第六章有機(jī)地球化學(xué)-1

1、p 有機(jī)地球化學(xué)概念有機(jī)地球化學(xué)概念p有機(jī)地球化學(xué)研究任務(wù)有機(jī)地球化學(xué)研究任務(wù)第六章第六章 有機(jī)地球化學(xué)有機(jī)地球化學(xué) u自然界中有機(jī)質(zhì)與元素的生物循環(huán)自然界中有機(jī)質(zhì)與元素的生物循環(huán)u煤的有機(jī)地球化學(xué)煤的有機(jī)地球化學(xué)u石油的有機(jī)地球化學(xué)石油的有機(jī)地球化學(xué)有機(jī)地球科學(xué)概念研究地質(zhì)體與天體中有機(jī)質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其發(fā)生、研究地質(zhì)體與天體中有機(jī)質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其發(fā)生、發(fā)展與演化規(guī)律的科學(xué)。發(fā)展與演化規(guī)律的科學(xué)。u有機(jī)地球化學(xué)涵蓋了油氣地球化學(xué)、煤與煤成烴地球化學(xué)、有機(jī)實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)、有機(jī)包裹體地球化學(xué)、氨基酸生物地球化學(xué)、界面有機(jī)地球化學(xué)、宇宙有機(jī)地球化學(xué)、固體礦床有機(jī)地球化學(xué)、環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)、生物標(biāo)志物地

2、球化學(xué)等。有機(jī)地球化學(xué)研究任務(wù)研究地質(zhì)體內(nèi)有機(jī)質(zhì)的成因和演化規(guī)律；有機(jī)物與無(wú)機(jī)物之間相互作用的實(shí)質(zhì)和聚集條件；服務(wù)于能源、金屬非金屬礦產(chǎn)的勘探開發(fā)和利用。有機(jī)地球化學(xué)在油氣能源勘探中發(fā)揮著重要作用。研究各種生物標(biāo)志物對(duì)沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)母源和成礦條件等方面的指示作用，為認(rèn)識(shí)有機(jī)質(zhì)演化、沉積-成巖（礦）過(guò)程、事件沉積（缺氧事件和冰期事件等）開辟新的研究途徑。l有機(jī)地球化學(xué)研究任務(wù)研究地球古老巖石、隕石及其它宇宙中有機(jī)化合物的產(chǎn)生條件，闡明有機(jī)碳演化的規(guī)律，探索生命發(fā)生、發(fā)展及其早期生命演化的可能過(guò)程。研究天然的和合成的有機(jī)污染物的遷移規(guī)律及其引起的環(huán)境質(zhì)量變化，尋求控制環(huán)境惡化和改善環(huán)境的途徑和方

3、法。（一）自然界中有機(jī)質(zhì)1、有機(jī)質(zhì)的元素組成碳、氫、氧、氮、磷、硫及其它微量元素有機(jī)質(zhì)有機(jī)質(zhì)COH石油石油泥炭泥炭煤煤近代沉積物中有機(jī)質(zhì)近代沉積物中有機(jī)質(zhì)沉積巖中的有機(jī)質(zhì)沉積巖中的有機(jī)質(zhì)79-8950-6565-91566428-452-2830239-156-74-689常見有機(jī)質(zhì)的主要化學(xué)組成（轉(zhuǎn)引自張長(zhǎng)年等，常見有機(jī)質(zhì)的主要化學(xué)組成（轉(zhuǎn)引自張長(zhǎng)年等，1993）一、自然界中有機(jī)質(zhì)與元素的生物循環(huán)生物演化過(guò)程中，對(duì)元素的選擇遵循原則：生物演化過(guò)程中，對(duì)元素的選擇遵循原則：（1 1）豐度規(guī)則豐度規(guī)則生物體一般選擇自然環(huán)境中豐度最高元素；生物體一般選擇自然環(huán)境中豐度最高元素；（2 2）生物利用度

4、生物利用度（bioavailability)bioavailability)規(guī)則規(guī)則（3 3）有效性有效性原則原則生物總體上選擇更加有效的化合物利用。生物總體上選擇更加有效的化合物利用。（4 4）基本適宜基本適宜原則原則2、有機(jī)質(zhì)的化合物組成烴烴脂肪烴脂肪烴碳環(huán)烴碳環(huán)烴飽和烴飽和烴不飽和烴不飽和烴脂環(huán)烴脂環(huán)烴芳香烴芳香烴正構(gòu)烷烴正構(gòu)烷烴異構(gòu)烷烴異構(gòu)烷烴烯烴烯烴二烯烴二烯烴炔烴炔烴有機(jī)化合物三種類型：有機(jī)化合物三種類型：(1)(1)鏈狀化合物或脂肪族化合物：鏈狀化合物或脂肪族化合物：化合物中碳的骨架是一個(gè)或長(zhǎng)或短的鏈子化合物中碳的骨架是一個(gè)或長(zhǎng)或短的鏈子(2)(2)碳環(huán)化合物碳環(huán)化合物化合物中碳

5、的骨架是環(huán)狀的，包括脂環(huán)化合物和芳香化合物中碳的骨架是環(huán)狀的，包括脂環(huán)化合物和芳香族化合物。族化合物。(3)(3)雜環(huán)化合物雜環(huán)化合物化合物里的環(huán)由碳原子和其他非碳的原子組成的化合物里的環(huán)由碳原子和其他非碳的原子組成的HHHC=CHCCHHHHHHHHHHHH結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式 CH3HCCCCCHHCHHHHHHHHCHHHHHH正丁烷與異丁烷正丁烷與異丁烷 一些重要的官能團(tuán)一些重要的官能團(tuán)化合物的性質(zhì)主要由官能團(tuán)化合物的性質(zhì)主要由官能團(tuán)決定，反應(yīng)主要發(fā)生在官能決定，反應(yīng)主要發(fā)生在官能團(tuán)及其相關(guān)部位，具有相同團(tuán)及其相關(guān)部位，具有相同的官能團(tuán)的化合物具有類似的官能團(tuán)的化合物具有類似性質(zhì)。性質(zhì)。3 3

6、、有機(jī)質(zhì)的化合物結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)的化合物結(jié)構(gòu)立體異構(gòu)體的概念立體異構(gòu)體的概念立體異構(gòu)是指化合物的結(jié)構(gòu)式相同但立體構(gòu)型不同立體異構(gòu)是指化合物的結(jié)構(gòu)式相同但立體構(gòu)型不同的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。立體異構(gòu)體又可分為：順、反異構(gòu)（或幾何異構(gòu)）、立體異構(gòu)體又可分為：順、反異構(gòu)（或幾何異構(gòu)）、對(duì)映異構(gòu)（或旋光異構(gòu)）和構(gòu)象異構(gòu)三種形式。對(duì)映異構(gòu)（或旋光異構(gòu)）和構(gòu)象異構(gòu)三種形式。生物有機(jī)質(zhì)中的化合物常存在立體異構(gòu)現(xiàn)象。生物有機(jī)質(zhì)中的化合物常存在立體異構(gòu)現(xiàn)象。 1）.順、反異構(gòu)順、反異構(gòu)分子產(chǎn)生順、反異構(gòu)現(xiàn)象，在結(jié)構(gòu)上在分子中存在限制旋轉(zhuǎn)的分子產(chǎn)生順、反異構(gòu)現(xiàn)象，在結(jié)構(gòu)上在分子中存在限制旋轉(zhuǎn)的因素，如分子中存在雙鍵或環(huán)。因素

