Формирование органических веществ

Геохимический круговорот углерода теснейшим образом связан с жизнью в зоне экзогенеза и идёт двумя путями. Первый путь заключа­ется в фиксации карбонатных ионов ионнами металлов как с участием, так и без участия организмов. Это приводит к формированию мощных толщ кар­бонатных пород – известняков, доломитов, мергелей и илов Мирово­го океана. Второй путь связан с фиксацией углерода в процессе фото­синтеза.

В тканях растений и животных рождается множество сложных соединений углерода, лежащих в основе жизни. Судьба остатков жи­вотных и растений в зоне экзогенеза связана с различными типами химических реакций, характеристика которых даётся ниже.

Аэробный распад происходит в присутствии свободного кис­лорода и является процессом, как бы обратным фотосинтезу. Конеч­ными продуктами его являются СО₂ и Н₂О. Гниение, дыхание и горение дают, в конце концов, общие продукты.

Анаэробный распад протекает при отсутствии или малом коли­честве свободного кислорода. Этот процесс более сложный. Он представляет собой особый вид внутреннего час­тичного «сгорания углерода». Кислород, присутствующий в первичных орга­нических соединениях, связывается с углеродом, давая СО. Оставшийся углерод образует преимущественно углеводо­роды.

Направление анаэробного спада зависит от многих факто­ров: от состава исходного материала, его структуры, запаса свобод­ной энергии, температуры, видов присутствующих бактерий. Кроме того, большинство органических веществ неустойчиво по своей внут­ренней природе. Как отмечал химик-органик и философ Ю. А Жданов, в орга­нических молекулах всегда находятся углеродные атомы, заряженные противоположно, и углеродсодержащие радикалы полярнопротивоположной природы. На основании термодинамических расчётов свободных энер­гий ряда органических соединений, показано, что эти атомы и радикалы неустойчивы в условиях окислительной, восстановительной и гидролитической среды. Все погребённые органические вещества горных пород должны рассматриваться как метастабильные соединения, существующие в больших скоплениях только в определённых условиях.

Восстановление приводит к тому, что содержание кислорода в органических соединениях убывает, а водорода возрастает.

В природных условиях протекает также полимеризация. Она за­ключается в том, что большие молекулы вначале распадаются на малые, а затем объединяются. Так, в растениях шестиуглеродные мо­лекулы сахара – глюкозы соединяются, образуя крахмал и целлюлозу. Аминокислоты связываются в длинные полипептидные цепи протеинов (простых белков). Возможно, что часть нефтяных компонентов возникает в результате дигидрирования и полимеризации низкомолекулярных углеводородов, например, этанола по схеме:

С₂Н₆ + С₂Н₆ → С₄Н₁₀ + Н₂.

Побочным продуктом этого процесса является водород. Противоположные процессы представляют собой деполимеризацию.

После отмирания организма комплекс соединений углерода становится неустойчивым и подвергается быстрому окисле­нию в условиях земной поверхности и водоёмов с открытой циркуля­цией. Накопление органических веществ происходит преимущественно в восстановительных условиях в форме ископаемых углей, горючих сланцев, нефти, а также в рассеянном состоянии среди многочислен­ных осадочных горных пород.

Угли и горючие сланцы являются продуктами жизнеде­ятельности растительных и отчасти животных организмов. Наиболее благоприятные условия для их образования создаются в обширных прибрежно-морских, прибрежно-озёрных и межгорных низменностях, где образуются торфяные болота и водоёмы со стоячей водой.

Накопление органической массы происходит либо в болотах в виде остатков наземных растений (гумусовые угли), либо в озёрах в виде остатков планктона и пыльцы (сапропелевые угли), либо в лагунах в виде мелководных органических илов (горючие сланцы). Выделяются три основные группы углей.

1. Сапропелиты – угли, возникающие в стоячих водоёмах из остатков фитопланктона, который в ходе сезонного отмирания опус­кается на дно и образует сапропели. Ископаемые сапропели обычно однородны с раковистым изломом. Среди сапропелитов выделяют богхеды, состоящие из неразложившихся водорослей, сапроколиты, для которых характерно сильное разложение водорослевой структуры, и кенели – сапропелиты со значительной примесью оболочек спор и гуминовых веществ.

2. Гумиты – угли, образовавшиеся из остатков наземных расте­ний.

3. Липтобиолиты – остаточные угли, возникшие из наиболее устойчивых растительных остатков – спор, кутикулы, смол. Сапропелиты с высокой зольностью (свыше 50 %) образуют горю­чие сланцы, которые первоначально накапливаются преимущественно в морских прибрежных водоёмах.

В целом формирование углей – сложный процесс, в котором выделяют два этапа.На первом этапе накапливается материнское вещество углей с пос­ледующим разложением и превращением растительных остатков под влиянием преимущественно биохимических процессов.

На втором этапе углистое вещество перекрывается толщей осадоч­ных пород и углефицируется. Углефикация заключается в увеличении содержания углерода и уменьшении кислорода и летучих. Основным компонентом материнского вещества углей являются целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_n и лигнин – примерный состав (C₁₂H₁₈O₉)_n. В процессе углефикации они теряют водород и кислород с последующей относительной концентрацией углерода (табл. 11).

Таблица 11