì)逐漸消失，在原油中奇、偶數(shù)C原子含量幾乎相等。所以，從不成熟—→成熟，就越來(lái)越不具備奇C優(yōu)勢(shì)。Ci表示碳數(shù)為i的正構(gòu)烷烴的質(zhì)量百分濃度，Ci+2為主峰碳數(shù)33

現(xiàn)代生物總體以奇碳數(shù)正構(gòu)烷烴占優(yōu)勢(shì)。陸生高等植物中C27、C29、C31、C33等高分子量奇數(shù)碳正構(gòu)烷烴優(yōu)勢(shì)特別明顯.

海相生物中低碳數(shù)正構(gòu)烷烴的豐度較高，主峰以nC15、nC17為主。藍(lán)綠藻來(lái)源的正構(gòu)烷烴以nC14－nC19占優(yōu)勢(shì)。2.無(wú)環(huán)的類異戊二烯烷烴是一類具有規(guī)則甲基支鏈的飽和烴，屬無(wú)環(huán)的萜類。最常見(jiàn)的姥鮫烷和植烷特征：（1）分子中每隔三個(gè)碳鏈（-CH2-）具有一個(gè)甲基支鏈；

（2）來(lái)自陸生高等植物的葉綠素和古細(xì)菌；

（3）熱穩(wěn)定性和抵抗微生物侵蝕的能力大于正構(gòu)烷烴，在熱解的情況下高碳數(shù)能裂解成低碳數(shù)。

現(xiàn)代生物總體以奇碳數(shù)正構(gòu)烷烴占優(yōu)勢(shì)。2.無(wú)環(huán)的類異戊二烯烷34第八章有機(jī)地球化學(xué)課件35甾萜類化合物萜類化合物環(huán)狀類異戊二烯主要來(lái)自于高等陸生植物熱穩(wěn)定性和抵抗微生物降解能力大于正構(gòu)烷烴，所以能穩(wěn)定的存在于地質(zhì)體中，成為重要的生物標(biāo)志化合物。甾族化合物的芳構(gòu)化和斷裂與成熟度有關(guān)

可用C27/C29或C27/(C28+C29)來(lái)判別有機(jī)質(zhì)的類型。生物體和低成熟沉積物中的甾類屬穩(wěn)定性低的構(gòu)型，隨埋藏深度增加成熟度增高，通過(guò)異構(gòu)化、芳構(gòu)化和側(cè)鏈斷裂等方式向穩(wěn)定性更高的構(gòu)型轉(zhuǎn)化。

膽甾醇環(huán)狀單萜甾萜類化合物膽甾醇環(huán)狀單萜36卟啉化合物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且分布廣泛的一類生物標(biāo)志化合物，在原油、煤、瀝青中均可出現(xiàn)，但含量較低；其中金屬可置換；卟啉的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)與沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)演化有關(guān)，因此可用來(lái)確定生油巖、研究沉積環(huán)境、劃分沉積有機(jī)質(zhì)的成熟度、進(jìn)行油源對(duì)比等。卟啉化合物37四干酪根干酪根（kerogen）一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)，意為能生成油或蠟狀物的物質(zhì)。

Tissot和welte（1978）將沉積巖中既不溶于含水的堿性溶劑，也不溶于普通有機(jī)溶劑的有機(jī)組分，稱為干酪根，它泛指一切成油型、成煤型的有機(jī)物質(zhì)，但不包括現(xiàn)代沉積物中的腐殖物質(zhì)。干酪根是地球上有機(jī)碳的最重要形式，是沉積巖有機(jī)質(zhì)中分布最普遍、最重要的一類，約占地質(zhì)體總有機(jī)質(zhì)的95％，其余的是瀝青。估計(jì)巖石平均含干酪根0.3g，地殼中干酪根總量約為3×1015t，大約相當(dāng)于煤的總儲(chǔ)量的1000倍和石油總儲(chǔ)量的16000倍（Weeks，1958）。四干酪根干酪根（kerogen）一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)，意為能生381干酪根的性質(zhì)和形成干酪根是一種高分子聚合物，主要由C、H、O元素組成，含有少量的N、S、P和其它金屬元素。據(jù)Tissot等（1984）研究，干酪根的碳含量一般在70－90%，氫含量為3－11%，氧含量為3－24%，H/C原子比為0.4-1.67，O/C原子比值為0.03-0.30，C/N比值為40－150。干酪根元素組成變化大是由于干酪根的類型和成熟度的差異造成的。干酪根的形成過(guò)程仍有待深入研究，一般認(rèn)為，干酪根是生物有機(jī)質(zhì)沉積埋藏后，通過(guò)微生物降解、聚合作用形成腐殖酸（或腐殖質(zhì)），再轉(zhuǎn)化為干酪根。1干酪根的性質(zhì)和形成392.干酪根的類型干酪根最早按照其組成與性質(zhì)可劃分為兩大類，即腐泥質(zhì)和腐殖質(zhì)腐泥質(zhì)（sapropel）主要來(lái)源于水生浮游生物以及一些底棲生物和水生植物等，形成于滯水盆地條件，包括閉塞的瀉湖、海灣、湖泊中。腐殖質(zhì)（Humic）來(lái)源于高等植物為主的有機(jī)質(zhì)，富含具芳香結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素和丹寧以及纖維素等，形成于沼澤、湖泊或與其有關(guān)的沉積環(huán)境。2.干酪根的類型40第八章有機(jī)地球化學(xué)課件41Tissot等根據(jù)干酪根的元素組成將其劃分為4種類型：I型干酪根

H／C原子比值高（≥l.5），而O/C原子比值低（通常小于＜0.1）。它們富含脂肪結(jié)構(gòu)，與某些藻類沉積有關(guān)，產(chǎn)油潛力大。Ⅲ型干酪根的H／C原子比值低（一般小于1.0），原始的O/C原子比高（高達(dá)0.2或0.3）。這類干酪根富含芳核和雜原子，生油潛力較低，但可成為氣源母質(zhì)。Ⅱ型干酪根介于二者之間。Tissot等根據(jù)干酪根的元素組成將其劃分為4種類型：423

干酪根的結(jié)構(gòu)干酪根是一種大分子縮聚物，有機(jī)巖石學(xué)的研究結(jié)果表明：干酪根實(shí)際上是各種顯微組分組成的復(fù)雜的混合物，甚至在光學(xué)顯微鏡下看來(lái)是均質(zhì)的無(wú)結(jié)構(gòu)部分，在電子透射顯微鏡的高倍放大下，有的仍呈現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和組織形態(tài)。因此，干酪根不可能有一個(gè)嚴(yán)格的固定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和單一的化學(xué)結(jié)構(gòu)模式?；瘜W(xué)和物理學(xué)分析結(jié)果表明：干酪根是一種具有網(wǎng)狀交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜有機(jī)聚合物。它的基本結(jié)構(gòu)大致是由核、橋鍵、官能團(tuán)三部分組成，在其結(jié)構(gòu)格架的間隙里可能存在各種類型的游離有機(jī)化合物分子3干酪根的結(jié)構(gòu)43第八章有機(jī)地球化學(xué)課件44第三節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的演化沉積有機(jī)質(zhì)的演化與沉積物的沉積史、成巖史和變質(zhì)史密切相關(guān)，具有明顯的階段性。研究沉積有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)剖面上的演化過(guò)程、性質(zhì)特征和分布規(guī)律，可以追索地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源、沉積和轉(zhuǎn)化環(huán)境及過(guò)程，進(jìn)而研究沉積環(huán)境和成巖成礦。一沉積有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中重要的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)1腐解作用（decay）微生物呼吸作用是腐解的主要因素，分為需氧和缺氧腐解兩類。第三節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的演化沉積有機(jī)質(zhì)的演化與沉452氧化還原反應(yīng)有機(jī)物分子中加氧脫氫為氧化，加氫脫氧為還原。3加成反應(yīng)新的原子和官能團(tuán)加到不飽和烯烴（炔烴）的兩端4縮合和聚合反應(yīng)縮合：有機(jī)化合物結(jié)合過(guò)程中，脫去小分子；聚合：由小分子單體結(jié)合形成高分子聚合物；5解聚反應(yīng)縮合反應(yīng)的逆過(guò)程2氧化還原反應(yīng)46二有機(jī)質(zhì)演化階段劃分為三個(gè)階段：成巖作用、深成熱解作用和變質(zhì)作用1成巖作用沉積有機(jī)質(zhì)在低溫低壓（<50~60oC）條件下，以微生物改造為主轉(zhuǎn)變?yōu)楦衫腋难莼A段。