7、，如分子中存在雙鍵或環(huán)。（1）含雙鍵化合物的順、反異構(gòu)體）含雙鍵化合物的順、反異構(gòu)體若兩個(gè)相同的基團(tuán)都在雙鍵的同一方叫順式，反之，為反式。若兩個(gè)相同的基團(tuán)都在雙鍵的同一方叫順式，反之，為反式。C=CABABC=CABADC=CABBAC=CABDA順式反式（2) 環(huán)狀化合物的順、反異構(gòu)體環(huán)狀化合物的順、反異構(gòu)體u當(dāng)環(huán)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上的碳原子連著兩個(gè)不同的原子當(dāng)環(huán)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上的碳原子連著兩個(gè)不同的原子或基團(tuán)時(shí)，就存在順、反異構(gòu)?；蚧鶊F(tuán)時(shí)，就存在順、反異構(gòu)。u若兩個(gè)相同的基團(tuán)都在環(huán)平面的同一方叫順式（若兩個(gè)相同的基團(tuán)都在環(huán)平面的同一方叫順式（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，基團(tuán)分布在環(huán)平面上方的鍵用實(shí)線表示，分布在一般，基團(tuán)分布在環(huán)平面上方的鍵用實(shí)線表示，分布在下方的用虛線表示。下方的用虛線表示。CCCCCCH3CH3HHCCCCCCH3CH3HH（順式）（順式）（反式）（反式）CH3CH3HH順順1,2-1,2-二甲基環(huán)己烷二甲基環(huán)己烷CH3CH3HH反反1,2-1,2-二甲基環(huán)己烷二甲基環(huán)己烷CH3CH3CH3HHHr-1r-1反反2,2,順順3-3-三甲基環(huán)己烷三甲基環(huán)己烷CH3CH3CH3HHr-1r-1順順2,2,順順3-3-三甲基環(huán)己烷三甲基環(huán)己烷 2）.對(duì)映異構(gòu)對(duì)映異構(gòu)u把具有把具有“實(shí)物實(shí)物”與與“鏡影鏡影”

9、這種特征的現(xiàn)象稱為這種特征的現(xiàn)象稱為“手征性手征性”。u當(dāng)與碳原子連接的四個(gè)原子（或基團(tuán)）的空間分布具有手征當(dāng)與碳原子連接的四個(gè)原子（或基團(tuán)）的空間分布具有手征性特征子，這個(gè)碳原子就叫手征性碳原子。性特征子，這個(gè)碳原子就叫手征性碳原子。u對(duì)應(yīng)異構(gòu)體用對(duì)應(yīng)異構(gòu)體用R R、S S標(biāo)記，標(biāo)記，R R表示表示Ractus,Ractus,意思是意思是“右右”; S ; S 為為Sinirtar,Sinirtar,意為意為“左左” ，拉丁文。，拉丁文。CH3COOHHOHHOCH3COOHH CH3COOHHOHHOCH3COOHH1234 反時(shí)針，反時(shí)針，S型型 順時(shí)針，順時(shí)針，R型型“序列規(guī)則序列規(guī)則

10、”：首先，根據(jù)將與手征性碳原子相連的四個(gè)原子（或基團(tuán)）首先，根據(jù)將與手征性碳原子相連的四個(gè)原子（或基團(tuán)）確定一個(gè)先后順序，即按與手征性碳原子相連的原子的原子序數(shù)由小到大確定一個(gè)先后順序，即按與手征性碳原子相連的原子的原子序數(shù)由小到大排列，分別用排列，分別用1 1到到4 4表示。將標(biāo)為表示。將標(biāo)為1 1的基團(tuán)放在觀察者的最遠(yuǎn)位置，再?gòu)幕幕鶊F(tuán)放在觀察者的最遠(yuǎn)位置，再?gòu)幕鶊F(tuán)團(tuán)4 4開始，按開始，按4 4、3 3、2 2的順序，如果是順時(shí)針?lè)较蚺帕?，則稱的順序，如果是順時(shí)針?lè)较蚺帕?，則稱“R R”構(gòu)型，若構(gòu)型，若是反時(shí)針?lè)较?，則為是反時(shí)針?lè)较颍瑒t為S S構(gòu)型。構(gòu)型。 3）.構(gòu)象異構(gòu)體構(gòu)象異構(gòu)體同一構(gòu)

11、型的化合物，由于單鍵的旋轉(zhuǎn)萬(wàn)象產(chǎn)生的分子同一構(gòu)型的化合物，由于單鍵的旋轉(zhuǎn)萬(wàn)象產(chǎn)生的分子中各原子或基團(tuán)在空間的不同排列形式叫構(gòu)象。中各原子或基團(tuán)在空間的不同排列形式叫構(gòu)象。123456123456說(shuō)明構(gòu)象與構(gòu)型區(qū)別的分子模型說(shuō)明構(gòu)象與構(gòu)型區(qū)別的分子模型環(huán)己烷的椅式和船式構(gòu)象環(huán)己烷的椅式和船式構(gòu)象 當(dāng)當(dāng)C-HC-H鍵在環(huán)平面上方時(shí)，用實(shí)線或?qū)嵭膱@點(diǎn)表示，鍵在環(huán)平面上方時(shí)，用實(shí)線或?qū)嵭膱@點(diǎn)表示，稱為稱為（H H），在平面下時(shí)，用虛線或空心園點(diǎn)表），在平面下時(shí)，用虛線或空心園點(diǎn)表示，稱示，稱（H H）。）。HHn連接著四個(gè)相同的原子(成原子團(tuán))的碳原子處于一個(gè)正四面體的中心，而四個(gè)基團(tuán)占據(jù)正四面體的四

12、個(gè)頂點(diǎn)(這個(gè)位置最穩(wěn)定)，此時(shí)，碳原子具有對(duì)稱性。n當(dāng)碳原子連接四個(gè)不同的基團(tuán)時(shí)，這種對(duì)稱性就消失了，成為一個(gè)不對(duì)稱的分子，因而可有兩種也只能有兩種立體異構(gòu)體存在：4 4）光學(xué)異構(gòu)）光學(xué)異構(gòu)光學(xué)異構(gòu)它們彼此互為實(shí)物和鏡影，二者無(wú)論如何不能重疊，正象左它們彼此互為實(shí)物和鏡影，二者無(wú)論如何不能重疊，正象左右手不能重疊一樣，這說(shuō)明它們不是相同的化合物。右手不能重疊一樣，這說(shuō)明它們不是相同的化合物。這兩種化合物具有相同的物理和化學(xué)性質(zhì)，但是一種分子使這兩種化合物具有相同的物理和化學(xué)性質(zhì)，但是一種分子使平面偏振光向左旋轉(zhuǎn)，另一種分子則使平面偏振光向右旋轉(zhuǎn)。平面偏振光向左旋轉(zhuǎn)，另一種分子則使平面偏振光向右

13、旋轉(zhuǎn)。這兩種異構(gòu)體就是光學(xué)異構(gòu)體。這兩種異構(gòu)體就是光學(xué)異構(gòu)體。由于它們互為實(shí)物和鏡影的關(guān)系，所以又叫由于它們互為實(shí)物和鏡影的關(guān)系，所以又叫對(duì)映異構(gòu)體對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)，簡(jiǎn)稱為對(duì)映體。將偏振光朝左旋的，叫左旋體（）；朝右旋的，稱為對(duì)映體。將偏振光朝左旋的，叫左旋體（）；朝右旋的，叫右旋體（）。叫右旋體（）。構(gòu)型：構(gòu)型：不同的空間排列叫做不同的構(gòu)型。不同的空間排列叫做不同的構(gòu)型。標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)：一般都以甘油醛作為標(biāo)準(zhǔn)，人為地規(guī)定右旋甘油醛用符一般都以甘油醛作為標(biāo)準(zhǔn)，人為地規(guī)定右旋甘油醛用符號(hào)號(hào)D來(lái)表示。左旋甘油醛便應(yīng)該是它的對(duì)映體，并用符號(hào)來(lái)表示。左旋甘油醛便應(yīng)該是它的對(duì)映體，并用符號(hào)L來(lái)表來(lái)表示它的構(gòu)型

14、。示它的構(gòu)型。p含含有兩個(gè)相同的不對(duì)稱碳原子的光學(xué)異構(gòu)。有兩個(gè)相同的不對(duì)稱碳原子的光學(xué)異構(gòu)。p以酒石酸為例，在酒石酸分子中的兩個(gè)不對(duì)稱碳原以酒石酸為例，在酒石酸分子中的兩個(gè)不對(duì)稱碳原子子，都與，都與- -H H、-O-OH H、-COOH-COOH和和-C-CH(H(O OH)(H)(COOHCOOH) )四個(gè)基相結(jié)合。這樣的分子可四個(gè)基相結(jié)合。這樣的分子可以有三種異構(gòu)休，其投影式如下：以有三種異構(gòu)休，其投影式如下：5 5）內(nèi)、外消旋化合物）內(nèi)、外消旋化合物順時(shí)針?lè)较蝽槙r(shí)針?lè)较蛴倚w右旋體反時(shí)針?lè)较蚍磿r(shí)針?lè)较蜃笮w左旋體內(nèi)消旋化合物內(nèi)消旋化合物蛋白質(zhì)、脂類、碳水合物、色素、木質(zhì)素，還有少量其他

