Formación y diagénesis de materia orgánica sedimentaria.
La materia orgánica sedimentaria se refiere a las secreciones y excreciones de diversos restos biológicos y su metabolismo biológico que ingresan al sedimento directa o indirectamente, o quedan enterrados mediante biodegradación y sedimentación. en sedimentos, o por condensación para formar nuevos compuestos orgánicos y sus derivados.
La materia orgánica que ingresa al sedimento incluye: ① Materia orgánica in situ de organismos inferiores y plantas superiores; los principales componentes orgánicos de los organismos incluyen lípidos, proteínas, carbohidratos, lignina, etc. Cuando los organismos mueren, esta materia orgánica se descompondrá en diversos grados bajo diferentes condiciones redox. Algunos productos de la descomposición serán utilizados como energía por algunos organismos, participando así en el reciclaje del carbono orgánico en la biosfera. Otra parte de los productos de descomposición se convierte en pequeñas moléculas inorgánicas simples, como CO2 y H2 O, a través de reacciones físicas y químicas. El resto, en la mayoría de los casos sólo representa una parte muy pequeña de la masa biológica original, ingresa al sedimento para formar sedimentos. materia orgánica; (2) materia orgánica exógena formada por ríos, precipitaciones y viento; ③ materia orgánica "redepositada", transformada por diversos procesos y transferida desde rocas sedimentarias antiguas.
Existen dos tipos principales de materia orgánica en los cuerpos geológicos: una es la materia orgánica con alta estabilidad durante la diagénesis, como aminoácidos, ácidos grasos, porfirinas, pigmentos, etc.; durante la diagénesis y el metamorfismo generan materia orgánica como hidrocarburos, ácido húmico y querógeno. Entre ellos, la mayor parte de la materia orgánica recién generada ha perdido su identidad con los seres vivos. Los biopolímeros sufren una serie de reacciones, como la desaparición de grupos funcionales como los grupos carboxilo e hidroxilo, reacciones de hidrogenación, isomerización y escisión. Los productos de escisión forman configuraciones geoquímicamente estables mediante reordenamiento molecular y polimerización.
2. Preservación de la materia orgánica
En la mayoría de los casos, la materia orgánica del sedimento son principalmente los minúsculos residuos del fitoplancton. Los factores que afectan a la conservación de estos residuos son: entrada de materia orgánica en el flujo de material del sedimento, velocidad de sedimentación, tamaño de las partículas del sedimento y contenido de oxígeno (Henrich HS, 1993). El flujo de materia orgánica hacia el sedimento depende de la productividad biológica del agua superficial y de la profundidad del agua cubierta por el sedimento. La gran población de fitoplancton (algas y bacterias fotosintéticas) conocida colectivamente como fitoplancton es el principal productor de carbono orgánico en casi todos los ecosistemas marinos y otros ecosistemas de agua dulce. Después de que los organismos acuáticos mueren, son rápidamente consumidos por diversas bacterias y animales durante su descenso desde la zona fotosintética (generalmente 200 m) en la superficie del cuerpo de agua. Por lo tanto, cuanto más profunda es la masa de agua, menos materia orgánica contiene el sedimento que llega al fondo de la masa de agua. En aguas costeras, como deltas, bahías, estuarios y zonas marinas adyacentes, las plantas terrestres superiores son un componente importante de la materia orgánica de la zona.
El contenido de materia orgánica en los sedimentos es inversamente proporcional al tamaño de las partículas de los sedimentos. En primer lugar, la densidad de las partículas de materia orgánica es pequeña, y su caudal en el flujo de agua es muy lento, permitiendo que partículas muy pequeñas de materia orgánica se acumulen en el lugar donde se depositan; en segundo lugar, hay una cantidad considerable de materia orgánica adherida; A la superficie de las partículas minerales en el sedimento, por lo que las partículas minerales se vuelven más gruesas. Cuanto mayor es la superficie específica, mayor es el contenido de materia orgánica.