沉積有機(jī)質(zhì)自身化學(xué)組分的穩(wěn)定性決定了微生物改造后剩余干酪根的數(shù)量。如：糖類和氨基酸易被微生物分解吸收；蛋白質(zhì)和多糖能夠被分解為氨基酸和單糖，進(jìn)而被分解吸收。微生物的改造最終導(dǎo)致生物大分子占沉積物總有機(jī)質(zhì)的不到20%。

不同的有機(jī)化合物分解速率也不同。氨基酸和含氮化合物>糖類二有機(jī)質(zhì)演化階段1成巖作用47隨著有機(jī)質(zhì)埋藏深度的增大，由于殘余有機(jī)質(zhì)內(nèi)養(yǎng)料減少，有毒物質(zhì)（如H2S）增多，微生物的降解能力逐漸減弱，化學(xué)作用逐漸增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)縮聚稱為更加穩(wěn)定的不溶物——地質(zhì)聚合物。這些聚合物在土壤中稱為腐殖質(zhì)，泥炭沼澤中稱為褐煤。

干酪根不是成巖作用的唯一產(chǎn)物，還殘余一些來(lái)自于類脂化合物的生物標(biāo)志化合物。2深成熱解作用干酪根隨著埋藏深度增加，壓力和溫度升高，發(fā)生重排和碳鏈斷裂等化學(xué)反應(yīng)，生成中等和低分子量烴類，以及CO2、H2O和SO2。深成熱解階段即為干酪根熱解成油氣的演化階段。

沉積有機(jī)質(zhì)位于上百至幾千米深，溫度50~200oC。隨著有機(jī)質(zhì)埋藏深度的增大，由于殘余有機(jī)質(zhì)內(nèi)養(yǎng)料48從油氣生成角度看，深成熱解作用可以分為兩個(gè)階段：石油生成的主要階段（生油窗）：溫度為50~125oC，干酪根熱催化裂解，失去側(cè)鏈和雜原子基團(tuán)。可溶有機(jī)質(zhì)的數(shù)量迅速增加，生成的C15~C40的烴類，占總生成物額80%~90%，新生成的烴類沒(méi)有特征的機(jī)構(gòu)和分布。熱解生成凝析油和濕氣階段：溫度為125~200oC，高溫裂解更為迅速，高分子量烷烴繼續(xù)裂解，生成的輕質(zhì)烴，溶于氣態(tài)烴內(nèi)，形成凝析氣和富含氣態(tài)烴的濕氣。3變質(zhì)作用深度4000米以下，溫度高于200oC，繼續(xù)高溫?zé)峤?，生成較高早的CH4和焦瀝青、石墨。從油氣生成角度看，深成熱解作用可以分為兩個(gè)階段：49三沉淀有機(jī)質(zhì)演化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)其中：反應(yīng)物初始濃度為C0，t時(shí)刻的反應(yīng)物濃度為C，K為反應(yīng)速度常數(shù)；

阿倫尼烏斯提出了反應(yīng)速度常數(shù)K與絕對(duì)溫度T的關(guān)系；其中，A是頻率因子，即單位時(shí)間單位溶劑內(nèi)粒子碰撞的速度；E活化能，即反應(yīng)需要的最低能量；R為氣體常數(shù)；反應(yīng)速度主要取決于活化能和溫度。活化能越大，反應(yīng)速度越低，反應(yīng)需要較高的溫度進(jìn)行；活化能與斷裂的鍵能成正比。

簡(jiǎn)化為

反應(yīng)時(shí)間的自然對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度成反比直線關(guān)系。一級(jí)反應(yīng)三沉淀有機(jī)質(zhì)演化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)其中：反應(yīng)物初始濃度為C0，50反應(yīng)時(shí)間的自然對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度成反比直線關(guān)系；所以沉積有機(jī)質(zhì)的演化過(guò)程中成油巖時(shí)代越新，所需成油的溫度越高。溫度對(duì)有機(jī)質(zhì)的熱演化起主導(dǎo)作用，反應(yīng)速度隨溫度成指數(shù)增長(zhǎng)，而隨時(shí)間成線性關(guān)系。壓力對(duì)有機(jī)質(zhì)的演化起次要作用，存在礦物催化劑時(shí)，有機(jī)質(zhì)的演化以催化裂化為主。反應(yīng)時(shí)間的自然對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度成反比直線關(guān)系；所以沉積有機(jī)質(zhì)的51第四節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定同位素化學(xué)同位素分餾作用，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定同位素組成有顯著變化，可以據(jù)此確定有機(jī)質(zhì)的來(lái)源、沉積環(huán)境、形成和轉(zhuǎn)化機(jī)制。一光合作用和穩(wěn)定碳同位素樣品中12C含量越高，則δ13C值越負(fù)；所有自養(yǎng)生化過(guò)程都優(yōu)先富集輕同位素。植物光合作用中，碳循環(huán)主要遵循卡爾文循環(huán)，其δ13C為-26‰±7‰第四節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定同位素化學(xué)同位素分餾52大氣中的12C被富集到生物體內(nèi)，自身剩余的13C含量增大。海洋中碳酸鹽源于空氣中可溶的CO2，所以海洋碳酸鹽中也富集13C。大氣中的12C被富集到生物體內(nèi)，自身剩余的13C含量增大。海53二沉積有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中的同位素分餾沉積有機(jī)質(zhì)在成巖作用中的同位素變化因素：微生物作用下的生物大分子脫基團(tuán)作用；抗分解能力強(qiáng)的組分易于保存。會(huì)發(fā)生同位素分餾的元素包括：12C/13CH/D14N/15N16O/18O32S/34S微生物作用下的同位素分餾基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即不同同位素在關(guān)鍵單向反應(yīng)中的反應(yīng)速率不同。

Δ(SO42-–S2-)=25‰二沉積有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中的同位素分餾沉積有機(jī)質(zhì)在成巖作用中54有氧時(shí)，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為CO2；缺氧環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)被微生物發(fā)酵為甲烷，這個(gè)過(guò)程受動(dòng)力同位素效應(yīng)影響顯著，導(dǎo)致生成的甲烷中特別貧13C，δ13C為-50‰~112‰有氧時(shí)，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為CO2；缺氧環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)被微生物發(fā)酵為55生物大分子分解為單體分子，然后單體分子聚合形成干酪根。這一聚合作用也會(huì)影響同位素分餾，但影響較小。由于12C–12C更易斷裂

