有机碳沉积对地球的作用

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：[e-mail]）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：C64H63O7。C64H63O7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+xH2O+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