15、化合物?；瘜W(xué)成分分類見教材P304表8.1一、自然界中有機(jī)質(zhì)與元素的生物循環(huán)（一）自然界中有機(jī)質(zhì)1 有機(jī)質(zhì)的元素組成2有機(jī)質(zhì)的化合物組成3自然界中有機(jī)質(zhì)分類p羧酸分子中烴基上的一個(gè)或幾個(gè)氫原子被氨基取代的化合羧酸分子中烴基上的一個(gè)或幾個(gè)氫原子被氨基取代的化合物叫氨基酸。物叫氨基酸。p蛋白質(zhì)是由大約蛋白質(zhì)是由大約2020種氨基酸相互間用氨基和羧基通過(guò)失水種氨基酸相互間用氨基和羧基通過(guò)失水形成酞胺鍵構(gòu)成的，水解后，可以生成各種氨基酸。形成酞胺鍵構(gòu)成的，水解后，可以生成各種氨基酸。p蛋白質(zhì)容易受喜氧細(xì)菌破壞，不利保存?，F(xiàn)代沉積物物中蛋白質(zhì)容易受喜氧細(xì)菌破壞，不利保存?，F(xiàn)代沉積物物中含氨基酸達(dá)含氨基酸

16、達(dá)0.5mg/g0.5mg/g，古代沉積物中，貝殼類化石硬體和硅，古代沉積物中，貝殼類化石硬體和硅質(zhì)巖類中氨基酸保存較好，古氨基酸部分與非蛋白質(zhì)聚合物質(zhì)巖類中氨基酸保存較好，古氨基酸部分與非蛋白質(zhì)聚合物結(jié)合成腐殖質(zhì)，部分呈吸附態(tài)存在。一般海相沉積物中氨基結(jié)合成腐殖質(zhì)，部分呈吸附態(tài)存在。一般海相沉積物中氨基酸高于湖相，碳酸鹽沉積物高于泥質(zhì)。酸高于湖相，碳酸鹽沉積物高于泥質(zhì)。氨基酸與蛋白質(zhì)（一）自然界中有機(jī)質(zhì) 4、氨基酸與蛋白質(zhì)一、自然界中有機(jī)質(zhì)與元素的生物循環(huán)（一）自然界中有機(jī)質(zhì) 4、氨基酸與蛋白質(zhì)p脂類指不溶于水但溶于有機(jī)溶劑（乙醚和苯）的一類物質(zhì)。脂類指不溶于水但溶于有機(jī)溶劑（乙醚和苯）的一

17、類物質(zhì)。p脂類分解成脂肪酸（脂類分解成脂肪酸（RCOOH)RCOOH)。脂肪酸與其它脂類可聚合成聚。脂肪酸與其它脂類可聚合成聚酯類。酯類。p脂類可轉(zhuǎn)化為沉積物中的瀝青類，也可結(jié)合到腐殖質(zhì)或干酪脂類可轉(zhuǎn)化為沉積物中的瀝青類，也可結(jié)合到腐殖質(zhì)或干酪根中。接近脂類的植物角質(zhì)、樹脂和烴統(tǒng)稱泛脂類。植物角質(zhì)根中。接近脂類的植物角質(zhì)、樹脂和烴統(tǒng)稱泛脂類。植物角質(zhì)很穩(wěn)定，成為化石的植物角質(zhì)有如琥珀。很穩(wěn)定，成為化石的植物角質(zhì)有如琥珀。p脂類的特點(diǎn)：一是抗腐能力強(qiáng)；二是化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)都最接脂類的特點(diǎn)：一是抗腐能力強(qiáng)；二是化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)都最接近石油。近石油。脂類一、自然界中有機(jī)質(zhì)與元素的生物循環(huán)（一）自然界中有

18、機(jī)質(zhì) 5、脂類p碳水化合物亦稱糖類化合物，是自然界存在最多、分布最廣的一類重要的有機(jī)化合物。葡萄糖、蔗糖、淀粉和纖維素等都屬于糖類化合物。 p糖類化合物是一切生物體維持生命活動(dòng)所需能量的主要來(lái)源。p主要由C，H，O三種元素組成，分子中H和O的比例通常為2：1，與水分子中的比例一樣，故稱為碳水化合物。碳水化合物沉積物中的色素：葉綠素色素葉綠素和卟啉；葉紅素橙色素、胡蘿卜素和葉黃素；黃素脘、黃色素等。色素及其衍生物卟啉化合物：卟啉、葉綠素、血紅素等雜環(huán)化合物，由碳、氫、氮、硫等組成。p構(gòu)成植物細(xì)胞壁的成分之一，具有使細(xì)胞相連的作用。p由四種醇單體（對(duì)香豆醇、松柏醇、5-羥基松柏醇、芥子醇）形成的一

19、種復(fù)雜酚類聚合物。p從化學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，木質(zhì)素是由高度取代的苯基丙烷單元隨機(jī)聚合而成的高分子，它與纖維素、半纖維素一起，形成植物骨架的主要成分，在數(shù)量上僅次于纖維素。p填充于纖維素構(gòu)架中增強(qiáng)植物體的機(jī)械強(qiáng)度，利于輸導(dǎo)組織的水分運(yùn)輸和抵抗不良外界環(huán)境的侵襲（抗腐爛性）。木質(zhì)素是腐殖質(zhì)的主要部分，是腐殖質(zhì)中能溶于堿溶液的部分。是腐殖質(zhì)的主要部分，是腐殖質(zhì)中能溶于堿溶液的部分。腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)呈暗色至黑棕色的一組無(wú)定形膠體狀高分子物質(zhì)，呈暗色至黑棕色的一組無(wú)定形膠體狀高分子物質(zhì)，由動(dòng)植物遺體經(jīng)過(guò)腐解生成。由動(dòng)植物遺體經(jīng)過(guò)腐解生成。腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)是天然水體中最重要的有機(jī)配體（螯合劑）。河水是天然水體中最重要的有

20、機(jī)配體（螯合劑）。河水中腐殖質(zhì)的平均含量為中腐殖質(zhì)的平均含量為101050mg/L50mg/L，底泥中腐殖質(zhì)含量更為，底泥中腐殖質(zhì)含量更為豐富，約占底泥豐富，約占底泥1%1%3%3%。對(duì)金屬元素和人為污染物質(zhì)在地表。對(duì)金屬元素和人為污染物質(zhì)在地表的遷移和富集有重要的意義。的遷移和富集有重要的意義。腐殖酸腐殖物質(zhì)按其在酸、堿溶液中的溶解度，通常分為三個(gè)級(jí)分:胡敏素，即腐殖物質(zhì)中不溶于堿的部分；而能溶于乙酰溴；胡敏酸，即腐殖質(zhì)中溶于堿不溶于酸（遇無(wú)機(jī)酸能沉淀）的部分；富啡（里）酸，即腐殖質(zhì)中既溶于堿又溶于酸的部分。后兩者總稱腐殖酸。腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)p腐殖酸腐殖酸（Humic Acid，簡(jiǎn)寫，簡(jiǎn)寫HA）

21、，），是腐殖質(zhì)的主要部分，是腐殖質(zhì)的主要部分，是腐殖質(zhì)中能溶于堿溶液的部分。是腐殖質(zhì)中能溶于堿溶液的部分。p是動(dòng)植物遺骸，經(jīng)過(guò)微生物的分解和轉(zhuǎn)化，以及一系列是動(dòng)植物遺骸，經(jīng)過(guò)微生物的分解和轉(zhuǎn)化，以及一系列的化學(xué)過(guò)程和積累起來(lái)的一類有機(jī)物質(zhì)。它是由芳香族及的化學(xué)過(guò)程和積累起來(lái)的一類有機(jī)物質(zhì)。它是由芳香族及其多種官能團(tuán)構(gòu)成的高分子有機(jī)酸，具有良好的生理活性其多種官能團(tuán)構(gòu)成的高分子有機(jī)酸，具有良好的生理活性和吸收、絡(luò)合、交換等功能。它廣泛存在于土壤、湖泊、和吸收、絡(luò)合、交換等功能。它廣泛存在于土壤、湖泊、河流、海洋以及泥炭（又稱草炭）、褐煤、風(fēng)化煤中。河流、海洋以及泥炭（又稱草炭）、褐煤、風(fēng)化煤中。

