Các số liệu về hyđrocacbon thơm nhiều vòng của trầm tích hồ Greifenee vμ Lake Washington

C xác định bởi Horie (1971 ).

10.8.5Các số liệu về hyđrocacbon thơm nhiều vòng của trầm tích hồ Greifenee vμ Lake Washington

29 B trên hình 10.31, ở độ sâu 6,4m của lỗ khoan Giá trị CPI lớn (Bray vμ Evans,

10.8.5Các số liệu về hyđrocacbon thơm nhiều vòng của trầm tích hồ Greifenee vμ Lake Washington

Greifenee vμ Lake Washington

Greifensee vμ Lake Washington lμ các hồ nằm trong vùng ôn đới cùng đã trải qua các thay đổi t‡ơng tự tr‡ớc thời kỳ đóng băng về thực vật trên l‡u vực vμ các hoạt động sản xuất trong 14 Kya đã qua. Thμnh phần PHA trong trầm tích của hai hồ vừa t‡ơng tự nhau vμ khác nhau về nguồn đầu vμo. Trong trầm tích cả hai hồ các PHA tăng rõ rμng về hμm l‡ợng vμ mức độ phức tạp từ năm 1900 (Hình 10.34).

Hình 10.34: Hμm l‡ợng của tổng hyđrocacbon thơm nhiều vòng lắng đọng ở các thời gian khác nhau trong trầm tích hồ Greifensee, Thuỵ Sĩ vμ hồ Washington. Cả hoạt động tăng c‡ờng sói mòn vμ ô nhiễm trên l‡u vực đều lμm tăng gấp từ 50 đến 100 lần hμm l‡ợng trong các trầm tích hiện đại.

Những thay đổi nμy phát sinh từ các PHA có nguồn gốc lμ sự kết hợp tμn d‡ dầu hoả chảy ra từ đ‡ờng phố trong l‡u vực hồ vμ sản phẩm của các vụ cháy đ‡ợc chuyên chở bằng đ‡ờng hμng không bị rơi ra trên đ‡ờng vận chuyển (Wakeham, 1980). Cả hai nguồn nhân tạo nμy đều tăng trong thế kỷ vừa qua, vμ áp đảo đóng góp của các PHA có nguồn gốc sinh học tự nhiên.

Những khác nhau tự nhiên trong quần thể sinh vật của hai hồ cũng tác động đến thμnh phần PHA trầm tích của hai hồ nμy. Trầm tích hồ Lake Washington chứa hμm l‡ợng lớn retene, trong khi ở trầm tích hồ Greifensee chứa không đáng kể loại thuộc dẫn xuất của axit abietic nμy (Wakeham, 1980). T‡ơng tự,

pimanthren, đ‡ợc cho lμ có nguồn gốc từ axit pimaric có trong nhựa thông, vμ một số l‡ợng lớn các hyđrocacbon triterpenoid có nguồn gốc từ amirin d‡ thừa trong trầm tích hồ Lake Washington, nh‡ng không có trong hồ Greifensee. Những khác nhau nμy phản ánh sự d‡ thừa của cây có quả hình nón xung quanh hồ Lake Washington nh‡ng không có ở xung quanh hồ Greifensee (Hình 10.31 vμ 10.33). Tính đối lập nμy có thể cho thấy các loại cây khác nhau trên l‡u vực, vμ do đó nguồn gốc của perylene biến đổi nhiều hơn xung quanh hồ Greifensee hơn xung quanh hồ Lake Washington.

10.9 Số liệu về tính chất địa hoá học của hợp chất hữu cơ trong các hồ cổ

Mặc dù phần chính của hợp chất hữu cơ tạo ra bởi quá trình sinh tổng hợp bị khoáng hoá lại hoặc phân hủy trong quá trình chìm lắng vμ giai đoạn đầu trầm tích xuống hồ, một phần nhỏ không chịu tác động của một trong hai quá trình trên bị chôn vùi trong các lớp trầm tích d‡ới sâu. Nếu các lớp trầm tích trở thμnh một phần đủ dμi số liệu địa chất, thì thμnh phần hợp chất hữu cơ của chúng có thể cung cấp lịch sử tổng hợp của quá trình sản xuất sinh học d‡ới hồ vμ các điều kiện lắng đọng kéo dμi hμng nghìn năm vμo quá khứ. Cả dấu hiệu về đồng vị của hoạt động phân giải hợp chất hữu cơ lẫn việc bảo tồn một số thμnh phần mang dấu vết sinh học đều ghi lại thông tin về quần thể sinh vật cũng nh‡ điều kiện môi tr‡ờng trong quá khứ.

