Учебное пособие для студентов специальности I 51. 01. 01 " Геология и разведка месторождений полезных ископаемых"
Разложение органического вещества и его участие в образовании месторождений
жүктеу/скачать 5.81 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 12.4.Геохимия биогенных полезных ископаемых
12.3.Разложение органического вещества и его участие в образовании месторожденийОтмершее органическое вещество в зависимости от аэробных или анаэробных условий гумифицируется, минерализуется (окисляется с образованием оксидов, составляющих золу) или консервируется. Основные органические соединения (белки, углеводы, жиры), представленные воздушными мигрантами (C, H, O, N) с включением единичных атомов металлов, подвергаются минерализации с образованием воды и газов (СО2 – в аэробных условиях; СН4 и NH3 – в анаэробных условиях). Металлы окисляются и образуют золу, т.е. возвращаются в почву и породу. Компоненты растительных тканей (фенольные соединения, аминокислоты, пептиды, лигнин, танины, целлюлоза, воски, смолы) являются структурными единицами, из которых формируются гумусовые вещества путем медленного биохимического окисления высокомолекулярных продуктов разложения, сопровождающееся 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 процесс). С разложением органических веществ связаны биогеохимические функции живого вещества: углекислотная, углеводородная, сероводородная, азотная, окислительная, восстановительная. Геохимическая функция микроорганизмов приводит к образованию биокосных систем: гумуса, торфа, ила и полезных ископаемых (каустобиолиты).
3Na2SO4 + C6H12O6 → 3Na2CO3 + 3H2O + 3CO2 + 3H2S + Q Эта реакция выполняет роль дыхательного акта для бактерий, а выделяющаяся энергия используется микробами для жизненных процессов. Восстановленная сера выделяется в форме Н2S, а окисленный углерод – в виде СО2. Десульфуризация протекает в условиях разложения угля, гумуса, торфа, битума без доступа кислорода в присутствии сульфатов: илах, водоносных горизонтах. С этой функцией связано образование сульфидных рудных месторождений.
С6Н12О6 = СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н2 + 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 атмосфере и гидросфере при разрушении органики. Свободный азот атмосферы ассимилируют свободно живущие анаэробные и аэробные бактерии, а также клубеньковые бактерии на корнях бобовых. Азотфиксирующие бактерии дают за период вегетации 20-25 кг азота на 1 га и более. Клубеньковые бактерии внедряются в корни бобовых и образуют клубеньки, которые фиксируют до 160-180 кг атмосферного азота на 1 га. Ряд бактерий в анаэробных условиях вызывают в почвах процесс денитрификации – восстановление нитратов до свободного азота для получения кислорода. Окисляется органическое вещество и выделяется необходимая бактериям энергия со свободным азотом: 5С6H12O6 + 24 KNO3 = 24 KHCO3 + 6 CO2 + 12 N2 + 18 H2O + Q
Таким образом, суммарный эффект живого вещества за всю геологическую историю привел к формированию биогенных (каустобиолитов) и металлических месторождений полезных ископаемых. 12.4.Геохимия биогенных полезных ископаемыхЖивые организмы отличаются повышенным содержанием одного или нескольких 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; асцидии – ванадий; астрагалы, лук, чеснок – селен. Микрофлора некоторых рудных месторождений обогащается Cu, Zn, Pb. На этом основан биогеохимический метод поисков месторождений ряда металлов. Среди органических соединений в осадочных породах насчитывается более 500 видов. По А.Б. Ронову, рассеянное органическое вещество в 200 раз превышает запасы горючих ископаемых. При миграции по порам органическое вещество концентрируется как месторождение. От времени отложения нефтематеринских пород до образования нефти проходят десятки и сотни миллионов лет. Считают, что нефть может образоваться абиогенным путем при взаимодействии карбидов металлов 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 (CnH2n+2) и непредельные (CnH2n, CnH2n – 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 источником образования газа, а сапропель – нефти. Процесс нефтегазообразования носит 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. Индикаторы 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 залежи нефти и газа образуются в осадочных бассейнах на глубине 2-4 км при температуре 60-150оС. Коллекторные свойства пород, их проницаемость для газов, нефти и воды улучшаются, если совместно протекает процесс преобразования органических веществ и глинистых минералов. Различаются парафиновые, нафтеновые и ароматические разновидности сырой нефти в зависимости от преобладающего в них типа углеводорода. Геохимия угля. Превращение растительного материала в уголь осуществляется в две стадии: биохимическую и метаморфическую. На биохимической стадии происходит образование торфа с участием микроорганизмов. Торф формируется при наличии следующих составляющих:
Дальнейшая углефикация происходит при повышении температуры и давления во время метаморфической стадии. Изменение содержания основных элементов в процессе углеобразования видно из табл. 24. Таблица 24 Средний состав углеобразующих материалов, %, по Ф.В. Кларку (1924)
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 (см. табл. 24). Некоторые ученые полагают, что лигнин является главным материнским веществом каменных углей, так как продукты разложения углей состоят в основном из ароматических 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 – 6 км. 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 антрацита. Графитизация является показателем метаморфизации углей. По Я.Э. Юдовичу, по сравнению с осадочным породами в углях концентрируются Ge, Mo, Cl, Hg, As, Se, возможно W, B, I, Cd, Sb. В золе углей концентрируется 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. Происхождение концентраций различно: восстановительные барьеры, привнос с подземными водами, вид растений. Эти элементы следует извлекать из золы при разработке соответствующих технологий, что экономически эффективнее по сравнению 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 минералов: опал диатомовых водорослей, кальцит и арагонит в раковинах, оксалаты и фосфаты в почечных камнях и т.д. После отмирания организмов часть этих минералов дает начало коралловым известнякам, доломитам и другим породам биогенного происхождения. Разделение изотопов организмами более характерно для легких элементов. При фотосинтезе растения усваивают легкий изотоп 12С, а тяжелый 13 в меньшей степени. В морских карбонатах повышено содержание изотопа 13С. Соотношение изотопов выражают в виде показателя: σ13С = 
За стандарт принято отношение в карбонате кальция раковины моллюска из меловых отложений США. При повышении содержания тяжелого изотопа величина σ13С положительна, при понижении – отрицательная. Этот показатель позволяет устанавливать генезис соединений углерода в земной коре. Соотношение 34S:32S постоянно для всех метеоритов и равно 0. Микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты, накапливают легкий изотоп 32S, поэтому в осадочных сульфидах его больше. Сера морской воды и эвапоритов тяжелая. Изученное соотношение изотопов серы позволяет разделить осадочный и магматический источник серы. Палеобиогеохимия изучает геохимические особенности организмов прошедших геологических эпох на основе остатков. Для организмов прошлых геологических эпох была характерна концентрация определенных металлов. Сине-зеленые водоросли архея и протерозоя концентрировали Fe, Co, Ni. По А.П. Виноградову, 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 физиологические функции (Fe в гемоглобине, I в щитовидной железе, Со в витамине В12 и т.д.). Жизнь пробовала различные варианты, вовлекая в миграцию многие элементы, и лишь в ходе эволюции возникли оптимальные соотношения между ними в более высокоорганизованных организмах. Биогеохимические методы поисков месторождений основаны на опробовании растений по содержанию ряда элементов. Хорошо изучены закономерности накопления растениями элементов-индикаторов рудных месторождений. Например, в степях Казахстана опробуются полыни, в тайге – кора хвойных деревьев и т.д. Биогеохимическим методом открыт ряд месторождений (Mo, Sr, Se и др.). жүктеу/скачать 5.81 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|