22、p按自然界分類，它可以分為三類，即土壤腐殖酸、水體按自然界分類，它可以分為三類，即土壤腐殖酸、水體腐殖酸和煤炭腐殖酸。腐殖酸和煤炭腐殖酸。p有相當(dāng)多的資料表明，腐殖酸水解可以產(chǎn)生多種氨基酸。有相當(dāng)多的資料表明，腐殖酸水解可以產(chǎn)生多種氨基酸。腐殖酸腐殖酸腐殖酸的物理化學(xué)性質(zhì)p腐殖酸的元素組成為C5060，H36，N 1.56，S1，其余大部分為Op以苯、萘、蒽、吡啶等芳香環(huán)作為骨架，具有羧基、羰基、酚基、醇基和甲氧基等。p腐殖酸是一種親水性可逆膠體，比重在1.3301.448之間，通常呈黑色或棕色膠體狀態(tài)，其顏色和比重隨煤化程度的加深而增加。具有疏松的“海綿狀”結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生巨大的表面積（330

23、340 m2/g）和表面能，構(gòu)成了物理吸附的應(yīng)力基礎(chǔ)。腐殖酸的物理化學(xué)性質(zhì)膠體性質(zhì)膠體性質(zhì)腐殖酸粒徑在腐殖酸粒徑在6 6100nm100nm，恰好處于膠體粒徑的范圍之內(nèi)。，恰好處于膠體粒徑的范圍之內(nèi)。腐殖酸的表面積大、粘度較高、吸附能力強(qiáng)，在溶于堿腐殖酸的表面積大、粘度較高、吸附能力強(qiáng)，在溶于堿溶液之前先發(fā)生膠體作用。溶液之前先發(fā)生膠體作用。有明顯的酸性有明顯的酸性含有羧基、酚羥基等酸性基團(tuán)，其溶液含有羧基、酚羥基等酸性基團(tuán)，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，富里酸對(duì)金屬離子倍，富里酸對(duì)金屬離子的溶解能力比胡敏酸強(qiáng)。的

24、溶解能力比胡敏酸強(qiáng)。酸性表現(xiàn)為：酸性表現(xiàn)為： (a)(a)能和苛性鈉、氫氧化鈉等中和而生成能和苛性鈉、氫氧化鈉等中和而生成鹽鹽; (b); (b)能和金屬鐵作用釋放出氫；能和金屬鐵作用釋放出氫；(c)(c)能分解碳酸鹽、能分解碳酸鹽、磷酸鹽、醋酸鹽和硅酸鹽，使這些酸游離出來(lái)；磷酸鹽、醋酸鹽和硅酸鹽，使這些酸游離出來(lái)；(d)(d)能能和醇作用生成酯。和醇作用生成酯。親水性親水性腐殖酸的親水程度取決分子中的羧基、酚羥基、醇羥腐殖酸的親水程度取決分子中的羧基、酚羥基、醇羥基等都是親水基團(tuán)?；榷际怯H水基團(tuán)。分子中存在有橋鍵，碳網(wǎng)具有疏松的海綿狀結(jié)構(gòu)，大分子中存在有橋鍵，碳網(wǎng)具有疏松的海綿狀結(jié)構(gòu)，大量

25、水分子就可以分布于這些梅綿狀空隙中。即使是風(fēng)干量水分子就可以分布于這些梅綿狀空隙中。即使是風(fēng)干了的腐殖酸也還可能含有了的腐殖酸也還可能含有2525的水分。的水分。腐殖酸于芳核與側(cè)鏈間的比例，即取決于縮合程度。腐殖酸于芳核與側(cè)鏈間的比例，即取決于縮合程度?？s合程度低者有膠溶傾向，對(duì)電解質(zhì)有較高的穩(wěn)定性，縮合程度低者有膠溶傾向，對(duì)電解質(zhì)有較高的穩(wěn)定性，有較大的移動(dòng)能力。有較大的移動(dòng)能力。腐殖酸的物理化學(xué)性質(zhì)沉積物和沉積巖中不溶于水、酸、堿、普通有機(jī)溶沉積物和沉積巖中不溶于水、酸、堿、普通有機(jī)溶劑的那部分有機(jī)質(zhì)的總稱。劑的那部分有機(jī)質(zhì)的總稱。干酪根是相當(dāng)于煤與石油總儲(chǔ)量的干酪根是相當(dāng)于煤與石油總儲(chǔ)量

26、的1000倍與倍與16000倍。倍。沉積巖有機(jī)質(zhì)中分布最廣、數(shù)量最多的一類有機(jī)質(zhì)，沉積巖有機(jī)質(zhì)中分布最廣、數(shù)量最多的一類有機(jī)質(zhì)，約占地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的約占地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的95，其余為瀝青。，其余為瀝青。估計(jì)巖石中平均干酪根為估計(jì)巖石中平均干酪根為0.3，地殼中干酪根總量約，地殼中干酪根總量約為為31015t，大約，大約干酪根沉積有機(jī)質(zhì)中的干酪根沉積有機(jī)質(zhì)中的干酪根1 1）、干酪根的定義和形成）、干酪根的定義和形成v定義：定義： 油母質(zhì)，沉積巖中不溶于非氧化型酸、油母質(zhì)，沉積巖中不溶于非氧化型酸、堿和非極性有機(jī)溶劑的分散沉積有機(jī)質(zhì)堿和非極性有機(jī)溶劑的分散沉積有機(jī)質(zhì)。v形成過(guò)程：形成過(guò)程：生物有機(jī)組

27、分生物有機(jī)組分較小碎片較小碎片生物化學(xué)及化學(xué)降解生物化學(xué)及化學(xué)降解腐殖物腐殖物質(zhì)質(zhì)縮合作用、聚合作用縮合作用、聚合作用干酪根失去失去O O2 2 H H2 2O NHO NH3 3成成巖巖作作用用水體水體生生 物物 體體( (藻類、細(xì)菌、浮游生物和高等植物藻類、細(xì)菌、浮游生物和高等植物) )死亡死亡生物有機(jī)組分生物有機(jī)組分( (類脂化合物、蛋白質(zhì)、糖類和木質(zhì)素類脂化合物、蛋白質(zhì)、糖類和木質(zhì)素) )被其它被其它生物吞食生物吞食保存到保存到沉積物（巖）中沉積物（巖）中氧化分解氧化分解沉積有機(jī)質(zhì)沉積有機(jī)質(zhì)生物化學(xué)分解作用生物化學(xué)分解作用 可溶有機(jī)質(zhì)可溶有機(jī)質(zhì)不溶有機(jī)質(zhì)不溶有機(jī)質(zhì)(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，是一種高分子聚合物，無(wú)黑色或褐色粉末，是一種高分子聚合物，無(wú)固定的化學(xué)成分固定的化學(xué)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氫氫、去去氧氧、富富集集碳碳3）.干酪根類型干酪根類型化學(xué)分類化學(xué)分類根據(jù)碳、氫、氧元素的組成，將干酪根根據(jù)碳、氫、氧元素的組成，將干酪根分為分為型、型、型、型、型型 3種類型。種類型。3類干酪根的H/C原子比與O/C原子比分別為：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 (法國(guó)石油研究)。類型類型型型型型型型H/C1.1-1.61.1-1.350.7-1.1O/C0.06-0.160.08-0.20.1-0.25來(lái)源來(lái)源藻類、水生低等藻類、水生低等微體生物，富含微體生物，富含脂肪結(jié)構(gòu)脂肪結(jié)構(gòu)水生低等生物，水生低等生物，高等植物富類高等植物富類脂組分脂組分高等植物，富含高等植物，富含芳核與雜原子，芳核與雜原子，可作為氣源物質(zhì)可作為氣源物質(zhì)生油潛生油潛力力大大主要形成石油、主要形成石油、油頁(yè)巖、藻燭煤油頁(yè)巖、藻燭煤中等中等主要形成石油、主要形成石油、有伴生氣有伴生氣低低主要生成天然氣、主要生成天然氣、腐殖煤腐殖煤

