第三章有机质的产生、聚集及生物圈的演化

第三章
有机质的产生、聚集及生物圈的演化
第二节 生物圈的演化图（据钟宁宁、秦勇等，1995）
第三章
有机质的产生、聚集及生物圈的演化
第二节 生物圈的演化
主要生物类型
根据蒂索等对生物圈的演化过程与 地球的地质历史相关性的研究认为，从 前寒武纪到泥盆纪，有机物质的主要来 源是海洋浮游植物。从泥盆纪开始，所 增加的主要来源是陆地高等植物。从数 量上看，形成沉积有机质的四种最重要 的生物是：浮游植物、浮游动物、高等 植物和细菌。
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有机质的产生、聚集及生物圈的演化
第二节 生物圈的演化
主要生物类型
2、细菌
细菌和藻类一样，也是生物界的先驱者，而且又是 地球上分布最广、繁殖最快的一种生物。细菌的生活 能力很强，它可以在温度和压力变化很大的条件下发 育，可以在咸水、淡水、近代沉积物和古代沉积岩中 大量繁殖，在生理学方面示出巨大的适应性和多变性。 细菌可以是自养的、异养的或两者兼有的；按其生活 习惯可以有喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。
约为16.9×1015t，两者的比例约为2.64。这一比值与CO2 中氧碳 的质量比值2.66(=O2/C=32/16)是相近的。这种平衡计算可能表明， 大多数未结合在碳酸盐岩和硅酸盐中的氧确系由光合作用产生的。 同时也说明，有机碳主要是CO2经光合作用而固定的。因此，古代 沉积物中有机碳是和古大气圈中的含氧量有关的。 根据Schopf等（1965）对古老岩石中有机质的研究，Tissot 等（1978）推断，大约在2000Ma以前，有机质光合作用的产物已 明显遍及全世界，使还原大气圈逐渐向氧化性转变。正是光合作 用，才使有机质大量产生。随着光合作用的进行与发展，生物界 生生不息，其数量和种类越来越多。
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有机质的产生、聚集及生物圈的演化
第二节 生物圈的演化 3、浮游动物
主要生物类型
生物进化过程中的食物链，使异氧的浮游动物的存在与分布 和自氧的浮游植物密切相关。在高产率的浮游植物区，浮游动物 也相当发育（Bogoror和Vinogradov，1960）。这种关系在前寒 武纪浮游动物出现时就已存在，例如单细胞的纺锤虫和放射虫、 软体动物和节肢动物等都是这种情况。在浮游植物发育的高峰期 早古生代，大量发育着三叶虫、笔石等浮游动物。晚侏罗世大量 出现浮游的纺锤虫也与当时大量发育的浮游植物相伴随，它的数 量受浮游植物产率的控制。由于在食物链上，食物消费者的产率 不可避免地远远低于食物提供者，因此，浮游动物的产率及其对 有机质沉积的贡献远远低于浮游植物，而且越往高等动物，产率 和贡献越小。但低等浮游动物的数量较大，而且其繁殖率高，因 而对形成沉积有机质有一定的贡献。
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主要生物类型
4、高等植物
高等植物发育在陆地。它所产生的有机碳的数量与水生生物 大致相当。根据Huc(1980）估算，海洋浮游生物产生的有机碳 约 有 1.5×1010 ～ 7.0×1010t/ 年 ， 陆 地 高 等 植 物 产 量 为 1.4×1010 ～7.8×1010t/年。地史上的高等植物出现时期较晚。 志留纪以前，陆地只有少量的低等植物，志留纪沉积物中才出现 高等植物的残体，从泥盆纪开始植物残体才普遍存在于沉积岩中。 高等植物虽然产率高，但由于发育在陆地，保存相对较难， 故它对有机质沉积，尤其是对作为主要成油母质的分散有机质沉 积的贡献应该低于浮游植物，也可能低于细菌。但它可以富集保 存后演化为煤层，而煤往往是优质气源岩。
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有机质的产生、聚集及生物圈的演化
通过油气成因理论的讨论我们知道，石油 和天然气是沉积物（岩）中的沉积有机质形成 的。而沉积有机质来源于天然有机质，天然有 机质源于各种生物体及其生命活动的产物，即 有机质是地壳上巨大的有机矿产的最原始来源。 为了揭示油气生成的过程和机制，需要研究有 机质及合成有机质的生物的演变及其活动规律。 本章主要简述生物有机质的产生、有机碳的循 环和生物圈的演化特征。
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光合作用
在大约4000Ma以前，即当水在地球 表面成为普遍物质以前，大量的生物是 不可能存在于地球上的。在元古代时期， 大气圈呈还原状态，无游离氧存在，而 是含有H2、CH4、N2和H2O。大约在3000Ma 前，地球上首次出现了原始生物的时候， 它们可能利用了非生物作用所产生的有 机分子作为新陈代谢的能量来源。因此， 最早出现的生物应该是异养生物，但异 养生物不可能以这种方式大量繁殖。到 这些异养生物将通过非生物作用所产生 的有机质几乎全部消耗尽的时候，光合 作用则发展成为第二种能量的来源。
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第三节 有机碳的循环
有机圈的概念
有机圈即生物及其产生的有机质分布的空间。它不 仅包括生物圈，而且包括沉积岩石圈。生物圈仅指活 的生物分布的空间。有机圈还包括生物死亡以后，有 机质沉积、埋藏和分布的空间，即沉积岩石圈。这样， 有机圈实际上包括生物体活动和有机质演化的场所。 生命活动、有机质沉积作用、有机质埋藏作用和石油、 天然气、煤等有机矿产的形成作用都是在有机圈中发 生和进行的自然过程。
