Органическая геохимия: происхождение нефти, угля и изучение углеродного цикла.
Organic geochemistry
Органическая геохимия изучает влияние организмов на Землю, состав органических веществ в породах и воде. Открытия Тре́йбса доказали биологическое происхождение нефти.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Органическая геохимия – это изучение влияния и процессов, которые организмы оказали на Землю. Она в основном посвящена составу и способу образования органического вещества в горных породах и водоемах. История изучения органической геохимии восходит к работам Альфреда Э. Трейбса, которого называют "отцом органической геохимии". Трейбс первым выделил металлопорфирины из нефти. Это открытие установило биологическое происхождение нефти, которое ранее было недостаточно изучено. Металлопорфирины в целом – высокостабильные органические соединения, и детальное строение выделенных производных однозначно показало их происхождение от хлорофилла.
Organic geochemistry is the study of the impacts and processes that organisms have had on the Earth. It is mainly concerned with the composition and mode of origin of organic matter in rocks and in bodies of water. The study of organic geochemistry is traced to the work of Alfred E. Treibs, "the father of organic geochemistry." Treibs first isolated metalloporphyrins from petroleum. This discovery established the biological origin of petroleum, which was previously poorly understood. Metalloporphyrins in general are highly stable organic compounds, and the detailed structures of the extracted derivatives made clear that they originated from chlorophyll.
Нефть
Взаимосвязь между наличием органических соединений в осадочных отложениях и нефтяными месторождениями давно вызывает интерес. Изучение древних осадков и пород позволяет получить представление о происхождении и источниках нефти и нефтепродуктов, а также о биохимических предшественниках жизни. Особый интерес для геохимиков представляют нефтяные разливы, в частности, с точки зрения влияния нефти и нефтепродуктов на современную геологическую среду. После аварии на танкере "Эксон Валдез" знания в области органической геохимии, касающиеся химии нефтяных разливов, значительно расширились благодаря анализу образцов, взятых с места разлива. Геохимики изучают нефтяные включения в геологических образцах, чтобы сравнить современные флюидные включения с датированными образцами. Этот анализ позволяет определить возраст нефтяных образцов и окружающих пород. Для анализа образцов используются спектрографические, оптические, деструктивные и неразрушающие методы, такие как масс-спектрометрия или спектроскопия Рамана. Обнаруженные различия в образцах, например, соотношение нефти к газу или вязкость, обычно связывают с породой-источником образца. Также обычно отмечаются такие характеристики, как свойства давления/объема/температуры, текстура и состав образца. Сложности в анализе возникают, когда порода-источник находится вблизи или в водоеме. Нефть также исследуется методом анализа изотопов углерода. Изотопы углерода дают представление об углеродном цикле Земли и геологических процессах. Геохимики могут определить состав нефтяных месторождений, изучая соотношение изотопов углерода и сравнивая его с известными значениями для углеродных структур, из которых может состоять нефть.
The relationship between the occurrence of organic compounds in sedimentary deposits and petroleum deposits has long been of interest. Studies of ancient sediments and rock provide insights into the origins and sources of oil and petroleum, as well as the biochemical antecedents of life. Oil spills in particular have been of interest to geochemists in regards to the impact of petroleum and oil on the current geological environment. Following the Exxon Valdez Oil Spill, organic geochemistry knowledge on oil spill chemistry bloomed with the analyses of samples from the spill. Geochemists study petroleum inclusions in geological samples to compare present day fluid inclusions to dated samples. This analysis provides insight into the age of the petroleum samples and the surrounding rock. Spectrographic, optical, destructive, and nondestructive methods are used to analyze samples via mass spectrometry or Raman spectroscopy. The discovered differences in samples, such as oil to gas ratio or viscosity are typically attributed to the rock source of the sample. Other characteristics typically noted are pressure/volume/temperature properties, sample texture, and sample composition. Complications in analysis arise when the source rock is near or in a water source. Petroleum is also studied via carbon isotope analysis. Carbon isotopes provide insight into the Earth's carbon cycle and geological processes. Geochemists are able to discern the composition of petroleum deposits by examining the ratio of carbon isotopes and comparing this ratio to known values for carbon based structures of which the petroleum could be composed.
