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地球科学原理之30 有机碳沉积对地球的作用

已有 4582 次阅读 2009-4-25 20:36 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记|关键词:地球科学,pH值,地球演化,地球科学原理,地球,有机物沉积,有机碳| 地球, 地球科学, 地球演化, pH值, 地球科学原理

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

 

沉积碳酸盐岩为6×107Gt(1Gt=109t),有机物沉积为1.5×107GtFalkowski, et. al., 2000

因为有如下方程式曹宗巽和吴相钰,1979

      

光合作用形成1摩尔(CH20)有机物,将产生1摩尔O2,固定1摩尔CO2。简单地说:植物光合作用形成1摩尔(CH20),将固定1摩尔CO2。根据(9)式可知,每消耗1摩尔CO2,将形成1摩尔CaCO3MgCO3。所以,也可以这样说:植物光合作用形成1摩尔(CH20),将引起1摩尔CaCO3MgCO3沉淀。

有机物(CH2O)的分子量为30CaCO3的分子量为100MgCO3的分子量为84.3。我们假设地壳里的碳酸盐岩沉积岩中,CaCO3MgCO3各占50%,则碳酸盐沉积岩的平均分子量为92.15。有机物(CH2O)和碳酸盐岩的质量比=30÷92.15×100%=32.5%

因为沉积有机物,主要是干酪根(Kerogen),约占沉积有机物的80-90%Durand, 1980; 张厚福等,1999Durand等根据世界各地440个干酪根样品的元素分析发现,干酪根主要由碳、氢、氧、硫和氮组成。质量百分比平均值为:碳:76.4%,氢:6.3%,氧:11.1%,这三者共占93.8%,是干酪根的主要成分Durand, 1980。因为碳、氢和氧的原子量分别为12116,所以,根据干酪根的原子比可以将其分子简写为:C64H63O7C64H63O7和(CH20)比较,明显地少氧和氢。所以,有机质在还原环境下,经高温高压而形成干酪根的过程,是有机物(CH20)利用自己的结构氧,氧化碳和氢,使氧和氢以CO2H2O形式逸出的过程张厚福等,1999Tissot, 1984; Waples, 1985。简写方程式如下:

n(CH2O)= C64H63O7+x  H2O+yCO2                              (18)

因为等式两边相等,在(CH2O)里,就原子数来说,C原子数=O原子数,H原子数=C原子数的2, C=02C=H,则有方程式(19)(20)

64+y=7+x+2y                                            (19)

2×(64+y)=63+2x                                        (20)

解方程得:

x=44.75,y=12.25,n=76.25。所以,(18)式可以写成:

76.25(CH2O)= C64H63O7+44.75H2O+12.25CO2                    (21)

因为76.25摩尔(CH2O)形成943C64H63O7,同时形成12.25摩尔CO2,这12.25摩尔CO2又变成了无机碳。由(17)式可知,进行呼吸作用时,分解1摩尔(CH2O),产生1摩尔CO2,所以,可以认为,有12.25摩尔的(CH2O),在(CH2O)不断演化成干酪根的过程中,分解成了12.25摩尔CO2

因为CH2O的分子量为30;所以,每形成1摩尔C64H63O7,需要光合作用合成的有机物(CH2O)的量=76.25×30=2287.5。但因为在干酪根演化形成的过程中,12.25摩尔的有机物分解为12.25摩尔CO2,返回了大气中,所以真正沉积在1摩尔C64H63O7里的矿物有机物(CH2O)的量=76.25-12.25)×30=1920。C64H63O7分子量为943C64H63O7占干酪根质量比的93.8%,所以,每形成1干酪根,将要沉积有机物(CH2O)的量=1920÷943×93.8%=1.9

这样的话,干酪根的量为1.5×107GtFalkowski, et. al., 2000,实际沉积的有机物应=1.5×107Gt×1.9=2.85×107Gt。无机碳酸盐岩沉积岩量为6.0×107GtFalkowski, et. al., 2000,有机物(CH2O)与碳酸盐沉积岩(CaCO3MgCO3)的质量比为32.5%。形成所有碳酸盐沉积岩所需光合作用合成并沉积的矿物有机物量=6.0×107Gt×32.5%=1.95×107Gt

若以硅平衡系统为主的升pH值作用和以碳平衡系统为主(其它地球去气气体HClHFSO2H2S等参与)的降pH值作用相等,则沉积1.95×107Gt矿物有机物,造成6.0×107Gt碳酸盐沉积。

但据以上计算可知,已经沉积的矿物有机物的量是2.85×107Gt,超过1.95×107Gt。这说明,硅系统的升pH值作用造成的pH值上升,尚没有达到碳酸盐沉积的值,要造成碳酸盐岩的沉积,还必须有2.85×107Gt-1.95×107Gt=0.90×107Gt矿物有机物的形成,参与pH值的升高。所以,矿物有机物的沉积,不仅造成无机碳酸盐岩沉积,而且也参与了pH升高的作用。

当然,从原始海洋形成至现在,随着海洋pH值的升高,海洋里的各种物质,是逐步沉积的。首先是氧化物,影响比较大的是氧化铝,铁的二价氢氧化物和三价氧化物,氧化锰及大量的SiO2。后是磷酸钙等磷酸盐类,再后是后生的海绿石和鳞绿泥石等硅酸盐。然后才是碳酸盐类。在大量形成方解石和白云石等碳酸盐之前,若海洋里还有铁或锰离子的存在,先沉积的往往是菱铁矿或菱锰矿。最后,才是土状荧石,天青石,石膏、钠盐、钾盐、镁盐等硫酸盐或卤化物赵澄林和朱筱敏,2001;鲁欣,1955。由于铁、锰等离子在氧化物阶段就已大量沉积,所以 ,在硅酸盐和碳酸盐阶段形成海绿石、鳞绿石、菱铁矿和菱锰矿的量相对较小。除非在特殊的环境或特殊的时期(如火山喷发等),才可能形成一定量的这类矿物。而硫酸盐岩和卤盐岩,只有在相当特殊的环境里才可能形成。所以,形成方解石、白云石等碳酸盐,成了缓解海洋pH值继续上升的主要作用,形成的这类盐岩也最多。

以上我们介绍了地球的pH值平衡原理,下面,我们将继续介绍本章第三节 地球演化过程中的氧化-还原平衡。那么,地球演化过程中,地球系统的氧化-还原是如何保持平衡的?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之31  光合生物出现前的氧化-还原平衡

参考文献:

曹宗巽,吴相钰. 植物生理学,北京:高等教育出版社.1979. 31-125

鲁欣著,杨士儒等译. 沉积岩石学原理. 北京:地质出版社,1955

张厚福,方朝亮,高先志,张枝焕,蒋有录. 石油地质学. 北京:石油工业出版社. 1999.39-100

赵澄林,朱筱敏. 沉积岩石学. (第三版)北京:石油工业出版社. 2001. 6-37

Durand, B.(ed.).Kerogen—Insoluble organic matter from sedimentary rocks, Paris: Ed. Technip, 1980. 1-519

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000,290:291-296

Tissot B. P. Recent advances in petroleum geochemistry applied to hydrocarbon exploration. AAPG Bulletin, 1984, 68: 545-563

Waples D. W. ed. Klein G. D. Geochemistry in petroleum exploration. Boston: Int. Hum. Resour. Dev. Corp. 1985. 1-232

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 





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