30、按物質(zhì)來(lái)源，干酪根分為三類：按物質(zhì)來(lái)源，干酪根分為三類：(1)(1)腐泥型腐泥型主要由動(dòng)物與低等植物遺體組成，是含脂類化合物和蛋白質(zhì)主要由動(dòng)物與低等植物遺體組成，是含脂類化合物和蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物，以脂肪烴結(jié)構(gòu)為特征的分解產(chǎn)物，以脂肪烴結(jié)構(gòu)為特征, H/C, H/C值較高；基本對(duì)應(yīng)值較高；基本對(duì)應(yīng)或或I型型（2 2）腐殖型）腐殖型主要由高等植物遺體組成，富含木質(zhì)素和碳水化合物的分解主要由高等植物遺體組成，富含木質(zhì)素和碳水化合物的分解產(chǎn)物，以芳烴結(jié)構(gòu)為特征產(chǎn)物，以芳烴結(jié)構(gòu)為特征,H/C,H/C值較低；基本對(duì)應(yīng)值較低；基本對(duì)應(yīng)型型(3) (3) 腐殖腐泥型腐殖腐泥型上述兩者的過(guò)渡型。上述兩者的過(guò)渡型

31、。干酪根顯微組分按煤巖學(xué)分類可分為以下幾類：干酪根顯微組分按煤巖學(xué)分類可分為以下幾類：（1 1）腐泥組腐泥組 ：一是無(wú)定形：一是無(wú)定形 ， 二是藻質(zhì)體，二是藻質(zhì)體，多為淺多為淺黃至棕黃色，明亮，透明或半透明黃至棕黃色，明亮，透明或半透明；（2 2）殼質(zhì)組殼質(zhì)組 ：一是孢粉體：一是孢粉體 ，二是樹脂體，二是樹脂體 ，三是角，三是角質(zhì)體質(zhì)體 ， 四是木栓體四是木栓體 ， 五是表皮體五是表皮體 ，呈黃色為主，呈黃色為主的色調(diào)，透明或半透明，鏡下明亮的色調(diào)，透明或半透明，鏡下明亮 ；（3 3）鏡質(zhì)組鏡質(zhì)組：一是結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體：一是結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體 ，二是無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組，二是無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組，顏色棕至棕紅色顏色棕至棕紅

32、色；（4 4）惰質(zhì)組惰質(zhì)組： 以絲質(zhì)體為常見，呈段塊狀、碎片狀、以絲質(zhì)體為常見，呈段塊狀、碎片狀、條帶狀、渾圓狀。黑色不透明（透射光）。條帶狀、渾圓狀。黑色不透明（透射光）。1 1為藻腐泥型干酪根為藻腐泥型干酪根 2 2為腐植為腐植腐泥型干酪腐泥型干酪根根干酪根的光學(xué)分類干酪根的光學(xué)分類 用用25-50倍油浸鏡頭，通過(guò)反射光觀察煤或干酪根倍油浸鏡頭，通過(guò)反射光觀察煤或干酪根的顯微組分的顯微組分腐植型干酪根腐植型干酪根干酪根是一種具有網(wǎng)狀交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子縮聚干酪根是一種具有網(wǎng)狀交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子縮聚物，由縮合物，由縮合多環(huán)芳烴核多環(huán)芳烴核、橋鍵橋鍵和和官能團(tuán)官能團(tuán)三部分組成，在三部

33、分組成，在其結(jié)構(gòu)格架的空隙中可能存在各類游離的有機(jī)小分子。其結(jié)構(gòu)格架的空隙中可能存在各類游離的有機(jī)小分子。有機(jī)巖石學(xué)研究表明，干酪根實(shí)際上是有各種顯微組分有機(jī)巖石學(xué)研究表明，干酪根實(shí)際上是有各種顯微組分組成的復(fù)雜混合物，在光學(xué)顯微鏡下呈均質(zhì)無(wú)結(jié)構(gòu)部分，組成的復(fù)雜混合物，在光學(xué)顯微鏡下呈均質(zhì)無(wú)結(jié)構(gòu)部分，在在TEMTEM下呈有結(jié)構(gòu)和組織形態(tài)。下呈有結(jié)構(gòu)和組織形態(tài)。干酪根的結(jié)構(gòu)干酪根的結(jié)構(gòu)1a1a、2a2a、3a3a分別為分別為、型未成熟干酪根型未成熟干酪根結(jié)構(gòu)的概念模式結(jié)構(gòu)的概念模式p水體中有機(jī)質(zhì)的存在形式水體中有機(jī)質(zhì)的存在形式分溶解有機(jī)質(zhì)（真溶液與膠體）分溶解有機(jī)質(zhì)（真溶液與膠體）顆粒有機(jī)質(zhì)（粒

34、徑大于顆粒有機(jī)質(zhì)（粒徑大于0.45微米）。微米）。p有機(jī)質(zhì)的組成與分布有機(jī)質(zhì)的組成與分布用總有機(jī)碳、總有機(jī)氮、溶解有機(jī)碳、溶解有機(jī)用總有機(jī)碳、總有機(jī)氮、溶解有機(jī)碳、溶解有機(jī)氮、溶解有機(jī)磷、顆粒有機(jī)碳等，來(lái)估算水體中氮、溶解有機(jī)磷、顆粒有機(jī)碳等，來(lái)估算水體中有機(jī)質(zhì)的量。有機(jī)質(zhì)的量。（二）環(huán)境中腐殖物質(zhì) （1）光合作用）光合作用12H2O + 6CO2 + 光光 C6H12O6 (葡萄糖葡萄糖) + 6O2+ 6H2O 此反應(yīng)是植物和動(dòng)物中所有有機(jī)質(zhì)的最初來(lái)源。此反應(yīng)是植物和動(dòng)物中所有有機(jī)質(zhì)的最初來(lái)源。（2）充氧條件下的腐解作用。）充氧條件下的腐解作用。充氧腐解作用代表了充氧腐解作用代表了光合作用

35、的反過(guò)程光合作用的反過(guò)程，是動(dòng)植物死亡后、，是動(dòng)植物死亡后、在組織內(nèi)自溶酶作用下遺體發(fā)生分解，隨后細(xì)菌和其它微在組織內(nèi)自溶酶作用下遺體發(fā)生分解，隨后細(xì)菌和其它微生物參與完成分解破壞和礦化的總過(guò)程。最終產(chǎn)物是二氧生物參與完成分解破壞和礦化的總過(guò)程。最終產(chǎn)物是二氧化碳和水。化碳和水。（3）缺氧條件下的腐解作用）缺氧條件下的腐解作用如發(fā)酵作用，產(chǎn)生的能量較低。如發(fā)酵作用，產(chǎn)生的能量較低。（三）、有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中的有機(jī)反應(yīng)（三）、有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中的有機(jī)反應(yīng) （4）氧化還原反應(yīng)。）氧化還原反應(yīng)。有機(jī)物得氧或去氫的反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)；有機(jī)物得氧或去氫的反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)；加氫或去氧的反應(yīng)稱為還原反應(yīng)。加氫或去

36、氧的反應(yīng)稱為還原反應(yīng)。 丙酮乙醛（5）聚合（加聚）反應(yīng)。）聚合（加聚）反應(yīng)。相對(duì)分子質(zhì)量小的不飽和化合物聚合成相對(duì)分子質(zhì)量大的相對(duì)分子質(zhì)量小的不飽和化合物聚合成相對(duì)分子質(zhì)量大的高分子化合物的反應(yīng)。如簡(jiǎn)單烴轉(zhuǎn)化為復(fù)雜烴（石油）就高分子化合物的反應(yīng)。如簡(jiǎn)單烴轉(zhuǎn)化為復(fù)雜烴（石油）就是典型的聚合反應(yīng)。丙烯加聚：是典型的聚合反應(yīng)。丙烯加聚： （6）縮合聚合（縮聚）反應(yīng)。）縮合聚合（縮聚）反應(yīng)。單體間相互反應(yīng)而生成高分子化合物，同時(shí)還生成小分子單體間相互反應(yīng)而生成高分子化合物，同時(shí)還生成小分子（如水、氨、氯化氫等）的反應(yīng)（又叫逐步聚合反應(yīng)）。（如水、氨、氯化氫等）的反應(yīng)（又叫逐步聚合反應(yīng)）。如：氨基酸縮聚