Уголь
С момента начала использования угля в качестве источника энергии накоплены обширные знания о нем. Однако современные геохимики продолжают изучать процессы превращения растительного материала в уголь. Они установили, что уголь образуется в результате избирательного разложения растительных остатков, при этом часть растительного материала сохраняется. Макромолекулы угля обычно состоят из этих устойчивых к разложению биополимеров, содержащихся в водорослях, спорах и древесине. Геохимики раскрыли тайны формирования угля, сравнивая свойства биополимеров со свойствами макромолекул, присутствующих в самом угле. Аналитические методы, такие как ЯМР углерода и газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ-МС), в сочетании с вспышечным пиролизом, значительно расширили возможности органических геохимиков по анализу мельчайших структурных единиц угля. Дополнительные сведения о возрасте угольных отложений получены с помощью изохронного датирования урана в угольных образцах. Изучение соотношения родительских и дочерних изотопов урана позволило датировать некоторые образцы концом мелового периода.
Vast knowledge about coal has been attained since the inception of its use as an energy source. However, modern geochemists are still studying how plant material changes into coal. They have determined coalification results from a selective degradation of plant materials, while other plant material is preserved. Coal macromolecules are usually made up of these degradation resistant biopolymers contained in algae, spores, and wood. Geochemists have unraveled the mysteries behind coal formation by comparing properties of the biopolymers to properties found in existing coal macromolecules. The analytical methods of Carbon NMR and gas chromatography mass spectrometry (GC MS) combined with flash pyrolysis has greatly enhanced the ability of organic geochemists to analyse the minute structural units of coal. Further knowledge into the age of coal sediments has been attained via isochron dating of uranium in the coalified samples. Examination of the parent to daughter ratio of uranium isotopes has led to the dating of select samples to the Late Cretaceous Period.
Экологические
Современная органическая геохимия включает изучение современных отложений для понимания круговорота углерода, изменений климата и океанических процессов. В связи с изучением нефти, геохимики, специализирующиеся на нефтяной геохимии, также исследуют влияние нефти на геологическую среду. Геохимия также изучает другие загрязнители в геологических системах, такие как метаболиты, образующиеся при разложении углеводородов. Аналитические методы органической геохимии, такие как ГХ-МС, позволяют химикам определять сложные воздействия органических метаболитов и отходов антропогенного происхождения на геологическую среду. Особую обеспокоенность вызывают загрязнители, связанные с сельскохозяйственной деятельностью человека. Использование навоза в сочетании с общепринятыми системами управления городскими и канализационными отходами изменило многие физические свойства задействованных сельскохозяйственных почв и прилегающих к ним почв. Органическая геохимия также применима к водным средам. Загрязнители, их метаболиты и пути их попадания в водоемы имеют особое значение в этой области. Это органическое вещество также может образовываться в результате геологических процессов в водоемах или вблизи них, аналогичным образом влияя на близлежащие живые организмы и производство белка. Флуоресцентная спектроскопия была внедрена как метод исследования органического вещества в водоемах, поскольку растворенное органическое вещество обычно обладает флуоресценцией. Изучение органической геохимии также распространяется на атмосферу. В частности, геохимики в этой области изучают состав нерастворимых частиц в нижних слоях атмосферы. Они выявили определенные последствия органических аэрозолей, включая физиологическую токсичность, прямое и косвенное воздействие на климат, смог, подкисление дождей и включение в естественный круговорот углерода.
Modern organic geochemistry includes studies of recent sediments to understand the carbon cycle, climate change, and ocean processes. In connection with petroleum studies, petroleum focused geochemists also examine the impact of petroleum on the geological environment. Geochemistry also examines other pollutants in geological systems, such as metabolites formed from the degradation of hydrocarbons. Organic geochemistry analytical techniques, such as GC MS, allow chemists to determine the intricate effects of organic metabolites and human derived waste products on the geological environment. Of specific concern are the human derived pollutants stemming from agricultural work. The use of animal manure, in combination with general municipal and sewage waste management, has changed many physical properties of the agricultural soil involved and the surrounding soils. Organic geochemistry is also relevant to aqueous environments. Pollutants, their metabolites, and how both enter bodies of water are of particular importance in the field. This organic matter can also be derived from geological processes in or near bodies of water, similarly influencing nearby lifeforms and protein production. Fluorescence spectroscopy has been introduced as a technique to examine organic matter in bodies of water, as dissolved organic matter is typically fluorescent. The study of organic geochemistry also extends to the atmosphere. Particularly, geochemists in this field study the makeup of insoluble material in the lower atmosphere. They have defined certain consequences of organic aerosols including physiological toxicity, direct and indirect climate forcing, smog, rain acidification, and incorporation into the natural carbon cycle.