，所以生成的輕質(zhì)烴中12C較為富集，剩余的干酪根隨時(shí)間延長(zhǎng)，而更加富集13C生物大分子分解為單體分子，然后單體分子聚合形成干酪根。這一聚56三碳的單體同位素研究及意義由于同位素分餾，導(dǎo)致沉積有機(jī)物中的穩(wěn)定同位素不僅與其生物質(zhì)來(lái)源有關(guān)，而且與環(huán)境條件和后期的演化過(guò)程相關(guān)。單體生物標(biāo)志化合物碳同位素研究基于兩個(gè)假設(shè)：具有共同來(lái)源的有機(jī)化合物表現(xiàn)相似的同位素組成；

成巖階段單體生物標(biāo)志化合物得同位素得以保持。目前研究較多的單體生物標(biāo)志化合物主要為：正構(gòu)烷烴，烴類，氨基酸和糖類。對(duì)東京灣沉積物（3m柱狀樣品和地標(biāo)沉積樣品）的單體長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴的碳同位素組成進(jìn)行分析。結(jié)果表明：0~40cm，現(xiàn)今到1965年的C27~C33正構(gòu)烷烴的δ13C值為-30.5~-28.2‰，其中偶碳數(shù)的正構(gòu)烷烴的碳同位素重于奇碳數(shù)正構(gòu)烷烴；70~220cm樣品中C27~C33正構(gòu)烷烴的δ13C值為-29.6~-32.9‰，且沒(méi)有奇偶碳數(shù)的同位素差異。對(duì)比當(dāng)?shù)馗叩戎参锸灪陀臀壑械恼龢?gòu)烷烴二端元的混合模型發(fā)現(xiàn)，δ13C的差異是高等植物蠟和油來(lái)源的正構(gòu)烷烴混合引起的，并根據(jù)其分布分析得出東京灣的污染較嚴(yán)重的時(shí)間段為1960~1965年。三碳的單體同位素研究及意義由于同位素分餾，57第五節(jié)有機(jī)地球化學(xué)的應(yīng)用一可燃有機(jī)礦產(chǎn)地球化學(xué)可燃有機(jī)礦產(chǎn)：石油、天然氣、煤、油頁(yè)巖（一）石油天然氣地球化學(xué)

沉積有機(jī)質(zhì)在早期成巖過(guò)程中，深度0~數(shù)百米，由于細(xì)菌和微生物的化學(xué)降解，產(chǎn)生少量的烴類和揮發(fā)性氣體。其中烴類保持了原始有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)成生物標(biāo)志化合物；埋深超過(guò)1500~2500m時(shí)，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟階段，經(jīng)受的溫度較高60~200oC，發(fā)生熱催化作用，產(chǎn)生大量的烴類。此時(shí)的烴類在結(jié)構(gòu)上明顯不同于原始有機(jī)質(zhì)，鄭萬(wàn)庭、環(huán)烷烴和芳香烴原子數(shù)和分子量逐漸減少，奇數(shù)碳優(yōu)勢(shì)小時(shí)；

埋深超過(guò)3500~4000m，高溫裂解，高峰兩液態(tài)烴急劇減少，低分子量的正構(gòu)烷烴顯著增加，形成凝析油和濕氣；

埋深超過(guò)4000m，進(jìn)入變質(zhì)階段，高溫高壓，已形成的液態(tài)烴和重質(zhì)氣態(tài)烴強(qiáng)烈裂解，形成甲烷，干酪根進(jìn)一步縮聚。第五節(jié)有機(jī)地球化學(xué)的應(yīng)用一可燃有機(jī)礦產(chǎn)地球化學(xué)58油（氣）源巖：即烴源巖，指生成并排出過(guò)工業(yè)數(shù)量油氣的巖石，泥巖、頁(yè)巖和碳酸巖，甚至是煤層。油氣源巖的質(zhì)量取決于有機(jī)質(zhì)的豐度、類型和成熟度。有機(jī)碳含量（>1%）、氯仿抽提物和烴含量是常用的有機(jī)物豐度指標(biāo)。鑒定有機(jī)物成熟度的指標(biāo)為干酪根的鏡質(zhì)組反射率和生物標(biāo)志化合物濃度。油（氣）源巖：即烴源巖，指生成并排出過(guò)工業(yè)數(shù)量油氣的巖石，泥59油氣源對(duì)比：運(yùn)用有機(jī)地球化學(xué)原理，合理選擇對(duì)比參數(shù)，來(lái)研究油、氣、源巖之間的相互關(guān)系。揭示三者的成因聯(lián)系，油氣的運(yùn)移的方向、距離和油氣的次生變化，圈定可靠的油氣源，指導(dǎo)油氣的勘探和開(kāi)發(fā)。

油氣源對(duì)比主要運(yùn)用生物標(biāo)志化合物及其相關(guān)比值。油氣源對(duì)比：運(yùn)用有機(jī)地球化學(xué)原理，合理選擇對(duì)比60（二）煤的有機(jī)地球化學(xué)石油的原始物質(zhì)主要是低等水生浮游生物，n(H)/n(C)=1.5~1.8%；煤的主要成分是具有芳香結(jié)構(gòu)的固體有機(jī)物，其原始物質(zhì)主要是高等植物，n(H)/n(C)=0.4~1.0%；成煤主要由四類有機(jī)化合物組成：糖、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類。煤的顯微組分（顯微鏡下可以區(qū)分的有機(jī)組分）分為：鏡質(zhì)組、惰性組和殼質(zhì)組。鏡質(zhì)組：源于木質(zhì)素和纖維素，富含氧，揮發(fā)性中等；惰性組：成煤植物在泥炭沼澤時(shí)期經(jīng)歷不同形式和不同程度氧化得到的，碳含量最高（>90%），氫含量（<5%）、氧含量和揮發(fā)分都低。殼質(zhì)組（也稱穩(wěn)定組、類脂組）：源于植物中的類脂化合物，碳含量低，氫含量高（>6%），揮發(fā)分產(chǎn)率高。煤的物理化學(xué)性質(zhì)決定于三種組分的含量和煤化作用程度。泥炭化作用（生物化學(xué)煤化作用）：以植物遺體為主的沉積物沉積速率和沉降速率相等時(shí)，形成巨厚的沉積有機(jī)質(zhì)堆積。然后，在微生物參與下發(fā)生生物化學(xué)和化學(xué)作用，有機(jī)質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化為泥炭。（二）煤的有機(jī)地球化學(xué)石油的原始物質(zhì)主要是低等水生浮游生物，61泥炭化作用的結(jié)果之一是生成腐殖質(zhì)。隨著沼澤沉積物的堆積和水的浸沒(méi)，體系處于弱氧化和還原環(huán)境。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解生成的H2S等抑制了喜氧微生物、真菌的活動(dòng)和繁殖，厭氧細(xì)菌稱為分解有機(jī)質(zhì)的主要微生物，生物大分子分解成為小分子量的低聚物和單體分子，同時(shí)產(chǎn)生CH4、CO2和H2O。隨著進(jìn)一步深埋，這些分解產(chǎn)物發(fā)生聚合、縮合和還原反應(yīng)，形成以腐殖酸為主的腐殖質(zhì)和少量的瀝青質(zhì)。

泥炭形成后，隨埋藏深度的繼續(xù)增加，進(jìn)入煤化作用階段。煤化作用是泥炭經(jīng)過(guò)褐煤、亞煙煤、煙煤和無(wú)煙煤等不同階段的演化過(guò)程。隨著煤化程度的升高，氧含量、n(H)/n(C)和揮發(fā)分降低，碳含量和芳香度升高，芳香結(jié)構(gòu)的排列更趨緊密。