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第二节 生物圈的演化
主要生物类型
1、浮游植物
大约在2000Ma以前的前寒武纪，主要是蓝绿藻和 进行光合作用的细菌产生有机碳。经过寒武纪、奥陶 纪、志留纪，各种海相的浮游生物、细菌和蓝绿藻仍 是有机碳的主要来源，直到中泥盆世陆地植物才出现。 作为自养生物，浮游植物的繁殖率很高，加上适宜其 发育的水体面积广，因此其产率高且总量大，它可能 是世界上有机碳的第一大来源。
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第二节 生物圈的演化
生物圈的演变特征
第四个特征是从水生发展到陆生。最初的生命 产生于水中，而且在很长时期内仅停留在水中。 直到奥陶纪，陆地淡水中才开始出现鱼形动物， 志留纪开始出现陆生高等植物，到泥盆纪，各 种类型的陆地植物才普遍繁殖。 最后，人类的出现是生物演化的最重要的特征。
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第二节 生物圈的演化
生物圈的演变特征
其次，生物的演化是从原核到真核以及此后从无性生 殖到有性生殖的发展。从原核到真核是生物由简单到 复杂的转折点。一切高等的多细胞生物都是以真核细 胞为基本单元的。真核生物的发育推动了生物的其它 三大进化： （1）有性生殖的出现，大大提高了生物的变异性和 适应性；（2）动植物的分化，形成动、植、菌三级 生态系统； （3）从单细胞到多细胞的发展，使生物机体复杂化。
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第一节
第二节 第三节 第四节
光合作用
生物圈的演化 有机碳的循环 不同环境的生物产率
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第一节
光合作用
有机质是形成地壳上有机矿产最原始的物质，而光合作用是 造成地球上产生大量有机质的基本过程。光合作用是细菌或绿 色植物通过叶绿素利用光能将CO2 和H2O转化成有机物质的过程： 光能hv 6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O 叶绿素
在地球的历史发展过 程中推测的与生命演 化有关的重要事件 （Tissot等，1978）
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光合作用
在这个过程中，能够利用阳光作为另一种能源的自养生 物能够独立生活，从而避免了食物的短缺。某些从光合细菌 演化出的蓝、绿藻可能是第一个产氧的生物，随着生物的演 化，自养的、进行光合作用的生物群超过了异养生物群，并 且逐渐在生物界占了优势。如前所述，大约在2000Ma以前， 光合作用作为一种全球性的现象出现，为食料的供给和高等 形式的生命演化奠定了基础。此后地球的大气圈慢慢变成了 氧化环境，即出现了游离的分子氧。由于在地球的大气圈中 出现了游离的分子氧，就改变了整个地球的生态环境，对只 适应无氧环境的原生生物起一定的破坏作用，通过变异和选 择，生物进化到有氧呼吸，使生物的代谢系统发生质的飞跃， 就大大提高了新陈代谢的效能，为生命的发展提供了极有利 的条件，从此以后生物界便开始了大量繁衍，从而为油气母 质的形成提供了基础。
多糖及其它有机物质 即利用阳光的能量将水分解，其中的H用于还原CO2，产生葡萄 糖，将无机碳转化为有机碳，而O2被游离出来。自氧生物从葡 萄糖教进一步能够合成多糖及其它有机物质。因此光合作用 的实质是将光能转变为有机物质的化学能。
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光合作用
据估算，地球上总有机碳的量约为6.4×1015t，总游离氧的量
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第三节 有机碳的循环
在自然界中，元素和物质的运动常常具有循环的 特性，碳元素也不例外。在光合作用将无机碳转化成 有机碳的同时，也有一些过程将有机碳转化为无机碳， 从而构成了有机－无机碳的循环和平衡。为了研究沉 积物（岩）中各种有机矿产的形成，包括石油和天然 气矿产的形成，许多研究者研究了碳的地球化学循环， 并发现，石油与天然气的形成只不过是这种循环的一 个组成部分。正是碳的循环结果，不断地为沉积有机 质提供了来源。为了了解碳的循环，首先引入有机圈 的概念。
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第二节 生物圈的演化
生物圈的演变特征
第三个特征就是动、植物的分化，也是生物系和生态 系统上的最大演变。从此以后，生物进化在植物、动 物和菌类三级系统的基础上进行。最早原始动物的出 现大约在1000Ma前，进入古生代，动物化石数量突然 惊人地增加，包括腕足类、腹足类、三叶虫等达1200 多种，生命演化到了相当高级的程度。
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第二节 生物圈的演化
我们知道油气及其前身物（干酪根和沥 青）在最古老的震旦系沉积岩中就已经存在， 当时仅发育原始的原生生物，随着地质历史 的演化，生物界也经历了由低级到高级、由 简单到复杂、由单一到多样的演化过程。生 物圈的不断繁衍，使不同种类生物可提供不 同类型的生油原始物质，从而生成不同性质 的油气。因此，研究不同地质历史时期油气 的形成，必须考虑生物圈的演化。