有机碳沉积对地球的作用.doc

地球科学原理之30 有机碳沉积对地球的作用 广东海洋大学廖永岩（电子信箱：rock6783@） 沉积碳酸盐岩为6×107Gt(1Gt=109t),有机物沉积为1.5×107Gt（Falkowski, 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CaCO3或MgCO3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CaCO3或MgCO3沉淀有机物（CH2O）的分子量为30，CaCO3的分子量为100，MgCO3的分子量为84.3我们假设地壳里的碳酸盐岩沉积岩中，CaCO3和MgCO3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，1999）Durand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12、1和16，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CO2和H2O形式逸出的过程（张厚福等，1999；Tissot, 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倍, 即C=0，2C=H，则有方程式(19)和(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943克C64H63O7，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克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克C64H63O7分子量为943，C64H63O7占干酪根质量比的93.8%，所以，每形成1克干酪根，将要沉积有机物（CH2O）的量=1920÷943×93.8%克=1.9克这样的话，干酪根的量为1.5×107Gt（Falkowski, 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6.0×107Gt（Falkowski, et. al., 2000），有机物（CH2O）与碳酸盐沉积岩（CaCO3或MgCO3）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HCl、HF、SO2和H2S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，还必须有这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 。