Hai trầm tích hồ cổ lắng đọng đặc biệt có giá trị cung cấp thông tin do chúng giμu thμnh phần hợp chất hữu cơ - đá phiến sét Messel, Đức vμ đá phiến sét Green River, Wyoming, Utah, vμ Colorado. Cả hai loại nμy đ‡ợc tạo ra ở kỷ Ecoxen (58 Mya đến 36 Mya). Đá phiến Messel lắng đọng trong thời gian t‡ơng đối ngắn cách đây 47 Mya ở đáy của một hồ thiếu dinh d‡ỡng. Sự hình thμnh của Green River bao gồm một số giai đoạn, mỗi giai đoạn đại diện cho một quá trình phát triển khác nhau của lớp trầm tích hồ dμy 6 km. Toμn bộ quá trình hình thμnh của Green River bao gồm ba hồ chính, khác nhau về kích th‡ớc, độ sâu trong quá trình tồn tại của hệ thống hồ nμy. Trong các khoảng thời gian mμ điều kiện thiếu oxi phổ biến, vμ các trầm tích giμu cacbon hữu cơ đ‡ợc lắng đọng. Hai ví dụ nμy minh hoạ một số thông tin về cổ hồ đạt đ‡ợc từ các hợp chất hữu cơ trong trầm tích cổ.

Các porphyrin lμ các sản phẩm biến đổi có nguồn gốc từ các chlorophill của cây vμ từ hồng cầu trong máu động vật. Chúng đ‡ợc tìm thấy rộng rãi trong các đá trầm tích cổ. Thμnh phần cacbon của chúng bao gồm hầu nh‡ toμn bộ chuỗi tetrapyrrole (Hình 10.20) thừa h‡ởng từ nguồn ban đầu các hợp chất sinh học của chúng. Hiểu theo cách thông th‡ờng, thμnh phần đồng vị của các porphyrin đ‡ợc bảo vệ khỏi các ảnh h‡ởng biến đổi các chất, vμ chúng đ‡ợc cho lμ ghi lại chính xác nguồn gốc các hợp chất hữu cơ dựa trên dấu hiệu đồng vị cacbon. Các đo đạc đồng vị cacbon thực hiện trên porphyrin lấy từ đá phiến sét Messel cho giá trị P

13P P C trung bình lμ -23,4P 0 P /B 00B (Hayes, 1987; Freeman, 1990).

Các porphyrin có nguồn gốc từ chlorophyll a, b vμ c dựa trên vị trí vμ cấu trúc mạch nhánh tetrapyrrole. Tỉ lệ đồng vị vμ các loại chlorophyll cho thấy rằng hợp chất hữu cơ trong trầm tích hồ nμy ban đầu đ‡ợc tổng hợp bởi sự kết hợp các loại tảo vμ hoạt động quang hợp của vi khuẩn, mặc dù d‡ thừa các nguồn hoá thạch có nguồn gốc từ đất vμ các dấu vết sinh học trong đá phiến sét. So với các loại tảo khác, quá trình sản xuất của tảo dinoflagellate đ‡ợc chứng minh bởi sự hiện diện của 4-metyl stanol. ý nghĩa của quang hợp vi khuẩn đó lμ chúng cho thấy vùng có ánh sáng của hồ lμ vùng thiếu oxi. Bằng chứng xa hơn về đóng góp quan trọng của vi khuẩn với hợp chất hữu cơ bị quanh hợp đối với cổ môi tr‡ờng Messel đ‡ợc đ‡a ra bởi một loạt các hopan thuộc họ tetraterpenoid vμ lycopane, nh‡ng không có E-caroten (Kimble, 1974).

Các carotenoid một vòng, chẳng hạn lycopene, đ‡ợc tìm thấy trong vi khuẩn quang hợp, nh‡ng chúng không phải lμ chất sắc tố chính trong các loại tảo. Bằng chứng địa hoá học của hợp chất hữu cơ về hoạt động quang hợp của vi khuẩn cho thấy rằng tầng bên trên của hồ lμ rất nông vμ đới có ánh sáng mở rộng xuống tầng phía d‡ới thiếu ánh sáng.

