ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3927
Скачиваний: 7
146
Эти средние данные для растений будут отличаться для отдельных видов
растений. Например, картофель концентрирует калий, лютик едкий – литий и т.д.
Элементы с А
х
более единицы относятся к элементам накопления.
12.3. Разложение органического вещества и его участие в образовании
месторождений
Отмершее органическое вещество в зависимости от аэробных или анаэроб-
ных условий
гумифицируется
,
минерализуется
(окисляется с образованием окси-
дов, составляющих золу) или
консервируется
. Основные органические соедине-
ния (белки, углеводы, жиры), представленные воздушными мигрантами (
C, H, O,
N
) с включением единичных атомов металлов, подвергаются минерализации с об-
разованием воды и газов (
СО
2
– в аэробных условиях;
СН
4
и
NH
3
– в анаэробных
условиях). Металлы окисляются и образуют золу, т.е. возвращаются в почву и по-
роду. Компоненты растительных тканей (фенольные соединения, аминокислоты,
пептиды, лигнин, танины, целлюлоза, воски, смолы) являются структурными еди-
ницами, из которых формируются гумусовые вещества путем медленного биохи-
мического окисления высокомолекулярных продуктов разложения, сопровожда-
ющееся их конденсацией.
Минерализация органических соединений – это процесс противоположный
фотосинтезу и сопровождается освобождением энергии. Огромное разнообразие
органических соединений живых организмов превращается в небольшое число
органо-минеральных или минеральных соединений, уничтожается биологическая
информация. Всю эту работу выполняют микроорганизмы (
биохимический
про-
цесс
).
С разложением органических веществ связаны биогеохимические функции
живого вещества: углекислотная, углеводородная, сероводородная, азотная, окис-
лительная, восстановительная. Геохимическая функция микроорганизмов приво-
дит к образованию биокосных систем: гумуса, торфа, ила и полезных ископаемых
(каустобиолиты).
Углекислотная функция
начинается при жизни живых организмов в процес-
се дыхания и выделения
СО
2
и продолжается при отмирании и минерализации
органики. Растворенный в воде биогенный
СО
2
влияет на рН вод, образование
растворимых комплексов металлов. При насыщении
СО
2
в жидкой фазе возникает
избыточное давление в породе и образуются плывуны, оползни, сели и подводные
каньоны.
Углеводородная функция
живого вещества реализуется в почвах, илах, под-
земных водах без доступа свободного кислорода. Микробиологическое разложе-
ние органических остатков приводит к образованию метана и других углеводоро-
дов. Они встречаются на глубинах, мигрируют, собираются в «ловушках», обра-
зуя газовые залежи.
Сероводородная функция
сульфатредуцирующих бактерий
состоит в разло-
жении органических веществ и сульфатов с выделением
СО
2
и
H
2
S
. Кислородом
сульфатов бактерии окисляют органическое вещество:
3Na
2
SO
4
+ C
6
H
12
O
6
→ 3Na
2
CO
3
+ 3H
2
O + 3CO
2
+ 3H
2
S + Q
147
Эта реакция выполняет роль дыхательного акта для бактерий, а выделяюща-
яся энергия используется микробами для жизненных процессов. Восстановленная
сера выделяется в форме
Н
2
S
, а окисленный углерод – в виде
СО
2
.
Десульфуриза-
ция протекает в условиях разложения угля, гумуса, торфа, битума без доступа
кислорода в присутствии сульфатов: илах, водоносных горизонтах. С этой функ-
цией связано образование сульфидных рудных месторождений.
Водородная функция
протекает в анаэробной среде в подземных горизонтах
с выделением свободного
Н
2
при распаде углеводов в ходе маслянокислого бро-
жения:
С
6
Н
12
О
6
= СН
3
СН
2
СН
2
СООН + 2СО
2
+ 2Н
2
+ Q
глюкоза
масляная кислота
Он обнаружен в подземных водах и выполняет активную геохимическую
роль, формируя сильнокислые воды.
Азотная
функция
связана с деятельностью микроорганизмов по поглощению
свободного азота атмосферы бактериями и с накоплением свободного азота в ат-
мосфере и гидросфере при разрушении органики.
Свободный азот атмосферы ассимилируют свободно живущие анаэробные и
аэробные бактерии, а также клубеньковые бактерии на корнях бобовых. Азотфик-
сирующие бактерии дают за период вегетации 20–25кг азота на 1га и более.
Клубеньковые бактерии внедряются в корни бобовых и образуют клубеньки,
которые фиксируют до 160-180кг атмосферного азота на 1га.