Mayer (1993) propuso que la materia orgánica adsorbida por partículas minerales es más difícil de disolver que las partículas individuales de materia orgánica que no son adsorbidas, lo que significa que esta parte de la materia orgánica no es fácilmente consumida por los heterótrofos en el medio. sedimento, y puede conservarse, además, la permeabilidad de los sedimentos de grano fino es menor que la de los sedimentos de grano grueso. Cuanto menor es la permeabilidad, menor es el contenido de oxígeno disuelto en los sedimentos. El bajo potencial redox, especialmente el bajo contenido de oxígeno, es la condición más importante para la conservación de la materia orgánica. En definitiva, se conservan grandes cantidades de materia orgánica en los sedimentos, siempre que la cantidad de materia orgánica enterrada sea mayor que la cantidad oxidada. La cantidad de oxidación depende de la velocidad de sedimentación, la bioturbación, la dispersión y la profundidad del agua suprayacente. Cuando la cantidad enterrada de carbono orgánico excede la cantidad de oxidación, el oxígeno eventualmente se consumirá por completo, lo que provocará que el medio ambiente entre en un estado reductor y finalice la respiración biológica aeróbica. Esto puede ocurrir en los sedimentos o en la propia masa de agua. En los océanos modernos, es muy raro que las masas de agua profundas se vuelvan anóxicas. De hecho, la mayoría de las zonas de aguas profundas no tienen deficiencia de oxígeno, ni siquiera en los sedimentos. La hipoxia ocurre sólo en unas pocas cuencas, como la del Mar Negro, donde la circulación de aguas profundas está restringida. Sin embargo, las condiciones anóxicas parecen haber sido más comunes durante ciertos períodos de la historia geológica, como el Cretácico, cuando la circulación oceánica era diferente a la actual. La hipoxia puede ser más común en muchos lagos, que son más ricos en nutrientes que los ambientes de mar abierto.
Es controvertido si se requiere un ambiente anóxico para la preservación de grandes cantidades de materia orgánica en los sedimentos.
Calvert et al. (1992) observaron que los sedimentos de cuencas aeróbicas y anóxicas tienen contenidos de carbono orgánico similares. También observaron que los niveles de descomposición de la materia orgánica marina son similares en condiciones aeróbicas y anóxicas. La materia orgánica terrestre se descompone en menor medida bajo reducción de sulfato.
3. Diagénesis de sedimentos marinos
El concepto biológico de diagénesis orgánica se refiere principalmente a los cambios en los componentes orgánicos en los sedimentos recién depositados. De hecho, a medida que la materia orgánica viaja a través del cuerpo de agua, bajo la acción de diversos animales y bacterias, comienzan cambios en la composición de la materia orgánica antes de que llegue al sedimento. Por supuesto, una parte importante de la materia orgánica que llega a la superficie del sedimento son partículas de excremento de todos los animales, incluido el zooplancton e incluso las ballenas. Una vez que la materia orgánica alcanza la superficie del sedimento, continúa descomponiéndose y la posterior acumulación y entierro de sedimento finalmente separa la materia orgánica del cuerpo de agua. La cantidad de materia orgánica depositada aquí debería ser suficiente para consumir oxígeno y poder acumular la materia orgánica.