Kerogen lμ đ‡ơng l‡ợng trầm tích hoá đá của các chất mùn vμ kết hợp thμnh phần lớn các chất hữu cơ trong các đá cổ. Sự tái kết hợp vμ đặc lại của các phân tử sinh học nguồn ban đầu đ‡ợc cho lμ đóng góp vμo việc xây dựng đại phân tử kerogen. Sự kết hợp các thμnh phần vẫn còn mang dấu vết sinh học vμo trong kerogen có thể tăng c‡ờng khả năng bảo tồn chúng. Nghiên cứu về địa hoá học có thể tháo rời có chọn lọc đại phân tử nμy, tạo ra các phần mang dấu vết sinh học có thể nhận biết. Những phân tích nμy đã đ‡ợc thực hiện trên mẫu trầm tích đá phiến xanh Green River. Một số thμnh phần mang dấu vết sinh học đã đ‡ợc tách ra bao gồm porphyrin vμ các axit béo isopenoid (Burlingame vμ Simoneit 1968), các sterane (Gallegos, 1975), vμ các thμnh phần carotenoid hai vòng (Machihara vμ Ishiwatari, 1987).

Những chất mang dấu vết sinh học đã lấy đ‡ợc từ các phần khác nhau của trầm tích Green River, vμ do đó đại diện cho các môi tr‡ờng khác nhau trong lịch sử hồ. So sánh các axit no đơn chức lấy đ‡ợc từ trầm tích Green River bằng ph‡ơng pháp chiết vμ nhiệt phân kerogen bởi Kawamura cùng cộng sự (1986), cho thấy rằng sự kết hợp các axit béo vμo trong protokerogen trong giai đoạn đầu của quá trình kết hợp các chất đã tăng c‡ờng bảo tồn các thông tin về cổ hồ cung cấp bởi những thμnh phần mang dấu vết sinh học. Kerogen - một axit bị giới hạn có chỉ số CPI cao, cho thấy khả năng duy trì các đặc điểm sinh học của chúng (Bray vμ Evans 1961; Matsuda vμ Koyama, 1977), vμ có sự phân phối chiếm ‡u thế bởi CB

16:0Bđã ghi lại quá trình tổng hợp của vi khuẩn hoặc của tảo. Kimble cùng cộng sự (1974) thấy rằng tetraterpan chính trong sản phẩm chiết của trầm tích Green River lμ perhyđo-E-carotene. Hyđrocacbon nμy có nguồn gốc từ carotene một chất sắc tố có trong tảo (Bảng 10.5); sự chiếm ‡u thế của nó cho thấy quá trình quang hợp của tảo lμ nguồn gốc ban đầu của hợp chất hữu cơ tới hệ thống hồ cổ Green River. Giá trị đồng vị P

13

P

mang dấu vết sinh học lấy ra từ kerogen ở trầm tích Green River cũng đã chỉ ra rằng các sinh vật quanh tự d‡ỡng chịu trách nhiệm nhiều cho quá trình sản xuất hợp chất hữu cơ trong hệ thống trầm tích hồ cổ nμy (Collister, 1992). Tuy nhiên, một số thμnh phần mang dấu vết sinh học có giá trị P

13P P C xấp xỉ -80 P 0 P /B00B vμ giá trị v‡ợt quá nμy chỉ ra rằng các methannotroph cũng lμ đóng góp quan trọng vμo hợp chất hữu cơ.

Các thμnh phần hữu cơ tạo ra bởi vi khuẩn sử dụng hợp chất metan (CHB4B) của đồng vị cacbon nhẹ, lμ dạng biến đổi lần hai của hợp chất hữu cơ, tạo ra từ sự thay đổi sang điều kiện thiếu oxi vμ tái sinh của chất đã đ‡ợc tạo lần đầu bởi quá trình quanh hợp của hợp chất hữu cơ. Dẫn chứng về methanotrophy chứng minh rằng cổ môi tr‡ờng của hồ nμy đã trải qua các thời kỳ trong điều kiện thiếu oxi, mμ trong giai đoạn đó metan đ‡ợc tạo ra bởi vi khuẩn. Những giai đoạn nμy có lẽ do các thời kỳ tăng c‡ờng quang hợp trong hồ cổ vμ chúng đã lμm cho điều kiện bảo tồn hợp chất hữu cơ trong trầm tích hồ đ‡ợc cải thiện. 10.10 Tổng kết

Số liệu về hợp chất hữu cơ lắng đọng trong trầm tích chịu tác động bởi rất nhiều biến số khác nhau. Các sinh vật sống trong hồ vμ trên l‡u vực của nó lμ nguồn của hợp chất hữu cơ ban đầu đóng góp cho hệ thống hồ. Hoạt động phân giải những vật liệu nμy của vi khuẩn trong quá trình chìm lắng vμ giai đoạn đầu trầm tích đã lμm giảm rõ rệt tổng l‡ợng hợp chất hữu cơ đồng thời cũng thay thế rất nhiều thμnh phần ban đầu bằng các hợp chất ở giai đoạn thứ hai. Nhiều hợp chất hữu cơ trầm tích lμ sản phẩm của quá trình tiền xử lý của vi sinh vật.