Ряд бактерий в анаэробных условиях вызывают в почвах процесс
денитри-
фикации
– восстановление нитратов до свободного азота для получения кислоро-
да. Окисляется органическое вещество и выделяется необходимая бактериям
энергия со свободным азотом:
5С
6
H
12
O
6
+ 24 KNO
3
= 24 KHCO
3
+ 6 CO
2
+ 12 N
2
+ 18 H
2
O + Q
Окислительная функция
состоит в окислении свободным кислородом орга-
нических веществ и некоторых минеральных соединений (пирита, серы и т.д.). В
окислении участвуют аэробные бактерии. Химические элементы могут мигриро-
вать.
Восстановительная функция
осуществляется анаэробными микроорганиз-
мами. Они восстанавливают
Fe
3+
, Mn
4+
, Cr
6+
, V
5
+
и другие элементы. В результате
железо и марганец мигрируют с водой, а хром и ванадий осаждаются, концентри-
руясь в породе.
Таким образом, суммарный эффект живого вещества за всю геологическую
историю привел к формированию биогенных (каустобиолитов) и части месторож-
дений металлических полезных ископаемых.
12.3.
12.4. Геохимия биогенных полезных ископаемых
Живые организмы отличаются повышенным содержанием одного или не-
скольких химических элементов. Точный химический состав организма может
служить его видовым признаком. Отсюда вытекает
концентрационная
функция
живого вещества. Моллюски, кораллы, фораминиферы и др. концентрируют Са.
Их остатки служат основой для отложения известняков. Диатомовые водоросли,
губки, радиолярии и злаки удерживают кремний; морские водоросли – йод; асци-
Формат:
Список
148
дии – ванадий; астрагалы, лук, чеснок – селен. Микрофлора некоторых рудных
месторождений обогащается Cu, Zn, Pb. На этом основан
биогеохимический ме-
тод поисков месторождений
ряда металлов.
Среди органических соединений в осадочных породах насчитывается более
500 видов. По А.Б. Ронову, рассеянное органическое вещество в 200 раз превыша-
ет запасы горючих ископаемых. При миграции по порам газов и нефти в ловуш-
ках происходит их накопление. От времени отложения нефтематеринских пород
до образования нефти проходят десятки и сотни миллионов лет. Считают, что
нефть может образоваться абиогенным путем при взаимодействии карбидов ме-
таллов и воды.
Геохимия нефти
.
Месторождения нефти состоят из смеси газообразных и
жидких углеводородов с примесью других органических соединений, макро- и
микроэлементов. В нефтях установлены предельные (
C
n
H
2n+2
) и непредельные
(
C
n
H
2n
, C
n
H
2n – 2
и т.д.), алифатические и ароматические углеводороды.
Природа месторождений нефти и газа имеет следующие особенности. В
анаэробных условиях при высоком давлении и температуре органические остатки
бактериями превращаются в нефть и газ. Основные запасы нефти и газа имеют
«бассейновое» образование в местах захоронения органики. Гумус служит источ-
ником образования газа, а сапропель – нефти. Процесс нефтегазообразования но-
сит циклический характер и определяющим фактором является геодинамический
режим недр – субдукционный и рифтогенный. Нефтегазонакопление на суше и в
море имеет одну природу. Геологические ловушки состоят из тонкозернистого
малопроницаемого материала. Углеводороды переходят в рыхлые пласты-
коллекторы. Сверху они должны быть защищены пластами-покрышками. Инди-
каторы наличия нефти и газа в недрах морского дна являются «соляные купола» –
зоны испарившихся мелких морей, в зонах «сброса» – вертикальный сдвиг слоев
осадочных пород, на участках «выклинивания» пористых пластов. Основные за-
лежи нефти и газа образуются в осадочных бассейнах на глубине около 3 км при
температуре 60-150
о
С. Коллекторные свойства пород, их проницаемость для га-
зов, нефти и воды улучшаются, если совместно протекает процесс преобразова-
ния органических веществ и глинистых минералов. Различаются парафиновые,
нафтеновые и ароматические разновидности сырой нефти в зависимости от пре-
обладающего в них типа углеводорода.
Геохимия угля
. Превращение растительного материала в уголь осуществля-
ется в две стадии:
биохимическую
и
метаморфическую
.
На биохимической стадии происходит образование торфа с участием микро-
организмов. Торф формируется при наличии следующих составляющих:
быстрое разложение водорастворимых веществ;
медленное разложение целлюлозы;
постепенное накопление лигнина, смол и восков;
накопление веществ, сопровождающееся увеличением содержания азота.
Дальнейшая углефикация происходит при повышении температуры и давле-
ния во время метаморфической стадии. Изменение содержания основных элемен-
тов в процессе углеобразования видно в табл. 22.