Una gran cantidad de materia orgánica en los sedimentos existe en forma sólida, y sólo una pequeña cantidad de componentes disueltos se convierte en la principal fuente de nutrientes microbianos. Por lo general, un organismo no puede descomponer completamente las macromoléculas orgánicas complejas. Debido a que es imposible para cualquier organismo secretar todas las enzimas necesarias para la descomposición de macromoléculas orgánicas, la descomposición de macromoléculas orgánicas requiere flora bacteriana. En una mayor descomposición, se consume parte de la energía, se producen basura y se forman moléculas orgánicas más pequeñas. . De esta manera, las proteínas, los carbohidratos y los lípidos se descomponen en aminoácidos, azúcares simples y ácidos grasos de cadena larga. Estas pequeñas moléculas se descomponen mediante bacterias de fermentación en ácido acético y otros ácidos carboxílicos de cadena corta, etanol, hidrógeno y CO2. . Finalmente, los metanógenos convierten los productos anteriores en metano. En el proceso, los restos de las propias bacterias se convierten en una parte importante de la materia orgánica sedimentaria. En las comunidades biológicas, cada paso en la oxidación de la materia orgánica conduce a la interdependencia entre diferentes poblaciones bacterianas. Por ejemplo, muchas bacterias dependen de los excrementos "basura" de otras bacterias para sobrevivir. En los sedimentos también existen relaciones de interdependencia entre diferentes comunidades biológicas. Por ejemplo, las bacterias anaeróbicas dependen del ambiente anóxico creado por las bacterias aeróbicas. Las sustancias reductoras, como el sulfuro, el amoníaco, el metano, etc., son productos excretados por bacterias anaeróbicas profundas. Se difunden hacia la zona de oxidación y son oxidadas por diversas bacterias fotosintéticas, quimiosintéticas y oxidantes de metano.
Así, las moléculas orgánicas simples, como los aminoácidos, los azúcares y los ácidos carboxílicos de cadena corta, pueden ser descompuestas rápidamente (en el intervalo de días a semanas) por las bacterias; como polisacáridos y ácidos grasos, que tardan meses o años en descomponerse (Henrich HS, 1993). Algunos compuestos, especialmente la materia orgánica con estructuras celulares como las algas, tienen la capacidad de resistir la descomposición bacteriana y, por tanto, se conservan. La materia orgánica procedente de plantas superiores en diferentes localizaciones es también un componente importante de la materia orgánica rica en compuestos aromáticos en los sedimentos de ambientes costeros. Se pueden conservar pequeñas cantidades de compuestos volátiles. Incluso en sedimentos más antiguos, aunque las bacterias han descompuesto en gran medida la materia orgánica, todavía puede haber pequeñas cantidades de compuestos orgánicos volátiles. Estas moléculas se conservan porque están en un ambiente pequeño protegido por enzimas bacterianas. Estas moléculas volátiles están envueltas en estructuras resistentes a la descomposición (como esporas y polen) y se conservan. La materia orgánica se adsorbe en la superficie de las partículas minerales inorgánicas y además tiene cierta resistencia a la descomposición. Las moléculas orgánicas adsorbidas en la superficie de partículas minerales inorgánicas no se ven fácilmente afectadas por las enzimas, y las moléculas orgánicas envueltas parcial o totalmente en los microporos de la superficie sólida pueden protegerse mejor. Asimismo, la materia orgánica proteica de las cáscaras de carbonato se conserva en cierta medida al estar protegida de las enzimas bacterianas.
4. Diagénesis de los sedimentos continentales
La diagénesis de los sedimentos continentales es generalmente similar a la de los sedimentos marinos. La mayor parte de los detritos orgánicos en ambientes de agua dulce provienen de plantas, y menos del 10% proviene de animales. La principal diferencia entre la diagénesis lacustre y marina es el bajo contenido de sulfato en los ambientes lacustres. El sulfato es un importante agente oxidante. En el proceso diagenético temprano, el azufre puede combinarse con moléculas orgánicas (principalmente lípidos), y este proceso se denomina "sulfurización natural". Debido al bajo contenido de azufre del agua dulce, la zona de reducción de sulfato es muy limitada y es difícil que se produzca el proceso de sulfuración. En los grandes lagos, una gran cantidad de materia orgánica que llega a los sedimentos proviene de fuentes in situ (es decir, es producida por el propio lago, principalmente fitoplancton), pero las plantas terrestres a menudo también contienen materia orgánica de diferentes lugares, convirtiéndose en materia orgánica. en sedimentos de agua dulce.