37、如：氨基酸縮聚（三）、演化過(guò)程中的有機(jī)反應(yīng)（三）、演化過(guò)程中的有機(jī)反應(yīng)（7）解聚合反應(yīng)。）解聚合反應(yīng)。將大分子分裂為小分子的過(guò)程叫解聚合反應(yīng)。將大分子分裂為小分子的過(guò)程叫解聚合反應(yīng)。在一定條件下，把相對(duì)分子質(zhì)量大、沸點(diǎn)高的長(zhǎng)鏈烴，在一定條件下，把相對(duì)分子質(zhì)量大、沸點(diǎn)高的長(zhǎng)鏈烴，斷裂為相對(duì)分子質(zhì)量小、沸點(diǎn)低的短鏈烴的反應(yīng)斷裂為相對(duì)分子質(zhì)量小、沸點(diǎn)低的短鏈烴的反應(yīng) （三）、演化過(guò)程中的有機(jī)反應(yīng)（三）、演化過(guò)程中的有機(jī)反應(yīng)（四）元素的生物地球化學(xué)循環(huán)（四）元素的生物地球化學(xué)循環(huán) 1.1.碳循環(huán)碳循環(huán)二氧化碳問(wèn)題：碳庫(kù)和庫(kù)間的交換：碳源和碳二氧化碳問(wèn)題：碳庫(kù)和庫(kù)間的交換：碳源和碳匯的表達(dá)：碳循環(huán)中的反

38、饋：碳漏失：數(shù)值模匯的表達(dá)：碳循環(huán)中的反饋：碳漏失：數(shù)值模擬擬2.2.氮循環(huán)氮循環(huán)3.3.磷循環(huán)磷循環(huán), ,硫循環(huán)硫循環(huán)碳循環(huán)碳循環(huán)波恩大學(xué)的波恩大學(xué)的FlohnFlohn的研究表明：的研究表明：在以北緯在以北緯4040度和南緯度和南緯1010度為中心度為中心的兩個(gè)緯度帶，可能出現(xiàn)降水明顯減少和溫度明顯上升的趨勢(shì)。的兩個(gè)緯度帶，可能出現(xiàn)降水明顯減少和溫度明顯上升的趨勢(shì)。而在北緯而在北緯10-2010-20度之間、北緯度之間、北緯5050度以北地區(qū)及南緯度以北地區(qū)及南緯3030度以南地區(qū)度以南地區(qū)的降水將會(huì)增多的降水將會(huì)增多，這些變化對(duì)世界水資源的分布可能有明顯影響。，這些變化對(duì)世界水資源的分布

39、可能有明顯影響。美國(guó)克羅拉多河系的主要流域盆地位于北緯美國(guó)克羅拉多河系的主要流域盆地位于北緯4040度左右。目前約有度左右。目前約有85%85%的降水被蒸發(fā)掉，只有的降水被蒸發(fā)掉，只有15%15%的降水流入克羅拉多河。若氣溫上的降水流入克羅拉多河。若氣溫上升攝氏幾度，降水減少升攝氏幾度，降水減少10-15%10-15%，克羅拉多河的平均流量就要減，克羅拉多河的平均流量就要減少少50%50%或更多。即使水庫(kù)大量貯水來(lái)補(bǔ)充流量，也才僅僅滿足農(nóng)或更多。即使水庫(kù)大量貯水來(lái)補(bǔ)充流量，也才僅僅滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需要。地表和地下水供應(yīng)的重大變化，在世界上其他地業(yè)灌溉的需要。地表和地下水供應(yīng)的重大變化，在世界上其

40、他地區(qū)可能也會(huì)發(fā)生。一些河流的平均流量可能顯著增大，從而導(dǎo)致區(qū)可能也會(huì)發(fā)生。一些河流的平均流量可能顯著增大，從而導(dǎo)致所在地區(qū)經(jīng)常洪水泛濫。而另一些地區(qū)的河流，流量會(huì)大大減少，所在地區(qū)經(jīng)常洪水泛濫。而另一些地區(qū)的河流，流量會(huì)大大減少，又會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的灌溉。又會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的灌溉。對(duì)水資源的影響對(duì)水資源的影響大氣中二氧化碳的增加對(duì)大范圍的雨灌農(nóng)業(yè)影響很復(fù)雜，比大氣中二氧化碳的增加對(duì)大范圍的雨灌農(nóng)業(yè)影響很復(fù)雜，比灌溉農(nóng)業(yè)的影響更難估計(jì)。灌溉農(nóng)業(yè)的影響更難估計(jì)。二氧化碳是植物的一種養(yǎng)料，也是光合作用的原料之一。二氧化碳是植物的一種養(yǎng)料，也是光合作用的原料之一。較較高的二氧化碳濃度有利于高的二氧化碳濃

41、度有利于光合作用光合作用的進(jìn)行，使植物生長(zhǎng)得更快。的進(jìn)行，使植物生長(zhǎng)得更快。許多植物在富二氧化碳的環(huán)境里，會(huì)部分關(guān)閉它們的氣孔即許多植物在富二氧化碳的環(huán)境里，會(huì)部分關(guān)閉它們的氣孔即葉孔，結(jié)果就能減少水分的蒸發(fā)。這樣，玉米、甘蔗、高粱以葉孔，結(jié)果就能減少水分的蒸發(fā)。這樣，玉米、甘蔗、高粱以及其他一些作物在大氣二氧化碳含量增加時(shí)，缺水對(duì)它們的影及其他一些作物在大氣二氧化碳含量增加時(shí)，缺水對(duì)它們的影響會(huì)小一些。也就是說(shuō)，響會(huì)小一些。也就是說(shuō)，在高緯度地區(qū)，二氧化碳所引起的高在高緯度地區(qū)，二氧化碳所引起的高溫，可以延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)期，這樣就有可能擴(kuò)大雨灌農(nóng)業(yè)區(qū)。溫，可以延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)期，這樣就有可能擴(kuò)大雨灌

42、農(nóng)業(yè)區(qū)。 對(duì)雨灌農(nóng)業(yè)的影響對(duì)雨灌農(nóng)業(yè)的影響西南極洲（指零度子午線到西南極洲（指零度子午線到180180度子午線以西的陸地和冰原度子午線以西的陸地和冰原部分）是眾所關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)榇髿庵卸趸己吭黾铀糠郑┦潜娝P(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)榇髿庵卸趸己吭黾铀鸬娜蛐宰兣锌赡苁谷澜绲臉O地冰川融化。引起的全球性變暖有可能使全世界的極地冰川融化。廣為關(guān)注的有關(guān)氣候變暖的一個(gè)可能后果，便是西南極洲冰廣為關(guān)注的有關(guān)氣候變暖的一個(gè)可能后果，便是西南極洲冰原的消退問(wèn)題，因?yàn)樵摫拇蟛糠治挥诤Ｆ矫嬉韵?。海平原的消退?wèn)題，因?yàn)樵摫拇蟛糠治挥诤Ｆ矫嬉韵?。海平面以上的冰川面積約面以上的冰川面積約20020

43、0萬(wàn)平方公里。如果這些冰全部進(jìn)入海萬(wàn)平方公里。如果這些冰全部進(jìn)入海洋，海面將升高洋，海面將升高5-65-6米，這將使荷蘭、孟加拉、美國(guó)南部沿米，這將使荷蘭、孟加拉、美國(guó)南部沿海低地的許多沿海城市被海水吞沒，還會(huì)淹沒許多世界上人海低地的許多沿海城市被海水吞沒，還會(huì)淹沒許多世界上人口密集的河流三角洲地帶的大量農(nóng)田。口密集的河流三角洲地帶的大量農(nóng)田。 冰原消退冰原消退自然界中絕大多數(shù)的碳并非儲(chǔ)存于生物體內(nèi)，而是儲(chǔ)存于大自然界中絕大多數(shù)的碳并非儲(chǔ)存于生物體內(nèi)，而是儲(chǔ)存于大量的地殼沉積巖中量的地殼沉積巖中。一方面沉積巖中的碳通過(guò)自然和人為的各種化學(xué)作用分解后一方面沉積巖中的碳通過(guò)自然和人為的各種化學(xué)作用