149
Таблица 22
Средний состав углеобразующих материалов, %, по Ф.В. Кларку (1924)
Органическое вещество
С
H
N
O
Древесина
49,65
6,23
0,92
43,20
Торф
55,44
6,28
1,72
36,56
Лигнин
72,95
9,24
1,31
20,50
Битуминозный уголь
84,24
5,55
1,52
8,69
Антрацит
93,50
2,81
0,97
2,72
С химической точки зрения переход от древесины к антрациту состоит в
увеличении содержания углерода и уменьшении кислорода. Содержание водорода
изменяется медленнее; соединения азота – важные компоненты угля. Некоторые
ученые полагают, что лигнин является главным материнским веществом камен-
ных углей, так как продукты разложения углей состоят в основном из ароматиче-
ских соединений и он устойчив к разложению микробами.
Глубина захоронения, а не возраст, является причиной возрастания класса
углей. Для превращения торфа в битуминозный уголь необходима глубина 2,5 км,
в антрацит – 6км.
Углистое вещество состоит из сложных органических соединений с высоким
молекулярным весом типа ароматических. Степень ароматизации увеличивается с
возрастанием класса угля и полная ароматизация достигается в графите. В угле
содержатся соединения нафтенового ряда.
Повышение температуры и давления приводит к образованию графита из ан-
трацита. Графитизация является показателем метаморфизации углей.
По Я.Э. Юдовичу, по сравнению с осадочным породами в углях концентри-
руются
Ge, Mo, Cl, Hg, As, Se
, возможно
W, B, I, Cd, Sb
. В золе углей концентри-
руется около 30 редких и рассеянных элементов
: Sr, F, B, Be, Cs, Tl, Ge, Sn, Sb, Zn,
Ni, Cu, Pb, Cd, Hg, Ag, Bi, V, Mo, U, Se, Au, Re, Co, TR, Ga, Sc, Nb, Ta, W.
Проис-
хождение концентраций различно: восстановительные барьеры, привнос с под-
земными водами, вид растений. Эти элементы следует извлекать из золы при раз-
работке соответствующих технологий, что экономически эффективнее по сравне-
нию с извлечением их из бедных руд. Например, содержание
Ge
в золе иногда
превышает 7%, т.е. коэффициент концентрации 6000 и более.
Биогенное минерало- и породообразование
. В процессе роста и развития
живых организмов некоторые элементы концентрируются в телах в виде минера-
лов: опал диатомовых водорослей, кальцит и арагонит в раковинах, оксалаты и
фосфаты в почечных камнях и т.д. После отмирания организмов часть этих мине-
ралов дает начало коралловым известнякам, доломитам и другим породам био-
генного происхождения.
Разделение изотопов организмами
более характерно для легких элементов.
При фотосинтезе растения усваивают легкий изотоп
12
С
, а тяжелый
13
С
в меньшей
степени. В морских карбонатах повышено содержание изотопа
13
С
.
Соотношение изотопов выражают в виде показателя:
150
σ
13
С =
%
100
1
)
:
(
)
:
(
12
13
12
13
стандарт
C
C
образец
C
C
За стандарт принято отношение в карбонате кальция раковины моллюска из
меловых отложений США. При повышении содержания тяжелого изотопа вели-
чина σ
13
С
положительна, при понижении – отрицательная. Этот показатель позво-
ляет устанавливать генезис соединений углерода в земной коре.
Соотношение
34
S:
32
S
постоянно для всех метеоритов и равно 0. Микроорга-
низмы, восстанавливающие сульфаты, накапливают легкий изотоп
32
S
, поэтому в
осадочных сульфидах его больше. Сера морской воды и эвапоритов тяжелая. Изу-
ченное соотношение изотопов серы позволяет разделить осадочный и магматиче-
ский источник серы.
Палеобиогеохимия изучает геохимические особенности организмов про-
шедших геологических эпох на основе остатков. Для организмов прошлых геоло-
гических эпох была характерна концентрация определенных металлов. Сине-
зеленые водоросли архея и протерозоя концентрировали
Fe, Co, Ni
. По А.П. Ви-
ноградову, способность к концентрации элементов уменьшалась от низших форм
к высшим. Низшие растения и беспозвоночные животные концентрируют
Si, Fe,
Sr, I, V, Cu
, позвоночные – не концентрируют. Таким образом, в ходе эволюции
организмы освобождались от многих свойственных им ранее геохимических
функций, а элементы-концентраторы продолжали выполнять лишь физиологиче-
ские функции (
Fe
в гемоглобине,
I
в щитовидной железе,
Со
в витамине
В
12
и
т.д.).