化學(xué)成分的變化引起煤的物性變化，發(fā)熱量、鏡煤反射率升高。

泥炭化作用的結(jié)果之一是生成腐殖質(zhì)。隨著沼澤沉積62煤化作用不是勻速的，經(jīng)歷了五次明顯的質(zhì)變和轉(zhuǎn)折，稱為煤化作用躍變：褐煤階段，特點(diǎn)是瀝青化作用（形成類似石油的物質(zhì)），腐殖酸消失，煤的空間結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)六碳環(huán)網(wǎng)格，鏡質(zhì)組反射率0.5~0.6%。與油源巖中的石油開(kāi)始相對(duì)應(yīng)，表明有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟階段。長(zhǎng)焰煤和氣煤階段，反射率0.8~1.0%，特點(diǎn)是類似石油的物質(zhì)達(dá)到最大值，與生油巖達(dá)到生油高峰一致，表明煤的產(chǎn)液態(tài)烴能力達(dá)到最大值。肥煤階段，反射率1.3%，新生的瀝青物質(zhì)和鏡質(zhì)組熱裂解，生成的液態(tài)烴向氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化。瀝青化作用結(jié)束，大致與石油的終止階段相對(duì)應(yīng)。瘦煤和無(wú)煙煤分界處，反射率2.5%，特點(diǎn)是釋放出大量的甲烷，強(qiáng)的芳構(gòu)化和縮聚作用，與熱裂解形成干氣的沉積有機(jī)質(zhì)高成熟階段相對(duì)應(yīng)。無(wú)煙煤和超無(wú)煙煤界線處，反射率3.7%，特征是光學(xué)異向性明顯增強(qiáng)，煤核結(jié)構(gòu)接近于石墨。前寒武紀(jì)和古生代海洋菌藻類腐泥煤（石煤）早泥盆世裸蕨植物炭質(zhì)泥巖和薄煤層晚石炭世石松類和楔葉類植物煤層厚度大，來(lái)源植物種屬較簡(jiǎn)單侏羅紀(jì)和早白堊紀(jì)裸子植物成煤環(huán)境復(fù)雜煤化作用不是勻速的，經(jīng)歷了五次明顯的質(zhì)變和轉(zhuǎn)折，稱為煤化作用63煤成烴地球化學(xué)：從油氣源巖角度，研究煤及煤系地層生烴能力及地球化學(xué)特征。煤成烴系：煤和煤系地層中存在的陸源有機(jī)質(zhì)（主要是煤），在煤化作用的同時(shí)生成液態(tài)和氣態(tài)的烴類（煤成油和煤成氣）。煤的基本結(jié)構(gòu)源于木質(zhì)素縮合芳核為主體的復(fù)雜高分子化合物，并含有類脂和非脂基團(tuán)。隨著煤化作用的進(jìn)行，煤中的芳香程度提高，芳香族物質(zhì)聚合成較大的聚合體，分子排列趨向定向化。斷裂的官能團(tuán)和脂肪成分部分轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和H2O。煤成油具有以下特征的生物標(biāo)志物：1）富含高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴；2）由于成煤的早期環(huán)境偏氧化，具有較高的姥鮫烷優(yōu)勢(shì)；3）富含高等植物源的環(huán)烷烴及其衍生物；4）富含陸源三萜烷；5）富含各種芳香烴；6）δ13C值為-27~-25‰。煤成油僅存在于特定環(huán)境和有機(jī)物組成的煤系，絕大多數(shù)煤系為氣源巖系。我國(guó)的煤成氣儲(chǔ)量占全國(guó)氣層氣的50.9%。煤成烴地球化學(xué)：從油氣源巖角度，研究煤及煤系地層生烴能力及地64二金屬和非金屬元素的有機(jī)地球化學(xué)金屬和非金屬元素的有機(jī)地球化學(xué)：研究有機(jī)和無(wú)機(jī)相互作用，分析金屬和非金屬元素在風(fēng)化、沉積、成巖和成礦過(guò)程中的行為及生物與有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而揭示生物和有機(jī)質(zhì)在外生礦床形成過(guò)程中的作用。1生物、有機(jī)質(zhì)與元素富集微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解以及金屬與官能團(tuán)的配位作用導(dǎo)致元素的生物地球化學(xué)循環(huán)；生物對(duì)金屬和非金屬的富集。2生物和有機(jī)質(zhì)成礦作用干酪根熱降解產(chǎn)物的成礦作用（配位作用、氧化/還原）；微生物成礦作用的地球化學(xué)：微生物及其產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)對(duì)某些金屬離子的風(fēng)化、遷移、富集、沉淀有重要的影響；產(chǎn)生的H2S與金屬離子結(jié)合生成硫化物；二金屬和非金屬元素的有機(jī)地球化學(xué)金屬和非65三環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)研究?jī)?nèi)容：（1）地表生物地球化學(xué)環(huán)境，尤其是持久有機(jī)污染物（POPs）在表生作用帶的機(jī)制，以及它們與無(wú)機(jī)礦物、金屬離子和生物大分子的相互作用；（2）全球環(huán)境在地球歷史上的演化特點(diǎn)和規(guī)律，當(dāng)前環(huán)境在全球環(huán)境變遷中的位置及將來(lái)的變化趨勢(shì)；分子有機(jī)地球化學(xué)：地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的豐度及代表有機(jī)質(zhì)組成及其演化的生物標(biāo)志化合物的變化與原始生物的種屬、類型、環(huán)境、氣候和區(qū)域分布變化密切相關(guān)。這些相關(guān)性表現(xiàn)在分子標(biāo)志物的差異及其精細(xì)結(jié)構(gòu)變化和同位素組成變化中。三環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)研究?jī)?nèi)容：（1）地表生66（1）生物標(biāo)志化合物與古環(huán)境（1）生物標(biāo)志化合物與古環(huán)境67氨基酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)化測(cè)年

活的生物體中氨基酸都是左旋（L型）的，在生物體死亡后的成巖作用中，氨基酸異構(gòu)化，形成外消旋混合物。其中亮氨酸的的外消旋速度較慢，可測(cè)量數(shù)百萬(wàn)年的地質(zhì)年齡。L-亮氨酸D-亮氨酸

該反應(yīng)在10oC時(shí)，達(dá)到平衡需要2Ma的時(shí)間。溫度影響外消旋花的反應(yīng)速度，可以推導(dǎo)出計(jì)算古溫度的公式：其中t為地質(zhì)時(shí)間，D/L為外消旋化程度，T為成巖溫度。氨基酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)化測(cè)年L-亮氨酸D-亮氨酸