44、分解后進(jìn)入大氣和海洋；進(jìn)入大氣和海洋；另一方面生物體死亡以及其他各種含碳物質(zhì)又不停地以沉積另一方面生物體死亡以及其他各種含碳物質(zhì)又不停地以沉積物的形式返回地殼中，由此構(gòu)成了全球碳循環(huán)的一部分。物的形式返回地殼中，由此構(gòu)成了全球碳循環(huán)的一部分。碳的生物循環(huán)雖然對(duì)地球的環(huán)境有著很大的影響，但是從以碳的生物循環(huán)雖然對(duì)地球的環(huán)境有著很大的影響，但是從以百萬(wàn)年計(jì)的地質(zhì)時(shí)間上來(lái)看，緩慢變化的碳的地球化學(xué)大循環(huán)百萬(wàn)年計(jì)的地質(zhì)時(shí)間上來(lái)看，緩慢變化的碳的地球化學(xué)大循環(huán)才是地球環(huán)境最主要的控制因素。才是地球環(huán)境最主要的控制因素。全球碳循環(huán)全球碳循環(huán)碳的地球化學(xué)循環(huán)控制了碳在地表或近地表的沉積物和大氣、碳的地球化學(xué)

45、循環(huán)控制了碳在地表或近地表的沉積物和大氣、生物圈及海洋之間的遷移生物圈及海洋之間的遷移, ,而且是對(duì)大氣二氧化碳和海洋二氧化而且是對(duì)大氣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。沉積物含有兩種形式的碳：干酪根和碳酸鹽沉積物含有兩種形式的碳：干酪根和碳酸鹽。在風(fēng)化過(guò)程中，干酪根與氧反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，在風(fēng)化過(guò)程中，干酪根與氧反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，碳酸鹽的風(fēng)化作用卻很復(fù)雜。含在白云石和方解石礦物中的碳碳酸鹽的風(fēng)化作用卻很復(fù)雜。含在白云石和方解石礦物中的碳酸鎂和碳酸鈣受到地下水的侵蝕，產(chǎn)生出溶解的鈣離子、鎂離子酸鎂和碳酸鈣受到地下水的侵蝕，產(chǎn)生出溶解的鈣離子、鎂離子和重碳酸根離子。它們由地下

46、水最終帶入海洋。和重碳酸根離子。它們由地下水最終帶入海洋。在海洋中，浮游生物和珊瑚之類的海生生物攝取鈣離子和重碳在海洋中，浮游生物和珊瑚之類的海生生物攝取鈣離子和重碳酸根離子來(lái)構(gòu)成碳酸鈣的骨骼和貝殼。酸根離子來(lái)構(gòu)成碳酸鈣的骨骼和貝殼。生物死了之后，碳酸鈣就沉積在海底而最終被埋藏起來(lái)。生物死了之后，碳酸鈣就沉積在海底而最終被埋藏起來(lái)。碳的地球化學(xué)循環(huán)碳的地球化學(xué)循環(huán)地球系統(tǒng)碳循環(huán)的時(shí)間尺度地球系統(tǒng)碳循環(huán)的時(shí)間尺度地球系統(tǒng)中的碳分布在各圈層中，地球系統(tǒng)中的碳分布在各圈層中，通過(guò)各種過(guò)程相互交換，密度越通過(guò)各種過(guò)程相互交換，密度越大的圈層里碳儲(chǔ)量越大，但交換大的圈層里碳儲(chǔ)量越大，但交換的速率也越慢。

47、一般而言，大氣的速率也越慢。一般而言，大氣圈與陸地生物圈、表層海水之間圈與陸地生物圈、表層海水之間的碳交換是在的碳交換是在100102年的時(shí)間年的時(shí)間尺度內(nèi)，但大氣圈的碳儲(chǔ)量只有尺度內(nèi)，但大氣圈的碳儲(chǔ)量只有750Gt；巖石圈的碳儲(chǔ)量比大氣；巖石圈的碳儲(chǔ)量比大氣圈高出近萬(wàn)倍，但通過(guò)板塊俯沖圈高出近萬(wàn)倍，但通過(guò)板塊俯沖或者高原隆升放出或消耗或者高原隆升放出或消耗CO2的的循環(huán)長(zhǎng)達(dá)循環(huán)長(zhǎng)達(dá)107年以上。年以上。碳庫(kù)和庫(kù)間的交換碳庫(kù)和庫(kù)間的交換 最主要的碳庫(kù)最主要的碳庫(kù)沉積巖碳庫(kù)沉積巖碳庫(kù) 無(wú)機(jī)碳無(wú)機(jī)碳 有機(jī)碳有機(jī)碳 海洋碳庫(kù)海洋碳庫(kù) 無(wú)機(jī)碳無(wú)機(jī)碳 有機(jī)碳有機(jī)碳 大氣中的大氣中的CO2 碳庫(kù)之間的交換

48、碳庫(kù)之間的交換 大氣大氣/海洋海洋(可逆過(guò)程可逆過(guò)程) 大氣大氣/陸地陸地(巖石風(fēng)化過(guò)程巖石風(fēng)化過(guò)程) 生物的光合作用生物的光合作用大陸巖石的風(fēng)化作用大陸巖石的風(fēng)化作用 碳酸鹽巖石中白云石和方解石的分解碳酸鹽巖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- - 風(fēng)化形成的風(fēng)化形成的CaCa2+2+,Mg,Mg2+2+,HCO,HCO- -3 3進(jìn)入海洋被

49、生物攝取形進(jìn)入海洋被生物攝取形成碳酸鹽骨骼和殼成碳酸鹽骨骼和殼 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 上述過(guò)程中上述過(guò)程中, ,一半的一半的HCOHCO3 3- -形成形成CaCOCaCO3 3沉積沉積, ,另一半變?yōu)榱硪话胱優(yōu)镃OCO2 2逸逸入大氣入大氣: HCO: HCO3 3- -= 1/2H= 1/2H2 2O+COO+CO2 2 碳源和碳匯的表達(dá)碳源和碳匯的表達(dá)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:地球內(nèi)部釋放的地球內(nèi)部釋放的COCO2 2; ;Ch:Ch:陸地風(fēng)化陸地風(fēng)化; ;Foss:Foss:人類燃燒燃料的排放人類燃燒燃料的排放:;:;Sh:Sh:人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞; ;R:R:植物的自養(yǎng)呼吸植物的自養(yǎng)呼吸; ;Feng:Feng:礦物風(fēng)化礦物風(fēng)化(CaSiO(CaSiO2 2+CO+CO2 2=CaCO=CaCO2 2) )Hai:Hai:海洋溶解的大氣海洋溶解的大氣COCO2 2 ;Gh:;Gh:植物的光合作用植物的光

51、合作用;Mai:;Mai:沉積在沉積在海洋和陸地的碳海洋和陸地的碳碳漏失碳漏失 百年之內(nèi)碳循環(huán)可省略許多因素百年之內(nèi)碳循環(huán)可省略許多因素: : 源僅考慮人類破壞生態(tài)系統(tǒng)源僅考慮人類破壞生態(tài)系統(tǒng)(5.5(5.510101515gC)gC)和燃和燃料排放料排放(1.6(1.6 10 101515gC);gC); 匯僅考慮植物光合作用匯僅考慮植物光合作用(0.6 (0.6 10 101515gC)gC)和海氣和海氣作用作用(2.0 (2.0 10 101515gC);gC); 如果大氣每年增加約如果大氣每年增加約3.2 3.2 10 101515gC,gC,則有則有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. . 對(duì)源和匯精確量化還要作出進(jìn)一步努力對(duì)源和匯精確量化還要作出進(jìn)一步努力. .1.碳循環(huán)：二氧化碳問(wèn)題：碳庫(kù)和庫(kù)間的交換：碳源和碳匯的表達(dá)：碳循環(huán)中的反饋：碳漏失：數(shù)值模擬2.氮循環(huán)3.磷循環(huán)（四）元素的生物（四）元素的生物地球化學(xué)地球化學(xué)循環(huán)循環(huán)p氮在地球大氣圈、巖石圈和生物圈都有廣泛的分布氮在地球大氣圈、巖石圈和生物圈都有廣泛的分布: :大氣中氮的儲(chǔ)量最為豐富大氣中氮的儲(chǔ)量最為豐富; ;在地殼中的氮也是常見元素之在地殼中的氮也是常見元素之一。生物圈中的氮總量最少，但是它對(duì)生命體卻有著決定一。生物圈中的氮總量最少，但是

53、它對(duì)生命體卻有著決定性的作用。性的作用。p氮的原子數(shù)為氮的原子數(shù)為7 7，有，有6 6個(gè)同位素。個(gè)同位素。N N1414（99.63%99.63%）和）和N N15 15 （0.366%0.366%）穩(wěn)定）穩(wěn)定, ,余為放射性同位素。余為放射性同位素。p氮是地球生命體的必需元素，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增產(chǎn)要素（植氮是地球生命體的必需元素，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增產(chǎn)要素（植物生長(zhǎng)的三要素物生長(zhǎng)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- -； 氫化物氫化物NH3NH3、NHNH4 4+ +是生態(tài)的危害因子。是生態(tài)的危害因子