Las plantas superiores que crecen en cuerpos de agua son también la principal fuente de materia orgánica. Por ejemplo, en pantanos y humedales, las plantas superiores que se originan in situ son dominantes. Las plantas superiores son más ricas en compuestos aromáticos que las algas. Se trata de compuestos aromáticos muy estables como la lignina, los taninos, las resinas y el corcho. Todos proceden de plantas superiores y son muy resistentes a la descomposición bacteriana, por lo que son más fáciles de conservar en los sedimentos.
El carbón se forma por la compactación de sedimentos en la turba, un ambiente de humedal pantanoso. A diferencia del petróleo, que contiene sólo un pequeño porcentaje de materia orgánica, la roca madre a partir de la cual se forma el carbón tiene un alto contenido de materia orgánica. En los ambientes sedimentarios modernos ricos en materia orgánica, el contenido de turba es el resultado de una combinación de factores. El primero es la productividad biológica. Los humedales suelen caracterizarse por una alta productividad biológica y, por tanto, elevados flujos de materia orgánica transportada a los sedimentos. El segundo son las condiciones hidrológicas. La turba se forma en un ambiente de suelo saturado de agua, lo que impide que el oxígeno ingrese al sedimento, de modo que el sedimento debajo de la interfaz del agua se convierte rápidamente en un ambiente anóxico. El tercero es una gran cantidad de ácidos orgánicos disueltos, que pueden formarse por descomposición, y el resto lo secretan musgos y bacterias. Estos ácidos orgánicos reducen el valor del pH del medio ambiente e inhiben la capacidad de descomposición de las bacterias. El cuarto tipo es el biotipo. En el ambiente mencionado anteriormente, los principales productores son briofitas y diversas plantas. Estos organismos contienen cantidades relativamente altas de compuestos aromáticos. Los compuestos aromáticos son más resistentes a la descomposición que los compuestos alifáticos que predominan en algas y bacterias.
5.Varias reacciones químicas importantes en la evolución térmica de la materia orgánica sedimentaria
La materia orgánica en los cuerpos geológicos es una mezcla orgánica compleja compuesta por una variedad de compuestos orgánicos. Bajo la acción de diversas fuerzas geológicas, se producirán una serie de reacciones químicas, que incluyen principalmente los siguientes aspectos.
(1) Reacción de descomposición
En la etapa temprana de la diagénesis, después de que los animales y las plantas mueren, sus restos comienzan a descomponerse bajo la acción de enzimas autolíticas presentes en los tejidos, y luego bacterias y otros microorganismos participan y completan el proceso de descomposición, destrucción y mineralización. La respiración microbiana es la principal causa de descomposición de la materia orgánica sedimentaria. La descomposición puede ocurrir tanto en ambientes aeróbicos como anaeróbicos. La descomposición aeróbica es una oxidación biológica con oxígeno molecular como aceptor final de hidrógeno. Los productos finales son CO2 y H2 O. Los microorganismos aeróbicos como Bacillus, Rhizobium, Azotobacteria, Actinomycetes y mohos se obtienen mediante descomposición aeróbica. La descomposición anaeróbica es un proceso de oxidación biológica en un ambiente sin oxígeno atmosférico. Como aceptor de hidrógeno y electrones, no se trata de oxígeno libre, sino de sustancias inorgánicas como, etc. Los microorganismos anaeróbicos como los metanógenos y el Desulfovibrio obtienen energía mediante descomposición anaeróbica. La fermentación es una oxidación sin un aceptor de electrones externo. Durante la glucólisis, distintas partes de una misma molécula orgánica sirven como donadoras y aceptoras de electrones e hidrógeno, respectivamente, por lo que la oxidación es incompleta y la energía producida es baja.