該反應(yīng)在10oC682污染物的環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)持久有機(jī)污染物（POPs）含量低，毒性大；難降解；易轉(zhuǎn)化，有部分揮發(fā)性；生物富集放大；分類（1）多環(huán)芳烴（PAHs），其毒性和親脂性隨苯環(huán)數(shù)目增大而增強(qiáng)；（2）有機(jī)化學(xué)農(nóng)藥；2污染物的環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)持久有機(jī)污染物（POPs）69第八章有機(jī)地球化學(xué)主講人：梁建軍第八章有機(jī)地球化學(xué)主講人：梁建軍70有機(jī)地球化學(xué)：地球和天體中有機(jī)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及它們的發(fā)生、發(fā)展和演化規(guī)律。有機(jī)化合物大多來(lái)自于生命體，它們結(jié)合到沉積巖中，并被保留在各個(gè)地史時(shí)期。由于自然過(guò)程和人為活動(dòng)的影響，它們循環(huán)到地球表層，并再次參與生命合成反應(yīng)。地學(xué)、有機(jī)化學(xué)和生物學(xué)交叉滲透的邊緣學(xué)科；應(yīng)用領(lǐng)域：早期有機(jī)地球化學(xué)的形成和發(fā)展得益于石油地球化學(xué)的進(jìn)步，并在很大程度上受石油地球化學(xué)的影響；目前廣泛應(yīng)用于能源、礦產(chǎn)資源、海洋、環(huán)境、生命科學(xué)。有機(jī)地球化學(xué)：地球和天體中有機(jī)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及它71第一節(jié)生物圈地球上各種生物生存和分布的地球外圈，稱為生物圈（Biosphere）生物圈-維爾納茨基跨越接近地表的大氣圈、水圈和巖石圈，是地球上最大的生物群落環(huán)境，其中包含著生物與生物之間，以及生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系。與生命有關(guān)聯(lián)的元素目前已知（或推測(cè)）的有30多種第一節(jié)生物圈地球上各種生物生存和分布的地球外圈，稱為生物圈72生物圈的地球化學(xué)組成分為：①生物本身，包括植物、動(dòng)物及微生物等②生物環(huán)境，包括土壤、水、空氣等③生物源的巖石、礦物等，即腐殖質(zhì)、煤、石油和天然氣等碳、氫和氧是生物體中最豐富的三種元素；碳、氮、氫和氧在生物圈中集中的現(xiàn)象并不是偶然的，這些元素是元素周期表中原子序數(shù)較小，揮發(fā)性較大的元素，很容易形成許多有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物，因此，它們便于用來(lái)進(jìn)行生物化學(xué)能的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化；生物圈的地球化學(xué)組成分為：①生物本身，包括植物、動(dòng)物及微生物73生物元素在元素周期表中分布范圍較廣，包括主族元素、金屬元素和過(guò)渡元素。C、H、O、N、S、P等主族元素在生命體中占有最大的組分比例，是生命體的基本結(jié)構(gòu)材料，也是是有機(jī)地球化學(xué)研究的主要對(duì)象。生命元素的分類和作用生物元素在元素周期表中分布范圍較廣，包括主族元素、金屬元素和74必需元素：存在于健康組織中，與生物學(xué)功能有關(guān)；在各種屬的生物體內(nèi)均有恒定的濃度范圍；去除會(huì)引發(fā)病變，重新攝入后能恢復(fù)；18種，H、C、O、N、P、S、Cl、I、Na、K、Ca、Mg、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Mo;有益元素：B、F、Si、Se、Sr、V、Cr、Ni、Sn、Br、W沾染元素：濃度可變，生理作用未完全確定；有害元素界線不固定，依生物體對(duì)元素需求和元素的濃度和存在形式而定生物元素分為四大類生命元素的分類和作用必需元素：存在于健康組織中，與生物學(xué)功能有關(guān)；在各種屬的生物75在生物演化過(guò)程中，生物對(duì)元素的選擇主要遵循如下規(guī)則：豐度規(guī)則：有若干種選擇時(shí)，生物體選擇自然界豐度最高的元素；生物利用度規(guī)則：在豐度規(guī)則前提下，元素更易溶解、遷移和轉(zhuǎn)化；有效性規(guī)則：選擇更有效的化合物；基本適宜規(guī)則：具有完成生物功能的能力；在生物演化過(guò)程中，生物對(duì)元素的選擇主要遵循如下規(guī)則：豐度規(guī)則76生命元素的化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)化合物的基本特征易成鍵：共價(jià)鍵、氫鍵等；多樣的鍵長(zhǎng)、鍵角；復(fù)雜的三維排列；生命元素的化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)化合物的基本特征易成鍵：共價(jià)鍵、氫鍵77第八章有機(jī)地球化學(xué)課件78二光合作用和有機(jī)質(zhì)的形成光合作用的過(guò)程是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，是地球上新的有機(jī)碳合成的唯一途徑。其它生物和微生物都依賴降解生物體提供的有機(jī)質(zhì)而生活。自然界中有兩類光合作用：綠色植物的光合作用細(xì)菌的光合作用地球上的碳循環(huán)是根據(jù)光合作用的速率大于呼吸速率的正平衡進(jìn)行的二光合作用和有機(jī)質(zhì)的形成光合作用的過(guò)程是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能79光合作用是唯一能分離氧的，廣泛存在于地表的化學(xué)反應(yīng)，大氣圈的游離氧全部都來(lái)自生命光合作用。地球形成之初，原始大氣主要為氫和氦，由于太陽(yáng)風(fēng)的作用逐漸逃逸；太古宙早期的大氣主要是水、CO2、N2、CO、SO2、HCl、CH4和NH3，還原性，來(lái)自于火山活動(dòng)釋放的氣體。37億a前，原始海洋中出現(xiàn)生命——異養(yǎng)體，依賴非生物作用產(chǎn)生的有機(jī)分子存活。光合作用：藍(lán)綠藻，20億a，氧化環(huán)境光合作用是唯一能分離氧的，廣泛存在于地表的化學(xué)反應(yīng)，大氣圈的80三生物圈的演化生物經(jīng)過(guò)了由低級(jí)到高級(jí)，簡(jiǎn)單到復(fù)雜，單一到多樣的進(jìn)化歷程。生物的進(jìn)化分為：前生命的化學(xué)進(jìn)化和生物進(jìn)化，前者短暫，后者漫長(zhǎng)。

前生命的化學(xué)進(jìn)化：由無(wú)機(jī)物質(zhì)到有機(jī)生命；

異養(yǎng)假說(shuō)和類蛋白微球?qū)W說(shuō)：水、還原性大氣和充足的能源（放電、宇宙射線、熱能和太陽(yáng)能）環(huán)境中，無(wú)機(jī)小分子氨基酸等有機(jī)小分子蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)大分子團(tuán)聚體和類蛋白球等多分子體系，進(jìn)入前細(xì)胞構(gòu)造階段37~38億a左右，細(xì)胞出現(xiàn)生物圈的演化特征三生物圈的演化生物經(jīng)過(guò)了由低級(jí)到高級(jí)，簡(jiǎn)單到復(fù)雜，單一到多81生物進(jìn)化：前顯生宙微觀進(jìn)化過(guò)程

從太古宙初到元古宙末，歷時(shí)30億a，原核生物是主體，生物進(jìn)化主要表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和代謝方式的改變，即從異養(yǎng)生物到自養(yǎng)生物、從無(wú)氧呼吸到有氧呼吸、從原核生物到真核生物的進(jìn)化。原始異養(yǎng)生物逐漸為自養(yǎng)的、行光合作用的生物所代替。顯生宙宏觀進(jìn)化過(guò)程

生物組織器官的進(jìn)化、物種分異和生物多樣性的變化。重要事件主要是：動(dòng)植物的分化、生物從水生到陸生，以及人類的起源。生物進(jìn)化：82主要生物類型的演化及其對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)從前寒武紀(jì)到泥盆紀(jì)，有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源是海洋浮游植物。從泥盆紀(jì)開(kāi)始，有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮叩戎参?。估?jì)目前海洋浮游植物和陸生高等植物產(chǎn)生的有機(jī)碳數(shù)量大致相等。

浮游植物呈現(xiàn)三個(gè)生產(chǎn)高峰期：1）前寒武紀(jì)至早古生代為第一高峰期，光和細(xì)菌和藍(lán)藻為主的有機(jī)碳；2）泥盆紀(jì)至三疊紀(jì)時(shí)，有機(jī)碳產(chǎn)量較低。晚侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)，鈣質(zhì)浮游生物（溝鞭藻和顆石藻）為主，為另一高峰；3）白堊紀(jì)末至早古新世，浮游植物產(chǎn)量下降。晚古新世和始新世產(chǎn)量增加，出現(xiàn)第三個(gè)高峰。現(xiàn)代海洋浮游植物主要的原始生產(chǎn)者是溝鞭藻、硅藻和顆石藻。