Mặc dù hμm l‡ợng sống sót nhìn chung lμ thấp đối với hầu hết các thμnh phần hợp chất hữu cơ ban đầu, nh‡ng các hợp chất hữu cơ khác nhau trong trầm tích hồ vẫn giữ đ‡ợc nguồn thông tin của mình vμ do đó trở thμnh một phần quan trọng của số liệu về hồ cổ.

Quá trình lμm giμu dinh d‡ỡng, thay đổi về thực vật trên l‡u vực, sự xuất hiện các khu dân c‡ gây ô nhiễm cho hệ thống hồ lμ một vμi tác động có thể rút ra từ thμnh phần các nguyên tử, đồng vị, vμ phân tử của hợp chất hữu cơ trầm tích. Tỉ lệ C/N trong hợp chất hữu cơ phản ánh phần ban đầu của tảo so phần các vật liệu từ đất. Thμnh phần đồng vị cacbon cho thấy lịch sử hoạt động sản xuất của hồ vμ tái sinh cacbon. Thμnh phần mang dấu vết sinh học cung cấp thông tin quan trọng về đóng góp của các quần thể sinh vật khác nhau. Đóng góp của stenol vμ thμnh phần mạch dμi của hyđrocacbon, axit vμ r‡ợu no mạch thẳng giúp phân biệt các nguồn khác nhau từ tảo vμ trên l‡u vực đồng thời cũng ghi lại những biến đổi của hợp chất hữu cơ. Quá trình tăng c‡ờng sự ổn định của hợp chất hữu cơ có nhóm chức mang dấu vết sinh học đ‡ợc thực hiện bằng cách chuyển sang các hyđrocacbon no hoặc thơm hoặc kết hợp vμo dạng bị giới hạn, vμ vì vậy ghi lại thông tin về nguồn gốc của hợp chất hữu cơ. Thμnh phần lignin cung cấp chứng cứ quan trọng về thực vật bao phủ trên l‡u vực, vμ

chất sắc tố trong trầm tích phản ánh thμnh phần của tập hợp các loại tảo trong quá khứ.

Lời cảm ơn. Chúng tôi sẽ không thể chuẩn bị để biên tập phần về tính chất địa

hoá học của các hợp chất hữu cơ trong trầm tích hồ nếu không có kinh nghiệm vμ sự hiểu biết thu đ‡ợc từ các công trình nghiên cứu của nhiều bạn đồng nghiệp vμ các sinh viên trong suốt vμi thập kỷ vừa qua. Chúng tôi chân thμnh cảm ơn các cộng tác viên trong các nghiên cứu của chúng tôi, vμ chúng tôi cảm phục họ về sự hiểu biết các quá trình tác động tới tính chất địa hoá học của hợp chất hữu cơ một cách cặn kẽ. Các kết quả nghiên cứu ở phần nμy của cuốn sách đặc biệt đ‡ợc sự góp ý vμ đề xuất nhiều cải tiến rất lớn của ngμi B.J.Eadie. Tμi liệu tham khảo

1. Aizenshtat Z (1973) Perylene and its geochemical significance. Geochim Cosmochim Acta 37:559-567

2. Andren A W. Strand JW (1981) Atmospheric deposition of particulate organic matter and polyaromatic hydrocarbons in Lake Michigan. In: Eisenreich SJ (ed) Atmospheric pollutants in natural waters. Ann Arbor Science, Ann Arbor, pp 459-479

3. Barnes MA, Barnes WC (1978) Organic compounds in lake sediments. In: Lerman A (ed) Lakes-chemistry, geology, physics, Springer, Berlin Heidelberg New York, pp 127-152

4. Barnola JM, Raynaud D, Korotkevich YS, Lorius C (1987) Vostok ice core provides 160000-year record of atmospheric C02' Nature 329:408-414 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