(2) Reacción redox
La reacción redox es un tipo común de reacción química importante en la formación y descomposición de materia orgánica. La fotosíntesis es una reacción redox. Generalmente, la adición de oxígeno o deshidrogenación a moléculas orgánicas se denomina reacción de oxidación, y la adición de hidrogenación o desoxigenación se denomina reacción de reducción. Por ejemplo:
CH3CHOHCOOH (ácido láctico) → ch3cooh (ácido pirúvico) + 2h + 2e
(3) Reacción de adición
Las moléculas orgánicas contienen doble insaturado. El doble enlace se rompe durante la reacción y se agregan nuevos átomos o grupos a los átomos de carbono en ambos extremos del enlace insaturado original para formar un compuesto orgánico saturado. Por ejemplo:
RCH=CH2+H2 →RCH2—CH3
(4) Reacción de condensación y reacción de polimerización
Normalmente, cuando moléculas orgánicas del mismo o se combinan diferentes moléculas En el proceso de combinación de compuestos, hay una reacción para eliminar compuestos moleculares pequeños como H2O y HX, lo que se llama reacción de condensación. La reacción en la que compuestos de bajo peso molecular (monómeros) se combinan para formar compuestos de alto peso molecular (polímeros) se llama polimerización. En términos generales, la polimerización es una reacción en la que uno o más monómeros orgánicos con dos o más grupos funcionales se condensan entre sí para formar un polímero y, al mismo tiempo, precipitan compuestos de pequeño peso molecular como agua, nitrógeno y alcohol. La polimerización se realiza a través de grupos orgánicos activos (-COOH, >; C=O, -OH, -NH2, etc.) (Figura 8-18).
Figura 8-18 Polimerización y despolimerización de sacarosa
(5) Reacción de despolimerización
El proceso de dividir moléculas grandes en moléculas pequeñas se llama despolimerización. el proceso inverso de agregación. Por ejemplo, los almidones se descomponen en azúcares simples y las proteínas se descomponen en aminoácidos. Por ejemplo, la glucosa y la fructosa se deshidratan y se condensan para formar sacarosa, mientras que la hidrólisis de la sacarosa en glucosa y fructosa es una reacción de despolimerización (Figura 8-18).
La despolimerización de hidrocarburos de cadena larga mediante calor o un catalizador a menudo se denomina craqueo.
6. Varios cambios importantes en la materia orgánica durante la diagénesis.
Durante el proceso diagenético que involucra a las bacterias, los cambios en la materia orgánica se pueden resumir como:
1) Los grupos funcionales como los grupos carboxilo e hidroxilo se separan preferentemente de la molécula original.
2) Disminuye la abundancia de materia orgánica propensa a cambios metabólicos. El contenido de componentes extremadamente inestables, como los ácidos nucleicos y los aminoácidos, disminuye rápidamente, seguidos por los carbohidratos, especialmente los simples y los carbohidratos (como el almidón), que se destruyen más fácilmente que los carbohidratos con estructuras especiales (celulosa).
3) Debido a la reacción de hidrogenación del carbono con doble enlace, el contenido de hidrocarburos insaturados es menor que el de hidrocarburos saturados.
4) En comparación con los compuestos aromáticos, el contenido de compuestos alifáticos es reducido. Por un lado, se debe a la aromatización de los ácidos grasos insaturados y, por otro lado, a la estabilidad de los compuestos aromáticos.
5) En comparación con las moléculas orgánicas de cadena larga, el contenido de moléculas de cadena corta (alcanos y ácidos grasos) es reducido.
6) La hidrólisis de moléculas complejas produce una serie de fragmentos moleculares, que luego se combinan con otras moléculas para producir algunas moléculas orgánicas nuevas.
7) En entornos de sedimentos marinos con alto contenido de azufre, el H2S (producido por bacterias reductoras de azufre) se combina con compuestos orgánicos de doble enlace de cadena larga, como los isoprenoides, para producir grupos funcionales tiol. Estos grupos funcionales forman luego moléculas orgánicas con estructuras cíclicas y finalmente grupos feniltio aromáticos. Este proceso es la vulcanización natural.
8) Muchas moléculas y fragmentos moleculares se condensan para formar macromoléculas más complejas.
El principal producto de estos procesos es el kerógeno, que es una mezcla compleja de compuestos orgánicos en sedimentos, principalmente desechos orgánicos.