細(xì)菌對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)存在爭(zhēng)議。由于其微小，缺少硬體部分，很少成為化石；水生富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中，80%的光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)菌，由此斷定細(xì)菌至少提供了泥炭中有機(jī)質(zhì)的5%~10%。主要生物類型的演化及其對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)從前寒83

浮游動(dòng)物以浮游植物為食，減少了浮游植物對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的直接貢獻(xiàn)，但增加了浮游動(dòng)物及其排泄物等有機(jī)質(zhì)的來(lái)源。晚侏羅世大量出現(xiàn)的浮游紡錘蟲(chóng)被認(rèn)為是某些海相沉積物中的主要有機(jī)質(zhì)。從寒武紀(jì)開(kāi)始，浮游動(dòng)物都提供了相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)質(zhì)，然而魚(yú)類提供的有機(jī)質(zhì)可忽略不計(jì)。

陸生高等植物是泥炭的重要成分，但因地質(zhì)時(shí)期不同，并不總是沉積有機(jī)質(zhì)的重要貢獻(xiàn)者。最早出現(xiàn)在志留紀(jì)沉積物中，泥盆紀(jì)較普遍，石炭紀(jì)以石松類和楔葉類為主。古生代末期，蕨類植物滅絕，之后以裸子植物為主。早白堊紀(jì)時(shí)期，被子植物為主。浮游動(dòng)物以浮游植物為食，減少了浮游植物對(duì)沉積有84第八章有機(jī)地球化學(xué)課件85第二節(jié)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)是有機(jī)地球化學(xué)研究的對(duì)象，主要來(lái)源于生物及其新陳代謝的產(chǎn)物，經(jīng)歷沉積、成巖和變質(zhì)等一系列化學(xué)過(guò)程，以不同形態(tài)保留在各地質(zhì)體中。為了追索地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，揭示有機(jī)質(zhì)變化的地球化學(xué)過(guò)程和結(jié)果，需要研究生物有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生和聚集、生物圈的特征及其演化。一、生物的化學(xué)組成及其特征生物有機(jī)質(zhì)主要由碳水化合物（糖類）、蛋白質(zhì)、脂類和木質(zhì)素組成。此外，還有數(shù)量不大，但對(duì)生命活動(dòng)十分重要的有機(jī)物質(zhì)，如核酸、纖維素、丹寧、樹(shù)脂等。

在不同生物體中，有機(jī)組分的含量和類型存在顯著差異。如藻類富含蛋白質(zhì)和脂類；高等植物富含纖維素和木質(zhì)素。同種組分在不同生物體內(nèi)也存在不同特征。如高等植物內(nèi)的脂類不同于低等植物的脂類。第二節(jié)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)

地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)是有機(jī)86

（1）碳水化合物（糖類）自然界分布最廣的有機(jī)物質(zhì)，是生物體的重要能量來(lái)源，而且為生命合成提供碳原子和碳鏈骨架。許多糖類物質(zhì)，如纖維素和幾丁質(zhì)，構(gòu)成某些動(dòng)植物的支撐組織。糖類的元素組成為碳、氫和氧，其分子通式為Cn(H2O)n，為多羥基的醛酮類?；窘M成單元為β-D型葡萄糖。碳水化合物按其水解產(chǎn)物可以分為單糖（僅含一個(gè)醛/酮基團(tuán)）、低聚糖（2~10個(gè)醛/酮基團(tuán)）和多糖（>10個(gè)醛/酮基團(tuán)）。此外，糖也可以與非糖物質(zhì)結(jié)合形成結(jié)合糖，如與蛋白質(zhì)結(jié)合的葡萄糖胺。β-D型葡萄糖（1）碳水化合物（糖類）糖類的元素組成為碳、87纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁和支撐組織的重要成分，占自然界碳的含量的50%。由300個(gè)-2500個(gè)葡萄糖殘基組成，水解得到葡萄糖。幾丁質(zhì)是氨基糖的聚合物，可視為乙酰胺基CH3CONH取代了纖維素的兩個(gè)羥基。它比纖維素更能抵抗分解，是構(gòu)成節(jié)肢動(dòng)物和昆蟲(chóng)硬殼的主體，又稱為甲殼素。纖維素果膠藻酸幾丁質(zhì)纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁和支撐組織的重要成分，占自然界碳的含量88(2)脂類（Lipids）脂類不溶于水，易溶于氯仿、苯、乙醚、已烷和丙酮等非極性有機(jī)溶劑。脂類能被生物利用，作為構(gòu)造、修補(bǔ)組織或供給能量之用。常見(jiàn)的脂類化合物包括脂肪、臘、類固醇和磷脂。脂肪和脂肪酸（fatsandfattyacids）：脂肪是動(dòng)植物中最重要的脂類。它是由脂肪酸和甘油（丙三醇）結(jié)合而形成的。脂肪的化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，極易發(fā)生水解形成脂肪酸。脂肪酸的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，在低溫缺氧的環(huán)境中易于保存。蠟（waxes）：是高級(jí)脂肪酸與高級(jí)一元醇或甾醇形成的酯。含有少量游離高級(jí)脂肪酸、高級(jí)醇和長(zhǎng)鏈烴。蠟廣泛分布于生物界，有蜂蠟、蟲(chóng)蠟、植物蠟、羊毛蠟等，尤以各種植物蠟豐富。蠟在皮膚、羽毛、樹(shù)葉、果實(shí)表皮以及昆蟲(chóng)外骨骼上起保護(hù)作用，防止水份過(guò)度蒸發(fā)。它是石油中高碳數(shù)正構(gòu)烷烴的主要來(lái)源之一。(2)脂類（Lipids）脂肪和脂肪酸（fatsand89萜類和甾類化合物（terperoidsandsteroids）

自然界生物合成的一個(gè)重要方式就是異戊二烯單元（isoprene）的聚合反應(yīng)。凡有成倍的C5單元的天然生物產(chǎn)物，通常就是整個(gè)異戊二烯單元的連接。萜類和甾類化合物都符合“異戊二烯法則”。異戊二烯環(huán)狀單萜

萜類化合物的穩(wěn)定性和抵抗細(xì)菌降解的能力強(qiáng)于正烷烴，因而在地質(zhì)體中具有生物標(biāo)志化合物的重要特征，可反映原來(lái)生物物質(zhì)成分。

甾類化合物又稱類固醇，可視為部分或完全氫化的菲與環(huán)戊烷稠合的產(chǎn)物。甾族化合物在動(dòng)植物中均很豐富，而萜類化合物在高等植物中很普遍。膽甾醇萜類和甾類化合物（terperoidsandsteroi90磷脂（phospholipid）

甘油的三個(gè)羥基中有兩個(gè)與高級(jí)脂肪酸成酯，另一個(gè)和磷酸成酯。磷脂是細(xì)胞膜的重要成分，廣泛存在于動(dòng)物的腦、肝、腎、蛋黃，植物的種子、果實(shí)、孢子和微生物中。樹(shù)脂（resin）一切植物成分中抵抗化學(xué)和生物化學(xué)作用最強(qiáng)的一種萜類混合物，其主要成分是倍半萜、二萜和三萜類的衍生物。大部分樹(shù)脂是由不飽和的多環(huán)烯酸組成，是植物的重要組分之一。磷脂（phospholipid）樹(shù)脂（resin）91（3）色素（pigments）具有異戊間二烯結(jié)構(gòu)。葉綠素是生物體中最為重要且最為普遍的的一類有機(jī)色素，其基本結(jié)構(gòu)式是由四個(gè)吡咯環(huán)的α－碳原子通過(guò)四個(gè)次甲基（＝CH－）交替連接而成的卟吩核，再加上各種碳取代基構(gòu)成的。葉綠素本身很不穩(wěn)定，在地質(zhì)體中很少見(jiàn)到。其經(jīng)過(guò)降解釋放出其中的鎂，之后可能與其他金屬重新絡(luò)合生成卟啉，即鎂被其他金屬置換。類胡羅卜素是另一種重要的有機(jī)色素，它能使植物呈淡黃色到深紅色。