54、。溫室氣體，破壞臭氧層，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成溫室氣體，破壞臭氧層，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成酸雨。酸雨。氮的簡(jiǎn)介氮的簡(jiǎn)介每年進(jìn)入大氣每年進(jìn)入大氣14.3TgN， 10.3TgN在平流層中轉(zhuǎn)化，在平流層中轉(zhuǎn)化，還有約還有約4TgN滯流在大氣中，成為溫室氣體。滯流在大氣中，成為溫室氣體。1.1.碳循環(huán)：碳循環(huán)：二氧化碳問(wèn)題：碳庫(kù)和庫(kù)間的交換：碳源和碳匯的表達(dá)：碳循環(huán)中的反饋：碳漏失：數(shù)值模擬2.2.氮循環(huán)氮循環(huán)3.3.磷循環(huán)、磷循環(huán)、硫循環(huán)、水循環(huán)硫循環(huán)、水循環(huán)（四）元素的生物（四）元素的生物地球化學(xué)地球化學(xué)循環(huán)循環(huán)自然界的硫最初來(lái)自于黃鐵礦（自然界的硫最初來(lái)自于黃鐵礦（FeS2FeS2）和黃銅礦）和黃

55、銅礦(CuFeS2)(CuFeS2)等含硫的礦物。但這些礦物被風(fēng)化剝蝕后，硫就進(jìn)入了土壤。等含硫的礦物。但這些礦物被風(fēng)化剝蝕后，硫就進(jìn)入了土壤。土壤中的硫一部分被地表徑流溶解進(jìn)入海洋，一部分被氧土壤中的硫一部分被地表徑流溶解進(jìn)入海洋，一部分被氧化以揮發(fā)性氣體的形式進(jìn)入大氣，還有一部分被植物吸收，化以揮發(fā)性氣體的形式進(jìn)入大氣，還有一部分被植物吸收，通過(guò)食物鏈的關(guān)系分布于生物圈。通過(guò)食物鏈的關(guān)系分布于生物圈。進(jìn)入海洋的硫，一部分以沉積的方式，億萬(wàn)年之后成為煤進(jìn)入海洋的硫，一部分以沉積的方式，億萬(wàn)年之后成為煤或石油中的硫，一部分進(jìn)入生物體被吸收?；蚴椭械牧颍徊糠诌M(jìn)入生物體被吸收。生物體中的硫在生

56、物體死亡腐敗過(guò)程中，一部分以生物體中的硫在生物體死亡腐敗過(guò)程中，一部分以H2SH2S的方的方式進(jìn)入大氣，其余的重又回到土壤，使循環(huán)得以繼續(xù)。而大式進(jìn)入大氣，其余的重又回到土壤，使循環(huán)得以繼續(xù)。而大氣中的硫卻以降水的形式落到海洋、土壤中，又開始了它們氣中的硫卻以降水的形式落到海洋、土壤中，又開始了它們的下一輪次的循環(huán)。的下一輪次的循環(huán)。硫循環(huán)硫循環(huán)p水是地球上分布最廣的物質(zhì)之一。大氣圈、水圈、巖石圈水是地球上分布最廣的物質(zhì)之一。大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈處處都有水的蹤跡。水也是地球上最古老的物質(zhì)之和生物圈處處都有水的蹤跡。水也是地球上最古老的物質(zhì)之一。在地球形成之后不久，就產(chǎn)生了水。在以后漫長(zhǎng)

57、的歲月一。在地球形成之后不久，就產(chǎn)生了水。在以后漫長(zhǎng)的歲月中，水孕育了生命，自身也成為構(gòu)成生命不可缺少的物質(zhì)。中，水孕育了生命，自身也成為構(gòu)成生命不可缺少的物質(zhì)。p現(xiàn)在的地球，其現(xiàn)在的地球，其7070的表面為水所覆蓋。在陽(yáng)光照射下，的表面為水所覆蓋。在陽(yáng)光照射下，地面的水開始蒸發(fā)，水分進(jìn)入大氣并逐漸聚集為云層。云層地面的水開始蒸發(fā)，水分進(jìn)入大氣并逐漸聚集為云層。云層冷卻到一定程度即出現(xiàn)降水（包括降雨和降雪）。水分又回冷卻到一定程度即出現(xiàn)降水（包括降雨和降雪）。水分又回到地面并開始了新的循環(huán)。如此周而復(fù)始，構(gòu)成了全球水的到地面并開始了新的循環(huán)。如此周而復(fù)始，構(gòu)成了全球水的大循環(huán)。大循環(huán)。p生態(tài)系

58、統(tǒng)的水循環(huán)只是全球水循環(huán)的一小部分，但是由于生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)只是全球水循環(huán)的一小部分，但是由于它和人類的緊密聯(lián)系而顯得更為重要。人類的活動(dòng)深刻地改它和人類的緊密聯(lián)系而顯得更為重要。人類的活動(dòng)深刻地改變了生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)。同時(shí)它也對(duì)人類的生活造成了極大變了生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)。同時(shí)它也對(duì)人類的生活造成了極大的影響。的影響。水循環(huán)水循環(huán)p全球生物地球化學(xué)循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素的全球生物地球化學(xué)循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素的影響。一種元素的循環(huán)一定會(huì)和其他元素的循環(huán)發(fā)生聯(lián)系。影響。一種元素的循環(huán)一定會(huì)和其他元素的循環(huán)發(fā)生聯(lián)系。 碳循環(huán)最終和硫，氮，磷，氧及氫循環(huán)都聯(lián)系在一起。碳循環(huán)最終和硫

59、，氮，磷，氧及氫循環(huán)都聯(lián)系在一起。p這個(gè)觀點(diǎn)首先被這個(gè)觀點(diǎn)首先被J.E.Lovelock在一本叫蓋亞（在一本叫蓋亞（gaia）的書中的書中提出。他贊成地球上的生物是相互聯(lián)系的，而且傾向于地球提出。他贊成地球上的生物是相互聯(lián)系的，而且傾向于地球上的生命系統(tǒng)會(huì)使環(huán)境朝更加適應(yīng)自己的方向發(fā)展。上的生命系統(tǒng)會(huì)使環(huán)境朝更加適應(yīng)自己的方向發(fā)展。pSo，地球就像一個(gè)巨大的有機(jī)體，發(fā)生在其內(nèi)的各種循環(huán)，地球就像一個(gè)巨大的有機(jī)體，發(fā)生在其內(nèi)的各種循環(huán)就像一個(gè)生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有機(jī)體利用自身的調(diào)節(jié)能力控制著就像一個(gè)生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有機(jī)體利用自身的調(diào)節(jié)能力控制著這些循環(huán)。這些循環(huán)。Lovelock在書中用的語(yǔ)句暗示了生物

60、圈的主動(dòng)性。在書中用的語(yǔ)句暗示了生物圈的主動(dòng)性。p事實(shí)上，生物多樣性和個(gè)體數(shù)目的膨脹都是自然形成的，事實(shí)上，生物多樣性和個(gè)體數(shù)目的膨脹都是自然形成的，而且受到自然控制的。這些過(guò)程也許可以認(rèn)為是生物地球化而且受到自然控制的。這些過(guò)程也許可以認(rèn)為是生物地球化學(xué)循環(huán)之間的相互聯(lián)系。學(xué)循環(huán)之間的相互聯(lián)系。蓋亞假說(shuō)：生物圈作為元素循環(huán)之間的相互聯(lián)系蓋亞假說(shuō)：生物圈作為元素循環(huán)之間的相互聯(lián)系（五）有機(jī)質(zhì)的同位素研究（五）有機(jī)質(zhì)的同位素研究生物（生物（動(dòng)植物及微生物）在生存過(guò)程中經(jīng)常與介質(zhì)交換物質(zhì)、動(dòng)植物及微生物）在生存過(guò)程中經(jīng)常與介質(zhì)交換物質(zhì)、并通過(guò)生物化學(xué)過(guò)程引起并通過(guò)生物化學(xué)過(guò)程引起C C、H H、O