5. Benner R, Fogel ML, Sprague EK, Hodson RE (1987) Depletion of 13C in lignin and its implications for stable carbon isotope studies. Nature 329:708- 710

6. Benson LV, Meyers PA, Spencer RJ (1991) Change in the size of Walker Lake during the past 5000 years. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol 81:189-214

7. Blumer M, Guillard RRL, Chase T (1971) Hydrocarbons of marine plankton. Mar BioI 8: 183-189

8. Bourbonniere RA (1979) Geochemistry of organic matter in Holocene Great Lakes sediments. Thesis, University of Michigan, Ann Arbor, 373 pp

9. Bourbonniere RA, Meyers P A (1978) Characterization of sedimentary humic matter by elemental and spectroscopic methods. Can J Spectrosc 23:35-41 10. Bourbonniere RA, Meyers PA (1983) Characterization of sedimentary humic

matter by alkaline hydrolysis. Org Geochem 5:131-142

11. Brassell SC, Eglinton G, Maxwell JR (1983) The geochemistry of terpenoids and steroids. Biochem Soc (UK) Trans 11 :575-586

12. Bray EE, Evans ED (1961) Distribution of n-paraffins as a clue to the recognition of source beds. Geochim Cosmochim Acta 27:1113-1127

13. Burlingame AL, Simoneit BRT (1968) Isoprenoid fatty acids isolated from the kerogen matrix of the Green River Formation (Eocene). Science 160:531- 533

14. Carpenter SR, Elser MM, Elser JJ (1986) Chlorophyll production, degradation, and sedimentation: Implications for paleolimnology. Limnol Oceanogr 31: 112-124

15. Casagrande DJ, Given PH (1980) Geochemistry of amino acids in some Florida peat accumulations. 11. Amino acid distributions. Geochim Cosmochim Acta 44:1493-1507

16. Casagrande DJ, Siefert K, Berschinski C, Sutton N (1977) Sulfur in peat- forming systems of the Okefenokee Swamp and Florida everglades: origins of sulfur in coal. Geochim Cosmochim Acta 41: 161-167

17. Cobler R, Dymond J (1980) Sediment trap experiment on the Galapagos spreading center, equatorial Pacific. Science 209:801-803

18. Collister JW, Summons RE, Lichtfouse E, Hayes JM (1992) An isotopic biogeochemical study of the Green River oil shale. Org Geochem 19:265-276 19. Cowie GL, Hedges]l (1984) Carbohydrate sources in a coastal marine

environment. Geochim Cosmochim Acta 48:2075-2087

20. Cranwell PA (1973a) Chain-length distribution of nalkanes from lake sediments in relation to 'postglacial environmental change. Freshwater Bioi 3:259-265

21. Cranwell P A (1973b) Branched-chain and cyclopropanoid acids in a recent sediment. Chern Geol 11: 307-313

22. Cranwell PA (1974) Monocarboxylic acids in lake sediments: indicators, derived from terrestrial and aquatic biota, of paleoenvironmental trophic levels. Chern GeoI14:1-14

23. Cranwell PA (1976) Decompositioll of aquatic biota and sediment formation: lipid components of2 bluegreen algal species and of detritus resulting from microbial attack. Freshwater Bioi 6:481-488

24. Cranwell PA (1978) Extractable and bound lipid components in a freshwater sediment. Geochim Cosmochim Acta 42:1523-1532

25. Cranwell PA (1981) Diagenesis of free and bound lipid components in terrestrial detritus deposited in a lacustrine sediment. Org Geochem 3:79-89 Cranwell PA (1982) Lipids of aquatic sediments and sedimenting particulates. Progr Lipid Res 21 :271308

26. Cranwell P A (1984) Lipid geochemistry of sediments from Upton Broad. a small productive lake. Org Geochem 7:25-37

27. Cranwell PA (1985) Long-chain unsaturated ketones in recent sediments. Geochim Cosmochim Acta 49:1545-1551

28. Cranwell P A (1986) Esters of acyclic and polycyclic isoprenoid alcohols: Biochemical markers in lacustrine sediments. Org Geochem 10:891 -896

29. Cranwell PA. Volkman JK (1981) Alkyl and steryl esters in a recent lacustrine sediment. Chern Geol 32:29-43

30. Cranwell PA. Eglinton G. Robinson N (1987) Lipids of aquatic organisms as potential contributors to lacustrine sediments. II. Org Geochem 11:513-527