（3）色素（pigments）92（4）蛋白質(zhì)和氨基酸蛋白質(zhì)是由多種氨基酸組成的高度有序的聚合物。它們構(gòu)成了生物有機(jī)體中大部分含氮化合物。蛋白質(zhì)與其它分子結(jié)合形成生命過(guò)程中大部分重要的化合物，如細(xì)胞色素、酶、細(xì)菌的毒素和抗體、肌肉纖維、蠶絲和海綿等多種不同物質(zhì)。在有水存在時(shí)，不溶性蛋白質(zhì)由于酶的作用可以水解成水溶性的單體－氨基酸。大部分蛋白質(zhì)是由二十幾種氨基酸組成。

氨基酸分解形成C1~C7的烴類。生物體死亡后，氨基酸保存在遺骸和貝殼中，故在筆石、藻類、腕足類化石中均含有氨基酸。在不同沉積環(huán)境中，氨基酸的種類和含量不同。海相沉積物中氨基酸含量高于湖相沉積物，碳酸鹽沉積物中高于泥質(zhì)沉積物。（4）蛋白質(zhì)和氨基酸93（5）木質(zhì)素（lignin）植物細(xì)胞壁的主要成分，它包圍著纖維素并充填其間隙形成了支撐組織。木質(zhì)素可視為高分子量聚酚，其單體基本上是酚－丙烷基結(jié)構(gòu)的化合物，常帶有甲氧基等官能團(tuán)。木質(zhì)素性質(zhì)十分穩(wěn)定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水體中，在水和微生物的作用下，木質(zhì)素分解，與其它化合物形成腐殖質(zhì)。（5）木質(zhì)素（lignin）94沉積圈的有機(jī)質(zhì)占地球總有機(jī)質(zhì)的85%以上，分布高度分散、不均衡二地質(zhì)體中的有機(jī)質(zhì)各種生物的遺體和代謝產(chǎn)物，經(jīng)掩埋演化生成的新的有機(jī)物及其衍生物。不包括貝殼、骨骼、牙齒等無(wú)機(jī)部分。1沉積有機(jī)質(zhì)的來(lái)源沉積圈的有機(jī)質(zhì)占地球總有機(jī)質(zhì)的85%以上，分布高度分散、不均95殘存的穩(wěn)定性較高的有機(jī)物：氨基酸、脂肪酸、卟啉、色素等新產(chǎn)生的有機(jī)物：烴類、腐殖酸和干酪根

由于復(fù)雜的反應(yīng)，新產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)失去了有序的骨架結(jié)構(gòu)。

干酪根：水、酸、堿和有機(jī)溶劑都無(wú)法抽提的那部分有機(jī)質(zhì)的綜合。它是沉積巖中分布最普遍，數(shù)量最多的有機(jī)質(zhì)，約占地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)總量的95%。2地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的類型殘存的穩(wěn)定性較高的有機(jī)物：氨基酸、脂肪酸、卟啉、色素等2地96三個(gè)因素影響沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生原始有機(jī)質(zhì)產(chǎn)率相對(duì)平靜的水體沉積環(huán)境厭氧環(huán)境光合作用和光輻射強(qiáng)度的影響：產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)分布不均勻，熱帶>溫帶3沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生與保存三個(gè)因素影響沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生3沉積有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生與保存97海水中浮游植物提供了有機(jī)質(zhì)的95%；海岸生態(tài)系統(tǒng)提供3%；淡水環(huán)境有機(jī)碳提供1%；其他來(lái)源總計(jì)不足1%；海水中浮游植物提供了有機(jī)質(zhì)的95%；98有機(jī)質(zhì)真正進(jìn)入沉積圈，得以被保留下來(lái)的僅為很少的部分；海洋中保留的為0.01%；大陸邊緣斜坡地帶保留較好；三角洲、沼澤、湖泊的保留能力也較好。濱海地區(qū)盡管有機(jī)質(zhì)數(shù)量充足，但劇烈的海流和較高的水中含氧量，加劇了有機(jī)質(zhì)的降解，保存較低；砂巖是高能氧化環(huán)境下的沉積，有機(jī)質(zhì)含量低；頁(yè)巖、沉積巖是低能還原條件下的沉積，有機(jī)質(zhì)含量較高；碳酸巖有機(jī)質(zhì)含量中等。有機(jī)質(zhì)真正進(jìn)入沉積圈，得以被保留下來(lái)的僅為很少的部分；99因此，對(duì)比生物前身物質(zhì)，可以推斷其成因，提供生物先質(zhì)（原始生物）的類型和地質(zhì)年齡，指示沉積和早期成巖階段的物理化學(xué)條件，提供成巖成礦方面的多種信息。三生物標(biāo)志化合物生物標(biāo)志化合物是指沉積物中的有機(jī)質(zhì)以及原油、油頁(yè)巖、煤中那些來(lái)源于活生物體，在有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中具有一定的穩(wěn)定性，沒(méi)有或很少發(fā)生變化，基本保存了原始生化組分的碳骨架，記載了原始生物母質(zhì)的特殊分子結(jié)構(gòu)信息的有機(jī)化合物。

生物標(biāo)志化合物可溶有機(jī)質(zhì)僅占有機(jī)質(zhì)的10%左右，它主要來(lái)源于生物體中原生烴類和其它類脂化合物的游離分子，它們構(gòu)成了生物標(biāo)志化合物。因此，對(duì)比生物前身物質(zhì)，可以推斷其成因，提供生100生物體中的脂肪酸、臘含以偶碳數(shù)正構(gòu)烷烴為主，因此碳數(shù)分布范圍、主峰碳數(shù)、分布曲線峰型和奇碳數(shù)分子與偶碳數(shù)分子的相對(duì)豐度都具有指示成因的意義。“碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)”（CPI）和奇偶優(yōu)勢(shì)指數(shù)（OEP）是表征正構(gòu)烷烴奇碳數(shù)分子和偶碳數(shù)分子相對(duì)豐度的兩個(gè)參數(shù)。

1、正構(gòu)烷烴飽和直鏈烴，通式為CnH2n+2正構(gòu)烷烴構(gòu)成了沉積有機(jī)質(zhì)中正構(gòu)烷烴的主要來(lái)源，其具有高鍵能的碳－碳鍵，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，所以在一定程度上能保留它原有的結(jié)構(gòu)特征。生物體中的脂肪酸、臘含以偶碳數(shù)正構(gòu)烷烴為主，101Ci表示碳數(shù)為i的正構(gòu)烷烴的質(zhì)量百分濃度，Ci+2為主峰碳數(shù)由于原油中奇、偶C幾乎相當(dāng)，因此上述這些C優(yōu)勢(shì)指標(biāo)越接近于1，說(shuō)明其成熟度越高。在我國(guó)，CPI、OEP＞1.2時(shí)，未成熟，CPI、OEP＜1.2時(shí)成熟。正烷烴判別生油巖成熟度的依據(jù)：①石油中的正烷烴，主要是新生的，并且隨有機(jī)質(zhì)成熟度增加，低分子量正烷烴增多，致使正烷烴分布曲線的主峰移至低C數(shù)范圍（C29→C21）；②與此同時(shí)，早期具有明顯優(yōu)勢(shì)的奇數(shù)C原子隨熱解作用的繼續(xù)進(jìn)行，奇C優(yōu)勢(shì)逐漸消失，在原油中奇、偶數(shù)C原子含量幾乎相等。所以，從不成熟—→成熟，就越來(lái)越不具備奇C優(yōu)勢(shì)。Ci表示碳數(shù)為i的正構(gòu)烷烴的質(zhì)量百分濃度，Ci+2為主峰碳數(shù)102

現(xiàn)代生物總體以奇碳數(shù)正構(gòu)烷烴占優(yōu)勢(shì)。陸生高等植物中C27、C29、C31、C33等高分子量奇數(shù)碳正構(gòu)烷烴優(yōu)勢(shì)特別明顯.

海相生物中低碳數(shù)正構(gòu)烷烴的豐度較高，主峰以nC15、nC17為主。藍(lán)綠藻來(lái)源的正構(gòu)烷烴以nC14－nC19占優(yōu)勢(shì)。2.無(wú)環(huán)的類異戊二烯烷烴是一類具有規(guī)則甲基支鏈的飽和烴，屬無(wú)環(huán)的萜類。最常見(jiàn)的姥鮫烷和植烷特征：（1）分子中每隔三個(gè)碳鏈（-CH2-）具有一個(gè)甲基支鏈；

（2）來(lái)自陸生高等植物的葉綠素和古細(xì)菌；

（3）熱穩(wěn)定性和抵抗微生物侵蝕的能力大于正構(gòu)烷烴，在熱解的情況下高碳數(shù)能裂解成低碳數(shù)。

現(xiàn)代生物總體以奇碳數(shù)正構(gòu)烷烴占優(yōu)勢(shì)。2.無(wú)環(huán)的類異戊二烯烷103第八章有機(jī)地球化學(xué)課件104甾萜類化合物萜類化合物環(huán)狀類異戊二烯主要來(lái)自于高等陸生植物熱穩(wěn)定性和抵抗微生物降解能力大于正構(gòu)烷烴，所以能穩(wěn)定的存在于地質(zhì)體中，成為重要的生物標(biāo)志化合物。甾族化合物的芳構(gòu)化和斷裂與成熟度有關(guān)

可用C27/C29或C27/(C28+C29)來(lái)判別有機(jī)質(zhì)的類型。生物體和低成熟沉積物中的甾類屬穩(wěn)定性低的構(gòu)型，隨埋藏深度增加成熟度增高，通過(guò)異構(gòu)化、芳構(gòu)化和側(cè)鏈斷裂等方式向穩(wěn)定性更高的構(gòu)型轉(zhuǎn)化。

膽甾醇環(huán)狀單萜甾萜類化合物膽甾醇環(huán)狀單萜105卟啉化合物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且分布廣泛的一類生物標(biāo)志化合物，在原油、煤、瀝青中均可出現(xiàn)，但含量較低；其中金屬可置換；卟啉的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)與沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)演化有關(guān)，因此可用來(lái)確定生油巖、研究沉積環(huán)境、劃分沉積有機(jī)質(zhì)的成熟度、進(jìn)行油源對(duì)比等。卟啉化合物106四干酪根干酪根（kerogen）一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)，意為能生成油或蠟狀物的物質(zhì)。

Tissot和welte（1978）將沉積巖中既不溶于含水的堿性溶劑，也不溶于普通有機(jī)溶劑的有機(jī)組分，稱為干酪根，它泛指一切成油型、成煤型的有機(jī)物質(zhì)，但不包括現(xiàn)代沉積物中的腐殖物質(zhì)。干酪根是地球上有機(jī)碳的最重要形式，是沉積巖有機(jī)質(zhì)中分布最普遍、最重要的一類，約占地質(zhì)體總有機(jī)質(zhì)的95％，其余的是瀝青。估計(jì)巖石平均含干酪根0.3g，地殼中干酪根總量約為3×1015t，大約相當(dāng)于煤的總儲(chǔ)量的1000倍和石油總儲(chǔ)量的16000倍（Weeks，1958）。四干酪根干酪根（kerogen）一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)，意為能生1071干酪根的性質(zhì)和形成干酪根是一種高分子聚合物，主要由C、H、O元素組成，含有少量的N、S、P和其它金屬元素。據(jù)Tissot等（1984）研究，干酪根的碳含量一般在70－90%，氫含量為3－11%，氧含量為3－24%，H/C原子比為0.4-1.67，O/C原子比值為0.03-0.30，C/N比值為40－150。干酪根元素組成變化大是由于干酪根的類型和成熟度的差異造成的。干酪根的形成過(guò)程仍有待深入研究，一般認(rèn)為，干酪根是生物有機(jī)質(zhì)沉積埋藏后，通過(guò)微生物降解、聚合作用形成腐殖酸（或腐殖質(zhì)），再轉(zhuǎn)化為干酪根。1干酪根的性質(zhì)和形成1082.干酪根的類型干酪根最早按照其組成與性質(zhì)可劃分為兩大類，即腐泥質(zhì)和腐殖質(zhì)腐泥質(zhì)（sapropel）主要來(lái)源于水生浮游生物以及一些底棲生物和水生植物等，形成于滯水盆地條件，包括閉塞的瀉湖、海灣、湖泊中。腐殖質(zhì)（Humic）來(lái)源于高等植物為主的有機(jī)質(zhì)，富含具芳香結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素和丹寧以及纖維素等，形成于沼澤、湖泊或與其有關(guān)的沉積環(huán)境。2.干酪根的類型109第八章有機(jī)地球化學(xué)課件110Tissot等根據(jù)干酪根的元素組成將其劃分為4種類型：I型干酪根

H／C原子比值高（≥l.5），而O/C原子比值低（通常小于＜0.1）。它們富含脂肪結(jié)構(gòu)，與某些藻類沉積有關(guān)，產(chǎn)油潛力大。Ⅲ型干酪根的H／C原子比值低（一般小于1.0），原始的O/C原子比高（高達(dá)0.2或0.3）。這類干酪根富含芳核和雜原子，生油潛力較低，但可成為氣源母質(zhì)。Ⅱ型干酪根介于二者之間。Tissot等根據(jù)干酪根的元素組成將其劃分為4種類型：1113

干酪根的結(jié)構(gòu)干酪根是一種大分子縮聚物，有機(jī)巖石學(xué)的研究結(jié)果表明：干酪根實(shí)際上是各種顯微組分組成的復(fù)雜的混合物，甚至在光學(xué)顯微鏡下看來(lái)是均質(zhì)的無(wú)結(jié)構(gòu)部分，在電子透射顯微鏡的高倍放大下，有的仍呈現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和組織形態(tài)。因此，干酪根不可能有一個(gè)嚴(yán)格的固定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和單一的化學(xué)結(jié)構(gòu)模式?；瘜W(xué)和物理學(xué)分析結(jié)果表明：干酪根是一種具有網(wǎng)狀交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜有機(jī)聚合物。它的基本結(jié)構(gòu)大致是由核、橋鍵、官能團(tuán)三部分組成，在其結(jié)構(gòu)格架的間隙里可能存在各種類型的游離有機(jī)化合物分子3干酪根的結(jié)構(gòu)112第八章有機(jī)地球化學(xué)課件113第三節(jié)沉積有機(jī)質(zhì)的演化沉積有機(jī)質(zhì)的演化與沉積物的沉積史、成巖史和變質(zhì)史密切相關(guān)，具有明顯的階段性。研究沉積有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)剖面上的演化過(guò)程、性質(zhì)特征和分布規(guī)律，可以追索地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源、沉積和轉(zhuǎn)化環(huán)境及過(guò)